CC BY
113
УДК 621.43.052
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СТЕНДОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 6Ч13/14 С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
В.А. Богомолов, профессор, д.т.н., А.В. Бажинов, профессор, д.т.н.,
B.М. Манойло, ассистент, к.т.н., Ю.Н. Бороденко, доцент, к.ф-м.н.,
C.А. Сериков, доцент, к.т.н., Е.В. Линник, инженер, ЧП «Линник», П.Г. Бабенко, инженер, А.Н. Кабанов, аспирант, С.В. Салдаев,
аспирант, А.А. Дзюбенко, преподаватель, А.И. Воронков, доцент,
к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Разработана экспериментальная система управления для газового двигателя 6Ч13/14 с искровым зажиганием.
Ключевые слова: СПГ, природный газ, конвертация дизеля в газовый двигатель, технико-экономические и экологические показатели.
Введение
Направления совершенствования современных ДВС связаны с повышением их экономичности, снижением токсичности отработавших газов и снижением массо-габаритных показателей. Одним из методов достижения этих целей является перевод двигателей на питание природным газом, а обеспечение эффективности рабочего процесса ДВС во всём диапазоне режимов работы можно получить только применением электронных систем управления (ЭСУ).
Кафедрами ДВС и автомобильной электроники ХНАДУ в содружестве с фирмой ЧП «Линник» разработан экспериментальный образец ЭСУ для газового ДВС с искровым зажиганием 6Ч 13/14, созданного на базе дизеля ЯМЗ-236.
Стендовые испытания показали, что газовый ДВС 6Ч 13/14 с электронной системой управления имеет достаточно высокие технико-экономические и экологические показатели.
Анализ публикаций
Вопросу разработки, изготовления, диагностики и исследования систем управления газовыми ДВС уделено большое внимание различными зарубежными фирмами и производственными объединениями стран СНГ.
В работе [1] Белорусскими специалистами разработан контроллер, который предназначен для автоматического поддержания стехиомерического состава рабочей смеси в эжекторных автомобильных газотопливных системах. Контроллер
применяется совместно с кислородным датчиком и с электромеханическим дозатором газа, выполненным на основе регулятора холостого хода РХХ2112 (изготовитель Россия). Данная система управления используется на двухтопливных автомобильных двигателях, рабочий объем которых не превышает шести литров.
В настоящее время в решении этой проблемы принимают участие такие зарубежные фирмы, как RABA (Венгрия) [2], Cummins Engine
Company (США) [3] и др.
Венгерская фирма RABA [2] для 6-цилиндрового дизеля RABA D 10 с газотурбинным наддувом и горизонтальным расположением цилиндров разработала два варианта газовых двигателей: с распределённым впрыском газа во впускной коллектор каждого цилиндра (RABA G 10 TE), а также с подачей газовоздушной смеси в цилиндры ДВС через газовый смеситель (RABA G 10 DE).
В двигателях RABA G 10 TE применяется система питания, разработанная австралийским институтом TRANSCOM. В этой системе природный газ впрыскивается на впускные клапаны с помощью электромагнитных форсунок Servojet SPO 14, а подачей газа, углом опережения зажигания и другими параметрами управляет микропроцессор.
На двигателях RABA G 10 DE используется система питания датской фирмы DELTEC FUEL SYSTEM. Данная система питания имеет газовоздушный смеситель и электронное управление составом смеси. В системе зажигания используются индивидуальные катушки для каждого цилиндра. В электронную систему управления при-
ходят сигналы от датчиков давлений и расходов воздуха и газа, температуры ОГ и др. Электронная система управляет не только подачей газа, но и углом опережения зажигания, а также перепускным клапаном в турбокомпрессоре.
В работе [3] в системе питания ДВС установлен газовоздушный смеситель, а подача газа и воздуха контролируется электроникой.
Фирма Cummins занимается разработкой и исследованием газовых ДВС более 10 лет. За это время технология управления газовыми ДВС эволюционировала от механических систем до систем электронного управления двигателем. Первая электронная система управления (ЭСУ) газовым двигателем была разработана в начале 90-х годов.
В [3] описывается проект С 8.3G плюс, был спланирован для доводки и внедрения современной электронной системы управления двигателем. ЭСУ базируется на основе ядра системы управления дизельного двигателя. Двигатель также был переделан для улучшения работы и возможности использовать широкий диапазон низкосортного состава топлива.
В проект включены: разработка СМ566 (модуль управления 556, название платформы ЕСУ), и датчиков, доводка режимов роботы ДВС, стендовые и дорожные испытания автотранспортных средств, сертификация по выбросам и внедрение продукта. Проект конструкции и программного обеспечения электронного контроллера был завершен, проверен и реализован в готовой продукции. Микропроцессор СМ556 это более совершенная модификация ЭСУ по сравнению с существующим СМ420, которая включает увеличенную память и быстродействие. Результаты работы и надежность двигателя были проверены динамометрическими и стендовыми испытаниями, а также программой полевых испытаний, включившей в себя 10 транспортных средств.
С ЭСУ СМ556 нового поколения ДВС надежно работал в широком диапазоне изменения состава топлива, даже когда метановое число природного газа было меньше 65 единиц.
Двигатель С 8.3G плюс был протестирован по сертифицирующему протоколу на выбросы, включающему дополнительные тесты на выбросы (SET). Результатами сертификационных испытаний являются: NOX - 1,53 г/л.с.ч. и 0,008 г/л.с.ч. твердых частиц. Эти результаты значительно лучше, чем данные сертифицирования базового двигателя C8.3G.
US EPA сертифицировала двигатель в пределах стандарта по выбросам ULEV. Уровень выбросов всего семейства по NOX был установлен на уровне 1,8 г/л.с.ч.
Отметим, что стоимость программ разработки электронных систем управления ДВС, в которых принимали участие ведущие зарубежные фирмы, довольно высокая. Поэтому перед отечественными разработчиками двигателестроительной индустрии возникла дилемма - либо адаптировать к отечественным ДВС дорогостоящую продукцию внешнего рынка, либо освоить выпуск своей системы управления. Целесообразность полного заимствования системы определяется особенностями конструкции ДВС, условиями и потенциальными возможностями региона или промышленного центра, где осуществляется производство двигателей. Оптимальным решением такой проблемы для нашего региона является разработка экспериментальных образцов электронных блоков управления собственного изготовления. Такое решение позволяет планомерно и поэтапно развивать отечественное производство систем управления ДВС, и впоследствии, по мере совершенствования этих систем приступить к серийному выпуску этой продукции.
Ниже авторами предлагается описание отечественной электронной системы управления газовым ДВС, в основу которой легло решение, приведенное в работе [3]. Комплексная схема системы управления, представленная в [3], более предпочтительна для двигателя, который используется в качестве привода компрессора или передвижной электростанции мощностью 60-75 кВт. При такой простой схеме управления ДВС можно частично использовать серийное газовое оборудование, стандартные датчики контроля и узлы управления отечественного производства. В результате чего стоимость предлагаемой системы управления будет значительно ниже зарубежных аналогов.
Цель и постановка задачи
Разработана функциональная схема экспериментального контроллера, отлажен и скорректирован алгоритм электронной системы управления параметрами рабочего процесса газового ДВС 6Ч 13/14 с искровым зажиганием, который может быть использован в качестве силового агрегата для привода компрессора либо передвижной электростанции.
Задачей исследования является проектирование, доводка и ввод в эксплуатацию опытного образца электронной управляющей системы следующего поколения для двигателей, работающих на природном газе. Эта управляющая технология увеличит трудоемкость проектирования двигателя с соответствующим улучшением работы двигателя и выхлопных газов, а также повышением динамики автомобиля. Конструкция двигателя и управляющие элементы также позволят использовать широкий диапазон природного газа.
Особенности функциональной схемы экспериментального контроллера и алгоритма комплексной схемы системы управления газовым ДВС 6Ч 13/14
Комплексная схема системы управления газовым двигателем приведена на рис. 1.
Рис. 1. Комплексная система управления газовым двигателем
Экспериментальная электронная система управления (ЭСУ) газовым двигателем 6Ч 13/14, который является модификацией дизеля ЯМЗ-236, предназначена для проведения стендовых испытаний с целью доводки конструктивных решений, принятых в процессе перевода дизеля на питание сжатым природным газом, а также для отработки основных узлов самой системы управления. В состав ЭСУ входят: электронная система зажигания (ЭСЗ) высокой энергии и электронный контроллер (ЭК) дозатора газа с электромагнитным приводом.
Электронная система зажигания
ЭСЗ является многоканальной, т.е. она ориентирована на обслуживание многоцилиндровых ДВС, причем, изменение количества каналов (или цилиндров) не требует принципиальных изменений в ее схеме. В состав ЭСЗ входят:
- блок питания: пер.220В/пост. 12В;
- датчик моментов искрообразования (ДМИ);
- эмулятор датчика моментов искрообразования (ЭДМИ);
- схема синхронизации каналов (ССК);
- электронный регулятор угла опережения зажигания (УОЗ);
- электронный коммутатор высокой энергии (ЭК);
- катушки зажигания.
Датчик момента искрообразования
Назначением ДМИ является предоставление информации об угловом положении коленчатого вала (КВ) ДВС и о частоте вращения коленчатого вала. Для этого ДМИ, при работе в режиме последовательного интерфейса (который выбран по той причине, что требует минимум соединительных проводов, подключаемых к ДМИ), формирует две последовательности управляющих импульсов:
- импульсы нулевого отсчета (НО), которые определяют положение поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке (ВМТ);
- угловые импульсы (УИ), которые позволяют определить частоту вращения КВ ДВС и положение остальных поршней в ВМТ.
Эмулятор датчика момента искрообразования
ЭДМИ предназначен для выполнения фазировки и отладки ЭСЗ при остановленном ДВС, когда ДМИ не работает. Кроме того, ЭДМИ позволяет производить прогрев свечей зажигания и очистку их электродов (от нагара) перед запуском холодного ДВС.
Угловые импульсы и импульсы нулевого отсчета
Импульсы НО и УИ подаются от ДМИ или ЭДМИ в ССК в качестве опорных для последующего распределения по каналам (цилиндрам).
Импульсы НО и УИ формируются путем логического суммирования определенных дешифрованных импульсов без применения каких-либо дополнительных триггеров, что обеспечивает высокую помехозащищенность устройства.
Схема синхронизации каналов и регулятор УОЗ
ССК предназначена для формирования сигналов управления электронным коммутатором ЭСЗ, который распределяет по цилиндрам ДВС высокочастотные импульсы зажигания высокой энергии, а регулятор УОЗ позволяет во время работы ДВС изменять и точно измерять УОЗ с целью определения его оптимальных значений при различных режимах работы ДВС.
В данной ЭСЗ в качестве регулятора и индикатора УОЗ применяется ранее разработанный микропроцессорный октан-корректор, используемый в составе системы зажигания БЕГ-5-МП. Этот прибор, предназначенный для четырехцилиндрового четырехтактного ДВС, позволяет изменять УОЗ в сторону отставания ступенями по 0,5 град.
угла поворота коленчатого вала (УПКВ) от 0 град. до 20. Принцип его действия предполагает отсчет каждого угла задержки после измерения времени между предшествующими моментами искрообразования.
Данный шестицилиндровый четырехтактный ДВС выполнен с углом развала между группами цилиндров 90 град., что определяет асимметричное искрообразование и, соответственно, разные чередующиеся периоды между моментами искро-образования с соотношением 9/15. При такой асимметрии входных сигналов, заложенный в программу микропроцессора (МП), алгоритм не работает. Такая же проблема не позволяет непосредственно использовать уже готовый и испытанный МП, формирующий длительность «пачки» импульсов искрообразования.
Обе проблемы решаются, если ССК организована в виде двух групп, содержащих три симметричных канала, сдвинутых между собой на угол 90° УПКВ. Каждая из групп проектируется как для трехцилиндровой симметричной схемы.
Регулятор УОЗ непосредственно работает в первой группе (к ней относятся цилиндры 1, 2 и 3), а управляющие импульсы второй группы (к ней относятся цилиндры 3, 4, 5) формируются с угловой задержкой, которую обеспечивает дополнительное оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) в составе ССК. Оно в каждом такте запоминает величину УОЗ в канале первой группы и обеспечивает такую же угловую задержку в следующем канале второй группы.
Что касается силовой части ЭСЗ в отношении формирования длительности «пачек» искр, то возможно использование отдельного коммутатора высокой энергии в каждой из групп. Это позволяет реализовать отработанную и испытанную программу МП и применить, после соответствующей модификации, разработанные ранее и готовые к массовому производству блоки системы зажигания высокой энергии типа «Т-СУПЕР-45». Выбор конкретной схемы силовой части ЭСЗ будет произведен после отбора оптимального типа катушки зажигания и отработки одного силового канала путем модификации системы «Т-СУПЕР-45» применительно к повышенным требованиям в отношении энергии искрообразо-вания, надежности и стоимости, предъявляемым к газовым двигателям. Поэтому ССК спроектирована таким образом, чтобы можно было реализовать с минимальными переделками любой из возможных вариантов силовой части ЭСЗ, а именно:
- шесть независимых, разделенных на две группы по три, силовых каналов на шести блоках типа «Т-СУПЕР-45» (вариант максимальной надежности, т.к. допускает продолжение работы ДВС с
пониженной мощностью не на всех цилиндрах, но и максимальной стоимости);
- один высокочастотный силовой канал на блоке типа «Т-СУІІЕР-45» в сочетании с низкочастотным силовым коммутатором катушек зажигания (вариант может быть самым экономичным, но требует дополнительных исследований и уступает первому по надежности и возможности продления «пачки» искр, т.к. не допускает перекрытия каналов);
- два высокочастотных силовых канала на двух блоках типа «Т-СУПЕР-45» и два низкочастотных силовых коммутатора для двух групп по три катушки зажигания (вариант может оказаться оптимальным как по надежности и стоимости, так и по возможности глубокого перекрытия "пачек" соседних каналов);
- два высокочастотных силовых канала на двух модифицированных блоках типа «Т-СУПЕР-45», каждый из которых поочередно управляет тремя силовыми транзисторами своей группы, что позволяет отказаться от низкочастотных силовых коммутаторов и разгрузить силовые транзисторы на 83,3%, как в первом варианте (наиболее привлекательный вариант как по надежности, так и по стоимости).
Входными сигналами для ССК являются импульсы НО и УИ, которые с помощью переключателя SW1 могут быть поданы либо от ДМИ, либо от ЭДМИ.
Регулятор УОЗ с кнопочным управлением позволяет регулировать УОЗ в сторону увеличения или уменьшения ступенями (при кратковременном нажатии кнопок) или последовательностями ступеней (при продолжительном нажатии кнопок), причем, величина заданного УОЗ не зависит от оборотов ДВС и не изменяется после отключения питания, благодаря применению в октан-корректоре БЕГ-5-МП энергонезависимой памяти.
С помощью светодиода УБ1 можно на остановленном ДВС выставить ДМИ по положению верхней мертвой точки (ВМТ) первого цилиндра, а затем повернуть его вперед на 20 град. УПКВ. После этой операции регулятор обеспечивает корректировку УОЗ в диапазоне от 0 град. до 20 град. УПКВ.
Выбор частоты тактового генератора и числа угловых дискрет ОЗУ
При выборе частоты тактового генератора следует учитывать, что ее занижение увеличивает погрешность работы ОЗУ на высоких оборотах ДВС из-за увеличения продолжительности угловых дискрет, а завышение может вызвать сбои в работе ОЗУ и ошибки при запоминании углов из-за переполнения счетчиков.
Поскольку система БЕГ-5-МП имеет ограничение по минимальным оборотам, максимальное число угловых дискрет (т.е. объем памяти ОЗУ) и максимальная частота генератора определяется минимальными оборотами ДВС, после которых регулятор УОЗ отключается и УОЗ задается только поворотом ДМИ (в нашем случае - 20 град. УПКВ). Минимальная частота вращения КВ ДВС, после которой регулятор УОЗ отключается, равна 615 об/мин. На этих оборотах 20 град. УПКВ соответствуют 5,0 мс. ОЗУ реализовано на двух счетчиках с общим объемом памяти в 256 угловых дискрет. Тактовый генератор за 5,0 мс должен совершить не более 256 колебаний, чтобы не было переполнения счетчика. Следовательно, максимальная частота тактового генератора не должна превышать 50 кГц. При максимальной частоте вращения КВ ДВС 2100 об/мин 20 град. УПКВ соответствуют временному интервалу 1,5 мс, в который укладываются 75 угловых дискрет при частоте генератора 50 кГц. Выбранные объем памяти и частота генератора определяют максимальную погрешность регулятора УОЗ на максимальных оборотах: 20 град./ 75 = 0,27 град. УПКВ ДВС.
Т. о., при частоте генератора, выбранной в пределах от 26 до 50 кГц, погрешность регулятора УОЗ не будет превышать 0,5 град. УПКВ, что вполне приемлемо, если считать допустимой ошибку при установке ДМИ относительно ВМТ первого цилиндра также не более 0,5 град. УП ДМИ, поскольку суммарная ошибка регулирования и измерения УОЗ в ЭСЗ не будет превышать 1,5 град. УПКВ.
Электронный коммутатор высокой энергии
Экспериментальный образец ЭК высокой энергии выполнен по четвертому варианту. В его состав входят:
- два модифицированных электронных коммутатора высокой энергии типа «Т-СУПЕР-45-П»;
- силовой модуль (СМ).
Модификация коммутатора «Т-СУПЕР-45-П» представляет собой устройство новой развязки источника питания повышенного напряжения, позволяющей соединить его вывод -200В с корпусом (общей точкой схемы), минуя источник напряжения 12 В.
Экспериментальный образец ЭК реализует вариант организации искрообразования в шестицилиндровом ДВС с несимметричной раздачей искр в виде двух симметричных трехцилиндровых систем, сдвинутых между собой на 90 град. УПКВ. Каждая из систем (или групп) использует источник повышенного напряжения (200 В постоянного тока) и микропроцессорное управление своего блока «Т-СУПЕР-45-П» (М), а очередность рабо-
ты силовых транзисторов синхронизируется с помощью ССК.
Электронный контроллер дозатора газа с электромагнитным приводом
Экспериментальный образец электронного контроллера (ЭК) дозатора газа предназначен для стендовых исследований различных алгоритмов управления газовым двигателем с различными видами нагрузок с целью обоснования выбора оптимального алгоритма и снятия семейств характеристик. На основании этого будет разработана программа комплексной системы управления газовым двигателем, единый микропроцессор контроллера которой будет управлять как ЭСЗ, так и всережимным регулятором оборотов.
Функциональная схема экспериментального ЭК в части регулятора оборотов приведена на рис. 2.
Исполнение и состав ЭК
Для того, чтобы обеспечить выполнение исследований на стенде в кратчайшие сроки и с минимальными затратами, ЭК выполнен на аналоговых элементах и снабжен доступными и многочисленными средствами расширения функциональных возможностей, переключения, подстройки и регулирования, позволяющими выбирать, корректировать и оптимизировать алгоритмы и характеристики прямо на стенде. При этом точность оптимизации обеспечивается с помощью схемы автоматического поддержания стехиометрического состава топливной смеси по сигналу датчика кислорода.
Входными или управляющими параметрами для ЭК являются сигналы датчиков:
- датчик кислорода (ДК) в выхлопных газах;
- датчик температуры входящего воздуха;
- датчик температуры сжатого газа;
- датчик температуры охлаждающей жидкости;
- датчик расхода воздуха (РВ);
- датчик положения воздушной заслонки (ВЗ);
- датчик частоты вращения КВ ДВС (берется сигнал из ЭСЗ: ССК-7, Ш);
- датчик включения нейтральной передачи (НП);
- датчик давления масла;
- датчик давления газа.
Выходным или управляемым параметром ЭК является скважность открывающего газовую заслонку дозатора сигнала управления на выходе широтно-импульсного модулятора (ШИМ 30).
В состав ЭК входят следующие функциональные узлы:
и
Рис. 2. Функциональная схема экспериментального контроллера системы управления газовым двигателем
Пороговые устройства (ПУ) контроля:
11 - прогрева двигателя; 14 - закрытия ВЗ;
23 - скорости для реализации режима ЭПХХ;
24 - минимальных оборотов; 25 - максимальных оборотов; 26 - максимальной температуры охлаждающей жидкости; 27 - минимального давления масла; 28 - минимального давления газа.
Сумматоры:
17 - сигналов датчиков температуры; 18 - сигнала о нагрузке с коррекцией по температуре; 32 -сигналов аварийных и ЭПХХ.
Преобразователи (Пр.):
12 - частота-напряжение для РВ; 13 - открывания ВЗ путем плавного утапливания педали ВЗ; 15 -частота-напряжение для контроля скорости; 16 -замедления движения автотранспортного средства (АТС);
30 - ШИМ служит для преобразования результирующего сигнала в виде напряжения постоянного тока в скважность импульсов прямоугольной формы, управляющих транзисторным коммутатором 33, к которому подключены обмотки исполнительного механизма, управляющего газовой заслонкой 35.
19 - элемент согласования: обеспечивающий открытие заслонки 35 адекватно реальному расходу воздуха, установленный на выходе ШИМ 30;
20 - пропорционально-интегральный регулятор;
21 - корректор стехиометрического состава топливной смеси (или «экономайзер»); 22 - переключатель режимов «нагрузка / холостой ход»; 29 -форсировка общая до прогрева и на холостом ходу (х.х.).
Экспериментальная стендовая электронная система управления (ЭСЭСУ) газовым ДВС является неотъемлемым звеном в разработке, изготовлении и отладке опытного образца ЭСУ.
ЭСЭСУ - это комплекс специально разработанного диагностического и контрольно-измерительного оборудования, в который заложены следующие конструкторско-технологические возможности. Комплекс позволяет:
1. без остановки двигателя с помощью тумблеров, размещённых на панелях приборов, пошаговым нажатием на клавиши изменять входные параметры ДВС (частоту вращения коленчатого вала, расход газа и воздуха, угол опережения зажигания и др.) и, тем самым, влиять на выходные параметры рабочего процесса силовой установки с
целью выбора наиболее рациональных значений для конкретных режимов работы стенда;
2. снять серию нагрузочных характеристик при различных частотах вращения вала ДВС;
3. преобразовать пьезоэлектрические сигналы в электрические и представить их исследователю в удобном для восприятия виде;
4. ЭСЭСУ может работать на стенде параллельно с опытным образцом ЭСУ и осуществлять корректировку параметров и алгоритма функционирования опытного образца ЭСУ.
Кроме того, опыт эксплуатации ЭСЭСУ служит основой для разработки алгоритма работы ЭСУ.
Разработанная ЭСЭСУ газового ДВС 6Ч 13/14 достаточно хорошо зарекомендовала себя в работе в процессе проведения стендовых испытаний.
Выводы
Предложенная комплексная система управления газовым ДВС 6 Ч 13/14, необходима для проведения ускоренных стендовых исследований, дает возможность сделать следующие выводы:
- апробированная в процессе испытаний экспериментальная ЭСУ газовым ДВС 6 Ч 13/14 является работоспособной;
- отлаженные узлы и устройства экспериментальной ЭСУ можно рекомендовать для разработки опытного образца ЭСУ газовых ДВС, которые используются в качестве привода компрессора либо передвижной электростанции мощностью 60-75 кВт.
Литература
1. Дзагнидзе М. Г. Контроллер электромеханиче-
ского дозатора газа автомобильной газотопливной системы. - Минск, Республика Беларусь, 20.05.2002. http://www.dze.lpg.ru.
2. Долганов К.Є., Лісовал А.А., Краснокутська
З.І., Швидкий В.П.. Газові двигуни «Раба» і «Мелец-дизель» для автобусів // Автошля-ховик України. - 2001. - № 1. - С.15-17.
3. Vinod K. Duggal, Mostafa M. Kamel. Advanced
C8.3 natural gas engine development program. Final report. California Energy Comission, 2002.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 января 2007 г.
