Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса о современном управлении быстроходными дизелями 14
1.1. Современные системы топливоподачи дизелей в качестве средства осуществления управляющих воздействий 15
1.2. История и проблемы развития САР частоты вращения дизелей 17
1.3. Классификация САР автомобильных дизелей 19
1.4. Электронное управление автомобильными двигателями 21
1.5. Диагностика ЭСУ
1.5.1. Стандартные физические интерфейсы для диагностики 31
1.5.2. Стандартные диагностические протоколы 33
1.5.3. Технология диагностирования электронных блоков управления OBD II 34
1.6. Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. Разработка цифрового регулятора частоты вращения автомобильного дизеля 37
2.1. Математическая модель цифровой системы управления положением рейки ТНВД 38
2.1.1. Уравнение исполнительного механизма привода рейки ТНВД 40
2.1.2. Уравнение регулятора положения рейки 43
2.2. Математическая модель цифрового регулятора частоты вращения коленчатого вала двигателя 46
2.2.1. Уравнение частоты вращения коленчатого вала двигателя 47
2.2.2. Уравнение регулятора частоты вращения 52
2.2.3. Анализ системы управления частотой вращения 55
2.2.4. Численное моделирование САР частоты вращения 59
2.3. Выводы по главе 2 64 Стр.
ГЛАВА 3. Алгоритмы функционирования ЭСУ дизеля
3.1. Функционирование ЭСУ дизеля 67
3.2. Алгоритм обработки сигналов датчиков
3.2.1. Обработка дискретных сигналов 76
3.2.2. Обработка аналоговых сигналов
3.3. Алгоритм преобразования управляющего сигнала 99
3.4. Алгоритм пуска и прогрева двигателя 102
3.5. Регулирование минимальной частоты вращения холостого хода 107
3.6. Алгоритмы корректирования
3.6.1. Корректирование по температуре и давлению наддувочного воздуха 113
3.6.2. Корректирование по температуре топлива 115
3.7. Алгоритмы управления скоростью автомобиля 117
3.7.1. Ограничение максимальной скорости автомобиля 117
3.7.2. Реализация функции «круиз-контроль»
3.8. Алгоритм автоматической аварийной защиты 130
3.9. Алгоритм управления режимом работы двигателя по шине CAN 132
3.10. Разработка программ 134
3.11. Испытание алгоритмов 138
3.12. Выводы по главе 3 146
ГЛАВА 4. Алгоритмы функционирования ЭСУ аккумуляторных систем топливоподачи 147
4.1. Функционирование ЭСУ 147
4.2. Алгоритм определения момента начала впрыскивания 150
4.3. Управление посредством электромагнитных клапанов 154
4.4. Алгоритм управления давлением топлива в аккумуляторе 156
4.5. Разработка программ 157
4.6. Испытания алгоритмов 160
4.7. Выводы по главе 4 161 Стр.
ГЛАВА 5. Диагностика ЭСУ дизеля 163
5.1. Разработка комплекса диагностики 165
5.2. Алгоритм диагностики по интерфейсу K-Line 169
5.3. Алгоритм диагностики по интерфейсу CAN 172
5.4. Разработка программ 174
5.5. Выводы по главе 5 177
Общие выводы и заключение 178
Список литературы 1
- Классификация САР автомобильных дизелей
- Уравнение регулятора положения рейки
- Алгоритм преобразования управляющего сигнала
- Управление посредством электромагнитных клапанов
Классификация САР автомобильных дизелей
Системы топливоподачи по отношению их к электронному управлению могут быть приспособленными к нему или специально спроектированными. К первым относятся все виды традиционной ТА [25, 77, 98]. Чтобы осуществить их электронное управление, необходимо осуществить привод органа дозирования топлива (рейки) с помощью электронно-управляемых исполнительных механизмов (ИМ), например, электродвигателей, электромагнитов (ЭМ) или электрогидравлических клапанов. Ко вторым относятся аккумуляторные ТПС [40, 63, 71, 91], в которых процесс начала и конца подачи осуществляется с помощью электромагнитных быстродействующих клапанов; односекционные топливные насосы без собственного кулачкового вала (столбиковые) [5, 25], оснащенные такими же клапанами; насос-форсунки, оснащенные нормально закрытыми быстродействующими электромагнитными клапанами [5, 25, 62]; насос-форсунки с электрогидравлическим запиранием [25]; ТПС, в которых создание давления и распыливание топлива осуществляется с помощью гидравлического удара, ультразвука и электрогидравлического эффекта [23, 62]. В большинстве перспективных систем топливоподачи применяются быстродействующие электромагнитные и пьезоэлектрические клапаны, с помощью которых возможно не только обеспечение необходимых регуляторных характеристик, но также управление моментом впрыскивания топлива и формирование последовательности из нескольких впрысков (предвпрыски, основной впрыск, поствпрыски).
Требования к современным топливным системам сформулированы благодаря усилиям отечественных ученых [5, 27, 54, 77], научных коллективов ЦНИТА [125], ГНЦ НАМИ [79] и промышленных предприятий ОАО АВТОДИЗЕЛЬ, ОАО ЯЗТА, ОАО ЯЗДА [18], а также зарубежных фирм Bosch, AVL, Lucas, Cummins, Nippon Denso, Stanadyne, Deutz и др.: обеспечение высокой объемной скорости и давления впрыскивания традиционными топливными системами; что означает перевод ТА на увеличенные диаметр и скорость плунжера, позволяющие увеличить давление и уменьшить продолжительность впрыскивания; центральное вертикальное расположение форсунки, оснащенной распылителем с малой площадью и большим числом сопловых отверстий; улучшение технологичности изготовления и эксплуатации ТА; управление законом впрыскивания во всем нагрузочно-скоростном диапазоне (минимальный объем топлива во время задержки воспламенения и резкое снижение давления в конце процесса впрыска); создание принципиально новых систем подачи топлива в дизель, обеспечивающих, быструю реакцию на изменение давления, причем высокое давление должно обеспечиваться при малых частотах вращения и высоких нагрузках, а также при высоких частотах вращения и малых нагрузках; и независимые процессы создания высокого давления и впрыскивания топлива; электронное управление топливоподачей, моментом начала впрыскивания и его интенсивностью (на стационарных и так называемых «транзиентных» режимах, улучшенные алгоритмы управления, например адаптивное управление), включая возможности диагностики. Соответствие ужесточающимся нормам токсичности при сохранении высоких характеристик дизельных двигателей означает, что важны будут не только гидравлические характеристики топливной системы, но и ее взаимодействие с различными мерами по снижению токсичности ОГ (т.е. с системами перепуска ОГ, селективного каталитического уменьшения NOx и др.).
Необходимость автоматического регулирования тепловых двигателей появилась вместе с их изобретением во второй половине XVIII века. В 1765 г. русский механик и изобретатель И.И.Ползунов впервые создал регулятор для поддержания уровня воды в котле паровой машины, а в 1786 г. английский механик Д.Уатт запатентовал центробежный регулятор для поддержания необходимой частоты вращения кривошипа паровой машины в заданных пределах. Поскольку статические характеристики этих двух регуляторов практически одинаковы, то принцип регулирования, заложенный в них, в отечественной литературе называют принципом Ползунова-Уатта [64].
Первый научный анализ процесса регулирования был осуществлен Д.Максвеллом в 1868 г., с помощью линейных дифференциальных уравнений. Было показано, что система регулирования будет устойчивой, если все действительные части корней алгебраического уравнения n-ой степени, которое является характеристическим для исследуемой системы, будут отрицательны. В дальнейшем математиком Раузом были найдены необходимые и достаточные условия получения отрицательных значений действительной части корней характеристического уравнения n-ой степени.
В 1871 г. академиком П.Л.Чебышевым была опубликована работа «О центробежном уравнителе», в которой рассмотрены пути уменьшения неравномерности регулятора.
Основоположником современной теории автоматического регулирования считается профессор И.А.Вышнеградский, которому удалось составить уравнение третьей степени с двумя постоянными коэффициентами, значения которых зависят от параметров системы и позволяют получить на плоскости графическое изображение устойчивости системы регулятор-двигатель. Продолжением работ И.А.Вышнеградского явились работы А.М.Ляпунова, профессора А.Стодолы, А.Гурвица.
Проблемами исследования качества САР посвящены работы А.В. Михайлова, профессоров Г.Г. Калиша, М.А. Айзермана, а также В.А. Бесекерского [7], В.В. Солодовникова [114], Я.З. Цыпкина [143], Е.П. Попова [107].
Современная теория САР частоты вращения АД сформирована благодаря усилиям проф. В.И. Крутова [64, 65], В.И. Толшина [121], И.В. Леонова [74], И.И. Кринецкого [61], Ф.И. Пинского [102], Д.Х. Морозова [93].
Большой вклад в изучение и разработку САР АД внесли В.И. Крутов [64, 65], И.В. Леонов, К.Е. Долганов, Е.И. Блаженнов, И.Д. Долгих [38], В.А. Марков [80-89], В.И. Шатров [145], Ю.Е. Хрящев [130-142], С.Г. Драгомиров [39-42], Л.Н. Голубков [23], В.И. Ерохов [44-49], Г.В. Васильев [144], С.Н. Девянин [31-36], А.Г. Кузнецов [67-69], и др.
Особенность современных представлений об автоматическом регулировании быстроходных дизелей состоит в следующем: регулирование нагрузочно-скоростного режима осуществляется путем изменения количества подаваемого топлива [64]; протекание статических характеристик равновесного режима может быть любым в зависимости от назначения транспортного средства [137]; регулирование особых случаев (внешней скоростной характеристики, пусковой подачи, холостого хода, режимов торможения двигателем и др.) осуществляется независимо от формирования характеристики равновесных режимов; в качестве объекта автоматического регулирования скорости рассматривается все транспортное средство в целом [9 ,134].
Уравнение регулятора положения рейки
Современная ТПС дизеля должна обеспечивать точное и своевременное дозирование топлива в цилиндры двигателя на всех его нагрузочно-скоростных режимах работы. Фиксированная цикловая подача (фиксированное положение рейки ТНВД) не означает работу двигателя с постоянной частотой вращения. Следовательно, для эффективной работы ТНВД необходимо оснащать либо механическим центробежным регулятором частоты вращения, либо электронным регулятором.
Преимущества ЭСУ: - возможность использовать информацию о режиме работы двигателя с множества датчиков, что способствует получению оптимальных характеристик двигателя и обеспечивает более точное управление во всём диапазоне рабочих режимов; - возможность повышения гибкости управления, более точной реализации законов управления (возможность формирования любой статической характеристики), расширения числа учитываемых корректирующих факторов; - возможность контролировать процесс впрыскивания в каждом цилиндре двигателя; - возможность обеспечения постоянно высокого уровня точности регулирования топливоподачи без дополнительных настроек на протяжении всего срока эксплуатации двигателя; - уменьшение вибраций и шумности работы двигателей за счет дополнительных возможностей управления параметрами впрыскивания; - улучшение надежности, топливно-экономических, экологических и динамических показателей двигателя; - возможность реализации широкого ряда функций: защита двигателя при аварийных ситуациях, согласования работы двигателя с работой трансмиссии, управление скоростью автомобиля, взаимодействие с другими электронными системами автомобиля и др.; - уменьшение габаритов агрегатов двигателя и упрощение конструкции за счет отсутствия громоздких механических узлов. Основой ЭСУ дизелем является цифровой регулятор частоты вращения.
Основная его задача – управление цикловой подачей топлива для поддержания устойчивой заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя в различных условиях работы.
Требования к цифровому регулятору частоты вращения дизеля: - простота алгоритма и его настроек для реализации в составе ЭСУ дизелем; - возможность формирования регуляторных характеристик различных видов (однорежимный, двухрежимный, всережимный, трехрежимный); - устойчивость регулятора на всех нагрузочно-скоростных режимах его работы. Таким образом, разработка цифрового регулятора частоты вращения АД сводится к задаче создания универсального регулятора частоты вращения, удовлетворяющего данным требованиям. Задача решается путем создания модели и исследования САР частоты вращения АД.
Математическая модель цифровой системы управления положением рейки ТНВД Структурная схема двухконтурной САР частоты вращения коленчатого вала двигателя представлена на Рис. 2.1. Текущая частота вращения определяется величиной подачи топлива (положение рейки топливного насоса h), свойствами двигателя, нагрузкой N и факторами окружающей среды. Текущее значение частоты вращения передается в качестве входного сигнала в основной контур – регулятор частоты вращения, который для обеспечения стабильности скоростного режима задает положение рейки для вспомогательного контура –регулятора положения рейки ТНВД.
В качестве СУ положением рейки ТНВД применяется система с замкнутой цепью воздействий (система с обратной связью), в которой на вход управляющего устройства поступает как внутреннее (контрольное) воздействие, так и внешнее (задающее) (Рис. 2.2).
Для системы с традиционным ТНВД с приводом от ЭМ, математическая модель СУ состоит из следующих уравнений: - уравнение ИМ, описывающее динамику движение рейки ТНВД в зависимости от электрических и силовых параметров ЭМ; уравнение регулятора положения рейки, описывающее управляющий сигнал на ЭМ, в зависимости от отклонения заданной и действительной цикловой подачи. 2.1.1. Уравнение исполнительного механизма привода рейки ТНВД
Уравнение ИМ включает в себя: уравнение ЭМ, описывающее электрические силовые параметры ЭМ, и уравнение привода рейки, описывающее динамику движения рейки ТНВД.
Динамика ЭМ описывается вторым законом Кирхгофа для цепей управления [138], согласно которому, алгебраическая сумма ЭДС и напряжений в цепи обмотки в каждый момент времени равна нулю:
Входной величиной ЭМ является напряжение и, приложенное к обмотке. Напряжение и в процессе работы ЭМ изменяется в соответствии с алгоритмом управления системы. Будем считать, что источник напряжения обладает достаточно большой мощностью, и что напряжение и не зависит от электромагнитных процессов, происходящих в обмотке.
Алгоритм преобразования управляющего сигнала
Переход от явной схемы (2.64) к неявной (2.67) для модифицированного ПИД-регулятора приводит к резкому уменьшению колебаний органа дозирования топлива, что позволяет увеличить точность и быстродействие регулирования.
Результаты моторных испытаний (Рис. 2.12) также подтверждают тот факт, что настройка классического ПИД-регулятора существенно зависит от нагрузки. Испытания проводились в моторных боксах ОАО ЯЗДА на двигателе КАМАЗ-740.60-360, 264 кВт. На графиках представлены два режима работы двигателя при одинаковой настройке регулятора. На первом двигатель нагружен балансирной машиной 300 Нм, на втором режим холостого хода. При переходе на холостой ход возникают значительные колебания частоты вращения, т.к. в 20 раз уменьшается момент инерции системы. Для обеспечения устойчивой работы системы необходимо существенно уменьшить коэффициент передачи регулятора. Данное условие требует использования громоздкого массива корректировочных коэффициентов с сильно завышенными коэффициентами регулятора в районе минимальных оборотов холостого хода.
Применение модифицированного ПИД-регулятора (Рис. 2.13) в значительной степени упрощает настройку алгоритмов, поскольку не требует коррекции коэффициентов основного регулятора, в отличие от регуляторов на основе классического ПИД-закона. Результаты испытаний регулятора подтвердили, что его настройки слабо зависят от нагрузки. Применение модифицированного ПИД-регулятора позволяет отказаться от применения специального регулятора холостого хода. h, % ЗО 20 h, % ЗО 20 n, мин-1
Результаты моторных испытаний модифицированного ПИД-регулятора, неявная схема (при постоянных коэффициентах): а) работа под нагрузкой; б) режим холостого хода 2.3. Выводы по главе 2 Разработан цифровой регулятор частоты вращения АД: 1. Составлена принципиальная схема САР частоты вращения. 2. Разработана математическая модель СУ положением рейки ТНВД, выведены уравнение ИМ привода рейки, уравнение регулятора положения рейки и ПФ СУ приводом рейки ТНВД. 3. Разработана математическая модель регулятора частоты вращения коленчатого вала двигателя, выведены уравнение частоты вращения, уравнение регулятора. Проведен качественный анализ модели. Проведено численное моделирование САР частоты вращения. 4. Настройка классического ПИД-регулятора существенно зависит от нагрузки. Для обеспечения устойчивой работы системы необходима динамическая подстройка коэффициента передачи регулятора в зависимости от нагрузки. 5. Предложен модифицированный ПИД-регулятор частоты вращения в явном и неявном виде. Для данного вида регуляторов устойчивость слабо зависит от нагрузки, что позволяет выбрать универсальные настройки, обеспечивающие устойчивую работу двигателя на всех режимах. 6. Использование неявной схемы для модифицированного ПИД-регулятора приводит к резкому уменьшению колебаний органа дозирования топлива, что позволяет увеличить точность и быстродействие регулирования. обеспечение работы в отладочном режиме с ПК по интерфейсам K-Line или CAN. У разработчика ЭСУ имеется возможность полностью решить поставленные задачи с помощью алгоритмов управления топливоподачей двигателя.
Для выполнения поставленных задач в ЭБУ должны быть реализованы следующие основные алгоритмы работы: - автоматическое регулирование частоты вращения коленчатого вала двигателя; - формирование ВСХ – ограничение максимальной подачи в зависимости от скоростного режима двигателя; регулирование минимальной частоты вращения холостого хода – поддержание заданной частоты вращения коленчатого вала при отпущенной педали газа; регулирование максимальной частоты вращения коленчатого вала – защита двигателя от повреждений при превышении максимально допустимой частоты вращения (защита от «разноса»); регулирование момента начала впрыскивания, влияющего на мощность дизеля, расход топлива, уровни шума и эмиссии ОГ; формирование пусковой подачи – увеличение цикловой подачи топлива для нормального пуска двигателя в различных условиях; останов дизеля – прекращение подачи топлива путем перемещения рейки ТНВД в положение «стоп», аварийный останов двигателя – закрытие предохранительного топливного клапана или воздушной заслонки; торможение двигателем – уменьшение или полное отключение подачи топлива в цилиндры дизеля; ограничение величины подачи топлива – предотвращение перегрузки дизеля и сокращение вредных выбросов; активное демпфирование рывков трансмиссии – уменьшение скачков крутящего момента двигателя при внезапном изменении нагрузки (ускорение/торможение); ограничение скорости движения – предотвращение превышения заданной максимальной скорости, даже если педаль газа остается нажатой; регулирование скорости движения (функция «круиз-контроль») – возможность автомобиля двигаться с постоянной скоростью, которая поддерживается на желаемом уровне без необходимости нажатия водителем педали газа;
Управление посредством электромагнитных клапанов
Цель стендовых испытаний - проверка функциональности системы на безмоторном топливном стенде. При этом на различных стационарных режимах ведется измерение цикловой подачи топлива с настройкой частичных характеристик топливоподачи, настройка алгоритма управления положением рейки ТНВД с подбором коэффициентов ПИД-регулятора, настройка параметров цифровых фильтров, проверка и настройка алгоритмов корректоров. Во время испытаний также проводится оценка воздействия на элементы системы вибрации, пыли, масла и топлива.
Цель моторных испытаний – проверка работоспособности системы в целом, отладка компонентов системы и алгоритмов ЭСУ в составе с топливным насосом на реальном двигателе, калибровка системы применительно к конкретному типу дизеля. Работа проводится в специальном моторном боксе на стенде, оснащенном тормозным устройством с динамометром, топливной, воздухопитающей, газовыводящими системами, смазочной системой, системами охлаждения, пуска, противопожарным оборудованием и т.п. Стенд позволяет имитировать различные условия работы двигателя (задавать различные нагрузочно-скоростные режимы) с одновременным измерением необходимых параметров (такие как крутящий момент, частота вращения, расход воздуха и топлива, температура охлаждающей жидкости, уровень эмиссии ОГ и др.). По результатам испытаний производится настройка алгоритмов основного регулятора частоты вращения, регулятора минимальных оборотов холостого хода, алгоритмов коррекции по давлению и температуре наддува, температуре топлива, производится коррекция ВСХ, алгоритмы пуска и прогрева (в т.ч. в холодильной камере), алгоритм перепуска ОГ и др.
Первичные моторные испытания проводились в моторном боксе №1 ОАО «ЯЗТА» (Рис. 3.49), оборудованном динамометром постоянного тока модели 1DS 1146–KV (Чехия), автоматизированным измерительно-управляющим комплексом «Алмаз» (ЗАО «Локомотив», г. Ярославль), расходомером топлива модели AVL 733S (Австрия), дымомером AVL 439 (Австрия), обеспечивающими измерение параметров двигателя в соответствии с требованиями ГОСТ 14846-81.
Испытание дизельного двигателя КАМАЗ-740.60-300 с системой ЭСУ-1 в моторном боксе ОАО «ЯЗТА» Моторные сертификационные испытания проводились в соответствии с ГОСТ Р 41.49-2003 (Правила ЕЭК ООН №49) [151] по следующим испытательным циклам на автомобильном полигоне НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ»: - ESC (European steady state cycle, европейский цикл испытаний в установившихся режимах) – испытательный цикл, состоящий из 13 установившихся режимов с тремя дополнительными точками; - ELR (European load response test, европейский цикл испытаний реакции двигателя на изменение нагрузки) – испытательный цикл для оценки дымности ОГ, состоящий из последовательных ступеней нагрузки двигателя при постоянных частотах вращения; - ETC (European transient cycle, европейский цикл испытаний в переходных режимах) – испытательный цикл, состоящий из 1800 последовательных посекундных переходных режимов, имитирующих реальные режимы работы двигателя.
Сертификация типа двигателя (семейства двигателей) в отношении уровня выбросов вредных веществ (вредных газообразных веществ и вредных частиц) на обычных дизелях, в том числе оснащенных оборудованием для электронного впрыска топлива, системой рециркуляции ОГ и окислительными каталитическими нейтрализаторами производится по результатам испытаний ESC и ELR. Дизельные двигатели, оснащенные усовершенствованными системами дополнительной обработки ОГ, включая каталитические нейтрализаторы для удаления NOX и сажевые фильтры, должны дополнительно подвергнуты испытанию ETC.
Цель дорожных испытаний – окончательная проверка системы, установленной на автомобиле в полной комплектации. Во время испытаний производится настройка алгоритмов ЭСУ управления скоростью автомобиля (функции ограничения скорости и «круиз-контроль»), проверка системы диагностики, проверка алгоритмов совместной работы с другими электронными блоками автомобиля (автоматическая КП, ABS) по шине CAN (Рис. 3.50).