CZ292698A3 - Způsob k modelovému určování množství čerstvého vzduchu, proudícího do válců spalovacího motoru během externího zpětného vedení spalin - Google Patents

Description

(54) Název přihlášky vynálezu:

Způsob k modelovému určování množství čerstvého vzduchu, proudícího do válců spalovacího motoru během externího zpětného vedení spalin (57, Anotace:

Stanovení skutečného množství čerstvého vzduchu, skutečně proudícího do válce se děje pomocí modelu plnění sací trubky, přičemž popis modelu je založen na nelineární diferenciální rovnici. Zvolená formulace modelu přitom zachovává modelování externího zpětného vedení spalin, u různých sacích systémů a systémů s proměnlivým ovládáním ventilů. Toto zjišťování zátěže, podporované modelem, se nechá použít při ovládání motoru, řízeném množstvím vzduchu a řízeném tlakem v sací trubce. Algoritmus korektury ve formě modelového regulačního obvodu umožňuje při nepřesnostech modelových parametrů neustálé zlepšování přesnosti, to znamená modelové odchylky ve stacionárním a nestacionárním provozu.

01-1753-98-Ce

Způsob k modelovému určování množství čerstvého vzduchu, proudícího do válců spalovacího motoru během externího zpětného vedeni spalin

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu k modelovému určování množství čerstvého vzduchu, proudícího do válců spalovacího motoru s

- sací trubkou a s klapkou Škrticího ventilu, která je v ní umísténa a s čidlem, které zjišťuje úhel otevření klapky Škrticího ventilu,

- zařízením pro zpětné vedení spalin s ventilem zpětného vedení spalin, a s čidlem, které zjišťuje úhel otevření ventilu zpětného vedení spalin,

- čidly, která produkují signál zátěže spalovacího motoru,

- elektronickou řídící jednotkou, která na základě změřeného signálu zátěže a otáček spalovacího motoru vypočítává základní okamžik vstřiku.

Dosavadní stav-techniky

Řídící systémy pro spalovací motory, které pracují se vstřikováním paliva, používají jako měřítko zatížení motoru bud množství vzduchu, nasávaného motorem, nebo tlak v sací trubce.

Řídící systémy motorů, řízené množstvím vzduchu, vyžadují tedy pro výpočet doby vstřikováni ono množství čerstvého vzduchu, které proudí ze sací trubky do příslušného válce. Pokud je spalovací motor vybaven externím zařízením na zpětné vedení spalin, s jehož pomocí se část spalin vede zpět do sacího vedení, tak v nestacionárním provozu, který může být vyvolán např. změnou externí rychlosti zpětného vedení spalin a/nebo polohou klapky Škrticího ventilu, nepředstavuje signál měřiče množství vzduchu, umístěného proti směru proudění u klapky Škrticího ventilu, žádné měřítko pro skutečné plnění válce. Plněni se mění přlsluSně se změnou parciálního tlaku čerstvého plynu v sací trubce. takže k exaktnímu určení velikosti zatížení musí být známy absolutní tlak a parciální tlaky v sici trubce.

Řídící systémy motorů, řízené tlakem v sací trubce mohou měřením tlaku zjistit póuže absolutní tlak v sací trubce. Protože měření přívodu paliva se definuje parciálním tlakem čerstvého plynu, musí se vhodným způsobem stanovovat u vedeni čerstvého plynu a u vedeni spalin také parciální tlak zbývajících plynů.

Výpočetní metody, založené na fyzikálních formulacích, a podporované modelem. představují dobrý výchozí bod pro přesné určení množství vzduchu.

V německé patentové přihláSce, předběžně nezveřejněné, číslo P 195 13 601.2 stejného přihlašovatele je popsán způsob ke stanovení podle modelu množství vzduchu, proudícího do válců spalovacího motoru bez zpětného vedení výfukových plynů, S pomocí modelu plnění sací trubky se přitom velikosti tlaku v sací trubce, množství proudícího vzduchu na klapce Škrticího ventilu a množství proudícího vzduchu ve válcích, udávají ze stupně otevřeni klapky Škrticího ventilu a otáček motoru a vypočítává se velikost zátěže, na jejímž základě se určuje okamžik vstřiku.

Na základě signálu čidla určení zátěže, to znamená měřiče množství vzduchu popř. tlakového čidla v sací trubce, se pomocí modelového regulačního obvodu redukuje vliv chybných parametrů modelu plnění sací trubky, přičemž se minimalizuje odchylka mezi naměřenou veličinou a přísluSnou modelovou lil ·· ·· ·*·· *· *· veličinou. Tento přístup umožřiuje permanentní korekturu modelu při stacionárním a nestacionárním provozu motoru, takže velikost zátěže spalovacího motoru může být odhadnuta s velkou přesností.

Z DE 39 19 488 C2 je známo zařízení k regulování a k předběžnému určováni množství nasávaného vzduchu nasávaného spalovacím motorem, řízeného tlakem v sací trubce, u kterého se jako základ k výpočtu okamžité hodnoty vzduchu, nasávaného do spalovacího ' prostoru motoru, používá stupeň otevřeni klapky Škrticího ventilu a otáčky motoru. Toto vypočítané, okamžité množství nasávaného vzduchu, se potom používá jako základ k vypočítání předběžně stanovených hodnot množství nasávaného vzduchu, které se nasává do spalovacího prostoru motoru v určitém čase od bodu, ve kterém byl výpočet proveden. Tlakový signál, který se měří po proudu u klapky Škrticího ventilu, se koriguje s pomocí teoretických vztahů, takže se dosahuje zlepšení stanovení nasávaného množství vzduchu a tím je možný přesnějSi výpočet okamžiku vstřiku.

Vynález má za úkol uvést způsob, se kterým se může u spalovacího motoru se zpětným vedením spalin co možná nej přesněji stanovit parciální tlak čerstvého a zbytkového plynu v sací trubce během stacionárního a nestacionárního chodu motoru a tento může být použit pro přesný výpočet okamžiku vstřiku .

Podstata vynálezu

Tento úkol se řeSÍ způsobem ke stanoveni množství čerstvého vzduchu, proudícího do válců spalovacího motoru s

- sací trubkou a s klapkou Škrticího ventilu, která je v ní umístěna a s čidlem, které zjišťuje úhel otevření klapky Škrticího ventilu,

- zařízením pro zpětné vedení spalin s ventilem zpětného

vedení spalin, a s čidlem, které zjišťuje úhel otevření ventilu zpětného vedení spalin,

- čidly, která produkují signál zátěže spalovacího motoru,

- elektronickou řídící jednotkou, která na základě změřeného signálu zátěže a otáček spalovacího motoru vypočítává základní okamžik vstřiku, spočívající v tom, že

- poměry Kz sací trubce se nechají simulovat pomocí modelu plnění sací trubky, přičemž jako vstupní veličiny modelu se berou přinejmenším úhel otevření klapky škrticího ventilu, úhel otevřeni ventilu Zpětného vedení spalin, tlak okolí, teplota spalin, teplota v sací trubce a parametr, reprezentující polohu ventilu,

- vždy se vytváří modelová veličina pro množství proudícího vzduchu na klapce škrticího ventilu a pro množství proudícího zbytkového plynu na ventilu zpětného vedení spalin,

- vždy se vytváří modelová veličina pro množství vzduchu, proudícího do válce popř. pro množství zbytkového plynu, proudícího do válce, jako funkce tlaku v sací trubce, popř. parciálního tlaku zbytkového plynu,

- z modelových veličin množství proudícího vzduchu na klapce Škrticího ventilu, množství proudícího zbytkového plynu na ventilu zpětného vedení spalin a množství vzduchu, proudícího do válce se vypočítává tlak v sací trubce jako určující veličina ke zjištění skutečné zátěže spalovacího motoru,

- z modelových veličin množství proudícího zbytkového plynu na ventilu zpětného vedení spalin a množství bytkového plynu, proudícího do válce se vypočítává parciální tlak zbytkového plynu v sací trubce,

- z tlaku v sací trubce a z parciálního tlaku zbytkového plynu se určuje parciální tlak čerstvého plynu a

- ze vztahu mezi parciálním tlakem čerstvého plynu a množstvím čerstvého vzduchu, proudícího do válce, se získá integrací množství vzduchu, proudícího do válce.

Další přednostní řešení se nalézají ve vedlejších

nárocích.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladné provedení způsobu podle vynálezu se popisuje na základě následujících schematických obrázků. Přitom znázorňuj 1^:

obr. 1: principiální skica sacího systému benzinového motoru včetně příslušných modelových a měřených veličin, obr. 2: funkce průtoku a příslušná polygonová aproximace, obr. 3: principiální znázornění modelového regulačního obvodu ke stanoveni množství čerstvého vzduchu, proudícího do válců spalovacího motoru při aktivním zpětném vedení spalin, obr. 4: principiální znázornění modelového regulačního obvodu ke korektuře souvislosti mezi tlakem v sací trubce a množstvím vzduchu během vypnutého zpětného vedeni spalin.

Příklady provedeni vynálezu

Vycházeje ze známé formulace, dostáváme popis modelu, založeného na nelineární diferenciální rovnici. Následně se provede aproximace této nelineární rovnice. Jako výsledek této aproximace se nechá chování systému popsat pomocí bilineární rovnice, která umožňuje rychlé řešení poměrů v řídicí jednotce motoru motorového vozidla v podmínkách reálného času. Zvolená formulace modelu přitom zahrnuje modelování externího zpětného vedení výfukových plynů u různých sacích systémů a systémů s různým ovládáním ventilů. Efekty, vyvolané pomocí tohoto uspořádání a pomoci dynamického přeplňování, to jest pomocí odrazů tlakových vln v sací trubici, mohou být velmi dobře • ·* * zohledněny jenom volbou stacionárně definovatelných parametrů modelu. Všechny modelové parametry se nechají na jedné straně interpretovat fyzikálně a na druhé straně se nechají získat výlučně ze stacionárních měření.

Většina algoritmů k časově diskrétnímu řešení diferenciálních rovnic pro model sacího systému vyžaduje především při nepatrném tlakovém poklesu nad klapkou Škrticího ventilu, to znamená při plné zátěži, velmi malé kroky výpočtu, aby pracovaly numericky' stabilně. Důsledkem by byl nevyhnutelně nákladný výpočet při stanovení velikosti zátěže. Protože systémy pro zjišťováni zátěže pracují většinou synchronně v segmentech, to zn. pro čtyřválcové motory se pro každých 180 stupňů úhlu otočení kliky odečte naměřená hodnota, musi být modelová rovnice řešena rovněž synchronně v segmentech. Následně se k řešeni diferenciálních rovnic použije absolutně stabilní diferenční schéma, které zaručuje numerickou stabilitu při libovolné velikosti kroku.

Tento systém ke zjišťování zátěže, které je podporováno modelem, se nechá použit ve známých systémech řízení motoru, to zn. u systémů řízení motoru řízených množstvím vzduchu popř. řízených tlakem v sací trubce, a v dalším se formuluje opravný algoritmus ve formě modelového regulačního obvodu, který při existujících nepřesnostech parametrů modelu umožňuje trvalé zlepšování přesnosti, to zn. doladění modelu ve stacionárním a nestacionárním provozu.

U výpočtu, podporovaného modelem, u kterého se počítá množství čerstvého vzduchu, proudícího do válců spalovacího motoru, se vychází z principiálního uspořádáni, znázorněného na obr. 1. 2 důvodu přehlednosti je přitom znázorněn pouze jeden válec spalovacího motoru. Vztahovou značkou 10 se přitom označuje sací trubka spalovacího motoru, ve které je umístěna klapka 11 škrticího ventilu. Klapka 11 škrticího ventilu je • Φ Φ Φ ·« φ φ φ · φ * · · • φ φφφ φ · * φφφ • φ φ φ φ φ * ··· ·Φ φφ φφφφ ·· spojena s Čidlem 14 polohy klapky Škrticího ventilu, které zjiSťuje úhel otevření této klapky. Proti proudu před klapkou 11 Škrticího ventilu je umístěn měřič 12 množství vzduchu a po proudu za klapkou 11 Škrticího ventilu je v sací trubce 50. umístěno tlakové čidlo 13. Výstupní signály Ídk^emm, DKW, Es_sen měřiče 12 množství vzduchu, čidla 14 klapky Škrticího ventilu á tlakového čidla 13 v sací trubce jsou spojeny se vstupy neznázorněné známé elektronické řídící jednotky spalovacího motoru. Na obr. 1 jsou mimoto jeStě schematicky znázorněny vstupní ventil 15., výstupní ventil i_6 a píst 18. pohybující se ve válci 17.

Ke zpětnému vedení části spalin ve směru, znázorněném šipkou, se uvažuje zpětné vedení 19 spalin, které spojuje spal inový trakt 20 se sací trubkou 10 takovým způsobem, že výfukové plyny se mohou přivádět za klapkou 11 škrticího ventilu do sací trubky IQ. Teplotní čidlo 32, umístěné ve spalinovém traktu 20. předává řídící jednotce spalovacího motoru signál, odpovídající teplotě spalin. Do zpětného vedení 19 spalin je zapojen ventil 21 zpětného vedeni spalin, který je konstruován buď jako pneumaticky pracující ventil, řízený elektropneumatickým měničem pomocí klíčovacího poměru, nebo je realizován jeko elektricky ovládaný ventil, a mění průřez otevření zpětného vedeni 19 spalin pomocí příslušných řídících od elektronické řídící jednotky spalovacího motoru. 21 zpětného vedení spalin je přiřazeno čidlo 22 které předává elektronické řídící jednotce signál

AGRV. odpovídající stupni otevření ventilu 21 zpětného vedení spalin.

signálů Ventilu polohy,

Na obr. 1 jsou mimoto vyznačeny vybrané veličiny, popř, parametry sacího systému. Symbol stříšky přitom znamená veličinu, u které se jedná o modelovou veličinu, zatímco veličiny bez symbolu stříšky reprezentují naměřené veličiny. Jednotlivě znamenají:

Ευ vzduchu spalin, plynu v trubce.

tlak v okolí, Ps tlak v sací trubce, Th teplotu v sací trubce, Vg objem sací trubky, £a prot-itlak Xa teplotu spalin, Ero parciální tlak zbytkového sací trubce, £ro parciální tlak čerstvého plynu v sací

Velič iny se symbolem tečky značí první časovou derivaci přísluSných veličin. Jako ®dk je tak označeno množství proudícího vzduchu na klapce 11 škrticího ventilu, jako Žro je označeno množství proudícího zbytkového plynu u ventilu 21 zpětného vedení spalin, jako mzv> _fo je označeno množství proudícího čerstvého plynu ve válci, jako mzyi _ro množství proudícího zbytkového plynu a jako mzyi celkové množství proudícího plynu ve válci.

Pokud je znám protitlak spalin Ea, stupeň otevření ventilu 21 zpětného vedení spalin (AGRW) a teplota spalin Xa, buď pomocí na pracovním bodě závislého parametrování pomocí grafů charakteristiky, nebo vyhodnocením signálů příslušných čidel, může se vypočítat proudění skrz ventil 21 zpětného vedení spalin.

Na základě předpokladu konstantní teploty vzduchu v sací truvce se nechá sestavit diferenciální rovnice ze stavové rovnice ideálního plynu za účelem výpočtu absolutního tlaku v sací trubce (srovnej obr. 1):

Es ~ (El Xs/Vs) (frdκ + mRo ^- sizvi ) (1.0)

Přitom platí:

č

Es : časový průběh modelové veličiny tlak v sací trubce

Ri, plynová konstanta

Ts ^: teplota vzduchu v sací trubce

Vs : objem sací trubky φ · * ··♦ « ·* *« moK ^; modelové množství proudícího vzduchu u klapky Škrticího ventilu

IBfo : modelové množství proudícího zbytkového plynu u ventilu zpétného vedení spalin />

mzvi '· modelová veličina celkového množství proudícího plynu ve válci λ

Poměry popsané pomocí (1.0) se mohou bez strukturálních změn použít u víceválcových spalovacích motorů s kmitajícími (spínacími) a/nebo rezonančními sacími systémy.

Pro systémy s vícebodovým vstřikováním, u kterých se uskutečňuje mSření přívodu paliva několika vstřikovacími ventily, reprodukuje rovnice (1.0) poměry přesnéji než stejná rovnice u jednobodového vstřikování, to zn. u vstřikování, u kterých se měří dávkování paliva pomocí jediného vstřikovacího ventilu. U prvního jmenovaného způsobu méření dávkování paliva je celý sací systém téméř naplněn vzduchem. Pouze v malé oblasti před vstupními ventily se nachází směs palivo — vzduch. Narozdil od toho je u jednobodového vstřikovacího systému celá sací trubka od klapky Škrticího ventilu až ke vstupnímu ventilu naplněna směcí palivo vzduch, protože vstřikovací ventil je umístěn před klapkou Škrticího ventilu. V tomto případě představuje předpoklad ideálního plynu větSí přiblížení, než u vícebodového vstřikování. (J jednobodového vstřikování se uskutečňuje měření dávkování paliva odpovídající EEIdk, u vícebodového vstřikování odpovídající mzyi

V následujícím se blíže popisuje výpočet množství πΐρκ a inzxi proudících plynů.

Modelová veličina množství u klapky Škrticího ventilu se

EQdk proudícího popisuje rovnicí vzduchu proudění

ideálního plynu skrz trysku. Množství se podle toho určuje vztahem <

fflpK proudícího vzduchu um κ

Λ

Δ RDK (2K/ÍK-1)) (1/(ElIs) )' Žu (2.0) s průtokovou funkcí

A A )ς (Es/Eu)

(Es/Eu) pro nadkritické tlakové poměry, popř.

konat, pro kritické tlakové poměry.

Přitom znamená:

Sidk : modelová veličina proudění vzduchu u klapky Škrticího ventilu

Λ

Ardk : redukovaný průřez ϋ : adiabatický exponent

Rt. : vSeobecná plynová konstata

Is : teplota vzduchu v sací trubici >A

Eu : modelová veličina tlaku v okolí

Λ

Es ^: modelová veličina tlaku v sací trubce průtoková funkce

Ztráty v proudění, které se vyskytují v misté trysky, to znamená u klapky 11 Škrticího ventilu, se zohledňují

Λ redukovaným průřezem Ardk u klapky Škrticího ventilu. Ze stacionárních měření se může při známých tlacích před a za místem trysky a známém proudění skrz trysku stanovit přiřazení úhlu DKW klapky Škrticího ventilu, zjištěného čidlem 14 polohy klapky Škrticího ventilu a přisluSného redukovaného průřezu

A

Δκηκ.

A

Pokud se množství proudícího vzduchu rnox na klapce 1 i škrticí trysky popisuje vztahem (2.0), vzniká komplikovaný algoritmus k numericky správnému řešení diferenciální rovnice (1.0) s absolutně stabilním diferenčním schématem. Ke zmenšeni náročnosti výpočtu se průtoková funkce aproximuje polygonovým tahem.

t

Obr. 2 znázorňuje průběh průtokové funkce a použitý princip aproximace. Uvnitř úseku i_, j. (i, j. “ 1. . .k) se průtoková funkce znázorňuje přímkou. S reprezentativním počtem přímých úseků se nechá dosáhmout dobré aproximace průtokové funkce pomocí

Ύ = (nu (Es/£u) + Di ) i = (1....K) (2.2)

V této formě popisuje mi strmost a n, absolutní člen (ofset) příslušného přímého úseku. V jednotlivých úsecích linearizace platí vždy hodnoty sil , ru . Hodnoty strmosti a absolutního členu se zapisují do tabulek jako funkce poměru

A Λ tlaku v sací trubce a okolního tlaku Es/Eu.

A A

Na vodorovnou osu na obr. 2 se vynáší tlakový poměr £g/Eu

A A popř. poměr tlaku v sací trubce k protitlaku spalin Es/Ea a na svislou osu funkční hodnota (0 - 0,3) průtokové funkce formulace se může rovnice (2.0) k výpočtu klapce škrticího ventilu

Pomocí takové množství KtDK proudícího vzduchu na aproximovat vztahem

4* A 1 íXLdk = Aedk 1/ (2K/ (k-l)) (1/(El Is ) ) Pu (nu (Es/Pu ) + Di) pro i = (1 ....&) .

(2.J)

Výpočet množství proudícího vzduchu na ventilu Ei zpětného vedení spalin se uskutečňuje rovněž průtokovou o

00 0 · * 0 · « 0 0 0 · • 0 « 0 0 0

000 00 «0 0000 rovnici ideálního plynu pro trysku. Na ventilu 21 zpětného vedení spalin existuje ale pokles tlaku mezi protitlakem spalin a tlakem Pa v sací trubce, a je zde úroveň teploty

Ia. Pro aproximaci průtokové funkce^ je třeba v tomto případě zohlednit hodnoty nu a w, protože tlak Zu v okolí se liší od A protitlaku Za spalin (obr. 2). Existující ztráty v proudění se i ^A popisují redukovaným průřezem Brro ventilu zpětného vedení spalin na místě trysky.

mno

A

ŮRRO

I (2K/(K-1) ) (1/ (Bb 1a) )

A A -A

Zu (Ub (Zs/£.u) ⁺ Eb (3.0)

Množství vzduchu, které proudí do příslušných válců spalovacího motoru se nechá analyticky spočítat pouze těžko, protože silně závisí na výměně náboje. Plnění válců je nejvíce určeno tlakem v sací trubce, otáčkami a Časy ovládání ventilů.

K co možná nejpřesnějšímu výpočtu množství mzxi proudícího plynu do příslušného válce je proto jednak zapotřebí popis poměrů v sacím traktu spalovacího motoru pomocí parciálních diferenciálních rovnic, jednak jako potřebná okrajová podmínka výpočet množství proudícího plynu na vstupním ventilu podle průtokové rovnice. Teprve tato komplikované formulace umožňuje zohlednit efekty dynamického přeplňování, které jsou značně ovlivňovány otáčkami, geometrií sací trubky a časy ovládání ventilů.

Protože výpočet podle výše uvedené formulace se nenechá realizovat v elektronické řídící jednotce spalovacího motoru, vychází možná aproximace z jednoduché souvislosti mezi tlakem

Λ ty

Zs v sací trubce a množstvím ffizyi proudícího plynu ve válci. Pro širokou oblast reálných časů ovládání ventilů se proto může v dobrém přiblížení vycházet z lineární formulace

Λ τη^νι — (4.0)

Směrnic© ř<

přímky a absolutní Člen Γο vztahu (4.0) jsou vSech podstatných faktorů, funkcemi trubky, počtu válců, časů ovládání ventilů a teploty vzduchu v sací trubici ls Závislost hodnot j/I a vQ na parametrech otáček, geometrie sací trubky, počtu válců a časů ovládání ventilů a křivek zdvihu ventilů se přitom nechá zjistit statickým měřením. Tímto zjištěním hodnot se rovněž nechá dobře reprodukovat vliv kmitajících a/nebo rezonančních sacích systémů na množství vzduchu, nasávaného spalovacím motorem. Hodnoty K a yť se vynášejí do grafických charakteristik elektronické řídicí jednotky v závislosti na otáčkách n.

přitom, otáček, při zohlednění geometrie sací

Jako veličina, rozhodující pro určení zátěže motoru, se volí tlak v sací trubce £g. Ξ pomocí modelové diferenciální rovnice se nechá tato veličina velice přesně a rychle

Λ odhadnout. Odhad Es vyžaduje vyřešeni rovnice (1.0).

S rovnicemi (2.3), (3.0) a (4.0) se může rovnice (1.0) aproximovat vztahem

RhK.

t <- + «£

P u

(5. 0) ífc~n-fe_u - τλ ^A

pro i, j. = ( 1. . . . K) .

K řešení rovnice (5.0) se tento vztah převádí na vhodnou φ ** * - “· 4 ·· • 4 · · * 44· 4 44 · • ·4 4 4 4 444·

4« 444 4 4 4 »4444· • 44444 4 4

444 44 ·4 4*44 44 *4 diferenční rovnici.

Jako kritérium k výběru vhodného diferenčního schématu se mohou formulovat následní principiální požadavky na vlastnosti řešeni diferenční rovnice, kterou chceme řešit:

1. diferenční schéma musí být i při extrémně dynamických požadavcích konzervativní, to zn. řešení diferenční rovnice musí odpovídat řešeni diferenciální rovnice.

2. pro okamžiky měření musí být numerická stabilita, která odpovídá maximálně možným časům segmentů, garantována v celé pracovní oblasti (dynamické oblasti) tlaku sací trubky.

Požadavek 1 se nechá splnit implicitním výpočetním algoritmem. Na základě aproximace nelineární diferenciální rovnice (1.0) pomocí bilineární rovnice (5.0) se vzniklé implicitní schéma řešení nechá řešit bez použití iterace, protože diferenční rovnice se může převést do explicitní f ormy.

Druhý požadavek se nechá splnit na základě podmínek diferenciální rovnice (1.0) a její aproximace (5.0) pouze pomoci výpočetního předpisu k sestavení diferenční rovnice, které pracují absolutně stabilně. Takové postupy se označují také jako A-stabilni postupy. Pro tuto A-stabilitu je charakteristická vlastnost algoritmu, aby byl okamžik měřeni, to znamená doba segmentu Itab, při stabilním výchozím problému pro libovolné hodnoty numericky stabilní. Možný výpočetní předpis k numerickému řešeni diferenciálních rovnic, který odpovídá oběma požadavkům, je lichoběžníkové pravidlo.

Diferenční rovnice, vzniklá použitím lichoběžníkového pravidla má v uvedeném případě znění

* · · « 0 0·*· ♦ · · ·

Λ Λ £s[N] = Ps [N-l] (Ταβ/2) ťPstN-1]

-ό £s[N]) (5.1) pro Ν = (1.. Χαβ označuje . co) .

dobu mezi dvěma kroky měření H.

Pokud se diferenciální lichoběžníkového pravidla (5.1), trubce v kroku N měření následuj rovnice (5.0) dostaneme pro ící vztah.

řeSÍ pomocí tlak v sací

I· M a áv ί·

2.#

K-Ί R_UT

pro N = (l.,..co) a i., j. = (1

k) (5. 2)

ÍN3 přitom označuje aktuální segment popř. aktuální výpočetní krok, [N + 1] následující segment popř. následující výpočetní krok.

Pokud je znám celkový tlak v sací trubce, může se změna parciálního tlaku Ρρα zbytkového plynu v sací trubce vypočítat podle následujícího vztahu:

A

Éko =(Bl1s/V3)

A

CtBro ^-

A

BlZvl _RO ) (6.0) ·· s rovnicí (3.0)

A ll ^{>A A A} mRO = Ůrro 1/ (2ae/ («-!)) 1/ (Bl Ia) Pa (2L· Es/Pa + EU ) která vyjadřuje množství zpětný ventil spalin a s *

zbytkového plynu, proudícího skrz λ

DlZyi _ro

Λ

Pro (7.0) jako množstvím zbytkového plynu ve válcích, proudícím externím zpětným vedením spalin.

Pokud se změní lichoběžníkové pravidlo diferenciální rovnice (6.0) pro parciální plynu, dostaneme vztah (5.1) na řešení tlak zbytkového

k výpočtu parciálního tlaku zbytkového plynu v časovém okamžiku MDále platí vztah:

A A A £s = Pfo ⁺ Pro (9.0)

Λ

Parciální tlak čerstvého plynu Pro je potom:

A ^Λ

- Es ~ Pro

A

Pfo (9.1)

Tímto známe tlaky čerstvého a zbytkového plynu v sací trubce při stacionárním a nestacionárním provozu motoru. S parciálním tlakem čerstvého vzduchu se může spočítat množství čerstvého vzduchu, proudícího do každého válce:

!Dzyl_ (10.0)

Jednoduchým integračním algoritmem dostaneme množství vzduchu, nasávané během jedné doby sání spalovacím motorem.

Λ -O*

S3ZYL„FO = (Xab/2) (HlZYL-FO [ff] ⁺ SlZYL_Fo[ÍÍ ~ 1]) (10.1)

Kvůli systémově paliva a nutné zásobě podmíněným mrtvým časům při dávkování paliva je žádoucí předpovězení množství vzduchu, nasávaného spalovacím motorem s volitelným horizontem předpovědi, protože pouze tak je možné v nestacionárním provozu přesné zachováni potřebného poměru palivo - vzduch.

U popsaného způsobu jsou k dispozici modelové veličiny časových změn parciálních tlaků v sacím systému v analytickém tvaru. Pomocí H-náaobného použití lichoběžníkového pravidla se může parciální tlak Čerstvého plynu u H segmentů předpovědět vztahem

A a A

Ero [N+H]=£fo [Ν] ⁺ (Σαβ/Ξ)Η (Es [N-1]-£bo (N-l3+Es [Ν]-Ρκα EN3) (10.2)

Pokud se vychází z hodnot a , které jsou přes dobu předpovědi konstantní, může se předpověděné množství čerstvého plynu ve válci určit pomocí rovníce

A ffiZyl _FO [N

Iab

[Pfo[N]

CH + 0,5)Ta_B/2

A

CEstN-1] b' A

Efo[U-1] + ZstNl-ERotNl)

(10.3)

Pokud se pro horizont předpovědi H volí hodnoty ve velikostní řadě od 1....3, mohou se vzorcem CIO.3) získat s vysokou předpovědí výsledky předpovědi pro množství čerstvého vzduchu, nasávaného spalovacím motorem.

Následně se popíše princip naladění modelu pro řídící systémy motorů, řízené množstvím vzduchu a tlakem v sací trubce.

Podmíněno použitím motorů s variabilním ovládáním ventilů a/nebo s proměnlivou geometrií sací trubky, výrobními tolerancemi a projevy opotřebení, jakož i teplotními vlivy, jsou hodnoty a xo spojeny s určitou nejistotou. Parametry rovnice ke stanovertí množství hmoty proudící ve válci jsou, jak je popsáno nahoře, funkcemi mnohostranných ovlivňujících veličin, ze kterých se nechají zjistit pouze nejdůležitějši.

CJ výpočtu množství hmoty, proudící na klapce škrticího ventilu, se projevují chyby měření při zjišťování úhlu klapky škrticího ventilu a chyba aproximace při lichoběžníkové aproximaci průtokové funkce na modelové veličiny. Zvláště při malých úhlech klapky škrticího ventilu je citlivost systému vůči dříve jmenovaným chybám zvláště vysoká. 2 toho vyplývá, že malé změny polohy klapky škrticího ventilu mají rozhodující vliv na množství hmoty proudící v sací trubce, popř. na tlak v ni. Aby se redukoval účinek těchto vlivů, navrhuje se dále způsob, který umožňuje určité veličiny, které mají vliv na modelový výpočet, korigovat tak, že se může se zvýšenou přesností provést přizpůsobení modelu pro stacionární a nestacionární provoz motoru.

·♦··

Přizpůsobení podstatných parametrů modelu ke stanoveni velikosti zátěže spalovacího motoru se uskutečňuje pomocí A korektury průřezu Apdk k proudění, stanovenému z naměřeného úhlu klapky Škrticího ventilu, pomocí velikosti korektury

dk =

A Λ , Λ

ŮrdkJkorr = Ardk +£AArdk (11.0)

Podle toho, které čidlo pro zjišťování zátěže se používá, se vypočítává velikost korektury Δ Skdk v modelovém regulačním obvodu. U měření množství vzduchu se uskutečňuje výpočet regulační odchylky mezi měřeným množstvím vzduchu, proudícího na klapce škrticího ventilu a modelovým množstvím vzduchu, proudícího na klapce škrticího ventilu.

U měření tlaku v sací trubce se uskutečňuje výpočet regulační odchylky mezi modelovým tlakem v sací trubce a měřeným tlakem v sací trubce.

Pro řídící jednotky motorů řízené množstvím vzduchu je řídící veličinou tohoto regulačního obvodu množství Íidk^lmm proudícího vzduchu, měřené pomocí měřiče množství proudícího vzduchu, zatímco pro systémy řízené tlakem v sací trubce se jako řídící veličina používá tlak Es.sen v sací trubce, který A se měří pomoci tlakového čidla v sací trubce. Hodnota Zl Sred se pomocí vlečné regulace určí potom tak, že regulační odchylka mezi řídící veličinou a příslušnou regulovanou veličinou se minimalizuje.

Aby se také při dynamickém provozu dosáhlo uvedenou metodou zlepšení přesnosti, musí se naměřené hodnoty řídících veličin zjistit co možná nejpřesněji. Ve většině případů se přitom musí zohlednit dynamické chování čidla, to zn. buď měřiče množství vzduchu nebo čidla tlaku v sací trubce, a následně prováděný výpočet střední hodnoty.

ΌΓι

Dynamické chování každého senzoru se může v prvním přiblížení modelovat jako systém prvního řádu se zpožděním Ti . které je eventuálně závislé na pracovním bodě.

V případě řízení motoru pomocí tlaku v sací trubce zni možná rovnice k popisu chování čidla * _Λ

Λ Λ —

Es_sen[N1 = Es_sen[N ^- ll©

-2δ* + £s[N - 1] ¢1 -β

Ti (12.0) zatímco pro systém řízený množstvím vzduchu se může uvést vztah _. -rΛ C.

E1dk_lmm(N] = USD1CLMMCN “ 11® ⁺ iudkEN ^- 1] (1 ).

(13.0)

Ti označuje zpoždění příslušného senzoru.

Výpočet střední hodnoty naměřených údajů v segmentu, prováděný v řídící jednotce, se může modelovat vztahem

Λ Λ Ά

Es_sen_miτ[Ní =(1/2) (Es_sen[K - 1] + Ps_senÍNl), (12.1) nebo

EQD K_ L MM_ MI T [ N j =(1/2) (ed K.LHM [ ϋ — 1] + 3lDK_LMM [N] ) (13.1)

Pokud jsou k dispozici obě čidla pro zjištění zátěže, může se k nastavení množství proudícího vzduchu na klapce škrticího ventilu použit, spolu s měřeným množstvím proudícího vzduchu, redukovaný průřez pro proudění na klapce Škrticího ventilu, popř. okolní tlak. Při provozu se zpětným vedením spalin se může k určeni redukovaného průřezu pro proudění na zpětném ventilu pro vedeni spalin, popi*. k určení protitlaku spalin, použít tlakové Čidlo v sací trubce.

Pokud se vyskytují rozdíly mezi modelovým tlakem v sací trubce a měřeným tlakem v sací trubce, vyeliminují se pomocí přizpůsobení množství proudícího zbytkového plynu přes ΙΑ _Λ Λ korekturu Brro pomocí IaSfro (obr. 3) . Pokud překračuje akCní veličina A^rro určitý práh v pozitivním směru, uskutečňuje se zvýšeni modelové veličiny protitlak spalin, pokud se překročí záporný aplikovatelný práh směrem dolů, uskutečňuje se sníženi modelové veličiny protítlak spalin.

Při uzavřeném ventilu zpětného vedení spalin se tlakovým čidlem v sací trubce koriguje souvislost mezi tlakem v sací trubce a množstvím vzduchu pomoci parametru (obr. 4).

Korekturová veličina se stanovuje v závislosti na otáčkách a ukládá se v energeticky nezávislé paměti řídící jednotky. Hodnota korektury se omezuje maximální hodnotou.

. Následně se popíše modelové nastavení pro motorové řídící jenotky, pokud jsou k dispozici obě Čidla ke zjištěni zátěže • (čidlo ke měření množství vzduchu a tlakové čidlo). Pro tento systém se mohou používat modelové struktury, znázorněné na obr. 3 a 4.

Čidlo 14 nastavení klapky škrticího ventilu (obr.l) poskytuje signál, odpovídající stupni otevřeni klapky 11 škrticího ventilu, např. úhel DKW otevření klapky škrticího ventilu. V první grafické charakteristice KF1 elektronické řídící jednotky motoru jsou uloženy hodnoty pro redukovaný

A průřez Abdk klapky škrticího ventilu, které přísluší různým hodnotám úhlu otevření klapky škrticího ventilu. Dílčí systém model sací trubky na obr. 3 a 4 reprezentuje chování, popsané rovnicemi (5.2) a (8.1).

Řídícími veličinami modelových regulačních obvodů jsou naméřené hodnoty veličin množství H!dk_lhm proudícího vzduchu na klapce Škrticího ventilu a tlaku Es_sen v sací trubce, které jsou zprůmérované přes oblast segmentu. Pokud se jako regulátor do modelových obvodů dosadí PI-regulátor, trvalá regulační odchylka je nula, to zn. ve stacionárním případě jsou modelové veličiny a odpovídající naměřené veličiny identické.

Pulsni jevy v proudění’ vzduSné hmoty na klapce Škrticího ventilu, které se mohou pozorovat hlavně u čtyřválcových motorů, vedou u měřičů množství vzduchu, které produkují nějakou hodnotu, ke značné kladné chybě měření a tím k řídící veličině, která je značně zatížena chybou. Odpojením přísluSného regulátoru, to sn. zmenšením regulačních parametrů se může přejít k řízenému, modelem podporovanému provozu. Oblasti, ve kterých se vyskytují uvedené pul3ace, se tak mohou ošetřovat stejným způsobem, při zohlednění dynamických souvislostí, jako ty oblasti, ve kterých existuje téměř nerušená řídící veličina. Narozdíl od způsobů, které zohledňují relevantní naměřené hodnoty pouze ve stacionárních pracovních bodech, zůstává popsaný systém téměř neomezeně íunkčnl. Při výpadku signálu měřiče množství vzduchu nebo čidla nastavení klapky Škrticího ventilu je představený systém schopen vytvářet odpovídající náhradní signál. Při výpadku řídící veličiny se musí realizovat řízený provoz, zatímco v jiném případě regulovaný provoz zaručuje stěží ovlivnitelnou funkčnost systému.

Blok model sací trubky” popisují podle rovnic veličiny množství spalovacího motoru, která modelové veličiny izyi _fo proudu reprezentuje poměry, tak jak se (5.2) a (8.1) a má proto jako výstupní

A

Es a fflDK, jakož hodnotu pro čerstvého vzduchu se bere jako základ ve válcích ke stanovení základního okamžiku vstřiku. Po modelování přenosového chování čidla měřiče množství vzduchu a tlakového Čidla v sací trubce (rovnice 12,0 popř. 13.0) se modelové veličiny Es a iqdk podrobují výpočtu střední hodnoty podle rovnice (12.1) popř. (13.1), takže střední hodnoty Es_sen_mit, a hodnota Es_3EN, měřená před tlakovým Čidlem v sací trubce, popř. množství H!dk_lmm proudícího vzduchu se mohou přivádět vždy k referenčním bodům 23. 24.

Rozdíl mezi měřenou veličinou a modelovou veličinou střední hodnoty proudu hmoty na klapce Škrticího ventilu, který se tvoří v referenčním bodě 24, slouží na obr. 3 a na obr. 4 jako základ k výpoCtu hodnoty korektury Zi Ardk v regulátoru 27· Modelová veličina redukovaného průřezu se tvoří podle rovnice (11.0) a umožňuje korekturu modelové veličiny proudu hmoty na klapce Škrticího ventilu ve stacionárním a nestacionárním provozu motoru.

Na obr. 3 se rozdíl mezi střední hodnotou měřené veličiny a příslušnou modelovou veličinou tlaku v sací trubce používá k

Λ ^Λ výpočtu hodnoty korektury ii k ovlivnění proudu zbytkového plynu na ftGR-ventilu. Pokud přeračuje velikost korekturyAůrro pevný práh, stanovený ve stupni 29 pro prahovou hodnotu, uskutečňuje se korektura protitlaku Ea v pozitivním popř. negativním směru podle znaménka Δ^ηκο.

Na obr. 4 se používá rozdíl mezi střední hodnotou měřené veličiny a příslušnou modelovou veličinou tlaku v sací trubce ke korektuře proudění hmoty ve válcích pomocí ovlivnění r·

Způsob, představený na obr. 3, nabízí výhodu, že také při chybách parametrů modelu se mohou k odhadu velikosti zátěže očekávat hladké průběhy veličiny zátěže, protože řád rozdílu mezi řiditelným záběrem a velikostí zátěže je jedna. Mimoto je zapotřebí odhad okolního tlaku v závislosti na hodnotě ZIůrdk,

popř. tlakovém poměru. Způsob, představený na obr. 4 nabízí Λ Λ výhodu, že můžeme měnit i při velkých poměrech tlaků £s/Lu množství hmoty proudící ve válci v širokém rozsahu. Změny koeficientů proudění vstupního ventilu se tímto způsobem nechají dobře korigovat.

Claims (14)

1. PATENTOVÉ NÁROKY stanoveni proudícího do válců spalovacího motoru s

   - sací trubkou (10) as klapkou (11) Škrticího ventilu, která je v ní umístěna a s čidlem (14), které zjišťuje úhel otevření (DKW) klapky (11) Škrticího ventilu,

   - zpětným vedením (19) spalin s ventilem (21) zpětného vedení spalin, a s čidlem (22), které zjiSťuje úhel otevření (AGRW) ventilu (21) zpětného vedení spalin,

   - Čidly (12, 13), která produkuji signál zátěže (mDK_LMw;

   Ps_sen) spalovacího motoru,

   - elektronickou řídící jednotkou, která na základě změřeného signálu zátěže (mDK_LMM) Ps_sen) a otáček (n) spalovacího motoru vypočítává základní čas vstřikováni, vyznačující se tím, že

   - poměry v sací trubce (10) se nechají simulovat pomocí modelu plnění sací trubky (rovnice 5.2, 8.1), přičemž jako vstupní veličiny modelu se berou přinejmenším úhel otevření (DKW) klapky (11) Škrticího ventilu, úhel otevření (AGRW) ventilu (21) zpětného vedení spalin, tlak okolí (Pu), teplota spalin (Ta), teplota (Tg) v sací trubce a parametr, polohu ventilu,

   - vždy se vytváří modelová veličina pro množství (11) škrticího ventilu a pro na ventilu (21) zpětného vedení spalin (rovnice 2.3; 3.0),

   - vždy se vytváří modelová veličina pro množství vzduchu, proudícího do válce popř. zbytkového plynu, proudícího do v sací trubce, popř. parciálního (rovnice 4.0; 7.0),

   1. Způsob ke množství čerstvého vzduchu, reprezentuj íci (moκ ) proudícího vzduchu na klapce množství (mRo) proudícího zbytkového plynu />

   (mzxi ) pro množství (mzvi _ro) Λ válce, jako íunkce tlaku (Ps)

   Λ tlaku (Pro) zbytkového plynu

   A — z modelových veličin množství (iudk) klapce škrticího ventilu, množství (ihro) proudícího zbytkového plynu na ventilu (21) zpětného vedení spalin a množství (mzvi ) proudícího vzduchu na vzduchu, proudícího do válce, se vypočítává tlak (Ps) v sací ke

   A zjištění skutečné zátěže trubce jako určující veličina spalovacího motoru (rovnice 5.2),

   - z modelových veličin množství (hiro) proudícího zbytkového (21) zpětného vedení spalin a množství plynu na ventilu 4» (mzyi _ro) zbytkového plynu, proudícího do válce se vypočítává parciální ^tlak 8.1) , (Pro) zbytkového plynu v sací trubce (rovnice tlaku (Pg) v sací zbytkového plynu a plynu trubce a z parciálního tlaku (Pro)

   A se určuje parciální tlak (Pfo) Čerstvého

   - ze vztahu mezi parciálním tlakem (Pfo) čerstvého plynu a proudícího do válce se proudícího do množstvím (mzyi ,fo) čerstvého vzduchu,

   A získá integrací množství (mzyi.Fo) vzduchu.

   válce (17).
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, Že modelové veličiny pro množství (rnox) proudícího vzduchu na klapce (11) Škrticího ventilu a pro množství (mao ) proudícího zbytkového plynu na ventilu (21) zpětného vedení spalin se popisuje pomoci průtokové rovnice ideálního plynu skrz trysku.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se t í m, Že ztráty v proudění v místech trysek (11, 21) se vždy

   Λ Λ zohledňují použitím redukovaných průřezů (Ardk, Arro) prouděni v místech trysek.

   tím, určuj í

   Způsob podle nároku 3, vyznačující se A A že hodnoty pro redukované průřezy (Ardk, Arro) se ze stacionárních měření na motorové měřicí stolici v závislosti na Btupni otevření (AGRW) ventilu zpětného vedení spalin a vynášejí se do grafických charakteristik (KF1; KF
4. 4) pamětí řídicí jednotky.

   F * ·

   F · » ·« · « í se ( mn if ) •» · * · ·· ·

   Β ·· · · * ·»·«·* · ·»· ,« ·· ···
5. 5. Způsob podle nároku 2, vyznačujíc tím, že při znázornění modelových veličin pro množství proudícího vzduchu na klapce (11) škrticího ventilu a pro />

   množství (mno) proudícího zbytkového plynu na ventilu (21) zpětného vedení spalin se průtoková funkce (^), která je přítomna v průtokových rovnicích, dělí na jednotlivé úseky (i, j = 1....A) a tyto úseky se aproximují přímými úseky, přičemž hodnoty stoupání (mi, j ) a absolutního členu (m, j ) příslušného A přímého úseku se určují vždy jako funkce poměru tlaku (Ps) Λ A v sací trubce k okolnímu'tlaku (Pu) popř. tlaku (Ps) v sací Λ trubce k protitlaku (Pa) spalin a ukládají se v grafické charakteristice paměti řídící jednotky.
6. 6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se

   -A tím. Že modelová veličina pro množství (mzyi ) vzduchu, proudícího do válce, se popisuje jako lineární funkce tlaku

   A (Pg) v sací trubce (rovnice 4.0) a strmosti (

   Člen (|ζ) lineární funkce se stanovují v závislosti na alespoň jednom z parametrů, otáček spalovacího motoru, počtu válců, geometrie sací trubky, teploty vzduchu (Tg) v sací trubce (10) a ovládacích dob ventilů.

   a absolutní
7. 7. Způsob podle nároku 1, vyznačující tím, že modelová veličina pro množství (mzyi _ro) vzduchu.

   proudícího do válce, se popisuje jako lineární funkce ^Λ ir' parciálního tlaku (Pro) (rovnice 7.0) a strmosti (Zi) lineární funkce se stanovuje v závislosti na alespoň jednom z parametrů, otáček spalovacího motoru, počtu válců, geometrie sací trubky, teploty vzduchu (Tg) v sací trubce (10) a ovládacích dob ventilů.
8. 8. Způsob podle nároku 6 nebo 7, vyznačuj ící se tím, že parametry se zjišťují stacionárními měřeními na motorové zkušební stolici a ukládají se do grafických charakteristik (KF2, KF3) paměti řídící jednotky.

   •
9. 9 9··· • 9 « • * 4 »9 ·· I

   Způsob podle nároku 1, vyznačující že zátěžový signál (ϊϊιοκ_εμμ; Ps.sen) , měřený čidly (12; 13) se v modelovém regulačním obvodu bere ke nastavení modelových veličin množství (jh&k) z» na klapce škrticího ventilu a tlaku (Ps) t i m, zátěže korektuře a tím k proudícího vzduchu v sací trubce, přičemž zátěžový signál (itÍdk.lmm; Ps.sen) slouží ja kf řídicí veličina regulačního obvodu.
10. 10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že nastaveni sé provádá ve stacionárním a/nebo nestacionárním provozu spalovacího motoru a přitom se zohledňují přenosové charakteristiky (rovnice 12.0; 13.0) zátěžových čidel (12; 13).
11. 11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že přenosová charakteristika zátěžového čidla (12, 13) se modeluje pomocí systému prvního řádu s dobou zpoždění (TI), která je závislá na pracovním bodě.
12. 12. Způsob podle nároku 10, vyznačuj ící se tím, že každé naměřené hodnotě úhlu otevření (DKW) klapky škrticího ventilu se přiřazuje hodnota redukovaného průřezu

    A (Ardk) klapky škrticího ventilu a nastavení modelové veličiny množství (moK) proudícího vzduchu na klapce škrticího ventilu Λ se uskutečňuje pomocí korektury redukovaného průřezu (Ardk) pomocí korekturové veličiny ( ÚArdk) tak, že se minimalizuje regulační odchylka mezi řídicí veličinou (ιτιρκ.εμμ) a modelovou , * veličinou (mp κ) .
13. 13. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že každé naměřené hodnotě úhlu otevření (AGRW) ventilu (21) zpětného vedení spalin se přiřazuje hodnota redukovaného

    Λ průřezu (Arro) ventilu zpětného vedeni spalin a nastavení

    A modelové veličiny tlak (Ps) v sací trubce se uskutečňuje A pomocí korektury redukovaného průřezu (Arro) pomocí korekturové veličiny (ÚArr a) tak, že se minimalizuje regulační odchylka mezi řidiči veličinou (Ps_sen) a modelovou veličinou

    A (Ps).
14. 14. Způsob podle nároku 1Z a 13, vyznačuj ící se tím, že