CC BY
77Диагностика элементов газового оборудования поршневого ДВС с искровым зажиганием и электронной системой управления
В.А. Шишков, начальник технического отдела ООО «Рекар», д.т.н.
Представлена разработка методов бортовой диагностики для улучшения эффективности и экологической безопасности двухтопливных и однотопливных газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с электронным управлением рабочим циклом в процессе эксплуатации. На основе теоретических проработок и экспериментальных данных разработан алгоритм бортовой диагностики, который функционально разделен на критические и некритические режимы работы системы управления поршневым двигателем. Предложены алгоритмы диагностики датчиков и исполнительных элементов системы управления, влияющих на способность передвижения транспортного средства и его безопасную эксплуатацию. Представлены методы диагностики датчиков температуры и давления газа в рампе форсунок, датчика высокого давления газа в баллоне, а также методы диагностики газовых форсунок, магистрального клапана и газового редуктора. На основе теоретического анализа и экспериментальных данных разработан алгоритм работы поршневого двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием на резервных режимах при некритических неисправностях элементов системы управления, а также алгоритмы его выключения при критических неисправностях. Даны рекомендации по путям дальнейшего развития алгоритма диагностики и резервным режимам работы двигателя.
__Ключевые слова:
двигатель внутреннего сгорания, диагностика системы управления, критические режимы, газовое топливо, датчик, элементы системы управления.
И
сследования по диагностике газового оборудования становятся все более актуальными. Особое внимание к этому научному направлению вызвано следующими обстоятельствами:
• снижение выбросов парниковых газов, к которым относится диоксид углерода СО2, а также возрастающие требования по ограничениям выбросов токсичных веществ СО, СН, N0^ с отработавшими газами двигателей
внутреннего сгорания (ДВС) стали важнейшей задачей для современного и перспективного транспорта;
• выбросы токсичных компонентов и диоксида углерода прямо пропорциональны расходу углеводородного топлива и зависят от его вида и соотношения в нем количества атомов водорода к углероду, в связи с чем становятся привлекательными альтернативные виды топлива на основе природного газа;
• с 1 января 2013 г. в России начали
Газобаллонное оборудование
■ш
\
48
действовать нормы токсичности Евро-4 с диагностикой на уровне ЕОБД-2, а в Европе находятся в стадии согласования нормы Евро-6;
• 13 мая 2013 г. было принято распоряжение № 767-р правительства и утвержден комплекс мер по стимулированию использования природного газа в качестве моторного топлива, которые поддержал Президент РФ;
• низкая плотность газообразных топлив обусловливает особенности системы топливоподачи, а также требует изменений в методах и алгоритме управления двигателем.
Все это показывает, что разработка методов электронного управления циклом двухтопливных и однотопливных автомобилей с двигателями, работающими как на бензине, так и на газовом топливе, методов диагностики газобаллонного оборудования (ГБО) и двигателя в целом, а также физически и математически обоснованных алгоритмов для электронной системы управления является важнейшей и наиболее актуальной задачей при производстве современных и перспективных отечественных автомобилей, отвечающих новым законодательным требованиям [1].
Поэтому автор ставил своей целью разработать методы бортовой диагностики для улучшения эффективности и экологической безопасности двухтопливных и однотопливных газовых поршневых ДВС с электронным управлением рабочим циклом в процессе эксплуатации. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующую задачу: разработать алгоритмы внутренней диагностики ГБО для микропроцессорных систем управления и для работы двигателя на резервных режимах [2], которые бы позволяли определить неисправности в процессе эксплуатации транспортного средства и обеспечить безопасную его работу в период жизненного цикла.
Объектом исследования стали системы газовой подачи и микропроцессорного управления для двухтопливных и однотопливных газовых поршневых ДВС с искровым зажиганием.
Газовая система содержит следующие элементы: рампу с электромагнитными газовыми форсунками и датчиками температуры и давления газа в рампе; отсечной газовый клапан; газовый ресивер; датчик утечки газа в моторном отсеке; газовый редуктор; клапан высокого давления с датчиком давления газа на его входе; газовые трубопроводы низкого и высокого давления; газовый баллон с заправочно-расходным вентилем; заправочное устройство с датчиком наличия заглушки; датчик утечки газа в багажном отделении; электронный блок управления для газового и бензинового вариантов питания с двумя независимыми программами.
Блок-схема алгоритма бортовой диагностики элементов ГБО электронной системой управления двигателем представлена на рис. 1. Бортовая диагностика важна для выполнения автомобилем экологических требований и требований безопасности эксплуатации за весь период его жизненного цикла. Все режимы работы ДВС на газовом топливе можно разделить на критические (не позволяющие передвигаться транспортному средству даже с ограничениями параметров, либо угрожающие жизни людей) и некритические (позволяющие транспортному средству передвигаться до места обслуживания) [3].
Критические резервные режимы:
• отказ работы клапана баллона или магистрального клапана;
• отказ работы газового редуктора;
• отказ электромагнитных газовых форсунок;
• отказ электромагнитных клапанов редуктора;
• обнаружение утечки газа из топливной системы автомобиля, которая превышает допустимые значения.
Рис. 1. Блок-схема бортовой диагностики ГБО
Некритические резервные режимы:
• отказ датчика температуры газа в баллоне;
• отказ датчика давления газа в баллоне;
• отказ датчика концентрации газа в воздухе (датчик утечки газа);
• отказ датчиков давления и температуры газа перед электромагнитными форсунками;
• отказ датчика наличия заглушки в заправочном узле ГБО;
• отказ датчика наличия газового конденсата в редукторе (для пропан-бутана);
• отказ датчика, определяющего химический состав газового топлива;
• обнаружение утечки газа из топливной системы автомобиля, которая не превышает допустимое значение, составляющее не более 20 % минимального
порога воспламенения газовоздушной смеси.
Для корректной работы алгоритма внутренней бортовой диагностики необходима диагностика измерительных приборов - датчиков системы управления двигателем и транспортным средством. В связи с этим разработаны и предложены методы внутренней бортовой диагностики датчиков ГБО для микропроцессорной системы управления поршневым ДВС. Так, метод диагностики датчика температуры газа (влияет на цикловую подачу газа) в рампе форсунок заключается в сравнении его показаний с датчиками температуры газа в баллоне и температуры двигателя с последующим формированием управляющей команды. Метод диагностики датчика давления газа (влияет на цикловую подачу газа)
Газобаллонное оборудование
к\\\\\\\\\\\\\\\\ч
в рампе форсунок заключается в анализе его показателей при работе, например, на режиме холостого хода с последующим формированием управляющей команды. Метод диагностики датчика высокого давления газа в баллоне (определяет безопасность автоматической заправки газового баллона) заключается в сравнении его показаний с расчетным значением, полученным исходя из количества газа, прошедшего через газовые форсунки при отсутствии утечек, и показаний датчиков утечки газа в моторном отсеке и багажном отделении с последующим формированием управляющей команды.
Метод диагностики датчика температуры газа в рампе форсунок
На рис. 2 приведено сравнение показаний датчика температуры газа в рампе форсунок с показаниями датчика температуры газа в газовом баллоне в период пуска и прогрева ДВС. Как видно из рисунка, температура газа в баллоне Т6 в этот период плавно снижается за счет эффекта дросселирования, а температура газа Тр в рампе форсунок возрастает за счет теплоты, получаемой при прогреве двигателя.
Рис. 2. Изменение температуры газа в рампе форсунок и баллоне после пуска ДВС в процессе его прогрева:
Т0 - значение температуры, принятое за базовое и зависящее от температуры окружающей среды; Тнб и Тб - начальное и текущее значение температуры газа в баллоне соответственно; Тнр и Тр - начальное и текущее значение температуры газа в рампе форсунок соответственно; АТ1 =Тр-Тб - изменение разности температуры газа в рампе форсунок и баллоне в процессе прогрева двигателя; ^ - начало пуска двигателя
Рис. 3. Изменение температуры газа в рампе форсунок и температуры ДВС в процессе его пуска и прогрева:
Тнр , Тр - начальная и текущая температура газа в рампе форсунок соответственно; ТнДВС , ТДВС - начальная и текущая температура двигателя соответственно; Т0 - значение температуры, принятое за базовое и зависящее от температуры окружающей среды;
- начало пуска двигателя; АТ2 = ТДВС-Тр - изменение разности температуры ДВС и газа в рампе форсунок в процессе прогрева двигателя
На рис. 3 приведено сравнение показаний датчика температуры газа в рампе форсунок и датчика температуры ДВС в период его пуска и прогрева. Как видно из рисунка, температура двигателя ТДВС в этот период возрастает за счет теплоты сгорания топлива значительно интенсивнее, а температура газа Тр в рампе форсунок возрастает за счет теплоты, получаемой при прогреве от двигателя.
При пуске прогретого ДВС алгоритм диагностики датчика температуры газа в рампе форсунок повторяется, но при условии, что начальные температуры газа в рампе и в баллоне, а также температура ДВС будут равны достигнутым значениям. В этом случае для диагностики используют табличные значения разности температуры ДТ1 и ДТ2 с учетом новых начальных значений вышеназванных температур.
Метод диагностики датчика давления газа в рампе форсунок
На рис. 4 приведен пример сравнения показаний датчика давления газа в рампе форсунок с базовым заданным значением давления рр в ней, которое зависит от режима работы ДВС и внешних условий - давления и температуры окружающей среды.
Показания датчика давления газа сравниваются с заданным значением рабочего рр давления газа перед форсунками на режиме холостого хода: рр>рср±Дрр /2. Сравнение выполняется за промежуток времени к - t1) с учетом осреднения колебаний давления газа в рампе форсунок, связанных с периодом срабатывания клапанов форсунок и погрешности измерения давления датчиком. Число впрысков к газового топлива на режиме холостого хода выбирается в процессе калибровки системы диагностики.
Метод диагностики датчика высокого давления
Плотность и температура газа в баллоне определяют текущее давление
Р,=/(РД).
Количество газа в баллоне в процессе работы двигателя:
1=П
=°б х - Е^п-=гбР,, 1=1
где Об - масса газа в баллоне; Оп. - масса газа, прошедшая через форсунки во время работы двигателя; Уб - объем газового баллона.
Плотность газа в баллоне в процессе работы двигателя:
Р, = Ро- (£)/Уб.
Рис. 4. Изменение давления в газовой рампе на режиме холостого хода: рср - среднее значение давления газа в рампе форсунок; Дрд - погрешность измерения давления датчиком (указана в его паспорте); Дрф - изменение давления газа в рампе при открытии и закрытии клапанов форсунок; - период между срабатыванием газовых форсунок;
Дрр - поле допуска базового значения давления в рампе форсунок в процессе работы ДВС
Газобаллонное оборудование
■ш
\
52
Методы бортовой диагностики исполнительных устройств
Большинство отказов исполнительных устройств электронной системы управления газовым поршневым ДВС относится к критическим отказам. Поэтому методы бортовой диагностики исполнительных элементов (газовая форсунка, газовый редуктор и магистральный клапан) газобаллонного оборудования при управлении поршневым ДВС являются наиболее актуальными. Рассмотрим эти методы.
1. Метод диагностики газовой форсунки заключается в следующем: сравнение текущей ширины импульса впрыска на прогретом двигателе с шириной импульса впрыска после обкатки двигателя и шириной импульса впрыска для выбранного расхода газа от производителя форсунки; сравнение изменения частоты вращения коленчатого вала и скорости ее изменения при заданном варьировании времени импульса впрыска на каждой отдельной газовой форсунке с заданными значениями изменения частоты вращения КВ и скорости ее изменения, полученными в процессе калибровки электронной системы управления двигателем; формирование команды управления.
Время импульса на открытие клапана газовой форсунки на участке линейной характеристики составляет: г = ужу - у ) / (г - г )] + г + г ,
имп ' 1А ст дин/ ' V стат дин^ откр закр'
где гзакр - время закрытия клапана газовой форсунки.
Если расчетный расход газа Ур<Удин, то есть расчетное гимп получается меньше гдин, но больше гоТкР д, тогда скорректированное время импульса следует определять по следующему соотношению
г = г + (г - г ) (1 - у / у ).
имп корр имп откр д откр р дин
На рис. 5 приведено графическое пояснение метода диагностики газовой форсунки.
Рис. 5. Расходная характеристика электромагнитной газовой форсунки: 1 - линия расхода газового топлива, заданная в электронном блоке управления ДВС; 2 - реальная линия расхода газового топлива через клапан электромагнитной форсунки; - статический объемный расход газа через клапан форсунки; Удин - динамический объемный расход газа через клапан форсунки; AV - разность объемного расхода газового топлива, проходящего через клапан газовой форсунки, между заданным значением в электронном блоке управления ДВС и реальным; t - время открытия клапана форсунки; ^откр д - действительное время открытия клапана форсунки; t - динамическое время открытия клапана форсунки;
- статическое время открытия клапа на форсунки
2. Метод диагностики газового редуктора заключается в сравнении текущего давления в газовой рампе и скорости его изменения при изменении режима работы двигателя со значениями, полученными в процессе калибровочных работ с последующим формированием управляющей команды (включение лампы диагностики Chek Engine, переключение на бензин или останов двигателя).
3. Метод диагностики магистрального электромагнитного клапана высокого давления (безопасность эксплуатации ТС) заключается в измерении и анализе уровня давления в газовой рампе за выбранный период времени после останова двигателя с запоминанием полученных
Рис. 6. Циклограмма работы алгоритма управления поршневым ДВС при отказе магистрального клапана [1]:
tH, tni -начало отсчета времени в контроллере при обнаружении неисправности; tu, tm - начало отсчета времени в контроллере при подтверждении неисправности; ti> К i, tni+1 - начало времени фиксации кода ошибки и зажигание лампы Check Engine в мигающем режиме; tF - время начала периода для выработки газа из ресивера, установленного перед газовой рампой; ^ - время останова ДВС и сброс запрета на повторный пуск; t, ti+1 - время повторного включения зажигания и попыток пуска двигателя
данных и выработкой управляющей команды при последующем пуске двигателя (рис. 6).
Таким образом, автором предложена диагностика элементов газобаллонного оборудования и топливной газовой системы для выполнения законодательных требований и норм безопасности в процессе эксплуатации транспортного средства. Разработаны методы и алгоритмы бортовой диагностики газобаллонного
оборудования и работы двигателя на резервных режимах при отказе исполнительных элементов газового питания и измерительных датчиков системы управления. В то же время для безопасной эксплуатации транспортного средства на газовом топливе необходимо проработать алгоритмы диагностики утечки газового топлива из системы подачи и предотвращения критических режимов при их проявлении.
Литература
1. Шишков В.А. Теория управления двигателем с искровым зажиганием при работе на газовом топливе. - Самара: АНО «Издательство СНЦ РАН», 2012. - 312 с.
2. Шишков В.А. Резервные режимы работы ДВС с искровым зажиганием с ЭСУД при работе на газовом топливе // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2011. - № 3. - С.41-48.
3. Шишков В.А. Алгоритм диагностики элементов ГБО в системе электронного управления ДВС с искровым зажиганием // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2011. - № 1.- С.7-15.
