CC BY
76
УДК 621.43
А.А. Метелев, А.С. Пономарев, А.И. Макарин, В.С. Дворцов
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОФОРСИРОВАННЫМ АВТОМОБИЛЬНЫМ БЕНЗИНОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
A.A. Metelev, AS. Ponomarev, A.I. Makarin, V.S. Dvortsov
CONTROL SYSTEM HIGHLY ACCELERATED PETROL INTERNAL COMBUSTION ENGINE
В статье рассматриваются современные требования к электронной системе управления высоко-нагруженным бензиновым двигателем. Представлены результаты расчета рабочего процесса двигателя. Предложен вариант натурной реализации системы управления для форсированного бензинового двигателя. Результатом работы является жгут электропроводки для системы управления высокофорсированным двигателем.
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. ФОРСИРОВАНИЕ. НАДДУВ.
The article deals with the modern requirements for electronic control of heavy-duty gasoline engine. The results of calculation of the workflow engine. A variant of the full-scale implementation of the management system for the forced gasoline engine. The result of a wiring harness for engine control system highly accelerated.
ENGINE MANAGEMENT SYSTEM. INTERNAL COMBUSTION ENGINE. HIGH PERFORMANCE. SUPERCHARGING.
Современный автомобильный бензиновый двигатель —это двигатель внутреннего сгорания (ДВС), оснащенный газотурбинным наддувом и непосредственным впрыском топлива в цилиндры. Удельные показатели мощности достигают 90 кВт/л рабочего объема двигателя. Работоспособность такого теплонапряженного двигателя обеспечивается электронной системой управления. Ее возможности позволяют согласовывать работу двигателя с турбокомпрессором, контролировать рабочий процесс в каждом цилиндре, отслеживать и корректировать по обратным связям другие важные параметры двигателя [1—3].
Наиболее распространенным автомобильным бензиновым ДВС в Российской Федерации является двигатель ОАО «АВТОВАЗ» марки ВАЗ-2112 и его модификации. Двигатель — без наддува, имеет 4 клапана на цилиндр, впрыск топлива осуществляется перед впускным клапаном
(см. таблицу). Этот отечественный двигатель был выбран для исследования, поскольку прочность его основных деталей (блок цилиндров, коленчатый вал, шатун) приемлема для его форсирования.
Цель данного исследования — моделирование форсированной (по среднему эффективному давлению ре и средней скорости поршня Ст ) модификации двигателя ВАЗ-2112 и проектирование электронной системы управления (ЭСУД) данным двигателем.
Для достижения поставленной цели решались задачи по выбору прототипа двигателя для дальнейшего сравнения его заводских параметров с его же модифицированной версией. Затем составлялась схема ЭСУД, определялся необходимый и достаточный набор датчиков и обратных связей, выбирался электронный блок управления (ЭБУ), имеющий необходимый потенциал функций и каналов для обеспе-
чения работы двигателя. Рассчитывался рабочий процесс модифицированного двигателя для анализа параметров его работы и сохранения работоспособности деталей. В результате работы была составлена схема и изготовлен жгут ЭСУД для двигателя.
На первом этапе работы был рассчитан рабочий процесс модифицированного двигателя для общей оценки уровня форсирования, тепло-напряженности деталей, конструкции ЭСУД двигателя. Использовалась программа AVL Boost. В результате расчетов получена индикаторная диаграмма рабочего процесса модифицированного двигателя (рис. 1).
Анализ индикаторной диаграммы показывает, что максимальное давление сгорания — pz = 82 кг/см2, что подразумевает использование бензина с октановым числом не менее 98. Полученные данные расчета позволяют в дальнейшем моделировать тепловое и напряженное состояние деталей цилиндропоршневой группы, работу поршневых колец, определить толщины масляных пленок в узлах трения двигателя, а также рассчитать детали на прочность.
Система управления должна обеспечивать нормальную работу двигателя в целом, а также отслеживать параметры работы систем двигателя, зависящие от внешних факторов, таких, как условия окружающей среды, физико-химические параметры топлива и масла, состояние деталей
двигателя. Это необходимо для надежного функционирования двигателя при различных условиях эксплуатации.
Для создания системы управления необходимо определить набор датчиков, которые будут отслеживать контролируемые параметры и управлять двигателем и его подсистемами.
Так как двигатель оснащен турбокомпрессором, то необходимо применять электромагнитный клапан для управления давлением наддува. Для обеспечения необходимого уровня токсичности и регулирования состава топливной смеси на частичных и максимальных нагрузках необходимо применять широкополосный датчик кислорода [4], установленный в выпускном трубопроводе после турбокомпрессора. Для контролирования температуры отработавших газов каждого из цилиндров двигателя необходимо установить по одной термопаре в выпускной трубопровод максимально близко к выпускным окнам головки блока. Для получения параметров впускного воздуха необходимо применить датчик абсолютного давления и датчик температуры воздуха, которые будут установлены во впускном коллекторе двигателя. Для отслеживания состояния топлива необходимо применить датчик давления топлива в топливную рампу двигателя. Для определения признака вращения коленчатого вала, его ускорений и положения необходимо применить электромагнитный
Сравнительная характеристика стандартного и модифицированного двигателей ВАЗ-2112
Параметр, ед. измерения Значения параметров
ВАЗ-21124 ВАЗ-21124 модифицированный
Размерность 5 х Б, мм 75,6x82,0 75,6x82,0
Топливо, ОЧИ, ед. 95 95 или 98
Мощность Ие, кВт/л.с., при п, об/мин 71/94 при 5600 200/270 при 6500
Степень сжатия 10,5 9,0
Крутящий момент Ме, Нм, при п, об/мин 125 при 3500 370 при 5500
Максимальное давление наддува рк, кг/см2, при п, об/мин атмосферный 2,2 при 5500
ЭСУД Январь 7.2 Корвет 11.38ET
Вязкость моторного масла 10W-40 5W-30
Давление, 106 Па
90 180 270 370 450 540 630 Грац. П.К.В.
Рис. 1. Индикаторная диаграмма рабочего процесса модифицированного двигателя (а — для первого цилиндра, б — для третьего цилиндра, в — для четвертого цилиндра, г — для второго цилиндра)
датчик положения коленчатого вала со специальным диском, имеющим 58 зубьев (алгоритм синхронизации «60 минус 2»), для определения верхней мертвой точки первого цилиндра и управления индивидуальными катушками зажигания. Для фазированной подачи топлива необходимо применять датчик фаз, который определяет положение впускного распределительного вала. Также необходимо использовать электронную дроссельную заслонку и датчик, который передает сигнал на блок управления о задаваемой нагрузке. Без этого набора датчиков проблематично достичь уровня токсичности отработавших газов двигателя согласно требованиям ЕВРО-4. Датчик детонации необходим для улавливания шумов двигателя и контроля процесса горения и отслеживания детонации. В качестве контрольных и управляющих элементов необходимо установить датчик температуры масла, температуры охлаждающей жидкости, температуры топлива и давления масла [5].
Данный набор датчиков позволит обеспечить надежную работу двигателя во всем диапазоне нагрузок.
Следующим этапом работы был выбор и обоснование блока управления ЭСУД, на основе которого проектируется система управления. Основными требованиями к выбору блока управления являются его открытые функции: параметры оптимизации и возможности корректировки необходимых параметров работы двигателя, выполнение норм токсичности (не
менее ЕВРО-4). В свободной продаже имеются инженерные блоки управления различных производителей (например, Robert Bosch Gmbh, MecTronik S.r.l., Magnetti Marelli S.p.a., отечественный производитель ООО «АБИТ»). Также существуют блоки управления гражданских автомобилей, однако возможность корректировки и отладки их параметров невозможна, поскольку инженерные функции блока заблокированы производителями.
Перечисленные контроллеры имеют схожий набор функций и похожее программное обеспечение. Основные отличия касаются удобства интерфейса и стоимости. Исходя из этого для исследования был выбран блок управления Корвет 11.38ЕТ отечественного производителя ООО «АБИТ» [6]. Блок имеет четыре встроенных канала управления индивидуальными катушками зажигания, аппаратный драйвер для работы с электронным дросселем, а так же необходимое количество аналоговых и цифровых входов и 20 силовых выходов с разными значениями максимального тока. Это означает, что его аппаратная реализация справится с решением поставленной задачи.
Программное обеспечение, поставляемое к упомянутому ЭБУ, имеет две принципиально различных стратегии управления двигателем — прямую и моментную модели.
В основе первой лежит непосредственное задание положения дроссельной заслонки, то-пливоподачи, УОЗ, давления наддува, для каж-
дого режима работы двигателя по нагрузке и частоте вращения, а также их коррекции по тепловому состоянию двигателя, обратным связям и состоянию системы в целом (к примеру, коррекция по давлению топлива).
Моментная модель имеет иной алгоритм работы, в котором главным параметром нагрузки становится крутящий момент двигателя. Для ее функционирования необходимо иметь полную характеристику двигателя, ограниченную внешнюю скоростную характеристику, а также зависимости момента от УОЗ, состава смеси и отключения цилиндров. Кроме того, данная модель поддерживает обратные связи и функции контроля параметров двигателя.
Моментная модель имеет ряд преимуществ, связанных с удобством управления транспортным средством и возможностью работы с современными автоматическими коробками переключения передач.
Для проведения испытаний в стендовых условиях целесообразно выбрать первую модель по причине ее простоты и, следовательно, быстроты работы с двигателем.
Далее были детально рассмотрены вопросы изготовления жгутов.
Существуют две концепции изготовления жгутов: 1) полностью герметичная; 2) защищенная от механического и теплового воздействия узлов проводов с автомобильными влагозащи-щенными разъемами. В общемировой практике двигателестроения областью применения первой группы является авиация и двигатели спортивного и специального назначения. Вторая группа используется как на автомобилях и мотоциклетной технике, так и в судовой технике.
Рис. 2. Изготовленный жгут электропроводки
системы управления на основе блока Корвет 11.38ЕТ для высокофорсированного бензинового двигателя
Второй тип электропроводки проще в изготовлении, дешевле и имеет приемлемые сроки службы — 10—15 лет.
В ходе исследования был разработан свой алгоритм изготовления жгута электропроводки, который включает:
1) составление электрической схемы соединений , учитывающей назначения контактов всех элементов, точек питания и заземления, необходимое сечение проводов;
2) учет воздействий на соединения при размещении их на двигателе и стенде (транспортное средство) расположения всех необходимых элементов (датчиков и исполнительных элементов) исходя из их назначения и условий работы (термостойкость, грязезащищенность, маслобензо-стойкость и т. д.);
3) выполнение чертежа жгута проводов с указанием длины, разветвлений, точек крепления самого жгута и его элементов (резиновые уплотнения, хомуты);
4) осуществление сборки жгута согласно электрической схеме и компоновочному чертежу.
В результате исследования получены: исходные данные о высокофорсированной версии двигателя ВАЗ-2112; выработан алгоритм изготовления жгутов электропроводки для ДВС; спроектирована система управления с необходимым и достаточным набором датчиков и управляющих элементов (рис. 2).
Возможности предлагаемой системы управления позволяют настроить весь диапазон режимов работы двигателя. С ее помощью можно произвести настройку аварийных режимов и реализовать программную и аппаратную защиту двигателя от выхода из строя датчиков, а также неисправностей, связанных с колебаниями внешних факторов (изменение физико-химических свойств топлива, состояния окружающей среды и т. п.).
В дальнейшем предполагается смоделировать температурно-напряженное состояние деталей двигателя, рассчитать условия работы подшипников. Планируется создание стенда на основе высокофорсированного бензинового двигателя, размещение на нем системы управления, ее настройка и отладка.
Работы выполняются при финансовой поддержке министерства образования и науки Российской Федерации, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение № 14.132.21.1721).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лангкабель, Г.Х. Турбодвигатели и компрессоры [Текст] Справочное пособие / Г.Х. Лангкабель.— Л., 2003.— 351 с., ил.
2. Дьяченко, Н.Х. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания: Учебник для вузов/ Н.Х. Дьяченко, Б.А. Харитонов, В.М. Петров [и др.]; Под ред. Н. Х. Дьяченко.— Л.: Машиностроение, 1979.— 392 с., ил.
3. Померанцев, В.В. Основы практической теории горения [Текст] / В.В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов [и др.].— Л., 1973.— 263 с.
4. Пономарев, А.С. Принципы адаптации матрицы топливоподачи по широкополосному датчику кислорода [Текст] / А.С. Пономарев, А.К. Иванов // XXXVI Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Ч II.— СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008.— С. 77-78.
5. Системы управления бензиновыми двигателями [Текст] / Пер. с немецкого.— Первое русское издание.— М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005.— 432 с.: ил.
6. Системы управления ПВС [Электрон. ресурс].— http://www.abit.spb.ru/.
7. Шабанов, А.Ю. Влияние некоторых физико-химических показателей моторного масла на технико -экономические и ресурсные показатели поршневых бензиновых двигателей [Текст] / А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев, И.С. Кудинов, А.А. Метелев // Двигате-лестроение.— 2011. № 1.— С. 24-28.
8. Галышев, Ю.В. Методика ускоренных испытаний моторных масел на изменение их свойств в течение срока эксплуатации [Текст] / Ю.В. Галышев, А.Ю. Шабанов, А.Б. Зайцев, А.А. Метелев // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2012. № 2-1(147). С. 71-76.
9. Метелев, А.А. Методика и результаты ресурсных испытаний моторных масел [Текст] / А.А. Метелев, А.Б. Зайцев, А.Ю. Шабанов // XXV Междунар. научно-техн. конф. «Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей», посвященная 300-летию Царского села.— СПб.: Изд-во СПбГАУ, 2010.— С. 113-123.
10. Метелев, А.А. Об одной из химмотологических проблем применения бензинов в двигателях спортивных судов [Текст] / А.А. Метелев, А.Б. Зайцев, А.Ю. Шабанов // XXXVI Неделя науки СПбГПУ: материалы междунар. науч. конф.. Ч. III.— СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008.— С. 75-77.
REFERENCES
1. Langkabel G.Kh. Turbodvigateli i kompressory [Tekst].— L.: Spravochnoye posobiye, 2003.— 351 s. (rus.)
2. Dyachenko N.Kh., Kharitonov B.A., Petrov V.M. [i
dr.]. Konstruirovaniye i raschet dvigateley vnutrennego sgoraniya: Uchebnik dlya vuzov / Pod red. N.Kh. Dyachenko.— L. Mashinostroyeniye, 1979.— 392 s. (rus.)
3. Pomerantsev V.V. Arefyev K.M., Akhmedov D.B. [i dr.]. Osnovy prakticheskoy teorii goreniya [Tekst].— L., 1973.— 263 s. (rus.)
4. Ponomarev A.S. Ivanov A.K. Printsipy adaptatsii matritsy toplivopodachi po shirokopolosnomu datchiku kisloroda [Tekst] // XXXVI Nedelya nauki SPbGPU: Ma-terialy Vserossiyskoy mezhvuzovskoy nauchno-tekh-nicheskoy konferentsii studentov i aspirantov. Ch II.— SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2008.— S. 77-78. (rus.)
5. Sistemy upravleniya benzinovymi dvigatelyami. Perevod s nemetskogo. Pervoye russkoye izdaniye.— M.: OOO «Knizhnoye izdatelstvo «Za rulem», 2005.— 432 s.: il. (rus.)
6. Systemy upravlenija DVS [Elektron resurs].— http://www.abit.spb.ru/. (rus.) Systemy upravlenija DVS.
7. Shabanov A.Yu., Zaytsev A.B., Kudinov I.S., Me-telev A.A. Vliyaniye nekotorykh fiziko-khimicheskikh
pokazateley motomogo masla na tekhniko-ekonomiches-kiye i resursnyye pokazateli porshnevykh benzinovykh dvigateley [Tekst] // Dvigatelestroyeniye.— 2011. № 1.— S. 24-28. (rus.)
8. Galyshev Yu.V., Shabanov A.Yu., Zaytsev A.B., Metelev A.A. Metodika uskorennykh ispytaniy mot-ornykh masel na izmeneniye ikh svoystv v techeniye sroka ekspluatatsii [Tekst] // Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti SPbGPU.— 2012.— № 2-1(147). Т. 1.— S. 71-76. (rus.)
9. Metelev A.A., Zaytsev A.B., Shabanov A.Yu. Meto-dika i rezultaty resursnykh ispytaniy motornykh masel [Tekst] // XXV Mezhdunar. nauchno-tekhn. konf. «Uluchsheniye ekspluatatsionnykh pokazateley avtomo-biley, traktorov i dvigateley», posvyashchennaya 300-leti-yu Tsarskogo sela.— SPb.: Izd-vo SPbGAU, 2010.— S. 113-123. (rus.)
10. Metelev A.A., Zaytsev A.B., Shabanov A.Yu. Ob odnoy iz khimmotologicheskikh problem primeneniya benzinov v dvigatelyakh sportivnykh sudov [Tekst] // XXXVI Nedelya nauki SPbGPU: materialy mezhdun-arodnoy nauchnoy konferentsii. Ch.III, - SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2008.— S. 75-77. (rus.)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
МЕТЕЛЕВ Андрей Александрович— аспирант кафедры двигателей, автомобилей и гусеничных машин Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: petmet@mail.ru
ПОНОМАРЕВ Андрей Сергеевич— ассистент кафедры двигателей, автомобилей и гусеничных машин Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: motoredmind @mail.ru
МАКАРИН Артем Игорьевич— аспирант кафедры двигателей, автомобилей и гусеничных машин Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: tem.makarin@gmail.com
ДВОРЦОВ Владимир Сергеевич — аспирант кафедры двигателей, автомобилей и гусеничных машин Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: privedig@mail.ru
AUTHORS
METELEV Andrey A.— St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya, 29, St.-Petersburg, Russia; e-mail: petmet@mail.ru
PONOMAREV Andrey S.— St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya, 29, St.-Petersburg, Russia; e-mail: motoredmind@mail.ru
MAKARIN Artjom I.— St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya, 29, St.-Petersburg, Russia; e-mail: tem.makarin @gmail.com
DVORTSOV Vladirmir S.— St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya, 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: privedig@mail.ru
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
