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.

залежний від цього стан робочого тіла у кожному окремому робочому цик-

лі.

В карбюраторах, наприклад, командним параметром, що визначає

дозування палива, є витрата повітря через дифузор, яка дає можливість

здійснювати безпосередній, без проміжних ланок, вплив на дозування па-

лива. Однак при цьому виникає принципове протиріччя, яке пов’язане з

використанням визначеного командного параметра, і полягає в тому, що

дозування палива в карбюраторі реалізується як процес, обумовлений без-

перервно пульсуючою течією повітря, а споживання горючої суміші у по-

ршневих ДВЗ відбувається дискретно, тобто окремими цикловими порція-

ми.

Дискретність паливоподачі особливо треба враховувати при управ-

лінні перехідними процесами ДВЗ, коли поциклове керування залишається

єдино прийнятним, хоча велика швидкодія змін неусталених режимів, які

складають перехідні процеси, значно ускладнює засоби поциклового дозу-

вання паливоподачі.

Виходячи з усього сказаного, логічно використати інший командний

параметр, який визначає власне поциклове дозування палива, а саме: масо-

ве заповнення циліндра повітрям за один цикл G

, тобто – масу кисню.

Циклова витрата повітря, отже, й окислювача, від якої залежить не-

обхідна доза палива та у підсумку – коефіцієнт надлишку повітря й еколо-

го-економічні показники двигуна, складається з трьох складових:

звордодоснц

GGGG

(2.1)

де

осн

G – основна циклова витрата повітря з моменту відкриття впу-

скного клапана і до моменту переміщення поршня у НМТ;

дод

G – циклова

витрата повітря, яка додатково надходить до циліндру при русі поршня від

НМТ до моменту закриття впускного клапана;

звор

G – циклова витрата по-

вітря, яку повернуто назад до впускного тракту при русі поршня від НМТ

до моменту закриття впускного клапана.

З цієї умови

звк

звкзвк

G = (2.2)

де

звкзвкзвк

,, TVp , – відповідно тиск, об’єм і температура горючої су-

міші у момент закриття впускного клапана. При точному визначенні G

треба ураховувати масу залишкових газів у циліндрі на цей момент.

Оскільки

звк

V та

– стабільні, то

звк

СG » (2.3)

Таку циклову порцію повітря й треба дозувати при управлінні повіт-

ропостачанням циліндрів двигуна на будь-якому експлуатаційному режимі

його роботи або під час перехідних процесів.

Теоретично залежність (2.3) визначає обґрунтований командний па-

раметр при розробці засобів мікропроцесорного керування паливоподачею

ДВЗ за критерієм раціонального (оптимального) рівня коефіцієнта надли-

шку повітря.

Зараз кращі фірми відпрацьовують умови реального застосування

цього командного параметра на двигунах масового використання.

Вони виходять з необхідності прямих і безперервних вимірювань па-

раметрів

звкзвк

, Tp , які потребують спеціальної стробоскопічної мало-

інерційної апаратури з датчиками, що встановлюють у порожнині циліндра

подалі від стінок. Застосовуються датчики з новими фізичними ефектами

(скловолоконна оптика тощо), термоанероїдні засоби та ін.

У літературі з’являються відповідні патенти, що свідчить про деякий

прорив на одному з принципових напрямків підвищення ефективності еле-

ктронного керування ДВЗ на основі використання нестаціонарних команд-

них сигналів, що найбільш відповідатиме реальним умовам протікання ро-

бочих процесів у циліндрах ДВЗ.

Однак такий перспективний підхід ще не набув масового впрова-

дження.

Сьогодні переважає досить обмежений підхід, що цілком грунтується

на квазістаціонарному тлумаченні масового наповнення циліндра. Як ко-

мандний параметр, що характеризує масове наповнення циліндра, дово-

диться використовувати р

труб

– абсолютний тиск у впускному трубопрово-

ді, а як корегуючий параметр – температуру газу в зоні впускного клапана.

Це пов’язано з тим, що в ДВЗ наповнення циліндрів, за інших рівних умов,

залежить у першому наближенні від середнього тиску в циліндрі під час

процесу впуску, який, у свою чергу, обумовлюється тиском у впускному

трубопроводі.

Параметр р

труб

є зручним для складання програм керування дозуван-

ням паливоподачі. По-перше, р

труб

при стабільній температурі повітряного

заряду практично на всіх експлуатаційних режимах двигуна забезпечує до-

сить адекватну інформацію про масове наповнення циліндрів. По-друге,

має здатність впливати на чутливі елементи без стробоскопіювання.

Звичайно, деяка невідповідність командного параметра р

труб

нестаці-

онарності робочого процесу ДВЗ, а тим більше перехідних процесів, погі-

ршує якість роботи КСК ДВЗ.

Інші приклади раціонального вибору командних параметрів КСК

ДВЗ наведено далі, у розділах, що описують різні схеми комп’ютерного

керування системами двигунів, адаптивними каналами.

Однак із наведеного прикладу можна зрозуміти логіку підходу до ви-

бору раціонального командного параметра системи керування.

2.2.2. Складання програми реалізації керувальної дії

Означена вимога формулює необхідність при розробці КСК ДВЗ

складання коректної програми керування на базі зв’язку обраного (раціо-

нального) командного параметра з кінцевим ефектом, який зобов’язана за-

безпечити така система керування.

Залежно від технічного завдання (ТЗ) на КСК ДВЗ можна скласти

різні програми дозування, наприклад, палива: програми забезпечення най-

кращої паливної економічності, найменшої токсичності відпрацьованих га-

зів або найкращої динаміки силової установки.

Можуть, нарешті, складатися й комплексні програми [1].

У розглянутому вище прикладі керування дозуванням палива у бен-

зиновому двигуні метод розробки будь-якої з перелічених програм полягає

у знятті й обробці регулювальних характеристик двигуна за складом горю-

чої суміші, за навантажуючими показниками й рівнями паливної економіч-

ності. За результатами таких експериментів визначається спектр режимів.

Чим більшою буде кількість призначених режимів, тим точніше буде скла-

дено програму керування двигуном. Практично достатньо урахувати 40–50

режимів, тобто зняти 40–50 регулювальних характеристик, де перебира-

ються такі регулювання, як кут випередження (кут випередження вприску-

вання), фази газорозподілу, режими навантажувальних характеристик, ха-

рактеристики паливної апаратури.

Після зняття та обробки регулювальних характеристик для кожного

експлуатаційного режиму знаходяться циклові витрати палива, які відпові-

дають мінімальним питомим витратам палива й максимальним потужнос-

тям двигуна.

Програма забезпечення найкращої паливної економічності склада-

ється як залежність потрібної циклової витрати палива G

пал

ек

від р

труб

(або

від G

– циклової витрати повітря) при мінімальній питомій витраті палива

min

та частоті обертання колінчастого вала двигуна n = const.

Крім того, слід передбачити можливість корекції програми за умо-

вою дотримання залежності G

пал

ек

від n при р

труб

= const та g

min

Відповідно програми забезпечення найкращих динамічних показни-

ків силової установки (автомобіля і т.д.) має вигляд залежності G

пал

Ne=max

від р

труб

при

max

На практиці обидві такі програми поєднують у комплексну програму,

при якій на часткових навантажених режимах реалізується програма най-

кращої економічності, а на повному навантаженні – програма найкращих

динамічних показників. Перехід з однієї програми на іншу в реальних сис-

темах керування здійснюється автоматично за допомогою датчика еконо-

майзера або закладається до пам’яті мікропроцесора.

На рис. 2.1 показана програма дозування паливоподачі для двигуна

типу ЗІЛ-431410 [1], яку розроблено за умовами:

а – найкращої паливної економічності;

б – мінімальної токсичності відпрацьованих газів;

в – максимальної потужності.

Тут: I – зона виключення датчика економайзера;

II – зона паливоподачі на режимах примусового холостого ходу.

Програма задається функцією G

(р

труб

) або функцією тривалості ко-

мандного електричного імпульсу

(р

труб

). Останній виробляється мікро-

процесором разом з його периферійними пристроями за сигналами р

труб

подається на виконавчий пристрій підсистеми дозування паливоподачі.

Підкреслимо, що програма рис. 2.1 відображає локальну програму

керування паливоподачі. Вище було показано, що на практиці дозування

паливоподачею є невід’ємним від дозування повітропостачання, оскільки

кінцевий ефект керування двигуном має бути націлений на забезпечення

оптимальних значень a (коефіцієнта надлишку повітря) на кожному екс-

плуатаційному режимі, які, як відомо, досягаються за рахунок і паливо-, і

повітроподачі.

Далі будуть наведені й інші приклади складання програм реалізації

керувальних діянь КСК двигунів з запалюванням.

Вище розглядалася методика складання програми керування за ре-

зультатами натурних експериментів дослідних зразків двигунів.

У р. 1.2 повідомлялося, що кращі фірми успішно реалізують і чисе-

льні експерименти за розробленими математичними моделями процесів у

ДВЗ та силовій установці в цілому.

Наведемо приклад такого перспективного підходу при створені про-

грами керування дизель-агрегату дизель-потягу ДЕЛ 01 на основі двигуна

типу 6ДН. Ця розробка виконана в 2002 році у ХКБД, м. Харків [2].

Розглядається задача, яку покладено на мікропроцесорну систему ке-

рування частотою обертання колінчастого вала n та потужністю наванта-

ження, що обумовлюється положенням h рейок ПНВТ. Задачею передба-

чено підвищення техніко-економічних показників дизель-агрегату для ди-

зель-потягу.

Розв’язок подібної задачі передбачається отримати за рахунок розро-

Рисунок 2.1

–

Програма керу

вання дозуванням пал

ва

40 55 70 85

ІІ

труб

, КПа

пал

/л

мс

бки і використання в мікропроцесорній системі оптимальних алгоритмів

керування.

Як основні критерії оптимальності було обрано:

1. Забезпечення розгону й гальмування дизель-агрегату по позиціях

контролера машиніста (ПКМ) з мінімально можливими відхиленнями по-

ложень рейок паливних насосів (ТНВТ) від їхніх оптимальних, з точки зо-

ру паливної економічності, значень при одночасному забезпеченні задано-

го темпу збільшення і зменшення значення n.

2. Зниження до мінімуму закидів значення n при скиданнях-накидах

навантаження на дизель-агрегат.

3. Забезпечення роботи дизеля на кожній ПКМ при постійному по-

ложенні рейок ПНВТ у зоні найкращої економічності (при найменших для

кожної ПМК питомих витрат палива, що й обумовить найнижчий рівень

експлуатаційної витрати палива).

4. Досягнення оптимальних показників перехідних процесів наван-

таження генератора при змінах ПМК, скиданнях-накидах навантаження на

дизель-агрегат.

При цьому критерії 1 і 2 повинні забезпечуватись алгоритмом конту-

ру (каналу) керування рівнем n, а критерії 3 і 4 – алгоритмом контуру (ка-

налу) керування потужністю навантаження дизель-агрегату.

Алгоритм керування рівнем n було вибрано у вигляді:

( )

123

Rdt

EKKK

-+-

, (2.4)

де

D>-

D£--

.при ,0

;при ,)(

IVU

IVUVU

wjwj

Тут

– задавання значення n, що визначена ПМК;

- відпрацьо-

ваний сигнал датчика величини n;

– команда (сигнал) керування значен-

ням n;

– зона інтегрування;

123

KKK

– параметри пропорційно-

інтегрально-диференціального (ПІД) закону керування величиною n;

Для забезпечення можливості варіювання темпу розгону й гальму-

вання дизель-агрегату в алгоритмі (2.5) передбачено логічне уповільню-

вання задавання частоти обертання U

при стрибкоподібній зміні відпра-

цьованого сигналу контролера машиніста U

км

при різкій зміні ПКМ у ви-

гляді співвідношення:

км

=+ (2.5)

де

,0при,

;0при,

тут

та

– константи часу уповільнення.

Оптимізація параметрів алгоритму (2.5), (2.6) керування частотою

обертання колінчастого вала дизеля

(

)

123

,,,,,

ITT

KKK

D здійснювалася

на комплексному моделювальному стенді з реальною мікропроцесорною

системою керування дизель-агрегату та його математичною моделлю, як

об’єкта керування, що реалізувалася на обчислювальній машині стенду.

При цьому стенд забезпечував можливість відтворення усіх типових екс-

плуатаційних режимів роботи дизель-агрегату: скидання і накиди наванта-

ження, розгони й гальмування по ПКМ тощо.

Для оптимізації значень параметрів, що входять у наведені співвід-

ношення, були побудовані перерізи меж усталеності у просторі параметрів

[

]

123

KKK

, а також проведено оцінку впливу усіх параметрів на якість

перехідних процесів, як за частотою обертання, так і за положенням рейок

ПНВТ при змінах ПКМ, а також при скиданнях і накидах навантаження.

У результаті були визначені:

оптимальні значення параметрів ПІД закону керування

(

)

123

3...4,5;1/64;16

KKK===, при яких забезпечувалася стійка робота

дизель-агрегату на всіх режимах, і перехідний процес при 100%-му ски-

данні навантаження відбувався без коливань, з забросом частоти обертання

n менш 2% (34 хв

-1

), тривалість перехідного процесу

= 1 с (перехідний

процес наведено на рис. 2.2);

параметри уповільнення

, а також зона інтегрування

= 5 с, та (DI = 150 хв

–1

), при яких отримано мінімальне відхилення

рейок ПНВТ від їх заданих (оптимальних) значень при розгоні (від n=

=1200 хв

–1

до n = 2200 хв

–1

) й гальмуванні (від n = 2200 хв

–1

до n =

=1200 хв

–1

) без виходу на зовнішню характеристику – на 4,5 мм та в поло-

женні “стоп” – на 2,5 мм при заданому темпі розгону й гальмування

t = 16 с; перехідні процеси без уповільнення та з уповільненням наведені

на рис. 2.3, 2.4.

Контур (канал) керування потужністю навантаження дизель-агрегату

забезпечує оптимальне, з точки зору питомої витрати палива, значення по-

ложення рейок ПНВТ (h

опт

) на кожній ПКМ. При цьому, параметром керу-

вання в даному контурі є значення положення рійок ПНВТ (h

вимір

), що ви-

значає для кожного значення n (n

кол.вала

) для кожної ПКМ ступінь заванта-

ження дизель-агрегату.

Залежність h

опт

=f(n

кв

), експериментальна чи розрахункова, заноситься

в пам’ять мікропроцесорної системи керування у вигляді числового масиву

(таблиці), формули. Підтримання постійного оптимального значення (h

опт

)

на кожній ПКМ здійснюється за рахунок формування сигналу U

збудж

у ви-

гляді напруги, яка надходить до системи керування збудженням генерато-

ра.

Рисунок 2.2 – Скидання / накид навантаження дизель-

агрегату дизель-потягу ДЕП-01

0 1 2 3 4

1550

1500

1450

1400

n, хв

–

t, хв

–

h, мм

Рисунок 2.3 – Розгін / гальмування без уповільнення

0,00 3,00 6,00 9,00 12,00

2000

1500

1000

500

n, хв

–

h, мм

t, хв

–

Рисунок 2.4 – Розгін / гальмування при

= 5 с

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0

2000

1500

1000

500

n, хв

–

h, мм

t, хв

–

Алгоритм формування керувального сигналу U

збудж

при роботі на

I-1 ПКМ

æö

ç÷

èø

прийнятий у вигляді

-+-=

dthhКhhКU

виміропт5виміропт4збудж

)()( , (2.6)

де

вимір

h – поточне положення рейок ПНВТ (відпрацьований сигнал

датчика положення рійок ПНВТ).

На кожній ПКМ значення

збудж

U обмежена границями (0 ³

збудж

U £ R

)

з метою запобігання перевантаження дизеля. Параметри

визначені

за умови забезпечення мінімальних відхилень рейок ПНВТ від їх оптима-

льних значень h

опт

при скиданнях і накидах навантаження на дизель-

агрегат.

При переключенні ПКМ значення

збудж

U обмежене згідно з таким ал-

горитмом:

>+£

;

0 ПКМу -1)(і на ої-і з переході при ,

збудж

(2.7)

Наведений алгоритм визначає специфіку протікання перехідного

процесу навантаження дизель-агрегату при переключенні ПКМ:

◑ при переході з нижньої ПКМ на більш високу позицію спочатку

збільшується n до заданого значення, а потім здійснюється з заданим тем-

пом навантаження генератора, який визначається значенням обмеження

збудж

U на більш високу ПКМ;

◑ при переході з вищої ПКМ на нижчу зменшення

збудж

U здійсню-

ється стрибкоподібно до обмеження, що відповідає нижчій ПКМ.

Таким чином, створення оптимізованих алгоритмів і програм керу-

вання дизель-агрегату, їх реалізація у мікропроцесорній системі керування

частотою обертання колінчастого вала двигуна та потужністю навантажен-

ня дизель-агрегату забезпечує оптимальне, з точки зору паливної економі-

чності, керування названими характеристиками.

Тому мікропроцесорна (комп’ютерна) система керування дизель-