CC BY
27Транспорт на КПГ
«шш
Способ управления двигателем внутреннего сгорания на газовом топливе
^^ В.А. Шишков, начальник технического отдела ООО «Палладио» (Тольятти), д.т.н.
Целью работы являются снижение затрат на проведение калибровочных и доводочных работ системы управления двигателем внутреннего сгорания, а также повышение точности дозирования газового топлива как на стационарных, так и на динамических режимах для снижения выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами в процессе эксплуатации транспортного средства. Усовершенствован способ повышения точности дозирования газового топлива через электромагнитные газовые форсунки в двигатель внутреннего сгорания. В программе микропроцессорного блока управления оптимизировано задание расходных характеристик электромагнитных газовых форсунок, а также предложено производить коррекцию и диагностику состояния электромагнитных газовых форсунок в процессе эксплуатации и ремонта транспортного средства.
__Ключевые слова:
двигатель внутреннего сгорания, электромагнитная газовая форсунка, впрыск газового топлива, расходная характеристика, алгоритм управления.
I
ЛЕТ С ВАМИ
47
П
роблема повышения экологического класса современного транспорта с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающих на газовых видах топлива, в большей степени зависит от точности его дозирования. Поэтому совершенствование систем топливоподачи и управления ДВС является актуальной задачей.
В системе управления [1] двигателем внутреннего сгорания задают расходную характеристику всех электромагнитных форсунок одним коэффициентом наклона прямой линии. При таком задании характеристики прямая линия расхода газового-топлива проходит через начало координат. Эта линия не отражает реальные расходные характеристики всех форсунок, которые имеют смещение по оси времени впрыска газового топлива, связанное с предварительным натягом пружины клапана, трением между подвижными частями клапана, а также с перепадом давления газового топлива на клапане электромагнитной форсунки. Линия расхода газового топлива, проходящая через начало координат, имеет отклонения в рабочем диапазоне этого расхода от 25 % на режиме холостого хода и до 5 % по всей характеристике. Эти отклонения корректируются в программе управления двигателем во время-испытаний при проведении калибровочных работ с помощью дополнительных таблиц статических и динамических коэффициентов или функций.
Транспорт на КПГ
111Ш'
\
48
Недостатки данного способа заключаются в необходимости заполнения калибровочных таблиц и введения дополнительных функций, что требует значительного времени испытаний двигателей в моторных боксах и в составе транспортного средства, а также не учитывает ошибки инженера-испытателя. Кроме этого, сложно точно рассчитать газовую топливоподачу на динамических режимах работы двигателя из-за неточного задания расходных характеристик электромагнитных форсунок. Это приводит к повышенным выбросам токсичных компонентов на выхлопе двигателя и к увеличению времени калибровочных и доводочных работ по системе его управления.
В процессе эксплуатации транспортного средства происходит изменение расходных характеристик газовых форсунок за счёт изменения трения в их подвижных элементах, изменения жёсткости пружин клапанов, отложений во внутренних каналах форсунок загрязняющих веществ и других факторов. Эти изменения учитываются только при коррекции газовой топливоподачи с помощью коэффициента, вычисляемого по сигналу инерционного датчика кислорода с запозданием на 2.. .5 с при работе прогретого ДВС. На непрогретом двигателе и на мощностных режимах работы коррекция газовой топливоподачи по сигналу датчика кислорода выключена.
Известен способ диагностики расходных характеристик электромагнитных газовых форсунок [2, стр. 267-268], который заключается в том, что после пуска и прогрева двигателя определяется режим диагностики, например, на 10 с. В это время двигатель не реагирует на действия водителя. Так, на режиме холостого хода последовательно на каждой из форсунок на 1 с происходит изменение длительности подаваемого импульса, например, с 3 до 5 мс, а затем до 7 мс. При этом определяются изменения величины обогащения смеси по показаниям датчика кислорода, расположенного до нейтрализатора, при длительности 5 и 7 мс. По данным откликам при сравнении с начальными значениями, полученными после пер-вогозапуска двигателя на заводе-изготовителе и сохранёнными в энергонезависимой памяти контроллера, вычисляется коэффициент изменения расходной характеристики конкретной газовой форсунки на участке линейной характеристики. При изменении характеристики более чем, например, на 20 % формируются коды ошибок о неисправности конкретной газовой форсунки с последующим включением контрольной лампы диагностики. Один код ошибки - для изменения точки динамической настройки газовой форсунки, второй код - для изменения статической точки настройки, третий - при изменении обоих точек настройки выше допустимого значения.
Для четырёхцилиндрового двигателя можно вывести 12 кодов ошибок газовых форсунок. В качестве отклика на изменение расхода топлива при изменении длительности импульса открытого состояния клапана газовой форсунки можно использовать мгновенное изменение частоты вращения коленчатого вала (его скорость или ускорение) и по этой величине определять её состояние и проводить диагностику с фиксированием соответствующего кода ошибки. В этом случае время диагностики газовых форсунок может быть не более 1 с. Данный алгоритм не всегда осуществим из-за большой инерционности датчиков кислорода и дискретности измерения частоты вращения коленчатого вала.
Как говорилось выше, смыслом данной работы являются снижение затрат на проведение калибровочных и доводочных работ системы управления двигателем внутреннего сгорания, а также повышение точности дозирования газового топлива как на стационарных, так и на динамических режимах для снижения выбросов
чЧШШШШШШШ
Рис. 1. Расходная характеристика электромагнитной газовой форсунки
токсичных компонентов с отработавшими газами в процессе эксплуатации транспортного средства.
На рис. 1 [3] представлена расходная характеристика электромагнитной газовой форсунки в зависимости от ширины импульса впрыска газового топлива, реальная (линия 2) и задаваемая одной точкой (линия 1) в программе микропроцессора электронного блока управления двигателем.
В существующем программном обеспечении системы управления ДВС расходную характеристику электромагнитной газовой форсунки задают одной статической точкой ¥ст (см. рис. 1), которая характеризуется площадью проходного сечения жиклёра. Расчёт расхода газового топлива на промежуточных режимахрабо-ты двигателя определяют по линии 1, которая соединяет начало координат с расходом в точке Уст (см. рис. 1). Реальная расходная характеристика (линия 2, рис. 1) электромагнитной газовой форсунки проходит через точку максимального расхода ¥ст и имеет больший наклон к оси абсцисс. Это вызвано предварительным натягом пружины клапана газовой форсунки, массой клапана, перепадом давления топлива на клапане газовой форсунки и трением подвижного клапана о направляющие. Поэтому линия 2 (см. рис. 1) не приходит в начало координат, а соединяется с точкой £откр.д - это время открытия клапана электромагнитной газовой форсунки.
Для современных бензиновых электромагнитных форсунок время открытия £откр.д лежит в диапазоне от 1,2 до 1,8 мс, а для газовых - от 1,5 до 4,5 мс. В результате этого возникает погрешность Д V (см. рис. 1) в расчёте расхода газового топлива на промежуточных режимах работы двигателя, при этом погрешность Д V увеличивается при снижении режима работы двигателя. Погрешность Д V компенсируют с помощью специальных калибровочных таблиц, которые заполняют инженеры-испытатели в процессе доводки системы управления двигателем в различных условиях эксплуатации. Это приводит к погрешностям газовой топливоподачи в ДВС, связанным с человеческим фактором, и к увеличению времени доводочных работ.
В предлагаемом способе реальную расходную характеристику (линия 2, рис. 1) электромагнитной газовой форсунки задают двумя точками Vcт и Vдин, а расход топлива на промежуточных режимах работы двигателя внутреннего сгорания вычисляют по прямой линии между вышеназванными точками.
На рис. 2 [3] представлена схема изменения тока в катушке по времени при открытии и закрытии клапана электромагнитной газовой форсунки: линия 1 -
2*
ЛЕТ С ВАМИ
49
ЪоиюШ*'
I
1
50
Го Н *г Н
г а Ч Ч
Рис. 2. Схема изменения тока в катушке по времени при открытии и закрытии клапана электромагнитной газовой форсунки
для новой газовой форсунки; линия 2 - для форсунки, у которой потеряла жёсткость пружина клапана, либо снизилось сопротивление трения клапана о направляющие, либо упало давление перед клапаном форсунки; линия 3 - для форсунки, у которой засорились внутренние топливные каналы.
На рис. 2 показано изменение тока I в катушке электромагнитной газовой форсунки при её открытии и закрытии: - начало подачи напряжения на катушку электромагнитной газовой форсунки; 1Х, t2, 1Ъ - начало движения клапана газовой форсунки в положение «открыто» соответственно линия 2 (при пониженном сопротивлении трения или ослаблении пружины клапана), линия 1 (новая форсунка) и линия 3 (при засорении внутренних топливных каналов газовой-форсунки); 14, t5, 16 - клапан газовой форсунки в положении «открыто» для линий 2, 1 и 3 соответственно; 17 - напряжение питания катушки газовой форсунки выключено; ^ - клапан газовой форсунки закрыт.
Линии 1, 2 и 3 имеют характерные участки с различным наклоном протекания тока в катушке в периодах движения клапана на открытие соответственно на временных участках t1...t^, £2...£5, £3...£6 (см. рис. 2). Изменение наклона протекания тока по времени в катушке электромагнитной газовой форсунки связано с самоиндукцией при движении её металлического клапана из положения «закрыто» в положение «открыто» и обратно в электромагнитном поле катушки. Изменение наклона характеристики протекания тока в катушке электромагнитной газовой форсунки фиксируют по градиенту А1/А( с учётом начала времени подачи напряжения t0 (см. рис. 2).
Предлагаемый алгоритм [3] заключается в том, что измеряют на безмоторном стенде расходные характеристики электромагнитных газовых форсунок в зависимости от ширины импульса , рис. 2) питающего напряжения с последующим заданием в программе микроконтроллера управления двигателем среднего максимального расхода Уст ср = Е Уст 1 / N (см. рис. 1) топлива с расходной характеристикой, где Уст 1 - статический расход топлива 2-й газовой форсунки (г изменяется до N - число электромагнитных газовых форсунок) при максимальной ширине импульса питающего напряжения. Расход газового топлива через электромагнитные газовые форсунки в двигатель вычисляют по линии расходной характеристики в зависимости от расхода воздуха в двигатель, при этом дополнительно в программе микроконтроллера управления двигателем задают точку
чЧШШШШШШШ
2*
ЛЕТ С ВАМИ
среднего минимального расхода Vmacp = I Vдии 1 / N (см. рис. 1), где Vдин, - динамический расход газового топлива с расходными характеристиками 1-й форсунки (г изменяется до N - число электромагнитных газовых форсунок) при ширине импульса от 0 до tдин (см. рис. 1) питающего напряжения, реализуемого на холостом ходу при минимальной нагрузке двигателя. На промежуточных режимах расход газового топлива через каждую электромагнитную форсунку в двигатель вычисляют по линии от среднего минимального Vmн ср до среднего максимального Vcт ср (см. рис. 1) расхода топлива. Кроме этого, задают в программе микроконтроллера управления двигателем минимальный Vдин ; и максимальный Vcт 1 расход газового топлива с расходной характеристики каждой в отдельности электромагнитной газовой форсунки г, а расход газового топлива в каждый г-й цилиндр двигателя вычисляют по соответствующей характеристике г-й форсунки.
Дополнительно выполняют корректировку дозирования газового топлива через электромагнитные форсунки в процессе эксплуатации. При температуре охлаждающей жидкости в диапазоне 10...30 °С при пуске двигателя с частотой вращения коленчатого вала до 60 мин-1 перед началом подачи газового топлива на электромагнитные газовые форсунки последовательно подают рабочие импульсы напряжения шириной (см. рис. 2) до полного открытия клапана форсунки. При каждом импульсе напряжения измеряют характеристику тока в катушке каждой электромагнитной газовой форсунки с помощью микроконтроллера управления двигателем. По характеристике тока определяют градиент (А//Д?); , по которому вычисляют суммарный интеграл (А//Д?); на участках в периоды , t0...t5 или t0...t6 (см. рис. 2) открытия клапана электромагнитной газовой форсунки. После этого определяют корректирующий коэффициент в виде отношения интеграла (Д7/Д0,. , полученного для новой электромагнитной газовой форсунки на участке , к интегралу (А//Д?); , полученному в процессе эксплуатации, то есть на участках t0...t4 или t0...t6 (см. рис. 2) для электромагнитной газовой форсунки с пониженным сопротивлением трения движению её клапана и для электромагнитной газовой форсунки с засорением внутренних каналов соответственно. Затем корректируют минимальный Удин г путём умножения на корректирующий коэффициент (см. рис. 1) расхода газового топлива каждой форсунки и записывают эти значения в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем. Изменение наклона характерного участка тока в сторону уменьшения времени открытия клапана говорит о том, что произошло снижение сопротивления трения поверхностей клапана из-за износа, ухудшения упругих характеристик пружины клапана или из-за снижения давления газового топлива на входе в электромагнитную газовую форсунку (линия 2, рис. 2). Смещение характерного участка тока, показывающего момент открытия клапана электромагнитной газовой форсунки в сторону увеличения времени его открытия, говорит о том, что произошло засорение внутренних каналов газовой форсунки (линия 3, рис. 2).
При ремонте системы газовой топливоподачи ДВС после замены всех электромагнитных газовых форсунок с помощью диагностического прибора записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем средний минимальный Удин ср и средний максимальный Уст ср (см. рис. 1) расход установленных электромагнитных газовых форсунок. После замены одной электромагнитной газовой форсунки с помощью диагностического прибора записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем минимальный Удин г и максимальный Уст г расход установленной
Транспорт на КПГ
111Ш'
\
электромагнитной газовой форсунки.
Для корректировки дозирования газового топлива через электромагнитные форсунки в процессе эксплуатации дополнительно измеряют период 52 £0...£4, t0...t5 или t0...t6 (см. рис. 2) времени от подачи напряжения на катушку
электромагнитной газовой форсунки до момента перемещения клапана в положение «открыто», которое фиксируют дополнительным датчиком измерения вибраций (акселерометр), затем измеряют период £7...£8 времени от момента снятия напряжения с катушки газовой форсунки до момента посадки клапана на седло в положение «закрыто». По изменениям периодов открытия £о...£4 , £0...£5 или £0...£6 и закрытия £5...£6 (см. рис. 2) клапана газовой форсунки формируют корректирующий коэффициент, с учётом которого изменяют расход газового топлива. Например, если время открытия клапана электромагнитной газовой форсунки уменьшилось (вариант £0...£4) по сравнению с новой форсункой, у которой время открытия £0...£5 (см. рис. 2), то уменьшают на разницу [(£5 - £0) - (£4 - £0)] ширину импульса впрыска газового топлива через электромагнитную газовую форсунку. Если время открытия клапана электромагнитной газовой форсунки увеличилось (вариант £0...£6) по сравнению с новой форсункой, у которой время открытия £0...£5 (см. рис. 2), то увеличивают на разницу [(£6 - £0) - (£5 - £0)] ширину импульса впрыска газового топлива через электромагнитную форсунку. Если время £7...£8 (см. рис. 2) закрытия клапана электромагнитной газовой форсунки уменьшилось по сравнению с новой электромагнитной форсункой, то на величину этого уменьшения увеличивают ширину импульса впрыска газового топлива форсунки. Если время £7...£8 закрытия клапана электромагнитной газовой форсунки увеличилось по сравнению с новой электромагнитной форсункой, то на величину этого роста уменьшают ширину импульса впрыска газового топлива форсунки.
При увеличении интеграла (Д1/Д£)г изменения тока в катушке электромагнитной газовой форсунки по времени в период открытия её клапана выше заданного в энергонезависимой памяти электронного блока управления двигателем, а также порога интеграла (Д1/Д£)г пор в периоды открытия £1.£4 , £2...£5 или £3...£6 или при увеличении времени открытия £0...£5 (см. рис. 2) клапана электромагнитной газовой форсунки выше заданного ограничения (£0... £5)огр , характеризующего подклинивание или заклинивание её клапана, прекращают подачу команд на открытие её клапана, выключают регулирование по датчикам кислорода в отработавших газах, вырабатывают код ошибки с порядковым номером форсунки и зажигают диагностическую лампу о неисправности на панели приборов автомобиля. Порог интеграла (Д1/Д£)г пор изменения тока в катушке электромагнитной газовой форсунки по времени в период открытия её клапана и ограничение (£0...£5) времени открытия клапана электромагнитной форсунки записывают в энергонезависимую память микроконтроллера управления двигателем перед началом эксплуатации.
Таким образом, усовершенствован способ повышения точности дозирования газового топлива через электромагнитные газовые форсунки в двигатель внутреннего сгорания, в котором оптимизировано и изменено задание в программе микропроцессорного блока управления расходными характеристиками электромагнитных газовых форсунок, а также производится их коррекция и диагностика состояния в процессе эксплуатации и ремонта транспортного средства.
_Использованные источники
1. 8АБ 11832.
2. Шишков В.А. Методы управления рабочим циклом двухтопливных и одно-топливных поршневых газовых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием / Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук, специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели». - Самара, СГАУ им. С.П. Королёва, 2013. - 395с.
3. Способ управления двигателем внутреннего сгорания: патент на изобретение № 2671076: МКИ6 F02D 41/30, F02D 41/24 / Шишков В.А.; заявитель Шишков В.А. - № 2017140155/06(069778); заявл. 17.11.2017, опубл. 29.10.2018. Бюл. № 31. - 12 с.
2*
ЛЕТ С ВАМИ
53
Газомоторное топливо повышаетэффективность работы сельхозпредприятий
8 ноября в Павловском районе Краснодарского края председатель совета директоров ПАО «Газпром» Виктор Зубков провёл расширенное совещание по перспективам использования газомоторного топлива в отечественном сельском хозяйстве.
В мероприятии приняли участие полномочный представитель Президента РФ в Южном федеральном округе Владимир Устинов, министр сельского хозяйства РФ Дмитрий Патрушев, губернатор Краснодарского края Вениамин Кондратьев, губернатор Ростовской области Василий Голубев, глава Республики Калмыкия Бату Хасиков, член правления, начальник департамента ПАО «Газпром» Владимир Марков, представители федеральных и региональных органов исполнительной власти, крупных агропромышленных предприятий, производителей автомобильной техники и финансовых организаций.
Отмечено, что перевод сельхозтехники на газ позволяет предприятиям значительно снизить затраты на приобретение горюче-смазочных материалов. Эти издержки особенно велики во время посевных и уборочных кампаний. Наиболее перспективным целевым сегментом здесь является тракторный парк, на долю которого приходится около 60 % потребления дизельного топлива от общего объёма его использования в агропромышленном комплексе.
Участникам совещания были представлены текущие результаты реализации пилотного проекта, осуществляемого «Газпромом» и фермерским хозяйством «Барсук Т.Л.» на условиях совместного финансирования. В мае 2018 года на территории хозяйства была построена площадка для передвижного автогазозаправщика (ПАГЗ), компания обеспечила доставку топлива. К сентябрю 2019 года за счёт агропредприятия был построен подводящий газопровод к площадке, а «Газпром» завершил сооружение стационарного модуля компримирования природного газа производительностью 3,2 млн м3/год. Это позволило увеличить возможность заправки техники с 40-50 до 150 единиц в день и сократить время заправки одного транспортного средства с 10-15 до 5-10 минут.
В настоящее время фермерское хозяйство эксплуатирует 10 единиц техники на природном газе. В планах хозяйства - перевод всего автопарка на природный газ. «Газпром» в дальнейшем намерен обеспечить природным газом близлежащие сельскохозяйственные предприятия.
«Переход на газомоторное топливо должен быть обязательным инструментом, когда мы говорим о повышении эффективности отечественных сельхозпредприятий. Сегодня «Газпром» готов предложить им различные решения по обеспечению этим топливом», -сказал Виктор Зубков.
Управление информации ПАО «Газпром»
