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.

палива. Мова йде про фізичну (безвідмовність та довговічність) і

параметричну (стабільність роботи у процесі тривалої експлуатації)

надійність КСК.

Розглядаючи карбюратор як автомат (це стосується будь-якої схеми

дозування палива), доцільно простежити проходження командної

інформації через окремі ланки (елементи) цієї підсистеми керування

паливоподачею. При цьому з достатньою повнотою виявляються

потенційні причини відмов, а отже – надійність КПСК.

Згадаємо основи перетворення інформації в системах автоматичного

керування.

Аналіз будь-якої схеми передачі інформації полягає у встановленні

ступеня змін сигналу, що проходить через так звані межі розділу (в них

змінюється характер та форма інформації). Процеси, що виникають у

системі при подаванні на її вхід сигналу, умовно називають рухом

системи.

Межі розділу виникають при переході інформації через так звані

проміжні ланки: датчик, блок синтезу інформації, форсунки та ін. Кожна

така ланка має власну (особисту) надійність, що зумовлює надійність

проходження інформації через неї.

Метою структурного аналізу підсистеми керування і є з’ясування

питання про наявність у ній проміжних ланок, вирішення якого дозволяє

судити про надійність КПСК.

У карбюраторах структура передачі інформації (і структурна модель)

досить проста. Зміни тиску в дифузорі безпосередньо, без проміжних

ланок, діють на паливо, обумовлюючи більшу чи меншу інтенсивність

його витікання через жиклери. Відсутність додаткових (зі своєю

ненадійністю) проміжних ланок саме і робить таку схему найнадійнішою.

Таким чином, маємо досить просту і надійну схему перетворення

інформації у карбюраторі: об’ємна витрата повітря перетворюється в

параметр вакууму в дифузорі, який через жиклер обумовлює витрати

палива G

пал

На відміну від карбюраторів у системах вприскування палива

обов’язково виникають проміжні ланки, що збільшує імовірність

погіршення надійності каналу паливоподачі.

У схемах дозування з електронним керуванням, порівняно з

механічними системами вприскування перетворення інформації є більш

складним. Це бачимо при зіставленні рис. 2.12 та 2.13.

При механічному управлінні (рис. 2.12) під впливом Р

труб

на

чутливий елемент регулятора командний параметр перетворюється у

переміщення рейки S. Далі переміщення рейки перетворюється за

допомогою плунжера нагнітальної секції в активний хід його H, від якого

вже безпосередньо й залежить доза палива

пал

, яка подається ПНВТ –

паливним насосом високого тиску. Нарешті, форсунка здійснює

вприскування палива

пал

G у циліндр двигуна.

У КПСК дозуванням палива дизеля діє схема рис. 2.12. Тут тиск Р

труб

чутливим елементом датчика (анероїдною коробкою, та ін.)

перетворюється у лінійне переміщення S. У результаті цього зміщується

струмозйомний елемент потенціометра, змінюючи активний опір

Рисунок 2.12 – Схема перетворення інформації при механічному

керуванні вприскуванням:

1 – регулятор; 2 – механізм повороту (плунжера); 3 – секція ПНВТ;

4 – форсунка

насос

труб

пал

Рисунок 2.13 –

Схема

пере

творення інформації при

електронному управлінні

дозуванням палива:

1 – анероїдна коробка датчика;

2 – потенціометр; 3 –

мультивібратор; 4 – посилювач

потужності; 5 – комутатор;

6 – електромагнітна форсунка;

7 – жиклер електромагнітної

форсунки

¢¢

БСІ

труб

пал

резистора, включеного у ланку мультивібратора. Останній формує

командний імпульс конкретної тривалості

, який є пропорційним опору

датчика R

(резисторного типу). Імпульс

посилюється у спеціальному

посилювачі до

і, проходячи комутатор, виходить з БСІ у вигляді

імпульсу

. Останній і подається в електромагнітний пристрій форсунки,

який перетворює його у тривалість відкриття клапана форсунки t

. При

постійних тиску палива й напруги живлення БСІ циклова втрата палива

пал

є пропорційною тривалості t

Постає питання, чому пристрої дозування паливоподачі з

мікропроцесорним керуванням, у яких є найскладнішою схема

перетворення інформації, як бачили вище, все ж вибираються як найбільш

перспективні.

Це пов’язано, по-перше, з тим, що, на відміну від механічних засобів

керування, з їх допомогою можна зробити практично нерухомими всі

основні ланки на шляху інформації і тим самим наблизити підсистему

керування дозуванням паливоподачі за надійністю (зокрема, стабільністю

показників при тривалій експлуатації) до пристроїв без проміжних ланок.

Іншою причиною, як з’ясовано вище, є те, що КПСК паливоподачі єдина

надає можливість реалізовувати дозування паливоподачі засобами

автоматичної адаптації.

В умовах масової експлуатації за стабільністю роботи, простотою

обслуговування, фізичною надійністю й вартістю виготовлення саме

КПСК паливоподачею (бензин, дизельне паливо тощо) стали зіставними з

системами дозування сучасних багатокамерних карбюраторів та

механічних пристроїв вприскування палива.

Прагнення до комплексного керування ДВЗ пов’язане з необхідністю

урахування всієї сукупності факторів, які впливають на оптимальні склади

суміші (заряду циліндру): тиск навколишнього середовища, тепловий

режим двигуна, індивідуальні особливості водія при водінні автомобіля.

З’являються адаптивні канали керування та ін. Все це приводить до

неминучого введення додаткових пристроїв з проміжними ланками

керування. Подібне переускладнення знижує надійність звичайних

карбюраторів і механічних схем регулювання. Однак воно не впливає на

надійність КПСК паливоподачі, про що йшлося вище.

За останні роки у галузі поліпшення надійності КСК ДВЗ в цілому

також досягнено значних результатів. Дуже важливо, що цими питаннями

почали займатися на самих ранніх етапах – при проектуванні за

результатами структурного аналізу системи керування в цілому. Треба

тільки, аби були ретельно обґрунтовані й реалізовані численні вимоги

щодо фізичної надійності та стабільності вузлів КСК ДВЗ.

Збільшенню фізичної надійності та стабільності КСК ДВЗ сприяє і

тенденція безперервно підвищувати якість саме мікропроцесорних засобів,

перш за все таких, на які впливають жорсткі умови експлуатації силових

установок з ДВЗ. Приділяється велика увага якості датчиків, виконавчих

пристроїв та їх пристосуванню до різких тепломеханічних навантажень, у

тому числі за рахунок використання в їх схемах і конструкціях нових

фізичних ефектів, спрощення зазначених схем і конструкцій тощо.

Мікропроцесорні системи керування оснащуються засобами

автоматичного діагностування для забезпечення й поліпшення

профілактичного обслуговування під час експлуатації.

Необхідно розрізняти види діагностування з залученням до нього

КСК ДВЗ [5]:

¡ реалізація випробувальних програм з комп’ютерним керуванням

на станціях технічного обслуговування автомобілів;

¡ самодіагностування КСК.

Випробувальні програми обслуговують діагностування двигунів. Їх

розгляд виходить за межі цього підручника.

Зупинимося на самодіагностуванні як ефективному заході

підвищення фізичної і параметричної надійності КСК ДВЗ.

Мета самодіагностування – забезпечення компенсації та локалізації

відмов КСК, їх попередження самою КСК ДВЗ. Воно, по суті, є суттєвим

компонентом системи адаптації КСК середнього та вищого рівня

інтелекту.

Йдеться про те, що в результаті самодіагностування можуть бути

задіяні зворотні зв’язки між КСК та двигуном за сигналами датчиків

адаптації, відповідно до яких формуються команди корекції, що задаються

комплексом команд керування. Така корекція повинна виходити з оцінок

самою КСК умов роботи двигуна, а також власне КСК, та на цій основі

забезпечувати поліпшення зазначених умов до необхідного ступеня для

запобігання відмов керованого об’єкта, а також для уникнення

нестабільності робочих характеристик КСК ДВЗ при тривалій

експлуатації.

Система самодіагностування має, як мінімум, забезпечувати функції:

● контролю локальних пошкоджень й виходів зі строю КСК ДВЗ;

● контролю старіння (погіршення показників) КСК ДВЗ у

визначені терміни часу при тривалій експлуатації;

● оцінки допустимості пошкоджень з точки зору можливості

функціонування двигуна до визначеної межі розвитку пошкоджень;

● індикації часткових пошкоджень.

Контроль пошкоджень (власне, діагностування) здійснюється за

такими напрямками: постійне самодіагностування елементів

мікропроцесорної (електронної) схеми; діагностування працездатності

датчиків, діагностування характеристик двигуна.

Власне, корекція керування паливоподачею залежно від спрацювань

і неточностей регулювання здійснюється застосуванням датчиків

зворотних зв’язків, наприклад, за кутом випередження запалювання /

початку вприскування.

Але домінуюча роль, яку відіграють електронні системи керування

ДВЗ, потребують підвищеної уваги до їх обслуговування. Крім того,

основні функції силової установки стають все більш залежними від

електронних систем керування. Тому ці системи повинні задовольняти

жорсткі вимоги щодо їх безвідмовності, ресурсу, стабільності.

Вирішення даних проблем полягає у включенні функцій і засобів

самодіагностування до КСК. Реалізація цих функцій здійснюється

електронним блоком керування (БСІ) шляхом самоперевірки таким чином:

програмовані чипи пам’яті наділені тестовими комбінаціями, які можна

відновлювати й використовувати у цілях порівняння. Для

запам’ятовуючих пристроїв застосовується порівняння з підсумковими

даними випробувань з метою гарантії того, що всі дані й програми

зберігаються у цих пристроях правильно.

Датчики випробуються на точність даних, що знімаються (у

встановлених межах); також перевіряються розімкнуті й замкнуті ланки.

Кінцеві елементи керування можуть випробуватися під час їх роботи з

використанням граничних значень електричного струму.

Сказане вище пояснюється рис. 7.2, де показані зміст, логіка

використання вбудованого у КСК ДВЗ електронного діагностичного блока

для самодіагностування.

У подальших розділах підручника буде розглянуто конструктивні

рішення реалізації принципу самодіагностування.

2.3.2. Забезпечення принципу модульності, уніфікації та

стандартизації при розробці КСК ДВЗ

Природньо, що реалізація принципу модульності, уніфікації й

стандартизації сприяє підвищенню внутрішньої надійності та стабільності

роботи КСК ДВЗ.

Це дозволяє при побудові комп’ютерних систем керування двигунів

використовувати елементи, доведені промисловістю до масового

виробництва, тобто такі, що зарекомендували себе як електронна

апаратура більш високої якості, ніж нові створювані дослідні зразки.

Мова йде, перш за все, про стандартні датчики, елементи

виконуючих пристроїв, мікроплати БСІ тощо (паливні насоси,

стабілізатори тиску, електрокеровані форсунки для вприскування палива

та ін.).

Доцільність подібної технічної політики підтверджується тим, що

кращі світові фірми (Bosch, наприклад) розробляють вузли КСК ДВЗ і

повністю зосереджуються саме на комплектуючій продукції для різних

ДВЗ; інші провідні фірми цілком свідомо звужують номенклатуру своєї

продукції. Тому вироби фірми Bosch ставляться практично на всі КСК ДВЗ

моторних фірм США, Японії, Англії, Італії, Франції, Росії та інших країн.

Досвід свідчить, що саме після переходу на такий шлях значно

прискорились темпи створення й, головне, запровадження КСК ДВЗ.

2.3.3. Забезпечення аварійного захисту КСК ДВЗ

Конструктивні варіанти реалізації такого принципу при побудові

сучасних КСК ДВЗ досить різноманітні й вивчаються нижче на прикладах

конкретних систем керування.

У найпростішому вигляді захист двигуна забезпечує усунення або

зниження до мінімуму пошкоджень, що виникають у результаті зменшення

тиску мастила, перевищення температури та недостатньої кількості

охолоджувальної рідини. За результатами контролю пошкоджень (відмов)

на основі аналізу характеристик систем змащування та охолодження КСК

виконує функцію захисту двигуна при погіршенні цих характеристик за

рахунок обмеження паливоподачі, а коли двигун працює у критичній

ситуації (розгін), КСК забезпечує зупинку двигуна за рахунок переривання

подачі палива у циліндри ДВЗ.

У КСК більш високого класу використовується аналогічний підхід,

однак суттєво розширюється діапазон факторів, що відповідають за

можливі відмови двигуна. При цьому особливо виділяються первинні

фактори, відстежування яких підвищує ефективність аварійного захисту

двигуна, перш за все щодо швидкодії та локалізації, або запобіганню

відмов. Мова йде про реагування (миттєве) КСК ДВЗ на температури

деталей у характерних тепломеханічно перевантажених зонах (верхнє

поршневе кільце, перемичка між впускним і випускним клапанами у

головці циліндрів тощо), на зазори у парах тертя, перепади температур у

деталях камер згоряння та ін.

Природньо, урахування багатьох первинних факторів при розробці

систем аварійного захисту, вбудованих у КСК ДВЗ, ускладнює такі

системи керування, однак ефект описаного захисту перевищує витрати

ускладнення КСК, тим більше, як відмічалося вище, переускладнення

системи електронного керування майже не позначається на стабільності і

фізичній надійності системи.

Основні труднощі використання систем керування з автоматичним

аварійним захистом двигуна пов’язані з проблемою датчиків і

вимірювальних схем, здатних передавати достовірну інформацію з

важкодоступних зон (рухомі деталі, вогневі поверхні, зони рухомих

контактів). Подібні труднощі суттєво загострюються у зв’язку з

необхідністю отримувати первинні сигнали, перш за все, про нестаціонарні

характеристики процесів у деталях ДВЗ, що дуже важливо, якщо

враховувати переважну роль перехідних процесів у ряді причин відмов

швидкохідних двигунів.

Такі труднощі здатні подолати далеко не всі фірми, а це гальмує

широке впровадження найбільш ефективних, але дуже складних розробок

конструкцій аварійного автоматичного захисту ДВЗ.

2.4. Інші принципи побудови КСК ДВЗ

Вище викладено загальні принципи побудови КСК ДВЗ, які

пов’язані зі специфікою двигунів. Їх реалізація дозволяє створити

ефективні системи керування, здатні задовольнити зростаючі потреби

замовників моторної техніки.

Уточнимо тепер принципи побудови КСК ДВЗ з урахуванням того,

що вони являють собою мікропроцесорні системи.

Для ефективного функціонування комп’ютера у складі КСК ДВЗ

необхідний ряд додаткових (допоміжних) пристроїв переробки інформації

та передачі командних сигналів з попереднім її підсилюванням.

Розглянемо це питання на прикладі підсистеми паливо-вприскування

бензину у циліндри двигуна типу “Motronic” фірми Bosch (рис. 2.14).

Використовують датчики: частоти обертання, витрати повітря,

температури повітря й охолоджувальної рідини, положення дросельної зас-

лінки, навантаження тощо. Сигнали з них подаються на пристрої,

Рисунок 2.14 – Структура мікропроцесорної підсистеми паливоподачі

типу “Motronic” фірми Bosch:

1 – датчик початку відрахування; 2 – датчик частоти обертання колінчастого

вала; 3 – датчик витрати повітря; 4 – датчик температури повітря; 5 – датчик

температури охолоджувальної рідини; 6 – акумулятор; 7 – датчик положення

дросельної заслінки; 8 – пристрої сполучення; 9 – стабілізатор; 10 – генератор

тактових імпульсів; 11 – мікропроцесор; 12 – постійний запам’ятовуючий

пристрій; 13 – оперативний запам’ятовуючий пристрій; 14 –посилювач

потужності; 15 – електромагнітні форсунки (форсунки з електромагнітним

керуванням); 16 – комутатор; 17 – котушка запалювання

сполучені з комп’ютером. Такі пристрої служать для перетворення

сигналів датчиків у форму, зручну для зчитування комп’ютером.

Потім сигнали надходять до мікропроцесора, який здійснює

обчислення відповідно до заданого алгоритму та програми керування. Для

роботи процесора потрібен генератор тактових імпульсів, що виробляє

функціональні сигнали постійної частоти.

Напруга електропостачання подається на розглянуті елементи від

стабілізатора, оскільки в електричному колі автомобіля завжди мають

місце значні коливання току.

Сигнали на виході комп’ютера мають невелику потужність,

що

пов’язано з малою потужністю вхідних сигналів, які виробляються

датчиками. Тому їх не можна використовувати для керування котушкою

запалення й електромагнітними клапанами. Для підсилення сигналів

використовуються вихідні каскади: підсилювач потужності при керуванні

клапанами форсунок 15 та комутатор 16 при управлінні котушкою

запалювання.

Така система здійснює керування коефіцієнтом надлишку повітря a

та кутом випередження запалювання j

зап

за оптимальними програмами.

Для цього у ячейках постійного запам’ятовуючого пристрою записані так

звані опорні значення кута випередження запалювання. Процесор за

результатами аналізу сигналів, що надходять з датчиків частоти обертання

колінчастого вала і навантаження (положення дросельної заслінки), обирає

опорні значення, що доставляють оптимуми паливної економічності для

кожного експлуатаційного режиму. При пуску і прогріві двигуна, а також

на холостому ході значення кута випередження запалювання

встановлюються залежно від температури охолоджувальної рідини та

частоти обертання колінчастого вала. Вводиться, нарешті, додаткова

корекція кута випередження запалювання при роботі двигуна на режимі

повної потужності та на примусовому холостому ході.

Розглянута КПСК паливоподачі не має адаптивних каналів

керування.

Однак багато інших фірм випускають КПСК з програмно-

адаптивним керуванням.

Можливість адаптації КПСК, наприклад у КСК ДВЗ фірми Toyota

реалізована шляхом корекції опорних значень кута випередження

запалювання залежно від сигналів датчика детонації й запам’ятовування

нових значень зазначеного кута, що не призводять до детонації. У

результаті система має якості “самонавчання”, виявляючи і потім

виключаючи такі значення кута, що призводять до детонації в циліндрах

двигуна.

Далі буде ще наведено приклади допоміжних пристроїв переробки і

передачі інформації при вивченні КСК ДВЗ різних типів.

Однак вже з аналізу схеми рис. 2.14 бачимо, що загальна структурна

особливість будь-яких КСК ДВЗ пов’язана з тим, що вони включають не

тільки мікропроцесори, а й являють собою складні набори електронних

пристроїв, характеристики яких залежать від задач керування та бажаної

якості самого керування.

Другим дуже важливим принципом побудови КСК ДВЗ, що витікає з

мікропроцесорного виконання, є принцип вбудування.

Вище наголошувалося, що необхідно забезпечити як вбудування

локальної КСК у комплексну систему керування, так і вбудування

останньої у КСК силової установки, наприклад, автомобіля.

При переході до адаптивних систем, що також підкреслено, блок

автоматичного діагностування слід вбудувати у КСК ДВЗ.

Виникає питання, які саме можливості надає принцип вбудування.

Справа не в тому, що додаткові функції КСК неможливо реалізувати,

наприклад, без вбудування додаткових блоків керування у базову систему

керування. Треба розуміти, що при вбудуванні поєднуються

функціонально мікропроцесорні схеми, функції датчиків та виконавчих

пристроїв, що значно підсилює керувальні можливості КСК без

особливого ускладнення її схеми.

Приміром, при вбудуванні схеми діагностування у схему КСК ДВЗ

один і той самий датчик одночасно використовується для вирішення задач

керування та діагностування. Сигнали, наприклад датчиків систем

охолодження двигуна й змащення, одночасно використовуються як для

потреб КСК ДВЗ так і для потреб КСК автомобіля (приміром, для індикації

сигналів про недопустимі порушення стану систем двигуна на пульті

керування автомобілем).

Очевидно, що принцип вбудування передбачає суттєве підвищення