Система управления подачей топлива двигателя внутреннего сгорания

Предложены различные подходы для регулирования топливно-воздушного соотношения в двигателе. В одном из примеров, способ включает в себя регулировку впрыска топлива из упреждающего регулятора в ответ на обратную связь по кислороду выхлопных газов датчика выхлопных газов, расположенного выше по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов, причем упреждающий регулятор содержит первую интегральную составляющую и вторую интегральную составляющую, вторая интегральная составляющая вносит поправку на прошедшие возмущения подачи топлива. Таким образом, можно обеспечивать быстрый отклик на ошибки посредством упреждающего регулятора при корректировке известных прошлых ошибок топливоснабжения, в среднем, посредством второй интегральной составляющей. (Фиг. 1)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ

Настоящая полезная модель относится к системам управления подачей топлива двигателя внутреннего сгорания для поддержания запаса кислорода каталитического нейтрализатора с использованием вспомогательного контура обратной связи системы управления подачей топлива и основного контура управления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Двигатели могут сжигать смесь воздуха и топлива, чтобы вырабатывать крутящий момент. Соотношение воздуха и топлива, указываемое ссылкой как отношение количества воздуха к количеству топлива или топливно-воздушное соотношение может регулироваться в ответ на обратную связь с различных датчиков, в том числе датчиков кислорода выхлопных газов. Регулирование с обратной связью топливно-воздушного соотношения может состоять из нескольких контуров управления: вспомогательный контур, который пытается регулировать выхлопные газы до того, как они проходят через уменьшающий выбросы каталитический нейтрализатор, и основной контур, который использует измерения газа после того, как он прошел через каталитический нейтрализатор.

Управление вспомогательного контура может иметь несколько целей управления, в том числе, поддержание топливно-воздушного соотношения питающих газов (выхода двигателя) для уменьшения выбросов, понижение потерь экономии топлива и уменьшение проблем NVH или ездовых качеств. Дополнительно, вспомогательный контур может стремиться регулировать топливно-воздушное соотношение питающих газов, чтобы отслеживало целевое значение, установленное условиями работы, такими как скорость вращения, нагрузка, температура двигателя, и т.д., и модифицируемым

посредством обратной связи основного контура. Основной контур может работать, чтобы регулировать целевое значение топливно-воздушного соотношения вспомогательного контура на основании показаний датчика после каталитического нейтрализатора, которые указывают состояние каталитического нейтрализатора. Регулирование с обратной связью по основному контуру встречается с различными проблемами, преимущественно обусловленными большой задержкой до того, как какое-нибудь изменение питающего газа на входе каталитического нейтрализатора обнаруживается на выходе и измеряется датчиком HEGO.

Было предложено прибавить вспомогательный контур для преодоления больших задержек распространения и динамических запаздываний, как описано в US 7,987,840 (опубл. 02.08.2011, МПК F02D 41/00). Кроме того, дополнительная интегральная составляющая может быть добавлена в стандартный пропорционально-интегральный (ПИ, PI) регулятор, используемый во вспомогательном контуре для отслеживания возмущений, которые не были подавлены выше по потоку от каталитического нейтрализатора. Следящий интегратор может быть вставлен в конструкцию регулятора (например, последовательно с исходным интегратором); однако, это будет приводить к противоречиям, если используется упреждающий регулятор (например, компенсатор задержки, такой как предиктор Смита).

Также из уровня техники известна система управления выбросами, предназначенная для осуществления способа управления топливно-воздушным соотношением на дорожном транспортном средстве (см. US 2007/125069 A1, опубл. 07.06.2007, МПК F01N 3/00), содержащая двигатель, содержащий выпускной коллектор; каталитический нейтрализатор, плотно присоединенный к выпускному коллектору; расположенный выше по потоку универсальный датчик содержания кислорода в выхлопном газе (UEGO), присоединенный выше по потоку от каталитического нейтрализатора в выпуске

двигателя; расположенный ниже по потоку датчик содержания кислорода в выхлопном газе с разогревом (HEGO), присоединенный ниже по потоку от каталитического нейтрализатора в выпуске двигателя; и контроллер, содержащий память с машиночитаемыми командами, хранимыми в ней. В указанной системе, выбранной в качестве прототипа заявленной полезной модели, каталитический нейтрализатор по-прежнему подвержен сильному влиянии выходного сигнала датчика HEGO, что затрудняет управление по основному контуру.

СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Авторы выявили описанные выше недостатки и, в вариантах осуществления, предложили систему, содержащую:

двигатель, содержащий выпускной коллектор;

каталитический нейтрализатор, плотно присоединенный к выпускному коллектору;

расположенный выше по потоку универсальный датчик содержания кислорода в выхлопном газе (UEGO), присоединенный выше по потоку от каталитического нейтрализатора в выпуске двигателя;

расположенный ниже по потоку датчик содержания кислорода в выхлопном газе с разогревом (HEGO), присоединенный ниже по потоку от каталитического нейтрализатора в выпуске двигателя; и

контроллер, содержащий память с машиночитаемыми командами, хранимыми в ней, причем команды содержат управляющую программу для определения поправок для длительности импульса топливной форсунки, присоединенной к двигателю, на основании расположенного выше по потоку UEGO и расположенного ниже по потоку HEGO посредством вспомогательного и основного контура, причем вспомогательный контур содержит интегратор, формирующий только часть опорного сигнала заданного значения, подаваемого в упреждающий регулятор, причем память контроллера дополнительно содержит машиночитаемые команды, хранимые в ней, содержащие

управляющую программу для ограничения выходного сигнала интегральной составляющей на основании знака ошибки вспомогательного контура относительно того, указывает ли расположенный ниже по потоку HEGO обеднение или обогащение.

В одном из вариантов предложена система, в которой каталитический нейтрализатор является трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

Также предложен способ для двигателя, содержащий этапы, на которых осуществляют регулировку впрыска топлива из упреждающего регулятора в ответ на обратную связь по кислороду выхлопных газов датчика выхлопных газов, расположенного выше по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов, упреждающий регулятор включает в себя первую интегральную составляющую и вторую интегральную составляющую, вторая интегральная составляющая вносит поправку на прошедшие возмущения подачи топлива.

Таким образом, можно точнее поддерживать топливно-воздушное соотношение, поступающее в каталитический нейтрализатор выхлопных газов, на стехиометрии в среднем по времени посредством нейтрализации предыдущих ошибок более поздними поправками. Нормально, такие поправки подвергаются противодействию упреждающим регулятором. Однако, посредством расположения дополнительного интегратора во вспомогательном контуре в точке отсчета упреждающего регулятора, интегрированное по времени среднее топливно-воздушное соотношение в каталитическом нейтрализаторе выхлопных газов может регулироваться даже при наличии односторонних (например, несимметричных) возмущений. Кроме того, дополнительный интегратор, может ограничиваться на основании предельных значений возмущения крутящего момента двигателя и на основании того, насыщен ли, или близок к тому, чтобы быть насыщенным накопленным кислородом или исчерпанным по накопленному кислороду.

В одном из конкретных примеров, способ может побуждать регулятор вспомогательного контура отслеживать пилообразное типовое воздействие, которое может быть эффективным для преодоления вышеуказанных проблем возмущения подачи топлива. Дополнительная составляющая интегратора интегрирует ошибку и прибавляет таковую к выходному сигналу регулятора, чтобы противодействовать возмущениям, которые уже произошли, до тех пор, пока каталитический нейтрализатор эксплуатируется в ненасыщенном состоянии. По существу, проблемы в отношении управления основного контура уменьшаются действием, которое предпринимает регулятор вспомогательного контура, чтобы удерживать запас кислорода каталитического нейтрализатора в пределах требуемого диапазона. Более точно, можно иметь дело с возмущениями топливоснабжения, которые происходят от изменения заданного значения опорного сигнала, чтобы компенсировать возмущение за период времени. Посредством противодействия этому известному возмущению вскоре после того, как оно возникает, по-прежнему наряду с предоставлением возможности действия упреждающего регулятора, влияние на каталитический нейтрализатор уменьшается, делая управление по основному контуру менее затруднительным.

Следует понимать, что сущность полезной модели, приведенная выше, представлена для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Не предполагается идентифицировать ключевые или существенные признаки заявленного предмета полезной модели, объем которой однозначно определен формулой полезной модели, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет полезной модели не ограничен вариантами осуществления, которые исключают какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает примерный цилиндр двигателя внутреннего сгорания.

Фиг. 2A показывает схему примерной топливной системы с компенсацией задержки и ПИ-регулированием.

Фиг. 2B показывает структурную схему системы управления подачей топлива вспомогательного контура согласно примерному варианту осуществления настоящего раскрытия с дополнительным интегратором (I2).

Фиг. 3 показывает отклики системы управления подачей топлива, показанной на фиг. 2A и 2B.

Фиг. 4 показывает выходной сигнал интегратора для ПИ-регулятора с предиктором Смита для ступенчатого возмущения подачи топлива.

Фиг. 5 показывает выходной сигнал каждого интегратора системы управления подачей топлива вспомогательного контура, показанной на фиг. 2B.

Фиг. 6 показывает отклики систем управления подачей топлива вспомогательного контура, показанной на фиг. 2B с и без ограничения на интеграторе I2.

Фиг. 7 показывает блок-схему последовательности операций способа в соответствии с настоящим раскрытием.

Фиг. 8 показывает блок-схему последовательности операций способа этапов ограничения для интегратора I2.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Настоящее раскрытие имеет отношение к управлению подачей топлива двигателя внутреннего сгорания для поддержания запаса кислорода каталитического нейтрализатора с использованием вспомогательного контура обратной связи системы управления подачей топлива и основного контура управления. В вариантах осуществления, система управления подачей топлива включает в себя составляющую дополнительного интегратора. Дополнительный интегратор основан на опорном сигнале, а также обратной связи с датчика кислорода выхлопных газов выше по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов. Дополнительный интегратор подавляет непредвиденные возмущения подачи топлива. Фиг. 1 показывает примерный цилиндр двигателя в соответствии с настоящим раскрытием. Фиг. 2A показывает первый способ управления с обратной связью топливной системой, который противопоставлен против структурной схемы топливной системы с дополнительным интегратором, показанным на фиг. 2B. Фиг. 3-6 показывают экспериментальные выходные сигналы различных операций системы управления подачей топлива согласно конструкции по фиг. 2. Фиг. 7 и 8 показывают блок-схемы последовательности операций способа, детализирующие примерные способы с использованием дополнительного интегратора с упреждающим регулятором в контексте системы управления с вспомогательным и основным контуром, регулирующей состояние накопления кислорода каталитического нейтрализатора уровнем опорного сигнала.

Фиг. 1 - схематичное изображение, показывающее один цилиндр многоцилиндрового двигателя 10, который может быть включен в силовую установку транспортного средства, в которой датчик 126 выхлопных газов может использоваться для определения топливно-воздушного соотношения выхлопных газов, вырабатываемых двигателем 10. Топливно-воздушное соотношение (наряду с другими рабочими параметрами) может использоваться для управления с обратной связью двигателем 10 в различных режимах работы в качестве части системы регулирования топливно-воздушного соотношения. Двигатель 10 может управляться, по меньшей мере частично, системой управления, включающей в себя контроллер 12, и входными сигналами от водителя 132 транспортного средства через устройство 130 ввода. В этом примере, устройство 130 ввода включает в себя педаль акселератора и датчик 134 положения педали для формирования пропорционального сигнала PP положения педали. Камера 30 (то есть, цилиндр) сгорания двигателя 10 может включать в себя стенки 32 камеры сгорания с поршнем 36, расположенными в них. Поршень 36 может быть присоединен к коленчатому валу 40, так чтобы возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал 40 может быть присоединен к по меньшей мере одному ведущему колесу транспортного средства через промежуточную систему трансмиссии. Кроме того, стартерный электродвигатель может быть присоединен к коленчатому валу 40 через маховик, чтобы давать возможность операции запуска двигателя 10.

Камера 30 сгорания может принимать всасываемый воздух из впускного коллектора 44 через впускной канал 42 и может выпускать газообразные продукты сгорания выхлопных газов через выпускной канал 48. Впускной коллектор 44 и выпускной канал 48 могут избирательно сообщаться с камерой 30 сгорания через соответствующие впускной клапан 52 и выпускной клапан 54. В некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания может включать в себя два или более впускных клапанов и/или два или более выпускных клапанов.

В этом примере, впускной клапан 52 и выпускные клапаны 54 могут управляться посредством приведения в действие кулачков через соответствующие системы 51 и 53 кулачкового привода. Каждая из систем 51 и 53 кулачкового привода может включать в себя один или более кулачков и может использовать одну или более из систем переключения профиля кулачков (CPS), регулируемой установки фаз кулачкового распределения (VCT), регулируемой установки фаз клапанного распределения (VVT) и/или регулируемого подъема клапана (VVL), которые могут управляться контроллером 12 для изменения работы клапанов. Положение впускного клапана 52 и выпускного клапана 54 может определяться датчиками 55 и 57 положения, соответственно. В альтернативных вариантах осуществления, впускной клапан 52 и/или выпускной клапан 54 могут управляться посредством возбуждения клапанного распределителя с электромагнитным управлением. Например, цилиндр 30, в качестве альтернативы, может включать в себя впускной клапан, управляемый посредством приведения в действие клапанного распределителя с электромагнитным управлением, и выпускной клапан, управляемый через кулачковый привод, включающий в себя системы CPS и/или VCT.

Топливная форсунка 66 показана расположенной во впускном канале 44 в конфигурации, которая предусматривает то, что известно как впрыск топлива во впускной кнаал во впускное отверстие выше по потоку от камеры 30 сгорания. Топливная форсунка 66 может впрыскивать топливо пропорционально длительности импульса сигнала FPW, принятого из контроллера 12 через электронный формирователь 68. Топливо может подаваться в топливную форсунку 66 топливной системой, включающей в себя топливный бак, топливный насос и направляющую-распределитель для топлива. В некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания, в качестве альтернативы или дополнительно, может включать в себя топливную форсунку, присоединенную непосредственно к камере 30 сгорания, для впрыска топлива прямо в нее некоторым образом, известным как непосредственный впрыск.

Система 88 зажигания может выдавать искру зажигания в камеру 30 сгорания через свечу 92 зажигания в ответ на сигнал SA опережения зажигания из контроллера 12, при выбранных рабочих режимах. Хотя показаны компоненты искрового зажигания, в некоторых вариантах осуществления, камера 30 сгорания или одна или более других камер сгорания двигателя 10 могут работать в режиме воспламенения от сжатия, с или без свечи зажигания.

Датчик 126 топливно-воздушного соотношения выхлопных газов показан присоединенным к выпускному каналу 48 системы 50 выпуска выше по потоку от устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов. Датчик 126 может быть любым подходящим датчиком для выдачи показания топливно-воздушного соотношения выхлопных газов, таким как линейный датчик кислорода или UEGO (универсальный или широкодиапазонный датчик кислорода выхлопных газов). Другие варианты осуществления могут включать в себя другой датчик выхлопных газов, такой как двухрежимный датчик кислорода или EGO, датчик HEGO (EGO с подогревом), NOx, HC или CO. В некоторых вариантах осуществления, датчик 126 выхлопных газов может быть первым одним из множества датчиков выхлопных газов, расположенных в системе выпуска. Например, дополнительные датчики выхлопных газов могут быть расположены ниже по потоку от устройства 70 снижения токсичности выхлопных газов.

Устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов показано расположенным вдоль выпускного канала 48 ниже по потоку от датчика 126 выхлопных газов. Устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов может быть трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором (TWC), уловителем NOx, различными другими устройствами снижения токсичности выхлопных газов или их комбинациями. В некоторых вариантах осуществления, устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов может быть первым одним из множества устройств снижения токсичности выхлопных газов, расположенных в системе выпуска. В некоторых вариантах осуществления, во время работы двигателя 10, устройство 70 снижения токсичности выхлопных газов может периодически восстанавливаться посредством приведения в действие по меньшей мере одного цилиндра двигателя в пределах конкретного топливно-воздушного соотношения.

Контроллер 12 показан на фиг. 1 в качестве микрокомпьютера, включающего в себя микропроцессорный блок 102, порты 104 ввода/вывода, электронный запоминающий носитель для исполняемых программ и калибровочных значений, показанный в качестве микросхемы 112 постоянного запоминающего устройства в этом конкретном примере, оперативное запоминающее устройство 108, энергонезависимую память 110 и шину данных. Контроллер 12 может принимать различные сигналы с датчиков, присоединенных к двигателю 10, в дополнение к тем сигналам, которые обсуждены ранее, в том числе, измерение вводимого массового расхода воздуха (MAF) с датчика 120 массового расхода воздуха; температуру хладагента двигателя (ECT) с датчика 112 температуры, присоединенного к патрубку 114 охлаждения; сигнал профильного считывания зажигания (PIP) с датчика 118 на эффекте Холла (или другого типа), присоединенного к коленчатому валу 40; положение дросселя (TP) с датчика положения дросселя; и сигнал абсолютного давления в коллекторе, MAP, с датчика 122. Сигнал скорости вращения двигателя, RPM, может формироваться контроллером 12 из сигнала PIP. Сигнал давления в коллекторе, MAP, с датчика давления в коллекторе может использоваться для выдачи указания разряжения или давления во впускном коллекторе. Отметим, что могут использоваться различные комбинации вышеприведенных датчиков, такие как датчик MAF без датчика MAP, или наоборот. Во время стехиометрической работы, датчик MAP может давать показание крутящего момента двигателя. Кроме того, этот датчик, наряду с выявленной скоростью вращения двигателя, может давать оценку заряда (включающего в себя воздух), введенного в цилиндр. В одном из примеров, датчик 118, который также используется в качестве датчика скорости вращения двигателя, может вырабатывать заданное количество равноразнесенных импульсов каждый оборот коленчатого вала.

Более того, по меньшей мере некоторые из описанных выше сигналов могут использоваться в системах и способах регулирования отношения количества воздуха к количеству топлива или топливно-воздушного соотношения (FAR), подробнее описанных ниже. Например, контроллер 12 может быть выполнен с возможностью регулировать впрыск топлива в двигатель с первой структурой управления в ответ на обратную связь с датчика топливно-воздушного соотношения, а также других датчиков. Кроме того, контроллер 12 может быть выполнен с возможностью использовать обратную связь датчика для определения ухудшения характеристик датчика топлива-воздуха, такого как асимметричное ухудшение характеристик. В некоторых примерах, контроллер 12 может включать в себя команды, постоянно хранимые в памяти, для управления работой двигателя, включающие в себя регулировку впрыска топлива из упреждающего регулятора, такого как предиктор Смита, в ответ на обратную связь по кислороду выхлопных газов датчика выхлопных газов, расположенного выше по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов, упреждающий регулятор включает в себя первую интегральную составляющую и вторую интегральную составляющую, вторая интегральная составляющая вносит поправку на прошедшие возмущения подачи топлива. Вторая интегральная составляющая может содействовать поддержанию, благодаря регулировкам впрыска топлива, топливно-воздушное соотношение выхлопных газов, поступающее в каталитический нейтрализатор выхлопных газов, чтобы было стехиометрическим интегрированным по времени средним значением, даже в ответ на одностороннее возмущение. В некоторых вариантах осуществления, контроллер включает в себя команды для ограничения второй интегральной составляющей на основании предельных значений поправки крутящего момента двигателя и отсрочивания поправок подачи топлива, сформированных второй интегральной составляющей, на основании показаний датчика кислорода выхлопных газов ниже по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов, поправка подачи топлива отсрочивается в ответ на показание расположенного ниже по потоку датчика кислорода выхлопных газов, которое уже смещено от стехиометрии в том же направлении, что и поправки, сформированные второй интегральной составляющей. Кроме того, контроллер может включать в себя команды, выполняемые для регулировки заданного значения опорного сигнала упреждающего регулятора в ответ на скорость вращения и нагрузку двигателя, при этом заданное значение опорного сигнала вспомогательного контура модулируется на некоторой частоте, и где опорным сигналом является требуемое состояние накопления кислорода каталитического нейтрализатора между полностью насыщенным кислородом и полностью исчерпанным по кислороду.

В некоторых примерах, контроллер 12 может включать в себя команды, постоянно хранимые в памяти, для управления работой двигателя, включающие в себя регулировку впрыска топлива посредством регулятора подачи топлива, содержащего упреждающий регулятор, реагирующий на обратную связь по кислороду выхлопных газов датчика выхлопных газов, расположенного выше по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов, упреждающий регулятор включает в себя первую интегральную составляющую в упреждающем регуляторе и вторую интегральную составляющую, вторая интегральная составляющая вносит поправку на прошедшие возмущения подачи топлива, выходной сигнал второй интегральной составляющей только частично формирует заданное значение опорного сигнала упреждающего регулятора.

Отметим, что постоянное запоминающее устройство 106 запоминающего носителя может быть запрограммировано машиночитаемыми данными, представляющими собой команды, исполняемые процессором 102 для выполнения способов, описанных в материалах настоящего описания, а также других вариантов.

Примерные структурные схемы управления регуляторов, которые могут быть включены в контроллер 12, показаны на фиг. 2A и 2B.

Далее, с обращением к фиг. 2A, показана структурная схема примерного управления вспомогательного и основного контура с физической системой (указываемой ссылкой как агрегат), представленной в качестве механических компонентов. Блок 202 FAR REF представляет команду заданного значения опорного сигнала топливно-воздушного соотношения, которая, в этих примерах, является прямоугольной волной, которая меняет команду подачи топлива около стехиометрии на выбранной частоте, такой как между 0,5 и 3 Гц. Входной сигнал в блок 202 опорного сигнала включает в себя скорость вращения и нагрузку двигателя. Небольшие и частые изменения команды улучшают эффективность каталитического нейтрализатора 224. Выбор амплитуды, периода и относительной продолжительности времени включения прямоугольной волны может быть функциями условий работы двигателя, таких как скорость вращения (n), нагрузка, различные температуры, и т.д. Кроме того, прямоугольная волна может регулироваться на основании измеренного указания состояния каталитического нейтрализатора, соответствующего напряжению датчика кислорода выхлопных газов после каталитического нейтрализатора (определенному датчиком 228 HEGO), относительно заданного значения HEGO, вновь типично функции различных параметров двигателя, определяемых по справочной таблице 204.

Внутри блока 206 системы управления подачей топлива находится регулятор вспомогательного контура, который, в этом примере, включает в себя предиктор Смита, который использует оценки задержки сгорания/выпуска и запаздывания фильтра для компенсации ПИ-регулятора, чтобы предоставлять возможность для более высоких коэффициентов передачи при устойчивой работе. Следующий блок дает обобщение оставшейся стратегии управления, вовлеченной в топливоснабжение, такой как подача топлива без обратной связи (OL), которая преобразует массу топлива в команды впрыска топлива, отправляемые на топливную форсунку 218, но точно регулироваться на основании управления подачей топлива с обратной связью. Оставшиеся элементы на схеме указывают соответствующую физическую систему, которая находится под управлением (форсунку 218, цилиндр 220 сгорания, датчик 226 UEGO выхлопных газов, каталитический нейтрализатор 224 и датчик 228 HEGO, которые могут соответствовать примерную систему двигателя по фиг. 1, включающую в себя форсунку 66, камеру 30 сгорания, датчик 112, и т.д.).

Этот регулятор исправляет ошибки, реагируя на опорный сигнал минус измерение обратной связи (указываемые ссылкой как сигнал ошибки). Изменение или возмущение опорного сигнала в отношении системы будет создавать ошибку. Как только ошибка устранена, не содержащая память часть регулятора (например: пропорциональная составляющая) больше не выдает поправку. Составляющие управления типа с памятью (например: интегральная составляющая) продолжат выдавать поправку, как только ошибка является нулевой; однако, поправка будет постоянным смещением до тех пор, пока не возникает новая ошибка. Это предоставляет регулятору возможность управлять системой, которая имеет возмущение установившегося состояния, наложенное на нее, такое как нагрузка. Возмущение, которое не было подавлено незамедлительно регулятором, не исправляется позже. В многих случаях, имело бы малую ценность или, возможно, было бы пагубным, преднамеренно создавать противоположное возмущение (чем, фактически была бы поправка, если бы производилась, как только затухает переходная характеристика) для противодействия возмущению, которое уже произошло в прошлом. Однако, авторы в материалах настоящего описания выявили, что в случаях, где система ниже по потоку от нашего датчика сама чувствительна к кумулятивному действию возмущения (каталитический нейтрализатор является такой системой), может быть полезным противодействовать прошедшему возмущения, чтобы поддерживать требуемое равновесие системы. Осложняющей ситуацию, однако, является опережающая природа упреждающего регулятора (например, предиктора Смита).

Более точно, даже с предиктором Смита в контуре, возмущения в показателях избыточных окислителей или избыточных восстановителей по-прежнему могут проходить через и входить в каталитический нейтрализатор. Более того, каталитический нейтрализатор действует в качестве накопителя (устройства накопления кислорода) с предельными значениями насыщения. Противодействие любым известным возмущениям, которые уже прошли, в качестве определяемых датчиком UEGO, может быть эффективным при центрировании запаса кислорода каталитического нейтрализатора на промежуточном значении и на отдалении от предельных значений накопления. Однако такие поправки могут отрицательно взаимодействовать с упреждающим регулятором, давая в результате неспособность полностью подавлять отложенную ошибку, или порождая неустойчивость регулятора, которые могут приводить к еще большим ошибкам. Например, добавление дополнительного интегратора последовательно с интегратором регулятора традиционной ПИ-конструкции может отрицательно взаимодействовать с компенсатором задержки и претерпевать неудачу в подавлении отложенной ошибки.

Примерный подход для принятия мер в ответ на возмущения подачи топлива предшествующих способов управления подачей топлива, наряду с уменьшением отрицательных взаимодействий с упреждающим регулятором, состоит в том, чтобы размещать добавочный интегратор до взятой в целом конструкции предиктора Смита в архитектуре управления (например, конфигурировать регулятор, чтобы дополнительный интегратор использовался для формирования по меньшей мере части, а в одном из примеров, всего лишь части, заданного значения опорного сигнала для упреждающего регулятора). Один из примеров этого подхода проиллюстрирован на фиг. 2B. В нем, опорный сигнал подается в исходное местоположение, чтобы обрабатываться предиктором Смита и ПИ-регулятором (P и I1), но он также независимо используется для расчета составляющей ошибки для второго интегратора (I2/s), показанного позицией 209, где «s» - оператор Лапласа. Этот способ здесь указывается ссылкой как способ I&PI. Предиктор Смита больше не имеет непосредственного влияния на ошибку, которую использует I2/s, и, таким образом, уменьшаются отрицательные взаимодействия между двумя интегрирующими звеньями. Другими словами, дополнительное интегратор (I2/s) не зависит от предиктора Смита, но оно является зависящим от опорного сигнала из основного контура.

Таким образом, можно регулировать впрыск топлива посредством упреждающего регулятора (например, предиктора Смита) в ответ на обратную связь по кислороду выхлопных газов датчика выхлопных газов, расположенного выше по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов, упреждающий регулятор включает в себя первую интегральную составляющую (которая в этом примере образует часть предиктора Смита) и вторую интегральную составляющую, вторая интегральная составляющая вносит поправку на прошедшие возмущения подачи топлива. Вторая интегральная составляющая поддерживает топливно-воздушное соотношение выхлопных газов, поступающее в каталитический нейтрализатор выхлопных газов, чтобы было стехиометрическим интегрированным по времени средним значением, даже в ответ на одностороннее возмущение. Эта система может быть реализована в контексте системы управления с обратной связью вспомогательного и основного контура, такой как показанная на фиг. 2B. Опорный сигнал основного контура, сформированный посредством 204, может реагировать на скорость вращения и нагрузку двигателя, устанавливая опорное напряжение для расположенного ниже по потоку датчика 228 топливно-воздушного соотношения. Опорный сигнал вспомогательного контура, сформированный посредством 202, также может быть основан на скорости вращения и нагрузке двигателя и может представлять собой состояние накопления кислорода каталитического нейтрализатора. Опорный сигнал вспомогательного контура может модулироваться на некоторой частоте, как описано в материалах настоящего описания.

Дополнительные признаки могут быть добавлены в регулятор по фиг. 2B, как подробнее описано в материалах настоящего описания со ссылкой на фиг. 7-8, в том числе, ограничение второй интегральной составляющей на основании предельного значения поправки крутящего момента двигателя и отсрочивание поправок подачи топлива, сформированных вторым интегратором на основании показаний расположенного ниже по потоку датчика кислорода выхлопных газов.

Далее, с обращением к фиг. 3, показан результат имитационного моделирования. Она иллюстрирует, каким образом регуляторы по фиг. 2A и 2B, соответственно, реагируют на команду опорного сигнала прямоугольной волны (тонкая сплошная линия) и наложенное возмущение подачи топлива за 20 секунд (толстый сплошной участок). На верхнем графике, отклики системы (пунктирная линия: предиктор Смита и ПИ; и штрихпунктирная линия: дополнительный интегратор до места присоединения предиктора Смита) подавляют продолжительное возмущение 0,6 фи (нормированного топливно-воздушного соотношения) в течение 2 секунд. Однако, запас каталитического нейтрализатора был изменен с обогащением (избыточными восстановителями) от своего ожидаемого состояния (показанного на нижнем графике по фиг. 3) во время 2-секундного отклонения. Посредством отслеживания этого изменения добавленным интегратором I2/s, можно медленно возвращать состояние каталитического нейтрализатора на ожидаемый уравновешенный уровень, штрихпунктирную линию.

Величина поправки возмущения может учитываться для избегания нежелательных возмущений крутящего момента двигателя. Выходной крутящий момент двигателя понижается, если понижается FAR (обедняется: слишком мало топлива). Это может становиться заметным, если смесь обеднена на 3% или более. Управляющее воздействие регулятора по фиг. 2A может быть потенциально большим, так как управляющее воздействие типично противодействует возмущению обогащения. Второй интегратор, однако, будет действующим после того, как затух переходный процесс, чтобы поддерживать каталитический нейтрализатор центрированным, но не обязательно принося пользу сгоранию выше по потоку. Поэтому, чтобы сделать управление более надежным, предельное значение поправки обеднения может быть наложено на второй интегратор, как дополнительно описано со ссылкой на фиг. 7-8, которое может действовать согласованно с регулятором по фиг. 2B. Кроме того, отклики регулятора на обогащение также могут ограничиваться, но с ракурса возмущения крутящего момента, им может быть предоставлена возможность принимать большие значения, так как крутящий момент не уменьшается с такой же скоростью, как отклонения с обеднением такой же амплитуды.

Отметим, что различные подходы могут применяться для ограничения второго интегратора. В одном из примеров, выходной сигнал второго интегратора может ограничиваться на основании значения UEGO питающих газов. Если слишком бедное, выходной сигнал второго интегратора может уменьшаться или даже устанавливаться в 0. Однако это формирует еще один другой контур обратной связи в системе. Еще один, более осмотрительный подход может ограничивать вклад обеднения второго интегратора постоянным значением. Один из аспектов этого ограничения состоит в том, что оно не останавливает второй интегратор в противоположность типичному подходу с подавлением интегрального насыщения. Если выходной сигнал второго интегратора ограничивается вследствие соображений предельного значения обеднения, второй интегратор может по-прежнему корректировать возмущение, которое произошло, а если необходимо, продлевать время, которое действует второй интегратор. Посредством ограничения выходного сигнала, но предоставления интегратору возможности продолжать обновлять и выдавать поправку большей продолжительности времени, полное возмущение будет корректироваться со временем. Таким образом, в одном из примеров, продолжительность времени корректирующего действия второго интегратора продлевается пропорционально степени, в которой ограничивается его выходной сигнал.

Далее, с обращением к фиг. 4, дополнительные выборочные данные предоставлены для лучшей иллюстрации преимуществ ограничения, которое по выбору может использоваться с регулятором по фиг. 2B. Более точно, фиг. 4 показывает выходной сигнал регулятора на фиг. 2A (без добавочного интегратора) для ступенчатого возмущения (за 20 секунд). В случае системы (I&PI) фиг. 2B, отклик добавочного интегратора I2/s показан на верхнем графике, а интегратора I1/s ПИ-регулятора показана на нижнем графике по фиг. 5.

Далее, с обращением к фиг. 5, интегратор (I1/s) нижнего графика по фиг. 5 соответствует выходному сигналу интегратора по фиг. 4. Отклонение интегратора I2/s от 0 на верхнем графике по фиг. 5 является начальной частью возмущения, которое не подвергается противодействию традиционным регулятором. По существу, интегратор (I2/s) устраняет кумулятивное действие возмущения, которое ускользает от исходного регулятора вследствие его ограниченности (такой как задержка восприятия). Этот выходной сигнал интегратора I2 может ограничиваться до 0,01 FAR в одном из примеров.

Далее, с обращением к фиг. 6, она показывает общий отклик. Посредством установки максимально обедненного предельного значения добавочного интегратора (I2/s) в -0,01 FAR, отклики на опорный сигнал прямоугольной волны предоставляется возможность отклоняться от прямоугольной волны всего лишь на 0,01, как может быть видно на верхнем графике по фиг. 6. На нижнем графике по фиг. 6, добавочный интегратор с ограниченным выходным сигналом (пунктирная линия) противодействует возмущению, но достигает цели дольше, чем неограниченный пример (сплошная линия).

Последнее соображение в показателях дополнительной операции интегрирования по фиг. 2B должно учитывать состояние каталитического нейтрализатора на основании измерения HEGO. Вследствие накопления со временем небольших ошибок, интегрирующих сигнал UEGO, возможно, что состояние каталитического нейтрализатора достигает очень богатого или очень бедного состояния, угрожая прорывом (NOx, если запас кислорода насыщен, HC и CO, если запас кислорода исчерпан). Если достигнуто такое состояние, то любое дополнительное управляющее воздействие, которое порождает дополнительный интегратор, которое вынуждало бы каталитический нейтрализатор дополнительно смещаться, чтобы быть исчерпанным или насыщенным, должно уменьшаться. Если напряжение HEGO достигает предельного значения, которое предполагает, что каталитический нейтрализатор близок к прорыву, дополнительный интегратор должно сдерживаться в направлении, которое содействует насыщению/исчерпанию. Например, если запас кислорода по существу полон, как указано напряжением расположенного ниже по потоку датчика, достигающим нижнего предела порогового значения, то прекращается дополнительное обеднение выходного сигнала второго интегратора, но не ограничивая и не изменяя с обогащением выходные сигналы иным образом. В качестве альтернативы, если запас кислорода по существу исчерпан, как указано напряжением расположенного ниже по потоку датчика, достигающим верхнего предела порогового значения, то дополнительное обогащение выходных сигналов второго интегратора прекращается, но не изменяя и не ограничивая с обогащением выходные сигналы иным образом. Таким образом, можно уменьшать непреднамеренный прорыв каталитического нейтрализатора по-прежнему на ряду с корректирующим действием в условиях без прорыва.

С обращением к фиг. 7, блок-схема последовательности операций способа 700 показана в качестве одного из примерных вариантов осуществления регулятора по фиг. 2B. В подходе, проиллюстрированном на фиг. 7, проиллюстрировано ограничение второго интегратора. Более точно, на этапе 702, способ включает в себя определение заданного значения опорного сигнала (например, посредством 202) для вспомогательного контура на основании ошибки основного контура. Затем, на этапе 704, способ определяет ошибку (например, посредством блока 240 суммирования). Затем, на этапе 706, способ определяет выходной сигнал второго интегратора с одним или более примененных ограничений. Дополнительные детали блока 706 описаны посредством способа по фиг. 8.

В таком случае, ошибка прибавляется к ограниченному выходному сигналу второго интегратора, в числе других элементов, и применяется к предиктору Смита на этапе 708, включая компенсацию посредством фильтра 214. Затем, выходной сигнал предиктора Смита используется для формирования пропорциональной и интегральной составляющих (710 и 712, соответственно), которые затем складываются и применяются для формирования регулировок подачи топлива с обратной связью у топливоснабжения на основании потока воздуха на этапе 714. Определенная регулировка затем применяется, посредством топливной форсунки, на этапе 716.

Дополнительные детали об ограничениях по 706 проиллюстрированы посредством примерного способа 800 на фиг. 8. Более точно, фиг. 8 показывает способ 800 ограничения выходного сигнала второго интегратора 209 по фиг. 2B. Блок «1/z» (814) элемент памяти последнего прохода, который может использоваться для интегрирования в дискретном времени, причем, z представляет собой оператор области дискретного времени. Примерные измерения и заданные значения допускают нормированное FAR, где высокое напряжение HEGO указывает обогащенное, а низкое напряжение указывает обедненное состояние.

Способ 800 включает в себя определение составляющей выходного сигнала второго интегратора с ограничениями. Прежде всего, на этапе 802, способ включает в себя применение ошибки из выходного сигнала суммирования 240 с коэффициентом 808 передачи интегрального регулятора к блоку 810 умножения. Параллельно, способ определяет, на этапе 806, модификацию в отношении значения ошибки в зависимости от состояния расположенного ниже по потоку HEGO (HEGO_volt) по сравнению с пороговыми значениями обогащения и обеднения (rich_volt, lean_volt, соответственно). Выходной сигнал этапа 806 умножается на этапе 810, чтобы сформировать модифицированную интегральную ошибку. Если состояние HEGO и ошибки указывает, что каталитический нейтрализатор фактически является приближающимся к прорыву, выходной сигнал 806 будет иметь значение 0, которое будет фактически останавливать интегратор (I2/s). Если логика не указывает надвигающегося прорыва каталитического нейтрализатора, то 806 вводит время после последнего обновления контура регулирования, типично, доли секунды. Произведение на этапе 810, которое является ошибкой, умноженной на коэффициент 808 передачи интегрального регулятора и выходной сигнал из 806, будет модифицированной интегральной ошибкой, введенной в блок 812 суммирования. Блоки 812 и 814 предусматривают численное интегрирование I2/s. Отметим, что, даже если блоки с 816 по 822 могли бы ограничивать выходной сигнал в блоке 826, ячейка памяти на этапе 814 будет продолжать обновляться.

Затем, на этапе 816, способ определяет, является ли модифицированная интегральная ошибка (int) меньшей, чем предельное значение обеднения, и если так (истина), будет ограничивать выходной сигнал предельным значением обеднения на этапе 818. Если интегрированное значение не меньше, чем предельное значение обеднения (ложь), то на этапе 820 проверяют, является ли интегральная составляющая большей, чем предельное значение обогащения, и если так (истина), ограничивает выходной сигнал предельным значением обогащения на этапе 822. Если ни одно из ограничений не достигнуто (ложь на этапе 820), то выходной сигнал устанавливается в модифицированную интегральную составляющую, которая затем выдается в качестве дополнительного опорного входного сигнала в регулятор вспомогательного контура с предиктором Смита.

Таким образом, можно регулировать впрыск топлива посредством регулятора подачи топлива, содержащего упреждающий регулятор, реагирующий на обратную связь по кислороду выхлопных газов датчика выхлопных газов, расположенного выше по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов, упреждающий регулятор включает в себя первую интегральную составляющую в упреждающем регуляторе и вторую интегральную составляющую, вторая интегральная составляющая вносит поправку на прошедшие возмущения подачи топлива, выходной сигнал второй интегральной составляющей только частично формирует заданное значение опорного сигнала упреждающего регулятора. Как пояснено в материалах настоящего описания, этот упреждающий регулятор и вторая интегральная составляющая могут быть включены в рамки вспомогательного контура регулятора, имеющего вспомогательный и основной контур, основной контур реагирует на расположенный ниже по потоку датчик, а вспомогательный контур реагирует на расположенный выше по потоку датчик, основной контур определяет опорный сигнал заданного значения для вспомогательного контура.

Кроме того, как описано со ссылкой на фиг. 8, выходной сигнал второго интегратора может ограничиваться на основании различных параметров, в том числе, на основании предельных значений обедненного и обогащенного сгорания в двигателе, как описано на этапах 816 и 820, на основании напряжения расположенного ниже по потоку датчика, как описано на этапе 806, и различных других. В некоторых примерах, поправки подачи топлива, сформированные вторым интегратором, могут ограничиваться на основании показаний датчика кислорода выхлопных газов ниже по потоку от каталитического нейтрализатора выхлопных газов, в том числе, отсрочивая выходной сигнал посредством установки ошибки в ноль, в ответ на показание расположенного ниже по потоку датчика кислорода выхлопных газов, уже являющееся смещенным от стехиометрии в том же самом направлении, что и поправки, сформированные вторым интегратором, как проиллюстрировано на этапе 806.

Следует отметить, что примерные процедуры управления и оценки, включенные в материалы настоящего описания, могут использоваться с различными конфигурациями систем двигателя и/или транспортного средства. Специфичные процедуры, описанные в материалах настоящего описания, могут представлять собой одну или более из любого количества стратегий обработки, таких как управляемая событиями, управляемая прерыванием, многозадачная, многопоточная, и тому подобная. По существу, проиллюстрированные различные действия, операции и/или функции могут выполняться в проиллюстрированной последовательности, параллельно, или в некоторых случаях пропускаться. Подобным образом, порядок обработки не обязательно требуется для достижения признаков и преимуществ примерных вариантов осуществления, описанных в материалах настоящего описания, но приведен для облегчения иллюстрации и описания. Одно или более из проиллюстрированных действий, операций и/или функций могут выполняться неоднократно, в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные действия, операции и/или функции могут графически представлять управляющую программу, которая должна быть запрограммирована в постоянную память машиночитаемого запоминающего носителя в системе управления двигателем.

Следует принимать во внимание, что конфигурации и процедуры, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными по природе, и что эти специфичные варианты осуществления не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные варианты. Например, вышеприведенная технология может быть применена к типам двигателя V6, I-4, I-6, V-12, оппозитному 4-цилиндровому и другим типам двигателя. Предмет настоящего раскрытия включает в себя все новейшие и не очевидные комбинации и подкомбинации различных систем и конфигураций, и другие признаки, функции и/или свойства, раскрытые в материалах настоящего описания.

Последующая формула полезной модели подробно указывает некоторые комбинации и подкомбинации, рассматриваемые в качестве новейших и неочевидных. Эти пункты формулы полезной модели могут указывать ссылкой на элемент в единственном числе либо «первый» элемент или его эквивалент. Следует понимать, что такие пункты формулы полезной модели включают в себя объединение одного или более таких элементов, не требуя и не исключая двух или более таких элементов. Другие комбинации и подкомбинации раскрытых признаков, функций, элементов и/или свойств могут быть заявлены формулой полезной модели посредством изменения настоящей формулы полезной модели или представления новой формулы полезной модели в этой или родственной заявке. Такая формула полезной модели, более широкая, более узкая, равная или отличная по объему по отношению к исходной формуле полезной модели, также рассматривается в качестве включенной в предмет полезной модели настоящего раскрытия.

1. Система управления подачей топлива двигателя внутреннего сгорания, содержащая:

двигатель, содержащий выпускной коллектор;

каталитический нейтрализатор, плотно присоединенный к выпускному коллектору;

расположенный выше по потоку универсальный датчик содержания кислорода в выхлопном газе (UEGO), присоединенный выше по потоку от каталитического нейтрализатора в выпуске двигателя;

расположенный ниже по потоку датчик содержания кислорода в выхлопном газе с разогревом (HEGO), присоединенный ниже по потоку от каталитического нейтрализатора в выпуске двигателя; и

контроллер, содержащий память с машиночитаемыми командами, хранимыми в ней, причем команды содержат управляющую программу для определения поправок для длительности импульса топливной форсунки, присоединенной к двигателю, на основании расположенного выше по потоку UEGO и расположенного ниже по потоку HEGO посредством вспомогательного и основного контура, причем вспомогательный контур содержит интегратор, формирующий только часть опорного сигнала заданного значения, подаваемого в упреждающий регулятор, причем память контроллера дополнительно содержит машиночитаемые команды, хранимые в ней, содержащие управляющую программу для ограничения выходного сигнала интегральной составляющей на основании знака ошибки вспомогательного контура относительно того, указывает ли расположенный ниже по потоку HEGO обеднение или обогащение.

2. Система по п. 1, в которой каталитический нейтрализатор является трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

РИСУНКИ