Устройство и способ управления установкой внутреннего сгорания с повышением давления
Изобретение относится к энергетике. Способ управления работой установки внутреннего сгорания с повышением давления, включающий: нахождение скважности импульсов топливной форсунки и частоты циклов сгорания, которые соответствуют заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту заполнения камеры сгорания установки; определение уставки давления подачи топлива, уставки момента впрыска для топливной форсунки и уставки момента зажигания, которые обеспечивают найденную скважность импульсов топливной форсунки и найденную частоту циклов сгорания; и передачу управляющего сигнала давления подачи топлива, содержащего уставку давления подачи топлива, в устройство обеспечения давления топлива, управляющего сигнала топливной форсунки, содержащего уставку момента впрыска топлива, в топливную форсунку и управляющего сигнала момента зажигания, содержащего уставку момента зажигания, в узел зажигания установки. Также представлены установка внутреннего сгорания с повышением давления и контроллер для данной установки. Изобретение позволяет управлять работой установки внутреннего сгорания с повышением давления. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится главным образом к устройству и к способу управления работой установки внутреннего сгорания с повышением давления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Установка внутреннего сгорания с повышением давления, примером которой является пульсирующий детонационный двигатель, представляет собой тип двигателя внутреннего сгорания, в котором для сгорания смеси топлива с окислителем (например, с воздухом) используются детонационные волны. Каждая детонационная волна инициируется источником зажигания, и процесс горения является пульсирующим для обеспечения возможности подачи новой порции смеси в камеру сгорания между детонационными волнами. В отличие от традиционного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, в котором топливовоздушная смесь сгорает в дозвуковом потоке без детонации, в установке внутреннего сгорания с повышением давления осуществляется пульсирующая детонация в сверхзвуковом потоке. Процесс горения в значительной степени повышает давление продуктов сгорания внутри камеры сгорания, которые затем расширяются, выходя через сопло, для создания тяги или получения энергии. Создаваемая тяга может использоваться для продвижения вперед транспортного средства или может быть преобразована в механическую энергию, например, с помощью ротационного устройства объемного вытеснения, такого как турбина, соединенная с приводным валом.
За последние несколько десятилетий технология установок внутреннего сгорания с повышением давлением активно разрабатывалась, поскольку она представляется одним из наиболее перспективных направлений производства энергии. Такие установки перспективны, поскольку потенциально они имеют более высокий КПД по сравнению с другими энергетическими циклами. Для реализации потенциала этой технологии необходимо оптимизировать управление процессом горения. Традиционные системы управления двигателями внутреннего сгорания контролируют работу двигателя и управляют подачей топлива, соотношением компонентов топливовоздушной смеси, моментами зажигания смеси и другими параметрами. Однако ввиду различий между установкой внутреннего сгорания с повышением давления и традиционными двигателями внутреннего сгорания, таких как работа в неустановившемся режиме и пульсирующий поток в камере сгорания с повышением давления, традиционные системы управления не очень подходят для управления работой установок внутреннего сгорания с повышением давления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предлагается высокоэффективный способ управления работой установки внутреннего сгорания с повышением давления, содержащей устройство обеспечения давления топлива, топливную форсунку и узел зажигания. Предлагаемый в изобретении способ включает: нахождение скважности импульсов топливной форсунки и частоты циклов сгорания, которые соответствуют заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту заполнения установки; определение уставки давления подачи топлива, уставки момента впрыска для топливной форсунки и уставки момента зажигания, которые обеспечивают найденную скважность импульсов топливной форсунки и найденную частоту циклов сгорания; и передачу управляющего сигнала давления подачи топлива, содержащего уставку давления подачи топлива, в топливный насос, управляющего сигнала топливной форсунки, содержащего уставку момента впрыска топлива, в топливную форсунку и управляющего сигнала момента зажигания, содержащего уставку момента зажигания, в узел зажигания. Заданный коэффициент заполнения предпочтительно равен 1,0, однако может находиться в диапазоне от 0,8 до 1,1.
Стадия нахождения скважности импульсов топливной форсунки может включать измерение расхода воздуха, проходящего через установку, и нахождение интенсивности подачи топлива, которая соответствует заданной рабочей точке нагрузки, или определение интенсивностей подачи воздуха и топлива, которые соответствуют заданной рабочей точке нагрузки и стехиометрическому отношению окислитель/топливо. Стадия нахождения частоты циклов сгорания может включать: нахождение максимальной продолжительности впрыска топлива (MID), которая зависит от заданного коэффициента заполнения, и требуемой продолжительности впрыска топлива в цикле детонации (IDDC), определяемой как скважность, разделенную на частоту циклов сгорания; и задание такой частоты циклов сгорания, при которой величина IDDC не превышает величины MID.
В настоящем изобретении также предлагается контроллер, содержащий запоминающее устройство, содержащее программу осуществления вышеописанного способа, и процессор для выполнения запрограммированного способа. Процессор может быть частью установки внутреннего сгорания, которая содержит: устройство обеспечения давления топлива; топливную форсунку, сообщающуюся с устройством обеспечения давления топлива; смесительную камеру, сообщающуюся с топливной форсункой и устройством подачи окислителя; камеру сгорания, сообщающуюся со смесительной камерой; и узел зажигания, сообщающийся с камерой сгорания.
Программа контроллера может также содержать стадию задания по меньшей мере одного коэффициента избытка топлива и нахождения интенсивности подачи топлива, которая соответствует заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту избытка топлива. Программа контроллера может также содержать стадию измерения давления внутри смесительной камеры установки для перемешивания окислителя и топлива, причем уставка давления подачи топлива обеспечивает давление, достаточное для подачи топлива в смесительную камеру с найденной интенсивностью подачи топлива. Программа контроллера может также содержать стадию нахождения угла сдвига зажигания для установки, причем управляющий сигнал момента зажигания содержит также найденный сдвиг угла зажигания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 - схема одного из вариантов системы управления установкой внутреннего сгорания с повышением давления;
фигура 2 - блок-схема стадий, выполняемых контроллером для управления работой установки внутреннего сгорания с повышением давления;
фигуры 3, 4 - схематические виды сбоку одного из вариантов установки внутреннего сгорания с повышением давления, управляемой контроллером;
фигура 5 - вид в перспективе смесительной камеры и камеры сгорания установки внутреннего сгорания, показанной на фигурах 3 и 4.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже описываются варианты системы управления установкой внутреннего сгорания с повышением давлением, в которой осуществляется контроль и управление работой по меньшей мере узлов впрыска и зажигания топлива установки в соответствии с входными переменными и таким образом, чтобы оптимизировать удельную выходную мощность и КПД установки. С небольшими изменениями, которые будут очевидны специалистам в данной области техники, система управления, раскрытая в нижеприведенном описании, может быть использована с различными типами установок внутреннего сгорания с повышением давления.
Как известно, в наиболее распространенном способе, используемом системами управления для традиционных двигателей внутреннего сгорания, для измерения соотношения топлива и воздуха в процессе сгорания топлива используются датчики кислорода в потоке отработавших газов. Используя результаты измерений остаточного содержания кислорода в продуктах сгорания, контроллер может рассчитать отношение воздух/топливо в камере сгорания до воспламенения смеси и использовать управление с обратной связью для регулирования этого отношения (обычно путем регулирования подачи топлива), чтобы получить требуемую выходную мощность и соответствующее отношение воздух/топливо в камере сгорания.
Однако в установке внутреннего сгорания с повышением давления каждый цикл сгорания включает следующие основные стадии: впуск, детонация, выпуск и продувка. При осуществлении продувки через установку пропускается воздух, который не используется в процессе сгорания смеси. Продувочный воздух пропускается через камеру сгорания и выходит через систему выпуска отработавших газов, и поэтому дополнительный кислород продувочного воздуха будет вносить ошибки в измерения датчиков кислорода в системе выпуска установки внутреннего сгорания с повышением давления. Соответственно, датчики кислорода не могут эффективно использоваться для измерения и регулирования отношения воздух/топливо в установке внутреннего сгорания с повышением давления.
Другой способ контроля и регулирования отношения воздух/топливо заключается в измерении расхода воздуха и регулировании подачи топлива в соответствии с расходом воздуха. Этот способ известен как способ "прямой связи" и в общем случае является более подходящим и более эффективным для установок внутреннего сгорания с повышением давления. Как это будет описано ниже более подробно, в системе управления в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения для регулирования подачи воздуха и топлива используется принцип прямой связи.
В традиционных двигателях внутреннего сгорания выходная мощность двигателя пропорциональна массовому расходу воздуха, который активно используется при сгорании смеси. Как уже указывалось, в каждом цикле сгорания смеси установки внутреннего сгорания с повышением давления объем камеры сгорания установки заполняется смесью воздуха и топлива, которая сгорает, и продукты сгорания выпускаются с последующей продувкой камеры сгорания. Поэтому для получения максимальной удельной мощности для двигателя внутреннего сгорания с повышением давления необходимо использовать максимально возможную рабочую частоту. Однако максимальная рабочая частота может ограничиваться такими факторами, как аэродинамика камеры сгорания, система зажигания и/или ограничения системы впрыска топлива, а также требуемое время перемешивания топлива с воздухом, и каждый из указанных факторов может снижать эффективность работы на высоких рабочих частотах.
Другим параметром, который должен учитываться при определении КПД установок внутреннего сгорания с повышением давления, является коэффициент заполнения камеры сгорания. Коэффициент заполнения представляет собой отношение объема смеси воздуха и топлива, сгорающей в каждом цикле сгорания, к общему объему камеры сгорания. В установках внутреннего сгорания, в которых используется переход от дефлаграции к детонации (DDT), часть топливовоздушной смеси сгорает до возникновения детонации. Процесс сгорания DDT не имеет такой эффективности, как детонация в постоянном объеме, так что желательно уменьшать длину зоны DDT, в результате чего будет увеличиваться часть топливовоздушной смеси, которая будет участвовать в процессе детонации. Количество воздуха и топлива, необходимое для процесса DDT, не зависит от количества воздуха и топлива, сгоревшего после перехода в режим детонации. Поэтому если используются малые коэффициенты заполнения, то сравнительно высокая часть воздуха и топлива будет использоваться в процессе DDT со сравнительно низким КПД, и сравнительно небольшое количество горючей смеси будет доступно для процесса детонации. В результате КПД установки снижается. С другой стороны, если в камере сгорания подготовлен максимальный объем топливовоздушной смеси, отношение детонационного сгорания к процессу DDT увеличивается, и поэтому КПД установки повышается.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, представленным на фигурах 1-5, система 10 управления для установки 12 внутреннего сгорания с повышением давления содержит контроллер 14 с запоминающим устройством, содержащим программу управления, которая обеспечивает регулирование подачи воздуха и топлива для узла 16 впрыска топлива и управление узлом 18 зажигания установки 12 для получения необходимой выходной мощности ("нагрузки"). Программа управления представляет собой последовательность команд, выполняемых контроллером 14 для поддержания соответствующего отношения воздух/топливо в камере сгорания 20 установки 12 таким образом, чтобы обеспечивался максимальный коэффициент заполнения, в результате чего будет оптимизироваться эффективность сгорания на любой заданной рабочей частоте. Для оптимизации рабочей частоты и удельной выходной мощности установки контроллер 14 также регулирует подачу топлива на стадии впуска цикла сгорания для минимизации времени, необходимого для перемешивания воздуха и топлива. Для этого контроллер 14 регулирует расход впрыскиваемого топлива пропорционально расходу воздуха в установке 12, так чтобы обеспечивалась по существу стехиометрическая топливовоздушная смесь во всей камере 20 сгорания при минимизации времени и пространства, необходимых для перемешивания воздуха и топлива.
Как показано на фигурах 3-5, подходящая установка 12 представляет собой пульсирующее детонационное устройство, которое в рассматриваемом варианте соединено с ротационным устройством 22 объемного вытеснения, преобразующим тягу, создаваемую на выходе установки, в полезное вращательное движение. В другом варианте установка 12 может быть присоединена к системе, содержащей компрессор и турбину (не показаны). Продукты сгорания, создающие тягу, выбрасываются из выпускного отверстия 24 ротационного устройства объемного вытеснения. Установка 12 содержит зону 26 детонации, находящуюся в рассматриваемом варианте во внутреннем трубчатом корпусе 27, в котором установлены спирали Щелкина, которые могут иметь форму вставок, таких как спиральные элементы, вставленные и зафиксированные в трубчатом корпусе. Расстояние между витками спирали 28 Щелкина может увеличиваться с увеличением частоты, или в ином случае шаг витков спирали может быть уменьшен (или в некоторых формах увеличен в зависимости от расширения газа) в соответствии со скоростью проходящего газа.
Теплообменный узел содержит кольцевой канал 30, представляющий собой пространство между внутренним трубчатым корпусом 27 и внешним трубчатым корпусом 32. На внешнем трубчатом корпусе 32 имеется впускное отверстие 34, через которое газообразный окислитель, такой как сжатый воздух, поступает в кольцевой канал 30 и проходит в противотоке, причем тепло из зоны 26 детонации передается в кольцевой канал 30 и обеспечивает предварительный нагрев проходящего через него окислителя. Как лучше всего показано на фигуре 5, внутри теплообменного узла могут быть выполнены ребра 42 для обеспечения дополнительной возможности передачи тепла окислителю, проходящему по кольцевому каналу 30.
Затем окислитель проходит по трубкам 36 в камеру 38 перемешивания окислителя с топливом, в которой предварительно нагретый окислитель будет перемешиваться с топливом, впрыснутым узлом 16 впрыска топлива, для получения смеси окислителя с топливом. Узел 16 впрыска топлива обеспечивает впрыск топлива в смесительную камеру в таких количествах и в такие моменты времени, как это задается контроллером 14. Более конкретно, узел 16 впрыска топлива содержит топливную форсунку с отверстием, выходящим в смесительную камеру, и устройство 44 обеспечения давления топлива (показано схематически на фигуре 1), присоединенное к топливной форсунке и соединенное с контроллером 14, осуществляющим управление его работой. Подходящим устройством для обеспечения давления топлива может быть насос или компрессор с регулятором давления. Топливная форсунка содержит регулирующий клапан 46 (показан на схеме фигуры 1), который также соединен с контроллером 14, осуществляющим управление этим клапаном для задания продолжительности работы топливной форсунки (то есть управление открытием клапана); иначе говоря, контроллер 14, управляющий открытием регулирующего клапана, регулирует скважность импульсов топливной форсунки.
После перемешивания в смесительной камере 38 смесь окислителя с топливом подается через диффузор 40 в камеру 20 сгорания. Диффузор 40 предназначен для расслоения газовой смеси перед подачей в камеру сгорания 20. Вообще говоря, диффузор может иметь самые разные конструкции, и в варианте, представленном на фигурах 3-5, он представляет собой множество отверстий, сформированных продольными каналами, которые снижают закручивание смеси для обеспечения требуемой детонации.
После прохождения через диффузор 40 смесь окислителя с топливом попадает в зону 26 детонации. Смесь окислителя с топливом, находящаяся в камере сгорания 20 перед зоной 26 детонации, воспламеняется энергией, обеспечиваемой узлом 18 зажигания. Этот узел 18 зажигания содержит один или несколько инициаторов детонации смеси окислителя с топливом, причем эти инициаторы сообщаются с камерой 20 сгорания и соединены с контроллером 14, осуществляющим управление работой узла зажигания. В качестве таких инициаторов могут использоваться традиционные свечи зажигания, или запальные свечи, или лазерное устройство зажигания, или другое устройство, обеспечивающее достаточно энергии для инициализации детонации смеси окислителя с топливом.
После воспламенения в камере сгорания топливовоздушной смеси фронт пламени вместе с ударной волной распространяется со сверхзвуковой скоростью по зоне 26 детонации, в которой происходит детонационное сгорание остальной части смеси.
Как уже указывалось, контроллер 14 запрограммирован на управление работой установки внутреннего сгорания с повышением давления для эффективного получения необходимой выходной мощности. Как будет описано ниже более подробно, контроллер 14 поддерживает отношение окислитель/топливо, соответствующее требуемой нагрузке, путем регулирования интенсивности подачи топлива. Это осуществляется путем регулирования давления впрыскиваемого топлива и продолжительности впрыска топлива. Давление впрыскиваемого топлива регулируется устройством 44 обеспечения давления топлива, а продолжительность впрыска топлива и моменты времени впрыска регулируются регулирующим клапаном 46 топливной форсунки. В общем случае, путем изменения давления впрыскиваемого топлива осуществляется изменение интенсивности подачи топлива при впрыске. Изменение продолжительности впрыска также может использоваться для регулирования количества топлива, впрыскиваемого в камеру 20 сгорания за единицу времени.
Для оптимизации эффективности подачи топлива в камеру 20 сгорания (и, соответственно, для оптимизации эффективности стадии детонации каждого цикла сгорания смеси) контроллер 14 запрограммирован на "пропорциональный" впрыск топлива, при котором интенсивность впрыска топлива регулируется таким образом, чтобы она была пропорциональна расходу воздуха, проходящего мимо топливной форсунки, на каждой стадии впуска для получения по существу стехиометрической топливовоздушной смеси, проходящей возле точки впрыска топливной форсунки 24. Соответственно, в смесительной камере 38 возле отверстия топливной форсунки имеется датчик 54 воздушного потока, который передает измерения расхода воздуха в контроллер 14.
Можно ожидать, что вышеуказанный пропорциональный впрыск топлива будет уменьшать время перемешивания окислителя и топлива в смесительной камере 38 и ослаблять необходимость рассеивания топлива между различными зонами камеры 20 сгорания. Если же интенсивность впрыска топлива не регулируется пропорционально расходу воздуха, то изменения воздушного потока на стадии впуска цикла сгорания смеси могут приводить к более высокой концентрации топлива в одной из частей смеси, и, таким образом, существенно большее время может быть необходимо для рассеивания топлива из зоны с более высокой концентрацией в зоны с пониженной концентрацией.
Кроме того, контроллер 14 в рассматриваемом варианте запрограммирован для поддержания по существу стехиометрической топливовоздушной смеси путем непрерывного регулирования интенсивности подачи топлива на стадии впуска цикла сгорания смеси, так чтобы интенсивность впрыска топлива была пропорциональна расходу воздуха в каждый момент времени стадии впрыска. В этом случае время, необходимое для перемешивания воздуха и топлива, должно существенно уменьшаться, в результате чего обеспечивается работа установки 12 с более высокой рабочей частотой или с более высоким коэффициентом детонации. Как уже указывалось, в этом случае можно ожидать оптимизации удельной выходной мощности установки 12. Следует добавить, что на более высокой рабочей скорости обеспечивается более постоянная выходная мощность, и для заданного диапазона выходных мощностей установка может быть более компактной. Можно ожидать, что непрерывное регулирование интенсивности впрыска топлива, пропорциональной расходу воздуха, повысит эффективность перемешивания смеси в установке 12 и уменьшит время и расстояние перемешивания воздуха и топлива за счет диффузии.
Контроллер 14 может регулировать интенсивность подачи топлива путем регулирования перепада давления на топливной форсунке. В смесительной камере 38 находится датчик 50 давления, который может передавать давление, измеренное в смесительной камере, в контроллер 14. Контроллер 14 использует измерения давления в смесительной камере 38 для вычисления требуемого перепада давления, которое необходимо для требуемой интенсивности подачи топлива, и передает с устройства 44 обеспечения давления топлива команды на изменение давления (по потоку выше топливной форсунки 24) для получения необходимого перепада давления. Для установки, работающей на газообразном топливе, контроллер 14 управляет компрессором или регулятором давления, который обеспечивает подачу топлива в смесительную камеру 38. В установке, использующей жидкое топливо, контроллер 14 запрограммирован для управления интенсивностью подачи топлива с помощью других средств, например с помощью регулирующего клапана 46 топливной форсунки, в результате чего обеспечивается управление интенсивностью подачи топлива в точке впрыска топлива.
Как будет понятно специалистам в данной области техники, контроллер 14 по рассматриваемому варианту может быть запрограммирован для управления как установками внутреннего сгорания с повышением давления, в которых используются клапаны регулирования воздушного потока, так и установками, в которых такие клапаны не используются. В рассматриваемом варианте установки внутреннего сгорания с повышением давления, представленной на фигурах 3-5, клапан регулирования воздушного потока не используется.
В настоящем описании раскрывается способ управления для цикла сгорания смеси без воздушного клапана, однако управление установкой с воздушным клапаном осуществляется аналогичным образом. В установках с воздушным клапаном (не показан) контроллер 14 будет открывать воздушный клапан на время впрыска топлива для обеспечения воздуха для горения топлива, а также будет открывать воздушный клапан при продувке для подачи продувочного воздуха. Контроллер 14 закрывает воздушный клапан во все другие моменты времени.
В рассматриваемом варианте контроллер 14 представляет собой программируемый логический контроллер, в котором реализована функция пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования, однако специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть использованы и другие контроллеры с аналогичной функциональной возможностью. Контроллер 14 содержит процессор и запоминающее устройство, в котором записана программа, реализующая алгоритм управления, включающий стадии, показанные на блок-схеме фигуры 2, при выполнении которых процессором обеспечивается задача управления работой установки 12 для эффективного получения требуемой выходной мощности.
1. Измерение параметров текущего режима установки
Внутри установки 12 или вокруг нее установлены датчики для контроля ее различных рабочих характеристик, и измерения этих датчиков используются в качестве входной информации для контроллера 14. Эти измерения включают: расход воздуха, измеренный расходомером 54 воздуха, и давление в смесительной камере, измеренное датчиком 50 давления.
Другой рабочей характеристикой, передаваемой в контроллер 14, является величина 52 нагрузки. Величина 52 нагрузки может обеспечиваться непосредственно средством ввода, таким как педаль акселератора, клавиатура компьютера или любое иное средство интерфейса пользователя (не показано), или же может обеспечиваться датчиком, измеряющим параметры, которые позволяют вычислить нагрузку, например, датчиком, измеряющим скорость вращения ротационного устройства объемного вытеснения.
2. Определение нагрузки и вычисление требуемой выходной мощности установки
В большинстве традиционных двигателей внутреннего сгорания контроллер получает входной сигнал требуемой нагрузки от внешнего источника сигнала, такого как, например, педаль акселератора. Контроллер 14 регулирует фактическую выходную мощность двигателя в соответствии с требуемой выходной мощностью, указываемой входным сигналом. Входной сигнал нагрузки для двигателя также может быть определен косвенно. Например, в стационарных двигателях контроллер часто запрограммирован для выдерживания скорости работы двигателя на определенном заданном уровне. Контроллер непрерывно отслеживает скорость выходного вала и регулирует выходную мощностью для выдерживания требуемой скорости выходного вала. Если фактическая нагрузка увеличивается, скорость вала уменьшается, так что контроллер будет увеличивать выходную мощность двигателя для компенсации увеличившейся нагрузки, и скорость вала будет увеличиваться до заданной величины. Аналогично, если фактическая нагрузка снижается, скорость вала увеличивается, и контроллер будет снижать выходную мощность двигателя для уменьшения скорости вала до заданной величины.
В рассматриваемом варианте контроллер 14 может обрабатывать как прямые, так и косвенные входные сигналы требуемой нагрузки. Если измеряемая входная величина 52 нагрузки является прямым входным сигналом, требуемая выходная мощность установки может быть вычислена непосредственно по полученной входной информации для обеспечения заданной рабочей точки нагрузки. Если измеряемая входная величина 52 нагрузки является косвенным входным сигналом, контроллер 14 будет записывать в запоминающем устройстве требуемую скорость вращения ротационного устройства объемного вытеснения, и заданная рабочая точка нагрузки будет определяться разницей записанной и измеренной величин.
3. Регулирование требуемой интенсивности подачи топлива в соответствии с входным сигналом требуемой нагрузки или с заданной рабочей точкой нагрузки (стадия 1)
На этой стадии контроллер 14 вычисляет требуемую интенсивность подачи топлива по входному сигналу требуемой нагрузки, вычисленной на стадии 2. Если требуется увеличить или уменьшить текущую выходную мощность установки (в соответствии с заданной рабочей точкой нагрузки, установленной для последнего цикла сгорания топлива), требуемая интенсивность подачи топлива увеличивается или уменьшается соответствующим образом, чтобы обеспечить требуемую новую заданную рабочую точку нагрузки.
В одном из вариантов контроллер 14 запрограммирован на регулирование давления топлива в топливной магистрали (по потоку выше топливной форсунки), так чтобы интенсивность подачи топлива была пропорциональна расходу воздуха в течение интервала впрыска топлива. В частности, контроллер 14 программируется для вычисления интенсивности подачи топлива, при которой поддерживается по существу стехиометрическое отношение для топливовоздушной смеси в установке 12 с использованием входной величины нагрузки и измеренного расхода воздуха.
4. Вычисление скважности импульсов топливной форсунки (то есть продолжительность открытия топливной форсунки в единицу времени) для текущего режима
На этой стадии контроллер 14 вычисляет скважность импульсов топливной форсунки. Скважность импульсов топливной форсунки - это показатель открытия топливной форсунки в единицу времени (то есть доля единицы времени, в течение которой топливная форсунка должна быть открыта), который может быть вычислен по формуле:
Скважность импульсов форсунки 
где
mƒ - требуемая интенсивность подачи топлива, вычисленная на стадии 3;
minjector - интенсивность подачи топлива через топливную форсунку, когда она постоянно открыта, которая является функцией разницы давления в топливной магистрали на входе топливной форсунки и давления в смесительной камере.
5. Вычисление скорости детонационной волны (частоты циклов сгорания), необходимой для требуемой интенсивности подачи топлива
Частота циклов сгорания вычисляется в соответствии с расходом воздуха, объемом камеры сгорания и коэффициентом заполнения. Как уже указывалось, коэффициент заполнения представляет собой отношение объема смеси воздуха и топлива, сгорающей в каждом цикле сгорания, к общему объему камеры сгорания.
После вычисления требуемой продолжительности впрыска топлива в единицу времени (то есть скважности импульсов форсунки) на стадии 4 контроллер 14 определяет частоту циклов сгорания и продолжительность впрыска топлива в цикле сгорания, которые требуются для обеспечения заданного коэффициента заполнения камеры сгорания (далее указывается как "требуемая частота циклов сгорания" и "требуемая продолжительность впрыска в цикле сгорания").
Нижний предел коэффициента заполнения ограничивается эффективностью источника зажигания и воспламеняемостью топливовоздушной смеси. Коэффициент заполнения может иметь сравнительно малую величину, например 0,1. Однако расчетный коэффициент заполнения предпочтительно выбирается таким образом, чтобы для каждого цикла детонации он был как можно ближе к единице в связи с тем, что более высокий коэффициент заполнения дает более высокую эффективность сгорания топлива, поскольку сравнительно больше топлива будет сгорать в детонационном процессе. Для учета практических ограничений, таких как нелинейности и другие отклонения характеристик от идеальных, заданный коэффициент заполнения может быть выбран таким образом, чтобы он был чуть меньше или чуть больше единицы, и, в частности, контроллер 14 может быть запрограммирован для работы с заданным коэффициентом заполнения, величина которого находится в диапазоне от 0,8 до 1,1.
Для достижения максимального коэффициента заполнения, равного единице, вся камера 20 сгорания должна быть заполнена стехиометрической смесью воздуха и топлива. Поскольку интенсивность подачи топлива пропорциональна расходу воздуха (в результате чего будет получена по существу стехиометрическая смесь) и поскольку фронты воздуха и топлива проходят по камере 20 сгорания с одной скоростью, то время прохождения топлива от топливной форсунки 16 к выпускному отверстию установки 12 можно вычислить путем деления расстояния между топливной форсункой и выпускным отверстием установки на скорость смеси окислителя и топлива. Контроллер 14 определяет примерную скорость распространения смеси окислителя и топлива по средней скорости воздуха в установке 12, измеренной расходомером 54 воздуха. Таким образом, максимально возможная продолжительность впрыска на цикл детонации, при которой топливо не будет выбрасываться из установки (то есть когда коэффициент заполнения равен единице), вычисляется контроллером 14 по формуле:
После вычисления максимальной продолжительности впрыска топлива в цикле сгорания контроллер 14 сравнивает полученную величину (MID) с требуемой продолжительностью впрыска топлива в цикле детонации (IDDC). Контроллер 14 вычисляет величину IDDC делением скважности, вычисленной на стадии 4, на число циклов детонации в единицу времени (то есть на требуемую частоту циклов сгорания), используя величину, которая определена на предыдущем шаге цикла управления. Если величина IDDC превышает текущую величину MID, контроллер 14 повышает частоту циклов сгорания, пока величина IDDC не станет меньше величины MID; в этом случае будет реализована требуемая продолжительность впрыска топлива в единицу времени, и в то же время величина IDDC будет меньше или равна MID. Затем контроллер 14 записывает эту новую вычисленную величину частоты для использования на текущем шаге цикла управления.
Как уже указывалось, величина MID зависит от заданного коэффициента заполнения, и этот коэффициент может быть выбран таким образом, чтобы он был немного больше 1,0 или немного меньше 1,0 (с учетом практических ограничений). Если в программе задано, что заданная величина коэффициента заполнения не должна быть равна 1,0, то величина MID изменяется соответствующим образом, и контроллер 14 будет регулировать частоту циклов сгорания таким образом, чтобы величина IDDC была ниже величины MID.
В другом варианте частота циклов сгорания для текущего шага выполнения цикла управления может быть определена как величина, при которой величина IDDC будет равна величине MID, и в этом случае частота циклов будет равна скважности, деленной на величину MID. Эта частота циклов сгорания представляет собой минимальную частоту, задаваемую контроллером 14, при которой из выпускного отверстия установки еще не будет выбрасываться несгоревшее топливо.
Как это будет понятно специалистам в данной области техники, частота циклов сгорания регулируется только в пределах рабочего диапазона установки 12, так чтобы она могла работать в непрерывном режиме (это аналогично допустимому диапазону числа оборотов двигателя внутреннего сгорания).
6. Установка момента зажигания для текущего режима (стадия 70)
Установка момента зажигания, называемая также "установкой угла сдвига зажигания" зависит от частоты циклов сгорания, расхода воздуха, размеров установки и продолжительности впрыска. Как и в случае требуемой интенсивности подачи топлива, вычисляемой на стадии 3, в другом варианте момент зажигания может вычисляться контроллером 14 пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования, или с использованием управления с нечеткой логикой, или с использованием любого другого способа управления, известного специалистам в данной области техники.
Контроллер 14 может использоваться для регулирования угла сдвига зажигания для получения оптимальных характеристик детонации. В этом случае можно обеспечить наибольшую мощность, наименьшее количество несгоревшего топлива, максимальное давление при сгорании или оптимизацию других характеристик двигателя. В цикле управления (например, пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования) будет изменяться момент зажигания на основе обратной связи по любому из указанных сигналов для обеспечения требуемой характеристики процесса.
7. Запись результатов вычислений, полученных на стадиях 1-6, для следующего цикла сгорания и передача сигналов управления в узлы впрыска топлива и зажигания
Обновленные рабочие параметры, вычисленные на стадиях 1-6, сохраняются в контроллере 14 для использования в следующем цикле сгорания. Эти рабочие параметры включают: требуемую выходную мощность установки (заданная рабочая точка нагрузки), требуемую интенсивность подачи топлива, скважность импульсов топливной форсунки, частоту циклов сгорания и угол сдвига зажигания.
Затем контроллер 14 определяет требуемое давление топливного насоса, моменты впрыска для топливной форсунки и моменты зажигания, необходимые для обеспечения обновленных рабочих параметров, и передает соответствующие управляющие сигналы в топливный насос 44, узел 46 впрыска топлива и узел 18 зажигания для соответствующего изменения уставок рабочих параметров.
8. Возвращение на стадию 1 и повторение цикла
Стадии 1-7 представляют собой основной цикл управления для установки внутреннего сгорания, и этот цикл может повторяться с заданной частотой, которая не зависит от частоты цикла детонации. Например, цикл управления может выполняться с частотой, которая составляет от 10 до 1000 циклов сгорания в секунду.
Заключение
Если не указано иное, все стадии и задачи, указанные в настоящем описании, могут быть выполнены полностью автоматически вычислительной системой и могут быть реализованы в программных модулях, выполняемых одним или несколькими универсальными компьютерами. Программные модули могут быть записаны на машиночитаемом носителе любого типа или в любом устройстве хранения данных. Некоторые или все способы могут быть реализованы в специализированных аппаратных вычислительных средствах. Вычислительная систем может быть в некоторых случаях составлена из нескольких отдельных компьютеров или вычислительных устройств (например, физических серверов, рабочих станций, накопителей информации и т.п.), которые взаимодействуют и обмениваются информацией по сети для выполнения вышеуказанных функций. Каждое такое вычислительное устройство обычно содержит процессор (или несколько процессоров), который выполняет команды программы, записанной в запоминающем устройстве или на другом машиночитаемом носителе. Результаты, получаемые в раскрытых способах, могут быть записаны в физических устройствах хранения информации, таких как, например, чипы твердотельной памяти и/или магнитные диски.
В вышеприведенном описании контроллер 14 раскрывается применительно к поддержанию по существу стехиометрической топливовоздушной смеси. Хотя стехиометрическая смесь является наиболее подходящей топливовоздушной смесью для многих приложений, контроллер также способен обеспечивать обогащенные или обедненные смеси. Для получения обедненной или обогащенной топливовоздушной смеси, контроллер 14 может уменьшать или увеличивать давление в топливной магистрали для получения требуемого коэффициента избытка топлива. Этот коэффициент определяется как отношение фактического или требуемого отношения топливо/воздух к стехиометрическому отношению. Поэтому коэффициенты избытка топлива, превышающие единицу, представляют обогащенные смеси, а коэффициенты меньше единицы представляют обедненные смеси. Стехиометрическая смесь имеет коэффициент избытка топлива, равный единице.
В одном из альтернативных вариантов в контроллере 14 задается один или несколько выбранных коэффициентов избытка топлива. Для обеспечения требуемого коэффициента избытка топлива контроллер 14 изменяет падение давления на топливной форсунке (путем изменения давления в топливоподающей магистрали). Контроллер 14 вычисляет фактическую интенсивность подачи топлива в соответствии с продолжительностью впрыска и падением давления на топливных форсунках и соответствующим образом изменяет давление в топливоподающей магистрали для получения заданного коэффициента избытка топлива. Как это будет понятно специалистам в данной области техники, изменение коэффициента избытка топлива не влияет на другие параметры стадий 1-8. Однако для улучшения процесса сгорания могут быть внесены некоторые коррективы (например, в моменты зажигания).
В настоящем описании рассмотрен наилучший в настоящее время вариант осуществления изобретения, раскрытого в описании и заявленного в формуле изобретения. Описание представляет собой иллюстрацию основных принципов заявленного изобретения и должно рассматриваться как ограничение его объема, и, как это будет понятно специалистам в данной области, ознакомившимся с принципами изобретения, изложенными в его описании, изобретение может найти самые разные применения и может быть реализовано в самых разных формах без выхода за пределы его объема.
1. Способ управления работой установки внутреннего сгорания с повышением давления, содержащей устройство обеспечения давления топлива, топливную форсунку и узел зажигания, причем способ включает:
а) нахождение скважности импульсов топливной форсунки и частоты циклов сгорания, которые соответствуют заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту заполнения установки;
б) нахождение уставки давления подачи топлива, уставки момента впрыска для топливной форсунки и уставки момента зажигания, которые обеспечивают найденную скважность импульсов топливной форсунки и найденную частоту циклов сгорания; и
в) передачу управляющего сигнала давления подачи топлива, содержащего уставку давления подачи топлива, в устройство обеспечения давления топлива, управляющего сигнала топливной форсунки, содержащего уставку момента впрыска топлива, в топливную форсунку и управляющего сигнала момента зажигания, содержащего уставку момента зажигания, в узел зажигания.
2. Способ по п.1, в котором стадия нахождения скважности импульсов топливной форсунки включает измерение расхода воздуха, проходящего через установку, и нахождение интенсивности подачи топлива, которая пропорциональна расходу воздуха и соответствует заданной рабочей точке нагрузки.
3. Способ по п.2, в котором стадия нахождения скважности импульсов топливной форсунки включает также измерение расхода воздуха, проходящего через установку, и нахождение интенсивности подачи топлива, которая соответствует заданной рабочей точке нагрузки и обеспечивает стехиометрическое отношение окислитель/топливо.
4. Способ по п.2, включающий также задание по меньшей мере одного коэффициента избытка топлива и нахождение интенсивности подачи топлива, которая соответствует заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту избытка топлива.
5. Способ по п.1, включающий также измерение давления внутри смесительной камеры установки для перемешивания окислителя и топлива, причем устройство обеспечения давления топлива, работающее с уставкой давления подачи топлива, обеспечивает давление, достаточное для подачи топлива в смесительную камеру с найденной интенсивностью подачи топлива.
6. Способ по п.1, включающий также нахождение угла сдвига зажигания для установки, причем управляющий сигнал момента зажигания содержит также найденный сдвиг угла зажигания.
7. Способ по п.1, в котором величина заданного коэффициента заполнения находится в диапазоне от 0,8 до 1,1.
8. Способ по п.1, в котором стадия нахождения частоты циклов сгорания включает: нахождение максимальной продолжительности впрыска топлива (MID), которая зависит от заданного коэффициента заполнения, и требуемой продолжительности впрыска топлива в цикле детонации (IDDC), определяемой делением скважности на частоту циклов сгорания; и выбор такой частоты циклов сгорания, при которой величина IDDC не превышает величины MID.
9. Контроллер для установки внутреннего сгорания с повышением давления, содержащей устройство обеспечения давления топлива, топливную форсунку и узел зажигания, причем контроллер содержит процессор и запоминающее устройство, в котором записаны программы, содержащие команды, выполняемые процессором для:
а) нахождения скважности импульсов топливной форсунки и частоты циклов сгорания, которые соответствуют заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту заполнения установки;
б) нахождения уставки давления подачи топлива, уставки момента впрыска для топливной форсунки и уставки момента зажигания, которые обеспечивают найденную скважность импульсов топливной форсунки и найденную частоту циклов сгорания; и
в) передачи управляющего сигнала давления подачи топлива, содержащего уставку давления подачи топлива, в топливный насос, управляющего сигнала топливной форсунки, содержащего уставку момента впрыска топлива, в топливную форсунку и управляющего сигнала момента зажигания, содержащего уставку момента зажигания, в узел зажигания.
10. Контроллер по п.9, в котором стадия нахождения скважности импульсов топливной форсунки включает измерение расхода воздуха, проходящего через установку, и нахождение интенсивности подачи топлива, которая соответствует заданной рабочей точке нагрузки.
11. Контроллер по п.10, в котором стадия нахождения скважности импульсов топливной форсунки включает также измерение расхода воздуха, проходящего через установку, и нахождение интенсивности подачи топлива, которая соответствует заданной рабочей точке нагрузки и стехиометрическому отношению окислитель/топливо.
12. Контроллер по п.11, в котором программа содержит также стадию задания по меньшей мере одного коэффициента избытка топлива и нахождения интенсивности подачи топлива, которая соответствует заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту избытка топлива.
13. Контроллер по п.9, в котором программа содержит также стадию измерения давления внутри смесительной камеры установки для перемешивания окислителя и топлива, причем уставка давления подачи топлива обеспечивает давление, достаточное для подачи топлива в смесительную камеру с найденной интенсивностью подачи топлива.
14. Контроллер по п.9, в котором программа содержит также стадию нахождения угла сдвига зажигания для установки, причем управляющий сигнал момента зажигания содержит также найденный сдвиг угла зажигания.
15. Контроллер по п.9, в котором величина заданного коэффициента заполнения находится в диапазоне от 0,8 до 1,1.
16. Контроллер по п.9, в котором стадия нахождения частоты циклов сгорания включает: нахождение максимальной продолжительности впрыска топлива (MID) и требуемой продолжительности впрыска топлива в цикле детонации (IDDC), определяемой делением скважности на частоту циклов сгорания; и выбор такой частоты циклов сгорания, при которой величина IDDC не превышает величины MID.
17. Контроллер по п.9, причем установка внутреннего сгорания с повышением давления соединена с системой компрессора и турбины для получения механической энергии.
18. Установка внутреннего сгорания с повышением давления, содержащая:
а) устройство обеспечения давления топлива;
б) топливную форсунку, соединенную с устройством обеспечения давления топлива;
в) смесительную камеру, соединенную с топливной форсункой и с устройством подачи окислителя;
г) камеру сгорания, сообщающуюся со смесительной камерой;
д) узел зажигания, сообщающийся с камерой сгорания; и
е) контроллер, содержащий процессор и запоминающее устройство, в котором записаны программы, содержащие команды, выполняемые процессором для:
1) нахождения скважности импульсов топливной форсунки и частоты циклов сгорания, которые соответствуют заданной рабочей точке нагрузки и заданному коэффициенту заполнения установки;
2) нахождения уставки давления подачи топлива, уставки момента впрыска для топливной форсунки и уставки момента зажигания, которые обеспечивают найденную скважность импульсов топливной форсунки и найденную частоту циклов сгорания; и
3) передачи управляющего сигнала, содержащего уставку давления топливного насоса, в топливный насос, управляющего сигнала топливной форсунки, содержащего уставку момента впрыска топлива, в топливную форсунку и управляющего сигнала момента зажигания, содержащего уставку момента зажигания, в узел зажигания.
19. Установка внутреннего сгорания с повышением давления по п.18, выпускное отверстие которой сообщается с системой компрессора и турбины для получения механической энергии.
20. Установка внутреннего сгорания с повышением давления по п.19, в которой входным сигналом нагрузки для заданной рабочей точки нагрузки является скорость вращения вала турбины.
