CC BY
403
Possible ways to increase profits auto service enterprises, as well as ways of improving production-technical infrastructure such organizations. The basis of the methodology for assessing the effectiveness of production-technical infrastructure of auto service enterprisesis algorithm evaluation of specific indicators of economic performance.
Key words: enterprises auto service, production-technical infrastructure, areas of improvement, indicators, efficiency.
Shaburov Viktor Nikolaevich, сandidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kurgan, Kurgan State University,
Ababkova Anastasia Aleksandrovna, student, akiral59l a mail.ru, Russia, Kurgan, Kurgan State University
УДК 621.43
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
И.Е. Агуреев, М.В. Малиованов, А.Е. Радько, Р.Н. Хмелев
Разработаны математические модели системы управления карбюраторным и инжекторным двигателями, ориентированные на включение в динамическую модель ДВС. Приведены результаты расчетов.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, система управления, математическое моделирование.
При проектировании современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) необходимо учитывать ограничения, касающиеся топливной экономичности и токсичности отработавших газов, которые с каждым годом ужесточаются. Для обеспечения требуемых экономических и экологических показателей работы двигателей в настоящее время широко используют системы автоматического управления (САУ) [13], реализующие достаточно сложные алгоритмы.
Перед разработчиками САУ современными автомобильными двигателями стоят три основные задачи [4]:
1) контроль заданного вращающего момента двигателя или стабилизация заданной частоты вращения коленчатого вала. Данный контур управления реализовать затруднительно и в большинстве двигателей он не используется;
2) поддержание заданного соотношения воздух/топливо;
3) обеспечение оптимального угла опережения зажигания.
Для исследования и анализа сложных процессов в САУ ДВС целесообразно использовать методы математического моделирования. Данные методы позволяют на стадии проектирования и доводки ДВС осуществить выбор эффективных алгоритмов управления двигателем с минимальными временными и материальными затратами. Среди работ по моделированию САУ ДВС можно выделить некоторые [4-6]. В частности, в работе [4] дано краткое описание работы САУ ДВС, а также описание «усредненной модели» ДВС, позволяющей с достаточной точностью описать переходные процессы, протекающие в двигателе. В качестве примера приведена сравнительная характеристика экспериментальных и теоретических данных двигателя V8 автомобиля Chevrolet Corvette. В работе [5] особое внимание уделяется моделированию переходных процессов системы «Водитель -двигатель - автомобиль», позволяющих определить показатели двигателя на режимах ездовых циклов. В работе [6] описана работа модели с контуром самонастройки и корректировки парционального давления кислорода, позволяющей улучшить динамику автомобиля и снизить токсичность отработанных газов ДВС.
Рассмотренные математические модели на достаточно высоком уровне описывают работу САУ ДВС. В то же время при построении данных моделей используются общепринятые допущения, связанные с использованием осредненных показателей рабочих процессов ДВС и характеристик потребителя. При этом характеристики потребителя определяются экспериментальным путем для установившихся режимов работы двигателя.
Отмеченное положение ограничивает область применения существующих математических моделей системы управления ДВС и не позволяет в полном объеме выполнить исследования сложных динамических процессов в системе «Двигатель - потребитель» на переходных режимах.
В данной работе предложены апробированные математические модели систем управления карбюраторным автомобильным двигателем ВАЗ-2106 и инжекторным двигателем ЗМЗ 406.2 с электронным блоком управления СОАТЭ 302.3763 000-01 автомобиля ГАЗ 3110. Названные модели ориентированы на включение в имитационную динамическую модель системы «Двигатель - Автомобиль» [7 - 9].
На рис. 1 приведена структурная схема математической модели системы управления карбюраторным двигателем
Для карбюраторного двигателя количество топлива определяется особенностями конструкции карбюратора и его дроссельной характеристикой. Математическая модель системы управления такого ДВС состоит из двух частей и включает:
1) математическое описание дроссельной характеристики [10] карбюратора в виде регрессионной зависимости
Ов1 От = /(Ов ), (1)
где Ов - массовый расход воздуха; От - массовый расход топлива;
2) математическое описание характеристики [11] регулятора угла опережения зажигания в виде регрессионной зависимости
Фоз = I(Ю Рр ), (2)
где рр - давление во впускном коллекторе; ю - угловая скорость коленчатого вала.
Рис. 1. Структурная схема математической модели системы управления карбюраторным двигателем
Числовые значения давления рр и расхода воздуха Ов определяются на основании приведенных в работе [8] уравнений тепломеханики при текущем положении дроссельной заслонки и нагрузке. Расчет управляющих воздействий по зависимостям (1) и (2) осуществляется по результатам расчета рабочего процесса ДВС, при этом в качестве Ов, рр, ю в (1) и (2)
подставляются осредненные за цикл значения.
Результаты моделирования САУ двигателя ВАЗ 2106 представлены в работе [9].
На рис. 2. приведена структурная схема математической модели системы управления инжекторным двигателем.
Отличительной особенностью САУ инжекторных двигателей является обеспечение точного и стабильного баланса топливовоздушной смеси, а именно а = 1, для эффективной работы системы нейтрализации. Таким образом, цикловой расход воздуха является основным командным параметром [12] системы автоматического регулирования топливоподачи двигателя.
Для инжекторного двигателя математическая модель системы управления ДВС также состоит из двух частей:
1) математическое описание циклового наполнения От цилиндров топливом в виде зависимости
= 10 ,
где 10 - стехиометрический состав горючей смеси;
2) математическое описание изменения угла опережения зажигания в виде регрессионной зависимости
Фо^/С^ от).
В качестве исходных данных для построения математической модели САУ инжекторного ДВС использовались калибровочные таблицы электронного блока управления СОАТЭ 302.3763 000-01 [13].
Рис. 2. Структурная схема математической модели системы управления инжекторным двигателем
При моделировании САУ инжекторного ДВС учитывалась работа следующих датчиков: положения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, расхода воздуха, положения дроссельной заслонки.
На рис. 3 в качестве примера представлены зависимости циклового наполнения, угловой скорости и угла опережения зажигания от времени, полученные в результате моделирования работы двигателя ЗМЗ 406.2 при открытии дроссельной заслонки от 0 до 10 % на 5-й секунде.
2100 2050 2000 1950 1900 1850 1800 1750 1700 1658 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 850 800
о. ыин о: *10 "■2 гр. пкв Шз/Ю"" ыгтакт
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.8 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.8 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.8 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5
Рис. 3. Моделирование процесса управления работой двигателя
ЗМЗ 406.2
11
Разработанные имитационные математические модели позволяют исследовать динамические процессы в системе «Двигатель - потребитель» на переходных режимах и могут использоваться на стадии проектирования и доводки автомобильных двигателей.
Список литературы
1. Гирявец А.К. Теория управления автомобильным бензиновым двигателем. М., 1997. 161 с.
2. Поливаев О.И., Костиков О.М., Ведринский О.С. Электронные системы управления бензиновых двигателей. М.: КНОРУС, 2011. 95 с.
3. Guzzella Lino and Christopher H. Onder Introduction to Modeling and Control of Internal Combustion Engine Systems // Springer-Verlag. Berlin Heidelberg 2010. 362 с.
4. Инжектронный двигатель как объект управления / Д.Н. Герасимов, Х. Джавахериан, Д.В. Ефимов, В.О. Никифоров // Известия РАН. Теория и системы управления. № 5. 2010. С. 135-147.
5. Борисов А.О., Черноусов А. А. Моделирование функций части САУ ДВС // Вестник УГАТУ. № 6. 2012. С. 120-126.
6. Борисов А.О., Загайко С. А. Управление двигателем внутреннего сгорания по модели // Ползуновский вестник. № 4. 2006. С. 23-26.
7. Малиованов М.В., Радько А.Е., Хмелев Р.Н. Программный комплекс «Имитационная динамическая модель автомобиля». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617074, Дата регистрации 10.06.2014.
8. Малиованов М.В., Хмелев Р.Н. Разработка и исследование динамической модели автомобиля // Материалы МНПК «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе». Пермь: ПНИПУ, 2013. С. 207-216.
9. Малиованов М.В., Хмелев Р.Н., Радько А.Е. Имитационное моделирование ездового цикла автомобиля // Материалы МНПК «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе». Пермь: ПНИПУ, 2014. С. 151-153.
10. Локшин А.И. Системы питания «жигулей» и «самары». Л.: Машиностроение, 1990. 64 с.
11. Тюфяков А. Система зажигания без секретов // Автомобилист. М.: ДОСААФ. 1986.
12. Пенкин Д.В. Формирование моделей для управления двигателем по цикловому расходу воздуха: автореферат. канд. техн. наук. Уфа: УГАТУ. 2000. 19 с.
13. Автомобили Волга, Газель (ЭБУ Микас, VS, Соатэ) Серийные прошивки [Электронный ресурс] // URL: http://www.chiptuner.ru/content/gaz ecu/ (дата обращения: 03.11.2014).
Агуреев Игорь Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Малиованов Михаил Вениаминович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Радько Александр Евгеньевич, асп., aiah atsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хмелев Роман Николаевич, д-р техн. наук, проф., aiahayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF MATHEMATICAL MODEL OF THE CONTROL SYSTEM OF THE A UTOMOTIVE ENGINE WITH SPARK IGNITION
I.E. Agureev, M. V. Maliovanov, A.E. Radko, RN. Khmelev
The mathematical models of the control system carbureted and fuel injected engines targeted for inclusion in the dynamic model of the engine are developed. The results of calculations are given.
Key words: internal combustion engine, the control system, mathematical modeling.
Agureev Igor Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, agureev-igorayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Maliovanov Michael Veniaminovich, doctor of technical sciences, professor, aiah@,vandex. ru , Russia, Tula, Tula State University,
Radko Alexander Evgenievich, postgraduate, aiah a tsii. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khmelev Roman Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, aiahayandex. ru , Russia, Tula, Tula State University
