Введение к работе
Актуальность темы: Снижение выбросов парниковых газов, к которым относится двуокись углерода СО2, а также возрастающие требования по ограничениям выбросов токсичных веществ СО, СН, NOx в отработавших газах современных двигателей внутреннего сгорания, является актуальной задачей для современного и перспективного транспорта. Выбросы СО, СО2 и СН зависят от вида топлива и соотношения количества атомов водорода к углероду в топливе. Соответственно становятся привлекательными газовые виды топлив на основе природного газа. С 1 января 2013 года в России действуют нормы токсичности Евро-4, а в Европе находятся в стадии согласования нормы Евро-6. Выполнение требований законодательных норм по выбросам токсичных компонентов в процессе эксплуатации транспортного средства невозможно без применения электронных микропроцессорных систем управления, с соответствующими алгоритмами управления рабочим циклом ДВС, топливоподачей, наполнением цилиндров воздушнотопливной смесью, зажиганием и диагностикой. 13 мая 2013 года принято распоряжение №767-р Правительства РФ и утверждён комплекс мер по стимулированию использования природного газа в качестве моторного топлива, которое поддержал Президент РФ.
В настоящее время разработаны все основные элементы газовой подачи для систем электронного управления ДВС. Но алгоритмы управления процессом наполнения цилиндров газовоздушной смесью, а также цикловой подачей газового топлива с учётом коррекции по всем влияющим факторам применимы только для конкретно выбранных двигателей и систем их топливоподачи. Не учитывая специфику газовой динамики газовых видов топлив, невозможно на всех режимах работы двигателя выполнить требования по токсичности Евро-5 и выше.
Разработка алгоритмов управления ДВС является секретом производителей. Открытых публикации по этой тематике незначительное количество.
Всё это показывает, что разработка методов управления для микропроцессорных систем электронного управления циклом двухтопливных и однотопливных автомобилей с двигателями, работающими как на бензине, так и газовом виде топлива, методов диагностики газобаллонного оборудования и двигателя в целом, а также физически и математически обоснованных алгоритмов для электронной системы управления, является важнейшей и наиболее актуальной задачей для современных и перспективных отечественных автомобилей, отвечающих современным законодательным требованиям.
Цель работы. Разработка методов улучшения эффективности и экологической безопасности двухтопливных и однотопливных газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с электронным микропроцессорным управлением рабочим циклом.
Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи, которые тесно связаны между собой:
1. Разработка комплексного метода в виде математических моделей рабочего цикла по питанию двигателя воздухом и газовым топливом, реализация которых предусматривает применение современных энергетических технологий, использование эффективного математического и программного обеспечения САР ДВС.
2. Разработка алгоритмов питания и коррекции циклового газового топлива рабочей камеры цилиндра для электронного микропроцессорного управления.
3. Разработка метода расчёта в виде математической модели определения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газовое топливо для двухтопливных газ-бензин и однотопливных газовых поршневых ДВС.
4. Разработка метода расчёта по оптимизации элементов газобаллонного оборудования для двигателя на основе совместной работы элементов системы питания двигателя и энергетического баланса при подаче газового топлива через электромагнитные форсунки.
5. Разработка алгоритмов диагностики газобаллонного оборудования для микропроцессорных систем управления и алгоритмов при работе двигателя на резервных режимах, которые позволяют определить неисправности в процессе эксплуатации транспортного средства и обеспечить безопасную его работу в период жизненного цикла.
6. Разработка методов проведения адаптации газобаллонного оборудования и калибровки микропроцессорной системы управления газовым двигателем в процессе доводочных работ.
7. Разработка методов подачи газового топлива при непосредственном впрыске в цилиндр и при одновременной подаче двух видов топлив жидкого и газообразного для поршневых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
Поставленные задачи в совокупности составляют крупную научно-техническую проблему, имеющую важное промышленное и экономическое значение.
Работы по достижению поставленной цели проводились коллективами ОАО "АВТОВАЗ", ООО «НПФ «Авангард», Поволжского Отделения РИА, ООО «Элкар», ООО «Ителма» совместно с НГТУ им. Р.Е. Алексеева, ОАО «ЗМЗ», ОАО «ГАЗ», ООО «ГазОйл» и СГАУ им. академика С.П. Королёва под руководством и при непосредственном участии автора, которому принадлежат основные теоретические разработки, изложенные в его трудах [1-50].
Научная новизна работы заключается в том, что:
- разработаны научные основы и осуществлён комплекс мероприятий для однотопливного и двухтопливного питания рабочей камеры цилиндра поршневого газового двигателя с искровым зажиганием при одновременном улучшении его эффективности и экологических характеристик, являющиеся базой для электронного микропроцессорного управления его рабочим циклом;
- разработан алгоритм питания и коррекции циклового газового топлива рабочей камеры цилиндра для электронного микропроцессорного управления с распределённым фазированным впрыском;
- разработан метод расчёта для определения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газовое топливо;
- разработан метод по оптимизации элементов газобаллонного оборудования;
- разработаны алгоритмы диагностики газобаллонного оборудования и алгоритмы работы двигателя на резервных режимах;
- разработаны методы адаптации газобаллонного оборудования и калибровки микропроцессорной системы управления газовым двигателем;
- разработаны основные принципы для систем управления газовых двигателей с непосредственным впрыском газового топлива и двухтопливных с одновременной подачей газа и бензина для улучшения ездовых качеств автомобиля.
Практическая значимость работы
Практическая ценность работы заключается в том, что алгоритм управления газовым автомобилем внедрен в электронную систему управления двигателем при испытаниях и доводке в период с 2000 по 2006г.г. 12 двухтопливных (газ-бензин) автомобилей на ОАО «АВТОВАЗ» и 1-го автомобиля в ООО «НПФ «Авангард».
Методики калибровки электронной системы управления двигателем двухтопливного газ-бензин автомобиля использованы при доводочных и контрольных испытаниях, а также при доводке и приёмочных испытаниях газобаллонной аппаратуры на ОАО «АВТОВАЗ» и ООО «НПФ «Авангард».
Методики испытаний электромагнитных форсунок, регуляторов давления топлива и топливных рамп, разработанные в процессе работы над данной темой, используются на ОАО «АВТОВАЗ», ООО «НПФ «Авангард», ОАО «ДААЗ».
Часть элементов, разработанного алгоритма для двухтопливных автомобилей использовано в ООО «Ителма» при разработке электронной системы управления для автомобилей ОАО «ГАЗ» с двигателями ОАО «ЗМЗ».
Теоретические методы и методики расчёта элементов газовой подачи для электронной системы управления двигателем на газовом топливе использованы в учебном процессе в Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).
Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы ГК № 14.В37.21.0152 и ГК №14.В37.21.0308.
Методология и методы исследования
Разработка теории, на базе математических моделей топливной газовой системы, системы впуска и системы зажигания, управления газовой подачей по внешним сигналам датчиков параметров двигателя и окружающей среды, а также разработка алгоритма управления, проводились с учётом газовой динамики, теории горения топлив, энергетического баланса и известных энергетических преобразователей применительно к двухтопливным газовым двигателям с электронной микропроцессорной системой управления.
Экспериментальные исследования электромагнитных форсунок проводились на аттестованных метрологами стендах SCANS-2000 (изготовитель Бельгия) и СТЭФ-2 (изготовитель ПО РИА, г. Самара). Калибровка электронной системы управления двигателем проводилась на автомобилях, оборудованных специальной и стандартной измерительной аппаратурой, а также на роликовом стенде в лаборатории токсичности с газоаналитической аппаратурой фирмы Horiba и климатической камере, оборудованной динамометрической установкой, по методикам, разработанным автором.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Метод расчёта в виде математических моделей рабочего цикла по питанию двигателя воздухом и газовым топливом, реализация которых предусматривает применение современных энергетических технологий, использование эффективного математического и программного обеспечения САР ДВС.
2. Алгоритмы питания и коррекции циклового газового топлива рабочей камеры цилиндра для электронного микропроцессорного управления двигателем.
3. Метод расчёта в виде математической модели определения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газовое топливо для двухтопливных газ-бензин и однотопливных газовых поршневых ДВС.
4. Метод расчёта по оптимизации элементов газобаллонного оборудования для конкретного двигателя на основе совместной работы элементов системы питания и энергетического баланса при подаче газового топлива через электромагнитные форсунки.
5. Алгоритмы диагностики газобаллонного оборудования для микропроцессорных систем управления и алгоритмы при работе двигателя на резервных режимах, которые позволяют определить неисправности в процессе эксплуатации транспортного средства и обеспечить его безопасную работу в период жизненного цикла.
6. Методы проведения адаптации газобаллонного оборудования и калибровки микропроцессорной системы управления газовым двигателем в процессе доводочных работ.
7. Методы подачи газового топлива при непосредственном впрыске в цилиндр и при одновременной подаче двух видов топлив, жидкого и газообразного, для поршневых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием.
8. Результаты экспериментальных исследований.
Достоверность
Достоверность результатов подтверждена как расчётными данными погрешностей вычислений и измерений параметров, так и применением аттестованных средств измерений при проведении экспериментальных работ на автомобилях, оборудованных газобаллонной аппаратурой с электронной системой управления двигателем, в которую были внедрены результаты данной работы.
Апробация результатов работы
Результаты настоящей работы были обсуждены и одобрены на 12 конференциях и научно-технических советах, в том числе всероссийских и 9 международных конференциях в период с 1993 по 2012 годы: международный научно-практический семинар «Современный автомобиль: управление и материалы» (Тольятти, ПО РИА – ОАО «АВТОВАЗ», 14-18 июня 1995); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития автомобилестроения в России» (Тольятти, ОАО «АВТОВАЗ», 23-24 октября 1996); международная научно-практическая конференция «Проблемы развития автомобилестроения в России» (Тольятти, ОАО «АВТОВАЗ», 1-3 октября 1997); 4-я международная научно-практическая конференция «Проблемы развития автомобилестроения в России» (Тольятти, ПО РИА – ОАО «АВТОВАЗ», 13-15 октября 1998); НТК ААИ «Экология и топливная экономичность автотранспортных средств (Дмитров, ААИ НИЦИАМТ, 8-9 июня 1999); 6-я МК MIMS «Двигатели для российских автомобилей» (Москва, 26 августа 2004); 50-я МНТК ААИ «Автомобиль и окружающая среда» (Дмитров, ААИ НИЦИАМТ, 15-16 июня 2005); МНТК посвящённой 70-летию кафедры «Автомобили и тракторы» (Нижний Новгород, НГТУ, 17-19 ноября 2005); научно-техническом совете «Распределение и использование газа» (Санкт Петербург, ОАО «Газпром» - ООО «Лентрансгаз», 7–8 декабря 2005); СНТК (Самара, СГАУ им. академика С.П. Королёва, апрель 2007); МК «Проблемы развития двигателестроения» (Самара, СГАУ, 28-30 июня 2011); МНТ форум, посвящённый 100-летию ОАО «КУЗНЕЦОВ» и 70-летию СГАУ, 5-7 сентября 2012г.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в одной монографии, 70 научных статьях и технических отчётах (из них 23 в изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией) и 12 тезисах докладов на конференциях, 3 изобретениях. Суммарный объём принадлежащего автору опубликованного материала 85,2 п.л.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Работа изложена на 395 страницах, включает 75 рисунков, 15 таблиц. Список литературы содержит 203 наименования.
