Адаптивное управление топливоподачей ДВС по показателям неравномерности вращения коленчатого вала Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43.018.2

С. А. Гребенников, А.С. Гребенников, А.В. Никитин АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТОПЛИВОПОДАЧЕЙ ДВС ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

Предложен способ повышения точности управления топливоподачей бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала, позволяющий учитывать неравномерность распределения воздушной массы по цилиндрам и изменение технического состояния форсунок системы впрыска. В качестве управляющих параметров обоснованы амплитуда колебаний угловой скорости и фазовые сдвиги ее экстремумов относительно верхней мертвой точки соответствующих цилиндров.

Двигатель внутреннего сгорания, газораспределение, неравномерность рабочих процессов, угловая скорость, неравномерность вращения, адаптивное управление

S.A. Grebennikov, A.S. Grebennikov, A.V. Nikitin ADAPTIVE STEERING OF ICE FUEL FEEDING ON INDICATORS OF UNEVENNESS OF ROTATION OF THE BENT SHAFT

The mode of increase of accuracy of steering by fuel feeding of the petrol internal combustion engines (ICE) on indicators of intra cyclic changes of angular speed of the bent shaft, allowing to consider unevenness of distribution of air mass on cylinders and change of a technical condition of spray jets of system of injection is offered. As steering parameters amplitude

offluctuations of angular speed and phase shifts of its extrema of rather top dead point of the

corresponding cylinders are proved.

Internal combustion engine, gas distribution, unevenness of working processes, angular

speed, unevenness of rotation, adaptive steering

Характерной особенностью автомобильных двигателей является работа в широком диапазоне нагрузочных и скоростных режимов. Изменение режима работы существенно влияет на протекание рабочих процессов из-за нарушения теплового баланса между деталями цилиндропоршневой группы и газо-топливной смесью, существенного изменения газодинамических (насосных) и механических потерь. По этим причинам, наилучшие технико-экономические характеристики ДВС достигаются лишь в узком диапазоне частоты вращения коленчатого вала.

Задача расширения скоростного диапазона номинальных характеристик ДВС достаточно успешно решается при помощи принудительного нагнетания воздуха в цилиндры - наддува, однако его применение на бензиновых ДВС возможно лишь при снижении степени сжатия, для исключения детонации топлива, что существенно снижает его экономические показатели.

Исследования законов движения воздуха во впускном трубопроводе позволили улучшить процессы наполнения путем применения:

- так называемых заслонок «завихрителей», частично перекрывающих сечение впускного трубопровода на малых частотах вращения для увеличения скорости воздушного потока, входящего в цилиндр, что увеличивает его турбулентность, а соответственно, и скорость перемешивания топлива с воздухом;

- двойного впускного трубопровода для каждого из цилиндров: узкого большой длины для лучшего наполнения на малых оборотах, и большего сечения и короткого для сокращения насосных потерь на больших оборотах, переключение между которыми осуществляется заслонкой;

- изменяемых по фазам и высоте открывания клапанов механизмов газораспределения, позволяющих сдвигать в сторону запаздывания закрытие впускного клапана, что улучшает наполнение на больших оборотах, и выпускного клапана - для осуществления внутренней рециркуляции отработавших газов, что в свою очередь способствует понижению температуры сгорания, и соответственно выбросов оксидов азота NOx.

При существующей тенденции к снижению габаритов и рабочего объема силовых агрегатов, конструкцию впускного коллектора не всегда удается выполнить симметричной с равными длинами и идентичными формами впускных трубопроводов отдельных цилиндров. Это обстоятельство, в совокупности с различной величиной подогрева трубопроводов теплом, выделяемым ДВС, наличию колебаний воздушной среды (в том числе и резонансных), обусловленных периодичностью процессов наполнения и наложением (перекрытием) фаз впуска между отдельными цилиндрами, наличием обратного выброса отработавших газов во впускной коллектор в результате перекрытия клапанов в ВМТ способствует неравномерности коэффициента наполнения между цилиндрами, ошибочному определению коэффициента избытка воздуха по цилиндрам, а следовательно, увеличению токсичности отработавших газов и неравномерности работы ДВС.

Снижение рабочего объема ДВС при сохранении его мощности (так называемый «Downsizing») возможно при увеличении скорости воздушного потока через впускной трубопровод, что в свою очередь увеличивает вероятность его турбулентного истечения. При высокой турбулентности потоков воздуха, особенно при наличии турбокомпрессора, который сообщает воздуху не только вихревое движение, но и неравномерно распределенную теплоту, обусловленную сжатием воздушной среды и теплообменом между крыльчаткой (нагреваемой через общий вал от турбины) и воздухом, расчет параметров наполнения отдельных цилиндров еще боле усложняется.

Между тем, расчет параметров воздушного заряда на современных ДВС производится единственным датчиком системы управления (датчиком абсолютного давления, либо массового расхода воздуха, а также температуры воздуха) еще до разделения потоков воздуха по отдельным цилиндрам. Соответственно, расчет топливоподачи в отдельные цилиндры осуществляется на основании обобщенных данных о количестве потребляемого воздуха без учета неравномерности его распределения.

Измерение расхода воздуха после разделения трубопровода возможно лишь за счет увеличения числа датчиков расхода воздуха до числа цилиндров, что, во-первых, удорожит систему управления,

во вторых добавит вероятности «подсоса» атмосферного (неочищенного) воздуха через соединения датчиков с трубопроводом и поэтому не используется на автомобильных ДВС.

Адаптировать систему управления впрыском топлива под неравномерное наполнение цилиндров воздухом позволит оценка эффективности протекания процессов в отдельных цилиндрах ДВС по параметрам колебаний угловой скорости коленчатого вала. Поскольку количество впрыскиваемого топлива в системах экологического стандарта Евро2 и выше рассчитывается исходя из обеспечения стехиометрического (14,7 кг воздуха на 1 кг топлива) состава топливно-воздушной смеси, что необходимо для нормальной работы каталитического нейтрализатора, то учитывая неравномерность распределения массы воздуха по цилиндрам, фактически, в каждом из них может быть обедненная, обогащенная и нормальная (стехиометрическая) смеси. Ситуация усугубляется и тем, что техническое состояние форсунок изменяется не одинаково. Например, наибольшему загрязнению от взвешенных в топливе частиц пыли, либо продуктов распада топлива подвержена первая в топливной рампе (относительно подвода топлива из бензобака) форсунка, а соответственно ее производительность будет сокращаться быстрее остальных, что будет обуславливать обедненный состав смеси именно в данном цилиндре.

Колебания угловой скорости коленчатого вала обусловлены чередованием одноименных тактов в ДВС, и в большей степени определяются моментами от газовых сил в тактах «сжатие» и «рабочий ход» (соответственно замедление и ускорение коленчатого вала на рис. 1.). Известно, что обогащенная смесь сгорает с большей скоростью и жесткостью, чем обедненная, а, соответственно, импульс

угловой скорости вращения коленчатого вала от данного цилиндра (рис. 1, цилиндр III) будет более интенсивным и с большей амплитудой, чем от цилиндров с обедненной смесью (соответственно I и IV), которая может догорать и в процессе рабочего хода поршня. Скорость сгорания топливовоздушной смеси отражается как на коэффициенте неравномерности угловой скорости [1], так и на фазовых положениях экстремумов угловой скорости (фтах и фтт) относительно ВМТ соответствующих цилиндров. Из-за смещения процесса сгорания на такт «рабочий ход» при обеднении смеси и большего периода задержки воспламенения оба экстремума смещаются относительно ВМТ (рис. 1, цилиндр I и IV). При нормальном (стехиометрическом) составе смеси, воспламенение происходит вблизи ВМТ, а соответственно экстремум фтт совпадает с ВМТ (рис. 1, цилиндр II).

Таким образом, амплитуду и фазовые экстремумы угловой скорости в пределах цикла работы ДВС, возможно использовать в качестве параметров адаптивного управления процессами топливо-подачи и зажигания в отдельных цилиндрах, что позволит учесть неравномерность распределения топливовоздушной смеси, возникающей из-за конструктивных особенностей впускного коллектора и неравномерности изменения технического состояния системы питания. При этом значительно повышаются показатели экологичности, индикаторный КПД и равномерность работы цилиндров ДВС. Пример адаптивной системы управления ДВС по показателям колебаний угловой скорости представлен на рис. 2.

Пунктирной линией выделен блок адаптации, осуществляющий регистрацию, анализ колебаний угловой скорости и вычисляющий цилиндры с соответствующими отклонениями в рабочих процессах, требующих корректировки подачи топлива.

рад

Рис. 1. Изменение угловой скорости ю коленчатого вала по углу его поворота ф в пределах рабочего цикла ДВС: МУ - номера цилиндров;

Юср - значение средней угловой скорости

Рис. 2. Алгоритм адаптивного управления процессом топливоподачи и зажигания по параметрам изменения угловой скорости коленчатого вала

Регистрацию угловой скорости можно осуществлять при помощи датчика положения коленчатого вала, являющегося стандартным для современных систем управления ДВС. Кроме угловой скорости, блок адаптации учитывает значение коэффициента избытка воздуха, регистрируемого по датчику кислорода (l-зонду) в системе выпуска отработавших газов, чтобы величины корректировок топливоподачи не нарушили процесс окисления в нейтрализаторе.

При отсутствии возможности корректировки степени неравномерности работы цилиндров за счет изменения подачи топлива, например вследствие нарушения показателя 1=1 (он имеет блокирующий статус, ввиду приоритетности показателей экологичности над остальными), возможен вариант оптимизации угла опережения зажигания. Увеличение угла опережения зажигания в цилиндре с обедненной смесью позволит сместить сгорание смеси с такта «рабочий ход» в район ВМТ и исключить фазовое смещение jmjn соответствующее данному цилиндру на графике изменения ю (рис. 1).

Таким образом, показатели изменения внутрицикловой угловой скорости коленчатого вала являются оценочными параметрами неравномерности работы цилиндров ДВС, с помощью которых можно улучшить адаптивность систем управления индивидуальным корректированием подачи топлива и угла опережения зажигания по отдельным цилиндрам.

ЛИТЕРАТУРА

1. Двигатели внутреннего сгорания: в 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов / под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. М.: Высш. шк., 2007. 479 с.

Гребенников Сергей Александрович - Sergey A. Grebennikov -

кандидат технических наук, доцент кафедры Ph.D., associate professor of Cars and Engines

«Автомобили и двигатели» Саратовского chair of Gagarin Saratov state technical university

государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Гребенников Александр Сергеевич - Alexander S. Grebennikov -

доктор технических наук, профессор кафедры the Doctor of Engineering, the professor of chair

«Автомобили и автомобильное хозяйство» «Cars and automobile economy» Gagarin Saratov

Саратовского государственного технического state technical university

университета имени Гагарина Ю.А.

Никитин Александр Владимирович - Alexander V. Nikitin -

кандидат технических наук, доцент кафедры Ph.D., associate professor «Cars and engines»

«Автомобили и двигатели» Саратовского Gagarin Saratov state technical university

государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13