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.

Глава 1. КОМП’ЮТЕРИЗАЦІЯ КЕРУВАННЯ – ГЛОБАЛЬНИЙ

ШЛЯХ ЗАПРОВАДЖЕННЯ ВИСОКИХ ТЕХНОЛОГІЙ У

ДВИГУНОБУДУВАННЯ

Загально відомо, що саме на двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ)

припадає понад 80 % установленої потужності світових енергетичних

установок [1]. Тому ДВЗ складають енергетичний фундамент автотранспо-

рту, сільського господарства, будівництва, тепловозної тяги, судноплавст-

ва, військових засобів, тобто цілком забезпечують потреби найважливіших

галузей народного господарства всіх країн.

Подальше вдосконалення ДВЗ дає і даватиме величезний техніко-

економічний ефект, пов’язаний із запровадженням високих комп’ютерних

технологій у моторобудування, перш за все, в керування двигунами.

Практика переконливо свідчить, що високі експлуатаційні якості си-

лових установок з ДВЗ суттєво залежать не лише від досконалості конс-

трукцій власне двигунів, але і від якості їх систем керування. Це обумов-

лено головною особливістю ДВЗ – їх використанням у широкому спектрі

експлуатаційних режимів при безперервних змінах останніх, коли двигуни

працюють на неусталених режимах перехідних процесів скидання-накиду

навантаження. Зазначені процеси займають до половини та й більше річно-

го напрацювання, наприклад, чи не наймасовіших автотранспортних дви-

гунів; при цьому параметри робочого процесу швидко змінюються, що

значно ускладнює ефективне керування ДВЗ. Тобто керування не має бути

пов’язане з фіксованим усталеним, наприклад номінальним, режимом ро-

боти двигуна. Вкрай необхідною є безперервна адаптація робочого проце-

су двигуна до нестаціонарної моделі його експлуатації відповідно до зміни

її умов.

Тому поряд з підвищенням жорсткості вимог до конструкцій ДВЗ

неухильно підвищувалися й підвищуватимуться вимоги до систем керу-

вання ними.

У цьому плані слід виділити глобальний напрямок розвитку двигу-

нобудування – створення та впровадження високих технологій у вигляді

комп’ютерних систем керування процесами ДВЗ (КСК ДВЗ) з метою за-

безпечення найкращої експлуатаційної паливної та мастильної економіч-

ності двигунів за допустимих рівнів токсичності викидів, надійності, шу-

му, вібрацій та інших обмежень.

Пріоритет віддається комплексним КСК ДВЗ усіх типів і призначень,

оскільки ефективність одночасного керування кількома процесами зале-

жить від глибини взаємозв’язку характеристик останніх за глобальним

критерієм кінцевого результату.

1.1. Суттєві переваги електронного керування двигунами

Комп’ютеризація керування двигунами постійно розширюється, що

обумовлено принциповими і суттєвими перевагами КСК ДВЗ порівняно з

регулюванням на механічній основі.

Принциповими є функціональні позитивні якості КСК ДВЗ, які грун-

туються на електронній природі. Так, у мікропроцесорних систем швидкі-

ша реакція на зміни поциклових параметрів робочих процесів двигунів і

значно вища швидкодія формулювання й передачі командних сигналів при

їх реалізації виконавчими механізмами.

По-друге, саме такі системи здатні забезпечувати багатофакторне ке-

рування. Стосовно двигунів, це дає можливість комплексної оптимізації

керування при використанні поточної вхідної інформації по спектру пер-

винних параметрів, а не тільки щодо одного впливаючого фактора, напри-

клад, частоти обертання колінчастого вала при однорежимному механіч-

ному регуляторі. До такого спектра параметрів можуть входити: тиск над-

дуву, циклова витрата палива, кут запізнення вприску (запалювання), ком-

поненти токсидів у відпрацьованих газах, температури й напруження в де-

талях, зазори у з’єднаннях та багато іншого (до ста й більше вхідних фак-

торів).

Нарешті, за допомогою КСК завжди простіше й ефективніше можуть

вирішуватися складні проблеми, викликані необхідністю безперервної

адаптації процесів у ДВЗ до нестаціонарної зміни експлуатаційних режи-

мів двигунів, тобто до умов реалізації їх моделей при хаотичних змінах та-

ких режимів. Пояснюється це тим, що власні динамічні характеристики мі-

кропроцесорного каналу адаптації відповідають найжорсткішим нестаціо-

нарним динамічним параметрам процесів у двигунах, що адаптуватимуть-

ся, в умовах зовнішніх впливів на силову установку.

Сказане й обумовлює численні суттєві переваги застосування КСК

для ДВЗ, що підтверджується їх практичним використанням на більшості

двигунів провідних фірм світу, в тому числі в Україні.

Виділимо головні переваги комп’ютерних систем керування двигу-

нами:

· реалізація найскладніших законів керування складом робочої (го-

рючої) суміші при роботі двигуна на будь-якій експлуатаційній характери-

стиці за рахунок оптимального узгодження на кожному режимі, в кожному

перехідному процесі надходження палива й повітря до циліндрів;

· суттєве поліпшення розподілу робочої (горючої) суміші поміж

робочими циліндрами двигуна;

· можливість автоматизації змін практично всіх регулювальних па-

раметрів на працюючому двигуні, перш за все, – кута випередження впри-

скування, фаз газорозподілу, рівня рециркуляції відпрацьованих газів, ха-

рактеристик систем охолодження й мастильної тощо;

· можливість керування перехідними процесами двигуна, перш за

все, їх тривалістю, закидами характеристик двигуна на останній фазі наки-

ду навантаження;

· можливість автоматизації допоміжних функцій керування; йдеть-

ся про керування двигунами з перехідними структурами (включення, на-

приклад, форсажної камери на режимах перевантаження або відключення

частини робочих циліндрів на недовантажених режимах роботи двигуна);

· можливість вбудування КСК ДВЗ до складу КСК СУ (силової

установки), що забезпечує узгодження керування двигуном й силовим аг-

регатом; це сприяє оптимізації, наприклад, навантаження двигуна у залеж-

но від умов експлуатації та специфіки систем саме силової установки;

· можливість вбудування діагностичного блока у КСК ДВЗ, що за-

безпечує автоматизацію профілактичних дій з попередження відмов дви-

гуна під час експлуатації, тобто сприяє підтриманню заданого рівня його

надійності.

Інші переваги КСК ДВЗ розглянуто нижче у тих розділах де висвіт-

люються конкретні функції таких систем керування.

Вище сказане дозволяє зробити висновок, що КСК ДВЗ забезпечу-

ють оптимізацію робочого процесу двигунів на всіх режимах (усталених,

неусталених) їх роботи. За рахунок цього реально можна суттєво знизити

експлуатаційні витрати палива й викиди шкідливих речовин з відпрацьо-

ваними газами, шумність, а також поліпшити пускові якості, динамічність і

надійність транспортних та інших засобів.

Способи оптимізації зазначених найголовніших показників технічно-

го рівня, а отже, конкурентоспроможності двигунів, як правило, супереч-

ливі, про що мова йдеться нижче. Однак зауважимо, що тільки найвищі

чутливість і швидкодія електронного (мікропроцесорного) керування до-

зволяють розв’язати подібні протиріччя й досягти не компромісних, а дій-

сно оптимальних експлуатаційних показників ДВЗ.

По суті це означає, що тільки КСК ДВЗ дозволяють реально оптимі-

зувати керування двигуном за заданою комплексною цільовою функцією,

наприклад, за середньо-експлуатаційніою витратою палива або за еколого-

економічним критерієм [2] при забезпеченні потрібної надійності та інших

важливих обмежень.

Сказане й дозволило наголосити вище, що комп’ютеризація керу-

вання ДВЗ потребує особливої уваги на тільки як висока технологія, але,

перш за все, як найефективніший засіб підвищення якості й конкурентосп-

роможності енергетичних установок з двигунами порівняно з іншими.

1.2. Напрямки розвитку електронного керування двигунами

Останні десятиріччя характеризуються швидким інтенсивним впро-

вадженням електронної техніки у засоби керування ДВЗ.

Масове впровадження перших модифікацій почалося з 60-х років

минулого сторіччя. На початковому етапі мали поширення безконтактні

транзисторні системи запалювання і системи вприскування палива з елект-

ронним керуванням у двигунах на легкому паливі (з іскровим запалюван-

ням), що були розроблені на основі аналогової техніки.

З середини 70-х років ХХ ст. аналогова техніка почала швидко замі-

нюватися цифровою, мікропроцесорні системи керування дістали пріори-

тетного розвитку.

Впровадження електроніки в керування двигунами визначалося не-

обхідністю підвищення паливної економічності, у першу чергу, автомобі-

льних ДВЗ, в умовах постійного зростання вимог до двигунів щодо змен-

шення викидів токсичних речовин.

Основні переваги КСК ДВЗ першого покоління полягали у можливо-

сті реалізації більш точних і складних законів керування випередженням

запалювання та складом суміші з урахуванням додаткових контрольованих

параметрів, а також у запобіганні обраних регулювань під час експлуатації.

Електронні системи запалювання мали підвищену надійність й до-

зволяли поліпшити енергетичні показники свічки запалювання. При цьому

за рахунок керування часом накопичення енергії у первинній обмотці ко-

тушки запалювання забезпечувалася постійність високої напруги незалеж-

но від частоти обертів колінчастого вала й напруги акумулятора. Оптимі-

зація енергетичних характеристик та регулювань системи запалювання до-

зволило підвищити паливну економічність двигуна на режимах міського

їздового циклу на 2...4 %.

Системи вприскування бензину з електронним керуванням забезпе-

чували поліпшення розподілу суміші по циліндрах та більш точне дозу-

вання палива за робочими циклами, особливо при перехідних процесах.

Усе це, разом з відключенням паливоподачі на режимах примусового хо-

лостого ходу, зменшувало викиди токсичних речовин майже на 50 % й ви-

трати палива на 10 %. У 1984 році з 19 бензинових двигунів, що випуска-

лися концерном GM, дев’ять було оснащено засобами електронного керу-

вання вприскуванням палива, причому вприскування застосовувалося, по-

чинаючи з чотирициліндрових двигунів літражем 1,8 л до двигунів літра-

жем 6 л. Фірма Ford вприскуванням оснащувала 7 моделей автомобілів з 13

з літражами від 1,6 до 5,0 л [3]. Отже майже всі базові моделі мали моди-

фікації з вприскуванням палива.

Наступний етап розвитку електронного керування двигунами (до

1985 року) – це перехід на мікропроцесорні системи керування – КСК ДВЗ.

У цих системах закони регулювання зберігаються у пам’яті системи

керування комп’ютера у вигляді одно-, дво- та тривимірних матриць виб-

раних значень регулювань для ряду дискретних рівнів (2, 8, 16 і більше)

навантаження, частоти обертів колінчастого вала, температури охолоджу-

вальної рідини тощо і реалізуються за сигналами відповідних датчиків.

Для проміжних значень вхідних змінних рівні регулювань знаходяться ін-

терполяцією. Такі “програмні” системи дозволяють задіяти більш складні

закони керування двигуном, хоча і за жорстким дотриманням заданої про-

грами керування. Зрозуміло, що у такому разі неможливе реагування дви-

гуна на відхилення експлуатаційних режимів від постійної програми керу-

вання. Цей недолік знижує ефект комп’ютерного керування, наприклад,

щодо паливної економічності або токсичності викидів. Все ж таки спільне

оптимальне керування кутом випередження запалювання й паливоподачею

за допомогою програмних систем забезпечує підвищення паливної еконо-

мічності на 10...12 %

На цьому завершимо огляд розвитку систем локального керування

ДВЗ, перш за все – паливоподачею у них , або повітропостачанням.

Розробка цифрових систем керування, що використовують як вхідні

сигнали відповідних датчиків, створила економіко-технічні передумови

для поєднання цих систем у єдину комплексну КСК ДВЗ. Особливо швид-

кий розвиток комплексні КСК ДВЗ отримали в США і Японії.

Таким чином, створенням комплексних КСК відзначився наступний

етап розробок комп’ютерних систем керування ДВЗ, який почався у 80-х

роках минулого сторіччя і триває до цього часу. Потрібні будуть ще 5 – 10

років, аби у конструкціях комплексних КСК ДВЗ були реалізовані всі на-

мічені резерви вдосконалення.

Перші комплексні КСК ДВЗ здійснювали керування паливоподачею

й кутом випередження запалювання при програмному підході та викорис-

танні всього 5 – 7 датчиків. Однак вже й такі системи дозволяли реалізува-

ти достатньо складні закони керування двигуном. Економія палива при

цьому забезпечувалася як за рахунок складного регулювання подачі палива

й випередження запалювання залежно від навантаження, частоти обертан-

ня колінчастого вала й збереження цих регулювань в експлуатації, так і в

результаті корекції керування з урахуванням теплового стану двигуна,

особливостей режиму роботи і зміни зовнішніх умов.

На рис.1.1 зіставлено кути випередження запалювання на межі дето-

нації з оптимальними кутами випередження на недетонуючому паливі: 1 –

при роботі двигуна по зовнішній характеристиці; 2 – з регулюваннями, що

реалізуються у КСК ДВЗ типу Motronic; 3 – з полем регулювань при меха-

нічному автоматі випередження запалювання [3]. З рис.1.1 бачимо, що

електронні системи керування ДВЗ дозволяють суттєво наблизити кути

випередження запалювання до гранично допустимих за умов детонації й

поліпшити потужнісні та економічні показники двигуна.

До введення законодавчого нормування токсичності відпрацьованих

газів основна оптимізаційна задача при виборі регулювань систем двигуна

формулювалася як пошук законів керування, що забезпечують найкращу

паливну економічність на часткових режимах (навантаженнях) і максимум

крутного моменту при повному відкритті дросельної заслінки. Як додатко-

ві обмеження приймалися вилучення детонації на детонаційно-

небезпечних режимах та забезпечення необхідних їздових якостей автомо-

біля (силової установки).

Після того, як було введено нормування токсичності відпрацьованих

газів і випробувальні їздові цикли для оцінок токсичних та економічних

показників, постановка оптимізаційної задачі змінилася. Такі фірми, як

General Motors, Ford і Bosсh, при пошуку законів керування для програм-

них КСК визначають регулювання на режимах їздового циклу, виходячи з

забезпечення максимально можливої економічності двигуна за умови ви-

конання норм на токсичні викиди за сумою режимів їздового циклу. Регу-

лювання понад режими їздового циклу вибиралися, на основі попередніх

Рисунок 1.1 – Кути випередження по зовнішній швидкісній

характеристиці у звичайній системі та в КСК ДВЗ типу

Motronic

0 1000 2000 3000 4000 5000 n, хв

Межа детонації

Кут випередження

запалювання

передумов. Такий підхід приводить до складних законів керування, точна

реалізація яких можлива лише при використанні електронних систем керу-

вання. На рис. 1.2 як приклад наведено тривимірну матрицю оптимального

кута випередження запалювання залежно від навантаження й частоти обе-

ртання, яку реалізовано у системі Motronic [3].

Аналіз показує, що на режимах їздового циклу кут випередження за-

палювання зменшується з метою зниження викидів С

та NO

(токсичні

компоненти відпрацьованих газів), а на режимах поза їздового циклу, де

немає обмежень щодо токсичності викидів, кут випередження запалюван-

ня збільшується для отримання найкращої паливної економічності. Такий

вибір регулювань дійсно повинен забезпечити найкращу паливну еконо-

мічність двигуна під час експлуатації за умови виконання контрольних

норм на токсичні викиди. Однак при використанні їздових циклів, що міс-

тять обмежену кількість режимів під час випробувань двигунів, такий під-

хід до регулювання в умовах експлуатації може не забезпечити зниження

токсичних викидів, пропорційного зростанню “жорсткості” законодавчих

обмежень щодо токсичності відпрацьованих газів автомобільних двигунів.

Оскільки метод нормування токсичності відпрацьованих газів з ви-

користанням їздових циклів побудований на “гладких” законах керування

системами двигуна за навантажувальними і швидкісними характеристика-

ми, використання мікропроцесорних засобів для реалізації складних зако-

нів керування дозволяє певною мірою формально дотриматись норм ток-

сичності при збереженні високої паливної економічності автомобіля. Та-

кий підхід до вибору регулювань з позицій фактичного зменшення токсич-

них викидів є досить ефективним, особливо у поєднанні з оснащенням ав-

томобілів системами нейтралізації відпрацьованих газів та збільшенням кі-

лькості навантажувальних і шкідливих режимів, що входять до їздового

циклу. З цим, можливо, пов’язаний перехід ФРН та інших країн на норму-

вання токсичності автомобілів за американським їздовим циклом. Додат-

кове зменшення витрат палива й кількості токсидів забезпечується при ви-

користанні КСК ДВЗ для поліпшення керування пуском, прогрівом двигу-

на, а також при управлінні останнім при підключенні паливоподачі на ре-

жимах примусового холостого ходу тощо.

Впровадження електроніки в системи керування дизелями почалося значно

пізніше, ніж у бензинових двигунах, але швидко розвивається останнім ча-

сом. Досягнуто суттєвих результатів, підтверджених масовою практикою,

щодо більш точного підтримання частоти обертання колінчастого вала,

перш за все на часткових режимах і на холостих ходах, підвищення уста-

леності роботи й паливної економічності, в тому числі під час перехідних

процесів, зниження токсичності й димності викидів, поліпшення пуску.

Розвиток комплексних КСК ДВЗ йде сьогодні за кількома напрямка-

ми.

Перший напрямок – суттєве (у десятки разів) збільшення кількості

змінних, що контролюються, а також підвищення точності їх вимірювань.

Саме це дозволяє наблизити регулювання двигунів до оптимального з ура-

Рисунок 1.2 – Графічне зображення тримірної матриці випередження

запалювання КСК ДВЗ типу Motronic

Кут випередження

запал

вання

Навантаження

Частота обертання

хуванням специфіки експлуатаційних режимів та зовнішніх умов.

Збільшення кількості контрольованих змінних пов’язане з розробка-

ми нових (на нових фізичних ефектах) і вдосконаленням існуючих датчи-

ків для їх вимірювань. Провідні фірми Німеччини, США, Японії, Франції,

Італії, Росії ведуть активні роботи у цьому напрямку. Ними розроблено

оригінальні методи вимірювань концентрації О

у відпрацьованих газах,

масової витрати повітря, величезної швидкості обертання сучасних турбо-

компресорів, переміщень виконавчих механізмів керування паливоподачі й

повітряпостачанням тощо. Однак проблема створення принципово нових

датчиків залишається гострою.

Мова йде про датчики змінних і локальних зазорів у з’єднаннях ДВЗ,

експлуатаційних характеристик токсидів у відпрацьованих газах, характе-

ристик детонації, нестаціонарних параметрів робочого тіла у циліндрах та

системах двигунів тощо.

Разом з цим збільшення кількості датчиків підвищує вартість КСК

ДВЗ і, головне знижує їх надійність. Крім того, корекційна адаптація керу-

вання до багатьох зовнішніх впливів потребує (з урахуванням значної кі-

лькості змінних) підвищення швидкодії мікропроцесора та збільшення

пам’яті, у якій зберігаються закони керування. Тому використання бага-

тьох (сотні й більше) датчиків для підвищеної точності керування двигу-

ном є чи не найголовнішим недоліком сучасних КСК ДВЗ.

Другий напрямок – розробка адаптивних, з зворотними зв’язками,

КСК ДВЗ за вихідними показниками.

До таких КСК, що є значно поширеними, належать системи з блока-

ми керування (КБК) стабілізацією стехіометричного складу суміші за сиг-

налами датчиків концентрації кисню у відпрацьованих газах, що й забезпе-

чує ефективну роботу каталітичних нейтралізаторів потрібної дії (триком-

понентних нейтралізаторів NO

, CO, C

послідовно).

До подібних КСК з адаптуючими каналами відносять також КБК об-

меження випередження запалювання за початком детонації. У таких сис-

темах за рахунок використання спеціальних датчиків і логічних операцій

вдається забезпечувати адаптацію керування двигуном до іншого ряду

умов, що змінюються. Йде інтенсивний пошук інших параметрів, які мож-

на використати як командні сигнали зворотних зв’язків. Ведеться розробка

конструкцій відповідних датчиків та виконуючих механізмів, які, зокрема,