Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЕМ В СИСТЕМЕ ПОДАЧИ ТОПЛИВА, А ТАКЖЕ МАШИНОЧИТАЕМЫЙ НОСИТЕЛЬ

Изобретение относится к способу управления давлением направляющей-распределителя для топлива системы подачи топлива, в частности для дизельного двигателя, и к устройствам для реализации способа.

Обычно система подачи топлива дизельного двигателя содержит топливный насос, способный создавать высокое выходное давление до 1600 бар, инжектор, соединенный с каждым цилиндром двигателя, и направляющую-распределитель для топлива, соединяющую инжектор с насосом. Инжектор содержит соленоид или пьезоэлемент для электрического управления управляющим клапаном. Управляющий клапан управляет потоком топлива к воспринимающим давление поверхностям клапанного поршня, так что вершина клапанного поршня либо прижимается к распылительным форсункам инжектора и блокирует их, либо отводится назад, обеспечивая возможность впрыска топлива из форсунок. За счет принципа действия лишь часть топлива, которое протекает в инжектор, фактически впрыскивается в цилиндр. Топливо, которое использовалось для приведения в движение клапанного поршня, течет обратно в бак, так же как топливо, которое выходит за счет внутренних утечек инжектора.

Эффективность использования топлива и степень выброса вредных веществ сильно зависит от времени впрыска топлива. Необходимо не только впрыскивать заданное количество топлива в цилиндры в каждом ходе двигателя, но это также должно происходить в правильный интервал (или интервалы) времени во время хода. Поскольку скорость потока через инжектор зависит от давления в направляющей-распределителе для топлива (и других величин), то впрыск заданного количества топлива может занимать больше времени, чем желательно, если давление в направляющей-распределителе для топлива слишком низкое, или впрыск может останавливаться раньше, чем желательно, если давление в направляющей-распределителе для топлива является слишком высоким. Кроме того, распыление топлива зависит от давления в направляющей-распределителе для топлива. Неоптимальное распыление может приводить к увеличению выброса загрязнений и/или уменьшению эффективности использования топлива. Давление топлива, которое обеспечивает идеальное распыление, зависит от условий работы двигателя, так что когда они изменяются, то необходимо согласовывать давление топлива. Поэтому очень важно управлять давлением топлива. Это необходимо осуществлять посредством управления работой насоса так, чтобы в любое время его скорость подачи равнялась скорости, с которой топливо удаляется инжекторами из направляющей-распределителя для топлива. Скорость удаления топлива является довольно сложной функцией рабочих условий, поскольку могут изменяться не только скорость двигателя, т.е. частота впрыска топлива, но также количество топлива, впрыскиваемого в каждом ходе двигателя, и степень утечки инжектора зависит от длительности фаз его возбуждения. Кроме того, даже если скорость удаления топлива из направляющей-распределителя для топлива точно известна, насосом обычно нельзя управлять для обеспечения этой скорости удаления, поскольку насос также имеет внутренние утечки, зависящие от входного и выходного давления и от температуры топлива, так что нет соотношения один к одному между скоростью насоса и скоростью подачи.

Обычно эту проблему решают посредством экспериментального анализа поведения всей системы подачи топлива при различных рабочих условиях и настройки управления насосом так, чтобы поддерживалось соответствующее давление подачи топлива при всех рабочих условиях. Этот анализ и настройку необходимо проводить повторно каждый раз, когда модифицируется система подачи топлива, например, посредством замены инжектора или топливного насоса другим типом, что связано со значительными затратами труда.

Задачей данного изобретения является создание способа управления и устройств для выполнения способа, которые упрощают интеграцию компонентов, имеющих различные характеристики, в систему подачи топлива.

Эта задача решается посредством создания способа управления давления направляющей-распределителя для топлива в системе подачи топлива, содержащей топливный насос, по меньшей мере, один инжектор и направляющую-распределитель для топлива, соединяющую инжектор с насосом, при этом способ включает этапы:

а) установления соотношения между давлением направляющей-распределителя для топлива и скоростью утечки инжектора;

с) оценки скорости удаления топлива из направляющей-распределителя для топлива на основании скорости впрыска топлива, давления направляющей-распределителя для топлива и соотношения давления утечки направляющей-распределителя для топлива и скорости утечки;

d) оценки желаемой скорости входного потока насоса на основе скорости удаления топлива; и

е) управления насосом для работы с желаемой скоростью входного потока.

Вместо анализа системы подачи топлива как единого целого, экспериментальный анализ выполняется, согласно данному изобретению, по отдельности для компонентов системы подачи топлива. Соотношение между давлением направляющей-распределителя для топлива и скоростью утечки инжектора проще анализировать, чем поведение всей системы, поскольку первое не зависит от всех характеристик насоса. Если необходимо заменить инжектор, то соотношение между давлением направляющей-распределителя для топлива и скоростью утечки необходимо снова устанавливать для нового инжектора, однако характеристики насоса остаются неизменными. И наоборот, если необходимо заменить насос, то требуется обновить соотношение давления направляющей-распределителя для топлива и скорости утечки.

Предпочтительно, соотношение между давлением направляющей-распределителя для топлива и эффективностью насоса также устанавливают экспериментально перед этапами с)-е) и определяемое так соотношение учитывают при оценке желаемой скорости входного потока на этапе d).

Поскольку вязкость топлива зависит от его температуры, соотношение между давлением направляющей-распределителя для топлива и скоростью утечки необходимо устанавливать в зависимости от температуры топлива. Хотя топливо нагревается при декомпрессии в местах утечки насоса и инжектора, единственное измерение температуры топлива, например, на входе насоса достаточно, поскольку при данной входной температуре величина повышения температуры топлива определяется давлением направляющей-распределителя для топлива.

Скорость утечки инжектора изменяется в зависимости от состояния возбуждения управляющего клапана. Поскольку рабочий цикл управляющего клапана является функцией скорости двигателя, то соотношение между давлением направляющей-распределителя для топлива и скоростью утечки должно предпочтительно задавать скорость утечки в виде взвешенной относительно скорости двигателя суммы, по меньшей мере, статической скорости утечки, связанной с закрытым состоянием инжектора, и динамической скорости утечки, связанной с его открытым состоянием.

Предпочтительно, соотношение давления направляющей-распределителя для топлива и скорости утечки, в частности динамической скорости утечки, необходимо устанавливать в виде функции времени возбуждения инжектора, поскольку мгновенная скорость утечки инжектора в возбужденном состоянии управляющего клапана часто не является постоянной, а зависит от того, как долго возбуждается управляющий клапан.

В момент времени возбуждения, равный нулю, т.е. для статической составляющей скорости утечки, было неожиданным образом установлено, что скорость утечки возрастает более чем линейно с давлением направляющей-распределителя для топлива. Это является неожиданным, поскольку за счет небольшого просвета, через который течет топливо, поток утечки через инжектор должен быть ламинарным, и поэтому скорость G_st утечки должна задаваться формулой Пуазейля

,

где K обозначает зависящий от геометрии фактор, а γ - вязкость топлива. То есть скорость G_st утечки должна быть прямо пропорциональна падению давления Δр, которое по существу равно давлению направляющей-распределителя для топлива. На практике, соотношение между скоростью G_st утечки и давлением Δр направляющей-распределителя для топлива не определяется правильно этой формулой, возможно, за счет уменьшения вязкости γ топлива во время нагревания за счет декомпрессии в инжекторе.

Как указывалось выше, динамическая скорость утечки может зависеть от времени возбуждения. В частности, динамическая скорость утечки увеличивается в зависимости от времени возбуждения в первой высокой степени, если время возбуждения ниже заданного порогового значения, и увеличивается со временем возбуждения во второй, низкой степени, если время возбуждения выше этого указанного порогового значения. Это можно объяснить тем, что когда время возбуждения ниже порогового значения, то смещаемый элемент управляющего клапана смещается с помощью топлива, протекающего через управляющий клапан, и не мешает протеканию потока топлива. Когда смещаемый элемент достигает упора (и инжектор полностью открыт), то смещаемый элемент становится дополнительным препятствием для потока топлива через управляющий клапан, так что мгновенная скорость потока через управляющий клапан уменьшается.

Согласно альтернативному подходу указанная задача решается посредством создания способа управления давлением направляющей-распределителя для топлива в системе подачи топлива, содержащей топливный насос, по меньшей мере, один инжектор и направляющую-распределитель для топлива, соединяющую инжектор и насос, включающего этапы:

b) установления соотношения между давлением направляющей-распределителя для топлива и эффективностью насоса;

с) оценки скорости удаления топлива из направляющей-распределителя для топлива на основании, по меньшей мере, скорости впрыска топлива;

d) оценки желаемой скорости входного потока насоса на основе скорости удаления топлива и эффективности; и

е) управления насосом для работы с желаемой скоростью входного потока.

За счет вязкости топлива, зависящей от температуры, соотношение давления направляющей-распределителя для топлива и скорости утечки предпочтительно устанавливают также как функцию температуры.

Хотя оценка, полученная на этапе d), довольно близка к фактической скорости входного потока насоса, требуемой для сохранения давления направляющей-распределителя для топлива на желаемой постоянной величине, небольшие отклонения могут приводить к медленному уходу давления направляющей-распределителя для топлива. Такой уход может быть компенсирован на этапе е), включающем:

е1) ввод в насос управляющего параметра, определяемого на основании указанной желаемой скорости входного потока;

е2) обнаружение отклонения между текущим давлением направляющей-распределителя для топлива и целевым давлением направляющей-распределителя для топлива; и

е3) корректировку управляющего параметра в зависимости от отклонения.

Таким образом, ввод управляющего параметра на этапе е1) осуществляется в открытый контур управления за очень короткое время, что позволяет быстро реагировать на изменения скорости удаления топлива, вызванные изменениями нагрузки и/или скорости двигателя, в то время как тонкое управление работой насоса осуществляется в закрытом контуре на этапах е2) и е3).

Другим предметом изобретения является контроллер для выполнения указанного выше способа, при этом контроллер содержит блок с прямой связью для выполнения этапов а)-d) и блок с обратной связью для выполнения этапа е).

Другим предметом изобретения является программный продукт обработки данных, содержащий программный код, обеспечивающий возможность создания в процессоре данных, по меньшей мере, одного блока с прямой связью указанного выше контроллера или выполнение указанного выше способа.

Этот программный продукт обработки данных может дополнительно содержать машиночитаемый носитель, в котором записан программный код в машиночитаемом виде.

Другие признаки и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания его вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - блок-схема системы подачи топлива;

фиг.2 - вид в разрезе инжектора системы подачи топлива с фиг.1;

фиг.3 - блок-схема контроллера системы подачи топлива;

фиг.4 - пример экспериментальных данных скорости утечки, на которых основывается управление системой подачи топлива;

фиг.5 - статические скорости утечки в зависимости от давления направляющей-распределителя для топлива для различных температур топлива;

фиг.6 - динамические скорости утечки в зависимости от времени возбуждения для различных значений температуры топлива и давления направляющей-распределителя для топлива;

фиг.7 - пример характеристик эффективности топливного насоса в зависимости от скорости двигателя при различных значениях давления направляющей-распределителя для топлива и температуры топлива 40°С;

фиг.8 - характеристики эффективности топливного насоса при различных температурах топлива и давлении направляющей-распределителя для топлива 300 бар;

фиг.9 - характеристики эффективности топливного насоса при различных температурах топлива и давлении направляющей-распределителя для топлива 1600 бар.

На фиг.1 показана блок-схема системы подачи топлива дизельного двигателя, к которой применимо данное изобретение. Топливный насос 1, например шестеренчатый насос или насос, имеющий несколько поршней, приводимых в движение одним и тем же вращающимся эксцентриком, качает топливо из бака 2 и подает с высоким давлением в направляющую-распределитель 3 для топлива. Направляющая-распределитель 3 для топлива имеет произвольное количество инжекторов, соединенных с ней, для впрыска топлива из направляющей-распределителя 3 для топлива в цилиндры дизельного двигателя (не показано). Электронный контроллер 5 управляет скоростью вращения насоса 1 и временем возбуждения инжекторов 4 на основании температуры T_fuel топлива и давления Р направляющей-распределителя для топлива, измеряемого с помощью датчиков 6, 7 на направляющей-распределителе 3 для топлива, скорости n вращения дизельного двигателя и количества Q_inj впрыскиваемого топлива, подлежащего впрыску в каждый цилиндр и во время каждого хода двигателя, устанавливаемого контроллером более высокого уровня (не показано).

На фиг.2 схематично показан продольный разрез одного из инжекторов 4. Топливный вход 11 высокого давления, который принимает топливо из направляющей-распределителя 3 для топлива, соединен с распылительной форсункой 12 у нижнего конца инжектора 4 с помощью подающей трубки 13. В показанной конфигурации выход топлива в форсунке 12 блокирован конической вершиной управляющего поршня 14. На конце управляющего поршня 14, противоположном указанной вершине, имеется управляющая камера 15, которая соединена с топливным входом 11 через небольшое подающее отверстие 16. Находящееся под давлением в управляющей камере 15 топливо отжимает управляющий поршень 14 вниз. Управляющий поршень имеет такую форму, что когда давления на вершине поршня 14 и в управляющей камере 15 равны, то остаточная направленная вниз сила удерживает поршень 14 прижатым к распылительным форсункам 12.

Управляющая камера 15 имеет выпускное отверстие 17, которое в состоянии покоя удерживается блокированным с помощью штифта 18 управляющего клапана. Если штифт 18 отводится назад посредством возбуждения соленоида 19 управляющего клапана, то топливо выходит из управляющей камеры 15 через выпускное отверстие 17, вызывая падение давления в управляющей камере 15, за счет чего управляющий поршень перемещается вверх давлением, воздействующим на его нижнюю вершину. Таким образом, вершина поршня 14 удаляется от распылительных форсунок 12 и топливо впрыскивается из форсунок 12 в цилиндр сгорания.

Когда прекращается возбуждение соленоида 19, штифт 18 снова прижимается к выпускному отверстию 17 с помощью пружины. В результате, давление в управляющей камере 15 снова повышается и в конечном итоге становится достаточным для прижимания снова управляющего поршня 14 к распылительным форсункам 12.

Во время блокирования распылительных форсунок 12 топливо может выходить из зон высокого давления инжектора к его возвратному выходу 20 и через него обратно в бак 2 через просветы, т.е. вдоль управляющего поршня 14. Дополнительно к этому, когда соленоид 19 возбужден, то топливо, которое выходит через выпускное отверстие 17, достигает возвратного выхода 20. Таким образом, полный поток топлива через инжектор 4 можно рассматривать как состоящий из трех составляющих, во-первых, потока, который действительно впрыскивается в цилиндр сгорания, во-вторых, статического потока утечки, который можно определять как часть полного потока утечки, который существует независимо от того, возбужден или нет соленоид 19, и динамического потока утечки, который составляет топливо, используемое для осуществления перемещения штифта 18 или которое уходит через места утечки внутри инжектора, которые существуют, лишь когда соленоид 19 возбужден и управляющий поршень 14 смещен из своего положения покоя, показанного на фиг.2.

На фиг.3 показана блок-схема контроллера 5. Для упрощения описания контроллер 5 показан разделенным на три блока 22, 23, 24 контроллера, каждый из которых может быть осуществлен отдельно с помощью аппаратного обеспечения. Однако в наиболее практичном варианте выполнения каждый управляющий блок осуществлен в виде модуля программного обеспечения, и все модули выполнены с помощью одинакового аппаратного обеспечения.

Первый блок 22 контроллера с открытым контуром принимает от контроллера двигателя более высокого уровня (не показан) данные Q_inj, задающие количество топлива, подлежащего впрыску в каждый цилиндр двигателя во время одного хода двигателя, и время ЕТ возбуждения, задающего длительность подачи тока возбуждения в соленоид 19 во время указанного хода. Следует отметить, что как Q_inj, так и ЕТ можно рассматривать как скалярные величины, если имеется лишь один впрыск топлива во время хода, или же как векторы в случае множественного впрыска, при этом составляющие векторов задают количество впрыска и время возбуждения каждого впрыска. Текущая скорость n двигателя подается в управляющий блок 22 с помощью датчика скорости вращения на выходном валу двигателя, или же поставляется целевое значение скорости n вращения из указанного контроллера более высокого уровня. Данные T_fuel температуры топлива поставляются с помощью датчика 7.

Управляющий блок 22 содержит память 22′, в которой хранится множество характеристик статической и динамической скорости утечки и, возможно, программные инструкции для управления работой блока 22. Такие характеристики могут быть выведены из экспериментальных данных скорости утечки, показанных в качестве примера на фиг. 4. Показанные на фиг. 4 кривые иллюстрируют средние скорости утечки в состояниях равновесия, наблюдаемых в виде функции времени ЕТ возбуждения для различных значений давления направляющей-распределителя для топлива от 300 бар до 1600 бар и температуры топлива от 28°С до 55°С при постоянной скорости вращения двигателя, например, 1500 об/мин. Понятно, что для ЕТ=0 кривые на фиг. 4 показывают статическую скорость утечки.

На фиг. 5 показан типичный пример характеристических кривых st28, st40, st55 статических скоростей G_st утечки инжектора 4 в виде функции давления Ρ направляющей-распределителя для топлива для температур топлива 28°С, 40°С и 55°С, как записано в памяти 22′ управляющего блока 22. Можно видеть, что скорость G_st утечки увеличивается с температурой T_fuel топлива, поскольку вязкость топлива уменьшается при его нагревании. Неожиданной является зависимость от давления статических скоростей утечки. Теоретически, скорость ламинарного потока определяется формулой Пуазейля

где К обозначает зависящий от геометрии фактор, а γ - вязкость топлива, и падение давления Δp в инжекторе можно рассматривать как равное давлению Ρ направляющей-распределителя для топлива. То есть скорость G_st утечки должна быть прямо пропорциональна давлению Р направляющей-распределителя для топлива. Из фиг.5 совершенно ясно, что формула не дает достаточное описание скорости G_st утечки. Фактическое увеличение скорости G_st утечки с давлением Р направляющей-распределителя для топлива выражено намного больше, чем предсказывает любая из двух формул. Причиной этому является то, что декомпрессия топлива в инжекторе не является изотермической. Дизельное топливо имеет отрицательный коэффициент Джоуля-Томпсона, так что декомпрессия вызывает его нагревание. Величина нагревания и ее воздействие на скорость утечки зависит сложным образом от формы путей утечки и от скорости, с которой рассеивается тепло, создаваемое в топливе. Совершенно ясно, что зависимость статической скорости G_st утечки данного инжектора от температуры T_fuel топлива и давления Р направляющей-распределителя для топлива лучше всего определять экспериментально.

При любой заданной температуре T_fuel топлива и давлении Р направляющей-распределителя для топлива различия между статическими скоростями G_st утечки на фиг.5 и данными измерения на фиг.4 соответствуют динамической утечке. Характеристики, записанные в памяти 22' управляющего блока 22, задают величину Δm_dyn динамической утечки как массу утечки топлива в каждое событие впрыска. Величина Δm_dyn динамической утечки вычисляется непосредственно из экспериментальных данных на фиг.4 посредством вычитания статической скорости G_st утечки и деления результата на количество впрысков в единицу времени, т.е. на n.

На фиг.6 показаны в качестве примера такие характеристики dyn300/28, dyn300/55, dyn750/28, …, dyn 1600/55 для различных давлений и температур топлива в зависимости от времени ЕТ возбуждения. При низких значениях давления направляющей-распределителя для топлива 300 бар или 750 бар величина Δm_dyn динамической утечки линейно увеличивается со временем возбуждения во всем показанном диапазоне ЕТ. При давлении направляющей-распределителя для топлива 1200 бар крутизна кривых dyn1200/28, dyn1200/55 величины утечки уменьшается над временем возбуждения 1200 мкс, и при давлении 1600 бар уменьшение крутизны кривой dyn1600/28 наблюдается при ЕТ, равном приблизительно 1000 мкс, для температуры топлива 28°С, и при ЕТ, равном приблизительно 900 мкс, для температуры топлива 55°С в кривой dyn1600/55. Причиной этому является, вероятно, внутренняя структура инжектора 4: пока штифт 18 управляющего клапана толкается вверх топливом, выходящим через выпускное отверстие 17, то он не создает препятствий для динамической утечки в выпускном отверстии 17. Поэтому скорость динамической утечки определяется в основном шириной выпускного отверстия 17 и температурой топлива здесь. Время, необходимое для достижения штифтом 18 упора, тем короче, чем выше скорость потока через выпускное отверстие 17, т.е. чем выше давление Р и температура T_fuel топлива. Когда штифт 18 достигает упора, то он образует дополнительное препятствие для потока топлива и скорость потока через выпускное отверстие 17 уменьшается. Величина Δm_dyn динамической утечки, показанная на фиг.6, будучи интегралом потока через выпускное отверстие 17, проявляет уменьшенную скорость увеличения, когда штифт 18 достигает своего упора.

В случае системы подачи топлива с единственным впрыском за один ход управляющий блок 22 просматривает характеристики динамической утечки на фиг.7 при принимаемых им значениях времени ЕТ возбуждения, температуры T_fuel топлива и давления Р направляющей-распределителя для топлива и умножает полученное так значение величины Δm_dyn динамической утечки на скорость n вращения с целью вычисления скорости G_dyn динамической утечки в единицах массы за единицу времени.

В случае системы с множественным впрыском значения утечки можно получать из показанных на фиг.6 характеристик для каждого впрыска одного и того же хода с учетом отдельного времени ЕТ возбуждения, которое может быть различным для различных впрысков, и сумма значений утечки отдельных впрысков дает полную величину Δm_dyn динамической утечки на один инжектор и ход.

Скорость G_dyn динамической утечки получается в управляющем блоке 22 посредством умножения величины Δm_dyn динамической утечки на количество ходов в единицу времени, т.е. на скорость n вращения. Управляющий блок 22 вычисляет желаемую скорость Q_{out_pump} подачи насоса 1 как сумму заданных скоростей Q_inj потока впрыска и скоростей G_st и G_dyn всей утечки инжектора 4 при заданных рабочих условиях n, T_fuel и P_set.

Второй управляющий блок 23 получает желаемую скорость Q_{out_pump} подачи, T_fuel и P_set. Управляющий блок 23 содержит память 23' с хранящимися в ней характеристиками эффективности насоса 1. Аналогично характеристикам утечки инжектора 4 эти характеристики эффективности можно определять для конкретного типа топливного насоса экспериментально. На фиг.7 и 9 показаны типичные примеры таких характеристик. На фиг.7 эффективность показана в виде функции скорости вращения насоса для различных давлений направляющей-распределителя для топлива и температуры T_fuel топлива 40°С. В соответствии с ожиданиями эффективность η уменьшается с давлением Р. Однако неожиданным образом наблюдается уменьшение эффективности η с уменьшением скорости вращения насоса при низких значениях давления Р направляющей-распределителя для топлива, в то время как при высоких значениях давления она увеличивается. Этот последний эффект почти не зависит от температуры топлива, как следует из фиг.8 и 9, на которых показана эффективность η в виде функции скорости вращения насоса для различных температур T_fuel топлива при давлении Р направляющей-распределителя для топлива, равном 300 бар в случае фиг.8 и 1600 бар в случае фиг.9.

На основе хранящихся в памяти характеристик эффективности управляющий блок 23 выдает параметры управления в топливный насос с целью получения желаемой скорости Q_{out_pump} подачи на стороне его выхода. В наиболее практичных вариантах выполнения этим параметром управления является целевая скорость вращения насоса 1.

Поскольку эта целевая скорость вращения определяется в открытом контуре управления, то ее обновленное значение доступно с минимальным временем задержки при любых изменениях условий работы дизельного двигателя. Колебания давления Р направляющей-распределителя для топлива вследствие изменений желаемого количества Q_inj потока впрыска, скорости n двигателя и т.д. можно, таким образом, удерживать на очень низком уровне.

Для исключения длительных отклонений между целевым давлением P_set направляющей-распределителя для топлива и фактическим давлением Р третий управляющий блок 24 осуществляет управление с замкнутым контуром: блок 25 вычитания определяет отклонение P_err между давлением Р направляющей-распределителя для топлива и его целевым значением P_set и подает его в ПИД-регулятор 26. Выходной сигнал коррекции ПИД-регулятора 26 накладывается на сигнал управления из управляющего блока 23 схемой 27 сложения, и управление насосом 1 осуществляется с использованием выходного сигнала схемы 27 сложения. Таким образом, высокая скорость ответа управления с открытым контуром комбинируется с точностью и отсутствием ухода управления с замкнутым контуром.