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.

230

ним отвором В. Тому тиск в ній знижується до величини, що складає ви-

значену частину тиску в акумуляторі. Тривалість імпульсу току обумовлює

тривалість підйому голки розпилювача, отже й кількість палива, яке впри-

скується при заданому тиску в акумуляторі. По закінченні часу збудження

імпульсу електромагніт обезточується, затвор пружиною повертається у

початкове (вихідне) положення, закриваючи отвір А. Тиск у порожнині над

штоком форсунки зростає до тиску в акумуляторі, й голка розпилювача за-

пирається. Інтервали за часом підйому та запирання залежать від розмірів

каліброваних отворів А і В.

На рис. 3.91 показана схема електронного блока БСІ керування впри-

скуванням типу Unijet. У цьому блоці містяться всі елементи КПСК (керу-

вання паливоподачею, діагностикою, допоміжними функціями, а також

джерелами живлення привода електрогідравлічних форсунок). Ці джерела

здатні забезпечити великі пікові струми (до 30 А) з високою швидкістю їх

підвищення, аби забезпечити швидке спрацьовування сервоклапанів елек-

трогідравлічних форсунок.

Для керування форсунками застосовують синхронізуючий процесор.

Рисунок 3.91 –

Структурна схема

електронного блока керування Unijet:

1 – роз’єднувачі з 55 контактами; 2 –

інтерфейс; 3 – формувачі імпульсів малої

потужності; 4 –

інтерфейсний блок

датчиків; 5 – конденсатор; 6 – формувачі

імпульсів великої потужності; 7 – силовий

блок; 8 –

блок енергопостачання;

9 – синхронізуючий процесор; 10 – блок

пам’яті; 11 – мікроконтролер

На рис. 3.92 показані типові карти тиску вприскування, отримані при

використанні підсистем Unijet й Bosch на одному й тому ж дизелі з безпо-

середнім вприскуванням фірми Fiat. При середніх частотах обертання ко-

лінчастого вала, що перевищуют 2000 хв

–1

, й повному навантаженні потрі-

бний тиск вприскування для підсистеми Unijet 130 МПа, який забезпечує

середній ефективний тиск більше 1,5 МПа. Двигун з КПСК фірми Bosch не

спроможний розвивати такий р

, бо обмежений тиском вприскування

90 МПа.

231

При малих n й N

max

підсистема Unijet видає оптимальні рівні тисків

(у два рази вищі рівнів традиційної підсистеми Bosch).

При малих n й N

max

підсистема Unijet також спроможна підтримува-

ти оптимальний тиск, що поряд з попереднім вприскуванням суттєво змен-

шує шум згоряння й знижує токсичність викидів.

Перехідними процесами не можна керувати на основі карт, що скла-

даються при усталених режимах. Це можна підтвердити на такому прикла-

ді. У дизеля з оптимізованими емісійними показниками за рахунок запіз-

неного вприскування на деяких неусталених режимах (при перехідних

процесах) може статися переохолодження камери згоряння, інерційне запі-

знення турбокомпресора й збільшення запізнення спалахування, що в

свою чергу може призвести до проблем з шумом (детонація) або пропус-

ками спалахів. У КПСК Unijet для керування перехідними процесами за-

стосовуються особливі алгоритми, які розробники називають перехідними

управляючими стратегіями. Це забезпечило точність потактового керуван-

ня характеристикою паливоподачі (g

й КВВ). В результаті стали кращими

шумові й екологічні показники дизеля.

Рисунок 3.92 – Карти тиску вприску з підсистемами Bosch (а) і

Unijet (б) на дизелі з безпосереднім вприском фірми Fiat – 1,9 л

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1000

2000

3000

4000

1000

2000

3000

4000

, МПа

n, хв

–

n, хв

–

150

200

250

300

350

400

500

600

700

800

900

1100

1200

1300

200

250

300

400

500

600

700

800

900

бар

232

Підсистема Unijet здатна здійснювати попереднє вприскування, яке є

ефективним засобом зниження шуму згоряння й покращення показників

дизеля. Таке вприскування (по суті зміна характеристики паливоподачі)

вдвічі знизило пік швидкості тепловиділення (рис. 3.93) й дещо знизило

тиск згоряння. Це пояснюється впливом попереднього вприскування на

меншу затримку спалахування основної дози палива й більш раннім поча-

тком його згоряння [25].

Показано, що попереднє вприскування значно ефективніше поліпшує

екологічні показники дизеля, ніж зниження тиску вприскування.

Фірма Bosch створила промислову (серійну) акумуляторну КПСК на

базі підсистеми Unijet з використанням власних мікропроцесорних елемен-

тів, датчиків й промислової апаратури. Маються лише деякі відміни в не-

суттєвих питаннях. Наприклад, регулятор тиску розміщено на акумуляторі

високого тиску, а не на паливному насосі, як в підсистемі Unijet.

Рисунок 3.93

– Характе

ристика

тепловиділення з попереднім

вприскуванням при

26 град. П.К.В. до ВМТ

(j = 0):

1 – без попереднього вприскування;

2 – з попереднім вприскуванням

До розробки подібних підсистем паливоподачі приступили й інші фі-

рми, зокрема фірма Lucas, яка також створює свою акумуляторну підсис-

тему. Контракти на неї укладені з фірмами Ford і Renault. Продукція фірми

вийде на ринок, починаючи з XXI сторіччя.

Японська фірма Isuzi розробила нову акумуляторну підсистему пали-

воподачі типу Common Rail для автомобіля Wizard.

Фірма Simens для своєї Common Rail System II з максимальним тис-

ком 160 МПа розробила конструкцію форсунки з п’єзоелектричним пере-

творювачем. Характерною рисою її є гранично швидке безпосереднє керу-

вання голкою розпилювача форсунки за допомогою такого перетворювача

[25]. П’єзоелементи можуть працювати в інтервалі температур (–40) –

(+150) °С. Для роботи п’єзомодуля не потрібна висока напруга. Швидко-

-30 0

, град.П.К.В.

, %

233

дія складає 30 мкс, що у декілька разів перевищує швидкодію електромаг-

нітного клапана. Стійкість п’єзомодуля доведена до 10

циклів наванта-

ження, що не буде лімітувати надійність форсунок. Форсунки з

п’єзоелектричними перетворювачами у порівнянні з електромагнітними

клапанами за інших рівних умов характеризуються можливістю зниження

мінімальних циклових подач для попереднього вприскування у 2-3 рази, а

мінімальних основних подач в 2 рази при тиску в акумуляторі до 120 МПа.

Фірма МТИ також віддала перевагу акумуляторній системі вприску-

вання для швидкохідних дизелів.

Підсистема Common Rail встановлюється й на автомобілі фірми Alfa

Romeo.

Сказане наводить на таку думку: напрямок щодо акумуляторних

КПСК паливоподачею у зв’язку з великими її перевагами стане визначаль-

ним у проблемі удосконалення дизелів на найближчу та віддалену перспе-

ктиву. Саме в ній містяться великі можливості вирішення екологічних й

економічних проблем дизельних двигунів.

Робиться наголос в колах фахівців, що вихід акумуляторних підсис-

тем типу Unijet на ринок викликає переворот у дизелебудуванні, який мо-

жна зіставити з запровадженням електронного вприскування у бензинових

ДВЗ.

Інтеграція України (як і Росії, Білорусії та інш.) в світову економічну

спільноту ставить перед вітчизняним двигунобудуванням задачу виконан-

ня вимог європейських й світових стандартів, яку спрямовано на мінімаль-

не забруднення навколишнього середовища й безпеку для життя й здо-

ров’я людства. Вимоги вітчизняних державних стандартів все в більшій

мірі наближаються до вимог світових стандартів, залишаючи автомобіле-

тракторобудівникам все менше часу на запобігання відставання вітчизня-

ної техніки. Відомі спроби вирішення цієї проблеми за рахунок купівлі лі-

цензій й освоєння ліцензійної моторної техніки. Але цей шлях закріплює

відставання тому, що фінансові ресурси витрачатимуться тільки на зарубі-

жні цілі. В цих умовах розробка й освоєння виробництва вітчизняної аку-

муляторної підсистеми являє унікальну можливість подолати відставання

вітчизняного двигунобудування від зарубіжного рівня.

234

3.2.5. Датчики та виконуючі пристрої КПСК паливоподачею

При розробках сучасних програмно-адаптивних КПСК паливопода-

чею в дизелях головною проблемою є створення простих, надійних датчи-

ків з майже гранично високою швидкодією (меншою ніж 0,2 мс), а також

виконавчих пристроїв, здатних переборювати значні труднощі, наприклад,

обумовлені значним пересувним зусиллям в паливозапірних вузлах, що

функціонують при надвисоких тисках (200 МПа й більше).

Пов’язано це з тим, що як і в бензинових ДВЗ, саме датчики та ви-

конавчі пристрої відіграють вирішальну роль у забезпеченні стабільної та

ефективної роботи КПСК паливоподачею в дизелях.

Слід відзначити, що такі конструкції дуже різноманітні у зв’язку з

великою кількістю типів КПСК.

Але розроблено обов’язковий (базовий) набір датчиків, які формують

прямі керуючі командні імпульси, в тому числі датчики:

w частоти обертання колінчастого вала (n);

w тиску наддуву й температури наддувного повітря (p

, t

);

w положення рейки ПНВТ (h);

w моменту початку вприскування (q);

w тиску в магістралі високого тиску – в каналі розпилювача форсу-

нки р

;

w для дизель-генераторів використовують також датчик наванта-

ження: відсліжується накид-скидання навантаження (N

) та інш.

На відміну від двигунів бензинових до складу КПСК паливоподачею

дизелів не включаються датчики витрати палива, тому що мікроЕОП одно-

значно відстежує відзначену витрату за сигналами датчиків h і q.

В КПСК означений набір датчиків більш-менш доповнюється для

формування зворотних зв’язків каналів адаптації для пристосування про-

цесів у дизелях до змін умов експлуатації, навколишнього середовища та

інш. Мова йде про датчики: режимних параметрів, положення педалі керу-

вання й швидкості транспортного засобу; тиску і температури в системах

охолодження, мастильної; тиску і температури навколишнього середови-

ща; температури палива; зупинки двигуна; циркуляції охолоджувальної рі-

дини і мастила; токсичних компонентів у випускних газах тощо.

В цьому розділі не торкаючись додаткових функцій КПСК паливо-

подачею, розглянемо базовий набір датчиків. Інші датчики розглядати-

235

муться разом з блоками локального керування токсичністю, кліматичною

адаптацією, надійністю і т.д.

Датчики частоти обертання колінчастого вала, тиску і темпера-

тури повітря для наддуву. За принципами дії, конструктивним оформлен-

ням й метрологією як в дизелях, так і в бензинових ДВЗ використовуються

однакові датчики n, t

, p

. Вони описані вище.

Датчики тиску в магістралі високого тиску. Для вимірювань тиску

у паливному тракті (до 200 МПа і більше) можна використати тензометри-

чні, п’єзометричні та ємкісні первинні перетворювачі.

П’єзоелектричні перетворювачі володіють високими динамічними

якостями й стабільністю показань. Однак їх використання супроводжуєть-

ся витіком електричного заряду, що унеможливлює застосування таких

датчиків у КПСК.

Ємкісні датчики також мають високі динамічні характеристики й

чутливість, але їхні показання у значній мірі залежать від впливу навколи-

шнього середовища, усунення якого ускладнює схему КПСК.

Тензометричні датчики не мають відзначених недоліків й прості за

конструкцією (рис. 3.94, а).

Рисунок 3.94 – Паливні датчики високого тиску:

а – тензометричний датчик повногабаритний: 1 – корпус; 2 – робоча порожни

на;

3 – робочий тензометр; 4 – компенсаційний тензометр; 5 – електронний рознім;

6 – витискувач; 7 – стінка;

б – тензометричний датчик малогабаритний: 1 – корпус; 2 – робоча порожни

на;

3 – робочий тензометр; 4 – компенсаційний тензометр; 5 – кожух; 6 –

ізолятор із

епоксидної смоли; 7 – трубчастий елемент

236

Плоскі мембрани (чутливі елементи), діаметром біля 10 мм, товщи-

ною 1-3,5 мм виконані як одне ціле з корпусом датчика; на них наклеєні

дротові перетворювачі. Характеристика датчика лінійна. Діаметр внутріш-

нього каналу 2-5 мм.

Для виключення впливів на вимір тиску корпус, витискувач і штуцер

мають достатню масу. Остаточно розміри пружного елемента визначають-

ся експериментально, при цьому механічна напруга у стінці під діянням

тиску палива повинна бути не більше, ніж межа пружності матеріалу.

Подібні датчики високого тиску звичайно встановлюються у нагніта-

льному трубопроводі ПНВТ.

При використанні насос-форсунок крупногабаритні тензодатчики не

підходять; їх замінюють малогабаритними, які можна встановлювати у на-

гнітальній порожнині насос-форсунки (рис. 3.95).

Пружний трубчастий елемент 7 виконаний разом з корпусом. Для лі-

квідації впливу вібрацій у ньому на сигнал датчика товстостінний запобі-

жний кожух 5 створює з корпусом 1 моноліт, оскільки порожнина 6 залита

епоксидною смолою. Подібні датчики монтуються в спеціальних отворах

стінки насос-форсунки.

Датчики переміщення рейки ПНВТ. Для запису великих переміщень

рейки паливного насоса високого тиску використовуються індуктивні дат-

чики. На рис. 3.95 показаний варіант одного з таких датчиків, який працює

за принципом розмагнічування магнітного потоку котушки за рахунок ма-

гнітного поля вихревих струмів, що ініціюються у рухомому мідному тру-

бчастому осерді 1. Деталі 2, 3, 7-10 виготовляються із сталі й створюють

замкнуту систему магнітопроводу.

Такий датчик має лінійну характеристику у межах приблизно до

90 % довжини котушки.

На рис.3.96 інший варіант такого датчика. Він складається із магніт-

но-м’якого сталевого ламінованого осердя з двома зовнішніми (відкрити-

ми) кінцями. Котушки вимірювальна та контрольна закріплені біля цих кі-

нців осердя.

У датчику фірми Bosch використовуються індукційні котушки.

Принцип дії датчика пояснюється рис. 3.96.

237

Рисунок 3.95

238

обмоток 3, 5, що досягається переміщенням котушки 4 разом з корпусом 9

у штуцері 1, після чого корпус фіксують болтом 8. Недоліки датчика цього

типу: не дуже висока точність реєстрації кута q через те, що початок впри-

скування палива відстає від моменту відриву голки від сідла, а також по-

треба установки у форсунці спеціальної подовженої штанги.

Суттєво більш якісний сигнал про момент початку вприскування

можна отримати на основі вимірювання тиску палива перед розпилюваль-

ними отворами форсунки. Відповідний

датчик показаний на рис. 3.98. Для під-

вищення його чутливості перед наклею-

ванням робочого тензометра 3 обточу-

ють сопловий наконечник 1 розпилюва-

ча. Компенсаційний тензометр 2 накле-

юють на корпус форсунки. Суттєвий

недолік цього датчика – можливий пе-

регрів і, як результат, - низька надій-

ність.

Перспективними є прості датчики

q, дія яких пов’язана з переміщенням

голки форсунки, коли сигналом для вві-

мкнення електричної схеми вимірюван-

ня служить початок підйому голки фор-

Рисунок 3.97 – Індуктив

ний датчик

ходу голки форсунки:

1 – штуцер; 2 – фторопластова шайба;

3, 5 – обмотки; 4 – котушка; 6 –

проводи;

7 – сталеве осердя; 8 – болт; 9 –-

корпус;

10 – латунний шток

Рисунок 3.98 – Схема устано

вки

тензометрів у розпилювачі

фо

рсунки для вимірювання

тиску палива у підгол

ковій

порожнині форсунки

239

сунки. Він і призводить до розмикання контактів переривача, пов’язаних з

індукційною котушкою.

Цікавим є варіант такого датчика, у якого в момент початку вприску-

вання палива магнітна опора пружини форсунки переміщується відносно

магнітного чутливого елемента. При цьому генерується сигнал, який під-

водиться до вузла електронного керування.

Значні перспективи мають оптичні датчики початку вприскування,

що використовуються окремими фірмами (Toyota та інш.).

Датчики навантаження. Подібне вимірювання базується на реєст-

рації крутного моменту М

дизеля, що й дозволяє, знаючи М

й частоту

обертання

n колінчастого вала (за показаннями відповідного датчика,

обов’язкового для КСК ДВЗ), отримувати ефективну потужність дизеля

(навантаження) за формулою:

(3.1)

де k – коефіцієнт.

У КСК ДВЗ використовуються два типи датчиків:

● такі, що базуються на вимірюванні М

за кутом закручування по-

єднувального вала дизеля й гальмуючого пристрою за допомогою тензоме-

трії;

● такі, що використовують фазоімпульсний метод для вимірювання

кута закручування позначеного вала.

Розглянемо ці типи первинних перетворювачів.

Тензометричне вимірювання М

за кутом закрутки поєднувального

вала базується на відомій формулі:

=g , (3.2)

де l – довжина ділянки вала, для якої визначається кут закручування

g; G – модуль зрушення матеріалу вала; J – полярний момент інерції по-

перечного перерізу вала.

Тензометри для вимірювання g наклеюються на поверхню скручено-

го валу під кутом 45° до його осі (відповідно до напрямку деформації по-

верхневого шару вала).