Контроллер двигателя с искровым зажиганием, использующий запрос крутящего момента водителя
Блок силового агрегата/контроллеры двигателя внутреннего сгорания

Блок контроллера СИ реализует контроллер искрового зажигания (СИ), который использует запрос крутящего момента привода для вычисления команд разомкнутого контура на воздух, топливо и привод зажигания, которые требуются для удовлетворения потребности водителя.
Блок SI Controller можно использовать в исследованиях конструкции или рабочих характеристик двигателя, экономии топлива и снижения выбросов. Для основной подсистемы двигателя, дроссельной заслонки и утилизатора турбокомпрессора требуются команды, выводимые из блока контроллера СИ.
Блок использует командный крутящий момент и частоту вращения двигателя для определения этих команд привода с разомкнутым контуром:
Положение дросселя в процентах
Процент площади сточных вод
Длительность импульса инжектора
Искровое опережение
Угол фазера приемного кулачка
Угол фазера выхлопного кулачка
Процент площади клапана рециркуляции отработавших газов (EGR)
Блок контроллера СИ имеет две подсистемы:
Controller подсистема - определяет команды на основе заданного крутящего момента, измеренной частоты вращения двигателя и расчетной массы воздуха в цилиндре.
Estimator подсистема - определяет расчетный массовый расход воздуха, крутящий момент и температуру выхлопных газов из давления газа во впускном коллекторе, температуры газа во впускном коллекторе, частоты вращения двигателя и положения фазера кулачка.
На рисунке показан поток сигналов.

На рисунке используются эти переменные.
| N | Частота вращения двигателя |
| КАРТА | Среднее по циклу давление во впускном коллекторе |
| IAT |
Температура всасываемого воздуха |
| Олово, EGR |
Температура на входе в клапан ЭГР |
| ЦИНОВКА | Средняя по циклу абсолютная температура газа во впускном коллекторе |
| , |
Угол фазера приемного кулачка и команда угла фазера приемного кулачка соответственно |
|
, |
Команда угла фазера выпускного кулачка и команда угла фазера выпускного кулачка соответственно |
| EGRap, EGRapcmd |
Процент по площади клапана EGR и процент по площади клапана EGR, соответственно |
| ΔPEGR |
Перепад давления на входе и выходе клапана ЭГР |
| WAPcmd |
Команда процента площади отработавших газов турбокомпрессора |
| SA |
Искровое опережение |
|
Ширина импульса топливного инжектора | |
| TPPcmd |
Команда «Процент положения дросселя» |
Для разработки таблиц, доступных в Blockset™ Powertrain, использовалась Toolbox™ калибровки на основе модели.
Блок определяет управляемую нагрузку двигателя (то есть нормированную массу воздуха в цилиндре) из справочной таблицы, которая является функцией управляемого крутящего момента и измеренной частоты вращения двигателя.
, N)
Для достижения управляемой нагрузки контроллер устанавливает процент положения дросселя и процент площади отработавших газов турбокомпрессора с помощью таблиц прямого просмотра подачи. Таблицы поиска являются функциями регулируемой нагрузки и измеренной частоты вращения двигателя.
, N)
TAPcmd)
, N)
Для определения команд угла фазера кулачка блок использует таблицы поиска, которые являются функциями расчетной нагрузки двигателя и измеренной частоты вращения двигателя.
, N)
, N)
Блок вычисляет требуемую нагрузку двигателя, используя это уравнение.
Уравнения используют эти переменные.
| Чтобы | Расчетная нагрузка на двигатель |
| Lcmd | Управляемая нагрузка двигателя |
| N | Частота вращения двигателя |
| Tcmd | Командируемый крутящий момент двигателя |
| TAPcmd | Команда «Процент площади дросселя» |
| TPPcmd | Команда «Процент положения дросселя» |
| WAPcmd | Команда процента площади отработавших газов турбокомпрессора |
Обороты коленчатого вала на силовой ход | |
Стандартное давление | |
Стандартная температура | |
Идеальная газовая постоянная для воздуха и сгоревшей газовой смеси | |
Смещенный объем | |
Расчетный массовый расход воздуха двигателя |
Подсистема контроллера использует эти таблицы поиска для воздушных расчетов.
Таблица поиска команд процента области дросселя, , является функцией командуемой нагрузки и частоты вращения двигателя
, N)
где:
TAPcmd - команда процента площади дросселя, в процентах.
Lcmd = L - управляемая нагрузка двигателя, безразмерная.
N - частота вращения двигателя, в об/мин.

Чтобы учесть нелинейность положения дросселя к площади дросселя, таблица определения процента положения дросселя линеаризует управление массовым расходом воздуха с разомкнутым контуром.
Таблица поиска команды процента положения дросселя, , является функцией команды процента площади дросселя
TAPcmd)
где:
TPPcmd - команда процента положения дросселя, в процентах.
TAPcmd - команда процента площади дросселя, в процентах.

Таблица поиска команд процента зоны отходов, , является функцией от заданной нагрузки двигателя и частоты вращения двигателя
, N)
где:
WAPcmd - это команда wasgetate area percent, в процентах.
Lcmd = L - управляемая нагрузка двигателя, безразмерная.
N - частота вращения двигателя, в об/мин.

Управляемая справочная таблица нагрузки двигателя, , является функцией управляемого крутящего момента и частоты вращения двигателя.
, N)
где:
Lcmd = L - управляемая нагрузка двигателя, безразмерная.
Tcmd - крутящий момент, в Н· м.
N - частота вращения двигателя, в об/мин.

Таблица поиска команд угла фазера впускного кулачка, , является функцией нагрузки двигателя и частоты вращения двигателя
, N)
где:
- угол фазера приемного кулачка, в градусах опережения кривошипа.
Lest = L - расчетная нагрузка двигателя, безразмерная.
N - частота вращения двигателя, в об/мин.

Таблица поиска команд угла фазера кулачка выхлопа, , является функцией нагрузки двигателя и частоты вращения двигателя
, N)
где:
задан угол фазера выхлопного кулачка, в градусах замедления кривошипа.
Lest = L - расчетная нагрузка двигателя, безразмерная.
N - частота вращения двигателя, в об/мин.

EGR обычно выражается в процентах от общего потока впускного отверстия.
Для вычисления процента площади EGR блок использует уравнения и таблицу поиска.
|
Уравнения |
m˙EGR,cmd=EGRpct,cmdm˙intk,est
|
|
Таблица подстановки |
Команда EGR area percent, EGRapcmd, lookup table является функцией нормализованного массового расхода и отношения давления m˙EGRstd,cmdm˙EGRstd,max,Pout,EGRPin,EGR) где:
|
Уравнения и таблица используют эти переменные.
| EGRap, EGRapcmd |
Процент по площади клапана EGR и процент по площади клапана EGR, соответственно |
| EGRpct, cmd |
Команда процента EGR |
|
Командованный стандартный массовый расход | |
|
Максимальный стандартный массовый расход | |
|
Командованный массовый расход | |
|
Расчетный массовый расход впускного отверстия | |
| Тстд, Пстд |
Стандартная температура и давление |
| Олово, EGR |
Температура на входе в клапан ЭГР |
| Pout, EGR, Pin, EGR |
Давление на входе и выходе клапана EGR соответственно |
Соотношение воздух-топливо (AFR) влияет на эффективность конверсии трехкомпонентного катализатора (TWC), производство крутящего момента и температуру сгорания. Контроллер двигателя управляет AFR, управляя длительностью импульса инжектора от требуемого относительного AFR. Относительное значение AFR λ представляет собой соотношение между заданным значением AFR и стехиометрическим значением AFR топлива.
AFRcmdAFRstoich
Блок контроллера СИ учитывает дополнительное топливо, подаваемое в двигатель СИ во время запуска. Если частота вращения двигателя больше, чем частота прокрутки двигателя запуска, блок контроллера СИ обогащает оптимальный AFR, лямбда, экспоненциально затухающей дельта лямбда. Для инициализации дельта-лямбды блок использует температуру охлаждающей жидкости двигателя при запуске. Дельта-лямбда экспоненциально затухает до нуля на основе постоянной времени, которая является функцией температуры хладагента двигателя.
Блок можно сконфигурировать для управления AFR с разомкнутым и замкнутым контуром.
Кому | Использовать | Управление > Топливо > Настройка параметров обратной связи по замкнутому контуру |
|---|---|---|
| (по умолчанию) Управление с разомкнутым контуром |
|
| Управление по замкнутому контуру |
|
Управление с разомкнутым контуром
Чтобы создать входной порт для управляемого AFR (лямбда), на панели управления > Fuel > Open-loop fuel выберите Input lambda.
Можно вручную настроить катализатор на максимальную эффективность при управлении AFR с разомкнутым контуром с или без сглаживания. Если во время управления с разомкнутым контуром необходимо реализовать сглаживание, на вкладке Топливо (Fuel) на панели Топливо с замкнутым контуром (Closed-loop fuel) выберите Размытие (Dithering).
По умолчанию блок настроен на использование таблицы подстановки для управляемого AFR.
Управляемая лямбда, , справочная таблица является функцией расчетной нагрузки двигателя и измеренной частоты вращения двигателя.
, N)
где:
- команда относительно AFR, безразмерная.
Lest = L - расчетная нагрузка двигателя, безразмерная.
N - частота вращения двигателя, в об/мин.

Блок вычисляет расчетный массовый расход топлива, используя управляемые лямбда, , стехиометрический AFR и расчетный массовый расход воздуха.
Блок предполагает, что напряжение батареи и давление топлива находятся в номинальных установках, где не требуется коррекция ширины импульса. Управляемая длительность импульса топливной форсунки пропорциональна массе топлива на впрыск. Масса топлива на впрыск рассчитывается из командуемого массового расхода топлива, частоты вращения двигателя и количества цилиндров.
Trqcmd≤0
Управление по замкнутому контуру
TWC-преобразователи наиболее эффективны, когда AFR выхлопа находится вблизи стехиометрического AFR, где воздух и топливо сгорают наиболее полностью. Примерно в этой идеальной точке АФР находится в пределах окна катализатора, в котором катализатор наиболее эффективен при превращении монооксида углерода, углеводородов и оксидов азота в безвредные выхлопные продукты. Эмпирические исследования показывают, что колебание AFR вокруг стехиометрии с оптимизированной частотой, амплитудой и смещением AFR расширяет окно TWC, увеличивая эффективность конверсии катализатора в присутствии неизбежных возмущений.
Чтобы снизить затраты на оборудование, системы управления AFR включают недорогие переключающие датчики кислорода, расположенные в потоке выхлопных газов двигателя выше и ниже по потоку от катализатора. Датчики кислорода имеют узкий диапазон. По существу, они переключаются между слишком обедненным (т.е. имеется больше воздуха, чем требуется для сжигания имеющегося топлива) и слишком богатым (т.е. имеется больше воздуха, чем требуется для сжигания имеющегося топлива).
Блок реализует метод на основе периода для управления средним значением AFR в пределах окна катализатора для максимальной эффективности преобразования. Управление AFR на основе периода не зависит от задержки транспортировки по двигателю от точки впрыска топлива до точки измерения датчика. Дополнительные сведения об этом методе см. в разделе Разработка регулятора соотношения воздуха и топлива на основе периода с использованием низкозатратного датчика переключения.
Опережение зажигания - угол поворота кривошипа перед верхней мертвой точкой (BTDC) силового хода при подаче искры. Опережение зажигания влияет на эффективность двигателя, крутящий момент, температуру выхлопа, детонацию и выбросы.
Таблица поиска опережения зажигания является функцией расчетной нагрузки и частоты вращения двигателя.
, N)
где:
SA - опережение зажигания, в градусах опережения кривошипа.
Lest = L - расчетная нагрузка двигателя, безразмерная.
N - частота вращения двигателя, в об/мин.

Уравнения используют эти переменные.
| Чтобы | Расчетная нагрузка двигателя на основе нормированной массы воздуха в цилиндре |
| N | Частота вращения двигателя |
Таблица поиска для искрового опережения | |
| N | Искровое опережение |
Когда заданный крутящий момент ниже порогового значения, регулятор частоты вращения холостого хода регулирует частоту вращения двигателя.
| Если | Контроллер скорости холостого хода |
|---|---|
| Trqcmd, вход < Trqidlecmd, включить | Позволенный |
| Trqidlecmd, включить ≤ Trqcmd, вход | Не включено |
Контроллер скорости холостого хода использует дискретный PI-контроллер для регулирования целевой скорости холостого хода посредством команды крутящего момента.
Контроллер PI использует эту функцию передачи:
idletsz − 1
Крутящий момент на холостом ходу должен быть меньше максимального крутящего момента на холостом ходу:
0 ≤ Trqidlecomd ≤Trqidlecmd,max
В этих условиях активно управление скоростью холостого хода. Если заданный входной крутящий момент падает ниже порогового значения для включения регулятора частоты вращения холостого хода (Trqcmd, input < Trqidlecmd, enable), то заданный крутящий момент двигателя определяется следующим образом:
Trqcmd = max (Trqcmd, вход, Trqidlecmd).
Уравнения используют эти переменные.
| Trqcmd | Командируемый крутящий момент двигателя |
| Trqcmd, вход | Входной командный крутящий момент двигателя |
| Trqidlecmd, включить | Пороговое значение для включения контроллера скорости холостого хода |
| Trqidlecmd | Управляемый крутящий момент регулятора частоты вращения холостого хода |
| Trqidlecmd, макс. | Максимальный командный крутящий момент |
| Nidle | Базовая скорость холостого хода |
| Кп, холостой ход | Пропорциональный коэффициент усиления регулятора частоты вращения холостого хода |
| Ки, холостой | Интегральный коэффициент усиления контроллера скорости холостого хода |
Для предотвращения переоснащения двигателя блок реализует контроллер ограничения скорости двигателя, который ограничивает скорость двигателя значением, заданным параметром Rev-limiter speed threshold на вкладке Control > Idle Speed.
Если частота вращения двигателя N превышает предел частоты вращения двигателя Nlim, блок устанавливает заданный крутящий момент двигателя равным 0.
Чтобы плавно перевести команду крутящего момента в 0 по мере приближения частоты вращения двигателя к пределу скорости, блок реализует множитель таблицы поиска. Таблица поиска умножает команду крутящего момента на значение в диапазоне от 0 (частота вращения двигателя превышает предел) до 1 (частота вращения двигателя не превышает предел).
Подсистема оценки определяет расчетный массовый расход воздуха, крутящий момент, массовый расход EGR и температуру выхлопа на основе обратной связи датчика и параметров калибровки.
|
Расчетный массовый расход воздуха двигателя | |
| Trqest |
Расчетный крутящий момент двигателя |
| Текш, эст |
Расчетная температура выхлопа двигателя |
|
Расчетный массовый расход EGR низкого давления |
Чтобы рассчитать массовый расход воздуха в двигателе, настройте двигатель СИ на использование любой из этих моделей массового расхода воздуха.
| Модель массового расхода воздуха | Описание |
|---|---|
| Модель массового расхода воздуха с частотой вращения двигателя SI |
Использует уравнение «скорость-плотность» для расчета массового расхода воздуха двигателя с привязкой массового расхода воздуха двигателя к давлению во впускном коллекторе и частоте вращения двигателя. Рассмотрите возможность использования этой модели массового расхода воздуха в двигателях с фиксированными конструкциями клапанов. |
| Модель массового расхода воздуха с двойным независимым кулачковым фазером двигателя SI |
Для расчета массового расхода воздуха в двигателе в модели с двумя независимыми кулачковыми фазерами используются:
В отличие от типичных встроенных расчетов массового расхода воздуха, основанных на прямом измерении массового расхода воздуха с помощью датчика массового расхода воздуха (MAF), эта модель массового расхода воздуха предлагает:
|
Для определения расчетного массового расхода воздуха блок использует массовую долю всасываемого воздуха. Массовая доля EGR во впускном отверстии отстает от массовой доли вблизи выхода клапана EGR. Для моделирования задержки блок использует систему первого порядка с постоянной времени.
Остальная часть газа - воздух.
EGR, est
Уравнения используют эти переменные.
| yintk, EGR, est |
Расчетная массовая доля EGR впускного коллектора |
| yintk, воздух, est |
Расчетная массовая доля воздуха во впускном коллекторе |
|
Расчетный массовый расход EGR низкого давления | |
|
Расчетный массовый расход впускного отверстия | |
|
τEGR | Постоянная времени EGR |
Чтобы рассчитать тормозной момент, настройте двигатель СИ на использование любой из этих моделей крутящего момента.
| Модель тормозного момента | Описание |
|---|---|
| Модель структуры крутящего момента двигателя SI | Для расчета структурированного тормозного момента двигатель СИ использует таблицы для внутреннего крутящего момента, момента трения, оптимальной искры, эффективности зажигания и эффективности лямбды. Если на вкладке «Крутящий момент» выбрать «Давление под углом кривошипа и крутящий момент», можно выполнить следующие действия:
|
| Модель простого крутящего момента двигателя SI |
Для простого вычисления тормозного момента блок двигателя СИ использует таблицу поиска крутящего момента, которая является функцией частоты вращения и нагрузки двигателя. |
Контроллер оценивает массовый расход низкого давления, давление на входе клапана EGR и давление на выходе клапана EGR, используя алгоритм, разработанный Ф. Лю и Дж. Пфайффером. Для оценки требуется измеренное дифференциальное давление клапана EGR, процент площади клапана EGR, температура всасываемого воздуха и температура на входе клапана EGR.
Для оценки команд клапана EGR блок использует:
Уравнения
Столы
Стандартная таблица определения массового расхода клапана EGR является функцией процента площади клапана EGR и коэффициента давления.
EGR)
где:
- стандартный массовый расход клапана EGR, безразмерный.
EGRap - доля расхода клапана EGR в процентах.
EGR - отношение давления, безразмерное.

Отношение давления является функцией стандартного массового расхода.
m˙air,std)
где:
- стандартный массовый расход, в г/с.
EGRPamb - отношение давления, безразмерное.

Уравнения используют эти переменные.
| EGRap |
Команда процента площади клапана EGR |
| IAT |
Температура всасываемого воздуха |
| , |
Стандартный массовый расход воздуха и клапана EGR соответственно |
| m˙air,est,m˙EGR,est |
Расчетный массовый расход воздуха и клапана EGR соответственно |
| Тстд, Пстд |
Стандартная температура и давление |
| Тамб, Памб |
Температура и давление окружающей среды |
| ΔPEGR |
Перепад давления на входе и выходе клапана ЭГР |
| Олово, EGR, Tout, EGR |
Температура на входе и выходе клапана EGR соответственно |
| Контакт, EGR, Pout, EGR |
Давление на входе и выходе клапана EGR соответственно |
Справочная таблица температуры выхлопа, , является функцией нагрузки на двигатель и частоты вращения двигателя.
, N)
где:
Texh - температура выхлопа двигателя, в К.
L - нормированная масса воздуха цилиндра или нагрузка двигателя, безразмерная.
N - частота вращения двигателя, в об/мин.

[1] Герхардт, Дж., Хённингер, Х. и Бишоф, Х., Новый подход к функциональной и программной структуре систем управления двигателями - BOSCH ME7. Технический документ SAE 980801, 1998.
[2] Хейвуд, Джон Б. Основы двигателя внутреннего сгорания. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 1988.
[3] Леоне, Т. Кристенсон, Э., Стейн, Р., Сравнение переменных стратегий синхронизации распределительного вала при частичной нагрузке. Технический документ SAE 960584, 1996, doi: 10.4271/960584.
[4] Лю, Ф. и Пфайффер, Дж., Алгоритмы оценки для EGR с низким давлением с охлаждением в двигателях с искровым зажиганием. SAE Int. J. Двигатели 8 (4): 2015, дои: 10,4271/2015-01-1620.