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.

110

Момент запалювання. Зміни моменту запалювання відбиваються на

витраті палива й токсичності відпрацьованих газів. Збільшення випере-

дження запалювання підвищує потужність двигуна, знижує витрату палива

і призводить до зростання викидів C

(вуглеводи, що не згоріли) й особ-

ливо оксидів азоту (NO

). Однак дуже випереджене запалювання може ви-

кликати детонацію. Запізнювання запалювання веде до підвищення темпе-

ратури відпрацьованих газів, що також негативно впливає на роботу дви-

гуна. Підсистеми електронного керування двигуном програмуються так,

аби момент запалювання відповідав частоті обертання колінчастого вала,

навантаженню, температурі тощо, тобто використовуються для досягнення

компромісу між взаємно протилежними цілями.

Запалювання. Надійне запалювання, по-перше, стимулює якісне й

повне вигоряння горючої суміші. По-друге, воно у широкому діапазоні ре-

жимів роботи двигуна є суттєвим фактором для ефективної роботи каталі-

тичного нейтралізатора. Пропуски запалювання призводять до догоряння

суміші в самому каталітичному нейтралізаторі, його перегрівання і виходу

з ладу. Здатність палива до запалювання підвищується за рахунок його

ефективного розпилювання й доброго доступу суміші до електродів свіч-

ки, а також шляхом збільшення тривалості іскрового заряду й довжини са-

мої іскри (збільшений зазор між електродами свічки). Свічка запалювання

визначає довжину іскри; тривалість іскрового заряду залежить від типу і

конструкції пристроїв запалювання, а також від умов, при яких здійсню-

ється запалювання. Хоча енергійне (інтенсивне) завихрення горючої сумі-

ші є бажаним з точки зору якості сумішоутворення та згоряння, воно може

погасити іскру, призводячи до неповноти згоряння суміші. Тому енергія,

яку запасено у котушці запалювання, повинна бути достатньою (0,2–

0,3 МДж) для отримання одного або кількох послідовних іскрових зарядів.

Транзисторний принцип запалювання. Сьогодні ще досить пошире-

ними є безконтактно-транзисторні прилади запалювання, які замінили на

нових моделях двигунів батарейні пристрої. Тут переривник замінюється

магнітно-імпульсним електрогенератором, або імпульсним генератором

Холла (рис. 3.13). Генератор створює імпульси струму і його напруги без-

контактним способом, які, у свою чергу, за допомогою електронних схем

виробляють імпульси високої напруги. Імпульсні генератори індукційного

111

Рисунок3.13 – Схема безконтактно-

транзисторної підсистеми за-

палювання [6]:

1 – акумуляторна батарея; 2 – вимикач

запалювання; 3 – котушка запалювання;

4- електронний блок; 5 – розподільник

запалювання з відцентровим і вакуум-

ним механі

змами регулювання

випередження запалювання; 6а –

імпульсний генератор індукційно

го

типу; 6b – імпульсний генератор, засно-

ваний на ефекті Холла (альтернативний

варіант); 7 – свічі запалювання

струму є генераторами змінного струму з постійним збудженням, мають

статор і ротор. Кількість пар полюсів ротора відповідає кількості циліндрів

двигуна. Частота й амплітуда змінного струму, що створюється у генера-

торі, змінюється відповідно до зміни частоти обертання колінчастого вала

двигуна. БСІ КПСК запалюванням та вприскуванням палива обробляє ін-

формацію про напруги змінного струму й використовує її для керування

запалюванням. Імпульсний генератор Холла базується на відповідному

ефекті. Чутливе до зміни швидкості обертання n магнітне поле створює в

електрозарядженому полупровідниковому шарі імпульси напруги, які й

подаються до БСІ. Імпульсні генератори мають суттєві переваги перед ме-

ханічними переривниками, тому що вони не схильні до спрацювання, тоб-

то не потребують обслуговування. Вони також забезпечують більш точне

керування моментом запалювання.

Особливості електронних блоків керування запалюванням. Фактично

всі сучасні блоки такого керування мають у початковому колі регулятори

струму, а також контур зміни моменту запалювання за кутом обертання

колінчастого вала. Коло зміни моменту запалювання за цим кутом змен-

шує до мінімуму час роботи кола регулювання струму. Це дозволяє знизи-

ти втрати струму в БСІ, а також компенсувати зміни напруги акумулятор-

ної батареї та температури котушки запалювання.

В останні роки електронні підсистеми керування вприскуванням бе-

нзину комбінуються з електронним блоком керування запалюванням.

Найбільш поширеною є комбінована підсистема запалювання і впри-

скування Motronic M5, до розгляду якої й перейдемо [6]. Хоча ця підсис-

тема була значно модернізована після її введення в експлуатацію, основні

6а

112

її елементи (вприскування палива й електронне запалювання) залишилися

без змін.

Випускаються і переважно використовуються КПСК:

Motronic M5 на основі безперервного розосередженого (багатото-

чкового) вприску;

Mono-Motronic на основі підсистеми Mono-Jetronic дискретного

центрального вприскування бензину;

Motronic MED7 на основі безпосереднього вприскування (наведе-

на у підрозд. 3.1.4).

За допомогою датчиків усі параметри, необхідні для отримання оп-

тимального згоряння, передаються до БСІ, де виконується їх обробка. Про

те, як характер сумішоутворення і склад суміші разом з даними щодо вста-

новлення моменту запалювання впливають на процес згоряння, дивись

рис. 3.11, 3.12.

Основними керувальними змінними є частота обертання колінчасто-

го вала й режим навантаження. Відповідні датчики описуються в під-

розд. 3.1.5. Саме ці параметри є основними для визначення оптимальних

характеристик дозування палива при вприскуванні й кута випередження

запалювання.

Підсистема Motronic забезпечує точне визначення моментів запалю-

вання і вприскування бензину навіть на режимах розгону і гальмування.

Електронний блок керування (БСІ) на основі інформації від датчиків

забезпечує контроль умов роботи двигуна через дуже короткі інтервали

часу (мілісекунди).

Аналогово-цифровий перетворювач переводить відфільтровані сиг-

нали у цифровий формат; це дозволяє обробити всю інформацію в мікро-

процесорі перед передачею її на ланцюги виходу. Задавальні контури (кола

вихідних посилювачів) перетворюють сигнали низької потужності у сиг-

нали тієї потужності, яка необхідна у різних приводах виконавчих при-

строїв КПСК. У пам’яті зберігаються програми й установчі дані, забезпе-

чуючи їх узгодженість за рахунок нечутливості до коливань у рівнях сиг-

налів та похибках.

Програма має задовольняти граничні характеристики двигуна (у реа-

льному масштабі часу); для 6-циліндрового двигуна, наприклад, що пра-

цює при максимальній частоті n, відрізки часу між окремими робочими

113

циклами сягають всього 3 мс. Основні розрахунки мікропроцесора повинні

виконуватися не довше цього часу.

Щодо виконавчих пристроїв, сучасні КПСК Motronic застосовуються

для запалювання з однією котушкою запалювання на один або два цилінд-

ри двигуна.

Власне, КПСК Motronic складається з ряду елементів. Особливо під-

креслимо, що коли запалювання і вприскування палива об’єднані в одну

підсистему (по суті таку КПСК можна б назвати “КПСК згоряння”), окремі

елементи підсистеми починають набувати такою гнучкості й діапазону дій,

які виходять за межі, властиві кожному з цих елементів поодинці.

КПСК Motronic може виконувати функції по вибору керувальних па-

раметрів, наведених на діаграмах рис. 3.14, а також додаткові функції зі

зниження токсичності й підвищення паливної економічності.

Функціональна схема КПСК запалюванням та паливоподачею у бен-

зинових двигунах показана на рис. 3.15.

Адаптивне керування на вході є важливою стандартною особливістю

цієї КПСК з l-зондом; це особливо важливо для підтримання вимог щодо

токсичності відпрацьованих газів упродовж всього терміну служби авто-

мобіля.

Поліпшення показників економічності й підвищена потужність дви-

гуна є головними причинами того, що контроль за детонацією став також

стандартною характеристикою двигуна. Керування частотою обертання

колінчастого вала на холостому ході було природною передумовою для

об’єднання цієї КПСК з каналами зниження викидів пари палива (проду-

вочний канал) та керування фазами газорозподілу.

Усе сказане знайшло своє відображення у схемі рис. 2.31 і становить

стратегію адаптації бензинових двигунів за цілою низкою найважливіших

напрямків поліпшення їх технічного рівня та конкурентоспроможності.

Розглянемо таку стратегію детальніше.

Замкнуті контури керування все більшою мірою доповнюються ада-

птивними, оскільки запізнювання спрацьовування контурів робить необ-

хідним підвищувати точність керувальних дій. Як вимірювані змінних при

адаптуванні використовуються й змінювані параметри замкнутого контуру

(контурів), наприклад, n та ін.

114

Адаптивні змінні (програма дозування палива, подача повітря у ре-

жимі холостого ходу та кут повороту дросельної заслінки) зменшують не-

обхідність у регулюваннях як на стадії виробництва двигуна, так і під час

експлуатації.

* - припинення подачі палива при перевищенні n встановленого зна-

чення

Рисунок 3.14 - Діаграма для вибору керувальних параметрів у КПСК

Motronic (приклади) [16]

Повне

навантаження

Неповне

навантаження

Прикриття

дроселя х.х.

Кут розімкнутого стану

контактів переривача

Навантаження

Ступінь відкриття дроселя

(перепуск повітря)

Напруга

акумулятора

Температура

двигуна

Повне

навантаження

Неповне

навантаження

Коректировки на

неусталеному

режимі

Положення

клапана рециркуляції

115

Рисунок3.15 – Функціональна схема КПСК Motronic запалюванням

та паливоподачею у бензинових двигунах [6]

Керування

детонацією

двигуна

Запалювання

Вприскування

палива

Керування

якістю робочої

суміші

Датчик

детонації

Інтерфейс

керування

трансмісією

Інтерфейс

керування тяго-

вим зусил

лям

на колесах

Датчики для

отри

мання інформації

щодо моментів

запалювання та

вприскування палива

Датчик

кисню

(l-зонд)

Керування

розподільчим

валом

Діагностика

Рециркуляція

відпрацьованих

газів

Керування

виконуючим

пристроєм

рециркуляції

Контроль за

викидами пари

палива

Обробка

даних

Керування

на х.х.

Котушка

запалювання

Виконавчий

пристрій

Форсунка та

паливний

насос

Реле

Послідов

ний

інтерфейс

Клапан

рециркуляції

Продувочний

клапан для

осудини з

активованим

вугіллям

Контур зони

контролера

116

Процес адаптації, у якому використовуються дані щодо моментів за-

палювання й надходження паливної пари з сосудини з активованим вугіл-

лям, дозволяють оптимізувати роботу двигуна незалежно від типу палива,

яке використовується.

Для додаткового зниження токсичності та поліпшення динамічної

характеристики автомобіля на неусталених режимах (при перехідних про-

цесах), в деяких КПСК Motronic застосовується так зване послідовне впри-

скування, яке рекомендувалось у підрозд. 3.1.2. У такому випадку дозу-

вання палива, що надходить у кожний циліндр двигуна, здійснюється один

раз за цикл точно у визначений момент. Залежно від умов роботи двигуна,

бензин для поліпшення розпилювання може вприскуватися до моменту

початку відкриття впускного клапана. Особливості послідовного вприску-

вання ілюструються рис. 3.16.

До комбінованої КПСК з безперервним вприскуванням і запалюван-

ням розосередженого типу також можна віднести підсистеми, наведені на

рис. 3.17 і 3.18.

Відкриття

впускного

клапана

Вприскування

палива

Запалювання

Номери циліндрів

-360 0 360 720 1080

, град

ВМТ у циліндрі №1

- кут повороту колінчастого валу

Рисунок 3.16 - Послідовний вприск палива

117

Ці КПСК реалізують оптимальні характеристики керування двигу-

ном. З високою точністю і стабільністю відтворюються характеристики ку-

та випередження запалювання, задані у тривимірній системі координат (за

n, температурним і навантажувальним режимами). Підсистеми мають зво-

ротний зв’язок по параметрам детонації й забезпечують (з метою отриман-

ня максимального крутного моменту) роботу двигуна на режимах, бли-

зьких до детонації, причому роблять це з урахуванням технологічних роз-

бросів параметрів двигуна й відхилення октанового числа палива від

стандарту.

Рисунок 3.17 – Підсистема керування запаленням й вприском бензину

Motronic M5:

1 – посудина з активним вугіллям; 2 – клапан впуску повітря; 3 –

продувочний

клапан для посудини з активованим вугіллям; 4 – регулятор тиску палива; 5 –

форсунка; 6 – регулятор тиску; 7 – котушка запалення; 8 – фазовий датчик; 9 –

насос для подавання додаткових порцій повітря; 10 – допоміжний повіт

ряний

затвор; 11 – вимірювач масової витрати повітря; 12 – БСІ; 13 –

датчик кутового

положення дроселя; 14 – виконавчий пристрій у системі холостого ходу; 15 –

датчик температури повітря; 16 – клапан рециркуляції; 17 –

паливний фільтр;

18 – датчик детонації; 19 – датчик частоти обертання колінчастого валу; 20 –

датчик температури охолоджувальної рідини; 21- кисневий датчик (l-

зонд);

22 – діагностичний інтерфейс; 23 – діагностична лампочка-

індикатор;

24 – датчик перепаду тиску; 25 – паливний насос з електроприводом; 26 –

від

акумулятора

118

Рисунок 3.18 -

Багатофункціональна комплексна КПСК розосередженим

вприскуванням палива й запалюванням, розробка НДІАЕ, Росія [18]:

1 – фільтр з фільтруючим елементом 2; 3 – датчик температури повітря, що

всмоктується; 4 – датчик абсолютного тиску повітря; 5 – датчик положення дроселя;

6 – дросельний патрубок; 7 – регулятор холостого ходу; 8 – клапан рециркуляції;

9 – фазовий датчик; 10 – датчик температури охолоджувальної рідини; 11 – свічка

запалювання; 12 – паливна рампа; 13 – регулятор тиску палива; 14 – електромагнітна

форсунка; 15 – зубчастий вінець маховика; 16 – індуктивний датчик початку

відрахування й частоти обертання колінчастого вала; 17 – датчик детонації; 18 –

паливний фільтр; 19 – датчик масової витрати палива; 20 – модуль електро-

бензонасоса; 21 – паливний бак; 22 – клапан продувки адсорбера; 23 – датчик тиску

пари палива; 24 – сепаратор; 25 – адсорбер; 26 – реле електричного паливного насоса;

27 – клапан гравітації; 28 – клапан діагностики адсорбера; 29 – головне реле

запалювання; 30 – замок запалювання; 31 – мікропроцесорний блок керування; 32 –

виносна колодка для підключення зовнішньої системи діагностики двигуна; 33 –

акумулятор; 34 – датчик кількості О

у відпрацьованих газах; 35 – випускний колектор;

36 – нейтралізатор відпрацьованих газів; 37 – двовивідні котушки запалювання. А –

загальний вигляд КПСК

119

Підтримується оптимальний склад паливо-повітряної суміші у цилі-

ндрах; коректується кут випередження запалювання і склад суміші відпо-

відно до зміни режиму експлуатації автомобіля. Згідно з заданим алгорит-

мом і програмами КПСК керує своїми виконавчими механізмами (регуля-

тором холостого ходу, паливними форсунками, помпою системи охоло-

дження двигуна, вентиляторами тощо); вона може працювати у режимі са-

модіагностування й видавати водієві інформацію про свою підготовленість

до роботи або про необхідність регулювання окремих вузлів.

Підсистема відзначається високою надійністю на всіх режимах екс-

плуатації, при будь-якій складності кліматичних умов, практично не по-

требує технічного обслуговування.

КПСК на 15–17 % підвищує паливну економічність двигуна, знижує

до норм США токсичність його викидів, зберігає протягом усього періоду

експлуатації стабільність своїх вихідних характеристик (параметричну на-

дійність).

Ця розробка дозволяє стверджувати, що російські конструктори за

останні роки зробили дуже великий крок на шляху створення сучасних

КПСК паливоподачі. Вони реалізовані й добре зарекомендували себе на

основних моделях легкового автотранспорту. Важливі імпортні комплек-

туючі елементи (датчики, виконавчі механізми тощо) успішно використо-

вуються й на російських моделях.

Такі ж розробки з урахуванням досвіду провідних фірм світу, ведуть

і українські моторобудівники.

Розглянуті комбіновані КПСК належать до комплексних електрон-

них підсистем, тобто таких, які можуть оптимізувати керування за компле-

ксним критерієм, про що йшлося у гл. 1.

Для такої оптимізації є всі передумови:

● багатофакторність керованих процесів;

● наявність практично всіх основних та адаптуючих параметрів;

● об’єднання в одній КПСК по суті двох підсистем (запалювання та

вприскування), що створює можливість функціонального підсилення кана-

лів електронного керування тощо.

Фірми-розробники користуються цими перевагами; вони створили та

створюють і далі КПСК паливоподачі нових поколінь з розширенням ке-