CC BY
35IT-технологии
кч,,./
Калибровка электронной системы управления двигателем с искровым зажиганием, работающим на газовом топливе
В.А. Шишков,
начальник технического отдела ООО «Рекар»,
доцент Самарского Государственного Аэрокосмического Университета им. С.П. Королева, к.т.н.
Рассмотрены адаптация и калибровка четырех вариантов электронной системы управления ДВС с искровым зажиганием, работающим на газовом топливе. На основании исследований, проведенных автором, даны рекомендации по адаптации и калибровке электронной системы управления как двухтопливного, так и однотопливного газового ДВС на различных режимах его работы.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), калибровка, впрыск газового топлива, искровое зажигание, алгоритм, электронная система управления.
Calibration of an electronic control system of the engine with spark ignition, working on gas fuel
V.A. Shishkov
The adaptation and calibration of four variants of an electronic control system the engine of internal combustion with spark ignition working on gas fuel is considered. The recommendations for adaptation and calibration of an electronic control system both two-fuel, and one-fuel gas the engine of internal combustion on various modes of his work are given.
Keywords: the engine of internal combustion, calibration, direct injection of gas fuel, spark ignition, algorithm, electronic control system.
Одним из технологических процессов при монтаже газобаллонного оборудования (ГБО) на автомобиле в условиях автосервиса или при разработке и доводке ДВС с искровым зажиганием, работающего на газовом топливе, в заводских условиях является калибровка электронной системы управления двигателем (ЭСУД). Калибровка производится для достижения соответствующих законодательных норм по
токсичности отработавших газов, испарениям углеводородов, а также для получения соответствующих ездовых качеств автомобиля при установленных заводом-изготовителем условиях эксплуатации. Калибровка занимает определенное время и требует специальную измерительную и управляющую аппаратуру, которая может существенно отличаться в зависимости от типа электронной системы управления ДВС с газовой
топливной системой. Это отличие обуславливает различные материальные затраты как у установщика ГБО, так и у производителя автомобиля. Кроме того, данный процесс сложен и требует наличия у исполнителей определенного образования и навыков, которые также зависят от типа системы управления для газовой подачи.
В основном применяются четыре типа электронной системы управления ГБО и алгоритма управления двигателем:
■ газовая система с электронным управлением, отдельным контроллером и получением управляющих сигналов от бензинового контроллера;
■ автономная системаэлектрон-ного управления двигателем для од-нотопливных газовых автомобилей;
■ независимые бензиновая и газовая системы подачи и электронного управления двигателем с одним контроллером, в котором реализованы два независимых алгоритма управления с возможностью подачи только одного вида топлива;
■ зависимые бензиновая и газовая системы подачи и электронного управления двигателем с одним контроллером, в котором реализованы два взаимозависимых алгоритма управления с возможность одновременной подачи двух видов топлива.
Газовая система с электронным управлением, отдельным контроллером
и получением управляющих сигналов от бензинового контроллера
Наиболее проста электронная система управления ДВС первого типа с газовой системой топливопо-дачи, которая применяется для переоборудования автомобилей в условиях автосервиса. В этих системах измеряется ширина импульса впрыска на бензиновой форсунке Гбенз и пе-ресчитывается в ширину импульса
т
IT-технологии
trаз газовой форсунки. Система управления в этом случае калибруется дважды: первый раз - производителем газовой аппаратуры, второй - в автосервисе при ее настройке к конкретной модели и марке двигателя и автомобиля. У производителя определяются коэффициенты К пересчета расходов при переходе с бензиновых форсунок на газовые с учетом изменения следующих параметров: 5 - типа газового топлива (природный газ, метан, пропан-бутан, светильный газ и т.д.); Др - перепада давления на газовых форсунках; р - давления газа перед форсунками; Т - температуры газа перед форсунками. При докри-тическом перепаде давления газа на клапане форсунки от этих параметров зависит плотность р газа и скорость \\ его истечения. Для сверхкритического перепада давления от этих параметров зависят плотность газа и скорость звука азв в газе. В зависимости от этих двух вариантов расход газа через форсунку вычисляется по различным формулам [1].
Продолжительность впрыска газовой форсункой с учетом параметров газового топлива и ее временных характеристик (продолжительности открытия клапана tо, открытого состояния клапана tос и закрытия клапана t) составляет:
з
t = t +1 + t = К и .
газ о ос з 1 бенз
Для докритического истечения газа К1 = ¡(\\, р) = Др, р, Т).
Для сверхкритического истечения газа К1 = р) = ¡(5, Др, р, Т).
Коэффициент К1 можно определить расчетным или экспериментальным путями. Для расчета необходимы параметры газового топлива, расходные и временные характеристики как бензиновой, так и газовой форсунок. Для экспериментального определения К1 требуются два стенда по определению расходных характеристик бензиновой и газовой форсунок. В этом случае учитывается влияние изменения температуры, давления газового топлива (рис. 1) и
■о мс
t0, 5,5 5 4,5 4 3,5
200
250
300
350
400 Др, кПа
-R = 7,7 Ом
-R = 11 Ом
Рис. 1. Влияние перепада давления Ар и сопротивления катушки Я на продолжительность открытия газовой форсунки ?
напряжения питания (рис. 2) катушки управления на расходную характеристику форсунки. Это влияние обычно учитывается в алгоритме управления двигателем в виде аддитивной или мультипликативной составляющей ширины импульса электромагнитной газовой форсунки, зависящей от названных параметров.
Калибровка или настройка в автосервисе после монтажа газобаллонного оборудования заключается в подборе корректирующих коэффициентов К2 для пересчета ширины импульса впрыска газовой форсунки к конкретному типу двигателя и автомобилю с учетом частоты п вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель. Под нагрузкой понимается расход Овозд воздуха через ДВС: К2 = Ц.п, бвозд). Тогда продолжительность впрыска газового топлива для конкретного двигателя и автомобиля
будет следующая: ^ = К1 К2 ^енз.
При калибровке ЭСУД с ГБО необходимо соблюсти условие равенства коэффициента обучения системы
управления топливоподачеи и зажиганием при работе на бензине и газовом топливе на всех режимах работы двигателя. Если коэффициент обучения при работе на бензине и газовом топливе будет различен, то это приведет к нарушению соотношения воздух-топливо при переключении с одного вида топлива на другое. Это, в свою очередь, ухудшит ездовые качества после переключения и может привести к загоранию лампы Check Engine по показаниям управляющего датчика кислорода. В процессе движения автомобиля на одном виде топлива коэффициент обучения изменяется в соответствии с выбранным законом адаптации, но при последующем переключении на другоИ вид топлива, если его требуемое значение будет отличаться от полученного, снова повторится ошибка двигателя, заключающаяся в несоответствии состава топливовоз-душнои смеси.
Для данных систем не рекомендуется отключать бензонасос при переключении на газовое топливо.
а,
л/с
2 1,5 1
0,5 0
—■ —■
10
12
14
16
18
-U =13,5 В
- U = 12,5 В
-U =11,5 В
20 f,MC
Рис. 2. Влияние напряжения питания и на объемный расход воздуха О через газовую форсунку
Некоторые системы управления ДВС имеют в своей комплектации датчик давления бензина в топливной рампе. Падение давления бензина в рампе приведет к увеличению коррекции топливоподачи в сторону обогащения и вызовет ошибку работы двигателя и при работе на газе.
В системе управления данного типа калибровка ЭСУД упрощена. Основная ее часть как по времени, так и по материальным затратам для соблюдения законодательных норм и ездовых качеств выполнена на бензине. Пуск и прогрев ДВС при этом производится на бензине с последующим переключением на газовое топливо в зависимости от температуры двигателя. Достаточные мощность и крутящий момент могут быть обеспечены кратковременным автоматическим переключением с газового топлива на бензин в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на ДВС. Соответственно автомобиль после упрощенной калибровки на газовом топливе будет выполнять аналогичные требования, с поправкой на потери мощности и крутящего момента для двухтопливного автомобиля без изменения степени сжатия топливо-воздушной смеси в цилиндрах ДВС, при переходе с одного топлива на другое. Токсичность отработавших газов будет соответствовать заявленным данным завода-изготовителя. Продолжительность калибровки данной электронной системы управления двигателем при работе на газе в условиях автосервиса обычно не превышает 1 ч на один переоборудованный автомобиль.
Автономная система электронного управления двигателем для однотопливных газовых
автомобилей Калибровка электронной системы управления ДВС второго типа с газовой системой для однотопливного
автомобиля более сложна в сравнении с калибровкой ЭСУД первого типа. Она включает калибровку производителем газовой аппаратуры и производителем автомобиля при адаптации ГБО к конкретной модели двигателя и автомобиля. В этом случае калибровка газовых форсунок их производителем аналогична описанной для систем первого типа. Эти данные передаются производителю двигателя и автомобиля, которые владеют основным алгоритмом ЭСУД. Разработчик и производитель автомобиля выполняют полный объем калибровочных работ на газовом топливе и на бензине, которые продолжаются от 1 до 3 лет. Для выполнения этих работ требуется сложное и дорогостоящее калибровочное оборудование. Материальные затраты в этом случае во много раз превышают калибровку ЭСУД с системой управления газовой аппаратурой первого типа.
Калибровка электронной системы управления ДВС производителем может быть выполнена двумя способами: непосредственно на двигателе и автомобиле путем заполнения корректирующих таблиц в ручном режиме; автоматически при испытаниях с помощью алгоритма нейронных сетей. В последнем случае требуются более дорогое оборудование, компьютеры с высокой несущей частотой и разработка алгоритмов проведения данных испытаний.
При адаптации ГБО к конкретному автомобилю и двигателю перед калибровкой ЭСУД необходимо определить требования: по токсичности отработавших газов, испарениям углеводородов, шуму, диагностике, ездовым качествам автомобиля и др. При этом необходимо выполнить следующие работы.
1. Подготовить материальную часть для проведения калибровки ЭСУД с ГБО: разработать состав системы и компонентов ЭСУД; выбрать функции и тип применяемого контроллера ЭСУД; определить объем
испытаний и подготовить необходимое количество техники (6-12 автомобилей, 2-4 двигателя, 2-4 комплекта калибровочных средств, определить номенклатуру и число изделий ЭСУД ГБО для автономных испытаний и выдачи одобрений для серийного производства).
2. Разработать и выполнить доводку алгоритмов управления и программного обеспечения в такой последовательности: разработать исходные алгоритмы для управления ДВС с ГБО; на основе последних разработать программное обеспечение (ПО) для контроллера ЭСУД; отработать функционирование алгоритмов на стенде, двигателе, автомобиле; продолжить развитие алгоритмов и ПО в процессе калибровочных работ (объемы работ зависят от имеющейся базы алгоритма ПО и требуемых изменений).
3. Отработать технологию опрессовки топливных газовых магистралей для обеспечения безопасной работы с двигателем и автомобилем.
3.1. Выполнить опрессовку линии высокого давления (заправочный узел - баллон с запорными элементами и заглушкой на противоположной стороне - магистральный клапан - редуктор). Для опрессовки участка между магистральным клапаном и редуктором необходимо подать электропитание на катушку магистрального клапана включением зажигания без прокрутки вала двигателя (при этом клапан открывается на 3...5 с) или автономной подачей напряжения от аккумуляторной батареи на этот же период времени. После этого обмылить соответствующие соединения трубопроводов.
Опрессовку линии высокого давления для природного газа (метана) выполнить ступенчато с обмылива-нием всех соединений при 1 МПа и далее повторить при 5; 10; 15; 20 и 25 МПа. Максимальный уровень давления для опрессовки определяется
Ой
1Т-технологии
по рабочему давлению газового топлива в конкретной части топливной системы.
3.2. Выполнить опрессовку магистралей низкого давления путем об-мыливания соединений от редуктора до рампы с газовыми форсунками.
3.3. Если для опрессовки газовой системы использовался воздух, необходимо заместить его нейтральным газом (азотом) перед первой заправкой топливным газом.
Приведем основной перечень работ по калибровке ЭСУД, а также перечень необходимого калибровочного оборудования:
4. Калибровка ЭСУД ГБО на моторном стенде.
4.1. Выполнить калибровку прогрева ДВС с замером температур в катколлекторе и токсичности до него на прогреве. Выбрать закон изменения состава смеси на прогреве. Например, для природного газа в начале прогрева состав смеси а = 1,05...1,2 с последующим его снижением до а = 0,985 по температуре ДВС. При этом получаем высокие температуры отработавших газов для быстрого прогрева катколлекто-ра, но в данном случае необходимо контролировать суммарный выброс NOx за весь прогрев, чтобы в последующих испытаниях соблюсти нормы токсичности Евро-4.
4.2. Выполнить калибровку холостого хода и стационарных режимов при составе смеси а = 0,985 (минимум выбросов токсичных компонентов в отработавших газах при работе на природном газе).
4.3. Выполнить калибровку составов смеси и углов опережения зажигания [2] на стационарных режимах для получения максимальных крутящего момента и мощности ДВС. Определить зоны Л-регулирования (базовые). Увеличение угла опережения зажигания составляет примерно на 1.5° по углу положения коленчатого вала в зависимости от типа газового
топлива, режима работы и температуры ДВС.
4.4. Выполнить калибровку разгона и торможения коленчатого вала двигателя, то есть определить коэффициенты газовой подачи при динамическом изменении расхода воздуха.
4.5. Выполнить калибровку переходной компенсации (динамическая базовая коррекция).
4.6. Для получения максимальных мощности и крутящего момента при работе на природном газе необходимо границу детонации отодвинуть на 10.20°. Например, при работе на природном газе (метане) для существующих двигателей с искровым зажиганием при степени сжатия 10,5 граница детонации практически не достигается.
4.7. Выполнить калибровку токсичности на стационарных режимах работы двигателя с выключенной обратной связью.
4.8. Выполнить калибровку расходной характеристики клапана продувки адсорбера при работе на газовом топлива только для однотопливного автомобиля, имеющего резервный бак с бензином не более 14 л.
4.9. Выполнить калибровку расходной характеристики клапана рециркуляции отработавших газов (при его наличии в комплектации ЭСУД ГБО) для снижения NOx в отработавших газах.
5. Калибровка ЭСУД для ГБО на автомобиле.
5.1. В алгоритме управления двигателем необходимо выключить все функции топливной пленки (ее наличие, количество топлива в ней и ее динамическое изменение в процессе пуска и прогрева двигателя и при его
работе на стационарных и переходных режимах при различных температурах двигателя и окружающей среды). При работе на газовом топливе отсутствует жидкая топливная пленка во внутренних каналах впускного трубопровода и в цилиндре двигателя.
5.2. Выполнить калибровку ускорений с учетом того, что смесь воздуха с природным газом (метан) горит при объемном содержании последнего от 5 до 15 % (объемная стехиометрия Iу = 9,53, массовая стехиометрия 1т = 16,1 6,4). Поэтому чрезмерное обогащение или обеднение может привести к пропуску воспламенения и соответственно к неустойчивой работе ДВС с высокими выбросами токсичных компонентов в отработавших газах. По опыту работ (природный газ) не стоит выходить за пределы состава смеси а = 0,9^1,1 (по грубым расчетам состав смеси с объемной долей метана от 5 до 15 % в воздухе соответствует по массовому составу смеси а = 0,635^-1,9). Пределы горения КПГ в воздухе приведены в таблице. Для оценки плотность метана принята 0,65 кг/м3, воздуха 1 кг/м3.
5.3. Выполнить проверку уровня и калибровку по ограничению температур в катколлекторе на всех режимах работы ДВС на газовом топливе.
5.4. Выполнить калибровку всех остальных функций управления двигателем при работе на газовом топливе по стандартной технологии калибровки ЭСУД. К ним относятся: холодные пуски; прогрев; движение с непрогретым двигателем; переходные режимы, динамика; Л-регулиро-вание; адаптация нагрева датчика
Смесь м3 возд/м3 КПГ кг возд/кг КПГ а
Бедная 5 30,769 1,9
Стехиометрическая 9,53 16,14 1
Богатая 15 10,256 0,635
кислорода; холостой ход; токсичность отработавших газов при нормальных температурах окружающего воздуха (для различных граничных составов газового топлива); токсичность отработавших газов при -7 °С; расход топлива; ездовые качества; система зажигания для получения максимальной энергии искрообразования; управление продувкой адсорбера (при наличии резервного бензобака 14 л); управление клапаном рециркуляции отработавших газов, при его наличии; резервные режимы эксплуатации (при неисправностях датчиков ЭСУД и датчиков ГБО); проверка калибровок на соответствие предельным допускам изделий (электромагнитные газовые форсунки, датчики массового расхода воздуха, температуры и давления газа перед форсунками, температуры двигателя и т.д.) ЭСУД; развитие алгоритмов управления [3] и ПО.
6. При низких температурах окружающего воздуха (северные испытания) выполнить калибровку соответствующих функций алгоритма управления ДВС. Холодные пуски, холостой ход непрог-ретого двигателя, отработка ездовых качеств с непрогретым двигателем выполняются только для природного газа. Также выполняются движение на резервных режимах (при отключении датчиков - массового расхода воздуха, положения дроссельной заслонки, температуры двигателя, кислорода, при пропусках воспламенения в одном из цилиндров с его последующим отключением и т.д.), диагностика ЭСУД и элементов ГБО, развитие алгоритмов управления и диагностики с соответствующей доработкой ПО.
7. При высоких температурах окружающего воздуха (южные и горные испытания) выполнить калибровку функций, к которым относятся следующие: пуск перегретого двигателя на газовых топливах; холостой ход перегретого двигателя; ездовые качества; система гашения
детонации для газовых топлив на основе пропан-бутана; температурная защита нейтрализатора на мощ-ностных режимах работы; продувка адсорбера при работе на газовом топливе с учетом в топливоподаче паров бензина из адсорбера при его наличии; термометрирование компонентов и агрегатов двигателя и газовой топливной системы; калибровка барокоррекции на режимах подъема и спуска в горах при работе на газовом топливе, в первом приближении можно принять коэффициенты барокоррекции из калибровок ЭСУД на бензине; пуски в условиях высокогорья с учетом коэффициента барокоррекции; резервные режимы эксплуатации в условиях высокогорья и высоких температур окружающего воздуха; развитие алгоритмов управления и диагностики с соответствующей доработкой ПО.
8. Выполнить калибровку диагностических функций ЭСУД, к которым относятся следующие: диагностика электрических цепей газовой системы подачи; диагностика функционирования датчиков газовой системы подачи и исполнительных устройств (газовые форсунки [4], исполнительные элементы электронно-управляемого редуктора, магистральный клапан, клапан баллона); диагностика пропусков воспламенения или вялого неполного сгорания (Евро-3 и выше); диагностика работы нейтрализатора (Евро-3 и выше); развитие алгоритмов диагностики и соответствующая доработка ПО. Совместно с калибровкой этих функций необходимо провести разработку и доводку оборудования с определением диагностических кодов и картриджа для диагностического прибора.
9. Провести испытания на электромагнитную совместимость, испарения, вибрацию и шум, которые включают следующие определения: уровня радиопомех, излучаемых автомобилем, в том
числе газовых клапанов, электромагнитных форсунок, газового контроллера; стойкости автомобильных систем к внешним излучениям, в том числе и газового контроллера; испарения углеводородов в камере ШЕД (в настоящее время в соответствии с законодательством это испытание проводится для двухтопливного автомобиля только для бензина, а для однотопливных газовых не проводится); уровня вибрации на ГБО и изделиях ЭСУД; внешнего шума автомобиля с учетом работы газовых клапанов и газовых электромагнитных форсунок; внутреннего шума автомобиля.
Для выполнения всего объема работ по калибровке системы ЭСУД с ГБО второго типа требуется следующее оборудование:
■ персональный компьютер;
■ интерфейс для связи компьютера с инженерным контроллером двигателя;
■ инженерный контроллер управления двигателем;
■ ПО для выполнения калибровочных работ на инженерном контроллере;
■ имитатор ДВС;
■ широкополосный измеритель содержания кислорода в отработавших газах;
■ состаренный катколлектор или нейтрализатор;
■ набор измерительных датчиков с аппаратурой для записи параметров в персональный компьютер;
■ имитатор пропусков воспламенения;
■ набор компонентов ЭСУД и ГБО с предельными по полям допусков отклонениями рабочих параметров или наличием возможности изменения отклонений рабочих параметров в пределах полей допусков в алгоритме управления при калибровке;
■ установка для заполнения газовой топливной системы нейтральным газом перед первой заправкой;
т
IT-технологии
Рис. 3. Блок-схема калибровки ЭСУД с помощью поиска экстремумов функций
■ установка высокого давления для опрессовки газовых магистралей двигателя и автомобиля;
■ моторный бокс с соответствующим тормозным устройством, оснащенный системами измерения и управления двигателем;
■ лаборатория токсичности для определения соответствия нормам Евро-4 и выше;
■ камера ШЕД для определения испарений топлива из автомобиля;
■ холодильная камера (до -30 °С) с оборудованием для замера токсичности отработавших газов при -7 °С;
■ климатическая камера до +45 °С;
■ барокамера с имитацией высоты до 4 тыс. м над уровнем моря;
■ шумовая камера;
■ автополигон для калибровки ездовых качеств автомобиля.
Как видно из перечисленного, необходимы значительные затраты на это оборудование. На рис. 3 представлена блок-схема калибровки электронной системы управления двигателем с ГБО. Если отсутствует управляющий персональный компьютер, то такую схему можно назвать прямой.
Технология калибровки по прямой схеме заключается в изменении калибровочного коэффициента с помощью вводной клавиатуры для получения на конкретном режиме работы двигателя соответствующего оптимального параметра. При этом изменение самого параметра можно фиксировать с помощью датчиков,
установленных на двигателе, через персональный компьютер или с помощью измерительной аппаратуры, установленной в моторном боксе (холодильная или климатическая камеры). Этот технологический процесс требует у исполнителя соответствующих знаний как системы управления ДВС, так и алгоритма его управления.
В настоящее время начинает использоваться новый метод калибровки ЭСУД - метод нейронных сетей. В этом случае применяются различные математические методы поиска экстремумов функции, зависящей от большого числа параметров. Для решения данной задачи применяется дополнительный управляющий персональный компьютер (см. рис. 3), который осуществляет изменения калибровочного коэффициента по математическому алгоритму поиска экстремума функции N - мощность, Ме - крутящий момент, ge - удельный расход топлива, 02, СО, СН, NOx - содержание этих колмпонентов в отработавших газах), которая используется как функция обратной связи от ДВС. Этот метод наиболее целесообразно применять для калибровки базовых функций ЭСУД и характеристик ДВС.
Использование данного метода для калибровки функций движения автомобиля, противотолчковой функции, функции отсечения подачи топлива при торможении и т.д. остается открытым. Перспектива метода в том, что сокращается время и соответственно затраты на адаптацию
ГБО с ЭСУД на новые модели автомобилей в условиях завода-изготовителя. Это сокращение может составить от 2 до 5 раз, то есть, например, вместо 3 лет потребуется 8-12 мес. на все доводочные работы и сертификацию нового проекта автомобиля с ГБО.
Кроме этого, уменьшается субъективное влияние конкретного инженера-калибровщика на основные параметры двигателя и автомобиля. Полное исключение человеческого фактора из данного технологического процесса пока не представляется возможным, так как алгоритм управления ДВС и программное обеспечение - это плод творчества коллектива конкретных инженеров.
Окончание в следующем номере.
The last part of the article to be published in the next issue.
Литература
1. Шишков В.А. Особенности разработки алгоритма управления двигателем внутреннего сгорания для работы на газообразном топливе: материалы конференции / Дмитров: НИЦИАМТ, 2004-2005. Вып. № 11. - С. 175-180.
2. Шишков В.А. Определение величины увеличения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газ в зависимости от скорости горения топливной смеси // Транспорт на альтернативном топливе. - 2008. - № 3. - С. 20-23.
3. Шишков В.А. Алгоритм адаптации электронной системы управления ДВС к различным химическим составам газового топлива // Транспорт на альтернативном топливе. - 2008.
- № 1. - С. 30-35.
4. Шишков В.А. Алгоритм управления и диагностика состояния электромагнитных газовых форсунок ДВС с искровым зажиганием // АГЗК+АТ.
- 2006. - № 6. - С. 46-48.
