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.

130

Проведений огляд сучасних КПСК паливоподачею у бензинових

двигунах дозволяє стверджувати, що в галузі автомобільних (найпошире-

ніших) двигунів на початку XXI сторіччя домінуюче положення займають

розосереджені (багатоточкові) підсистеми. Це випливає з табл. 3.2, де по-

дано статистичні дані за 1999 рік [19] щодо поширення різних схем пали-

воподачі бензинових двигунів (у %).

Таблиця 3.2 – Підсистеми паливоподачі

Діапазони робочих об’ємів, л Підсисте

ми

паливо-

подачі

< 1

1,0

–1,25

1,25–1,5

1,5–1,75

1,75–2,0

2,0–2,25

2,25–2,5

2,5–2,75

2,75–3,0

РВП, % 82 77 84 91,3 97,1 100 92,8 95 92,8

ЦВП, % 0 0 0,5 0,5 0 0 0 0 0,9

БВП, % 0 0 0 0 1,7 0 2,1 0 1,8

КПП, % 18 23 15,5 8,2 1,2 0 5,1 5 4,5

Примітка: РВП – розосереджене вприскування палива; ЦВП – центральне вприскуван-

ня палива; БВП – безпосереднє (пряме) вприскування палива; КПП – карбюраторна по-

дача палива.

Розосереджені КПСК випускають майже всі провідні фірми світу.

Центральне вприскування (як і електронні карбюратори) не витри-

мало конкуренції з РВП. Головними перевагами РВП є більш високі мож-

ливості щодо форсування двигунів, підвищена паливна економічність, ви-

сокі динамічні показники й добрі антидетонаційні якості двигунів. При їх

удосконаленні в останні роки йшли по шляху підвищення надійності, на-

=950 мм,

=36

мм

=640 мм, D

=36 мм

=330 мм, D

=40 мм

2000

4000

хв

–

бар

Рисунок 3.28 – Середній ефективний тиск

залежно від n для безперервно регульованого

по довжині впускного трубопровода (для

трьох значень L):

– ефективна довжина впускного напрямного

трубопровода;

– діаметр впускного напрямного трубопровода

131

рощування кількості функцій, введення самодіагностування, елементів і

каналів адаптації і т.п.

Як відзначалося у підрозд. 3.1.2, провідними автомобілебудівними

фірмами світу розпочато освоєння промислового виробництва перспектив-

них модифікацій двигунів з БВП (безпосереднім вприскуванням). Про під-

готовку серійного випуску, крім фірм Toyota та Mitsubishi, заявили фірми

Volkswagen, Renault та ін. Промислове (масове) виробництво підсистем

БВП ознаменує початок нового етапу у розвитку КПСК паливоподачею

бензинових двигунів.

На рис. 3.29 показана схема КПСК БВП типу Motronic MED фірми

Bosch [19], яка, за заявою фірми, буде випускатись з початку XXI сторіччя.

Рисунок 3.29 – Схема підсистеми Motronic MED7, фірми “R.Bosch”:

1 – термоанемометричний витратомір повітря; 2– електрокерована дросельна заслінка;

3 – датчик абсолютного тиску у впускному трубопроводі; 4 – паливний насос високого

тиску; 5 – стабілізатор перепаду тиску палива; 6 – паливна рампа; 7 – котушка запалю-

вання на свічці; 8, 10 – l-зонд (до і після хімічного нейтралізатора ) 9; 11 –

підкачувальний електробензонасос; 12 – електромагнітна форсунка; 13 – датчик тиску

палива; 14 – клапан рециркуляції ОГ; 15 – мікропроцесорний блок керування

Стратегії керування дозуванням палива у таких підсистемах можуть

бути різними, й вибираються окремими фірмами-розробниками залежно

від параметрів швидкісних і навантажувальних режимів роботи двигуна.

При цьому склад паливоповітряної суміші, як правило, змінюється від го-

132

могенного (a » 1) до гранично розшарованого (a = 1,3...2,2). Найбільшою

мірою переваги двигунів з БВП виявляються при роботі на збіднених су-

мішах і часткових навантаженнях. Усталена робота двигуна досягається

розшаруванням суміші зі створенням зони багатої суміші поблизу свічки

запалювання, після спалахування якої починається процес горіння всього

заряду у циліндрі. Для більш надійного спалахування суміші використову-

ється запалювання з підвищеною енергією іскрового заряду. Момент впри-

скування і тиск палива також змінюються залежно від режиму роботи дви-

гуна для забезпечення потрібних умов сумішоутворення при даному складі

суміші. Наприклад, якщо на холостому ході тиск палива підтримується на

рівні 3 МПа, то при повному навантаженні й номінальних значеннях n (до

6000 хв

–1

) воно зростає до 10–12 МПа.

Декілька уточнень щодо розшарування заряду в двигуні з

Motronic MED7. Часткові режими забезпечуються таким розшаруванням

заряду, при якому в камері згоряння (КЗ) створюються дві зони [15], одна з

яких, розташована біля свічки запалювання, містить паливоповітряну су-

міш, що спалахує. Друга зона містить теплоизолюючий шар з повітря та

залишкових газів. При такому розшаруванні заряду середнє значення a у

КЗ сягає 1,5–3,0.

Всі ці заходи дозволяють забезпечити ефективне згоряння екстре-

мально збідненої суміші (a > 2,0), що і приводить до підвищення паливної

економічності двигуна з БВП приблизно на 20 % порівняно з РВП. На

рис. 3.30 наведено порівняльні навантажувальні характеристики бензино-

вого двигуна з різними схемами вприскування [19], що ілюструють перева-

ги БВП. Як бачимо, двигун з БВП має значно більшу паливну економіч-

ність. Крім того, реалізація БВП дозволяє підвищувати потужнісні показ-

ники двигуна приблизно на 10 % (за рахунок можливості використання ви-

соких ступенів тиску e = 11...12 та збільшення наповнення), а також знизи-

ти сумарну токсичні сть відпрацьованих газів на 20 % порівняно з іншими

схемами вприскування.

Слід враховувати, що на сьогодні в цілому підсистеми БВП мають

ще значну вартість і є досить складними.

133

Рисунок 3.30 – Навантажувальні

характеристики бензинових

двигунів з різними схемами

паливоподачі:

1 – РВП; 2 – збіднена гомогенна

суміш; 3 – БВП, збіднений розша-

рований заряд

Прогнози свідчать [19], що незважаючи на це, з початку XXI століття

застосування систем БВП у Західній Європі різко зросте (рис. 3.31). З ви-

користанням БВП у циліндрах отримає практичне втілення принцип внут-

рішнього сумішоутворення в бензинових двигунах. Він має ряд відомих

переваг перед зовнішнім сумішоутворенням: можливість підвищення сту-

пеню тиску (й паливної економічності), забезпечення економічної роботи

двигуна на екстремально збіднених сумішах та ін. У зв’язку з цим може

постати і глобальне питання: чи не припинити використання зовнішнього

сумішоутворення у бензинових двигунах із розвитком БВП.

Рисунок 3.31 – Прогноз

розвитку БВП в Західній

Європі

На думку практиків, незважаючи на значні переваги БВП, він не ви-

тіснить інші схеми вприскування і в майбутньому.

Цей висновок базується на аналізі всього комплексу переваг і недо-

ліків концептуально різних підсистем паливоподачі (табл. 3.3). Саме спів-

відношення “переваги / недоліки” визначає техніко-економічну доцільність

застосування кожного типу підсистеми вприскування палива.

Важливо підкреслити, що кожна з підсистем паливоподачі є само-

1998

2000

2002

2004

Роки

500

1000

1500

2000

2500

Виробництво БВП,

тис .шт.

БВП

2 4

200

400

600

г/кВт×год

, бар

134

стійним технічним рішенням, яке має свою “технічну нішу” у різних сег-

ментах виробництва бензинових двигунів.

Таблиця 3.3 – Порівняльна оцінка різних схем вприскування [19]

Системи Параметри

оцінки

ЦВП РВП БВП

Складність

конструкції та

технології

невисока підвищена висока

Забезпечена пали-

вна економічність

двигуна порівня-

но з КПП)

поліпшення на

3–5 %

поліпшення на

5–15 %

поліпшення на

25–30 %

Можливість під-

вищення потуж-

нісних показників

двигуна (порівня-

но з КПП)

0–8 % 5–15 % 20–25 %

Спосіб сумішоут-

ворення, що реа-

лізується

зовнішнє

(гомогенні

суміші)

зовнішнє

(розшарований

заряд)

внутрішнє

(гомогенний і

розшарований

заряд)

Вартість підсис-

теми

невисока

$ (400–500)

середня

$ (700–800)

висока

$ (3000–6000)

Склад паливопо-

вітряної суміші

(a)

0,85–1,1 0,85–1,2 0,95–2,5

Інші особливості

Конструкція дви-

гуна без змін. Вза-

ємозаміни з КПП.

Більш надійна ро-

бота форсунок.

Розширення мож-

ливості форсу-

вання ДВЗ при ро-

боті з наддувом

Змінюється конс-

рукція впуску.

Ступінь тиску e

можна підвищити

на 0,5–1,5 порівня-

но з КПП. Добре

узгоджується з га-

зодинамічним та

газотурбінним над-

дувом

Потребує особли-

вих форм КЗ,

днища поршня,

впускних клапанів,

головки циліндрів.

Допускається під-

вищення e до 12

Розвиток РВП, як і ЦВП, у світовому автомобілебудуванні, в тому

числі в країнах СНД й України, ще тривалий час продовжуватиметься, в

першу чергу, в таких напрямках:

· організація керованого вихороутворення на впуску;

135

· поліпшення розпилювання палива за допомогою ультразвукових

пристроїв, використання стиснутого повітря та ін.;

· застосування локального підігріву паливоповітряної суміші для

поліпшення пускових якостей двигунів;

· використання різних видів наддуву у сполученні з охолодженням

наддувочного повітря;

· застосування адаптивних алгоритмів керування паливоподачею,

взаємопов’язаних з регулюванням запалювання, рециркуляції відпрацьова-

них газів на впуск, наддувом тощо.

При вивченні вище ЦВП підкреслювалося, що ця підсистема знайде

попит на двигунах автомобілів з літражем, меншим 1,7–2,0 л. Вона ціка-

вить розробітників Росії [4], України та інших країн (що розвиватимуться)

на першому етапі запровадження КПСК паливоподачею на вітчизняних

двигунах, виходячи, перш за все, з вимог простоти конструкції та обслуго-

вування, невисокої вартості, взаємозамінюваності БВП і КПП й т. ін.

Крім того, дослідження показують [20], що сама схема утворювання

паливо-повітряної схеми при ЦВП може бути радикальним чином змінена,

що й дозволить значно поліпшити якість сумішоутворення, повніше вико-

ристати потенціальні можливості та розширити сферу (“нішу”) застосу-

вання ЦВП.

Перейдемо до огляду патентів останнього часу, в яких пропонуються

нові підходи до вдосконалення КПСК бензиновими двигунами.

Значна частина патентів присвячена найважливішій проблемі керу-

вання паливоподачею у бензинових двигунах – забезпеченню різної струк-

тури горючої суміші залежно від навантажувального режиму. Йдеться про

так зване гомогенне згоряння, яке вкрай потрібне на повному навантаженні

двигуна, коли значні циклові подачі палива не сприяють гомогенізації. Те-

оретичне питання розглянуті, зокрема, фірмою Daimler Chrysler. У

2000 році представник цієї фірми повідомив про дослідження, де застосо-

вувалась форсунка з тридцятьма сопловими каналами. Показано, що при

найдрібнішому розпилюванні палива кількість створених NO

різко змен-

шувалось. Застосування таких форсунок у бензинових двигунах дозволяє

їм функціонувати зі спалахуванням від тиску без застосування пристроїв

запалювання. Іншим способом отримання високогомогенних сумішей є ор-

ганізація вихрового руху заряду в циліндрі відомими методами. Знаходять

136

також поширення пористі вставки в КЗ, виконані з керамічної піни або

дротяної канителі. Паливо, що вприскується, розподіляється за безліччю

пор, де створюється мікротурбулентність і виникають осередки спалахів

суміші. При цьому зони з високою температурою, де утворюється NO

, не

виникають. Вприскування палива може здійснюватись при зниженому ти-

ску. Серійне виробництво таких двигунів передбачено у 2008–2010 роках,

у тому числі на автомобілях Volkswagen та Daimler Chrysler з електронним

вприскуванням.

Ряд патентів цього напрямку продовжують пошук засобів як гомоге-

нізації суміші на великих навантаженнях бензинового двигуна, так і орга-

нізації роботи двигуна на неповних навантаженнях з збідненим розшаро-

ваним зарядом:

· патент США, 2000: Система регулювання моменту запалювання

для ДВЗ. В електронному блоці системи передбачено два запам’ятовуючих

пристрої: у першому зберігаються дані для регулювання випередження за-

палювання залежно від швидкісного й навантажувальних режимів зі збід-

неним зарядом, а у другому – аналогічні дані при роботі зі збагаченим за-

рядом. У період автоматичного за сигналом КПСК переключення ДВЗ від

збідненого заряду на збагачений і назад для регулювання випередження

запалювання використовуються дані обох запам’ятовуючих пристроїв (на-

приклад, шляхом їх інтерполяції) [8];

· патент Японії, 2001: Двигун з іскровим запалюванням й вприску-

ванням бензину в циліндри. Двигун призначений для роботи на двох ре-

жимах: на бідних паливоповітряних сумішах з розшаруванням заряду та на

стехіометрічній суміші з гомогенним зарядом. На першому режимі бензин

вприскується у циліндр на другій половині такту стискування, причому

струмінь з форсунки, яка розташована похило, потрапляє у заглиблення

днища поршня. На другому режимі бензин вприскується в циліндр у такті

впуску, причому струмінь форсунки може досягати протилежного боку

циліндра. Для кращого випаровування бензину, що потрапляє на стінку, та

забезпечення для цього підвищеної температури стінки оболонка охоло-

дження цієї зони відділена від інших оболонок і виконана меншою за роз-

мірами [9];

· патент Японії, 2000: Спосіб регулювання складу паливо-

повітряної суміші. Спосіб призначений для ДВЗ з вприскуванням (керова-

137

ним за сигналами КПСК) бензину через індивідуальні форсунки у канали

впускних клапанів. Для кожного переключення з багатої суміші на збіднілу

(й назад) відводиться певний термін, протягом якого одночасно змінюють-

ся в різних напрямках подач бензину й повітря. Так, при переході на бідну

суміш ступінчасто зменшується подача бензину при одночасному збіль-

шенні подачі повітря зміною положення дросельної заслінки. Вважається,

що збільшується швидкодія КПСК [10];

· патент США, 2001: Спосіб переводу двигуна на режим роботи з

розшаруванням заряду або з гомогенним сумішоутворенням. Спосіб при-

значений для багатоциліндрового ДВЗ з вприскуванням бензину у цилінд-

ри з електронним регулюванням. Плавний перехід ДВЗ з режиму розшару-

вання заряду на режим гомогенного сумішоутворення забезпечується тим-

часовим відключенням частини циліндрів й корекцією в інших циліндрах

складу паливоповітряної суміші та моменту випередження запалювання

[11];

· патент США, 2001: Електронна система керування надходженням

заряду в циліндри. У двигуні з іскровим запалюванням керування забезпе-

чують дросельна заслінка, пристрій для зміни фаз газорозподілу та при-

стрій для зміни прохідного перерізу на виході впускного колектора. Спіль-

на дія всіх трьох виконавчих пристроїв, що включаються за командами

КПСК, забезпечує підвищення швидкодії і точності керування порівняно зі

керуванням тільки дросельною заслінкою, дозволяє працювати зі створен-

ням гомогенної або розшарованої суміші [11].

Друкується інформація про інші патенти, які стосуються різних пи-

тань розвитку КПСК з електронним керуванням паливоподачі в бензино-

вих двигунах:

· патент США, 2001: Система керування двигуном і трансмісією

автомобіля. Електронний пристрій реагує на сигнали звичайної сукупності

датчиків ДВЗ й додатково – на сигнал датчика режиму роботи трансмісії

(включення різних передач або ще одного ведучого моста). Забезпечується

для кожного режиму трансмісії оптимальна форма регуляторної та корек-

торної гілок залежності крутного моменту ДВЗ від його швидкісного ре-

жиму [12];

· патент Японії, 2000: Система керування вприскуванням палива.

Електронна система типу Common Rail призначена для автомобільного

138

ДВЗ з вприскуванням бензину в циліндри. Вона має заглибний підкачува-

льний насос з фільтрами та регуляторами тиску; плунжерний насос висо-

кого тиску з автоматичними зворотними клапанами на вході й виході та

електромагнітним клапаном перепускання палива із насосної камери на

вхід насоса; напірну магістраль з підключеними до неї форсунками й дат-

чиком тиску; електронний блок, що реагує на сигнали датчика тиску в на-

пірній магістралі; датчики частоти n ДВЗ та положення кулачка приводу

плунжера насоса й керуючого роботою електромагнітного перепускного

клапана. Це й дозволяє регулювати тиск у напірній магістралі у залежності

від режиму роботи двигуна [13];

· патент США, 2002: Форсунка із завихрувальним пристроєм і пне-

вматичним розпилюванням. Форсунка призначена для бензинового ДВЗ. У

зоні сідла клапана розпилювача форсунки встановлено диск з рядом осьо-

вих і тангенціальних прорізів, які забезпечують вихровий турбулентний

рух струменя палива. Він потрапляє у вихідну камеру форсунки з перифе-

рійним подачею розпилювального повітря і далі до відкритих сопел, які

ведуть до впускної системи [14];

· патент Німеччини, 2001: Компенсація створення паливної плівки

у впускній системі. Плівка палива, що створюється на стінці впускного

трубопроводу і впускному клапані, змінює a, що негативно впливає на ро-

боту каталітичного нейтралізатора. Треба подавати додаткове паливо для

компенсації різниці між кількостями палива, що осідає та випаровується.

Електронне керування реалізує цю задачу зміною тривалості вприскування

палива у впускну систему [15].

Завершуючи огляд нових розробок та патентів, відзначимо, що ті, які

стосуються КПСК паливоподачею у бензинових двигунах, присвячені

трьом напрямам: вприскування, електронні схеми й засоби керування,

комплексність КПСК.

Бачимо, що увагу провідних моторобудівних фірм світу привертають

саме глобальні тенденції і відповідні проблеми розвитку паливних та запа-

лювальних підсистем перспективних двигунів. Тому бум комп’ютерного

керування ДВЗ ще далеко не уповільнився.

139

3.1.5. Датчики та виконавчі пристрої КПСК паливоподачею та

запалюванням у двигунах з іскровим запалюванням

Датчики та виконуючі пристрої відіграють вирішальну роль у забез-

печенні ефективної та стабільної роботи КПСК паливоподачею і запалю-

ванням горючої суміші. Якою б досконалою не була б мікроЕОМ, застосо-

вана в КПСК, отримати повноцінну віддачу від її величезних можливостей

можна лише у випадку найдостовірної ідентифікації достатньої кількості

параметрів, що однозначно визначають експлуатаційні режими й нестаціо-

нарні перехідні процеси двигуна.

Саме тому у КПСК потрібно використовувати найкращі первинні да-

тчики, які б ототожнювали весь комплекс процесів, що впливають на ефе-

ктивність і стабільність керування.

Основними функціональними вимогами до датчиків КСК ДВЗ є:

● точність;

● швидкодія;

● надійність (безвідмовність, ресурс, стабільність);

● технологічність;

● мінімальні габарити, маса, тощо.

Спеціальні вимоги до датчиків диктуються жорсткими умовами екс-

плуатації комп’ютерних засобів на працюючих двигунах. Тому датчики

повинні ще мати:

¡ тепло- й холодостійкість;

¡ вібро- та ударостійкість;

¡ перешкодостійкість;

¡ волого- й пилестійкість;

¡ корозійну стійкість (особливо до сольових розчинів).

Зазначені вимоги не охоплюють усього комплексу якостей датчиків,

потрібних для досягнення оптимальних законів керування.

Це стосується особливостей і місця обладнання цих первинних пере-

творювачів. Наприклад, датчик кисню звичайно встановлюють у кінці

приймальної труби глушника, де сходяться випускні патрубки груп цилін-

дрів, а не відразу на виході відпрацьованих газів з кожного циліндру. Це

сприяє усередненню концентрації кисню, однак датчик не відразу (з запіз-

ненням) реагує на зміни складу суміші та, з урахуванням часу спрацьову-

вання, склад паливо-повітряної суміші відхиляється від потрібного (стехі-