Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния систем электронного управления двигателями внутреннего сгорания .
1.1. Развитие и современное состояние электронных систем управления двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием
1.2. Развитие и современное состояние электронных систем управления дизельными двигателями внутреннего сгорания .
1.3. Анализ структурных особенностей электронных систем управления дизельными двигателями
1.4. Выводы 26
Глава 2 Получение математической модели дизельного двигателя и выбор закона формирования топливоподачи с учетом оптимизации по параметрам токсичности и топливной экономичности автомобиля .
2.1 Математическая модель дизельного двигателя как объекта регулирования по частоте вращения коленчатого вала
2.2 Модель среднестатистических эксплуатационных режимов работы двигателя и выбор закона топливоподачи 45
2.3 Выводы
Глава 3 Разработка алгоритмов программного обеспечения микропроцессорной системы управления дизельным двигателем
3.1 Разработка алгоритма получения заданной статической характеристики дизеля в системе регулирования частоты вращения коленчатого вала
3.2 Разработка алгоритмов программного обеспечения микропроцессорного регулирования частоты вращения коленчатого вала
3.3 Получение закона статического регуляторного воздействия по углу опережения впрыскивания топлива
3.4 Определение динамических параметров системы
микропроцессорного управления углом опережения впрыскивания топлива 95
3.5 Выводы
Глава 4 Архитектура перспективной микропроцессорной системы Nуправления дизельным двигателем .
4.1 Классификация процессов, присущих дизельным двигателям внутреннего сгорания
4.2 Синхронный процессор микропроцессорной системы управления дизельным двигателем
4.3 Процессор реального времени микропроцессорной системы управления дизельным двигателем
Заключение 108
Литература
- Развитие и современное состояние электронных систем управления дизельными двигателями внутреннего сгорания
- Анализ структурных особенностей электронных систем управления дизельными двигателями
- Модель среднестатистических эксплуатационных режимов работы двигателя и выбор закона топливоподачи
- Получение закона статического регуляторного воздействия по углу опережения впрыскивания топлива
Развитие и современное состояние электронных систем управления дизельными двигателями внутреннего сгорания
Сравнение этих систем выполненное в первом приближении и основанное на одинаково высокой точности всех применяемых агрегатов, идеальной идентичности форсунок для впрыскивания топлива, привело к следующему результату: наиболее перспективная система питания - система с распределенным впрыскиванием топлива независимо от типа используемого датчика нагрузки, где при точном и гибком дозировании топлива обеспечивается наилучшая равномерность распределения топлива как по отдельным цилиндрам, так и по последовательным рабочим циклам, поскольку топливо дозируется для каждого цикла индивидуально.
Однако этот вывод становится не столь определенным после рассмотрения процессов формирования состава смеси в цилиндрах с учетом их индивидуальных особенностей. Дело в том, что двигатель составляет совокупность цилиндров, каждый из которых обладает определенными отличиями, в частности по расходу воздуха (смеси). Эти различия по количеству потребляемого отдельными цилиндрами воздуха (смеси) вызываются рядом причин: - неодинаковым положением цилиндров относительно мест подвода воздуха (смеси) во впускной трубопровод; - различием в состоянии отдельных ветвей впускного трубопровода; - несовпадением впускных и выпускных окон на головке двигателя и коллекторах; - различием в положении впускных и выпускных клапанов в фазе малой величины подъема и т.д.
Из сказанного следует, что даже при идеальной равномерности распределения топлива по цилиндрам состав смеси в цилиндрах по вышеперечисленным причинам будет варьироваться в определенных пределах. К сказанному также следует добавить, что данная особенность ДВС принципиальна, поскольку индивидуальная коррекция подачи топлива применительно к каждому отдельному цилиндру сложна, но элементы её реализации уже находят применение в системах непосредственного впрыска 6eroHHa(GDI).
Итак, индивидуальные различия в расходе воздуха по отдельным цилиндрам приводят к тому, что изготовленные двигатели отличаются один от другого величинами расхода воздуха, причем в зависимости от сочетания факторов это может проявляться как в вариациях общего расхода воздуха двигателями на соответственных режимах работы, так и в вариациях расходов воздуха отдельными цилиндрами двигателя при незначительных отличиях общего расхода поскольку отличия для различных цилиндров могут иметь разные знаки отклонений. Поэтому перечисленные выше системы питания не представляются эквивалентными.
Действительно, те системы, в которых дозирование топлива происходит непосредственно в соответствии с фактическими расходами воздуха, в большей степени обеспечивают нужное приближение к заданному соотношению топливо/воздух в цилиндрах (в тоже время опять не идеальное в связи с различиями отдельных цилиндров). Тоже самое можно сказать относительно систем с центральной подачей топлива в сравнении с системами распределенной подачи топлива. Рассмотрим последнее обстоятельство более подробно.
При работе двигателя на нагрузочных режимах и особенно на холостом ходу давление газов в цилиндре в конце такта выпуска близко к атмосферному, а разрежение перед впускными клапанами достаточно велико. Соответственно при открытии впускного клапана ОГ из цилиндра вначале истекают во впускной трубопровод, вытесняя и разбавляя находящуюся там смесь, и только по мере движения поршня вниз начинает происходить поступление смеси в цилиндр. Одновременно за счет перекрытия фаз открытых состояний впускных и выпускных клапанов создаются условия не только для обратного выброса ОГ из цилиндра во впускной трубопровод, но и для истечения газов обратно из выпускного трубопровода через цилиндр во впускной трубопровод. Если учесть, что истечения происходят при весьма малых подъемах клапанов, когда даже незначительные отклонения в профиле кулачков и регулировке зазоров вызывают сравнительно большие различия в относительном подъеме клапана, то эти процессы не могут быть полностью идентичны для всех цилиндров. Отсюда следуют заметные отличия в величине обратных выбросов, особенно увеличивающиеся у двигателей с широкими фазами газораспределения, для которых характерен обратный переход газов из выпускного коллектора во впускной.
Из анализа с учетом описанных процессов следует, что формирование состава смеси в цилиндрах в двигателях с центральной и распределенной подачей топлива происходит принципиально по-разному.
Действительно, в случае центральной подачи топлива (карбюраторные системы, системы типа ЦНИТА С-1 и Mono-JETRONIC) обратный выброс газов изменяет лишь коэффициент соотношения смесь—ОГ в цилиндре, что хоть и влияет на характеристики цикла, но не определяющим образом.
С другой стороны, в системах с распределенным впрыскиванием топлива обратный выброс газов уменьшает содержание в цикловом заряде уже не готовой смеси, а воздуха. В то же время количество поданного топлива остается постоянным, так как практически всегда все поданное за цикл топливо на такте впуска попадает в цилиндр. Таким образом, вариация величины обратного выброса газов в системах с распределенным впрыскиванием топлива (также и непосредственного впрыска топлива в цилиндр) приводит к вариациям не только соотношения смесь—ОГ, но и к вариациям соотношения воздух—топливо, что значительно более неблагоприятно для рабочего процесса двигателя.
Анализ структурных особенностей электронных систем управления дизельными двигателями
Характеристики отечественных автомобильных дизелей показывают, что большинство из них не удовлетворяют требованиям современных европейских норм на токсичность отработавших газов и, естественно, делает эти дизели неконкурентоспособными.
Надо сказать, что еще совсем недавно аналогичная проблема стояла и перед большинством западных дизелестроительных фирм. Ее решили, используя одно из наиболее эффектных средств улучшения экологических и экономических показателей дизелей - формирование оптимальных законов управления топливоподачей. И прежде всего - законов управления цикловой подачей топлива, выбирая те, которые соответствуют режимам работы и условиям эксплуатации каждого конкретного дизеля.
Как пример ниже приведены законы управления положением рейки ТНВД (топливоподачей), разработанные и применяемые некоторыми зарубежными фирмами. Так, на рис. 2.3, а,б показаны базовые характеристики, предложенные фирмой BOSCH и реализуемые на серийно выпускаемых дизелях большегрузных автомобилей Mercedes. Вариант "а" или "б" выбирает микропроцессорная система автоматического управления в зависимости от условий эксплуатации. Характеристики, предложенные фирмами Lucas, Toyota, Friedman Maier (соответственно рис.2.3 в, г, д), используются на дизелях легковых автомобилей.
Не рассматривая на данном этапе положительные или отрицательные стороны реализации тех или иных законов управления в конкретной МП-системе, далее рассмотрим влияние типа использованного регулятора на характеристики токсичности и топливной экономичности автомобиля.
В настоящее время в отечественных автомобильных дизелях чаше применяется всережимное регулирование. Это обусловлено необходимостью автоматического поддержания определенного скоростного режима независимо от изменения нагрузки. Однако такое регулирование имеет ряд недостатков. Основной из них — неоправданно частый выход дизеля на режимы внешней скоростной характеристики. Дело в том, что при всережимном регулировании на любые изменения нагрузки дизель реагирует изменением цикловой подачи топлива. Значит, при частых выходах на режимы с полной подачей увеличиваются расход топлива, дымность и токсичность отработавших газов. Второй недостаток — примерно на 35 % большие, чем при двухрежимном регулировании, динамические нагрузки на детали трансмиссии. Причина — переходные режимы, вызываемые "забросами" рейки. Поэтому на дизелях, работающих на режимах с быстро изменяющейся нагрузкой, целесообразнее применять двухрежимные регуляторы. Тогда на любые изменения нагрузки дизель реагирует изменением частоты вращения коленчатого пала, что позволяет более точно, в зависимости от режима движения, дозировать подачу топлива, не допуская ее чрезмерного увеличения. Это благоприятно сказывается и на топливной экономичности дизеля, и на токсичности его отработавших газов. Причем данные преимущества двухрежимного регулирования особенно заметно проявляются при форсировании дизеля, увеличении скорости движения автомобиля, частом воздействии на рычаг управления топливоподачей. Кроме того, при таком регулировании усилия, _ РОССИЙСКАЯ ТОСУЩАРст : необходимые для перемещения этого рычага, меньше, чем в случае всережимного регулятора с переменной предварительной деформацией пружины.
Однако двухрежимное регулирование не лишено некоторых недостатков. Например, от водителя, который должен постоянно воздействовать на рычаг управления подачей топлива, чтобы находить требуемую ветвь характеристики, требуется достаточно высокая квалификация. Кроме того, из-за пологого протекания регуляторных характеристик на практике может наблюдаться неустойчивая работа двигателя на режимах с минимальной частотой вращения коленчатого вала, избежать которой удается лишь за счет высокого качества изготовления топливной аппаратуры.
Все сказанное заставляет искать компромиссные варианты между всережимным и двухрежимным регулированием. Один из них — всережимное регулирование с пологими характеристиками в зоне промежуточных скоростных йрежимов (его называют также "трехрежимным регулированием"). В этом случае регуляторные характеристики имеют три зоны регулирования: при минимальных, максимальных частотах вращения коленчатого вала (как в случае двухрежимного регулирования) и в промежуточном диапазоне частот (относительно пологие зависимости момента двигателя от частоты вращения коленчатого вала). Таким образом, по характеристикам управления двигателем трехрежимный регулятор близок к двухрежимному, с ним вероятность неустойчивой работы двигателя на пониженных частотах вращения коленчатого вала уменьшается.
На автомобильных дизелях применяют и другие способы регулирования. Например, способ, при котором частичные регуляторные характеристики формируются в виде гиперболических кривых "постоянной мощности". В этом случае по мере уменьшения частоты вращения коленчатого вала возрастает крутящий момент, что способствует устойчивой работе дизеля на пониженных скоростных режимах, улучшению его экономичности и динамических свойств. Дело в том, что двухрежимный регулятор улучшает, по сравнению с всережимным, динамические свойства дизеля при высоких скоростях движения, но ухудшает их при низких. Гиперболические же регуляторные характеристики имеют больший наклон на режимах с пониженной частотой вращения коленчатого вала и малый — на режимах с большой частотой.
Форма частичных регуляторных характеристик оказывает определенное влияние не только на экономические и динамические показатели автомобильного дизеля, но и на экологические. Однако дать точную оценку этого влияния трудно, поскольку определение режимов работы дизеля в условиях реальной эксплуатации носит вероятностный характер. Однако, учитывая, что современные методики испытаний на токсичность регламентируют характеристику движения автомобиля и тем самым определяют работу дизеля на неустановившихся режимах, оценка связи между типом регулятора и токсичностью отработавших газов становится возможной и не менее важной задачей при выборе типа регулятора.
Модель среднестатистических эксплуатационных режимов работы двигателя и выбор закона топливоподачи
Обеспечение оптимального угла опережения впрыскивания (УОВТ) в цилиндры дизеля для каждого сочетания скоростного и нагрузочного режимов -эффективное средство повышения показателей работы двигателя.
Известно, что УОВТ, установленный в ходе доводки как оптимальный для номинального режима, отнюдь не наилучший на промежуточных режимах. Для двигателей, работающих по скоростным характеристикам, давно используют автоматические муфты опережения впрыскивания топлива центробежного типа, которые вносят некоторую коррекцию в значение УОВТ. Однако процесс выбора оптимального УОВТ для любого сочетания нагрузки Р, частоты вращения п и внешних условий весьма сложен и коррекции только по п явно не достаточно.
Появление и развитие микропроцессорных (МП) средств позволяют иначе подойти к проблеме регулирования УОВТ, реализовать сложные оптимальные законы управления, используя возможности микропроцессоров.
Необходимость изменения УОВТ в зависимости от технического состояния дизеля, скоростного и нагрузочного режима, температурных и атмосферных условий, обусловлена существенным влиянием опережения впрыскивания топлива не только на эффективность рабочего процесса, но и на ряд других параметров двигателя: долговечность деталей ЦПГ, коленчатого вала и подшипников, токсичность отработавших газов, излучаемый шум, пусковые качества.
Существуют различные критерии оптимизации УОВТ, которые выбираются в зависимости от назначения, режимов работы, конструктивных особенностей двигателя. Наиболее важными критериями в существующей практике считаются топливная экономичность и токсичность работы дизеля. Далее при рассмотрении вопроса управления УОВТ принят критерий минимизации расхода топлива. Для большинства дизелей характерна четкая зависимость расхода топлива от УОВТ на всем поле режимов работы двигателя. Таким образом можно выявить минимумы расхода топлива и соответствующие им УОВТ.
Математическое описание закона изменения УОВТ в зависимости от п и Р при соблюдении минимального расхода топлива составляют основу программного обеспечения МП систем управления УОВТ. Разработка программного обеспечения составляет главную трудоемкость в создании МП систем. От его уровня в значительной мере зависит быстрота и точность реализации закона управления, а также соотношение аппаратных и программных средств синтезируемой системы.
В данной главе рассматриваются некоторые результаты исследований, ставивших своей целью выработку алгоритма функционирования МП систем управления УОВТ по требуемому статическому закону регуляторного воздействия, исходя из задачи минимизации расхода топлива.
Для выявления влияния УОВТ на расход топлива при разных скоростных и нагрузочных режимах использованы результаты экспериментального исследования, при котором в качестве объекта использовался дизель 4410.5/13 с камерой сгорания в поршне. По предварительным представлениям зависимость оптимального УОВТ от Р и п не ожидалась чётко выраженной и поэтому была выполнена проверка случая, где выявление зависимости наиболее затруднено. Установка при проведении испытаний была оснащена нагрузочным устройством, датчиками частоты вращения (ДЧВ) и нагрузки (ДН), расходомером топлива АИР-50, исполнительным устройством для изменения УОВТ (ИУ) и датчиком геометрического УОВТ (ДУОВТ).
Методика эксперимента сводилась к следующему: двигатель выводился на несколько ступеней по и=800; 1000, 1200, 1400, 1500 (мин1); далее на каждой ступени производилось изменение нагрузки Р в пределах, допустимых для данных оборотов (общий ряд нагрузочных режимов 0, 4, 8, 12, 16, 22, 25 кВт). На установившихся режимах изменялся УОВТ и фиксировались показания расходомера топлива. Результаты работы по данной методике позволяют получить семейство характеристик B=f(Q), (3.27) где В - часовой расход топлива, (кг/ч); Q-геометрический УОВТ, (градусов поворота коленчатого вала) На рис.3.10 данное семейство представлено в виде экспериментальных точек, аппроксимированных с помощью кривых, полученных как графическое решение функции
При этом вид полиномиальной функции, ее коэффициенты и показатель степени і членов полинома могут быть легко выбраны путем перебора возможных аппроксимирующих функций на ЭВМ с помощью программы, использующей метод наименьших квадратов.
При аппроксимации экспериментальных данных максимальная относительная погрешность аппроксимации полиномами третьей и четвертой степеней в данном случае составила около 1,7 %, что очевидно вызвано некоторым разбросом экспериментальных точек и обусловлено погрешностью измерения.
Из приведенных характеристик видно, что каждая кривая имеет экстремум, а это значит, что минимумы расходов топлива в действительности выявляются и могут быть определены соответствующие им УОВТ. В дальнейшем функции вида (3.28) были продифференцированы по аргументу Q и на основе решений полученных алгебраических уравнений найдены значения QonT - оптимальные по топливной экономичности УОВТ.
Очевидна тенденция увеличения Qom с ростом п и Р, что вызвало попытку нахождения функции Qom=f(n,P). (3.29) В итоге аппроксимации точек семейства характеристик вида (3.29) различными методами регрессионного анализа, программируемыми на ЭВМ, выяснилось, что достаточно высокую точность дает использование метода нелинейной пошаговой множественной регрессии. Анализ результатов идентификации показал, что данная зависимость может быть с высокой точностью представлена в виде кубической полиномиальной регрессии с учетом парных сопряжении независимых переменных
Получение закона статического регуляторного воздействия по углу опережения впрыскивания топлива
При совместном функционировании САРЧ и МПС управления УОВТ представляется важным исследование устойчивости и характера изменений вф и п на переходных режимах. Наличие четырех динамических звеньев чистого запаздывания весьма затрудняет исследование устойчивости совокупной системы, описанной сравнениями (3.43), используя классические метода линейной теории штоматического регулирования. Используя ЭВМ, анализ устойчивости систем можно іровести, исследуя протекание переходных процессов по вф и п при варьировании іараметрами МПС управления УОВТ. Изменяемыми параметрами МПС являются: запаздывание микроЭВМ ть запаздывание ИУ т2; величина уставки А, вид оператора управления Vg (см. формулу 3.40); величина статического передаточного коэффициента Кэд. В качестве входных возмущающих воздействий выступают гармонические колебания вида P= -sin(mt), где (3.45) Р—текущее значение нагрузки, кВт; t—текущая координата времени, с; со— частота вращения коленчатого вала, с"1. Изменение Р от 0 до 100 % различно по интенсивности и должно соответствовать темпам изменения реальных эксплуатационных нагрузок дизелей различного назначения.
Исследование поведения выходных координат позволяет определить значения параметров МПС управления УОВТ, которые обеспечивают устойчивость совокупности САРЧ и МПС управления УОВТ. При этом становится возможным установить значения параметров, обеспечивающих необходимые характеристики переходных процессов для дизелей различного назначения.
Учитывая, что увеличение быстродействия МПС связано со значительным повышением ее стоимости, выяснение допустимых диапазонов варьирования динамических параметров МПС представляется весьма важным и с экономической точки зрения, так как это определяет возможность и эффективность применения тех или иных элементов в МП - системе управления.
Для моделирования реальных эксплуатационных нагрузок в математическую модель следует ввести наиболее интенсивные процессы нагрузок, наблюдающиеся в практике. Время действия реального нагрузочного возмущения условно приведено к продолжительности изменения нагрузки от 0 до 100% (табл.3.1). Таблица 3. Назначение дизеля Минимальное время нарастания (снижения), с Источник информации
У дизельных установок разных назначений, типов и размерностей наблюдаются различные динамические свойства, характеризуемые постоянной времени Тд, которая определяется инерционными свойствами дизельной установки и обычно находится в пределах 1...4с и существенно влияет на протекание переходных процессов в САРЧ.
На рис.3.16 представлен фрагмент результатов модельных исследований МПС управления УОВТ с САРЧ в форме зависимости вт, #ф и п от времени при действии входного возмущающего воздействия в виде гармонических колебании Р, соответствующих максимальной скорости изменения нагрузки, наблюдаемой при эксплуатации дизеля с постоянной времени около 7с. Рис.3.16 Фрагмент результатов моделирования математической модели САРЧ и МПС управления УОВТ
Переходный процесс в САРЧ описывается изменением частоты вращения п, причем пс соответствует функционированию САРЧ при отключенной МПС управления УОВТ, апіип2— при совместной работе САРЧ и МПС.
Переходный процесс в МПС управления УОВТ описывается изменением 0Т, #ф1 и вф2- При этом индекс "1" соответствует значениям параметров МПС, принятым в качестве исходных (табл.3.2), а индекс "2"—значениям параметров МПС (ть т2, Кэд) полученным в результате подбора этих значений для удовлетворения Сформулированных выше требований.
Общий характер изменения #фі свидетельствует о том, что исходные значения параметров МПС не позволяют произвести управление УОВТ с необходимой точностью, так как погрешность следования #ф1 за изменением вт достигает 2,2. Очевидно, что скорость deficit не превышает dQj/dt, поэтому при некотором начальном запаздывании значения #фі не успевают "догнать" вг. Из этого следует, что значение необходимо увеличить от 3 до 3,6 град/с (соответственно Кэд возрастает до величины 0,118).
При достижении условия ]0т-0ф=Д прекращается выдача сигнала, управляющего ИУ, которое за время т2 продолжает изменять #ф на величину (т2й$фі/ 0=0,75о.
На рис.3.16 приведен график изменения теоретического УОВТ вт, вычисленного согласно статическому закону регуляторного воздействия, без запаздывания (т. е. истинное значение #т). Микропроцессор производит цикл вычисления вт за время Х\. Очевидно, что погрешность вычисления вт по сравнению с его истинным значением может достичь (ті і 9т/с/ґ)=0,75 По этим причинам суммарная погрешность измерения 0Ф по сравнению с 9Т достигает 1,5 на участках времени: 0...2,5; 4...7,5; 9... 15,5; 17... 19,5 и 21,5...24(сек). На остальных участках погрешность достигает 2,2 (за счет недостаточной величины Кэд). При Кэд =0,118, приняв допустимую погрешность изменения вф -\, условно разделим ее пополам. Таким образом, допустимая погрешность, вызванная инерционными свойствами ИУ, составит 0,5, из чего следует значение т2 близкое ),2(сек). Время Ті=0,14с определит погрешность, вызванную запаздыванием в икроЭВМ.
Полученные значения ть т2, dd/dt приведены в табл.3.3, а зависимость #ф2 (рис. 5.16) отражает функционирование МПС управления УОВТ при данных значениях іараметров системы, которое удовлетворяет п. 1 принятых требований к переходному іроцессу в МПС.
Действие МПС управления УОВТ на переходный процесс САРЧ в осматриваемом случае определяется сравнением зависимостей пс и щ, п2, которое [оказывает незначительное отрицательное влияние МПС на динамику САРЧ, т.е. удовлетворен п.2 сформированных ранее требований к динамике САРЧ.
Аналогичным образом получаются значения статических и динамических параметров МПС управления УОВТ при варьировании темпом изменения нагрузки и постоянной времени объекта управления - дизеля. Полученные данные свидетельствуют, что изменение постоянной времени объекта в пределах 1—4 с (автомобиль, трактора, автогрейдер, судовые дизеля малых катеров) незначительно влияет на переходный процесс в МПС, что объясняется наличием значительного времени запаздывания т3=0,35с по каналу УОВТ.
Похожие диссертации на Разработка алгоритмов микропроцессорного управления дизельным двигателем
