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.

270

Природно, КПСК повітроподачею у двигунах з іскровим запаленням

повинні у принципі відповідати вимогам до таких підсистем для дизелів,

що сформульовані у розділі 4.1.1.

Але при цьому треба врахувати, що наддувом у бензинових двигунах

почали займатися значно пізніше у порівнянні з дизелями транспортного

типу. Тому для таких двигунів використовується обмежена поки що кіль-

кість способів керованого наддуву (при малому його тиску). Це й не дозво-

ляє поширити на КПСК повітроподачею бензинових двигунів всі вимоги й

конструктивні рішення, притаманні комп’ютерним підсистемам керування

цим процесом в дизелях.

Певно, сьогодні достатньо обмежитися такою вимогою до КПСК по-

вітропостачанням в бензинових двигунах: забезпеченням потрібної відпо-

відності характеристик ТК й проточної частини двигуна за рахунок на-

стройки турбокомпресора на режим максимальної потужності (або М

mах

) з

частковим керованим перепуском повітря поза компресором у випускний

трубопровід на неномінальних режимах; це сприяє підвищенню як прий-

нятності, так і експлуатаційної паливної економічності двигуна.

В процесі розробки нових способів керування повітряподачею у ма-

лорозмірних надшвидкохідних двигунах з іскровим запаленням треба сут-

тєво розширяти вимоги до КПСК цими процесами, як і заходи щодо їх реа-

лізації.

4.2. Основи побудови КПСК повітроподачею в ДВЗ

Вище особливо підкреслювалося, що проблеми керування повітро-

постачанням у ДВЗ невідривно пов’язані зі способами керування паливо-

подачею в них, бо кінцевою метою керування робочим процесом є оптимі-

зація a на експлуатаційних режимах, який визначається співвідношенням у

циліндрі двигуна поміж зарядами палива і повітря.

У загальному плані проблеми узгодження цих двох процесів жив-

лення двигунів розглянуті вище у главі 3. Наведені й схеми КПСК паливо-

й повітропостачанням сучасних двигунів.

Однак підсистема керування наддувом не є додатком до КПСК пали-

воподачі. Вона, крім узгоджених задач забезпечення керування й оптимі-

зації складу суміші (робочої, горючої) в циліндрах двигуна, повинна вирі-

шувати й питання підвищення ефективності власне повітропостачання, з

271

нею пов’язані проблеми надійності та стабільності цієї підсистеми. Вона

вирішує специфічні задачі адаптації повітропостачання, наприклад, до клі-

матичних (зовнішніх) впливових факторів, відіграє вирішальну роль в за-

побіганні детонації тощо.

Проілюструємо ці проблеми і задачі, що ставляться перед сучасними

КПСК повітряподачею, на прикладі автомобільного дизеля з газотурбін-

ним керованим наддувом, розробленого японською фірмою Isuzy. Ця ком-

плексна КСК паливо- й повітропостачанням дозволяє автоматично:

· забезпечувати подачу додаткового повітря для завихрення заря-

ду циліндра на режимі холостого ходу;

· змінювати прохідний переріз соплового апарата турбіни шляхом

повороту лопаток для забезпечення змін наддуву залежно від режиму екс-

плуатації двигуна;

· обмежувати подачу палива при недопустимо високому наддуві;

· сигналізувати про необхідність переключення коробки передач;

· організувати рециркуляцію й нейтралізацію відпрацьованих газів

і т.д.

Вже такий перелік простежує і підкреслює основні функції КПС по-

вітропостачанням й каналів адаптації.

Прикладом вбудування КПСК турбонаддувом може бути КСУ дво-

циліндровим двигуном мотоцикла СХ500Т японської фірми Honda

(рис.4.2). Вона дозволяє суттєво підвищити його потужність й знизити

експлуатаційну витрату повітря.

Значна кількість елементів цієї сучасної КСК обслуговує потреби

комп’ютерної підсистеми керування наддувом, зокрема, до них відносять-

ся позиції 1-13, 32-34 схеми на рис.4.2.

Застосування турбокомпресорів у двигунах з невеликим літражем

має труднощі, пов’язані з необхідністю отримання таких же тисків повітря

(наддуву), як і в двигунах великої потужності, а при малих витратах повіт-

ря. Тому потребуються частоти обертання ротора ТК доn

тк

=240000 хв

–1

При зростанні р

> 0,13 МПа відкривається клапан перепуску відпра-

цьованих газів, що керується за сигналами датчика р

, і частина з них, поза

турбіною, направляється у впускний трубопровід, що обмежує подальше

зростання n

тк

272

Мікро-ЕОМ, розміщена над заднім колесом мотоцикла, крім дозу-

вання q

, збирання інформації про р

, також обробляє сигнали датчиків те-

мператур повітря і таке інш.

Великі коливання тиску повітря у впускному трубопроводі двоцилі-

ндрового двигуна з нерівномірним порядком робити циліндрів гасяться ре-

Рисунок 4.2 – КСК двигуна з турбонаддувом мотоцикла Honda-CX500T:

1 – повітряний фільтр; 2 – заглушувач; 3 – пластинчатий зворотний клапан; 4 –

датчик тиску повітря; 5 – датчик температури повітря, що всмоктується; 6 –

робоче

колесо компресора; 7 – резонансна камера; 8 – демпфірувальний ресивер; 9 –

датчик тиску повітря у ресивері; 10 – дросельна заслінка; 11 –

датчик положення

дросельної заслінки; 12 – датчик тиску за дросельною заслінкою; 13 –

датчик тиску

повітря при холодному пуску; 14 – карбюратор холодного пуску; 15 – пластинчас-

тий зворотний клапан; 16 – датчик температури охолоджувальної рідини; 17 –

БСІ;

18 – реле; 19 – реле; 20 – ємкість для палива (бак); 21 – паливний фільтр; 22 –

паливний насос; 23 – стабілізатор тиску палива; 24 – форсунка; 25 –

датчик частоти

обертання розподільного вала; 26 – переривник підсистеми запалювання; 27 –

індукційна котушка; 28 – регулятор системи запалювання; 28 –

вимикач підсистеми

запалювання; 30 – центральний перемикач; 31 – акумулятор електричний; 32 –

робоче колесо турбіни; 33 – клапан перепуску відпрацьованих газів; 34 –

камера

керованого тиску клапана перепуску; 35 – випускний трубопровід

273

зонансною камерою 7 та демпфірувальним ресивером 8. При пуску двигу-

на зворотні клапани 3 і 15 застерігають зворотність потоку поступаючого

повітря, що надходить і яке виникає у зв’язку з великим перекриттям фаз

газорозподілу.

У порівнянні з безнаддувним варіантом витрата палива зменшилась з

4,8 до 4,28 л/100км. Динамічні якості й максимальна швидкість

(174 км/год) у цього мотоцикла такі ж, як у мотоцикла з вдвічі більшим

робочим об’ємом.

Все це свідчить про високу ефективність керованого наддуву.

Аналогічні підходи використовуються при створенні КСК автомо-

більними, тракторними, судовими двигунами провідними фірмами Bosch,

Man, Dietz, Ford, Cummins, Daimler-Benz, Caterpillar, Toyota, John Deer та

інш. [1,2,3,4,5,6].

Значна увага приділяється також ролі КПСК повітропостачанням в

адаптації процесів у двигунах, зокрема детонації.

На рис.4.3 показаний канал адаптації турбонаддуву за критерієм де-

тонації бензинового двигуна [1]. Наприклад, відкриття клапана 4, збіль-

шуючи тиск на мембрану механізму 5, привідкриває прохід (перепуск) від-

працьованих газів поза турбіною, що зменшує наддув й ліквідує небезпеку

детонації. В цьому випадку використаний принцип усунення детонації

шляхом діяння на склад горючої суміші за рахунок зміни тиску наддува (й

масового наповнення циліндрів повітряним зарядом).

Для побудови подібних КПСК повітроподачею (наддувом) необхід-

но, перш за все обрати керований параметр. Серед можливих – тиск надду-

ву р

, температура відпрацьованих газів t

, частота обертання n

тк

Серед названих параметрів тиску наддуву займає особливе положен-

ня у зв’язку з тим, що, судячи по р

, можна достатньо повно судити про ви-

трату повітря через двигун на будь-якому режимі роботи, й, отже, мати

уяву щодо якості робочих процесів у циліндрах. Вагомий позитивний фак-

тор, який сприяє вибору р

як керованому параметру – простота пристрою

для його вимірювання не тільки в статиці на усталених режимах, але і в

динаміці при роботі двигуна на неусталених режимах (при перехідних

процесах).

274

Температуру відпрацьованих газів можна обирати як керований па-

раметр, тобто можна побудувати таку КПСК наддувом, яка здатна підтри-

мувати постійне значення t

(незалежно від режиму роботи двигуна) або

програмно змінювати її залежно від режимного фактора, наприклад від на-

вантаження чи частоти обертання n. Слід відзначити, що така КПСК над-

дувом зможе забезпечити добру економічність при роботі двигуна на всіх

експлуатаційних режимах, оскільки підтримання оптимальної середньої t

свідчить про задовільний перебіг робочого процесу у циліндрах двигуна.

Застосування КПСК з керованою t

потребує надійних й малоінерційних

високотемпературних датчиків з достатньо потужним вихідним сигналом.

Вибір частоти обертання ротора турбокомпресора як керованого па-

раметра стосовно двигунів, що мають широкий діапазон навантажених ре-

жимів роботи, не є ефективним, тому що за w

тк

можна лише непрямим чи-

ном судити про витрату повітря через двигун. Крім того, точне вимірю-

вання v

тк

викликає труднощі, зважаючи на невирішеність ще проблеми

якісних датчиків. Тому кутову швидкість n

тк

використовують в КПСК над-

дувом переважно як обмежуючий параметр у захисних пристроях, що за-

побігають ТК від недопустимого перевищення інерційних навантажень.

За результатами подібних оцінок можна зробити висновок, що

основним керованим параметром в КПСК наддувом треба обирати р

Рисунок 4.3 – Канал адаптації

турбонаддуву за критерієм

детонації:

1,2 – відповідно датчики детонації

й тиску наддуву;

3 – КБК;

4 – клапан керування;

5 – виконавчий механізм з

пневматичним приводом;

6 – компресор;

7 – турбіна;

8 – випускний колектор;

9 – впускний колектор;

10 - двигун

275

Такий принцип побудови КПСК повітропостачанням як дизелів, так і

бензинових двигунів й використовується в практиці.

Як правило, сучасні КПСК відстежують як сигнал р

, так і сигнал t

що сприяє адаптації двигуна до моделі експлуатації двигуна конкретного

призначення і до зворотних діянь.

В розробках КСК дизелів з наддувом, як і бензинових ДВЗ, переліче-

них вище, керування характеристиками паливо- і повітроподачі, як прави-

ло, здійснюється за програмами, що записані в пам’яті мікро-ЕОМ. При-

клад такої програми наведений в главі 2 на рис.2.1, де показані по суті дві

програми керування паливо- і повітропостачанням, оскільки циклове дозу-

вання подачі палива тісно пов’язане з цикловим дозуванням повітря, ко-

мандним параметром для якого є р

труб

(тиск у впускному колекторі).

У сучасних складних багатомірних КПСК повітроподачею за керо-

ваний параметр призначається р

або комплекс (р

), про що вище йшла

мова. Сигнали відповідних датчиків зіставляються з цими програмами та

при їх розходженні виконавчі пристрої діють на органи зміни паливопода-

чі й КВВ, а також на засоби повітропостачання.

При розробці програм керування наддувом виходять з основної ви-

моги до КПСК повітроподачею, яка сформульована вище, – забезпечення

за робочою характеристикою двигуна таких співвідношень кількості пові-

тря і палива, що подаються до циліндра, які дозволяють мати мінімальну

середньоексплуатаційну витрату палива при обмеженні за токсичністю ви-

пускних газів, тепловим станом деталей і т. ін. Це вимагає рішення задачі

визначення зон регулювання турбокомпресора для заданих режимів роботи

двигуна (швидкісних і навантажувальних). Маючи такі зони регулювання

ТК, можна обрати раціональні способи, схеми автоматичного керування

наддувом. У таких схемах реалізується функціональна залежність коефіці-

єнту надлишку повітря від циклової витрати палива, швидкісного режиму

роботи двигуна тощо. Кожному такому режиму (швидкісному, навантажу-

вальному) відповідає оптимальний рівень a. Далі забезпечується й вирішу-

ється основна задача КПСК наддувом: програмно-адаптивні зміни a зале-

жно від n, q

. При цьому, як показали дослідження, слід зменшувати a при

постійному навантаженні по мірі зменшення n; зменшення a повинно бути

забезпечено і у випадках, коли n не змінюється, а навантаження падає та ін.

Для забезпечення обраного a в КПСК повітропостачанням відслі-

276

жуються сигнали, пропорційні сигналам подачі палива і повітря. Отримані

обидва сигнали, відповідно скореговані, надходять у БСІ, де й виробляєть-

ся командний сигнал, пропорційний (залежний) від

. Командний імпульс

за допомогою виконавчих пристроїв забезпечує, наприклад, поворот лопа-

ток соплового апарата турбіни (або дифузора компресора) або реалізує ін-

ший зовнішній (перепуск, дроселювання випускного, впускного трактів

двигуна) спосіб керування наддувом.

Слід відзначити, що й без спеціальних адаптивних каналів сучасні

КПСК забезпечують адаптивність керування наддувом. Ступінь наддуву

залежить від характеристик турбіни ТК, які, в свою чергу, визначаються

параметрами робочого циклу двигуна (й енергетичним потенціалом від-

працьованих газів – робочого тіла перед турбіною), адаптивність якого до

конкретного експлуатаційного режиму може забезпечуватися відповідною

корекцією паливоподачі, що розглядалося у гл. 3.

Схемні й конструктивні особливості КПСК повітроподачі як складо-

вої частини загальної КСК двигуном залежать від особливостей виконав-

чих пристроїв та датчиків, які забезпечують зміни витрати повітря на різ-

них експлуатаційних режимах. Це обумовлено тим, що електронна частина

КСК двигуна в цілому обслуговує й потреби КПСК повітропостачанням

(поряд з обслуговуванням КПСК паливоподачею й запалюванням).

4.3. Датчики та виконавчі пристрої комп’ютерних підсистем

керування повітроподачею

Як показано вище, первинними перетворювачами, які формують сиг-

нал КПСК повітропостачанням ДВЗ, є датчики тиску і температури на

всмоктуванні, а також частоти обертання ротора. Вони описані в главі 3.

Датчики повітроподачі двигунів з іскровим запалюванням (витрато-

міри повітря, положення дроселя) також були розглянуті.

Перейдемо до вивчення виконавчих пристроїв повітропостачання у

двигунах різних типів.

Спочатку ознайомимося з конструктивними особливостями пристро-

їв для зовнішнього управління наддувом й проаналізуємо їхні переваги і

недоліки, виходячи з вимог до КПСУ повітропостачанням й енергетичної

ефективності кожного з таких пристроїв.

277

Дроселювання за рахунок спеціальних заслінок повітря на вході в

компресор або виході з нього, як і інші способи зовнішнього керування

наддувом, дозволяють змінювати тиск наддуву й, отже, масову витрату по-

вітря на режимах роботи дизеля відповідно до заданої програми й за сиг-

налами датчиків зворотного зв’язку при адаптації повітроподачі до змін

умов експлуатації двигуна.

Пояснимо цей факт. При прикритті, наприклад, дросельного при-

строю на вході в компресор ТК зменшується тиск повітря, яке надходить

до компресора; при дроселюванні повітря на виході з компресора падає

тиск повітря, що нагнітається компресором. В обох випадках при зниженні

тиску наддуву падає й тиск газу перед турбіною, внаслідок чого встанов-

люється новий розрахунковий режим спільної роботи двигуна і ТК, який

більш відповідає умовам експлуатації.

Встановлено, що дроселювання повітря на виході із компресора

більш ефективне, ніж на вході в нього, оскільки у першому випадку силь-

ніше змінюється режим сумісної роботи двигуна і компресора, хоча в обох

випадках недоліком є збільшення гідравлічних втрат на дроселювання.

Перевагою дроселювальних пристроїв для керування наддувом є

простота конструктивних рішень при високій надійності, яка обумовлена

їх розташуванням в зоні досить помірних температур газоповітряного тра-

кту двигуна. Наприклад, заслінка може повертатися залежно від парамет-

рів наддуву повітря (температури, тиску) за допомогою гідравлічного або

іншого приводу.

В більшості випадків засоби керування компресора дроселюванням

повітря застосовують в КСК дизелів з помірними вимогами за коефіцієн-

том пристосування (наприклад, дизель-генераторів для тепловозів і судів),

а також в КСК бензинових двигунів.

На рис. 4.4 наведено варіант схеми конструктивного оформлення

дросельного керування компресором. Тут заслінка 6 забезпечує дроселю-

вання повітря на вході у компресор.

У деяких КПСК наддувом використовуються виконуючі пристрої

для перепуску повітря із компресора в атмосферу. Розробляються й заходи

щодо використання енергії робочого тіла, яке перепускається.

278

Рисунок 4.4 – Схема виконавчих пристро

їв

КПСК наддувом двигуна фірми Volvo

(літраж 12,0 л; кількість цилін

дрів 6;

= 310 кВт; n = 2200 хв

–1

1 – дизель з безпосереднім вприскуванням;

2 – великий турбокомпресор;

3 – малий турбокомпресор;

4 – перетворювач імпульсів;

5 – охолоджувач повітря для наддуву;

6 –

заслінка керування потоком повітря

на впуску;

7 – заслінка керування потоком відпрацьова

них

газів

Так, стиснуте компресором повітря по каналу перепуску направля-

ють на вхід в турбіну або вихід з неї (для використання ефекту ежекції,

обумовленого великою швидкістю газового потоку). Це корисно для част-

кових режимів знижених частот обертання колінчастого вала, коли різко

зменшується прокачка робочого тіла через двигун. Крім того, перепуск на

турбіну дозволяє відсунути межу помпажу компресора. Подібні пристрої

знайшли застосування в КПСУ наддувом автотракторних двигунів.

На рис. 4.5 показаний виконуючий пристрій фірми Shvitzer Corporation

(Швейцарія), у якому передбачено канал 2 для перепуску стиснутого пові-

тря із завитка компресора 1 в турбіну 5.

В результаті цього тиск наддуву знижується. Така система перепуску

конструктивно проста. Крім того, для автомобільних бензинових двигунів,

турбіни яких працюють у жорсткому температурному режимі у зв’язку з

порівняно низьким ступенем стиску двигуна, такий спосіб корисний і тим,

що дозволяє знизити нагрівання лопаток колеса турбіни за рахунок перепу-

ску частини відносно холодного повітря після компресора.

Як недолік, треба відзначити те, що всі способи керування перепус-

ком потребують перерозмірених турбін, оскільки кількість повітря, що пе-

репускається, за нерозрахункових умов експлуатації може сягати 80 % всі-

єї його прокачки через компресор, тобто треба добиватися майже вдвічі бі-

льшої потужності турбіни у порівнянні з іншими способами зовнішнього

регулювання.

279

Іншу групу виконавчих пристроїв КПСК наддувом складають ті, які

дроселюють потік випускних газів заслінками перед або за турбіною ТК. В

обох випадках можна змінювати тиск газу (перед турбіною або за нею), що

дозволяє підтримувати потрібну потужність (й частоту обертання ротора

ТК) турбіни відповідно до програми керування наддувом. При виборі цьо-

го способу керування слід враховувати і його недоліки. Адже при дросе-

люванні потоку газів змінюється ККД турбіни (при заслінці на виході з ту-

рбіни – помірно, а при заслінці на вході до неї – в широких межах). В обох

випадках збільшується тиск перед випускними клапанами, що супрово-

джується зростанням насосних втрат. Слід комплексно оцінювати виграш

по паливній економічності при подібному керуванні наддувом, враховую-

чи можливі програші у насосних втратах та на турбіні.

Один з можливих варіантів такого керування наддувом показаний на

рис. 4.4, де малий турбокомпресор 3 керується заслінкою на вході у турбі-

ну цього ТК. Крім відзначеного вище недоліку, такий спосіб регулювання

має дещо малий діапазон керування потужністю ТК; при ньому значно

росте тиск газів на виході із циліндрів, що пов’язано з ростом втрат на на-

сосні ходи й перегрівом двигунів; розташування керувального органа в зо-

ні високих температур негативно впливає на надійність виконавчого при-

строю.

Інтересним є і зовнішнє керування наддувом шляхом непрямого ре-

гулювання потужності турбіни турбокомпресора за рахунок відповідного

автоматичного регулювання (керування) фаз газорозподілу. Фірма Mer-

Рисунок 4.5 – Пристрій дл

я перепуску стиснутого повітря із

компресора на турбіну ТК [1]

гази

повітря