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.

410

оцінки доцільності використання КСК у силовому агрегаті на основі ком-

плексного всебічного урахування всіх складових експлуатаційного ефекту,

в тому числі витрат на технічне обслуговування системи.

У цьому зв’язку підкреслимо, що запропоновані, в тому числі й на-

ведені вище, оцінки ефективності двигунів з КСК на основі даних про по-

ліпшення окремих, хоча й важливих показників (паливна економічність,

токсичність ВГ, прийомістість і т.д.), не можуть розглядатися як остаточні

рішення щодо доцільності й перспектив використання комп’ютерних сис-

тем керування у моторобудуванні.

Оцінку техніко-економічної доцільності КСК ДВЗ необхідно здійс-

нювати, виходячи із повної вартості системи

С = С

+ С

+ к

пн

, (7.8)

де С – повна вартість використання КСК (поточна – за конкретне напра-

цювання двигуна у годинах (км)); С

– вартість розробки КСК; С

– вар-

тість виробництва КСК; С

– витрати на експлуатацію КСК за термін ре-

сурсу двигуна; к

пн

– коефіцієнт потенційної надійності, пропорційний на-

працюванню двигуна; при використанні КСК впродовж ресурсу к

пн

= 1;

якщо напрацювання менше ресурсу, к

пн

< 1.

Витрати, які обумовлені технічним обслуговуванням КСК ДВЗ при

експлуатації, залежать від надійності і стабільності роботи системи, від рі-

вня діагностування, профілактичного й ремонтного обслуговування, варто-

сті запчастин й зарплатні персоналу.

На стадії вибору або розробки КСК ДВЗ практично неможливо до-

стовірно оцінити їхню потенційну стабільність під час тривалої експлуата-

ції. Це можливо здійснити лише за результатами напрацювань у реальних

умовах використання, що дозволяє враховувати параметричну надійність

КСК ДВЗ за значенням вірогідності стабільної роботи p(t) < 1 (формула

7.1).

Вище показано, що для кількісної оцінки фізичної надійності зручно

прийняти вірогідність Р(t) безвідмовності КСК ДВЗ в умовах експлуатації

за вказане напрацювання t. Ще раз відзначило, що надійність таких систем

розглядають з урахуванням швидкого розвитку засобів електроніки та під-

вищення їхньої безвідмовності та довговічності.

411

На практиці оцінки за Р(t) виражають введенням у формулу 7.8 спе-

ціально коефіцієнта потенційної надійності, який числово дорівнює сумар-

ному шляху (у мм) усіх рухомих елементів КСК ДВЗ за один оберт колін-

частого вала двигуна за умови усталеного режиму його роботи. Елементи,

які спрацьовують при перехідних процесах (на неусталених режимах), на-

приклад, такі, як датчики режиму прискорення, відключення паливоподачі

і т.п., враховуються однократним спрацьовуванням за кожен перехідний

процес (те ж – у мм пересування). Природно, що к

пн

пропорційний віднос-

ному напрацюванню двигуна (у долях його ресурсу).

При оцінках техніко-економічної ефективності використання КСК

ДВЗ в експлуатації виходять з такого критерію, як оптимальна надійність.

Під оптимальною надійністю КСК розуміють таке значення Р(t), при

якому витрати, пов’язані з розробкою системи керування, її виготовленням

й комплексом витрат на експлуатацію (наприклад, упродовж ресурсу дви-

гуна), будуть найменшими (рис. 7.6). На цьому графіку, як зрозуміло,

пн

= 1.

При побудові таких графіків

враховано, що вартість розробок та

вартість виробництва системи керу-

вання обумовлені рівнем надійності

функціонування КСК, тобто сумарні

витрати С

+ С

зростають з підви-

щенням безвідмовності роботи сис-

теми на двигуні (крива 1), коли Р(t)

збільшується. Враховано також, що з

поліпшенням якості КСК, тобто при

зростанні Р(t), експлуатаційні витра-

ти зменшуються (крива 2).

Виникають умови оптимуму на

графіку повної вартості С (крива 3).

Значення Р(t), що відповідає такому оптимуму Р

опт

повної вартості системи

опт

, й являє собою числові значення оптимальної надійності КСК ДВЗ за

ресурс двигуна.

Слід мати на увазі, що при оцінці витрат, пов’язаних з експлуатацією

системи, повинні враховуватися не тільки витрати на технічне обслугову-

Рисунок 7.6 –

Визначення

оптимальної надійності КСК ДВЗ:

1 – С

+ С

; 2 – С

; 3 – С

опт

Р(t)

опт

(С

+С

)

опт

412

вання КСК, а й суттєва економія коштів, отримана шляхом зниження ви-

трат палива, викидів токсидів з ВГ тощо, що пов’язано з підвищенням яко-

сті керування при застосуванні на двигуні КСК. В таких випадках витрати

можуть мати складові, які заносяться із знаком мінус до формули 7.8.

7.6. Приклади системних тестів сучасних КСК ДВЗ

Компактні системні тести KTS 300 й KTS 500 (рис.7.7, 7.8) широко

застосовуються для перевірок електронних систем керування ДВЗ.

Тестери KTS фірми Bosch самостійно ідентифікують системи з фун-

кцією самодіагностики, тестують БСІ й виконавчі механізми, видають ін-

формацію у таких системних групах:

· КПСК паливоподачею та запалюванням у бензинових двигунах;

· КПСК паливоподачею у дизелях;

· прилади безпеки;

· прилади керування трансмісією; прилади комфорту;

· форсунки вприскування;

· реле тощо.

Компактний системний тестер KTS 300 використовується для зчиту-

вання кодів помилок з пам’яті КСК ДВЗ з самодіагностикою.

Тестер KTS 500 – новий прилад на базі ПК – має додаткові можливо-

сті:

◑ графічне подання сигналів на екрані;

◑ мультиметр для вимірювання й подальшої обробки різних пара-

метрів;

◑ схеми, інформація;

◑ діагностика вузлів на 14 мовах для 27 марок автомобілів;

◑ живлення від бортового акумулятора або від вбудованого акуму-

лятора.

Мультиметр має осцилограф; його шпаруватість 2 %– 98 %; трива-

лість імпульсу 250 мкс – 5 мс; температура вприскування –50 °С, + 200 °С.

Робочі можливості мультиметра:

413

Рисунок 7.7

–

Компактний системний тестер

KTS

300

Рисунок 7.8 – Переносний системний тестер KTS 500

414

Дизельний двигун:

● кількість обертів 600 – 0000 хв

–1

;

● тривалість вприскування 0,6 мс – 30 мс.

Бензиновий двигун:

● кількість обертів 600 – 15000 хв

-1

;

● напруга запалювання 0 – 8 кВ;

● напруга акумулятора 2 – 35 В;

● струм акумулятора до 600 А;

● момент вприскування 0 – 17 мс.

Контрольні запитання й завдання

1. У яких умовах працюють КСК ДВЗ на силових установках?

2. Що таке стабільність (параметрична надійність) КСК ДВЗ, як її

оцінювати?

3. Що таке фізична надійність КСК ДВЗ?

4. Які функції покладаються на діагностування КСК ДВЗ?

5. Які особливості побудови й принцип діагностування таких систем

керування?

6. Сформулюйте особливості, можливості й логіку самодіагносту-

вання КСК ДВЗ.

7. Які функції бортової діагностики передбачено міжнародними

стандартами?

8. Що таке адаптивна функція самодіагностування?

9. Охарактеризуйте діагностичне обладнання для перевірки неспра-

вностей КСК ДВЗ.

10. Що таке тестування надійності елементів КСК ДВЗ?

11. Охарактеризуйте загальні процедури тестування КСК ДВЗ.

12. Охарактеризуйте процедури тестування компонентів КСК ДВЗ.

13. Що таке контрольно-діагностичні випробування КСК ДВЗ?

14. Як зробити техніко-економічну оцінку доцільності використання

КСК ДВЗ?

15. Що таке оптимальна надійність КСК ДВЗ?

415

Список літератури

1. Шеховцов А.Ф. Компьютерные системы управления ДВС: Уч.

пособие. – Харьков: ХГПУ, 1995. –256 с.

2. Диагностика систем впрыскивания. – М.: Автомеханик, 1997. –

№6. – С.60–63.

3. Коды неисправностей систем управления двигателем и топлив-

ных систем. Техн. рук. по диагностике. – М.: Петит, 2000. – 236 с.

4. Автомобильный справочник (Bosch): Перевод с англ. Первое

русское издание. – М.: Издательство “За рулем”, 2000. – 896 с.

416

Глава 8. МАЙБУТНЄ КОМП’ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

КЕРУВАННЯ ДВЗ

Поряд із вдосконаленням робочих процесів, конструкцій, матеріалів і

технології виготовлення ДВЗ відносно швидко дає суттєвий ефект розви-

ток комп’ютерного керування двигунами.

Очікуваний у найближчі 5-10 років перехід на більш досконалі, ніж

електронні, оптоелектронні, волоконні та інші засоби передачі й обробки

інформації, безумовно, ще розширять ефективність керування двигунами.

Але й сучасні інформативні і комп’ютерні технології, що враховують

унікальні специфічні особливості ДВЗ як об’єкта комп’ютерного керуван-

ня, дозволяють поліпшити всі показники його технічного рівня та, в кінце-

вому рахунку, конкурентоспроможність.

Головна мета застосування КСК ДВЗ – поліпшення еколого-

економічних характеристик за рахунок індивідуально-комплексної оптимі-

зації робочого процесу у кожному циклі кожного циліндра. Вона досяга-

ється оптимізацією на основі сучасних алгоритмів керування щодо витрати

палива і якості перехідних процесів при виконанні обмежень за екологією

й іншими параметрами.

Обов’язковою умовою реалізації ефективного комп’ютерного керу-

вання ДВЗ є наявність у ньому КПСК паливо – повітропостачанням. Най-

більш ефективні із серійних акумуляторні підсистеми з електрокерованими

форсунками (ЕГФ). Електрогідравлічні форсунки містять електромагнітні

керовані клапани й гідравлічний підсилювальний (мультиплікаторний)

привід голок форсунок. Але ряд фірм (Simens, Bosch) вже налагодили ви-

робництво й більш досконалих ЕГФ з п’єзоелектричними клапанами. В

акумуляторних КПСК паливоподачі гарантується індивідуальне керування

вприскуванням по комплексу критеріїв: тривалість, фаза, тиск й форма ха-

417

рактеристики, що необхідно для оптимізації робочого процесу у кожному

циклі кожного циліндра в будь-який момент часу будь-якого експлуата-

ційного режиму роботи двигуна аж до відключення подачі палива в окремі

циліндри (цикли) на часткових режимах й холостих ходах.

Саме акумуляторні електронні паливні системи забезпечують вико-

нання автомобільними дизелями вимог не тільки EURO-3, а й наступних

нормативів, ще більш жорстких.

Комп’ютерне керування параметрами повітряного заряду створює

додаткові суттєві можливості оптимізації робочих циклів ДВЗ.

Заслуговує уваги патент ХКБД (м.Харків) по створенню диферен-

ційного зв’язку компресора і турбіни з колінчастим валом транспортного

двотактного швидкохідного дизеля типу 6ДН.

Запропоновані схеми регульованого приводу нагнітача, передатне

відношення якого змінюється за командою бортового комп’ютера залежно

від трьох параметрів: частоти обертання колінчастого вала, навантаження

двигуна та температури навколишнього середовища. Для поліпшення тя-

гових характеристик, середньоексплуатаційної витрати палива запропоно-

вано введення в схему повітропостачання дизеля механізму безступінчас-

тої зміни передатного співвідношення привода наддувного компресора.

При зменшенні n механізм збільшує передатне відношення, що дозволяє

суттєво поліпшити характер протікання зовнішньої характеристики транс-

портного дизеля. При цьому коефіцієнт пристосованості збільшився з 1,20

до 1,36 (на 13 %) при різкому розширенні діапазону робочих частот обер-

тів колінчастого вала з 1,37 до 1,75 (тобто на 28 %).

Із кількості відомих електронних (електронно-керованих) підсистем

наддуву найбільш перспективні системи, які використовують безпосеред-

ньо у ТК вбудовану зворотну електричну машину, частіш всього – змінно-

го струму. Зручно називати такий агрегат електротурбокомпресором [3].

У процесах пуску, розгону, на холостих ходах та малих навантажен-

нях електрична машина у режимі електромотора, який живиться від інвер-

тора, що генерує змінний електричний струм регульованих частоти й на-

пруги, створює додатковий крутний момент на валу турбокомпресора. Ін-

вертор живиться від генератора, пов’язаного безпосередньо з колінчастим

валом двигуна та/або від акумуляторної батареї. Електромотор розганяє

турбокомпресор до досягнення оптимального за витратою палива тиску

418

наддуву. На режимах максимальної потужності додатковий крутний мо-

мент не потрібен і він може відключатися.

Очевидно, що максимальна потужність від електромотора потрібна

короткочасно при перехідних процесах. Вона може бути отримана від ге-

нератора й акумулятора, що вмикатимуться паралельно. Крім того, у ре-

зультаті додаткового електропривода підвищуються тиск наддуву й витра-

та повітря дизеля, а відповідно, й потужність, яку розвиває турбіна. Тому

необхідна добавка електричної потужності складає тільки біля половини

від потрібної для бажаної розкрутки ротора турбокомпресора. Тривалу не-

обхідну потужність мотора треба мати до 1,5 % від потужності дизеля.

Більш раціональним є варіант, у якому на всіх режимах роботи дизе-

ля максимально використовується енергія ВГ. Надлишкова потужність

турбіни, що перевищує необхідну для оптимального тиску наддуву, може

безпосередньо додаватися мікроконтролером БСІ до потужності головного

генератора, що розкручується двигуном.

Ефективність наддуву з електротурбокомпресором визначається пе-

ревищенням потужності дизеля (в результаті збільшення h

при оптимізації

тиску наддуву) над затратами енергії на додатковий електропривід комп-

ресора.

Для дизелів вантажних автомобілів при використанні тільки режиму

мотор-генератора зниження g

у порівнянні з нерегульованим вільним ТК

складає до 6 г/кВт·год, а зниження середньоексплуатаційної витрати пали-

ва досягло 5 г/кВт·год. Час виводу дизеля з холостого ходу на номінальну

частоту обертання й повну потужність при використанні моторгенератора

в турбокомпресорі скорочується на 30-35 %.

Радикальне поліпшення показників ДВЗ на часткових режимах й при

перехідних процесах пов’язують з електронним гнучким керуванням гео-

метрією впускних та випускних каналів й рециркуляцією ВГ, що забезпе-

чує додаткове поліпшення робочих циклів двигунів й доцільно вводити

одночасне з керуванням ТК. Вже почалося застосування газорозподілу з

електропневматичними клапанами на двигунах легкових автомобілів, лег-

ких та важких вантажних автомобілів.

Більш швидкодіючі, але менш потужні електромагнітні клапани зна-

ходять застосування для керування газорозподілом поки що у двигунах

легкових автомобілів. Вони дозволяють, як і електромагнітні форсунки,

419

забезпечити індивідуальну оптимізацію тривалості, фази й переміщення

кожного клапана в будь-який момент часу на будь-якому експлуатаційно-

му режимі роботи двигуна, аж до повного відключення повітроподачі в

окремі циліндри (цикли) й швидкий перехід двигуна у стан гальмування.

Фірма Aura Systems стверджує, що з електромагнітним клапаном EVA при

використанні будь-яких палив (бензину, дизельного, природного газу, ета-

нолу, метанолу) паливна економічність двигуна за рахунок оптимізації

згоряння й втрат на тертя, зниження насосних втрат у експлуатаційному

діапазоні частот обертання колінчастого вала поліпшується на 15 %. За ра-

хунок відключення окремих циліндрів паливна економічність додатково

поліпшується на 16 %. Тобто загальна витрата палива зменшилась більше

ніж на 30 %. Стверджується також, що з клапанами EVA підвищуються

потужність, крутний момент, надійність, знижуються рівень токсичності

викидів, габарити й вартість двигуна [1].

Іншим найважливішим фактором, що визначає ефективність

комп’ютерного керування двигунами, є алгоритми керування, в першу чер-

гу, регулювання частоти обертання й потужності та структури БСІ, які їх

реалізують.

Запровадження раціональних (оптимальних) алгоритмів у поєднанні

подачі палива та повітропостачання забезпечує досягнення гранично мож-

ливих найкращих значень показників якості й конкурентоспроможності.

Це відноситься, перш за все, до точності підтримання n в усталених режи-

мах, до величини максимального відхилення й тривалості перехідних про-

цесів пуску, розгону, навантаження й відпрацювання зміни навантажуваль-

них режимів. Оптимізація системи електронного керування ( по n та N

)

мінімізує заброси частоти обертання у перехідних процесах, дозволяє зни-

зити мінімально усталену n на холостому ході.

У комплекс алгоритмів керування тепер повинні входити в загально-

му випадку алгоритми оптимального адаптивного керування випереджен-

ням, тиском, кількістю й послідовністю фаз, формою характеристики

вприскування, обмеженням паливоподачі, виключенням подачі палива (за

умов, що не забезпечують його ефективне вигоряння), фазами газорозподі-

лу, тиском наддуву тощо [2].

Інформаційні зв’язки, що реалізуються БСІ, крім відзначених ефек-

тів, дозволяють раціонально спростити конструкцію й зменшити масу дви-