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.

310

внутрішньої рециркуляції, що забезпечує відповідне регулювання

фаз газорозподілу, а точніше, перекриття клапанів;

зовнішньої рециркуляції з застосуванням керованих перепускних

клапанів на випускному тракті.

В обох випадках ВГ направляються назад до КЗ для зниження мак-

симальної температури згоряння з метою уповільнити створювання токси-

ду NO

Проблема електронного керування фазами газорозподілу вже висвіт-

лена вище, у гл. 4.

Розглянемо електричне керування зовнішньою рециркуляцією. На

рис. 5.14 показаний приклад схеми означеної рециркуляції.

Практично вже всі сучасні системи рециркуляції функціонують за

принципом саме зовнішньої рециркуляції ВГ.

Рисунок 5.14 – Схема каналу рециркуляції ВГ у складі КСУ ДВЗ:

1 – рециркуляція ВГ; 2 – електропневматичний перетворювач; 3 –

клапан

рециркуляції; 4 – електронний пристрій керування; 5 –

датчик масової

витрати повітря; n – частота обертання колінчастого вала; p

, T

– відповідно

тиск та температура наддуву

311

Все частіше КПСК паливоподачею й КПСК повітропостачанням су-

часних ДВЗ керують цим процесом на основі електромагнітного перетво-

рювача, який включає в роботу клапан каналу рециркуляції.

Верхня межа ступеня рециркуляції ВГ залежить від збільшення ви-

кидів СО, зростання g

та ін. У режимі холостого ходу рециркуляцію вза-

галі відключають, бо на такому режимі концентрація NO

у ВГ несуттєва.

Найбільший ефект вона дає на часткових режимах.

Одним з недоліків усіх схем рециркуляції є те, що на клапанах газо-

розподілу й каналу рециркуляції в трубопроводах створюються відкладен-

ня у вигляді нагару від ВГ, що поступово знижує ефективність рециркуля-

ції по мірі відпрацювання моторесурсу двигуна.

5.2. Електронне керування кліматичною адаптацією ДВЗ

Специфіка кліматичних умов у регіонах світу суттєво впливає на ро-

боту ДВЗ.

Такі зовнішні діяння, як запилення повітря, підвищені температури й

вологість навколишнього середовища, падіння атмосферного тиску в умо-

вах високогір’я та ін. погіршують основні техніко-економічні показники

силових установок з двигунами і перш за все – продуктивність машин, па-

ливну й мастильну економічність, моторесурс і безвідмовність тощо.

Узгоджене керування паливо – і повітроподачею в циліндри двигунів

з використанням КПСК цими процесами являє собою найбільш плідний

підхід в забезпеченні кліматичної універсальності ДВЗ.

5.2.1. Шляхи забезпечення кліматичної адаптації ДВЗ та вимоги

до КБК з таким пристосуванням

У регіонах жаркого клімату та високогір’я треба в першу чергу за-

безпечити незмінність потужності, паливної економічності, динамічних

якостей двигунів та їхню потрібну надійність.

Оскільки в таких випадках показники двигунів погіршуються, бо па-

дає масова витрата повітря крізь циліндри (зменшується питома його вага),

треба запроваджувати заходи щодо підтримання стабільності витрати пові-

тря при зміні кліматичних умов. Не менш важливо здійснювати й корекцію

паливоподачі, а точніше – адаптацію паливоподачі до кліматичних факто-

рів, з тим, аби стабілізувати a.

312

У сучасних моделях двигунів такі проблеми вирішуються за рахунок

розширення функцій КСК шляхом застосування електронних засобів керу-

вання кліматичною адаптацією.

Як і при керуванні рівнем токсичності, такі існуючі та додаткові за-

соби об’єднують у КБК кліматичної адаптації, що дозволяє задіяти всі не-

обхідні зворотні зв’язки поміж двигуном і кліматом.

Зупинимося на шляхах узгодження результатів керування двигуном з

кліматичними змінами на базі мікропроцесорної техніки.

Регульований наддув – ефективний засіб кліматичної адаптації дви-

гуна, коли автоматично підтримується необхідний для кожного експлуата-

ційного режиму рівень наддуву при будь-якій зміні тиску навколишнього

середовища. Без такої кліматичної адаптації тиску наддуву двигун при ро-

боті на високогір’ї буде “задихатися”, втрачаючи потужність турбіни ТК,

та t

, g

, N

На відміну від кліматичної корекції повітроподачі, яка не потребує

якихось особливих виконавчих пристроїв, крім традиційних для КПСК

(оскільки не змінюється командний параметр (p

/ t

), для здійснення кліма-

тичної корекції паливоподачі доводиться розробляти спеціальні виконую-

чи засоби, що реагують саме на кліматичні характеристики. Такі пристрої

вбудовуються в ЕР, КПСК.

Подібний системний підхід дозволяє відмовитися від використання

спеціальних кліматичних коректорів дозування палива – висотних корек-

торів з некерованим керуванням або застосування термосилових елементів

для заторможення подачі бензину. В дизелях можна відмовитись від коре-

кторів паливоподачі анероїдного типу, муфт зміни випередження вприску-

вання і т.д.

Аналіз шляхів кліматичної адаптації сучасних ДВЗ дозволяє сфор-

мулювати основні вимоги до КБК регіональною (кліматичною) адаптаці-

єю. До них відносять:

v стабілізацію номінальної (максимальної) потужності та високої

паливної економічності двигуна у всьому діапазоні зміни кліматичного

фактора при введених обмеженнях по токсичності викидів;

v збереження моторесурса двигуна, який функціонує в екстремаль-

них кліматичних умовах;

313

v забезпечення уніфікації конструкцій виконавчих пристроїв для

КБК з кліматичною адаптацією й КПСК паливо – та повітропостачанням.

5.2.2.Особливості КБК кліматичною адаптацією ДВЗ

Такі КБК повинні враховувати специфіку бензинових двигунів й ди-

зелів. Тому розглянемо їх окремо.

КБК кліматичною адаптацією бензинових двигунів повинний задо-

вольняти одну з важливих вимог, що ставиться до паливної апаратури су-

часних ДВЗ – забезпечувати оптимальну автоматичну зміну паливоподачі

та кута випередження запалювання залежно від параметрів навколишнього

середовища й теплового стану двигуна. Останнє дозволяє врахувати й ви-

могу до кліматичної адаптації – підтримання високого моторесурсу при

тривалій експлуатації двигуна в будь-якому регіоні з екстремальними умо-

вами.

Із КСК ДВЗ з КБК кліматичною адаптацією треба виділити систему

Bosch Motronic, в якій кліматичний фактор безпосередньо врахований при

розробці КБК за рахунок адаптації складу горючої суміші за a до цього

фактора. Командний сигнал керування паливоподачею формується за по-

казниками датчика масової витрати повітря, тобто за комплексним крите-

рієм, що найбільше реагує на будь-які зміни кліматичних умов. Калібровка

(настройка) КПСК паливоподачею періодично корегується за сигналами

датчика змісту кисню у ВГ. Таке корегування дозволяє виключити наслід-

ки зміни характеристик витрати повітря під впливом кліматичного факто-

ра, наприклад, запобігти перезбагаченню горючої суміші при експлуатації

двигуна у висотних умовах. Фірмою розроблена й модифікація КБК над-

дувом при врахуванні швидкої зміни температури зовнішнього середови-

ща. Система Bosch Motronic має особливості: вона забезпечує адаптацію

паливоподачі при пуску й прогріві двигуна залежно від температури повіт-

ря на вході в нього, а також корекцію кута випередження запалювання на

режимах холостого ходу й пуску в залежності від тієї ж температури. Крім

того, КСК передбачує захист двигуна від перегріву, що особливо актуаль-

но при експлуатації двигуна в тропіках.

Аналогічні підходи використовують фірми Ford, Toyota, Nissan Mo-

tor та інш. [3].

314

Перспективними є багатомірні КСК автомобільними двигунами, які

здійснюють одночасне керування a та j

зап

Підкреслимо, що всі розглянуті КСК мають добру кліматичну адап-

тацію, оскільки вона здійснюється за масовою витратою повітря (команд-

ний сигнал), тобто як за тиском, так і за температурою навколишнього се-

редовища.

Прикладом адаптивного КБК у складі КСК двигуна є розробка фірми

Daimler Bens та Bosch [3]. Цей електронний пристрій, крім звичайних дат-

чиків і каналів керування (n, t

ох

та ін.), включає адаптивний канал корегу-

вання кута випередження запалювання залежно від висоти над рівнем мо-

ря.

В КБК кліматичною адаптацією важливу роль відіграють датчики

тиску навколишнього середовища (атмосферного тиску) p

На відміну від механічних корегуючих засобів, дію яких важко роз-

повсюдити на агрегати холостого ходу, в КБК регіональною адаптацією

параметр p

як важлива кліматична характеристика врахований на всіх екс-

плуатаційних режимах, включаючи холостий хід.

Датчик p

може виконуватися у вигляді анероїдного елемента, внут-

рішня порожнина якого запаюється при тиску 101 кПа. Із зміною p

ане-

мометр деформується, приводячи у дію корегувальний потенціометр, який

послідовно включений у коло інформації датчиків КБК (і КСК).

При складанні програми настройки датчиків p

слід виходити із за-

лежності витрат повітря та витрат палива від p

0н

пп0н

GGGG

»m=

де m - відношення тиску повітря p

на висоті Н над рівнем моря до його ти-

ску на рівні моря p

З цих співвідношень бачимо, що із зменшенням p

й без корегування

складу горючої суміші остання буде збагачуватися.

Така настройка дозволяє забезпечити складання програми адаптив-

ного регулювання ТК, тобто наддуву (рис.5.15), при зміні висоти місця ро-

боти двигуна над рівнем моря p

. На цьому графіку всі параметри наведено

у відносних величинах (по відношенню їх до значень при Н = 0). Тут:

315

– ступені підви-

щення тиску відповідно у комп-

ресорі і турбіні;

– тиски відповідно

на вході в циліндр двигуна та на

виході з нього;

– температура ВГ пе-

ред турбіною;

– потужність турбіни;

– коефіцієнт місцевих

аеродинамічних втрат.

На рис.5.15 показана про-

грама КБК кліматичним повіт-

ропостачанням, яку слід реалі-

зовувати регулюванням ТК, про

що детально говорилося у главі 4.

Треба також складати, реалізу-

вати й програму корегування паливо-

подачі при змінах кліматичного фак-

тора. Про способи такого керування

також детально говорилося у гл. 3.

Кінцевий результат адаптації

КБК порівнює з занесеними у пам’ять

мікро-ЕОМ залежністю a = f(H) та

залежністю N

= j(H), які реально

повинні отримуватися як результат

обробки відповідних регулювальних

характеристик конкретного типу дви-

гунів. На рис. 5.16 наведено такі за-

лежності для бензинового двигуна

[6].

КБК кліматичною адаптацією

дизелів, як і для бензинових двигунів,

Рисунок 5.15 – Залежність парамет-

рів настроєного газоту

рбонаддуву

від ви

соти над рівнем моря

(автомобільний д

зель)

0,80

0,60

0,40

0,75

0,85

0,95

1,10

1,20

1,30

1,40

500

1500

2500

Н,

Рисунок 5.16 –

Залежність

коефіцієнта надлишку повітря a

й потужності N

бензинового

двигуна від висоти над рівнем

моря:

1 – факторний; 2 – оптимальний рі-

вень a

2000

4000

Н, м

, %

316

також вбудовують у КСК ДВЗ.

Прикладом такого підходу є КСК фірми Bosch [3], яка включає дві

КПСК (паливо – та повітропостачанням), за допомогою яких, крім основ-

них функцій, здійснюються висотна (за p

) й температурна (за t

) корекції

складу робочої суміші (a). Це зберігає потужність й економічні показники

дизеля при зміні кліматичного фактора у широкому діапазоні. Основна ме-

та розробки – створення комп’ютерного керування сумішоутворенням у

дизелі, що дозволяє оптимізувати подачі палива та повітря на всіх експлуа-

таційних режимах роботи дизеля з корегуванням цих подач залежно від

кліматичного (зовнішнього) фактора, а також поліпшити холодний пуск й

знижувати рівень димності ВГ на всіх режимах, у тому числі при розгоні.

КСК фірми Bosch показана на рис.5.17.

13 14

Рисунок 5.17

–

Схема КСК фірми

Bosch

з ЕР:

1 – датчик тиску наддуву; 2 – датчик t

; 3 – датчик t

ох

; 4 –

передача сигналу закінчення

подачі палива; 5 – датчик швидкості автомобіля; 6 – регулювання швидкості руху; 7 –

датчик положення педалі управління рухом; 8 – датчик температури палива; 9 –

електромагнітний клапан зупинки; 10 – датчик положення рейки ПНВТ; 11 –

передача

режиму виконання діяння; 12 – передача режиму витрати; 13 – перший комп’ютер; 14 –

другий комп’ютер; 15 – вихід КСК; 16 – діагностика підсистеми паливоподачі; 17 –

режим захисту; 18 – контрольний показник; 19 – гальма двигуна; 20 – зчеплення; 21 –

керування гальмами автомобіля

317

Керування здійснюється порівнянням вихідних параметрів дизеля

, g

, p

, Т

газ

, димність) з програмою такого керування, яка показана на

рис. 5.18. Маса повітря визначається за p

, який враховує вплив кліматич-

ного фактора (p

, t

). Встановлений датчик температури палива також

сприяє корекції паливоподачі залежно від впливу t

на підігрів палива. Мо-

ва йде не тільки про корегування g

, а й про корегування q (фаз паливопо-

дачі). На рис.5.18 показані результати експериментів по кліматичній на-

стройці КБК.

На дизелі, оснащеному ЕР, встановлюється й датчик температури

палива, отже, збереження маси палива при змінах температури навколиш-

нього середовища може контролюватися й сприятиме кліматичній адапта-

ції за критерієм незмінності N

дизеля або димності при роботі дизеля в

тропічних умовах.

5.3. КБК вторинним використанням теплоти в ДВЗ

Серед перспективних засобів поліпшення експлуатаційної паливної

економічності дизелів відносною простотою, доступністю й широкими

можливостями характеризується утилізація теплоти, відведеної від дизеля з

відпрацьованими газами (ВГ) в систему його охолодження та далі – в на-

вколишнє середовище. Ця теплота, що утилізується, може характеризува-

тися як потеційна теплота двигуна.

Рисунок 5.18 –

Вплив

температури наддуву t

на

, M

, димність, T

газ

, p

дизе

ля з ЕР (літраж 15 л)

з проміжним охолоджен-

ням наддувного повітря):

о¾о 4 °С

х¾х 24°С

D¾D 44 °С

100

200

100

150

100

150

100

, %

n, %

, %

газ

, %

Димність, %

318

Отримані обнадійливі результати зменшення на 10 – 15 % витрати

палива при використанні утилізації скинутої теплоти в автотракторних ди-

зелях [7].

В НТУ “ХПІ” створено наукову школу з напрямку глибокої вторин-

ної утилізації скинутої теплоти ДВЗ, досягнення якої загальновідомі [8, 9,

10, 11].

Ці розробки використовуються при створенні перспективних вітчиз-

няних автотранспортних дизелів з метою підняти їхній технічний рівень до

світових здобутків.

5.3.1. Наукові основи керування утилізацією теплоти в

турбокомпаундних дизелях

Загальновідомо, що більша частина теплоти, підведеної до робочого

тіла ДВЗ при згорянні палива в циліндрах, не перетворюється в ефективну

роботу, а відводиться в навколишнє середовище (табл.5.3), причому доля

цього тепловідводу ще здатна здійснювати роботу, бо містить її працездат-

ну частку, або ексергію [7, 8, 9, 10]. У табл. 5.3: q

вг

, q

ох

– відносні втрати

теплоти з випускними газами та в охолоджувальну воду (ОВ).

Таблиця 5.3 – Часткові теплові баланси ДВЗ (%)

Тип ДВЗ

вг

ох

Бензинові 22 – 29 30 – 55 20 – 35

Дизельні, в тому числі 35 – 46 23 – 42 15 – 27

– без наддуву; 29 – 42 25 – 35 20 – 35

– з помірним наддувом; 35 – 45 25 – 45 10 – 25

– з високим наддувом 40 – 48 20 – 45 10 – 18

Підвищення ефективності теплових двигунів за рахунок утилізації

теплоти, що відводиться в навколишнє середовище з ОВ та ВГ, є одним з

найважливіших засобів вдосконалення КСК ДВЗ.

Комбіновані двигуни (КДВЗ) з силовими газовими турбінами (СГТ)

Перспективним напрямом вдосконалення дизелів, в тому числі швидкохід-

них, визнано розробку КДВЗ з СГТ для первинного використання скинутої

теплоти.

319

Ефективність КДВЗ обумовлена її схемою. Комбіновані двигуни мо-

жуть бути з послідовним або послідовно-паралельним розташуванням тур-

біни ТК й СГТ (рис. 5.19). З цих трьох схем кращою є схема а), у якій тур-

біна ТК стоїть першою за ходом руху ВГ [10].

В НТУ “ХПІ” проведено розрахунково-експериментальне дослі-

дження тракторного дизеля типу СМД (4ЧН 12/14) з СГТ, додаткова по-

тужність якої передається на колінчастий вал дизеля через варіатор, що ре-

гулює передаточне відношення між ротором СГТ та n двигуна. Варіатор

дозволяє підтримувати практично постійний ККД цієї турбіни у робочому

діапазоні навантажень. Отриманий реальний економічний ефект від засто-

сування на дизелі СГТ, причому з варіатором на 2 % вищий.

Природно, що ефективність СГТ залежить від ККД цієї турбіни та

турбіни ТК, які не повинні бути меншими, ніж 0,72 – 0,75.

Дизелі з утилізацією (вторинним використанням) збросної теплоти

Найвищий рівень тепловикористання досягнуто у КДВЗ, оснащених

пристроями утилізації теплоти [9, 10]. Виявлена тенденція розширення ви-

користання утилізаційних контурів в ДВЗ наземного транспорту [11].

Одною з найперспективніших є схема КДВЗ як силова установка тра-

ктора, розроблена фірмою Caterpillar (рис. 5.20).

Рисунок 5.19 – Схеми КДВЗ з СГТ:

а –послідовне розташування СГТ та турбіни ТК;

б –паралельне розташування СГТ та турбіни ТК;

в – послідовно-паралельне розташування цих турбін;

1 – охолоджувач наддувного повітря; 2 – компресор ТК; 3 –

турбіна ТК;

4 – СГТ; 5 – редуктор передачі потужності з СТ на колінчастий вал дизеля