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.

300

вається розпад NO

Природно, як і для бензинових двигунів, треба мати програми керу-

вання ДВЗ, рециркуляцією, нейтралізатором на основі робочих регулю-

вальних характеристик викидів дизелів в експлуатаційних умовах. Ці про-

грами повинні відповідати міжнародним нормативам на токсичність дизе-

лів різних призначень.

5.1.2. Особливості побудови КБК рівнем токсичності ДВЗ

Зупинимося на особливостях побудови таких КБК, що складаються з

датчиків, виконавчих пристроїв, електронних засобів формування команд-

них імпульсів й електронізованих каналів зворотних зв’язків (адаптації).

Спочатку розглянемо програмне забезпечення КБК рівнем токсично-

сті. Складанню програми керування каталітичним нейтралізатором повин-

но передувати складання програми керування робочим процесом двигуна,

включаючи регулювання рециркуляцією (реалізується КПСК паливо-

повітропостачанням). Це надасть можливість настроювати нейтралізатор

на зниження токсичності викидів після того, як її вже зменшено за рахунок

попередньо проведеної оптимізації робочого процесу дизеля й процесу ре-

циркуляції ВГ.

Складення програми дозування паливо- і повітропостачанням у ди-

зелі із умов мінімальної токсичності є більш складною задачею, ніж, на-

приклад, програмування найкращої паливної економічності.

Адже у відпрацьованих газах двигунів, наприклад, з іскровим запа-

люванням, присутні й найбільш шкідливі два токсиди: СО (при a < 1) та

(при a > 1).

З рис. 5.1 випливає, що оскільки поява кожного токсиду обумовлена

різними процесами, вплив факторів на їх концентрації у ВГ різні. Треба

складати дві програми, що переускладнює КПСК, тобто не є бажаним.

Краще скласти єдину програму, якщо виходити з оцінок токсичного

ефекту кожного з них, визначивши ці оцінки у відносних величинах в по-

рівнянні з одним із них. Врахуємо, що на базі санітарних нормативів на

граничний зміст токсидів у навколишньому середовищі можна у першому

наближенні так оцінити агресивність компонентів ВГ по відношенню до

токсичності монооксиду вуглецю: СО:NO

=1:10:0,67. Тепер можна

знайти сумарну токсичність SТ на вході в нейтралізатор, приведену до СО

301

у г/(кВт×год), тобто поділену на N

. Далі знаходимо сумарну мінімальну

токсичність для кожного експлуатаційного режиму, тобто для конкретних

, g

, n, q, a, p

, t

та ін.

У результаті й отримуємо програму керування у вигляді співвідно-

шення G

=f(p

) або G

=j(p

труб

), де позначення відповідають рис.2.1. Ці

співвідношення, природно, відповідають умові SТ

ДВЗ

=min та іншим обме-

женням.

За такою програмою керування (для КПСК) й складають власне про-

граму керування КБК за критерієм мінімуму токсичності викидів SТ

вик

піс-

ля нейтралізатора, тобто на останній покладається задача нейтралізації

кількості оксидів, що являє собою різницю DSТ=SТ

ДВЗ

-SТ

вик

Звичайно, програма DSТ

ДВЗ

складається з урахуванням ефекту ре-

циркуляції ВГ.

На рис. 5.4–5.5 показані функціональні схеми мікропроцесорного ке-

рування рівнем токсичності ДВЗ, які забезпечують реалізацію програм та-

кого керування.

Запропоновані конструкції КБК токсичністю викидів ДВЗ різних ти-

пів, але, як правило, такі блоки вбудовуються у комплексні КСУ ДВЗ.

Прикладом такого підходу являється КСУ фірми BMW для дизеля з

турбонаддувом легкового автомобіля. По закладеній у пам’ять мікроЕОМ

багатопараметричної характеристиці (програми) КСК за сигналами відпо-

Рисунок 5.4 - Функціональна схема КБК

очищенням ВГ двигуна з іскровим

запалюванням на основі

трикомпонентного (трикамерного)

нейтралізатора й рециркуляції ВГ:

1 – двигун; 2 – дросель; 3 – клапан перепуску;

4 – зв’язок цього клапана й дроселя; 5 – тракт

перепуску; 6 – нейтралізатор; 7 – відновлюва-

льний реактор; 8 – окислювальний реактор

допалювання СО; 9 – окислюючий реактор

допалювання C

; 10 – подача вторинного

повітря; 11 – l-зонд; 12 – повітроподавальна

магістраль; 15 – паливоподавальна

магістраль; 16 – агрегат подачі вторинного

повітря; 17 – датчик КСК ДВЗ

302

відних датчиків оптимізує значення j

зап

, g

, p

із умови отримання міні-

мальної витрати палива при забезпеченні на кожному експлуатаційному

режимі димності випуску, викидів NO

з ВГ, а також шуму.

Подібні підходи використовуються й в розробках КСК двигунами

різних фірм: Daimler Benz, General Motors, Toyota, Hitachi, Caterpillar, Lu-

cas тощо.

5.1.3. Датчики та виконавчі пристрої КБК екологічними харак-

теристиками ДВЗ

Трикомпонентний каталітичний нейтралізатор, в принципі, здатний

вирішувати задачу забезпечення нормативних значень екологічних показ-

ників ДВЗ.

Рисунок 5.5 - Функціональна схема КБК очищенням ВГ дизеля на основі

трикомпонентного нейтралізатора й рециркуляції ВГ:

1 – дизель; 2 – нейтралізатор; 3 – відновлювальний реактор для нейтралізації

; 4 – окислювальний реактор допалювання СО; 5 – окислювальний реактор

допалювання C

; 6 – подача вторинного повітря; 7 – агрегат подачі цього

повітря; 8 – подача аміаку для відновлення NO

; 9 – агрегат подачі аміаку; 10 –

l-зонд; 11 – КПСК повітроподачею; 12 – КПСК паливоподачею; 13 – повітро-

подвальна магістраль; 14 – паливоподавальна магістраль; 15 – тракт перепуску;

Д – датчики КСК ДВЗ; М

– пристрій подачі вторинного повітря; М

– пристрій

подачі аміаку

303

Однак для його нормального функціонування необхідно, як вказува-

лося вище, створити умови роботи двигуна на стехіометричному (a » 1)

складі робочої суміші.

Складення жорсткої програми для КБК токсичністю із умов виготов-

лення горючої (робочої) суміші постійного стехіометричного складу тра-

диційними засобами не вдається. Дуже різноманітні режими роботи, на-

приклад, автомобільного двигуна й умови його експлуатації.

Очевидно, що без адаптивного автоматичного каналу дозування у

складі КПСК паливо - і повітроподачею поставлену задачу вирішити не-

можливо.

Для такого рішення розроблено спеціальний датчик, що регіструє

стехіометричний склад горючої суміші за присутністю кисню у ВГ. Датчик

отримав назву – l-зонд (тобто зонд, що фіксує склад суміші за коефіцієн-

том надлишку повітря; по-англійські l – адекватно нашому a).

Якщо ВГ подати на такий датчик, то при появі в них кисню (a > 1) на

контактах датчика різко падає напруга; якщо горюча суміш переходить в

зону збагачення (a < 1), то відмічена напруга струму в колі датчика зрос-

тає. Таким чином, датчик дає можливість використовувати його при авто-

матичній стабілізації складу горючої суміші у зоні її стехіометричного

складу і, тим самим, забезпечує ефективне функціонування каталітичного

нейтралізатора.

При включенні l-зонда в КСК ДВЗ канал адаптації стає замкнутим з

контуром зворотного зв’язку й набуває всі властивості програмно-

адаптивних каналів.

Виконавчим пристроєм КБК є все та ж повітряна заслінка, яка своїм

власним установочним пристроєм прикривається чи відкривається на ви-

значений кут. При переході, наприклад, в зону збагаченої суміші в ОГ зни-

кає вільний кисень, датчик О

подає командний імпульс й повітряна заслін-

ка трохи відкривається до моменту появи у ВГ вільного О

. Таким чином,

забезпечується адаптивне підтримання стехіометричного складу горючої

суміші, необхідне для нормальної роботи каталізатора окислювальних ка-

мер.

Будова l-зонда подана на рис.5.6. Чутливим елементом є ковпачок,

виконаний із кераміки ( диоксиду цирконію).

304

Внутрішня й зовнішня поверхні ковпачка вкриті пористою платиною

або її сплавом, який відіграє роль як каталізатора, так і токопровідника

електродів. Диоксид цирконію ZrO

при високих температурах набуває

властивості електроліту, електричний потенціал якого залежить від спів-

відношення парціальних тисків кисню у зовнішній та внутрішній поверх-

нях, а також від температури ковпачка. Датчик набуває властивостей галь-

ванічного елемента й встановлюється у випускному трубопроводі двигуна,

його чутливий елемент омивається ВГ, та якщо в їх складі відсутній кисень

(a < 1), то на його виході з’являється різниця потенціалів біля 0,9 В. При

появі у ВГ кисню (a > 1) різниця потенціалів на виході датчика різко зме-

ншується до 0,1 – 0,15 В (рис.5.7).

Таким чином, датчик працює

у релейному режимі, що й дозволяє

автоматично керувати складом су-

міші, підтримуючи його близько

стехіометричного. Датчик працює у

діапазоні температур газу 350-900

°С. Вище температури 900 °С да-

тчик гріти не слід, тому що це при-

зведе до швидкого його руйнуван-

ня. Зовнішнє покриття виведено

крізь корпус на масу.

Рисунок 5.6 – Датчик кисню (

-зонд) на основі диоксида цирконію:

1 – металевий корпус із різьбою; 2 – керамічний корпус; 3 –

поєднуючий кабель;

4 – зовнішній корпус; 5 – контактний наконечник; 6 –

активний керамічний ковпачок;

7 – захисний ковпачок з прорізями

Рисунок 5.7 – Електричний сигнал

l-зонд

а на основі диоксиду

цирконію

305

Велике значення для нормальної роботи датчика має місце розташу-

вання на випускному трубопроводі двигуна. Чим ближче встановлений да-

тчик до двигуна, тим вище сигнал (напруга) й тим менша його затримка.

Але слід враховувати, що при невеликих відстанях від двигуна починає

виявлятися неодномірність складу ВГ, що поступають у випускний колек-

тор з різних циліндрів, а при віддаленні – зростає затримка сигналу, що

спотворює динамічну характеристику КБК токсичністю. Найбільш прийн-

ятними зонами встановлення датчика є зони на відстані 300–500 мм від

фланця кріплення випускного трубопроводу до колектора.

При температурах менше 300 °С датчик практично вже не працює,

тому при прогріві двигуна й на режимах холостого ходу й малих наванта-

жень, особливо при значних зниженнях температури навколишнього сере-

довища, система нейтралізації ВГ стає малоефективною. Для розширення

діапазону роботи застосовують датчики з електричним підігрівом

(рис. 5.8). Зовнішній вид l-зондів показаний на рис.5.9.

Рисунок 5.9 – Зовнішній вид

зондів цирконієвого типу

Рисунок 5.8 – Обігрівальний

-зонд цирконієвого типу:

1 – корпус зонда; 2 – керамічна захисна труба із шлицями; 3 – приєднувальний

кабель; 4 – захисна труба із шлицями; 5 – чутлива кераміка; 6 – контактна

частина; 7 – захисна гільза; 8 – нагрівальний елемент; 9 – з’єднувальний контакт

для нагрівального елемента

306

Крім цирконієвих датчиків кисню розроблено датчик на основі диок-

сиду титану T

, який являє собою (рис. 5.10) напівпровідник, що має при

звичайній температурі активний омічний опір.

У середовищі з меншим парціальним тиском кисню, ніж у повітрі,

наприклад у ВГ (при a > 1), опір диоксиду титану падає, що фіксується

вимірювальною потенціометричною схемою. Причому з підвищенням те-

мператури даний процес проходить більш інтенсивно й на більш низькому

рівні електричного опору.

За даними випробувань обидва типи датчиків кисню для КПСК з

зворотним зв’язком, що працює по програмно-адаптивній схемі, показують

практично однакові результати за рівнем й стабільністю сигналу.

Слід підкреслити, що цирконійні l-зонди, які найбільш поширені,

створюють електричний сигнал безпосередньо (працюють як електро-

гальваничні елементи), тоді як титанові датчики діють як резистори, що

змінюють електричний опір від складу ВГ, у яких вони знаходяться, тобто

формують сигнал непрямим шляхом.

При реалізації заходів щодо обмеження рівня токсичності ВГ шля-

хом оптимізації складу горючої (робочої) суміші, значень q, Т

газ

max

на екс-

плуатаційних режимах роботи двигуна, включаючи неусталені (при пере-

хідних процесах), використовуються датчики і виконавчі пристрої КПСК

паливо- та повітроподачі. Ці датчики і пристрої розглянуті вище у гл. 3, 4.

Рисунок 5.10 – Датчик кисню на основі TiO

1 – елемент з TiO

; 2 – металевий корпус з різьбою; 3 – керамічний ізоля

тор;

4 – вивідні контакти; 5 – керамічний цемент; 6 – захисний ковпачок

307

Для подальшого покращення екологічних показників ДВЗ викорис-

товуються також й виконавчі пристрої, в яких безпосередньо змінюється

хімічний склад (за компонентами) викидів.

Конструкції таких виконавчих пристроїв КБК токсичністю двигунів

залежать від способу нейтралізації токсидів ВГ.

Найбільше поширення знайшли пристрої для хімічної нейтралізації

та рециркуляції ВГ. Оптимальним вважається одночасне використання ка-

талітичної нейтралізації разом з рециркуляцією ВГ.

Трикомпонентний нейтралізатор (рис. 5.11) улаштований та працює

так.

Рисунок 5.11 –

Трикомпонентний

каталітичний нейтралізатор з

l-зондом [4]:

1 – l-зонд;

2 – керамічний моноліт;

3 – дрібно-сітчастий фільтр;

4 – термостійкий корпус з п

о-

двійною стінкою

Каталітичний нейтралізатор має у середині корпусу носій, на повер-

хню якого наноситься покриття з каталітичного матеріалу. За носій засто-

совується гранульована або монолітна керамічна основа. Монолітна струк-

тура характеризується такими перевагами: максимальним використанням

каталітичної поверхні, довговічністю, фізичною міцністю, низькою тепло-

вою інерційністю.

Активний каталітичний шар являє собою найтонше покриття доро-

гоцінними (благородними) металами (Pt, Rh, Pl), чутливими до змісту сви-

нцю у паливі, при відкладенні якого активність каталітичного шару швид-

ко спадає. Тому двигуни із каталітичними нейтралізаторами повинні екс-

плуатуватися виключно на неетилірованому бензині.

Такий нейтралізатор з l-зондом є найбільш ефективним виконавчим

пристроєм КБК рівнем токсичності.

Три компоненти нейтралізатора (відновлювальний – для NO

та два

окислювальних – для СО й C

) включені послідовно (рис. 5.4, 5.5).

308

Спочатку ВГ надходять на відновлювальний реактор, який нейтралі-

зує NO

, потім для створення окислювального середовища в зону А нейт-

ралізатора (рис. 5.4) підводиться вторинне повітря, кисень якого дозволяє

послідовно допалити СО й C

Для забезпечення відновлювальної середи ВГ перед першим реакто-

ром нейтралізатора двигун за сигналами l-зонда отримує горючу суміш з

коефіцієнтом надлишку повітря a, близьким до стехіометричного, про що

мова йшла вище.

Інакше вирішується питання нейтралізації ВГ у дизелях.

Отже дизелі завжди працюють з a > 1 (окислювальна середа) й нейт-

ралізації NO

практично немає. Тому до NO

у першому відновлювачі слід

штучно додавати NН

(наприклад) й створювати відновлююче середовище

(a » 1); потрібні й відповідні нейтралізатори. Конкретні шляхи нейтраліза-

ції NН

розглянуті вище, у розділі 5.1.2.

До недоліків КБК токсичністю ДВЗ з нейтралізаторами відноситься

необхідність вживати додаткові заходи для забезпечення стабільності ро-

боти цих виконавчих пристроїв у процесі тривалої експлуатації. Ця про-

блема пов’язана з присутністю у ВГ речовин, що “отруюють” каталітичні

покриття камер нейтралізатора (крім Pb ще й S); крім того, вічки каталіза-

тора забиваються сажею, яка знижує його активність. Треба встановлювати

перед нейтралізатором спеціальні сажевловлювачі, працювати на неетилі-

рованому бензині тощо.

На сучасних двигунах, крім l-зондів й датчиків КПСК, встановлю-

ються й інші датчики, перш за все – димоміри, а також інші, крім нейтралі-

заторів, виконавчі пристрої: вприскувачі води у впускний трубопровід, об-

межувачі швидкості переміщення рейки ПНВТ в дизелях, або сповільню-

вачі такого переміщення, тощо.

На рис. 5.12 показаний пристрій для реєстрації рівня димності ВГ,

що є датчиком адаптивного каналу керування рівнем диму на випуску дви-

гуна. Димомір працює за принципом просвічування потоку ВГ за допомо-

гою імпульсу вузькосфокусованого монохроматичного проміння від ви-

промінювального діода. Випромінювання, яке частково поглинається част-

ками сажі й аерозолями, що входять до складу ОГ, приймаються силіконо-

вим фотодіодом. Основними елементами цього оптичного датчика димнос-

ті ВГ дизеля є випромінювач й світлоприймач, замкнені у стакани, розта-

309

шовані діаметрально протилежно на бо-

кових стінках впускного трубопроводу й

захищені світлопрозорими вікнами. Сиг-

нал фотодіода обробляється в КБК.

На рис. 5.13 показаний пристрій

обмежувача диміння дизеля типу СМД-

60 (Україна). Він складається із

діафрагмової коробки 2 та рухомого

упора 5, який встановлено на осі 7, що

запресована у корпус ПНВТ. При розгоні

дизеля пружина 3 через шток 12 та

рухомий упор 5 обмежують переміщення

важеля 6 коректора у бік збільшення g

Обмеження подачі діє до моменту ня подачі діє до моменту досягнення заданого тиску наддуву. Зусилля від

тиску p

передається з ресивера по трубці 13 у порожнину А діафрагмової

коробки, сприймається діафрагмою 1. Діафрагма прогинається та перемі-

щує шток 12, який, перемагаючи опір пружини 3, відводить рухомий упор

5 від важеля коректора, знімаючи тим самим обмеження по цикловій пода-

чі палива. Подальше дозування палива залежно від навантаження двигуна

здійснюється КПСК паливоподачею ДВЗ.

На закінчення, детальніше зупинимося на рециркуляції ВГ як одно-

му з ефективних засобів зниження концентрації NO

у них.

Вона використовується за схемами:

Рисунок 5.12 – Принципова

схема оптичного димоміра КБК

токсичністю:

1 – випромінювач;

2 – монохроматичний луч;

3 – фотодіод

ОГ

Рисунок 5.13 – Обмежувач

диміння тракторного дизеля:

1 – діафрагма; 2 – коробка

діафрагмова; 3, 4 – пружини; 5 –

рухомий упор; 6 – важіль

коректора; 7 – вісь рухомого упора; 8 –

гайка контровочна; 9, 11 –

гайки; 10 – кришка; 12 – шток; 13 –

трубки підведення повітря із

сивер