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.

120

рувальних адаптованих впливів, не обмежуючись керуванням запалюван-

ням та вприскуванням, а й з оптимізацією повітропостачання тощо.

Це буде подальшим кроком до створення повністю адаптованих

комп’ютерних систем керування ДВЗ, у яких враховано всі внутрішні

зв’язки між процесами двигуна.

3.1.4. Огляд сучасних і перспективних розробок та патентів з

КПСК паливоподачі бензинових двигунів провідних

фірм світу

Вище було викладено основи створення КПСК паливоподачею дви-

гунів з іскровим запалюванням.

Метою даного огляду є ознайомлення студентів з науково-

технічними розробками моторобудівних фірм світу з безперервного вдос-

коналення таких підсистем, їх елементів на прикладах найбільш масових

бензинових двигунів.

На основі подібних розробок, які задовольняють сьогодні масовий

попит, створюються перспективні модифікації КПСК ДВЗ.

На рис. 3.19 показана сучасна електронно-керована одноточкова підсисте-

ма електронного керування центральним вприскуванням низького тиску

для 4-циліндрових двигунів, особливістю якої є наявність паливної форсу-

нки центрального розташування, роботою якої керує електромагнітний

клапан. Підсистема використовує дросель для дозування повітря на впус-

ку, у той час як вприскування палива проводиться розпилюванням над

дроселем. Розподіл по циліндрах здійснюється у впускному колекторі. Різ-

номанітні датчики контролюють усі основні робочі характеристики двигу-

на для розрахунків керувальних сигналів для форсунок інших виконавчих

пристроїв КПСК. Форсунка розташовується над дроселем. Струмінь пали-

ва спрямований безпосередньо у серпоподібний отвір між корпусом і дро-

селем, де за рахунок великої різниці тиску забезпечується оптимальне су-

мішоутворення, яке виключає можливість осідання палива на охолоджених

стінках впускного тракту. Форсунка працює при надлишковому тиску в 1

бар. Розпилювання палива дозволяє отримати однорідний розподіл суміші

навіть в умовах повних навантажень. Вприскування палива через форсунку

синхронізовано з імпульсами запалювання.

121

Окрім частоти обертання колінчастого вала двигуна n, до основних

змінних, від яких залежить робота КПСК, можна віднести такі: відношення

об’єму повітря до його маси у потоці; абсолютний тиск у колекторі (впус-

кному) й положення кута відкриття дроселя. Підтримання відношення a/n

у системі Mono-Jetronic може забезпечити відповідність навіть найжорст-

кішим вимогам щодо концентрації токсидів у відпрацьованих газах, коли

ця КПСК використовується з адаптивним (зворотним) зв’язком – з кисне-

вим датчиком (l-зондом) і трикомпонентним каталітичним нейтралізато-

ром. Сигнал від l-зонда, який надходить в самоадаптивну систему, вико-

ристовується для компенсації змін в умовах роботи двигуна, а також для

підтримання стабільності роботи протягом усього терміну служби.

Зупинимося на функціях адаптації КПСК. Під час холодного пуску

Рисунок 3.19 – Схема КПСК паливоподачею Mono-Jetronic фірми

Bosch [6], [16]:

1 – паливний бак; 2 – паливний насос з електроприводом; 3 – паливний фільтр;

4 – стабілізатор перепаду тиску палива; 5 – електромагнітна форсунка; 6–

датчик

температури повітря; 7 – БСІ; 8 – привід дросельної заслінки; 9 – датчик по

ложення

дросельної заслінки; 10 – клапан; 11 – резервуар з вугіллям (адсорбер); 12 –

кисневий

датчик (l-зонд); 13 – датчик температури охолоджувальної рідини; 14 –

розподільник

запалювання; 15 – акумулятор; 16 – вимикач запалювання; 17 – реле; 18 – рознімання

для приєднання діагностичної апаратури; 19 – блок центрального вприскування

122

двигуна, а також безпосередньо після пуску та у режимі прогрівання час

вприскування палива збільшується з метою збагачення паливо-повітряної

суміші. При холодному двигуні привід дроселя встановлює її в таке поло-

ження, при якому подається більша кількість суміші у двигун, таким чи-

ном підтримуючи частоту обертання n на холостому ході й концентрацію

токсидів у відпрацьованих газах на постійному рівні. Потенціометр, закрі-

плений на осі дроселя, фіксує положення заслінки і на основі цих даних

БСІ збільшує кількість палива, що подається. Таким же способом КПСК

забезпечує збагачення робочої суміші під час прискорення та на режимі

нового дроселя. У режимі примусового холостого ходу забезпечується ви-

ключення паливоподачі. Адаптивне регулювання частоти обертання n на

холостому ході дозволяє зменшити і стабілізувати цю частоту. БСІ за до-

помогою пристроїв приводу забезпечує відповідність положення дросель-

ної заслінки змінам частоти обертання n та температури.

На рис. 3.20 показано детально центральний блок вприскування

КПСК Mono-Jetronic, а на рис. 3.21 – блок центрального вприскування

(Opel) для цієї ж КПСК [6, 16].

Рисунок 3.20 –

Центральний блок

вприскування КПСК

Mono-Jetronic:

1 – паливний бак;

2 – паливний насос з

електропри

водом;

3 – паливний фільтр;

4 – регулятор тиску;

5 – верхня частина

(гідравлі

чна);

6 – дросель

Розглянемо іншу КПСК з центральним вприскуванням фірми Hitachi,

Японія (рис. 3.22) [1].

Звернемо увагу на те, що цей варіант, як і попередній (рис. 3.19) ма-

ють циркуляційну подачу палива із стабілізатором тиску (перепаду тиску),

виконаними в єдиному блоці з форсункою. Японська фірма Hitachi, напри-

клад, для кращого розпилювання палива встановлює за форсункою ультра-

звуковий розпилювач, інші фірми не бажають ускладнювати підсистему.

123

Рисунок 3.21 – Блок центрального

вприскування (Opel):

1 – кроковий електродвигун для

керування роботою двигуна на холос-

тому ході; 2 – повернення палива; 3 –

регулятор тиску; 4 – форсунка; 5 –

вхід палива; 6 – дросельна заслінка;

7 – до випускного колектора двигуна

Рисунок 3.22 - КПСК центрального вприскування фірми Hitachi, Японія

(принципова схема)

1 – паливний бак; 2 – паливний насос; 3 – фільтр; 4 – форсунка; 5 –

стабілізатор

тиску; 6 – електронний блок синтезу інформації (керування); 7, 9,10 – відповідно,

датчики стартових імпульсів, положення дросельної заслінки, температури

охолоджувальної рідини; 8 – регулятор перепуску повітря; 11 – l-

зонд;

12 – ультразвуковий розпилювач

3 4

124

КПСК, що розглядаються, мають регулятор частоти обертання n,

принцип дії якого базується на регулюванні положення дроселя або при-

строю перепуску повітря в обхід дросельної заслінки. В обох випадках це

здійснюється на основі інформації щодо реального значення n (яке зніма-

ють з датчика n), що подається на виконавчий пристрій (дискретний елект-

родвигун). Останній діє на дросель (або електромагнітний клапан) та регу-

лює витрату повітря через обвідний (байпасний) канал в обхід дросельної

заслінки.

Основні підсистеми з центральним вприскуванням, як і більшість

інших таких же підсистем, мають датчик наявності О

, що дозволяє адап-

тивно підтримувати стехіометричний склад горючої суміші й одночасно

забезпечувати програмно-адаптивний принцип дозування палива.

Комплектації обох підсистем майже аналогічні.

Характерно, що стабілізатор тиску (перепаду тиску) встановлено у

форсунки, а паливні канали мають більші перерізи, що зводить до мініму-

му гідравлічні втрати в тракті й робить необов’язковим встановлення ста-

білізатора на гілках трубопроводу (тих, що підводять чи відводять паливо).

Для запобігання парових пробок стабілізатор тиску доречно розміщувати

до форсунки й завжди вище неї.

Струмінь палива після форсунки повинен мати форму порожнього

конуса, а кут розпилювання бути таким, аби забезпечувати потрапляння

палива у щілину між дроселем і стінкою змішувальної камери. Особливо

інтенсифікується розпилювання палива при використанні ультразвуку (фі-

рма Hitachi) або плівкового випарювання.

Зазначені підсистеми реалізують повну програму дозування палива

(пуск та прогрівання двигуна, регулювання n на холостому ході, регулю-

вання роботи економайзера та пристроїв примусового холостого ходу, зба-

гачення горючої суміші при різкому відкритті дроселя, збіднення її при за-

критті дроселя, сповільнювання закриття дроселя, адаптивне підтримання

стехіометричного складу горючої суміші тощо.

Можливість гнучкого керування частотою (кратністю) і фазою (мо-

ментом) паливоподачі дозволяє створювати на основі систем центрального

вприскування досконалі багатовимірні (комплексні) КПСК, які мають під-

систему дозування палива, його гомогенізації й запалювання, канали керу-

вання рециркуляцією, захистом нейтралізаторів від перегріву, тепловим

125

захистом деталей, вбудований блок самодіагностування, що робить такі

КПСК цілком сучасними.

Підкреслимо, що КПСК центрального вприскування палива добре

узгоджується з КПСК наддувом, що отримує дедалі більшого поширення

на двигунах з іскровим запалюванням.

Оглянемо сучасні КПСК розосередженого (багатоточкового) вприс-

кування [6, 16]. На рис. 3.23 подано таку КПСК типу L-Jetronic [6, 16]. Це

КПСК з дискретним вприскуванням палива. Вона поєднує в собі переваги

КПСК з безпосереднім вимірюванням витрати повітря й можливості, що

надаються електронікою. Така підсистема розпізнає зміни в умовах роботи

двигуна (спрацювання, нагаростворення в КЗ, зміни в зазорах клапанів),

що забезпечує постійно оптимальний склад відпрацьованих газів.

Рисунок 3.23 - Схема КПСК багатоточковим вприскуванням

L-Jetronic:

1 – паливний бак; 2 – паливний насос з електроприводом; 3 –

паливний

фільтр; 4 – БСІ; 5- форсунка; 6 – регулятор тиску палива; 7 –

впускний

колектор; 8 –пускова форсунка; 9 – датчик положення дроселя; 10 –

вимірювач витрати повітря; 11 – l-зонд; 12 – термовимикач і реле часу; 13 –

датчик температури охолоджуючої рідини; 14 – розподільник запалюван

ня;

15 – регулятор n на холостому ході; 16 – акумулятор; 17 –

вимикач

запалювання

126

Паливо вприскується через форсунки з електромагнітним керуван-

ням. Форсунка, яку встановлено перед кожним циліндром, включається у

роботу один раз за один оберт колінчастого вала. Для спрощення керуван-

ня форсунками всі вони підключаються до електрокола паралельно. Різни-

ця між тиском палива і тиском у впускному колекторі двигуна підтрима-

ється на постійному рівні 2,5–3,0 бар; тому кількість палива, що подається,

визначається виключно тривалістю імпульсу t

, який встановлюється БСІ.

Тривалість t

варіюється відповідно до витрати повітря, що всмоктується;

частотою обертання n, іншими параметрами, що контролюються датчика-

ми.

Магістраль високого тиску з’єднує всі форсунки двигуна. В її кінці

розташовано регулятор (стабілізатор перепаду тиску), що підтримує по-

стійний тиск у напорній магістралі палива [17]. При перевищенні встанов-

леного тиску клапан мембрани відкриває злив до паливного бака. Регуля-

тор зв’язаний трубопроводом з впускним колектором за дроселем, аби тиск

у напорній магістралі не залежав від тиску у впускному колекторі; в цьому

випадку при будь-якому положенні дроселя падіння тиску на форсунках

буде однаковим. З регулятора невикористане паливо спрямовується знову

до бака через зворотну магістраль. Оскільки це паливо нагрівається на

цьому шляху, температура його у паливному баці зростає.

У паливному баці створюється пара палива з інтенсивністю, що за-

лежить від температури палива. Для виконання вимог охорони навколиш-

нього середовища пара палива спрямовується через систему вентиляції па-

ливного баку в абсорбер з активованим вугіллям. Після пуску двигуна па-

ра повертається до впускного колектора і потім допалюється у двигуні.

КПСК має й модифікацію паливної магістралі без повертання палива до

бака (рис. 3.24).

Така модифікація зменшує перегрівання палива у баці, що полегшує

виконання прийнятих норм щодо максимально допустимих викидів налив-

ної пари. Регулятор тиску палива розташовується у паливному баці або

безпосередньо прилягає до нього, а зворотна магістраль, зв’язана з баком,

відсутня. Надлишок палива, що подається насосом, повертається безпосе-

редньо до бака без проходження по колу “двигун та назад”. Такий пристрій

може знизити температуру у паливному баці до 10 °С при зменшенні випа-

рювання палива приблизно на третину.

127

БСІ перетворює змінні параметри роботи двигуна в t

(електричні

імпульси). Інтервали цих імпульсів корелюються з установкою моменту

запалювання, тоді як їх тривалість є, в основному, функцією частоти n і

витрати повітря, що всмоктується. У БСІ застосовується цифрова обробка

даних для регулювання якості суміші на підставі аналізу залежності N

/n.

Підсистема LH-Jetronic (рис. 3.25 [6, 17]) схожа з L-Jetronic. Відмін-

ність – в методах вимірювання витрати повітря, що всмоктується. У КПСК

LH-Jetronic використовується термоанемометричний вимірювач масової

витрати повітря, тому результати не залежать від густини повітря на всмо-

ктуванні, яка змінюється залежно від температури і тиску навколишнього

середовища.

КПСК оснащено цифровим БСІ. Пристрої для регулювання якості

робочої суміші відмінні від тих, що застосовуються в системі L-Jetronic.

Тут використовуються програмовані залежності навантаження від n для

мінімізації витрати палива й токсичності відпрацьованих газів. У БСІ роз-

раховується тривалість вприскування й t

, яка визначає кількість вприск-

нутого палива. БСІ має мікропроцесор з усталеною синхронізуючою час-

тотою, що задається кварцовим генератором, запам’ятовуючий пристрій,

аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Як тепловий вимірювач у LH-

Jetronic використовуються термоанемометричний датчик або плівковий

Рисунок 3.24 - Схема паливоподачі:

а – стандартна система; б – система без повертання палива до баку.

1 – паливний бак; 2 – паливний насос з електроприводом; 3 –

паливний фільтр;

4 – напірна магістраль високого тиску; 5 – регулятор тиску палива; 6 –

форсунки;

7 – паливопровід з форсунками (безперервний потік палива); 8– зворотна

паливна

магістраль; 9 – паливопровід з форсунками (без повертання палива до баку)

128

вимірювач масової витрати палива, а також вимірювач Karman об’ємної

витрати повітря вихрового типу (такі датчики розглядаються у

підрозд. 3.1.5).

Детальніше розглянемо такі важливі функції КПСК паливоподачею,

як керування роботою двигуна на холостому ході, електронне керування

дроселем (EGas) та регулювання довжини впускних трубопроводів. Це

принципові питання на шляху створення інтегральних КПСК перспектив-

них двигунів.

Керування роботою двигуна на холостому ході. Частота обертання n

на холостому ході визначається витратою повітря, коефіцієнтом надлишку

повітря a і моментом запалювання j

зап

. Ці параметри можуть регулювати-

ся зміною кількості повітря, що подається і / або моментом запалювання.

Регулювання двигуна з метою отримання найнижчої частоти обертання n є

важливим кроком до зниження витрати палива і токсичності. Крім при-

строїв регулювання заряду з виконуючим пристроєм, що безпосередньо діє

на дросель, є й інші, які діють в обхід дросельної заслінки (рис. 3.26). Ви-

Рисунок 3.25 - Схема КПСК паливоподачею LH-Jetronic, фірми Bosch:

1 – паливний бак; 2 – паливний насос з електроприводом; 3 –

паливний

фільтр; 4 – БСІ; 5 – форсунка; 6 – розподілювач палива; 7 –

стабілізатор

перепаду тиску; 8 – впускний колектор; 9 – датчик положення дроселя; 10 –

вимірювач масової витрати повітря; 11 – l-зонд; 12 –

датчик температури

охолоджувальної рідини; 13 – розподілювач запалювання; 14 –

регулятор

частоти n на холостому ході; 15 – акумулятор; 16 – вимикач запалювання

129

конавчий пристрій 1 встановлено у магістралі, що йде мимо заслінки;

кульовий затвор у цьому пристрої забезпечує регулювання відкриття пере-

пускного клапана доти, доки не досягнуто необхідного значення n

хх

Рисунок 3.26 - Керування частотою

обертання колінчастого вала двигуна на

холостому ході:

1 – виконуючий пристрій; 2 – електронний блок

керування; 3 – дросель; U

– подача напруги; n –

частота обертання колінчастого вала двигуна;

– температура двигуна; a

– кут відкриття

(положення дроселя); D/AC –

сигнали від

автоматичної трансмісії та кондиціонера

Електронне керування дроселем (EGas). Приводом дроселя є керова-

ний БСІ електродвигун, який повертає заслінку. Оскільки EGas регулює

положення дроселя електронним способом, воно може виконувати й інші

функції, пов’язані з поліпшенням характеристик двигуна, підвищенням

безпеки руху, зручністю керування автомобілем.

Впускний трубопровід з керованою геометрією. Зміна форми цього

трубопроводу є одним із способів впливу на крутний момент двигуна. Для

отримання майже ідеальної кривої крутного моменту можна регулювати

довжину впускних трактів. На рис. 3.27 показано впускний трубопровід з

безперервним регулюванням довжини [6]. При складанні програми регу-

лювання виходять з того, що впускні напрямні трубопроводи скороченої

довжини забезпечують отримання високої потужності за рахунок змен-

шення крутного моменту; у той час як трубопроводи зі збільшеною дов-

жиною впливають протилежним чином на ці параметри (рис. 3.28).

Рисунок 3.27 - Впускний трубопровід з

безперервним регулюванням довжини:

1 – нерухомий корпус; 2 – поворотний бара-

бан (повітророзподільник); 3 – впуск повітря

у барабан; 4 – впуск повітря у напрямний

трубопровід; 5 – ущільнення (наприклад,

пластинчата пружина); 6 – впускний

напрямний трубопровід; 7 – впускний клапан;

8 – впуск повітря до циліндра