Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности систем управления ДВС подвижных объектов на альтернативных видах топлива. Монография
.pdf
81
Адаптация для
детонация все еще наблюдается, то задействуется II-й уровень устранения
детонации (процесс 3), который предполагает традиционное уменьшение
угла опережения зажигания, схема алгоритма которого представлена на рис.
3.8.
НАЧАЛО
Нет
1.
нагрузки рассчитана?
Да
2. Адаптация УОЗ
3. Считывание с датчиков
значений
P
max-факт
4. Расчет адаптации УОЗ
5. |
и
ϕ
факт
Да
Нет
КОНЕЦ
6. Коррекция адаптации
УОЗ
Рис. 3.8. Схема алгоритма адаптации угла опережения зажигания
В процессе 1 выполняется проверка наличия адаптации для данной
нагрузки P0. Если адаптация уже рассчитана, то в процессе 2 выполняется
коррекция угла опережения зажигания с учетом значения адаптации α(P
) и
0
алгоритм переходит к процессу 3. В противном случае выполняется переход
82
к процессу 3 и считывание фактического максимума давления P
max-факт
с
датчика давления в цилиндре двигателя и соответствующего ему угла
поворота коленвала
ϕ
с датчика поворота коленвала без расчета
факт
адаптации УОЗ. Полученные в процессе 3 данные передаются в процесс 4
для расчета текущей адаптации α(p0)’. При этом значение ∆ определяется как
разница между
ϕ
n-1
и
ϕ
. Полученное значение текущей адаптации α(p0)’
факт
сравнивается с полученным в прошлом значением адаптации α(p0) в процессе
5. Если различие превышает ∆α, равное 3о, то значение текущей адаптации
присваивается значению адаптации в процессе 6 и алгоритм завершается.
Если различие между текущей адаптацией α(p0)’ и адаптацией α(p0) не
превышает ∆α, алгоритм завершается без коррекции адаптации.
3.4. Разработка схемы регулирования состава бинарного
топлива
Для достижения наилучших показателей ДВС с точки зрения расхода
топлива, мощности, токсичности отработавших газов и комфорта движения
необходимо определить составы топлива в виде L=доля бензина/доля
сжиженного газа для следующих рабочих режимов:
− пуск;
− холостой ход;
− частичная нагрузка;
− средняя нагрузка;
− высокая нагрузка.
Для режимов пуска и холостого хода используются уже известные
рекомендации, предназначенные для эксплуатации битопливных
автомобилей на сжиженном углеводородном газе [99-101]. Предварительные
составы смеси для режимов частичных, средних и высоких нагрузок (L
L
avg
, L
соответственно) будут определены далее по результатам
max
eco
моделирования и с учетом целей использования этих режимов.
,
83
Запуск двигателя. В известных газовых системах старт ДВС
осуществляется на бензине. Использование газа для запуска не
рекомендуется, поскольку обычно температура двигателя, особенно в зимнее
время, недостаточна для обеспечения работы испарителя и перевода газа из
жидкой фазы в парообразную. В жидкой фазе газ не может обеспечить
гарантировано успешной процедуры запуска ДВС.
В литературе рассматривается возможность запуска прогретого
двигателя на газовом топливе, но отмечается, что затраты на реализацию
такой возможности зачастую неоправданны. На запуск тратится совсем
немного топлива и времени, а сразу после запуска, в режиме холостого хода,
будет выбрано необходимое топливо.
Учитывая эти аргументы и сложившуюся мировую практику, запуск
ДВС в разрабатываемой схеме было решено производить всегда на бензине
(L
=100/0).
start
Режим холостого хода. Данный режим разделяется на две части:
холостой ход (ХХ) при прогреве двигателя и холостой ход прогретого
двигателя. Обычно в битопливных автомобилях переключение с бензина на
газ происходит при достижении определенной температуры охлаждающей
жидкости (ОЖ). При использовании бинарного топлива, подачу газа можно
начинать раньше, поскольку бензин обеспечивает горение газа в
неблагоприятных для последнего условиях. Так как процедура прогрева
двигателя может занимать значительное время, эмиссия вредных веществ в
отработавших газах прогреваемого ДВС при работе на бинарном топливе
может быть несколько снижена, по сравнению с бензиновым, либо
битопливным двигателем (который при прогреве также работает на бензине).
В предлагаемой схеме при прогреве доля бензина в топливе уменьшается
ступенчато при росте температуры ОЖ вплоть до достижения температуры
60°С в соответствии со следующим законом (рис. 3.9):
84
доля бензина, %
100 80 20 0
-40 0 40 60 80
температура ОЖ, оС
Рис. 3.9. Состав бинарного топлива в режиме прогрева двигателя
Значение 60°С выбрано в соответствии с известными рекомендациями,
например [100, 102]. Для поддержания холостого хода прогретого двигателя
в данной схеме используется чистый газ. Данное решение согласуется с
мировой практикой и обусловлено неблагоприятными условиями для
горения бензина на холостом ходу, а именно незначительной скоростью
воздушного потока и плохими условиями создания гомогенной
бензиновоздушной смеси. Кроме того, использование сжиженного газа
обеспечивает наилучшие из возможных экологические и экономические
показатели. Обобщенная формула состава бинарного топлива при работе на
холостом ходу имеет следующий вид:
(3.2)
где TОЖ – температура охлаждающей жидкости.
Режим частичных нагрузок (до 40 %). В данном режиме ДВС
статистически работает больше всего времени, но требования к крутящему
моменту здесь достаточно скромные. Следовательно, в этом режиме нужно
обеспечить максимальные экономические и экологические показатели.
Наименьшая эмиссия вредных веществ в отработавших газах достигается при
использовании в качестве топлива чистого сжиженного газа без добавки
85
бензина. Этот же состав (L=0/100) характеризуется и наименьшими
затратами на топливо. Однако недавно проведенные исследования показали,
что при эксплуатации битопливных автомобилей только на газовом топливе
и длительные простои бензиновой системы впрыска приводят к увеличению
затрат на техническое обслуживание последней. Дело в том, что при простое
электромагнитная форсунка (ЭМФ) перегревается и подвергается
ускоренному загрязнению [35]. В литературе приводятся данные, что при
работе ДВС на бензине периодичность очистки ЭМФ для автомобиля ГАЗ-
3110 составила 31800 км [103]. А при работе аналогичного автомобиля на
газовом топливе периодичность технического обслуживания бензиновых
форсунок составила 14900 км [104].
Таким образом, подача минимальных порций бензина в режиме
частичных нагрузок обеспечит значительное снижение затрат на техническое
обслуживание, при незначительном удорожании бинарного топлива. Кроме
того, активные центры реакций, полученные при горении из молекул
бензина, позволят интенсифицировать процесс горения и обеспечить более
полное сгорание топливно-воздушной смеси со всеми вытекающими из этого
положительными следствиями.
Предварительное значение L
примем равным 10/90.
eco
Режим средних нагрузок (40-70 %). Задача режима средних нагрузок
– это обеспечение компромисса между затратами на топливо, развиваемым
крутящим моментом двигателя и содержанием вредных веществ в
отработавших газах. В данном режиме предъявляются большие по
сравнению с режимом частичных нагрузок требования к крутящему моменту,
однако за счет меньшего количества времени, проводимого в данном режиме,
можно снизить требования к экологичности и экономичности.
Поскольку режим средних нагрузок является переходным между
режимом частичных и максимальных нагрузок, необходимо предусмотреть
ступенчатую характеристику увеличения мощности в зависимости от
нагрузки, а следовательно, и переменный состав топливной смеси. У верхней
86
Нагрузка на двигатель, %
границы нагрузок этого режима состав бинарного топлива близок к
мощностному, что обеспечит максимально быстрый отклик двигателя на
дальнейшее увеличение потребности водителя в крутящем моменте, если
такая возникнет.
Предварительный состав смеси в режиме частичных нагрузок L
будет определен далее по результатам моделирования.
avg
Режим высоких нагрузок (70-100 %). В данном режиме нагрузок
требуется максимально возможный крутящий момент двигателя и
используется мощностной состав бинарной смеси. Приоритет в параметрах
рабочего режима смещается с обеспечения наименьшего содержания
вредных веществ в отработавших газах и затрат на топливо в сторону
предоставления максимальной мощности ДВС. При этом экологичность и
экономичность двигателя ухудшаются, однако это не влияет на общую
картину данных показателей при эксплуатации ДВС, поскольку этот режим
используется периодически и кратковременно.
Общие параметры схемы регулирования состава бинарного топлива
представлены на рис. 3.10.
100
70
40
Рис. 3.10. Схема регулирования состава бинарного топлива
L=L
L=L
L=L
L
=0/100 (пуск)
start
1000 3000 6000
Частота вращения КВ, об/мин
max
avg
eco
L
=100/0 (ХХ)
idle
87
Состав топлива в режимах пуска, холостого хода и частичных нагрузок
был определен на основании существующих практических данных и
приведенных в литературе рекомендаций. Для определения
предварительного состава в режиме средних и высоких нагрузок требуется
оценить влияние различных соотношений бензина и сжиженного газа на
индикаторные показатели ДВС. Такая оценка была получена в результате
моделирования.
3.5. Проверка результатов работы алгоритмов на мате-
матической модели
Полученные в результате работы предложенных алгоритмов углы
опережения зажигания были подвергнуты предварительной проверке на
разработанной в гл. 2 модели. Объектом для моделирования был выбран
двигатель автомобиля ВАЗ 21108М (1,8 л 16 v), который будет
использоваться в дальнейшем для натурных испытаний. Перечень
использованных параметров приведен в табл. 3.2.
Параметры окружающей среды вводились с расчетом на совпадение с
прогнозируемыми условиями на время проведения экспериментов.
Необходимые параметры, связанные с работой двигателя, были получены
экспериментально.
Набор стандартных углов опережения зажигания был выписан из
соответствующей таблицы программы управления двигателем, после чего
проводилось моделирование кривых мощности и крутящего момента с
использованием стандартного набора УОЗ и набора УОЗ, рассчитанного по
предлагаемому алгоритму.
88
Таблица 3.2
Исходные параметры для моделирования
Название Значение Размерность
Конструкция ДВС
Количество цилиндров 4
Тактность двигателя 4
Объем камеры сгорания 42 см3
Объем цилиндра 443,3 см3
Степень сжатия 10,7
Радиус кривошипа 0,04 м
Длина шатуна 0,121 м
Ход поршня 0,08 м
Экспериментальные величины
Давление остаточных газов 0,1 атм.
Температура отработавших газов 900 °С
Температура подогрева свежего заряда 16 °С
Коэффициент эффективности сгорания 0,9
Механический КПД 0,8
Окружающая среда
Температура 25 °С
Атмосферное давление 1 атм.
Плотность воздуха 1,22 кг/м3
С учетом данных исходных параметров было проведено
моделирование процесса горения бинарного топлива различных составов.
89
3.5.1. Моделирование процесса горения бинарного топлива
В алгоритме используются различные соотношения бензина и
сжиженного газа L, которые устанавливаются на начальном этапе и
оказывают значительное влияние на конечный результат расчетов. Для
проверки расчетных процедур, описывающих влияние L на рабочий процесс,
было проведено исследование на разработанной в гл. 2 математической
модели.
Целью моделирования был расчет параметров рабочего цикла ДВС и
графиков внешних скоростных характеристик при работе на бинарном
топливе различных составов: L=90/10, L=80/20, L=70/30, L=60/40, L=50/50,
L=40/60, L=30/70, L=20/80, L=10/90. Моделирование проводилось в
программном пакете MathCad. Для учета горения различных видов топлив в
модели предусмотрены такие параметры, как: низшая теплотворная
способность топлива Hu, характер процесса горения m и условная
длительность горения топлива φz.
Для проверки модели предварительно были построены графики
внешних скоростных характеристик при работе ДВС только на бензине и
только на сжиженном газе (L=100/0 и L=0/100 соответственно). При этом
были использованы экспериментальные данные (расход воздуха, цикловое
наполнение, поправка ЦН и т.д.), справочные значения теплотворной
способности топлив [105] и учитывалось, что условная длительность горения
сжиженного газа больше длительности горения бензина [65, 106]. В общем
виде, согласно положениям разд. 2.4.1, теплота сгорания была задана
формулой (2.18), обеспечивающей увеличение длительности при росте
оборотов коленчатого вала.
Значение φ
, соответствующее продолжительности горения топлива на
z0
опорном режиме, определялось отдельно для каждого состава топлива, в
соответствии с предположениями о длительности ее сгорания. Для бензина
были использованы имеющиеся экспериментальные данные [83, 107] и
(100/0)
φ
z0
было принято равным 65°. Для сжиженного газа длительность
90
горения на опорном режиме была приравнена 75°. Результирующие графики
приведены на рис. 3.11.
Рис. 3.11. Моделирование ВСХ при использовании бензина и
сжиженного газа
Согласно расчетам, максимальный крутящий момент на бензине выше
крутящего момента на сжиженном газе на 6,8 %, что хорошо согласуется с
известными практическими данными [108-110] и косвенно свидетельствует о
корректности используемой модели.
При моделировании ВСХ для бинарного топлива принимались в расчет
моторные свойств топлив-компонентов, приведенные в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Сравнение ключевых моторных свойств компонентов бинарного топлива
Показатель Бензин Сжиженный газ
Воспламеняемость Лучше Хуже
Гомогеность образуемой
Хуже Лучше
топливно-воздушной смеси
Низшая теплотворная
Выше Ниже
способность
Детонационная стойкость Ниже Выше
Длительность горения Ниже Выше
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]