Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Том 3. Комп’ютерні системи керування ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

ДВИГУНИ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

А.П. МАРЧЕНКО

М.К. РЯЗАНЦЕВ

А.Ф. ШЕХОВЦОВ

СЕРІЯ ПІДРУЧНИКІВ У 6 ТОМАХ

ТОМ 3

За редакцією

проф. А.П. Марченка, заслуженого діяча науки

України проф. А.Ф. Шеховцова

Затверджено Міністерством освіти і науки України як

підручник для студентів вищих навчальних закладів, що

навчаються за напрямом “Інженерна механіка” за

спеціальністю “Двигуни внутрішнього згоряння”

Видавничий центр НТУ “ХПІ”

2004

ББК 31.365

М 64

УДК 621.432.3

Рецензенти: С.А. Єрощенков, д-р техн. наук, проф.,

Українська державна академія залізничного транспорту;

А.П. Кудряш, д-р техн. наук, проф.,

Інститут проблем машинобудування НАН України

Автори: А.П. Марченко, М.К. Рязанцев, А.Ф. Шеховцов

Гриф наданий Міністерством освіти і науки України,

лист № 1/11 – 4682 від 06.11.03 р.

М64 Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Т. 3.

Комп’ютерні системи керування ДВЗ. / За редакцією А.П. Марченка, засл.

діяча науки України проф. А.Ф. Шеховцова – Харків: Видавн. центр НТУ

“ХПІ”, 2004. – с.

ISBN

У підручнику викладено схеми і конструкції комп’ютерних систем керування

ДВЗ із підсистемами, блоками та каналами керування, в тому числі паливо- й повітро-

подачею, рівнем токсичності, багатопаливністю, утилізацією вторинної теплоти, кліма-

тичним пристосуванням, надійністю, експлуатаційними характеристиками двигунів.

Обґрунтовано та наведено шляхи підвищення ефективності, стабільності системи керу-

вання, а також варіанти числених датчиків і виконавчих пристроїв.

Підручник призначений для студентів спеціальності “Двигуни внутрішнього

згоряння”. Він може бути корисним викладачам, аспірантам, інженерам-розробникам

перспективних ДВЗ.

Schemes and constructions of ICE computer control systems with subsystems, blocks

and channels of control including fuel - and airfeed, level of toxicity, multifuel, recycling of

secondary heat, climatic adaptivity, reliability and operating characteristics of engines are de-

scribed. The ways to increase efficiency and control system stability as well as variants of

numerous sensors and operating devices are substantiated.

The textbook is intended for the students of “Internal Combustion Engines” speciality

students. It may be useful for instructors, post-graduates, development engineers of long-

range internal combustion engines.

Іл. 202 . Табл. 12. Бібліогр. 67 назв.

ББК 31.361

ISBN © А.П. Марченко, М.К. Рязанцев,

А.Ф. Шеховцов, 2004 р.

ОСНОВНІ ТЕРМІНИ

Аварійний захист – комплекс блокувань й обмежень, що запобіга-

тимуть катастрофічним відмовам двигуна, комп’ютерної системи керуван-

ня.

Адаптивна система керування – система, програма керування якої

адаптується до умов роботи ДВЗ (до змін експлуатаційних режимів, харак-

теристик систем двигуна, параметрів навколишнього середовища, стану

самої системи тощо). Адаптація системи відбувається за певним критерієм,

наприклад, за максимальною паливною економічністю, мінімальною ток-

сичністю відпрацьованих газів.

Активне регулювання – регулювання процесу безпосередньо за си-

гналами первинного датчика; Пасивне регулювання – непряме регулю-

вання процесу за сигналами датчика вихідного параметра двигуна.

Алгоритм керування – логічна послідовність функціональних ви-

мог щодо реалізації з необхідною точністю й швидкодією керуючих (ко-

мандних) дій залежно від основних режимів роботи двигуна з урахуванням

корегуючих факторів.

Безконтактний комутатор командних імпульсів – пристрій розпо-

ділу командних імпульсів за циліндрами двигуна відповідно до порядку їх

роботи, характеризується відсутністю механічних елементів і спеціальних

переривників, що подають стартові імпульси.

Біполярний пристрій – забезпечує формування командних імпуль-

сів шляхом подачі імпульсів прямої та зворотної полярності на керований

електромагнітний клапан форсунки.

Блок синтезу інформації – електронний пристрій, що перетворює

інформацію датчиків у командну дію на виконавчий механізм.

Виконавчий пристрій системи керування – механічний (гідравлі-

чний, пневматичний, електромагнітний та ін.) пристрій, що перетворює

командний сигнал, який видається комп’ютером системи керування, на пе-

реміщення органу керування процесом у двигуні.

Вимірювальний перетворювач – датчик, первинний вимірювач,

сенсор.

Вихідні каскади комп’ютерної системи керування – електронні

пристрої для підсилення сигналів, які видаються комп’ютером системи ке-

рування, наприклад, підсилювач потужності для керування електромагніт-

ними клапанами форсунок.

Внутрішнє регулювання наддуву – регулювання, у результаті якого

отримуються нові характеристики роботи лопатних машин.

Генератор тактових імпульсів – пристрій для збудження стартових

імпульсів, які запускають електронну схему блока синтезу інформації й

адекватних частоті спалахів у циліндрах двигуна.

Дискретне керування двигуном – керування, що базується на дозу-

ванні палива за окремими робочими циклами ДВЗ.

Діагностування комп’ютерної системи керування – апаратурно

забезпечений опит елементів системи за обраними діагностичними пара-

метрами.

Зовнішнє регулювання наддуву – регулювання, яке характеризу-

ється таким зовнішнім впливом на режим роботи лопатних машин, у ре-

зультаті якого змінюється положення робочих точок на характеристиках

їхньої роботи при незмінності самих характеристик.

Імовірність безвідмовної роботи комп’ютерної системи керуван-

ня – відношення кількості справних систем у поточний момент часу до та-

кої кількості у початковий момент експлуатації партії двигунів з

комп’ютерним керуванням.

Імовірність стабільного функціонування комп’ютерної системи

керування – відношення значення режимного параметра системи, усеред-

нене для партії двигунів, до граничного значення цього параметра, визна-

ченого паспортним полем допуску його паспортної зміни.

Канал керування – компонент системи керування, що представле-

ний рядом: датчик – блок керування – виконавчий пристрій.

Командний параметр – параметр, регулювання якого дозволяє за-

безпечити ефект системи керування. Наприклад, у двигуні з іскровим запа-

люванням як головний командний параметр може призначатися масова ви-

трата повітря, якщо йдеться про паливну економічність як очікуваний

ефект керування.

Комбінований датчик – вимірювальний перетворювач, у якому су-

міщені декілька первинних вимірювань; за приклад маємо градієнтний да-

тчик для визначення перепаду температур.

Мультивібратор – самозбудний електронний пристрій, що генерує

послідовність прямокутних імпульсів.

Мультиплікатор – електронний пристрій, що реалізує процес поси-

лення електричного струму або напруги; характеризується відношенням

значень вихідного та вхідного сигналів (коефіцієнтом підсилення).

Навантажувальна система керування – залежність складу горючої

суміші від головного командного параметра при сталій частоті стартових

імпульсів. Швидкісна характеристика системи керування – залежність

складу горючої (робочої) суміші від частоти стартових імпульсів при не-

змінності значення головного командного параметру.

Надійність фізична системи керування – зумовлюється її безвід-

мовністю й ресурсними показниками. Надійність параметрична системи

керування – зумовлюється стабільністю її робочих параметрів при трива-

лій експлуатації.

Нейтралізація відпрацьованих газів – комплекс заходів, які забез-

печуватимуть суттєве зниження концентрації токсидів у відпрацьованих

газах двигуна.

Нестатичний виконавчий пристрій системи керування – пристрій

з рухомими елементами. Статичний виконавчий пристрій – такий, що не

має рухомих елементів.

Неусталений (усталений) режим роботи двигуна, комп’ютерної

системи керування – такий, що характеризується безперервною зміною

(стабільністю) робочих циклів.

Оперативний запам’ятовуючий пристрій – складається з елек-

тронних приладів для зберігання інформації датчиків, констант і виконан-

ня проміжних обчислень. Звичайно входить до складу комп’ютера, виклю-

чення якого призводить до втрати інформації оперативного за-

пам’ятовуючого пристрою.

Оптимальна надійність системи керування – рівень надійності си-

стеми, що відповідає найменшій повній її вартості за умови забезпечення

заданих і сталих в експлуатації її робочих параметрів.

Оптимальне керування – таке, що забезпечує оптимум заданої ці-

льової функції, наприклад, найменшої середньоексплуатаційної витрати

палива.

Перехідний процес – процес переходу з одного експлуатаційного

режиму на інший, визначений послідовністю неусталених режимів роботи

двигуна.

Постійний запам’ятовуючий пристрій – такий, що складається з

електронних приладів, які допускають запис та зберігання програмного за-

безпечення комп’ютерної системи керування, а також тарувальних харак-

теристик. Звичайно, входить до складу комп’ютера, виключення якого не

призводить до втрати інформації постійного запам’ятовуючого пристрою.

Пристрої сполучення з мікропроцесором – такі, що перетворюють

сигнали датчиків у форму, зручну для зчитування комп’ютером.

Програма керування – функціональна залежність складу горючої

(робочої) суміші від головного командного параметра при заданому рівні

функціонала якості двигуна, наприклад, паливної витрати, токсичності ви-

кидів, надійності тощо.

Програмно-адаптивна система керування – система, при якій ос-

новна система керування автоматично корегується при її порушенні зі змі-

ною умов експлуатації двигуна. Таке корегування здійснюється за певним

критерієм (наприклад, детонацією, димінням, тощо). Програмне (жорст-

ке) керування – керування без відхилень від основної програми керуван-

ня.

Регулювання шляхом автоматичної зміни структури двигуна –

забезпечується, наприклад, відключенням частини робочих циліндрів на

часткових режимах експлуатації, або відключенням на цих режимах вен-

тилятора системи охолодження, або відключенням форсажної камери.

Розосереджене (багатоточкове) керування двигуном – таке, що

грунтується на дозуванні палива по окремих циліндрах. Центральне ке-

рування двигуном – керування, що базується на дозуванні палива, яке по-

дається в загальний впускний тракт перед головкою циліндрів.

Самодіагностування системи керування – забезпечується вклю-

ченням до її складу допоміжних каналів контролю режимних параметрів

власне системи керування.

Самонастроювання системи керування – здійснюється за програ-

мою автоматичного корегування режимних параметрів системи керування

за результатами її самодіагностування.

Структурний аналіз системи керування – спрямований на визна-

чення наявності у ній проміжних ланок, за кількістю та взаємовідносинами

між якими судять про стабільність і надійність роботи системи.

Фазове керування – керування моментом початку зміни характери-

стики процесу.

Частотне керування – керування кратністю характеристики проце-

су.

ПРИЙНЯТІ СКОРОЧЕННЯ

АРТСД – автоматичне регулювання теплового стану двигуна

АС – сигналізатор аварійної ситуації

АЦП – аналого-цифровий перетворювач

БСІ – блок синтезу інформації (мікропроцесорний блок керування)

ВП – виконавчий пристрій

ВИП – вимірювальний перетворювач

КБК – комп’ютерний блок керування

КПСК – комп’ютерна підсистема керування

КСК – комп’ютерна система керування

ОЗП – оперативний запам’ятовуючий пристрій

ПЗП – постійний запам’ятовуючий пристрій

ЕДК – електродинамічне керування

Ф/ЕДК – форсунка з електродинамічним керуванням

Н-Ф/ЕДК – насос-форсунка з електродинамічним керуванням

ЕМК – електромагнітне керування

Ф/ЕМК – форсунка з електромагнітним керуванням

Н-Ф/ЕМК – насос-форсунка з електромагнітним керуванням

ЕР – електронний регулятор

ПЕРЕДМОВА

Високі експлуатаційні характеристики енергоустановок з двигунами

внутрішнього згоряння (ДВЗ) залежать не тільки від поліпшення констру-

кцій власне двигунів, але й від якості та рівня автоматизації їхніх систем

керування, що обумовлено головною вимогою до сучасних ДВЗ – необ-

хідністю безперервної адаптації процесів у двигунах до моделей їх експлу-

атації.

У цьому плані виділяється глобальний напрямок розвитку двигуно-

будування, що полягає у подальшому удосконаленні комп’ютерних систем

керування (КСК) на основі розширення адаптивних (зворотних) зв’язків

двигунів з умовами їх експлуатації та з оператором.

У пропонованому до вашої уваги підручнику вперше узагальнено ба-

гатющий досвід розробки і використання однієї з високих технологій у

ДВЗ – комп’ютерних систем керування двигунами різних типів і призна-

чень, накопичений моторобудівними фірмами, в тому числі України.

У ньому проаналізовано основні напрями розвитку КСК, зроблено

висновок про те, що найкращі результати дає вбудування комп’ютерної

системи ДВЗ у загальну систему керування силової установки. У такому

разі забезпечуються не тільки економічні, але й динамічні якості установ-

ки, підвищується безпека та комфортність обслуговування.

При аналізі схем і конструкцій керування враховано тенденцію пере-

ходу до багатовимірних систем зі штучним інтелектом.

Сформульовані основні проблеми подальшого розвитку автоматизо-

ваних систем керування ДВЗ. Викладено схеми КСК двигунів різних типів

та призначень, наведено конструкції основних датчиків, виконавчих при-

строїв, електронної бази.

Особливу увагу приділено якості керування за науково обґрунтова-

ними критеріями ефективності та стабільності роботи КСК ДВЗ при екс-

плуатації.

У кінці кожного розділу наведено контрольні запитання.

Використання даного підручника дає можливість студентам якісно

виконувати курсові і дипломні проекти, аналізувати можливості підви-

щення технічного рівня перспективних ДВЗ українського виробництва до

світових стандартів.

Передмова написана А.П. Марченко; глави 1,2,6 – А.Ф. Шеховцовим,

глава 4 – А.П. Марченко; глава 7 – М.К. Рязанцевим; розділи 3.1, 5.2, 5.4,

7.6 – А.Ф. Шеховцовим; розділи 5.1, 5.3 – А.П. Марченко; розділи 3.2, 5.5 –

М.К. Рязанцевим; глава 8 – А.П. Марченко та А.Ф. Шеховцовим.

Автори вдячні шановним рецензентам рукопису підручника профе-

сорам А.П. Кудряшу та С.А. Єрощенкову за важливі рекомендації щодо

поліпшення його якості.

Автори висловлюють глибоку вдячність за допомогу при написанні

підручника співробітникам кафедри двигунів внутрішнього згоряння НТУ

“ХПІ” та головного конструкторського бюро моторобудівної галузі Украї-

ни ХКБД, м. Харків.

Особливу подяку автори висловлюють І.В. Риковій, Л.Т. Жиліній та

І. Е. Усатій за велику роботу по комп’ютерному набору підручника.

Зауваження та пропозиції щодо поліпшення підручника просимо

надсилати за адресою: 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21, НТУ “ХПІ”, кафедра

двигунів внутрішнього згоряння”; Е-mail: dvs @ kpi. kharkov. ua.