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.
290
Контрольні запитання та завдання
1. Назвіть шляхи поліпшення повітроподачі у дизелях. Яку роль ві-
діграють КПСК у їхній реалізації?
2. Які способи і заходи керування наддувом використовуються у су-
часних дизелях?
3. Які основні вимоги ставляться до КПСК повітропостачанням у
дизелях?
4. Які можливості поліпшення експлуатаційних показників двигунів
з іскровим запалюванням пов’язані з поліпшенням повітропостачання?
5. Які основні вимоги ставляться до КПСК повітроподачею у двигу-
нах з іскровим запалюванням?
6. Зупиніться на специфічних особливостях комп’ютерних підсис-
тем керування наддувом ДВЗ. Що входить до їх складу?
7. Обґрунтуйте вибір раціонального керованого параметра для
означених підсистем.
8. Обґрунтуйте вибір програм керування наддувом ДВЗ.
9. Які використовуються датчики КПСК повітропостачанням двигу-
нів?
10. Які можна виділити конструктивні й функціональні особливості
виконавчих пристроїв для зовнішнього керування наддувом ДВЗ?
11. Які можна виділити конструктивні й функціональні особливості
виконавчих пристроїв для внутрішнього керування наддувом ДВЗ?
12. Порівняйте переваги та недоліки способів зовнішнього й внутрі-
шнього керування наддувом ДВЗ.
13. Які можливості надають КПСК повітроподачею у поліпшенні
приємістості й експлуатаційної паливної економічності і токсичності ви-
кидів ДВЗ?
14. Які взаємозв’язки існують поміж КПСК паливо- і повітропоста-
чанням у ДВЗ?
291
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Шеховцов А.Ф.Компьютерные системы управления ДВС: Уч. по-
собие. – Харків: ХДПУ, 1995. –256 с.
2. Конструктивные отличия и особенности технической эксплуата-
ции ДВС в условиях стран Азии, Африки и Латинской Америки. Основы
климатической приспособленности ДВС. – Ч.2/ Коллектив авторов: Под
ред А.Ф.Шеховцова. –К.: УМК ВО, 1998. –275 с.
3. Автомобильный справочник (Bosch): Пер. с англ. Первое русское
издание. –М.: Изд-во «За рулем», 2000. –896с.
4. Autoelectrir, Autoelectronic am Ottomotor/ Bosch. –2/ Ausg/ -
Dhsseldorf: VDI – Verlag, 1994/ -380S.
5. O.Probst. Bosch Fuel Injection and Management/ -Massachusetts,
1991.
6. Современные подходы к созданию дизелей легковых автомоби-
лей и малотоннажных грузовиков/А.Д. Блинов, П.А.Голубев и др. Под ред.
В.С.Попонова и А.М.Минеева. –М.: НИЦ «Инженер», 2000. –332 с.
7. Реферативный журнал «Двигатели внутреннего сгорания», – М.:
ВИНИТИ, 2000-2002 г.г.
292
Глава 5. ЕЛЕКТРОННІ БЛОКИ І КАНАЛИ АДАПТАЦІЇ ДВЗ
ЗА ОБРАНИМИ КРИТЕРІЯМИ
Вище йшлося про головні функції КСУ ДВЗ – керування паливо- та
повітропостачанням циліндрів двигуна.
Крім того, система має виконувати й інші дуже важливі функції на
основі створення й використання каналів адаптації двигуна.
Мова йде про задачі керування, перш за все, рівнем токсичності ви-
кидів, а також кліматичним пристосуванням, вторинним використанням
(глибокою утилізацією) скидної теплоти, розподілом навантаження поміж
циліндрами, теплонапруженим станом і надійністю двигуна, тощо.
Вирішення таких задач покладено на спеціальні КБК ДВЗ з відповід-
ними каналами адаптації (зворотними зв’язками).
Розглянемо означені допоміжні КБК.
5.1. Електронне керування рівнем токсичності викидів двигунів
Глобальною тенденцією розвитку ДВЗ є радикальне зниження ток-
сичності викидів до рівня, що на порядок нижчий, ніж сьогодні [1].
Для цього, по-перше, безперервно поглиблюється комп’ютерне ке-
рування процесом згоряння у двигунах для отримання умов зменшення кі-
лькості викидів. Цей резерв оцінюється у 50–60 % теперішньої кількості
токсидів, що суттєво, але недостатньо, щоб задовольнити найжорсткіші
міжнародні стандарти. Сюди ж віднесемо й рециркуляцію, бо вона також
зменшує концентрацію токсидів у відпрацьованих газах (ВГ).
Другим напрямом боротьби за екологічну безпеку ДВЗ є знешко-
дження (нейтралізація) відпрацьованих газів, очікуваний ефект від якої у
декілька разів перевищуватиме той, що пов’язаний з оптимізацією робочо-
го процесу за критерієм токсичності.
293
5.1.1. Проблеми нейтралізації ВГ та вимоги до КПСК паливо-
повітропостачанням та КБК рівнем токсичності двигунів
У двигунах з іскровим запалюванням основними токсичними компо-
нентами відпрацьованих газів є: монооксид вуглецю СО; оксиди азоту NO
x
(NO, NO
2
, N
2
O), залишки палива C
n
H
m
та ін.
Концентрація цих токсичних речовин залежить від складу горючої
суміші (рис.5.1). Точка А відмічає значення коефіцієнта надлишку повітря
a
, яке обумовлює мінімальну токсичність. При дуже глибокому збідненні
горючої суміші токсичність поступово знижується, але двигун починає
працювати неусталено, з’являються в окремих циліндрах пропуски запа-
лювання, внаслідок чого у відпрацьованих газах збільшується кількість ву-
глеводнів.
Токсичність випускних газів залежить також від кута випередження
запалювання j
зап
, режиму роботи двигуна, температури навколишнього се-
редовища, рециркуляції відпрацьованих газів тощо. На рис. 5.2, 5.3 показа-
но, як впливають ці фактори на токсичність викидів двигунів. Бачимо, що
при постійних n та N
е
(рис.5.2) зниження викидів токсидів може бути до-
сягнуто при зменшенні (запізненні) кута випередження запалення (КВВ)
від оптимального за g
e
. Це пов’язано з неповним згорянням палива та від-
веденням підвищеної кількості теплоти з ВГ, що сприяє догорянню C
n
H
m
у
випускному колекторі. Однак в даному випадку зниження токсичності ВГ
Рисунок 5.1 – Сумарний зміст
токсичних речовин у відпрацьова-
них газах при постійному
наван
таженні й частоті
обертання колінчастого валу
бензинового двигуна:
1 – монооксид вуглецю;
2 – оксид азоту;
3 – сумарний зміст токсидів,
приведений до змісту монооксиду
вуглецю (СО:NO
x
:C
n
H
m
= 1:10:0,67);
4 – C
n
H
m
C
n
H
m
; СО, г/(кВт
×
год)
NO
х
, г/(кВт
×
год)
450
300
250
0,8
1,0
1,2
1
2
3
4
А
45
30
15
a
294
досягається за рахунок відхилення КВЗ від оптимального, що супроводжу-
ється збільшенням g
e
.
У випадку рециркуляції ВГ (перепуску їх частини з тракту випуску
на впуск) й збільшенні кількості рециркульованих газів при незміннім j
зап
питома ефективна витрата палива й емісія C
n
H
m
зростають (рис. 5.3), що є
наслідком зменшення вигоряння суміші й рівнозначно деякому запізненню
запалювання. Однак, якщо збільшення кількості рециркулюючих газів бу-
де супроводжуватися збільшенням КВЗ, то, як і в попередньому випадку,
кількість NO
x
буде зменшуватися, а зростання g
e
та концентрації C
n
H
m
бу-
де більш плавним.
Наведені графіки дозволяють оцінити складний взаємозв’язок регу-
льованих параметрів й, відповідно, всю складність задач КБК при їх опти-
мізації.
Взагалі, як свідчить рис. 5.1, вихід токсидів визначається
a
. Так, ви-
хід СО зростає із збагаченням (a < 1) суміші. Концентрація NO
x
(при a > 1)
також залежить від a, причому швидкість створення NO
x
залежить від те-
мператури в зонах окислення азоту. Тому на вихід NO
x
впливають всі фак-
тори, що сприяють підвищенню Т
газ
max
: збільшення e та q, підігрів суміші,
тощо. Зміст C
n
H
m
також залежить від a, зростаючи на малих навантажен-
нях і на холостому ході (особливо на примусовому).
Рисунок 5.2 – Якісна залежність
токсичності й витрати палива від
кута випередження запалення при
незмінних n та N
е
Рисунок 5.3 – Якісна залежність
токсичності й витрати палива
від рециркуляції відпрацьованих
газів при незмінних n, N
е
, j
зап
g
e
C
n
H
m
NO
x
j
зап
опт
NO
x
C
n
H
m
g
e
j
зап
РВГ, %
295
Проведений аналіз свідчить, що головним для КБК токсичністю є
його здатність керувати перш за все складом горючої суміші на кожному
експлуатаційному режимі, забезпечуючи його оптимізацію згідно з
рис. 5.1, в тому числі при перехідних процесах.
Крім того, треба вживати й інші заходи щодо поліпшення екологіч-
них характеристик робочих процесів двигунів, в тому числі:
· підвищувати однородність горючої суміші (гомогенність), іден-
тичність її складу по циліндрах й за робочими циклами;
· підвищувати стабільність спалахування горючої суміші й іден-
тичність циклів при малих навантаженнях, при перехідних процесах;
· використовувати різні способи розшарування заряду в камері зго-
ряння шляхом подачі (вприскування) палива у зону свічки запалювання з
одночасним збідненням суміші в решті об’єму КЗ; це зменшує концент-
рацію NO
x
, СО у викидах;
· використовувати спеціальні присадки до бензинів, переводити
двигуни на газ, що вдвічі знижує NO
x
;
· застосовувати часткову рециркуляцію відпрацьованих газів шля-
хом перепуску 10–15 % ВГ з випуску на впуск; загально визнано цей захід
одним з ефективніших для зменшення токсидів (NO
x
) у відпрацьованих га-
зах. Рециркуляція зменшує Т
газ
max
у циліндрах двигунів й знижує до 60 %
концентрацію NO
x
у ВГ, хоча дещо зменшує N
е
та g
e
. Аналогічний ефект
дають добавлення води у паливо (водопаливна емульсія) або вприскування
води у впускний трубопровід.
Більш детально зупинимося на найбільш ефективному заході забез-
печення екологічної безпеки двигунів – на нейтралізації їх викидів.
У термічних (двокомпонентних) регенераторах можливе проведення
лише окислювальних реакцій, що сприяє допалюванню СО, C
n
H
m
до пов-
ного згоряння.
Тому термічні нейтралізатори практично витіснилися каталітичними
(трикомпонентними) регенераторами, в яких можливі не тільки окислюва-
льні, але й відновлювальні реакції, що сприяє розкладенню NO
x
у вихідні
речовини О
2
, N
2
.
Для хімічної нейтралізації ВГ бензинових двигунів можуть застосо-
вуватися різні каталізатори: металеві (платина, паладій – гостродефіцитні й
коштовні) й із окислів перехідних дешевих металів (мідь, нікель, хром, за-
296
лізо та ін.). Останній тип каталізаторів запропонований вченими НТУ
“ХПІ”. Треба пам’ятати, що нормальна робота окислювальних каталізато-
рів для допалення СО, C
n
H
m
можлива тільки при стехіометричному складі
горючої суміші (
a
» 1).
Відновлення NO
x
йде шляхом відторгнення кисню відновлювального
середою, наприклад, за реакцією NO
x
+СО=СО
2
+N, яка відбувається у при-
сутності відповідного каталізатора.
При подальшому добавленні додаткового повітря в каталізатор ток-
сиди СО й C
n
H
m
під впливом каталізатора або (та) високих температур
окислюються до СО
2
, Н
2
О.
Для всіх цих антитоксичних заходів, перш за все, для підвищення їх
ефективності й стабільності на сучасних двигунах вирішальну роль віді-
грають КБК токсичністю (забезпечують керування нейтралізатором вики-
дів) і КПСК паливо-повітропостачанням (забезпечують керування складом
горючої суміші, змінюють q, фази газорозподілу тощо). Все це дозволяє
суттєво знизити рівень токсичності двигунів.
З урахуванням проведеного аналізу можна сформулювати основні
вимоги до комп’ютерних блоків керування рівнем токсичності й відповід-
них каналів КПСК паливо-повітроподачею:
КБК повинен забезпечити на кожному експлуатаційному режимі
стехіометричний склад горючої суміші (
a
» 1) для нормального функціо-
нування каталізаторів-окислювачів при допаленні в камерах нейтралізато-
ра токсидів СО й C
n
H
m
;
КБК повинен забезпечити на тих же режимах спеціальні віднов-
лювальні середовища для розкладання токсиду NO
x
на нетоксичні
речовини у камері нейтралізатора цього токсиду;
обидві КПСК повинні на усталених режимах та при перехідних
процесах оптимізувати склад горючої суміші (по
a
) та параметри двигуна
(q, t
z
, p
z
тощо) за критерієм мінімізації концентрації токсидів у ВГ, в тому
числі на холостих ходах, примусовому холостому ході, режимах N
e
max
,
M
e
max
й переходах до них і з них;
КБК повинен на експлуатаційних режимах здійснювати
керування схемою рециркуляції ВГ за критерієм зниження токсичності ви-
кидів за умови несуттєвого погіршення g
e
;
297
КБК повинен керувати подачею додаткового повітря в окислю-
вальні камери.
Повинні бути складені й реалізовані в КПСК, КБК програми керу-
вання ДВЗ, рециркуляцією й нейтралізатором на основі зняття регулюва-
льних характеристик токсичності викидів двигуна в умовах експлуатації.
Дуже принциповою є загальна вимога: програми керування токсич-
ністю ДВЗ повинні відповідати діючим та враховувати перспективні норми
на токсичність бензинових двигунів. Для прикладу наведемо такі норми
для США (табл. 5.1). Підкреслимо, що таких норм дуже багато, оскільки
вони встановлюються за регіонами, країнами для самих різних класів дви-
гунів.
Таблиця 5.1 – Граничні значення викидів токсичних речовин
з ВГ легкових автомобілів, встановлені у США [4]
Викиди, г/мілю
Рік
СО C
n
H
m
NO
x
1993 3,4 0,25 0,4
2003 1,7 0,125 0,2
У дизелях при згорянні отримуються токсиди, дещо відмінні від та-
ких у двигунах з іскровим запалюванням. Основні компоненти дизельних
викидів: оксиди азоту NO
x
й і сажеві частинки з канцерогенними адсорбе-
нтами. Концентрація СО, C
n
H
m
у відпрацьованих газах дизелів звичайно
невелика, бо у робочій суміші завжди є значний надлишок кисню (a > 1).
На швидкість створення NO
x
, як і у бензинових двигунах, дуже
впливає Т
max
в локальних зонах спалахування з a = 0,8...1,0. З урахуванням
підвищених ступенів стиску
e
у сучасних дизелів (
e
=20 та вище) зміст
NO
x
у відпрацьованих газах приблизно такий же, як і у двигунів з іскровим
запаленням (з можливим перевищенням у 2 рази).
Частинки сажі також створюються у зонах Т
газ
max
та недоліку кисню
й характеризують димність.
Як і для бензинових двигунів, токсичність викидів залежить від ре-
жимів роботи, e , q, і т.ін. Ці викиди також жорстко нормуються (табл.5.2).
298
Таблиця 5.2 – Нормативи емісій ЄЕС для дизелів легкових
автомобілів [5], г/мілю
Норматив [5]
Емісія
1993 – EURO I
1996 –
EURO II
2000 –
EURO III
2005 –
EURO V (план)
Тверді час-
тки
0,29 0,20 0,10 0,06
СО 8,00 1,50 0,95 0,74
C
n
H
m
+NO
x
2,00 1,60 0,86 0,46
Для зниження токсичності й димності відпрацьованих газів дизелів
застосовують різні способи, в тому числі:
· удосконалюють процеси сумішоутворення й згоряння шляхом
підбору конструкцій камер згоряння й випускного тракту, характеристик
паливоподачі й розпилювання, тиску наддуву, e , q та ін.;
· поліпшують фізико-хімічні характеристики палива, в тому числі
добавленням відповідних присадок, які роблять більш ефективним процес
вигоряння;
· застосовують автомати, або виконавчі механізми в КПСК, що за-
стережують перезбагачення суміші при перехідних процесах, пов’язане з
відставанням повітроподачі від паливоподачі до циліндрів у зв’язку з інер-
ційністю ТК;
· застосовують часткову рециркуляцію відпрацьованих газів на
режимах малих навантажень й холостого ходу (до 20 % від об’єму заряду),
що може зменшити на 40–50 % концентрацію NO
x
. Цей ефект, як і у дви-
гунах з іскровим запалюванням, пов’язують зі зменшенням максимальної
температури робочого циклу та концентрації кисню в горючій суміші. На
жаль, рециркуляція ВГ у дизелях збільшує витрату палива й викиди СО;
· застосовують каталітичні (трикамерні) нейтралізатори, що
вбудовуються у випускні колектори дизеля. В них під впливом каталізато-
ра або високих температур газів у циліндрах окислюється значна кількість
СО, C
n
H
m
, що містяться у ВГ.
· специфікою робочого процесу дизелів є те, що на будь-якому ре-
жимі в циліндрах a > 1, тобто у відпрацьованих газах завжди присутній
299
вільний кисень. Це утруднює створення в нейтралізаторі відновлювальні
середи для розкладання в ній токсиду NO
x
на нетоксичні речовини.
Для подолання цієї труднощі вже розроблені конкретні заходи [3].
Так, в патентах США, Японії, Німеччини та інших провідних країн
рекомендуються засоби, що базуються на знешкодженні ВГ дизелів від
NO
x
використанням аміаку (відновлювач, що важливо, бо треба зменшити
a до 1,0), який вприскується у випускний колектор з подальшою подачею
ВГ в каталітичний нейтралізатор окислювального типу. Засоби забезпечу-
ють ступінь нейтралізації ОГ від NO
x
на 80 % при t = 200–600 °С, залежно
від навантаження і t
газ
(t
вг
). Рідинний аміак, що зберігається в окремому ба-
лоні, вприскується у трубопровід форсункою під тиском 1,4 МПа окремою
секцією паливного насоса. Витрати аміаку складають 0,1–10 % від витрати
палива.
У японській розробці аналогічного заходу для відновлення NO
x
пе-
редбачено отримання NН
3
(аміаку) в одному з нейтралізаторів.
Запропоновані й спеціальні каталізатори для очищення ВГ від NO
x
.
Подібний каталізатор забезпечує розпад NO
x
в окислювальній атмосфері
на N
2
й O
2
; в ньому використані метал Re й суміш його із СО; додається
присадка Li
2
O (0,2 %).
Інший нейтралізатор каталітичного очищення ВГ від NO
x
запропо-
нований на основі двооксиду ванадію та оксиду титану з додатком окису
алюмінію та інш. До ВГ підмішують NН
3
, який на поверхні матриці нейт-
ралізатора вступає в реакцію з NO
x
з утворенням азоту та води.
Серед відзначених заходів, як і у бензинових двигунах, досить ефек-
тивні ті, які сприяють оптимізації на експлуатаційних режимах складу су-
міші (a) , q, й Т
газ
max
.Такою оптимізацією керують КПСК у складі КСК
ДВЗ; вони ж регулюють рециркуляцією.
Керування нейтралізатором покладено на КБК рівнем токсичності.
Проведений розгляд проблеми токсичності дизелів дозволяє сформу-
лювати вимоги до означених КПСК та КБК.
Практично вони повторюють вимоги для бензинових двигунів за ви-
нятком пункту про забезпечення стехіометричного складу суміші на екс-
плуатаційних режимах, оскільки в дизелях завжди a > 1.
Додаються вимоги до КБК стосовно керування вприскуванням NН
3
до першої (по ходу ВГ) відновлювальної камери нейтралізатора (тут відбу-