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.

реєструють умови перевантаження двигуна за літровою потужністю, теп-

лове перевантаження деталей КШМ або зон безпосереднього контакту по-

верхонь тертя тощо.

Найбільш повної адаптації керування з урахуванням особливостей

двигуна й умов його експлуатації можна досягти при використанням по-

шукових або екстремальних КСК ДВЗ, що забезпечують автоматичну ба-

гатопараметрову оптимізацію за комплексним вихідним параметром дви-

гуна на кожному режимі роботи, а точніше, за будь-якою експлуатаційною

характеристикою двигуна. Такі КСК ДВЗ далі називатимуться самонаст-

роюваними.

Основна складність у створенні таких перспективних комп’ютерних

систем керування двигунами, які саме й відповідатимуть поняттю високих

технологій, пов’язана з відсутністю методів прямого вимірювання основ-

них комплексних показників технічного рівня сучасних та перспективних

ДВЗ, які відповідають багатофакторній оптимізації в тому числі – ККД,

експлуатаційної питомої витрати палива, експлуатаційних концентрацій

токсичних викидів у відпрацьованих газах, показників ефективності сис-

тем двигуна та їх основних агрегатів (турбокомпресора, нейтралізатора,

проміжного охолоджувача наддувочного повітря, тощо). Дуже важливо

мати методи й засоби прямого вимірювання параметрів робочого процесу

в циліндрах двигунів, характеристик сумішоутворення й згоряння в них та

ін. Датчики для вимірювання таких комплексних параметрів поки що не

створено, хоча аналіз патентної літератури останніх 5–10 років свідчать

про деякі результати їх інтенсивного пошуку [4].

Для побудови самонастроюваних систем сьогодні використовуються

можливості побічної оцінки екстремальних значень економічних та поту-

жнісних показників двигуна. Так, максимум витрат палива можуть бути

визначений за тривалістю відкриття форсунки, що вприскує паливо. Такі

приклади можна продовжити.

Переважна робота двигунів на перехідних режимах й висока швид-

кість змін режимів роботи також дуже утруднюють створення самоство-

рюваних систем. Оптимальне їх керування у реальному масштабі часу по-

требує дуже високої швидкодії й, отже, чутливості систем. Але при підви-

щенні чутливості погіршується стабільність керування. Вихід з цього по-

ложення – розвиток КСК ДВЗ зі змінною структурою, у яких залежно від

умов роботи змінюються логіка керування й чутливість системи [1, 3]. Та-

кий розвиток й означатиме підняття КСК ДВЗ на світовий рівень запрова-

дження високих технологій у двигунобудування.

Необхідна швидкодія забезпечується використанням програмно-

адаптивних (таких, що наближаються до власне адаптивних) КСК ДВЗ, де

початковий рівень, від якого ведеться настройка системи, визначається

програмою, що перебудовується. В останніх системах на основі періодич-

ного контролю параметрів зворотних зв’язків визначаються оптимальні

або граничні регулювання й відбувається безперервна перебудова (навчан-

ня) програми керування, що зберігається у постійній пам’яті комп’ютера.

Елементи перебудови програм включені до перспективних КСК ДВЗ, що

створені й створюються всесвітньо відомими фірмами Ford, Bosh, Toyota

та ін. [3]. Звичайно поєднання програмного керування з адаптуванням на

основі використання зворотних зв’язків для оптимізації керівництва чи пе-

ребудови (адаптації) програм по праву вважається перспективним високо-

технологічним напрямком розвитку мікропроцесорних систем керування

двигунами. У найближчі роки можна чекати не тільки подальших розробок

подібних систем, а й значного розширення їх використання на ДВЗ різних

призначень.

Третій напрямок – вдосконалення виконавчих пристроїв КСК ДВЗ.

Отримали подальшого розвитку конструкції виконавчих пристроїв палив-

них підсистем керування, запалювання, турбонаддуву, нейтралізації, блока

керування рециркуляцією відпрацьованих газів у тракт вприскування

(EGR) та ін. (Тут і далі наведено іноземні скорочення термінології,

пов’язаної з комп’ютерними системами керування ДВЗ). У них поряд з

електропневматичними або електрогідравлічними засобами починають

розроблятись виконавчі пристрої – форсунки з більш швидкодіючим елек-

тродинамічним, п’єзоелектричним приводами. Розробляються принципово

нові малогабаритні електродвигуни тощо [3].

Четвертий напрямок – суттєве розширення функцій керування дви-

гунами. Сучасний автотранспортний двигун працює на усталених і неуста-

лених режимах при змінах у широких діапазонах його навантаження, час-

тоти обертання колінчастого вала й теплового стану. Якщо у бензиновому

двигуні керувати тільки дросельною заслінкою, складом суміші й випере-

дженням запалення, а у дизелі – тільки цикловою паливоподачею та випе-

редженням вприскування, як це прийнято у класичній (механічній) схемі

керування, то не можна забезпечити високі економічні й динамічні показ-

ники автомобіля, особливо з урахуванням існуючих обмежень токсичності

відпрацьованих газів.

Компромісний вибір розмірності двигуна, ступеня стиску, інших

конструктивних параметрів і характеристик робочого процесу, необхідний

для отримання результатів, що задовольняють суперечливим вимогам що-

до потужності й крутного моменту, паливної економічності й токсичності

викидів двигуна у всьому полі режимів, не дозволяє на кожному режимі

забезпечити найкращі принципово можливі показники.

Тому в останні роки значно зріс інтерес до способів і заходів керу-

вання роботою двигуна, його систем, перш за все, паливо- і повітропоста-

чання, які б дозволяли оптимізувати основні показники кожного експлуа-

таційного режиму.

До таких засобів і способів, які вже використовуються або проходять

ретельні перевірки, можна віднести введення рециркуляції (ERG), викори-

стання керованого наддуву при одночасному зменшенні робочого об’єму

двигуна, відключення частини циліндрів або робочих циклів на режимах

малих (часткових) навантажень, керування розслоєнням заряду, подачею

вторинного повітря до нейтралізатора, кількістю джерел запалювання, ро-

ботою схеми вторинного використання теплоти (утилізації енергії відпра-

цьованих газів) та ін. [3]. У стадії НДР знаходяться двигун із керованими

фазами газорозподілу, ступенем стиску та розширення, керованим ступе-

нем турбулізації заряду в камері згоряння, зі змінним ходом поршня та ін.

Деякі з цих шляхів впливу на робочий процес двигуна відомі давно, але

саме поява електронних систем керування й електрокерованих виконавчих

пристроїв відкриватиме нові можливості їх реалізації.

П’ятий напрямок – забезпечення оптимальних режимів роботи дви-

гуна залежно від умов руху та інших видів використання силових устано-

вок. Йдеться про спільну автоматизацію керування двигуном і трансмісі-

єю, двигуном і навісними агрегатами тощо.

Вже у ранніх розробках фірм Ford, Bosсh, Toyota та інших спеціаль-

ний датчик фіксував положення важеля коробки передач та з урахуванням

цього здійснювалося регулювання двигуна на холостому ході. Пізніше фі-

рмою Toyota було введено блокування включення вищих передач до мо-

менту прогріву двигуна й автоматизовано керування коробкою передач. На

автомобілях фірм Ford, General Motors, Chrysler, Renoult та інших електро-

нні системи керування використовуються для автоматизації переключення

передач у механічних і гідромеханічних коробках передач. Наприклад, у

КСК Ford водій тільки встановлює на селекторі бажану передачу, а керу-

вання зчепленням і переключенням передач є автоматизованим. Система

Bosсh дозволяє водію задати три режими керування: рух з максимальною

економічністю, рух з максимальною динамікою (запасом крутного момен-

ту, найшвидшим зрушенням з місця тощо) і, нарешті, ручне керування при

русі автомобіля по складних (небезпечних) ділянках трас.

Для подальшого поліпшення паливної економічності та підвищення

комфортабельності руху фірмами Bosсh і Chrysler введено оптимізацію

регулювання систем двигуна та керування дроселем у момент

переключення передач. Наприклад, у системі Chrysler безпосередньо перед

переключенням передачі подача палива дещо змінюється, але так, що водій

таке ледь помічає. Подібна система дозволяє поліпшити

комфортабельність й економічність автомобіля. При цьому пробіг

автомобіля з цією зазначеною системою зріс на 1,25...1,7 км/л.

Таким чином, п’ятий напрямок розвитку КСК ДВЗ по суті визначає

створення комплексного керування силовим агрегатом.

Шостий напрямок – підвищення надійності функціонування власне

КСК ДВЗ. Йдеться про фізичну й параметричну надійність, які в електро-

нній системі керування є нероздільними, оскільки фізична надійність керу-

вання втрачає сенс без дотримання необхідного терміну стабільної роботи

цієї системи.

Це пов’язано з дуже високими вимогами, які ставляться до працезда-

тності електроніки двигунів.

Так, за даними фірми Delco Electronics, елементна база

комп’ютерних систем керування при лабораторних випробуваннях має пе-

ревірятися при змінах температури навколишнього середовища від – 40 до

+125 ºС; вона (елементна база КСК) повинна тривалий термін витримувати

температуру +85 ºС; працювати при температурі +35 ºС й 5 % концентрації

НСl. Елементи КСК повинні витримувати ударне вібраційне навантаження

з частотою 10...35 Гц з прискоренням 20g.

Надійність сучасних мікропроцесорних систем керування є достат-

ньо високою. За даними [3], електронні системи вприскування автомобіля

Lincoln мали інтенсивність відмов 1,5 % на 20 тис. км пробігу, тоді як для

аналогічних неелектронних систем цей показник значно гірший і сягає

8 %. Однак і сьогодні задача підвищення працездатності КСК ДВЗ залиша-

ється актуальною. Для її практичного вирішення в сучасних мікропроцесо-

рних системах керування значно розширюються функції їхнього діагнос-

тування, самодіагностування й захисту, функції блокування.

Передбачено контроль зарядження акумуляторної батареї та корекція

керування для забезпечення нормальної роботи двигуна при зниженні на-

пруги живлення. КСК ДВЗ запам’ятовують результати контрольних пере-

вірок і виводять їх при обслуговуванні двигуна на спеціальні контрольні

прилади. У разі виходу з ладу окремих датчиків або блоків керування (ка-

налів керування) передбачено перехід на резервні ланки, що й дозволяє

зберігати можливість керованого руху силової установки.

Сьомий напрямок – вирішення ряду теоретичних питань, створення

спеціальних дослідницьких і випробувальних методів, обладнання, прила-

дів для прискорення розробки та вдосконалення КСК ДВЗ нових поколінь.

Значна увага приділялася і приділятиметься науковому обґрунтуван-

ню алгоритмів ефективного керування і відповідних комп’ютерних про-

грам, визначенню оптимальних законів керування (калібруванню), що збе-

рігатимуться у пам’яті систем. Вирішення таких питань ускладнено необ-

хідністю знаходження оптимальних сполучень двох, трьох і більше регу-

лювальних параметрів (щодо паливоподачі, повітропостачання, токсидів,

надійності двигуна та ін.) для кожного часткового режиму, які входять до

їздового циклу або до моделі експлуатації двигуна конкретного призна-

чення за умови виконання норм та різних обмежень.

На основі широкого обговорення проблем оптимального керування

двигунів сформувався комплексний і багатоетапний підхід до вибору

потрібних ефективних законів керування. Розвинуто декілька варіантів

його реалізації.

У першому з варіантів такого підходу закони керування обираються

за результатом розрахункової оптимізації з використанням експеримента-

льного визначення (апроксимації) математичних моделей економічних та

екологічних характеристик двигуна залежно від режимних і регулюваль-

них параметрів. Подібний математичний експеримент і дозволяє обрати

калібровки у квазістатичній постановці.

При розрахунковому моделюванні нескінченний спектр експлуата-

ційних режимів роботи двигуна конкретного призначення, так звана карта

потужності, замінюється матрицею режимів – рядом дискретних сполучень

частоти обертання n колінчастого вала двигуна і крутного моменту М

кр

для кожного з яких визначено час роботи (наприклад, річне напрацюван-

ня).

Звичайно, використовують матриці режимів, які складаються із

10...40 режимів [3]. Сумарні викиди палива й токсичні викиди, що визна-

чаються при реалізації матриці режимів, практично є еквівалентними пока-

зникам автомобіля при виконанні їздового циклу. Оптимальні регулювання

з урахуванням токсичності відпрацьованих газів вибираються тільки для

сполучень n та М

кр

, які складають матрицю режимів. Такий підхід розви-

вався фірмами General Motors, Ford та Bosсh, причому було показано, що

для їздових циклів (з помірним прискоренням) квазістатичні моделі, що

отримані під час стендових випробувань двигуна, дають результати, бли-

зькі до фактично одержаних при неусталених активних режимах роботи

двигуна під час виконання їздового циклу. Основні розбіжності показників

двигунів з іскровим запалюванням у статиці й динаміці пов’язані з невід-

повідністю складу суміші, що забезпечується законом паливоподачі, та су-

міші, яка потрапляє до циліндрів з урахуванням осідання частини палива

на стінці впускного тракту. Для такого урахування при виборі регулювань

на перехідних режимах експериментально знайдено передавальні функції

випускних систем. Слід накреслити, що метод заміни широкого поля ре-

жимів роботи двигуна матрицею вибірних характеристик експлуатаційних

режимів отримав в останні роки поширення.

На кафедрі ДВЗ НТУ “ХПІ” ще раніше було розроблено метод про-

гнозування експлуатаційних імовірнісних показників ДВЗ на базі викорис-

тання моделей експлуатації двигунів конкретних призначень [5]. По суті,

було запропоновано моделі експлуатації тракторних, комбайнових, авто-

мобільних дизелів, на основі яких можна науково обґрунтувати калібровки

(оптимальні закони керування) широкого класу швидкохідних двигунів.

Приклади їх наведено на рис.1.3 – 1.5 [2, 5].

Для отримання вірогідних емпіричних математичних моделей про-

гнозування показників ДВЗ рядом провідних фірм розроблено високопро-

дуктивні автоматизовані стендові установки. Так, на установці концерну

General Motors для отримання моделей, що описують показники двигуна в

залежності від п’яти параметрів (складу суміші, випередження запалюван-

ня, рециркуляції відпрацьованих газів, частоти обертання колінчастого ва-

лу та навантаження) витрачено 12 год, причому вимірювання проведено на

більш ніж 2000 експериментальних точках.

Другий варіант підходу до вибору законів керування ДВЗ грунтуєть-

ся на експериментальному пошуку оптимальних регулювань у стендових

умовах або на автомобілі. Спочатку вибір регулювань також проводили на

усталених режимах, що входять до матриці режимів. Потім для цих цілей

були створені спеціальні стендові установки, які дозволяють імітувати ро-

боту двигуна при перехідних процесах при виконанні їздового циклу. На

таких установках для керування стендом й режимами роботи двигуна під

час випробувань, а також для пошуку оптимальних регулювань застосову-

вались універсальні обчислювальні та керуючі машини. Послідовне по-

ліпшення законів керування під час перехідних процесів досягалося вико-

ристанням ітеративних процедур. Розроблено ряд різноманітних прикладів

і процедур, що забезпечують пошук оптимальних колібровок (законів ке-

рування) в режимі розділу часу та в реальному масштабі часу.

Слід наголосити [3], що вибір регулювань повинен проводитися піс-

ля відпрацювання конструкцій датчиків, виконавчих пристроїв та алгорит-

мів керування, які буде задіяно у реальній КСК ДВЗ. Тільки у такому разі й

можуть бути знайдені регулювання, дійсно наближені до оптимальних.

У подальшому фірмами Fiat, Bosсh, Ford, Renoult та іншими для пошуків

законів керування були створені спеціалізовані налагоджувальні комплек-

си, що можуть використовуватись як у стендових умовах, так і при заклю-

чному регулюванні двигуна на автомобілі [3]. У таких комплексах звичай-

но застосовується КСК ДВЗ з датчиками й виконавчими пристроями у

сполученні з допоміжними мікропроцесорними системами або з система-

ми, які розширюють функціональні можливості основної КСК і такі, що

допускають перепрограмування. Фактично описані комплекси працюють

як самонавчальні.

Рисунок 1.3 – Полігони імовірнісних

режимів роботи тракторного

дизеля СМД-62:

– полігони з Р > 5 %; у дужках

подані значення Р(%), де Р – імовір-

ність річного сумарного напрацювання

двигуна у експлуатаційному

конкретному полігоні;

А – режим холостого ходу;

0 – 18 – номери полігонів;

⊙ – центри полігонів; N

– потужність

двигуна; “ном” – позначка номінально-

го режиму

0,4

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

А(15,4)

(0,6)

(3,3)

(9,9)

(1,2)

(2,4)

(3,6)

(2,6)

(3,4)

(3,2)

(3,5)

(8,5)

(2,7) (4,6)

(6,0)

(2,0)

(5,4)

(9,6)

(9,0)

ном

кркркр

МММ =

ном

=130 кВт

ном

=2000 хв

ном

nnn =

Рисунок 1.4 - Полігони імовір-

нісних режимів роботи

комбайнового дизеля СМД-31А:

Б – режим холостого ходу;

0–26 – номери полігонів; решта

позначень відповідають

рис. 1.3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Б(22,5)

1 2

(6,2)

(1,0)

(0,9)

(1,8)

(9,2)

(9,3)

(1,1)

(3,8)

(2,8)

(0,5)

(3,4)

(0,5)

(0,6)

(1,2)

(1,0)

(1,5)

(2,6)

(11,7)

(0,3)

(2,2)

(6,0)

(3,3)

(1,1)

(2,6)

(2,4)

(0,6)

ном

кркркр

МММ =

ном

=173 кВт

ном

=2000 хв

ном

nnn =

В останні роки особливо актуальним стало питання щодо часу роз-

робки алгоритмів, програм та законів керування. Об’єм функцій систем,

отже, складність алгоритмів і програм керування, зростатимуть. Тому для

їх розробки потрібно все більше часу. Для кожної модифікації двигуна не-

обхідна своя калібровка КСК, що змушує фірми розробляти десятки каліб-

ровок для кожної КСК. Разом з цим електронна техніка й можливості

комп’ютерних систем керування ДВЗ швидко удосконалюються. В наслі-

док життєвий цикл випуску систем до їх морального старіння стає невели-

ким, що з технічної та економічної точок зору є невиправданими. Подов-

Рисунок 1.5 – Імовірнісні характеристики полігонів експлуатації

дизеля вантажного автомобіля при русі по міському й міжміському

циклах( позначення відповідають рис. 1.3)

ження терміну виробництва систем може бути досягнуто шляхом проекту-

вання мікропроцесорних систем з великою надмірністю (надлишковістю),

що дозволятиме змінювати алгоритми й розширяти функції керування, а

також шляхом скорочення часу розробки алгоритмів і програм.

Фірмою Ford та деякими іншими створено спеціальні технології роз-

робки алгоритмів і програмного забезпечення, які містять такі етапи: вибір,

розробку, аналіз та затвердження стратегії керування; розробка алгоритму;

складання і редагування програми керування; трансляція програми на мову

мікропроцесора. Процедура розробки програмного забезпечення включає:

підготовчі операції; розрахункове моделювання програм та КСУ ДВЗ на

ЕОМ обчислювального центру; розробку керування розподілом часу; про-

грамування мікропроцесора.

Нарешті, підкреслимо, що оптимізація на базі емпіричних математи-

чних моделей використовується при відпрацюванні алгоритмів керування і

для першого наближення до оптимальних регулювань, а експериментальні

методи оптимізації – на стадії остаточного доведення КСК ДВЗ.

Розглянуті етапи та напрямки розвитку електронного керування дви-

гунами збагачують двигунобудівників багаторічним досвідом з електроні-

зації керування ДВЗ. Поряд з цим виникає можливість підсумувати й виді-

лити невирішені ще проблеми подальшого розвитку КСК ДВЗ і впрова-

дження їх на вітчизняних силових установках з перспективними модифіка-

ціями двигунів.

Відзначимо такі вкрай актуальні проблеми:

· перш за все, вирішування фундаментальних питань теорії проце-

сів у ДВЗ, у тому числі нестаціонарних з метою вдосконалення програмно-

адаптивного забезпечення КСК;

· розробку нових датчиків для комплексних вимірювань, у тому

числі з використанням нових фізичних ефектів; йдеться про датчики без-

посереднього вимірювання поточних характеристик робочого тіла у цилін-

драх та системах двигуна (тиск і температура; коефіцієнт надлишку повіт-

ря, залишкові гази; перекисні сполуки; динаміка згоряння; крупномасшта-

бна турбулентність тощо). Дуже важливо також розробляти датчики реєст-

рації вихідних комплексних параметрів ДВЗ, зокрема питомої втрати па-

лива, питомої токсичності викидів. Актуальним є відпрацьовування і