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

260

9. Реферативный журнал «Двигатели внутреннего сгорания», –

М.: ВИНИТИ, 2001, №7.

10. Реферативный журнал «Двигатели внутреннего сгорания», –

М.: ВИНИТИ, 2001, №2.

11. Реферативный журнал «Двигатели внутреннего сгорания», –

М.: ВИНИТИ, 2001, №4.

12. Реферативный журнал «Двигатели внутреннего сгорания», –

М.: ВИНИТИ, 2002, №8.

13. Реферативный журнал «Двигатели внутреннего сгорания», –

М.: ВИНИТИ, 2002, №2.

14. Реферативный журнал «Двигатели внутреннего сгорания», –

М.: ВИНИТИ, 2002, №4.

15. Реферативный журнал «Двигатели внутреннего сгорания», –

М.: ВИНИТИ, 2001, №11.

16. Autoelectrik, Autoelectronic am Ottomotor/Bosch. – 2. Ausg. –

Düsseldorf: VDI – Verlag, 1994. – 380s.

17. Спинов А.Р. Системы впрыска бензиновых двигателей. – М.:

Машиностроение, 1995. – 112с.

18. Автомобильная промышленность, 1996. – №9.

19. Драгомиров С.Г. Современные системы топливоподачи авто-

мобильных бензиновых двигателей. – С. – П.: Двигателестроение, 1999. –

№4.

20. Драгомиров С.Г. и др. Системы впрыска бензина с пленочно-

вихревым смесеобразованием/ Совершенствование мощностных, эконо-

мических, экологических показателей ДВС // Материалы VII международ-

ного научно-практического семинара. – Владимир: 1999. – С.20–23.

21. O. Probst. Bosch Fuel Injection and Menegement. – Massachussetts.

1991.

22. Н.А. Иващенко, Л.В. Грехов и др. Дизельные топливные систе-

мы с электронным управлением: Уч.-практ. Пособие. – Барнаул: Изд-во

Алт. ГТУ, 2000. – 111с.

23. Богачевский А.Б., Бородин Ю.С. и др. Микропроцессорная сис-

тема управления частотой вращения и мощностью дизель-генераторной

установки дизель-поезда ДЭЛ – 01 // Вестник НТУ «ХПИ» - Тематический

261

сб. научн. работ «Двигатели внутреннего сгорания». Харьков: НТУ

«ХПИ», 2001. – №26. – С.52–58.

24. Фурман В.В. и др. Перспективные системы автоматического

управления дизелями ОАО «Саратовдизельаппарат». – С.-П.: Двигателе-

строение, 1997. – №3. – С.34–36.

25. Современные подходы к созданию дизелей для легковых авто-

мобилей и малотоннажных грузовиков / А.Д. Блинов, П.А. Голубев и др. /

Под. ред. В.С. Папонова и А.М. Минеева. – М.: НИЦ «Инженер», 2000. –

332 с.

26. В.М. Гареев, В.А. Карачинов. Бортовой волоконно-оптический

измеритель расхода топлива. // Автомобильная промышленность. – 1995. –

№11. – с. 35–36.

27. Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразо-

ватели скорости и давления. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 112с.

262

Глава 4. ЕЛЕКТРОННЕ КЕРУВАННЯ

ПОВІТРОПОСТАЧАННЯМ У ДВИГУНАХ

Керування робочим процесом двигуна має кінцевою метою визна-

чення для кожного експлуатаційного режиму оптимального складу робочої

суміші, який оцінюється коефіцієнтом надлишку повітря a

опт

Оптимізація a ведеться за обраними критеріями (середня експлуата-

ційна витрата палива, токсичність викидів, літрова потужність, теплонап-

руженість деталей та інш).

Досвід свідчить, що регулювання a треба здійснювати як за рахунок

паливоподачі, так і за рахунок повітропостачання. В іншому випадку мож-

на не задовольнити обрані критерії. Наприклад, форсування двигуна за лі-

тровою потужністю за рахунок g

при незмінному повітряному заряді ци-

ліндра неминуче знижує надійність двигуна, тоді як одночасне підвищення

і повітряного заряду в циліндрі взагалі не змінює a.

Керування робочим процесом двигуна потребує комплексного регу-

лювання паливо- повітряпостачання.

Тому проблема покращення повітроподачі в двигунах із застосуван-

ням електронного керування потребує всілякої уваги.

4.1. Шляхи поліпшення повітропостачання в ДВЗ та

вимоги до КПСК

Доцільно розглянути ці питання окремо для дизелів та бензинових

двигунів.

4.1.1. Проблеми повітряподачі у дизелях

Одним з напрямків розвитку моторобудування є форсування двигу-

нів за літровою потужністю за рахунок організації ефективного вигоряння

263

збільшених циклових подач палива, що в першу чергу вимагає наддуву, в

тому числі дизелів.

Застосування для наддуву турбокомпресора, наприклад, надало мож-

ливість значно поліпшити потужність дизеля без збільшення робочого

об’єму й кількості циліндрів.

Крім того, збільшення кількості повітря, яке надходить у двигун, до-

зволяє працювати на збіднених сумішах (a >1), що знижує вихід токсидів

СО й С

з відпрацьованими газами.

Ефективність наддуву залежить від ефективності роботи турбокомп-

ресора.

Однак турбокомпресор працює з максимальним КПД тільки на роз-

рахунковому режимі, яким для більшості двигунів є режим номінальної

потужності. При роботі ж дизеля за експлуатаційною характеристикою у

міру відхилення навантаження й інших параметрів (частоти обертання ко-

лінчастого вала й інш.) КПД турбокомпресора знижується, відповідно, па-

дає і ефективний КПД дизеля.

Зниження КПД турбокомпресора у нерозрахункових умовах, а також

неузгодженість гідравлічної характеристики двигуна з розбіжними харак-

теристиками турбіни і компресора призводять до того, що робота двигуна з

турбонаддувом на знижених швидкісних режимах супроводжується зрос-

танням питомої витрати палива й неможливістю отримання бажаних зна-

чень крутного моменту на колінчастому валу. Тому у дизеля з некерова-

ним газотурбінним наддувом при роботі, наприклад, за зовнішньою харак-

теристикою, коефіцієнт пристосованості (відношення максимального кру-

тного моменту на частковому швидкісному режимі до М

ном

) й швидкісний

коефіцієнт (відношення частот обертання колінчастого вала, відповідних

вказаним крутним моментам) нижчі, а зниження ефективного КПД навіть

більше, ніж у дизеля без наддуву. Погіршуються також показники дизеля

на пускових режимах й при перехідних (розгінних чи скидних процесах) у

зв’язку з інерційністю системи наддуву й відставанням зростання тиску

наддуву від динаміки росту паливоподачі.

Сказане можна проілюструвати швидкісними характеристиками ди-

зеля, обладнаного турбокомпресором, доцентрова турбіна якого має керо-

ваний сопловий апарат, а компресор – керований дифузор (рис.4.1). З гра-

фіків видно, що характеристики, отримані при визначеній й постійній на-

264

стройці турбіни і компресора, показують, що з метою підвищення коефіці-

єнта пристосованості дизеля турбокомпресор можна реально настроювати

не тільки на номінальний режим (характеристики 2), а й на середній швид-

кісний режим (характеристики 3) або на малий швидкісний режим (харак-

теристики 4). Останні два способи настроювання турбокомпресора можуть

дещо поліпшити експлуатаційні характеристики дизеля. Але одночасно

вони призведуть до небажаних наслідків, оскільки при переході з обраного

оптимального режиму настройки на режими з підвищеною кутовою швид-

кістю колінчастого вала недопустимо збі-

льшиться частота обертання ротора тур-

бокомпресора й, значить, тиск згоряння р

а при переході на режими з пониженою

частотою обертання, як правило, недопус-

тимо зростає температура відпрацьованих

газів.

Такі недоліки некерованого наддуву

виявляються ще більш виразно (чіткіше) у

міру збільшення на перспективних дизе-

лях їхньої літрової потужності, ступеня

наддуву та розширення діапазону робочих

режимів.

З урахуванням сказаного, важливим

засобом, який дозволяє поліпшити узго-

дженість характеристик окремих елемен-

тів комбінованих ДВЗ у широкому діапа-

зоні їхніх швидкісних й навантажених

режимів є застосування керованого надду-

ву.

Продовжимо аналіз рис.4.1. Харак-

теристику 1 можна, наприклад, реалізува-

ти при обладнанні дизеля системою

комп’ютерного керування наддуву при ав-

тономному ТК, турбіна якого має поворо-

тний лопатний сопловий апарат, а компре-

сор – поворотний лопатний дифузор. По-

0,6

0,8

600

700

0,75

0,5

100

ном

ух

Рисунок 4.1 – Зміни швидкісних

характеристик дизеля при

визначеній настройці турбоко-

мпресора (а – потуж

ність;

б – g

; в –

температура

відпрацьованих газів):

1 – керований наддув; 2 – при

настройці ТК на номінал; 3 – при

настройці ТК на режим М

eном

(w=0,75w

ном

); 4- при настройці ТК

на режим М

eном

(w = 0,5w

ном

)

265

рівняння обвідної характеристики 1 з характеристиками 2,3,4 наочно ілюс-

трує переваги керованого наддуву.

Даний спосіб керування турбонаддувом є й найбільш складним, тому

що потребує вибора залежно від режиму роботи двигуна таких положень

лопаток соплового апарата турбіни й дифузора компресора, при яких цей

дизель повинен розвивати необхідний крутний момент, компресор повинен

працювати усталено (без помпажу) у всьому діапазоні витрати повітря че-

рез дизель. Параметри робочого процесу в циліндрах й ТК (температура

відпрацьованих газів Т

, максимальний тиск згоряння р

, частота обертання

ротора ТК (w

тк

), питома витрата палива g

та інш.) не повинні виходити за

межі встановлених обмежень.

Все це свідчить про безумовну корисність застосування КПСК над-

дувом, особливо для тих перспективних дизелів, що працюють у широкому

діапазоні швидкісних й навантажувальних режимів, перш за все – автотра-

кторних.

На більшості силових установок, перш за все транспортних, подібне

керування не може бути іншим ніж на основі КПСК, тому що зміни швид-

кісних режимів в умовах експлуатації трапляються настільки часто, що ру-

чне регулювання не дозволить отримати необхідний ефект. Тим більше це

стосується керування перехідними процесами дизеля, яке без швидкодію-

чих засобів керування взагалі неможливе.

Приходимо до загального висновку, що всі такі й інші труднощі (на-

приклад, урахування багатьох впливаючих факторів) поліпшення повітро-

подачі у сучасних дизелях з наддувом ефективно можуть бути подолані й

успішно долаються за допомогою КПСК наддувом. Вона єдина здатна за-

безпечити системну й повну оптимізацію повітропостачання за обраними

критеріями при заданих обмеженнях й для конкретної моделі експлуатації

дизеля визначеного призначення.

Підкреслимо, що керування повітропостачанням у двигунах невідри-

вно від керування паливоподачею в них. Це випливає з того, що метою та-

кого комплексного керування, про що мова йшла вище, є забезпечення оп-

тимального a

опт

. Тому обидві КПСК (повітро- й паливоподачі) повинні дія-

ти узгоджено у складі єдиної КСУ ДВЗ, керуючись сигналами головних

датчиків, датчиків адаптації та діагностування.

Вимоги до КПСК паливоподачею у дизелях обумовлені способом та

266

схемою керування наддувом. Такі способи і схеми вивчаються в спеціаль-

ній дисципліні, присвяченій системам наддуву ДВЗ.

Однак зупинимося на їх особливостях, оскільки їх треба враховувати

при побудові сучасних КПСК повітроподачею у дизелях.

Способи керування можна поділити на дві групи:

→ зовнішнє керування, коли зовнішнім діянням на умови функціо-

нування лопатних машин змінюється положення режимних точок на хара-

ктеристиках їх роботи при незмінності самих характеристик;

→ внутрішнє керування, у результаті якого отримуються нові харак-

теристики роботи лопатних машин.

Точно кажучи, дроселювання повітря й інші засоби зовнішнього ке-

рування, як показали експерименти, дещо змінюють характеристики комп-

ресора і турбіни. Тому відзначене поділення на групи здається дещо умов-

ним.

До зовнішнього керування відносяться:

· дроселювання повітря на вході в компресор або на виході з нього;

· перепуск повітря з нагнітального патрубка компресора в усмок-

тувальний; стравлювання його в атмосферу або на вхід в турбіну;

· дроселювання газу при вході в турбіну або на виході з неї;

· перепуск частини випускних газів у атмосферу поза турбіною.

Отримали поширення в КПСК повітряпостачанням й такі способи

внутрішнього керування:

· зміна кута a

входу повітряного потоку на лопатки колеса комп-

ресора, що забезпечується вхідним направляючим апаратом;

· поворот лопаток дифузора компресора;

· поворот лопаток вхідного направляючого апарата й лопаточного

дифузора компресора;

· зміна висоти каналу дифузора;

· зміна ступеня парціальності або імпульсності турбіни;

· зміна висоти соплового апарата турбіни;

· зміна кута a

в турбінах з регульованим сопловим апаратом;

· одночасне регулювання турбіни та компресора.

Значна кількість способів керованого наддуву свідчить про увагу до

цього питання, але з іншого боку й про відсутність єдиної думки щодо оп-

тимальності тієї чи іншої концепції керування.

267

Але у всякім разі, з енергетичної точки зору найбільш доречні спосо-

би внутрішнього керування, які забезпечують оптимальну, без втрат енер-

гії відпрацьованих газів спільну настройку дизеля й ТК за будь-яких умов

експлуатації. Під оптимальною розуміють таку настройку, при якій забез-

печуються максимальні значення КПД турбопоршневого дизеля на кожно-

му експлуатаційному режимі.

Підкреслимо, що для сучасних найбільш масових автотракторних

турбокомпресорів, з урахуванням тенденцій зменшення їхніх габаритів з

одночасним підвищенням тиску наддуву, застосування зовнішніх способів

керування поєднано із значними труднощами у зв’язку із складністю та

коштовністю забезпечення надійної роботи пристроїв керування при до-

сить малих розмірах їхніх елементів. З точки зору простоти і дешевизни

зовнішні способи керування наддувом більш придатні для КПСК повітря-

подачі швидкохідних дизелів; однак за економічними міркуваннями вони

програють, тому що основані на неповному використанні енергії відпра-

цьованих газів на турбіні або ступеня підвищення тиску повітря в компре-

сорі.

Проведений аналіз шляхів поліпшення повітряподачі у дизелях з

наддувом дозволяє сформулювати основні вимоги до відповідних КПСК:

v забезпечення потрібного узгодження характеристик турбокомп-

ресора й дизеля за рахунок настройки ТК на режим М

mах

з частковим ке-

рованим перепуском відпрацьованих газів перед турбіною на режимах,

близьких до номінального, що підвищує коефіцієнт пристосованості ав-

томобіля;

v забезпечення високого значення коефіцієнта запасу крутного

моменту за рахунок соплового регулювання компресора та (або) турбіни

ТК при відповідному корегуванні паливоподачі. Наприклад, впровадження

керованого наддуву на дизелі 6ЧН15/18 підвищило коефіцієнт пристосова-

ності к

до 1,75 при n

Me=max

=0,4n

ном

. Фірма Percins на двигуні з керованим

наддувом забезпечила к

більше 2,0, що вражає;

v застосування соплового регулювання турбіни у цілях розгону

ТК. Здійснене, наприклад, зменшення площини прохідного перерізу соп-

лового апарата турбіни веде до збільшення тиску газів перед нею й, зна-

чить, сприяє підвищенню потужності на валу ТК та більш інтенсивному

розгону агрегату наддуву. Результатом такого керування є більш повне за-

268

безпечення двигуна потрібною для нового режиму кількістю повітря. По

мірі завершення перехідного процесу площина прохідного перерізу сопло-

вого апарата зростає до потрібного рівня на кінцевому режимі цього про-

цесу;

v забезпечення прискорення розгону ТК керованою подачею пари

у проточну частину турбіни для підкрутки ротора ТК. Пар отримують або

вприскуванням води до впускного колектора (крізь спеціальні форсунки),

або шляхом утилізації теплоти, що відводиться в систему охолодження

двигуна та з випускними газами. Подачу пари із утилізованого акумулято-

ра (де утримується пароводяна суміш під тиском при температурі більше

100°С) на турбіну можна реалізувати через електромагнітний клапан, який

відкривається у момент початку перехідного процесу; при відкритті клапа-

на (в результаті різкого падіння тиску) в акумуляторі відбувається миттєве

пароутворення. Найбільш зручно реалізувати цей спосіб при високотемпе-

ратурному охолодженні дизеля. Експеримент показав, що такий спосіб ке-

рування повітроподачею скорочує перехідний процес накиду навантажен-

ня біля 60 %.

Відзначені вимоги охоплюють способи керування повітроподачею у

сучасних двигунах, що отримали розповсюдження.

По мірі розробки нових способів такого керування необхідно сфор-

мулювати й нові вимоги до КПСК, які призначені їх реалізувати.

4.1.2. Особливості повітропостачання у бензинових двигунах

Наддув при одночасному зменшенні робочого об’єму (літражу) дви-

гуна є альтернативною стратегією поліпшення паливної економічності й

бензинових ДВЗ.

При цьому основна перевага полягає в тому, що та ж віддача двигуна

із зменшеним робочим об’ємом реалізується при більшому відкритті дро-

селя, внаслідок чого автомобільний двигун працює більшість часу в зоні

режимів, які відповідають найменшим питомим витратам палива; резерв

потужності для розгону і форсованих режимів забезпечується наддувом.

Природно спрощується створення на основі вихідної моделі спектра

двигунів, які охоплюють широкий діапазон потужностей; з’являється мож-

ливість отримати ті ж ефективні показники двигуна при відносно меншому

ступені стиску e, що ослаблює обмеження щодо якості використаних па-

269

лив. Наприклад, у процесі розробки фірмою Volkswagen перспективного

бензинового двигуна з наддувом (тиск наддуву р

= 150 кПа, e = 8,2) було

показано, що в двигуні без наддуву e = 11,0 при практичній рівності тисків

і температур кінця стиску (без охолодження наддувного повітря) індикато-

рний КПД суттєво нижче, ніж у першого двигуна на основних експлуата-

ційних режимах. Крім зазначеного вище, це пов’язане із тим, що при пра-

вильному виборі камери згоряння наддув веде до додаткового генерування

турбулізації згоряння без допоміжних заходів. Вживаються заходи щодо

поліпшення динамічних характеристик двигуна з наддувом, наприклад, за

рахунок зменшення об’єму його впускного тракту і моменту інерції ротора

ТК.

Другою задачею, яку дозволяє вирішувати турбонаддув, є підвищен-

ня прийнятності, що для автомобільних бензинових двигунів не менш ва-

жливо, ніж для транспортних дизелів.

На відміну від дизеля, де регулювання потужності здійснюється змі-

ною подачі палива, у бензиновому двигуні аналогічні дії не припустимі,

оскільки склад горючої суміші був би на долевих режимах настільки бід-

ним, що спалахнення її було б негарантованим. Тому подача палива на ре-

жимах максимальної частоти обертання ТК повинна бути обмежена, тобто

повинна керуватися.

Із ряду способів керування наддувом в бензинових двигунах отримує

поширення байпасування (перепуск) повітря у зв’язку зі зручністю елект-

ронного керування таким повітропостачанням та практичною недоречніс-

тю спроб регулювати власне лопатні машини такої малої розмірності. У

звичайних підсистемах весь повітряний заряд проходить у впускний тру-

бопровід двигуна через компресор та регулюється дроселем на вході (ви-

ході). В підсистемі керованого наддуву на часткових навантаженнях повіт-

ря направляється через байпасний канал (зі своєю заслінкою) до впускного

трубопроводу. При конкретному навантаженні основна заслінка пропускає

через компресор тільки частину повітря; при високих навантаженнях відсі-

чна заслінка закриває байпасний канал, тому все повітря направляється у

двигун через компресор.

Бачимо, що проблеми покращення повітропостачання у бензинових

двигунах по суті аналогічні таким у дизелях, оскільки, перш за все,

пов’язані з забезпеченням найліпшої прийнятності двигуна.

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.