Способ управления двигателем внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

 

Использование: в способах управления двигателем внутреннего сгорания. Сущность изобретения: устройство управления по линиям измерения получает множество измеренных значений, обрабатывает и преобразует в данные управления для работы двигателя и через подводящие линии передает на двигатель. Температура одного подключенного к двигателю катализатора измеряется непосредственно, подается в устройство управления двигателем через по меньшей мере одну линию данных и обрабатывается там вместе с другими измеренными величинами, что обеспечивает эксплуатацию двигателя в оптимальном для расхода топлива и/или выпуска вредных веществ диапазоне. Отклонения от оптимального рабочего диапазона для защиты катализатора от превышения температуры не нужны при знании фактической температуры. Управление двигателем также может оптимизироваться в фазе запуска в зависимости от температуры катализатора. Измерение температуры должно производиться по меньшей мере одним интегрированным непосредственно в катализаторе (или на катализаторе) температурным щупом. Щуп должен измерять предпочтительно интегрально через один эквивалентный участок катализатора. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение касается способа управления двигателем внутреннего сгорания при отношении к своевременной температуре одного дополнительно включенного катализатора и пригодного для этого устройства.

Известно устройство для управления двигателем внутреннего сгорания с катализатором отработавших газов, содержащее блок управления, средство для измерения параметров работы двигателя и температуры нейтрализатора, выходы которых соединены с входами блока управления, а выходы последнего с двигателем внутреннего сгорания /см. патент США N 4007589, М.кл F 01 3/15, опубл. 1977/.

Известное устройство не обеспечивает защиту катализатора от превышения температуры.

Применяемые согласно уровню техники устройства управления двигателем и программы учитывают при этом то, что подключенный дополнительно к двигателю катализатор во избежание повреждений носителя и, прежде всего, каталитически активного материала ни в каком режиме не должен превышать определенные максимальные температуры. Для того чтобы это обеспечить, должны быть выполнены в программе управления двигателем определенные условия, что, однако, при иных режимах приводит к тому, что двигатель не удерживается в оптимальной для параметров эмиссии, для мощности, вращающего момента и/или расхода топлива зоне управления несмотря на то, что катализатору фактически еще далеко до своей максимальной допустимой рабочей температуры.

Задача изобретения ограничить настолько, насколько возможно, ограничения устройств управления двигателем согласно уровню техники с целью защиты катализатора от превышения температуры для возможности удержания двигателя при эксплуатации чаще в состоянии, оптимизированном для расхода топлива, для мощности, вращающего момента и/или эмиссии вредных веществ.

Для решения этой задачи служит способ управления двигателем внутреннего сгорания с одним устройством управления двигателем, которое получает через измерительные линии множество данных измерения и обрабатывает, преобразует в данные управления для работы двигателя и по подводящим линиям проводит дальше в двигатель, например, для управления впрыскиванием топлива, подачей воздуха, зажиганием и т.д. отличающийся тем, что температура одного подключенного к двигателю катализатора непосредственно измеряется, по меньшей мере по одной линии передачи данных подводится к управлению двигателем и там обрабатывается вместе с другими измеренными параметрами. При этом под непосредственным измерением следует понимать преимущественно температуры стенок или структур тела носителя катализатора, однако также посредством измерения температуры газа в катализаторе может быть получено пригодное для управления двигателем значение. Определенное изобретением решение имеет преимущество в том, что расчет управления двигателем больше не зависит в прежней мере от полученных заранее в трудоемких испытаниях результатов для температурной характеристики катализатора при теперешнем типе установки при самых различных условиях эксплуатации. Так как фактическая температура катализатора предоставлена в распоряжение как измеренная величина, не должны больше учитывать выявленные из испытаний резервы надежности при управлении двигателем. В частности, управление двигателем может рассчитываться преимущественно, например, для оптимизации расхода топлива, причем оно так долго не подвержено ограничениям, как фактическая температура катализатора лежит в допустимой зоне.

При прежнем способе управления неизбежно то, что система управления двигателем при некоторых рабочих состояниях при отклонении от оптимальных для расхода и/или мощности данных управления проводит измененные данные управления с целью защиты катализатора от повышения температуры на двигатель. Согласно изобретению данные управления больше не должны заранее изменяться, а лишь тогда при отклонении от оптимальных параметров управления, когда измеренная температура катализатора фактически приближается к заданному критическому значению или превышает заданное предельное значение.

Обработка фактической температуры катализатора также в фазе холодного запуска может принести с собой большие преимущества. Чтобы довести катализатор быстро до рабочей температуры, в системе управления двигателем предусмотрены два различных хода управления, которые повышают расход топлива и, смотря по обстоятельствам, уменьшают комфортабельность езды. Путем непосредственного измерения и обработки температуры катализатора эта фаза холодного пуска может быть точно ограничена необходимым размером, так как момент достижения температуры пуска катализатора устанавливаем непосредственно. Вследствие этого могут быть устранены как неблагоприятное для выброса вредных веществ более раннее окончание фазы холодного пуска, так и неблагоприятное для расхода топлива более позднее окончание. Это также имеет значение, особенно для повторного пуска двигателя после различных по продолжительности простоев.

Так как температура в одном катализаторе вообще не распределена равномерно, явно повышается выражение одного измерения, когда температура катализатора измеряется с помощью одного интегрально измеряющего температурного щупа, который протянут через один приблизительно эквивалентный участок поперечного сечения и/или продольного сечения катализатора. При этом эквивалентным считается одно измерение, которое содержит информации как из краевых участков потока, так и из центрального участка. При этом участок поперечного сечения это расположенный в одной плоскости поперечного сечения диск из газовыпускной системы, в котором проводится измерение. Участок продольного сечения это, соответственно, приблизительно лежащий в плоскости продольного сечения диск из газовыпускной системы. Правда, эквивалентные участки могут быть также наклонно или диагонально проходящими плоскостями измерения или также спиральными каналами одного линейного измерительного щупа внутри катализатора.

Сообразно с требованиями к точности температурного измерения и к последующей комбинируемой с данным изобретением системе измерения имеет смысл обработка измеренных значений температуры из двух или нескольких температурных щупов с помощью одного контрольного устройства, которое может выявлять распределение температуры в катализаторе и переводить их или одно рассчитанное максимальное значение через одну информационную линию в систему управления двигателем. В случае если применяются два температурных щупа, то они должны были бы располагаться предпочтительно вблизи обоих торцов катализатора.

Упомянутое контрольное электронное устройство из температурных данных одновременно может контролировать работоспособность и рабочее состояние катализатора и передавать результат контроля через диагностическую линию в индикаторное устройство или в память. Из анализа распределения температуры в катализаторе и временной характеристики температуры могут быть получены сведения о работоспособности катализатора, о еще имеющейся доле преобразования и о предполагаемом дальнейшем сроке службы катализатора.

Контроль катализатора будет особенно точным, если в распоряжении электронного контрольного устройства для определения состояния и/или распределения температуры в катализаторе через подводящие информационные линии находятся данные системы управления двигателем, например число оборотов, давление на всасывании, подвод топлива и т. д. так как отсюда рассчитываемы скорость протекания в выхлопной системе и другие важные величины.

Для случая, когда для автомобилей, особенно обедненных вредными веществами, в качестве катализатора находит применение самим по себе известным способом электрически нагреваемый катализатор, измеренная для вышеуказанных целей температура катализатора дополнительно может привлекаться для регулирования электрического нагревания, чтобы удержать катализатор по возможности быстро и продолжительно во время работы на необходимой для превращения вредных веществ минимальной температуре.

Наиболее пригодным выполнением изобретения считается то, когда система управления управляет двигателем сначала без учета температуры катализатора и модифицирует параметры управления лишь при достижении критической температуры катализатора таким образом, что температура катализатора не поднимается дальше, что может осуществляться, например, путем изменения соотношения топлива и воздуха и/или изменения момента зажигания. Дополнительно могут вводиться приемы охлаждения газоотводящего пути и катализатора.

Далее, временная характеристика температуры катализатора в отношении к различным ходам в узле управления двигателем может контролироваться и отсюда выводиться на ненормальные рабочие состояния двигателя, например перебои в зажигании. Некоторые системы управления двигателем имеют так называемые программы аварийного хода, которые при ненормальных режимах должны предотвратить большие повреждения в машине, но сохранить возможность коротких дальнейших ходов. Воздействие так называемых различных аварийных программ на температуру катализатора может устанавливаться посредством быстрой реакции температурных щупов за короткий промежуток времени, вследствие чего может быть выбрана пригодная для избежания повреждений на катализаторе аварийная программа. Если, например, лишь один цилиндр имеет перебой в зажигании, то имеются аварийные программы, которые блокируют подачу топлива для этого цилиндра. Например, посредством кратковременного, по мере надобности отдельного, отключения подачи топлива для отдельных цилиндров и посредством следующей после этого реакции температуры в катализаторе может выявляться ответственный за перебой в зажигании цилиндр и отключаться его подача топлива.

Для решения поставленной задачи служит также устройство для контроля температуры одного катализатора для выпускных газов одного двигателя внутреннего сгорания и для управления двигателем внутреннего сгорания, содержащее а) один катализатор с одним, по меньшей мере, интегрированным на или в нем температурным щупом; б) один орган управления двигателем, который множество данных измерения, подводимых по измерительным линиям, преобразует в данные управления для работы двигателя и по подводящим линиям передает на двигатель; в) по меньшей мере одну информационную линию, по которой к органу управления двигателем подводимы измеренные значения температуры из катализатора.

Существенным определенным изобретением элементом является подвод данных из катализатора в орган управления двигателем, вследствие чего становится возможным применение описанного выше определенного изобретением способа. Больше не надо ограничиваться лишь контролем и диагнозом состояния катализатора, хотя то и другое в значительной степени остается возможным, а посредством обработки температуры катализатора в блоке управления двигателем можно, с одной стороны, влиять на состояние катализатора, а с другой стороны, избежать необходимые для защиты катализатора ограничения, которые еще были необходимы по причинам надежности, настолько долго, насколько катализатора фактически нет в области критической температуры. Благоприятно, когда в катализаторе расположены по меньшей мере два температурных щупа, так как тогда возможны более точные высказывания о распределении температуры в катализаторе и в распоряжении находятся дополнительные информации для диагноза.

В этой связи имеет смысл промежуточное включение контрольного электронного устройства, которое электронно обрабатывает измеренные значения температуры из катализатора и лишь потом по линии данных передает в блок управления двигателем. Контрольное электронное устройство дополнительно может производить контроль и диагноз состояния катализатора.

Для точности измерения преимуществом является то, как более подробное объясняется при помощи чертежа, что температурный щуп или температурные щупы выполнены плоскими или приблизительно линейными для достижения эквивалентных результатов измерения. В частности, благоприятно, когда температурные щупы протянуты через одну приблизительно эквивалентную часть одного участка поперечного сечения катализатора.

На фиг. 1 показана схематически определенная изобретением система управления двигателем и контроля катализатора; на фиг. 2 пример выполнения одного поперечного сечения выполненного согласно изобретению катализатора в плоскости одного температурного щупа; на фиг. 3 и 4 строение одного пригодного температурного щупа в продольном сечении (фиг. 3) и в поперечном сечении (фиг. 4); на фиг. 5 схематичный пример технологического вставления одного температурного щупа в тело одного катализатора.

На фиг. 1 схематично представлен один двигатель внутреннего сгорания 1 с одним электронным блоком 2 управления двигателем, причем в данном описании под двигателем всегда подразумевались двигатель и все его дополнительные агрегаты типа системы зажигания, впрыскивания топлива, подачи воздуха, за исключением измерительных устройств и блока управления двигателем. Через линии 3 подвода измеренных значений блок 2 управления двигателем получает информацию снаружи и отсюда выявляет данные управления, которые по линиям 4 подвода к двигателю подаются в двигатель 1. Из двигателя 1 выхлопные газы попадают по направлению стрелки в одну газоотводную линию 5, в которой расположен один -волновый зонд 6, который, в свою очередь, через линию 7 измеренных значений связан с блоком 2 управления двигателем. В газоотводной линии расположен один катализатор 8, к которому присоединяется выпускная линия 9. Катализатор 8 может состоять из одного или нескольких отдельных дисков и, конечно, газовыпускная система может быть выполнена также многопоточной, однако для данного изобретения то и другое не играет решающей роли. Катализатор 8 может быть также, по крайней мере в частичных зонах, электрически нагреваем и иметь соответственные этому электрические присоединения. Существенным для данного изобретения является то, что катализатор имеет температурные щупы TF1, TF2, которые через измерительные линии 13, 14 соединены с электронным контрольным устройством 10. Измеренные значения температуры, в принципе, могли бы передаваться от температурных щупов TF1, TF2 также непосредственно в блок 2 управления двигателем, однако в данном примере выполнения предпочитается выполняемая прежде обработка в электронном контрольном устройстве 10. Это электронное контрольное устройство 10 может выявлять из измеренных значений температуры распределение температуры в катализаторе и/или одно среднее значение, и/или одно максимальное значение и передавать по линии 12 данных на блок 2 управления двигателем. Дополнительно электронное контрольное устройство 10 по данным измерения в катализаторе 8 и, в случае необходимости, по подаваемым через подводящие информационные линии 11 данным блоком 2 управления двигателем может контролировать также работоспособность катализатора 8, а результат этого контроля передавать по диагностической линии 15 в индикаторное устройство 16 или запоминающее устройство.

На фиг. 2 в схематично представленном разрезе катализатора 8 в плоскости одного температурного щупа TF представлен возможный пример выполнения одного катализатора с интегрированным в нем температурным щупом. Катализатор 8 состоит из чередующихся слоев волнистых 21 и гладких листов 22. Слои листов окружены оболочкой 23. Внутри этого катализатора 8 проходит параллельно отдельным слоем листовой температурный щуп TF, который в данном примере выполнения содержит один провод, сопротивление которого изменяется с температурой. Чтобы не надо было предусматривать два ввода для температурного щупа в различных местах, провод сопротивления внутри катализатора проложен U-образно, т.е. он состоит из прямого и обратного проводов, как это наглядно поясняется на фиг. 3 и 4. Термоизмерительный щуп TF на одной стороне проводится наружу через оболочку 23 и имеет там присоединения 29 для линий измерений. Показанный здесь принцип укладки одного температурного щупа TF в одном катализаторе 8 представляет собой лишь один пример выполнения. Многие другие возможности для иначе построенных катализаторов являются допустимыми, в частности допустимы спиральная намотка одного температурного щупа или также укладка в одно поперечное отверстие. Для многих случаев также можно отказаться от применения одного U-образного провода сопротивления, когда одну металлическую оболочку температурного щупа используют как обратный провод, т. е. как корпус, а провод сопротивления на одном конце соединяют с оболочкой.

На фиг. 3 показано одно продольное сечение конца температурного щупа TF, а на фиг. 4 поперечное сечение вдоль линии IV-IV на фиг. 3.

Температурный щуп TF имеет оболочку 31, которая может состоять, например, из "инконеля" или другой стойкой к действию высоких температур стали с содержанием хрома и/или алюминия. Сообразно с требованиями оболочка 31 может также состоять из того же самого материала, как листы катализатора 8, вследствие чего без проблем становится возможным запаивание между температурным щупом TF и листами 21, 22 оболочкой 23. Внутри температурного щупа TF U-образно проложена проволока 33, 34, причем проволока может состоять, например, из никеля или другого материала, который имеет сильно зависящее от температуры сопротивление. Изоляционный слой 32, например, из порошка оксида магния известным образом предотвращает контакты между двумя линиями 33, 34 провода сопротивления между собой и оболочкой 31.

На фиг. 5 показан один небольшой вырез из волнистого или же в данном случае складчатого листа, как он применяется для построения тел носителей катализатора. Посредством одного пригодного паза поперечно ходу структуры в гребни волн может создаваться базирование одного температурного щупа TF, которое позволяет наслоение или же сматывание или свивание температурного щупа вместе со структурированным листом 21 в одно тело носителя катализатора. При этом паз 51, как здесь представлено для наглядного пояснения, должен был бы быть не значительно больше поперечного сечения температурного щупа, а иметь приблизительно его размеры, так что возможно впаивание или, по меньшей мере, одно фиксирование температурного щупа TF посредством паза. Посредством незначительной глубины паза 51 и, быть может, запаивания или внутреннего соединения с граничащим ближним гладким листом может достигаться то, что температурный щуп TF фактически измеряет температуру структуры носителя. При одном более глубоком пазе температурный щуп TF может измерять также температуру газа. Возможна гибкая конструкция сообразно с требованиями.

Данное изобретение особенно пригодно для прогрессивных интегральных диагностических и контрольных и управляющих систем в автомобилях, которые имеют двигатели внутреннего сгорания с электронным впрыскиванием и оборудованы регулируемыми катализаторами. Изобретение удачно применимо также в соединении с электрически нагреваемыми катализаторами. Время, в котором двигатель внутреннего сгорания должен эксплуатироваться при не оптимальных для расхода топлива условиях, сокращается без риска для катализатора и тем самым уменьшается расход топлива.

Формула изобретения

1. Способ управления двигателем внутреннего сгорания, содержащим на выходе нейтрализатор отработавших газов, путем измерения различных параметров работы двигателя, подачи полученных значений измерений на вход в блок управления, в котором производят их обработку и преобразование в сигналы управления, после чего осуществляют управление режимами работы двигателя, отличающийся тем, что дополнительно в нейтрализаторе отработавших газов производят измерение температуры непосредственно носителя катализатора, подают измеренное значение в блок управления и осуществляют коррекцию сигналов управления с учетом измеренного значения температуры носителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно задают эталонное значение температуры носителя катализатора, производят сравнение измеряемого значения температуры носителя катализатора с эталонным и при приближении или превышении значения последнего осуществляют коррекцию сигналов управления вне зависимости от оптимальных для данного режима работы значений расхода топлива иди мощности.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что измерение температуры носителя катализатора осуществляют интегрально с помощью температурных щупов, расположенных в носителе катализатора в плоскости его продольного и/или поперечного сечений.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что измерение температуры носителя катализатора осуществляют по меньшей мере двумя температурными щупами, изморенные значения передают в электронное контрольное устройство, в последнем вырабатывают сигнал распределения температуры в носителе катализатора и передают этот сигнал в блок управления двигателем.

5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что рабочее состояние нейтрализатора оценивают по сигналу распределения температуры в носителе катализатора, вырабатываемому электронным контрольным устройством, при этом сигнал дополнительно передают на индикаторное устройство или в память данных.

6. Способ по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что в электронное контрольное устройство дополнительно вводят из блока управления данные, характеризующие работу двигателя.

7. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что производят электрический подогрев катализатора, при этом регулирование электрического подогрева осуществляют в зависимости от измеренного значения температуры катализатора.

8. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что контролируют изменение температуры катализатора во времени, в зависимости от этого изменения определяют характер нарушений в работе двигателя, после чего устраняют возникшие нарушения.

9. Устройство для управления двигателем внутреннего сгорания с катализатором отработавших газов, содержащее блок управления, средство для измерения параметров работы двигателя и температуры нейтрализатора, выходы которых соединены с входами блока управления, а выходы последнего с двигателем внутреннего сгорания, отличающееся тем, что средство измерения температуры нейтрализатора выполнено в виде по меньшей мере одного датчика интегрального измерения значения температуры, размещенного непосредственного в стенке нейтрализатора или в носителе катализатора.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что датчик интегрального измерения значения температуры выполнен в виде, по меньшей мере двух температурных щупов.

11. Устройство по пп. 9 и 10, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электронное контрольное устройство, вход которого соединен с датчиком интегрального измерения значения температуры нейтрализатора, а выход с блоком управления двигателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5