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.

агрегату з оптимізованими алгоритмами забезпечує, як свідчать випробу-

вання, значний техніко-економічний ефект, у тому числі:

ü поліпшення паливної економічності, а також зниження димності і

токсичності відпрацьованих газів за рахунок експлуатації дизель-агрегату

в зоні найкращої економічності без виходу на зовнішню характеристику;

ü заданий (плавний без ривків) темп розгону й гальмування дизель-

агрегату по ПКМ без закидів частоти обертання;

ü мінімальні (£ 2 %) закиди частоти обертання при 100 % скиданні

навантаження на дизель-агрегат.

2.2.3. Реалізація принципу оптимальності

Реалізація такого базового для керування принципу грунтується,

перш за все, на конкретній постановці та розв’язанні відповідної оптиміза-

ційної задачі.

Має бути розроблена математична модель керованого процесу (про-

цесів). Підкреслимо, що слід примітизувати оптимізаційну задачу за раху-

нок надмірних спрощень. Отже, КСК ДВЗ на основі величезних можливос-

тей електронної системи, керованої мікропроцесором, здатна в принципі

забезпечити і лінійну, і нелінійну, безперервну або дискретну оптимізацію

будь-якого, найбільш складного процесу у двигуні.

Розробку КСК з урахуванням сказаного слід починати з обґрунтова-

ного вибору об’єкта і критерію оптимальності (функціонала якості) для

керованого процесу (процесів), отримання на основі математичної моделі

цього процесу функції цілі й визначення варійованих факторів.

Необхідно далі сформулювати вихідні дані й обмеження задачі оп-

тимізації, вибрати найбільш ефективний метод її розв’язання, розробити

алгоритм для конкретної ПЕОМ й отримати кількісні оцінки впливових

факторів та меж таких впливів, що забезпечують оптимум функції цілі.

Важливо дослідити ступінь коректності отриманого розв’язку задачі

оптимізації за результатами натурного моделювання процесу, що вивча-

ється.

Усі особливості й конкретні проблеми постановки і розв’язання за-

дач оптимізації основних процесів у ДВЗ вивчаються у спеціальному лек-

ційному курсі “Оптимізація процесів у ДВЗ”, який читається на кафедрі

ДВЗ НТУ “ХПІ”, і становлять предмет навчального посібника, виданого

професором Є.І. Третяком [3]. У цьому посібнику наведено всі сучасні ма-

тематичні підходи й приклади отримання оптимальних розв’язків для ро-

бочих процесів у двигунах, процесів у паливній апаратурі, для термонап-

руженого стану деталей ЦПГ тощо.

Ознайомлення з проблемами оптимізації потребує також вивчення і

використання досвіду ІПМаш НАН України, Національного транспортного

університету (м. Київ), Харківської державної академії залізничного транс-

порту, Національної автомобільно-дорожної академії (м. Харків) та інших

розробок конструкторських моторобудівних бюро України, кращих світо-

вих фірм.

Підкреслимо тільки, що кінцевим результатом розрахунково-

теоретичного етапу реалізації принципу оптимальності при побудові КСК

ДВЗ мають бути оптимальні закони варіювання впливових факторів, що

забезпечують бажаний ефект за обраним критерієм оптимальності керова-

ного процесу (процесів).

Саме подібні закони й повинні реалізуватися при створенні КСК

ДВЗ, при нових розробках, що націлені на розширення їх функцій і, взага-

лі, на підвищення якості керування двигунами з допомогою електронних

засобів. Треба зробити акцент на тому, що оптимізація параметрів ДВЗ на

усталених режимах їх роботи не може викликати нездоланних труднощів з

урахуванням накопиченого банку фундаментальних й прикладних матема-

тичних моделей практично всіх основних процесів у двигунах, які розроб-

лено до цього часу.

Однак ситуація суттєво ускладнюється, якщо виходити з необхіднос-

ті врахувати найважливішу специфічну особливість ДВЗ, у першу чергу –

транспортних, що полягає у вирішальній ролі перехідних процесів та не-

усталених режимів (які їх складають) у формуванні експлуатаційних пока-

зників і робочих характеристик сучасних двигунів. Ця проблема висвітлена

у гл. 1. Тому розглянемо питання про теоретичне забезпечення принципу

оптимальності при створенні КСК ДВЗ з урахуванням перехідних процесів.

Візьмемо як приклад бензиновий двигун.

Зазначимо, що у такому двигуні перехідні процеси з позитивним

прискоренням неможливо здійснити з максимальною швидкістю при

збіднених економічних складах горючої суміші.

Із цього витікає, що для оптимізації паливної економічності двигуна

з урахуванням перехідних процесів не можна використовувати як пара-

метр, що оптимізується, тільки питому витрату палива, бо не будуть забез-

печені ще й необхідні динамічні якості двигуна [1]. Таке може стати не-

прийнятним, наприклад, у міських умовах використання автомобіля.

При різкому збільшенні частоти обертання колінчастого вала n вини-

кає потреба змінити (доповнити) параметр, що оптимізується.

Доцільно паливну економічність оцінювати витратою палива, відне-

сеною не тільки до одиниці потужності, але й до одиниці кутового приско-

рення колінчастого вала. В такому разі критерій оптимальності не може за-

лишатися стаціонарним і навіть квазістаціонарним; він суттєво ускладню-

ється у зв’язку з бажаним врахуванням нестаціонарності, оскільки кутове

прискорення колінчастого вала змінюється по ходу перехідного процесу,

причому – суттєво.

Запропонована зміна параметра, що оптимізується, зумовлена тим,

що суттєві порушення процесів сумішоутворення, теплова інерція деталей

камери згоряння й інерція масового наповнення двигуна призводять до по-

гіршення паливної економічності при різкому збільшенні частоти обертан-

ня колінчастого вала в перехідному процесі. Тому оптимізація мінімальних

питомих витрат палива g

на неусталених режимах, які складають перехід-

ні процеси, неминуче призведе до погіршення динамічних якостей двигуна

і транспортного засобу, що в умовах експлуатації неприпустиме. Для за-

безпечення оптимального дозування паливоподачі при різкому збільшенні

n КСК ДВЗ має автоматично переключатися на урахування параметра дви-

гуна, що враховує його динамічні якості, а саме кутового прискорення w

колінчастого вала.

Таким чином, замість dg

/ dG

пал

= 0 (однофакторна умова досягнення

оптимуму на усталених режимах) слід прагнути до оптимуму, виходячи з

умови dώ / dG

пал

= 0 (двофакторна умова досягнення екстремуму при пере-

хідних процесах різких накидів навантаження, коли також різко змінюють-

ся значення n). Тут G

пал

– циклова витрата палива. Іншими словами, коли

КСК ДВЗ доручити оптимізацію дозування питомої витрати палива на

усталеному режимі, то забезпечується оптимальний режим, який відпові-

дає мінімуму функції цілі g

= f(G

пал

); при різкому ж збільшені n система

керування має забезпечити вже екстремальний режим, що відповідає мак-

симальному значенню нової функції цілі ώ = y(G

пал

), тобто по суті – ком-

плексного критерію якості двигуна (він гармонізує співвідношення між

компонентами такої якості щодо паливної витрати і динаміки двигуна).

Наведемо інший приклад застосування комплексного еколого-

економічного критерію при розробці алгоритму керування ДВЗ.

Сьогодні значно зросли вимоги до таких показників конкурентосп-

роможності, перш за все, автотранспортних двигунів, як паливна економі-

чність та екологічність. Тому виникає нагальна потреба оптимізації керу-

вання ДВЗ саме щодо g

та g

токс

, де g

токс

– питомі викиди токсидів з відпра-

цьованими газами.

Теоретично це означає, що доречно паливну економічність оцінюва-

ти витратою палива, віднесеного не тільки до одиниці потужності, а й до

одиниці токсичності викидів. Інакше кажучи, потрібно застосувати ком-

плексний еколого-економічний критерій оптимальності dG

токс

/DG

= 0 з

урахуванням обох наведених показників технічного рівня та роботи двигу-

на на перехідних процесах.

Виходить, що КСК ДВЗ забезпечує оптимальний режим там, де фун-

кція цілі g

= f(G

пал

) = min; при різкому накиді навантаження, тобто при ро-

боті двигуна на неусталених режимах, умовою оптимуму стає співвідно-

шення dG

токс

/DG

пал

= 0, яке випливає з необхідності пошуку компромісу

між витратами палива і викидами токсичних речовин з відпрацьованими

газами. Як буде показано нижче, оптимуми g

та g

токс

припадають на різні

склади горючої суміші, тобто не є сумісними щодо впливових факторів.

КСК ДВЗ шукає і знаходить компромісне значення a на будь-якому екс-

плуатаційному режимі, коли мінімізовано g

при нормативних рівнях ток-

сичних компонентів у відпрацьованих газах двигуна.

Необхідно зауважити, що розробка математичних моделей саме пе-

рехідних процесів ДВЗ ще не завершена. Це гальмує вдосконалення КСК

ДВЗ за рахунок урахування всієї специфіки перехідних процесів.

Доводиться розробку алгоритмів керування перехідними процесами

у ДВЗ базувати на експериментах, про можливість та ефективність яких

йшлося вище у підрозд. 2.2.2.

На завершення наведемо приклад розробки комплексного еколого-

економічного критерію як основи створення алгоритмів оптимального ке-

рування ДВЗ. Така розробка виконана І.В. Парсадановим у 2003 році в

НТУ “ХПІ” [4].

Показано, що коли віднести середній експлуатаційний ефективний

КПД двигуна η

сер

до коефіцієнту екологічної ефективності β

, то отримує-

мо комплексний еколого-економічний (паливно-екологічний) критерій

ДВЗ К

пе

. Він враховує технічний рівень двигунів щодо таких найважливі-

ших його показників, як паливні витрати та витрати на відшкодування зби-

тків, неминуче пов’язаних з забрудненням навколишнього середовища то-

ксидами викидів.

Використання К

пе

дозволяє проводити аналіз компромісної ситуації,

коли треба приймати рішення про допустиме підвищення витрат на паливо

за умови зменшення до нормативного рівня вимог сумарних паливо-

екологічних витрат. Виникає також можливість оцінки такого рішення з

урахуванням потенціальних витрат на можливу суттєву реконструкцію

двигуна порівняно з витратами на запровадження (або вдосконалення) сис-

тем і заходів нейтралізації викидів токсидів з відпрацьованими газами. То-

му запропонований критерій може використовуватись для складання алго-

ритму оптимальної програми керування двигуном за еколого-економічним

критерієм.

Відповідні розрахунки ведуться за формулою:

сер

еПЕ

де )(3600

серсер

ее

gН

(2.8)

)(

еколпалекол0

ВВВ

Тут:

– нижча теплотворність палива;

сер

g – середня експлуатаційна

витрата палива, вона визначається при стендових випробуваннях двигуна

на представницьких режимах його роботи, які зумовлені моделлю експлуа-

тації ДВЗ конкретного призначення. Модель експлуатації, як відзначалося

у гл. 1, обирається з урахуванням типу і призначення двигуна, а також за

статистичними даними щодо його річного напрацювання на кожному пред-

ставницькому режимі, коли

(

)

)(

пал іe

іe

РNРGg

iі

= , г/(кВт×год); (2.9)

де

– частка річного напрацювання двигуна у кожному і-му полігоні мо-

делі експлуатації;

– загальна кількість експлуатаційних представницьких

полігонів (режимів), що з прийнятою загальною імовірністю наближають

модель експлуатації до реальних умов використання двигуна; G

пал

, N

–

відповідно, погодинна витрата пального та експлуатаційна потужність дви-

гуна на і-ому представницькому режимі; В

екол

– витрати на відшкодування

збитків, пов’язаних з забрудненням навколишнього середовища при екс-

плуатації двигуна; вони пропорційні концентраціям шкідливих компонен-

тів відпрацьованих газів СО, NО

, C

та інш.; G

пал

– витрати на спожи-

вання палива двигуном.

Комплексний еколого-економічний критерій залежить від ряду фак-

торів:

◑ обраної моделі експлуатації (кількості представницьких полігонів

і часткового напрацювання двигуна на кожному з них);

◑ масової витрати палива на кожному з представницьких режимів,

що характеризує паливну економічність двигуна під час експлуатації;

◑ масових витрат шкідливих речовин, що викидаються в навколи-

шнє середовище з відпрацьованими газами двигуна на кожному з пред-

ставницьких полігонів з урахуванням їхньої агресивності;

◑ показника відносної небезпеки забруднення територій, де вико-

ристовується двигун з урахуванням характеру розсіяння відпрацьованих

газів;

◑ від характеристик палива.

Урахування численних впливових факторів дозволяє наближати ке-

рування двигуном до рівня потрібної конкурентоспроможності моторної

техніки.

2.2.4. Реалізація принципу дискретно-індивідуального керування

циклом ДВЗ

Такий принцип керування означає, по-перше, що КСК ДВЗ повинна

забезпечувати дозування паливоподачі для кожного циліндра індивідуаль-

но.

З урахуванням великої ролі перехідних процесів КСК ДВЗ має також

керувати й окремими циклами, тобто працювати дискретно.

Взагалі, цей принцип визначає керування кожним робочим циклом

(дискретно) в окремому циліндрі (індивідуально) двигуна.

Механічне керування не вирішує задачу реалізації зазначеного прин-

ципу, при цьому переускладнюється конструкція виконавчих пристроїв та

інших елементів регулятора. Лише при використанні КСК ДВЗ можна

розв’язати поставлену задачу дискретно-індивідуального керування пали-

воподачею.

Реалізація розглянутого принципу залежить від можливостей отри-

мання коректної інформації щодо параметрів кожного робочого циклу у

кожному окремому циліндрі.

Перш за все, слід визначити, яка саме інформація потрібна для побу-

дови зазначеного варіанта керування та як її отримати. Бажано мати цю ін-

формацію за первинними параметрами, тобто за такими, що характеризу-

ють кожний робочий цикл з необхідною повнотою і, головне, достовірніс-

тю. При цьому треба виходити також з потреби враховувати неідентич-

ність послідовних циклів у циліндрах двигуна, яка на усталених режимах

сягає 10 %, а при перехідних процесах, природно, навіть перевищує такий

рівень.

Підкреслимо, що дії КСК ДВЗ мають базуватися на забезпеченні

(підвищенні) ідентичності робочих циклів на усталених режимах як у кож-

ному окремому циліндрі, так і між циліндрами. На неусталених режимах

масова подача горючої суміші (повітря) у окремі циліндри повинна зміню-

ватися під час перехідного процесу строго синхронно (з точністю порядку

1 %).

Цього можна досягнути двома шляхами.

Перший – за рахунок забезпечення однакового масового наповнення

кожного циліндра на усталеному режимі роботи двигуна; природно, що і

послідовні (за часом) робочі цикли також мають бути однаковими щодо

циклового масового наповнення. Синхронність масового наповнення

окремих циліндрів при перехідному процесі двигуна можна забезпечити,

наприклад, індивідуальним керуванням фазами і час-перерізом органів га-

зообміну або керуванням індивідуальними дросельними заслінками у кож-

ному впускному каналі. При цьому потрібно досягати необхідної (<1,5 %)

рівномірності подачі палива у кожний циліндр.

Другий шлях забезпечення ідентичності робочих циклів – за рахунок

адаптації (корекції) керування повітро та паливопостачанням, тобто всі

елементи керування повітрям і паливом повинні бути програмно-

адаптивними (адаптивними), такими, що реагують на порушення дискрет-

но-індивідуального керування циклом ДВЗ.

Однак основною проблемою при створенні КСК ДВЗ є розробка та

організація масового виробництва датчиків, характеристики яких дозволя-

ють використовувати їх для автоматичного регулювання дуже різноманіт-

них і складних процесів у ДВЗ, перш за все таких, що відрізняються висо-

кочастотною нестаціонарністю – тепловою, газодинамічною, хіміко-

кінематичною.

Найбільш складним є отримання об’єктивної інформації щодо про-

цесу згоряння. Поки що задовільно розв’язано лише задачу реєстрації при-

скорення корпусної деталі двигуна з налаштованою на неї деталі кріплення

(наприклад, болту кріплення головки блока), що досить надійно свідчить

про начало детонації.

Для побудови простіших систем керування, наприклад, одновимірної

системи регулювання кута випередження запалювання, допустиме викори-

стання інформації від віброакустичних датчиків. Однак цього зовсім недо-

статньо для отримання повної інформації про нестаціонарні характеристи-

ки кожного робочого циклу (значення тиску і температури у реальному

режимі часу, в першу чергу).

Для ліквідації дефіциту в таких експериментальних даних розробля-

ються досить складні датчики з використанням різних фізичних ефектів.

Так, одним з варіантів нових вимірювальних приладів є датчик у вигляді

пружної мембрани, вмонтованої в корпус, який укручений (подібно свічці

для запалювання) у головку циліндрів. З протилежного боку мембрани в її

корпус вмонтовано два світловоди. Таким чином, мембрана одним своїм

боком спрямована на камеру згоряння двигуна, а іншим боком, відполіро-

ваним до дзеркального блиску, – на згадані світловоди волоконної оптики.

По одному з світловодів на мембрану подається пучок світла, а по іншому–

відводиться відбитий від мембрани потік світла. Внаслідок дії на мембрану

тиску газів вона прогинається, і частина відбитого потоку світла спрямову-

ється до відвідного світловоду на світлодіод, який перетворює світлову ін-

формацію в електричний сигнал, що залежить від поточних змін тиску в

циліндрі двигуна. Використовуючи інформацію про зміни тиску в цилінд-

рі, можна визначити характеристики і параметри робочого тіла, встановити

індикаторні показники, знайти оцінки токсичності викидів, кількісно оці-

нити ефект детонації. Так, знаючи тиск p і робочий об’єм циліндра V

(тоб-

то масу робочого тіла), обчислюють поточні температури робочого тіла на

основі рівняння стану й переходять до критичних температур робочого ті-

ла, які не допускають інтенсивного утворення оксидів азоту NO

. У резуль-

таті інтегрування експериментальної функції p = f(j) (j – кут обертання

колінчастого вала) за цикл знаходять середній індикаторний тиск, а маючи

значення частоти обертання цього вала, встановлюють дискретні значення

індикаторної потужності в кожному циліндрі. Після того як сигнал p буде

продиференційовано двічі, визначають прискорення зміни тиску, що й до-

зволяє кількісно оцінити детонацію.

Узагальнюючи викладене, можна стверджувати, що дискретно-

індивідуальне керування циклом двигуна грунтується на виконанні такого

обсягу вимірювань, які робляться лише при дослідницьких стендових ви-

пробуваннях двигунів. Результати таких вимірювань реалізуються безпо-

середньо на автомобілі або іншій силовій установці з тим, аби після необ-

хідної математичної обробки інформації від відповідних датчиків перетво-

рювати її у команди керування, що забезпечуватимуть потрібну ідентич-

ність не тільки послідовних робочих циклів кожного циліндру, а й іденти-

чність усіх циліндрів.

Крім того, КСК ДВЗ забезпечить автоматичне корегування парамет-

рів кожного робочого циклу таким чином, щоб цикли здійснювались з най-

вигіднішими показниками для реальних нестаціонарних умов експлуатації.

Створюючи нові КСК ДВЗ, всі зазначені суттєві переваги треба вра-

ховувати при обґрунтуванні доцільності ускладнювання системи керування

за рахунок використання дискретно-індивідуального принципу керування.

Переваги повинні мати пріоритетне значення і сприяти втіленню їх у перс-

пективних розробках КСК двигунів різних призначень, у тому числі украї-

нського виробництва.

2.2.5. Забезпечення принципу програмного керування

Найпростіше жорстке програмне керування сьогодні майже витісне-

но програмно-адаптивними системами й залишилося у тих модифікаціях

двигунів, які ще знаходяться в експлуатації. Однак його розгляд дає мож-

ливість визначити базові підходи створення сучасних найскладніших КСК

ДВЗ.

Для ефективності роботи будь-якої системи керування необхідні дві

обов’язкові умови:

1) стабільність виконання заданої програми протягом всього терміну

експлуатації КСК;

2) відсутність недопустимого непогодження заданої програми з реа-

льністю, зумовленою конкретикою експлуатації.

Якщо перша умова, яка залежить від конструкції, якості виготовлен-

ня системи керування, може бути забезпечена, то друга умова в повному

обсязі нездійсненна внаслідок жорсткості програми керування.

Простежимо особливості неадаптованого керування на прикладі

паливної підсистеми такого керування – однієї з двох основних підсистем,

залишаючи поза увагою КПСК повітропостачанням.

Якість роботи підсистеми паливоподачі КСК ДВЗ з програмним

керуванням залежить від правильності вибору командного параметра та

від коректності задання програми.

Розглядаючи звичайний карбюратор як автоматичну систему

дозування паливоподачі, вже в ньому можна розпізнати усі ознаки системи

з програмним керуванням. Для головної дозуючої системи карбюратора

командним параметром є тиск (вакуум) у дифузорі, а для системи

холостого ходу й економайзера з вакуумним привидом – вакуум (тиск) у

впускному трубопроводі. Для економайзера з механічним приводом

командним параметром служить положення дросельної заслінки, для

прискорюючого насоса – швидкість її відкриття. На жаль, у карбюраторі

командний параметр – зміна тиску в дифузорі – не забезпечує

найвигідніших характеристик навіть при оптимальній програмі дозування.

Перш за все, це пов’язане з тим, що дозування паливоподачі у ДВЗ з

дискретним протіканням робочих циклів (це стосується всіх поршневих

двигунів) повинне забезпечуватися не на основі безперервного характеру

зміни тиску повітря у дифузорі, а дискретно – за кожним робочим циклом

окремо.

Сучасну систему вприскування палива з механічним регулюванням

(вона залишається ще в деяких модифікаціях двигунів), як і карбюратор,

можна вважати системою з програмним керуванням. У даному випадку

командним параметром є відносний (або абсолютний) тиск у впускному

трубопроводі, а програма задається настройкою (підбором пружин)