CC BY
127
Николаев П.А.
ВОПРОСЫ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Ключевые слова: система управления, двигатель внутреннего сгорания, помехи, датчик положения коленчатого вала.
Аннотация. В статье рассматривается влияние импульсных помех на работу системы микропроцессорного управления двигателем по каналу измерения частоты вращения коленчатого вала и определения положения поршней.
Сейчас современный автомобиль является достаточно сложным объектом, объединяющим в себе различные высокоинтегрированные электронные системы. Поэтому очевидно, что одним из условий безотказной работы бортовой электроники является ее устойчивость е воздействию электромагнитных помех.
На сегодняшнее время одной из наиболее актуальной задачей является обеспечение помехоустойчивости микропроцессорной системы управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Исходя из этого, цель настоящей работы заключается в исследовании реакции выходной функции при влиянии помех по каналу измерения оборотов коленчатого вала и определения положения поршней ДВС, являющимся наиболее важным элементом в цепи управления.
Перед тем как анализировать протекающие процессы в системе при электромагнитном воздействии следует рассмотреть особенности синхронизации системы управления.
В современных системах управления двигателем контроль за временной и угловой синхронизацией для расчета управляющих сигналов, осуществляет контроллер системы управления двигателем через спецдиск, изготавливаемый из ферромагнитных материалов и устанавливаемый непосредственно на коленчатый вал (рисунок 1). Сигнал для синхронизации работы драйверов управления исполнительными механизмами ДВС снимается индукционным датчиком положения коленчатого вала (ДПКВ). Спецдиск имеет 60 зубьев, но два из них вырезаны. Это сделано для того, чтобы по ним осуществлять синхронизацию в каждом цикле. В дальнейшем вырезанный участок восстанавливается синхронным процессором. Каждый зубец в угловом пересчете составляет 3 град, а их период следования - 6 град. Как правило, интервал у цикла кратен 360 град, т.е. полному обороту коленчатого вала.
Сигнал, формирующийся на выходе ДПКВ при работе двигателя, имеет форму представленную на рисунке 2, в контроллер системы управления двигателем он сначала поступает на схему формирователя, где преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов, которая впоследствии и обрабатывается микропроцессором.
Положение коленчатого вала определяется по результатам вычисления текущего угла задающего диска по отношению к началу цикла. Так, например, прохождение середины 21го зубца, отсчитываемого после участка на задающем диске с вырезанными зубьями через ДПКВ, соответствует нахождению поршня первого цилиндра в верхней мертвой точке (ВМТ). По данным измерений положения коленчатого вала система управления рассчитывает оптимальный угол опережения зажигания на заданном режиме.
Рисунок 1 - Осуществление обратной связи ДВС и системы управления
\ Импульс синхронизации
Рисунок 2 - Сигнал с датчика положения коленчатого вала
После запуска двигателя и отсутствия сбоя на любом № цикле наблюдается последовательность М разрядов, синхронизированных по углу поворота коленчатого вала и зависящая от режимов работы ДВС. Тогда угловой интервал у справедливо разложить в виде
М-1
о
і=1
(1)
где к = 1, 2, 3, ЛД^"- угловое перемещение коленчатого вала между соседними
разрядами в к~ цикле; ^ угловое перемещение коленчатого вала от начала синхронизации к~ цикла и первым разрядом на данном интервале; угловое перемещение коленчатого
вала от окончания последнего разряда на № цикле и началом синхронизации цикла к+1. Графическое пояснение к (1) представлено на рисунке 3.
Очевидно, что для механической системы при непрерывном вращении коленчатого вала в
уО_ _ у(к) _ у(А-+1) _ _ Г^Г
одном направлении всегда / —■■■ — / ~ / ~ ~ /
и т.д. Такое же условие, в случае отсутствия воздействия помех, выполняется и при обработке преобразованной в электрическую величину информации о текущем положении задающего диска.
цик л А'-1 Синхронизация системы р/ цикл к ^*| цикл А"+1
Разряд и / Разряд ."N*2^ /— 1\ 1 1 1 азряд
¥гікЛ\\ Г.«!. АА* ¿V*?’ ! дд“0 ! д/${ >?’
1 1 1 1 1 1 1
Рисунок 3 - Синхронизированная последовательность разрядных импульсов в цикле
Рассмотрим случай воздействия на автомобиль импульсных помех. Целесообразность такого подхода обусловлена тем, что согласно [1] эффективности влияния импульсного сигнала на электронику больше чем непрерывного, а значит и больше уязвимость систем при равных амплитудах.
Если при воздействии одиночного импульса на интервале у® происходит наведение помехи в цепи датчика положения коленчатого вала. При превышении параметров этой помехи порога помехоустойчивости системы управления возникает ошибка, приводящая к неверному определению положения коленчатого вала. Вследствие чего происходит неправильный расчет микропроцессорной системой управления оптимального угла опережения зажигания 0опт. Иначе говоря, система микропроцессорного управления интерпретирует воздействие помехи как перемещение коленчатого вала в направлении вращения на некоторый угол Ав„ом. Исходя из этого расчет последующих значений 0, определяется с учетом вносимой ошибки.
Фактическое число разрядов на интервале у® составит
-О.
м'°=
у ■ - А в
/ г' ПОМ
о
А/,
ср
(2)
где
О
М
усредненное угловое перемещение коленчатого вала между соседними
(3)
разрядами.
Если на интервале у® воздействует серия, состоящая из J импульсов помех, то суммарный угол сбоя зажигания определиться как
дд°=у дд°
г пом / 1 / пом •
}=1
Из рисунка 3, а также выражений (1) и (2) видно, что при выполнении неравенства ЛДю,,'1 > на цикле происходит М+1 разрядов. Также из (2) можно сделать вывод о
формировании системой управления ранних углов опережения зажигания при возникновении сбоя по цепи датчика положения коленчатого вала. Это позволяет прогнозировать три основные вида неисправной работы двигателя внутреннего сгорания:
1. Формирование раннего момента зажигания воздушно-топливной смеси, приводящего к сгоранию топлива с образованием максимума давления до верхней мертвой точки. В этом случае вектор силы продуктов сгорания направлен противоположно вектору поступательного движения поршня.
Данный вид неисправной работы двигателя наблюдается тогда, когда помеха вносит ошибку по расчету угла опережения зажигания на значение «9 > \(р\ и проявляется в виде сбоя
к
или отказа ДВС. Здесь (р \(ртт', фтаЛ есть угол положения поршня после верхней мертвой точки, соответствующий максимуму давления на поршень продуктов сгорания при оптимальном угле опережения зажигания. Как правило, чтобы обеспечить наибольшую мощность двигателя и полное окисление топливного заряда в конце такта рабочего хода, ф принадлежит диапазону от -5 до -20 град.
Для приведенного вида неисправной работы ДВС фактический угол опережения зажигания лежит в пределах
Ш > © , > 3 + © (лл
т кл — Ф опт , V V
где - угол, при котором оканчивается впуск воздушно-топливной смеси, т.е. угол, когда закрываются впускные клапана ДВС. Следует заметить, что в современных двигателях укл принадлежит началу такта сжатия.
Из рассмотренного механизма неисправности следует вывод: если электромагнитное воздействие наводит в цепи синхронизации системы управления двигателем такой сигнал,
который приводит к смещению каждого разряда на угол опережения зажигания & > \ф\, то
вероятность прекращения работы ДВС Рост.двС = 1.
2. Формирование раннего момента зажигания воздушно-топливной смеси, приводящего к сгоранию топлива с образованием максимума давления после верхней мертвой точки. В этом случае, в отличие от первого, помеха вносит ошибку по расчету угла опережения зажигания на
значение $ < |^?|. Соответственно векторы силы продуктов сгорания и поступательного
движения поршня совпадают по направлению. Однако раннее зажигание приводит к появлению детонационных процессов, а они, как известно, при длительном воздействии приводят к разрушению шатунно-поршневой группы и блока цилиндров.
3. Формирование раннего момента зажигания, приводящего к началу горения топлива до закрытия впускных клапанов, т.е. когда в цилиндры еще подается воздушно-топливная смесь.
Этот случай характеризуется неравенством
W„ < ®ф (5)
Здесь наблюдаются два эффекта. Оба связаны с соотношением давления продуктов сгорания Рпс и давления поступающей воздушно-топливной смеси Рвтс.
В случае если на момент закрытия впускных клапанов выполняется условие Рпс < Рвтс, то
ДВС работает как при первом описанном сбое. Во втором случае, когда Рпс > Ретс,
наблюдается явление, определяемое в теории тепловых двигателей как “обратный выхлоп”. Оно заключается в том, что продукты сгорания вытесняют еще поступающую в цилиндры воздушно-топливную смесь. Также возможно продолжение горения во впускном коллекторе. Это приводит к тому, что в другие цилиндры не поступает воздух и горючая смесь не подготавливается, а значит, двигатель останавливается. Вероятно также механическое разрушение элементов впускного коллектора.
Экспериментальные исследования действительно подтвердили, что при воздействии импульсного воздействия по цепи датчика положения коленчатого вала имеют место три основные вида неисправной работы ДВС.
Основные результаты и выводы
1. Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что импульсное электромагнитное воздействие вызывает ошибки в определении положения поршней автомобильного двигателе, что приводит к неправильному формированию момента зажигания воздушно-топливной смеси.
2. Выявлены три наиболее вероятных вида неисправной работы двигателя внутреннего сгорания, являющихся следствием воздействия импульсного электромагнитного воздействия.
Список литературы
. Газизов Т.Р. Электромагнитный терроризм на рубеже тысячелетий. - Томск.: Томский государственный университет, 2002. 206 с.
