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.

ефективності автоматичного керування як двигуна, так і силової установки

з ним.

2.5. Класифікація та загальна структура сучасних КСК ДВЗ

Вище у цій главі розглянуто принцип побудови КСК ДВЗ. Також

розкрито особливості КСК ДВЗ у цілому, їх функціональних підсистем,

блоків, каналів керування.

На рис. 2.15, 2.16 наведено узагальнену класифікацію сучасних КСК

двигунів та схему їх структурних особливостей.

У подальших розділах підручника буде розглянуто схемно-

конструктивні особливості сучасних КСК двигунів різних типів і

призначень згідно з класифікаційними ознаками, наведеними на цих

рисунках.

В основному розглядатимуться схеми і конструкції КСК ДВЗ

останніх поколінь, у яких реалізовані кращі досягнення світового

двигунобудування.

Системи

керування з

низьким рівнем

інтелекту

Системи

керування з

середнім рівнем

інтелекту

Системи

керування з

високим рівнем

інтелекту

Системи з

програмним

керуванням

Системи з

програмно-адаптивним

керуванням

Системи з

адаптивним

керуванням

Системи

локального керування

Системи комплексного

багатомірного керування

Системи

центрального дозування

Системи

розосередженого дозування

Системи без вбудованого

блоку діагностування

Системи з вбудованим

блоком діагностування

Індивідуальні

КСК ДВЗ

КСК ДВЗ, вбудовані в

КСК СК

КСК ДВЗ

Рисунок 2.15 – Класифікація сучасних КСК

КСК двигунів з

іскровим

зап

люванням

КСК дизелів

КСК двигунів

багатопаливних

та ін.

Підсистема керування до-

зуванням паливоподачі

Підсистема керування

дозуванням повітря

Блок керування

експлуатаційною

паливною економічністю

Блок керування

токсичн

стю викидів

Блок керування

прийомністю

Блок керування кліматичним

пристосуванням

Блок керування

пуском

Блок керування

вторинним використання

теплоти

Блок керування

примусовим холостим

дом

Блок керування

відключенням циліндрів

КСК ДВЗ

Блок керування

діагностуванням

Інші блоки

керування

Блок керування

надійністю

Рисунок 2.16 – Структура сучасних КСК ДВЗ

Контрольні запитання та завдання

1. Які принципові позитивні якості мають КСК ДВЗ?

2. Якими є проблеми подальшого розвитку сучасних КСК ДВЗ?

3. Які загальні вимоги ставляться до КСК ДВЗ?

4. Які принципи покладено в основу сучасних КСК ДВЗ?

5. Що розуміти під командним параметром електронного каналу

керування?

6. Які особливості складання оптимальної програми керування

двигуна?

7. Що таке дискретно-індивідуальне керування циклом ДВЗ?

8. Що розуміється під адаптивністю керування?

9. Як структура КСК ДВЗ впливає на її надійність?

10. Які переваги мають модульність, уніфікація та стандартизація

при розробці комп’ютерних систем керування?

11. Що таке керування аварійним захистом двигуна?

12. Які особливості має КСК ДВЗ як мікропроцесорна система?

13. Які елементи входять до структури сучасних КСК ДВЗ?

14. Які є класифікаційні ознаки сучасних КСК ДВЗ?

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

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

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

2. Рязанцев Н.К. и др. Улучшение технико-экономических

показателей силового агрегата дизель-поезда на основе применения

микропроцессорной системы управления // «Двигатели внутреннего

сгорания»: Сб. – №1. – Харьков.: НТУ «ХПИ», 2002. – С. 55–57.

3. Методы оптимизации процессов двигателей внутреннего

сгорания: Уч. пособие / Е.И. Третяк. – К.: ИСИО, 1993. – 144 с.

4. Парсаданов И.В. Повышение качества дизелей на основе

комплексного критерия расхода топлива и токсичности отработавших

газов. – Харьков: НТУ «ХПИ», 2003. – 238 с.

5. Автомобильный справочник (Bosch): Пер. с англ. 1-е рус. изд. –

М.: «За рулем», 2000. – 896 с.

Глава 3. ЕЛЕКТРОННЕ КЕРУВАННЯ ПАЛИВОПОДАЧЕЮ

У ДВИГУНАХ

Комп’ютерні підсистеми керування паливоподачею у бензинових,

дизельних, багатопаливних та інших альтернативних двигунах принципово

відмінні. Тому кожну з таких КПСК розглянемо окремо.

Однак при вивченні будь-якої з зазначених підсистем важливо вра-

ховувати і досвід, накопичений при розробках і використанні КПСК пали-

воподачею бензинових двигунів, з огляду на те, що підсистеми паливопо-

дачі двигунів з іскровим запаленням суттєво випереджають подібні авто-

матичні засоби дизелів і, тим більше, багатопаливних та інших двигунів.

3.1. КПСК паливоподачею у бензинових двигунах

Розглянемо необхідність і можливості удосконалення паливоподачі у

сучасних бензинових двигунах. Найбільше споживання транспортними си-

ловими установками енергетичних ресурсів визначає нагальну потребу у

підвищенні їх паливної економічності.

Сьогодні паливна економічність головних споживачів бензину – ав-

томобільних ДВЗ – суттєво поліпшилася. Характерно, що основним фак-

тором її зростання стало збільшення ступеню тиску, яке вимагало серйоз-

них заходів щодо запобігання небезпеки детонації, що виникла при цьому.

Подальше підвищення паливної економічності автомобільних двигунів

вимагає подолання ще значніших труднощів, зумовлених недосконалістю

самого робочого циклу з поступовим характером вигоряння горючої сумі-

ші у циліндрі двигуна.

За рахунок чого ж ще можливо збільшити паливну економічність су-

часного автомобільного двигуна?

Невичерпним резервом треба вважати оптимізацію програми дозу-

вання палива та її автоматичну адаптацію до випадкових і різких змін екс-

плуатаційних режимів. Отже, аналіз дозувальних пристроїв сучасних кар-

бюраторів показав, що залежно від режиму роботи двигуна відхилення від

оптимального дозування може сягати 10 %. Оптимальне дозування палива,

як підтверджує практика, може звести подібне відхилення до 2 % і менше.

Що ж конкретно розуміється під оптимальним дозуванням палива у

бензиновому двигуні?

Встановлено, що найкраща паливна економічність при роботі бензи-

нового двигуна залежить від складу горючої суміші.

Максимальна потужність також досягається при конкретному поту-

жнісному складі горючої суміші, що відрізняється від економічного скла-

ду.

На рис.3.1 показано регу-

лювальну характеристику дви-

гуна з іскровим запалюванням за

складом суміші при n = const

(n – частота обертання колінчас-

того вала). Для кожного α підби-

рався оптимум φ

зап

(кут випере-

дження запалення). По цій хара-

ктеристиці визначають економі-

чний (якому відповідає питома

витрата палива g

ек

) та потужні-

сний (з відповідною питомою

витратою палива g

пот

) склади

суміші. Такі склади суміші хара-

ктеризуються відповідними кое-

фіцієнтами надлишку повітря

ек

, a

пот

Бачимо, що регулювальна характеристика має декілька зон. Зона І

розташована за нижньою межею спалаху, і в ній робота двигуна, природ-

ньо, неможлива. Зона ІІ характеризується недоречним збідненням горючої

суміші: в ній двигун працює неусталено, при збідненні суміші потужність

швидко падає, а паливна економічність погіршується (зростає

). У зоні

ІІІ горюча суміш раціонально збіднюється, а паливна економічність двигу-

на поліпшується (зі збільшенням a падає

), але дещо падає потужність;

Рисунок 3.1 – Регулювальна

характеристика двигуна з

іскровим запалюванням

г/(кВт×год)

ІІ

ІІІ

ІV

пал

, мг

кВт

пот

ек

пот

при цьому a

пот

» 0,8...0,85; a

ек

» 1,1...1,15. Для зони ІV характерним є нера-

ціональне збагачення суміші, тому паливна економічність різко погіршу-

ється, а потужність знижується. Нарешті, відрізок за зоною ІV (на рисунку

не визначена) міститься за верхнею межою спалахування, коли робота дви-

гуна неможлива.

Таким чином, якщо виходити із паливної економічності й враховува-

ти потужнісні показники двигуна, то всі раціональні склади горючої сумі-

ші, що подаються керованою підсистемою дозування палива, повинні

обов’язково розташовуватися у зоні ІІІ регуляторної характеристики.

Завершуючи викладене, можна зробити висновок, що метою оптимі-

зації дозування палива є забезпечення a у межах зони ІІІ (рис.3.1) при

будь-яких експлуатаційних режимах роботи двигуна на силовій установці.

Використання КСК робить вирішення цієї складної задачі цілком реальним

і найбільш ефективним.

3.1.1. Вимоги до КПСК паливоподачею бензинових двигунів

Наведене вище та досвід експлуатації двигунів з іскровим запалю-

ванням дозволяють сформулювати наступні основні вимоги до

комп’ютерних підсистем керування дозуванням палива:

1. Забезпечувати пускове збагачення суміші і підтримання підви-

щеної частоти обертання колінчастого вала при прогріві двигуна.

2. На режимах холостого ходу прогрітого двигуна відповідний ка-

нал КПСК паливоподачею має дозувати її таким чином, аби склад горючої

суміші відповідав мінімально можливій усталеній частоті обертання колін-

частого вала при найменшій погодинній витраті палива та найнижчій ток-

сичності відпрацьованих газів. Для прискорення пуску холостого ходу

двигуна цей канал КПСК повинен збагачувати горючу суміш, а на режи-

мах примусового холостого ходу припиняти подачу палива. По мірі про-

гріву двигуна склад горючої суміші необхідно поступово збіднювати. Такі

функції мають виконуватися незалежно від кількості включених спожива-

чів (фари, кондиціонер, рації і т. п.).

3. Забезпечувати максимально ефективні показники роботи двигуна

у всьому діапазоні швидкісних та навантажувальних режимів шляхом ви-

бору оптимальних кутів випередження запалювання й паливоподачі при

мінімальному викиді токсидів з відпрацьованими газами. Для цього:

● в умовах усталених режимів експлуатації при неповному від-

критті дросельної заслінки КПСК повинна здійснювати подачу горючої

суміші, що обумовлює задану потужність двигуна при найменшій витраті

палива, тобто автоматично реалізувати програму дозування для отримання

оптимальної паливної економічності;

● на усталеному режимі при повному (або близькому до повного),

відкритті дросельної заслінки КПСК повинна забезпечувати подачу збага-

ченої горючої суміші (зона ІІІ, рис. 3.1), тобто реалізувати програму

дозування для досягнення

ах

;

● на неусталених режимах (під час перехідних процесів) КПСК по-

винна визначати склади горючої суміші, які дозволяють за найменший час

перейти двигуну з одного усталеного режиму на інший з мінімально мож-

ливою витратою палива й токсичністю та забезпечує такий темп перехід-

ного процесу, коли закиди режимних параметрів n і

стають неможли-

вими або навіть зовсім нереальними.

4. В цілому на основі реалізації сформульованих вимог КПСК по-

винна забезпечити оптимальне керування паливоподачею за заданою ці-

льовою функцією, наприклад, мінімуму середньо-експлуатаційних витрат

палива при накладених обмеженнях щодо токсичності викидів, надійності,

прийомистості, тощо.

5. Відключати подачу палива в аварійному режимі (перевищення

допустимої частоти обертання колінчастого вала) і здійснювати перехід на

запасну (усереднену) програму у випадку виходу з ладу будь-якого з дат-

чиків.

Крім функціональних вимог, пов’язаних з керуванням роботою дви-

гуна, КПСК повинна відповідати і спеціальним вимогам, зумовленим з

особливостями експлуатації силової установки:

■ висока надійність роботи в умовах значного перегріву й підви-

щених вібрацій;

■ мінімальне власне енергоспоживання;

■ мінімальні габарити і маса.

Також до спеціальних вимог щодо КПСК слід віднести й такі:

◑ можливість зовнішньої діагностики та самодіагностування;

◑ гнучкість у керуванні – здатність перепрограмування та адаптації

до умов експлуатації, що випадково змінюються.

Підкреслимо, що вимоги до оптимізації паливоподачі на всіх експлу-

атаційних режимах повинні виконуватися узгоджені з дозуванням повітро-

постачання, бо керування робочим процесом двигуна змінюється не за

а за a (склад суміші), який цілком зумовлює економічні, потужнісні, ток-

сичні та інші експлуатаційні показники двигуна, небезпеку детонації, теп-

лонапруженість деталей тощо.

У наступних розділах підручника цьому принциповому питанню

приділятиметься належна увага.

При вивченні конструкцій і схем КПСК паливоподачею бензинових

двигунів, як і газових, детальніше зупинимося на методах і засобах забез-

печення важливих вимог до керування паливоподачею з урахуванням спе-

цифіки експлуатації.

3.1.2. Схемні та конструктивні особливості підсистем

керування паливоподачею у двигунах з іскровим

запалюванням

Підсистеми комп’ютерного керування паливоподачею у сучасних

бензинових двигунах реалізовані у трьох формах:

вприскування з індивідуальним електронним керуванням;

вприскування з центральним електронним керуванням;

у тому числі – електронне керування карбюратором.

Перші дві форми відрізняються тільки кількістю дозувальних при-

строїв та місцем їх установки.

При індивідуальному (розосередженому, багатоточковому) вприску-

ванні з електронним керуванням кількість форсунок, як правило, відпові-

дає кількості циліндрів двигуна, а місцем їх установки може бути або зона

впускного клапана, або власне камера згоряння у циліндрі. Остання форма

вприскування називається безпосереднім (прямим) вприскуванням палива і

є перспективною, як це буде показано далі. При центральному вприску-

ванні з електронним керуванням незалежно від кількості циліндрів встано-

влюється одна (спільна) форсунка на всі циліндри, причому вона розміщу-

ється в зоні змішувальної камери, також однієї на всі циліндри.

Бачимо, що на сьогоднішній день вприскування легкого палива по-

чинає домінувати.

Тому детально зупинимося на проблемах вприскування легкого па-

лива до циліндра [1, 2, 3].

Вприскування бензину у ДВЗ – це сучасна підсистема паливоподачі,

хоча років їй не менше, ніж традиційному карбюратору.

Для розпилювання палива й виготовлення паливо-повітряної суміші

в будь-якій системі живлення використовується перепад тиску: в карбюра-

торі за рахунок руху поршня створюється розріджування повітря у дифу-

зорі перед жиклером, а в системах вприскування – за рахунок тиску пали-

ва, створюваного високопродуктивним насосом. Різниця нібито непринци-

пова. Але перепад тиску в системах вприскування є майже на порядок ви-

щим. Це забезпечує кращу гомогенізацію горючої рідини, яка характеризу-

ється дрібністю та однорідністю розпилювання, якістю змішування крап-

лин палива з повітрям, рівномірністю розподілу цих краплин в об’ємі ци-

ліндру.

Ідея подачі палива у двигун під тиском така ж стара, як і сам ДВЗ.

Перші досліди у цій галузі проведено ще на кінці ХІХ сторіччя. Цікаво, що

почалося впровадження вприскування на бензинових двигунах для авіації з

механічним вприскуванням, наприклад, на аероплані братів Райт

(1903 рік). Перший експериментальний пристрій вприскування палива під

тиском з’явився на чотиритактному двигуні ще 1894 року, тобто роком ра-

ніше карбюратора Даймлера і Майбаха. Фірма Bosch почала експеримен-

тувати з механічними системами вприскування у 1912 році. Однак такі си-

стеми монтувалися тоді лише на унікальних гоночних машинах на легко-

му паливі; до серійного виробництва справа не доходила. На серійних ав-

томобілях того часу панував карбюратор, бо він був незрівнянно прості-

ший у виробництві, більш надійним в експлуатації і, що головне, на поря-

док чи на два дешевшим. Систему вприскування палива для дизелів ство-

рила фірма Bosch у 1927 році. 1937 року цю ідею реалізували в авіаційних

серійних моторах, як дизельних, так і бензинових.

Нарешті, 1954 року в Німеччині був представлений публіці легковий

автомобіль з бензиновим двигуном, оснащеним механічною системою

вприскування – це був знаменитий Mercedes-Benz 300SL. Пізніш подібні

системи з’явились і на автомобілях BMW, Jaguar та інших фірм. У най-

більш “автомобільній” країні – США – перша підсистема вприскування

з’явилася 1957 року на автомобілях Chevrolet з механічною системою, ви-