CC BY
24Отечественные системы управления Те дизельными двигателями с топливной
аппаратурой аккумуляторного типа и комплексной антитоксичной системой
■
В.Ф. Каменев, д.т.н., профессор, ведущий эксперт ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», И.О. Пугачёв, аспирант ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»
В статье рассматриваются перспективные направления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию отечественных систем управления дизельными двигателями с комплексной системой снижения вредных выбросов, обеспечивающих выполнение нормативных требований Евро-5 и выше. Обсуждаются методы улучшения электронного контроля системы топливоподачи и комплексной системы нейтрализации вредных выбросов в выпускной системе.
__Ключевые слова:
дизель, электронная система управления, аккумуляторная топливная система, выбросы вредных веществ, комплексная система нейтрализации.
жесточение нормативных требований на выброс вредных веществ тяжёлыми и средне-размерными транспортными средствами и спецтехникой, регламентируемых Правилами ЕЭК ООН № 49 и № 96, потребовало серьёзного усложнения конструкции дизеля и организации системы нейтрализации вредных выбросов с отработавшими газами (ОГ) при сохранении топливной экономичности. Уже сейчас многие разрабатываемые и уже выпускаемые отечественные дизельные двигатели (например, Д-245.7Е4, ЯМЗ-6566, ЯМЗ-536, ЯМЗ-651, КАМАЗ-740.75-420 и др.) оснащаются достаточно сложными и дорогостоящими комплексными антитоксичными системами (КАТС) с микропроцессорным электронным управлением дизеля (ЭСУД), которые предусматривают за счёт воздействия
на рабочий процесс дизеля уменьшение вредных выбросов и их нейтрализацию в специальных устройствах, расположенных в системе выпуска [1, 2]. Анализ конструкции и характеристик отечественных дизелей, выполняющих требования Евро-4 и даже Евро-5, показывает, что в основном они оборудованы зарубежными системами управления с электронными блоками, доступ к схемотехнике и программному обеспечению которых невозможен.
Следует отметить, что в составе систем управления указанных двигателей отсутствует ряд важных перспективных функций, например, оценка жёсткости процесса сгорания, управление турбокомпрессором и рециркуляцией ОГ. Для устранения этих недостатков в стадии отработки находится отечественная комплексная система эффективного
управления устройствами нейтрализации вредных выбросов в выпускной системе двигателя.
На рис. 1 представлен один из вариантов принципиальной схемы КАТС с ЭСУД для отечественного дизеля, который, по нашему мнению, обеспечит выполнение нормативных требований Евро-5 и выше без ухудшения технико-экономических показателей и главное -в сложных климатических и дорожных условиях Российской Федерации. Для реального внедрения в массовое производство такого варианта КАТС потребуется введение более интенсивного турбонаддува с промежуточным охлаждением и следующие системы - электронно-управляемой рециркуляции ОГ, впрыскивания топлива с давлением более 170 МПа, а также отработка комплексной
системы для нейтрализации оксидов азота и дисперсных частиц в системе выпуска (СНОГ) [3, 4]. Оптимальную работу всех указанных выше систем и устройств и должна обеспечивать электронная система управления дизелем.
На рис. 2 представлена функциональная схема такой КАТС, которая необходима для разработки математической модели, алгоритма работы и программы расчета её отдельных элементов [5].
Двигатель ЯМЗ-6566 с комплексной системой снижения вредных выбросов КАТС включает в себя следующие агрегаты: воздушный фильтр (ВФ), турбокомпрессор (ТКР) с теплообменником промежуточного охлаждения наддувочного воздуха (ТОНВ); регулируемую систему рециркуляции отработавших газов высокого давления с теплообменником
Рис. 1. Перспективная комплексная антитоксичная система с электронным управлением для отечественных дизелей типа ЯМЗ-6566
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
Рис. 2. Блок-схема для моделирования и расчёта современной КАТС дизеля
охлаждения рециркулируемых газов (ТОРГ ВД); аккумуляторную систему то-пливоподачи типа «Common Rail», включающую в себя две топливные рампы с форсунками; топливный насос высокого давления (ТНВД); топливный бак и систему нейтрализации отработавших газов СНОГ в системе выпуска, состоящую из окислительного нейтрализатора DOC с форсункой впрыска дополнительного топлива, датчиков температуры ОГ, сажевого фильтра DPF с датчиками перепада давлений, системы рециркуляции отработавших газов низкого давления с теплообменником охлаждения рециркулируемых газов ТОРГ НД, каталитического блока SCR с форсункой впрыска активатора для восстановления оксидов азота, датчиков содержания оксидов азота до и после блока SCR и блока АОС дожигания остаточных соединений аммиака; систему хранения и подачи активатора-восстановителя AdBlue; электронный блок управления ЭБУ (ECU).
Работает представленная на рис. 2 система следующим образом. Атмосферный воздух, пройдя очистку
в воздушном фильтре, поступает в компрессор ТКР, где его давление повышается на 10.. .120 % в зависимости от режима работы двигателя. Повышенное давление свежего заряда позволяет улучшить наполнение цилиндров, а также процессы смесеобразования и сгорания смеси. Однако вместе с давлением повышается и температура наддувочного воздуха, что может значительно нивелировать положительный эффект наддува. Для устранения этого эффекта используется теплообменник промежуточного охлаждения наддувочного воздуха, где температура впускного заряда принудительно снижается на 20.70° в зависимости от режима работы двигателя. Пройдя теплообменник охлаждения, свежий воздушный заряд поступает в цилиндры двигателя. Непосредственно в цилиндры топливной аппаратурой впрыскивается топливо под высоким давлением (170 МПа), происходит смесеобразование впрыснутого топлива со свежим зарядом воздуха и сгорание полученной смеси с совершением полезной работы на коленчатом валу двигателя. Для подавления образования оксидов азота
в цилиндрах двигателя в процессе рабочего цикла используются система рециркуляции отработавших газов с контурами высокого и низкого давления и промежуточным охлаждением ре-циркулируемых газов.
Продукты сгорания топлива вытесняются поршнем в выпускную систему, где они совершают дополнительную работу на лопатках турбины ТКР. Благодаря этому происходит полезное использование остаточной энергии отработавших газов, что повышает КПД двигателя.
Затем в выпускной системе отработавшие газы подвергаются последовательной очистке от нормируемых вредных компонентов. В окислительном нейтрализаторе DOC происходит окисление продуктов неполного сгорания топлива: оксида углерода CO и несгоревших углеводородов CH, а также доокисление оксида азота NO до диоксида NO2. После этого в сажевом фильтре DPF происходит абсорбирование дисперсных углеродных частиц, содержащихся в отработавших газах, и их постепенное накопление в керамической подложке блока.
Степень заполнения сажевого фильтра характеризуется перепадом давлений на входе и выходе из сажевого фильтра, что определяется соответствующим датчиком. После определенного заполнения фильтра проводится его регенерация, представляющая собой выжигание накопленных углеродных частиц. Она выполняется следующим образом: при достижении перепада давления определённой критической величины ЭБУ подает сигнал на форсунку, установленную перед окислительным нейтрализатором DOC, которая, в свою очередь, проводит впрыскивание необходимой дозы топлива. За счёт его экзотермического окисления в рабочих полостях DOC-нейтрализатора температура ОГ повышается до 600...800 °С, что обеспечивает выгорание частиц, накопленных в сажевом фильтре. После сажевого фильтра в системе выпуска установлен блок селек-
тивного каталитического восстановления SCR, предназначенный для нейтрализации оксидов азота. Для работы блока SCR требуется специальная азотосодержащая присадка на основе водного раствора мочевины, которая из дополнительного бака AdBlue подаётся и впрыскивается в выпускную систему перед нейтрализатором SCR. Под воздействием высокой температуры отработавших газов на участке термолиза происходит распыливание, испарение и гомогенное распределение паров раствора мочевины по сечению впускного тракта SCR-нейтрализатора и первый этап её разложения на аммиак и изоциановую кислоту
CO(NH2)2 ^ NH3 + HNCO.
На гидролизном участке проводится разложение изоциановой кислоты на углекислоту и аммиак
HNCO ^ NH3 + СО2 .
Изоциановая кислота и особенно аммиак являются активными элементами процесса, происходящего непосредственно в каталитическом нейтрализаторе SCR, в котором содержащиеся в отработавших газах оксиды азота восстанавливаются до двухатомного азота и водяного пара
NO + NO2 + 2NH3 ^ 2N2 + 3H2O.
Несмотря на точную дозировку впрыскивания присадки часть аммиака может не участвовать в реакции и попасть вместе с отработавшими газами в окружающую среду. Чтобы не допустить такой утечки, после основного каталитического нейтрализатора восстановления оксидов азота устанавливается дополнительный нейтрализатор окисления аммиака АОС. Для согласования работы всех систем используется ЭБУ, считывающий сигналы от датчиков и выдающий управляющие сигналы. В нём заложено
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА) ijpil
Рис. 3. Структурная схема связей электронного блока управления с внешними информационными датчиками и исполнительными элементами КАТС дизеля. Входные сигналы: 1 - датчик синхронизации распределительного вала; 2 - датчик давления и температуры в контуре низкого давления топлива; 3 - датчик давления в контуре высокого давления; 6 - датчик синхронизации коленчатого вала; 7 - датчик давления и температуры во впускном коллекторе; 8 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 9 - датчик давления масла; выходные сигналы: 4 - управляющий сигнал на регулятор топлива; 5 - управляющий сигнал на форсунки
программное обеспечение, разработанное на основе математического моделирования рабочего цикла двигателя, термодинамических и термохимических процессов в антитоксичных системах и устройствах, расположенных в выпускной системе [6]. В частности, на основе математического моделирования проводится оптимальное дозирование подачи дополнительного топлива перед DOC-нейтрализатором и раствора мочевины на вход в 8СЯ-нейтрализатор.
Рассмотрим концепцию современной ЭСУД на примере создания для дизеля ЯМЗ-6566 электронной системы управления с разрабатываемой в ФГУП НАМИ СНОГ. Главным элементом
системы является электронный блок управления топливоподачей дизеля. Основные входные и выходные связи этого электронного блока с исполнительными элементами представлены на рис. 3.
Сигналы поступают в ЭБУ который перерабатывает полученную информацию и управляет исполнительными механизмами системы топливо- и воздухоподачи в двигатель, элементами систем охлаждения, турбонаддува, рециркуляции и нейтрализации отработавших газов.
Микропроцессорные системы управления впрыском топлива являются неотъемлемой частью перспективного дизеля. Задача системы впрыска для
современных дизелей состоит в том, чтобы подавать топливо под высоким давлением в нужном количестве, в указанном диапазоне и по определённому закону. Принципиально система впрыска должна обеспечивать качественное смесеобразование, необходимое для эффективного процесса сгорания. Регулирование нагрузки и частоты вращения коленчатого вала дизеля производится изменением величины цикловой подачи.
Реализация концепции электронного регулирования позволяет осуществлять различные дополнительные возможности:
• регулирование плавности хода и скорости движения автомобиля;
• регулирование давления наддува;
• регулирование оптимальной подачи присадок-активаторов на вход в DOC-нейтрализатор и фильтр DPF (фильтр дисперсных углеводородных частиц) для обеспечения их эффективной работы и условий регенерации;
• подачу раствора мочевины в блок SCR восстановления оксидов азота.
Современные системы цифровой обработки данных позволяют значительно расширить возможности управления агрегатами автомобиля. Многие параметры могут контролироваться одновременно, что позволяет агрегатам работать оптимально. Улучшение характеристик двигателей становится возможным за счёт обеспечения их работы на предельных значениях параметров рабочего процесса в широком диапазоне частот вращения вала двигателя и сохранения этих параметров в процессе длительной эксплуатации. Следует также иметь в виду и тот эффект, который может быть получен за счёт автоматической коррекции алгоритма управления в зависимости от ряда возмущающих факторов, таких, как тепловое состояние двигателя, атмосферные условия, качество топлива и другие. Этот эффект в традиционных
системах управления практически до сих пор не удавалось реализовать.
Основной элемент ЭСУД автомобильного двигателя - микропроцессорный блок управления, который является центром управления работой дизеля. Выполнение программы управления принимает на себя микроконтроллер, который управляет всей электронной системой дизеля в соответствии с заданным программным обеспечением. С помощью входных сигналов он управляет выходными каскадами блока управления, генерирующими выходные сигналы для управления исполнительными механизмами.
Коммутационные сигналы служат для включения и выключения исполнительных механизмов (например, форсунки для подачи присадки-активатора AdBlue для восстановления оксидов азота в блоке SCR-нейт-рализатора системы выпуска дизеля).
Цифровые выходные сигналы могут генерироваться как сигналы широтно-импульсной модуляции. Они используются для управления временем-сечением электромагнитной форсунки, которая обеспечивает дозирование подачи присадки-активатора AdBlue в систему выпуска на вход блока SCR-нейтрализатора для восстановления оксидов азота в зависимости от режима работы дизеля.
Периферийные системы, поддерживающие работу микроконтроллера, имеют возможность обмена с ним сигналами, что происходит через адресную шину и шину данных.
В системе Common Rail постоянное высокое давление топлива поддерживается непрерывно работающим ТНВД. Контур регулирования давления топлива в аккумуляторе состоит из датчиков давления, электронного блока управления работой дизеля, электромагнитного клапана регулирования давления топлива в аккумуляторе (см. рис. 3). Все это определяет величину давления впрыскивания.
НП «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА) ijpil
"^еоци»^
Электромагнитные управляющие клапаны электромагнитных форсунок определяют момент начала и продолжительность впрыскивания топлива соответственно различным режимам работы дизеля. Давление впрыскивания, таким образом, не зависит от момента начала и продолжительности впрыскивания. Это делает возможным осуществление других дополнительных процессов впрыскивания наряду с основным впрыскиванием, от которого зависит крутящий момент дизеля [2].
Действительная величина подачи топлива обусловлена давлением и продолжительностью впрыскивания. Система обеспечивает требуемые дополнительные впрыскивания с очень маленькими величинами подачи топлива.
В заключение следует отметить, что современный дизель необходимо рассматривать как нестационарный многомерный стохастический объект, требующий особых подходов в управлении. Один из таких подходов - это использование операционной системы реального времени (ОСРВ). Под ОСРВ понимается система, которая позволяет, оставаясь в заданных временных рамках, принимать и обрабатывать сигналы, выполнять без задержек основной алгоритм программы. Другими словами, ОСРВ - это система с чётко настроенными временными параметрами и приоритетами выполняемых задач. ОСРВ работает под управлением диспетчера операционной системы.
_ Литература
1. Каменев В.Ф. Перспективы улучшения токсических показателей дизельных двигателей автотранспортных средств массой более 3,5 т / А.А. Демидов, П.А. Щеглов // Труды НАМИ: сб. науч. ст. - М.: НАМИ, 2014. - Вып. № 256. - С. 5-24.
2. Тер-Мкртичьян Г.Г., Мазинг М.В., Ветошников А.Г. Обеспечение малотоксичного рабочего процесса форсированных перспективных дизельных двигателей // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5. - иИЬ: ^№ж$аепсе-education.ru/111-10237.
3. Тер-Мкртичьян Г.Г., Мазинг М.В. Современное состояние и перспективы развития топливной аппаратуры автотракторных дизелей // Двигателестроение. -2014. - № 1. - С. 30-35.
4. Тер-Мкртичьян Г.Г. Комбинированные аккумуляторные системы с мультипликаторами давления - новый этап развития топливной аппаратуры дизелей грузовых автомобилей / Г.Г. Тер-Мкртичьян, А.А. Демидов, Е.Е. Старков // Труды НАМИ: сб. науч. ст. - М.: НАМИ, 2013. - Вып. № 255. - С. 86-110.
5. Каменев В.Ф. Улучшение энергетических и экологических характеристик дизеля с комплексной системой снижения вредных выбросов путём использования активирующей присадки водородосодержащего компонента / П.А. Щеглов // Труды НАМИ: сб. науч. ст. - М.: НАМИ, 2014. - Вып. № 259. - С. 72-78.
6. Каменев В.Ф. Принципы построения математической модели современного малотоксичного дизеля для транспортных средств и сельхозмашин / П.А. Щеглов // Тракторы и сельхозмашины. - 2016. - № 1. - С. 3-8.
