2015-08-17
04-22 15 12 08 02-28
Электронное управление двс
1. Введение
Водитель, как известно, управляет автомобилем. Кучер управляет лошадью. А как,по-вашему, может он «управляет» и двигателем?Он же воздействует на педаль «газа», переключает передачи, у него есть возможность нажимать на тормоз... На обывательском уровне можно сказать, что он управляет двигателем - нажал побольше – машина ускоряется, поменьше, напротив – едем медленнее.
Кроме водителя как-то воздействующего на двигатель, возле него или в нем самом имеются регулирующие устройства. Эти устройства, как и водитель, воздействуют на некоторые параметрыдвигателя. Допустим, регулятор УОЗ (в первобытном ДВС) устанавливает УОЗ – параметр ДВС.
На самом деле водитель подобно кучеру как бы отдает команду двигателю ехать быстрее или медленнее. Иными словами водитель меняет режим работы ДВС - переходит с одного на другой, а управляют работой двигателя некоторые системы, которые мы должны относить к самому двигателю. Если опять провести аналогию с лошадью, кучер не управляет внутренними процессами у лошади - ноги у нее шевелятся как составная часть ее организма.
Для системы водитель-автомобиль-двигатель, водитель, нажимая на газ как бы "отдает приказ" двигателю работать с большим или меньшим крутящим моментом, а некоторые системы двигателя задают, сколько и в какой момент подать топлива, какой установить УОЗ и т.д.
Итак, под управлением двигателем будем понимать воздействие на внутренние процессы, которые по возможности должны быть наиболее оптимальными. Протекание процессов в ДВС определяется рядом параметров, которые разделим на режимныеирегулировочные- параметры, задаваемые вне и внутри системы управления. Иногда один и тот же параметр может быть и режимным и регулировочным в одной системе в разные моменты времени. В разных конструкциях ДВС один и тот же параметр может быть либо только режимным, либо только регулировочным. Такое деление требуется нам в первую очередь для правильного понимания процесса управления.
Режимныепараметры: положение задатчика мощности, фактическая мощность двигателя = крутящий момент и частота вращения, температурное состояние двигателя, параметры окружающего воздуха (температура и давление). Если двигатель установлен на автомобиле, основная часть режимных параметров задается водителем (положение задатчика мощности -педали "газа" и выбранной передачей в КПП). Остальная часть задается дорожной обстановкой (продольный уклон дороги, загрузка автомобиля, сопротивление качению) и метеоусловиями - температурой окружающего воздуха и атмосферным давлением. Если двигатель установлен не на автомобиле, основные режимные параметры должны задаваться в соответствии с характеристиками потребителя мощности, которыми могут быть электрогенераторы, пилы, насосы и т.д…
Задатчик мощности (педаль газа) для обычных бензиновых двигателей (точнее - для ДВС с количественным регулированием) непосредственно связан с дроссельной заслонкой, т.е. задает количество воздуха, поступающее в двигатель, а система управления использует этот параметр как входной - режимный. Для дизельных ДВС с механическим управлением задатчик мощности (педаль газа) воздействует на цикловую подачу топлива, но не на 100%, т.е. система управления вносит свою долю в формирование фактической топливоподачи. В перспективе для электронных систем управления ожидается 100% управление и топливом, и воздухом для всех типов двигателей, т.е. задатчик мощности будет выступать лишь как информационный параметр.
В узком смысле под управлением ДВС будем понимать воздействие только на регулировочные параметры. Регулировочныеп. - количество топлива для ДВС с количественным регулированием – к. избытка воздуха, момент зажигания и впрыска, токсичность отработавших газов. Регулировочным параметром м.б. и положение дроссельной заслонки, когда речь идет о регулировании частоты ХХ или работы в режиме "круиз-контрол". Если пофантазировать, сюда же можно отнести управление фазами газораспределения, степенью сжатия и т.д., т.е. любыми параметрами, влияющими на эффективность работы ДВС.
В широком смысле под управлением ДВС будем понимать обеспечение взаимосвязи режимных и регулировочных параметров двигателя.
Управление как таковое, т.е. воздействие на объект имеет 3 уровня сложности.
Самое простое – разрешение/запрет или включено/выключено.
Следующий уровень – реализация заранее известной функции: состояние управляемого объекта (регулировочного параметра) устанавливается по жесткой функции от режимных параметров. (Пример УОЗ и длительность впрыска по наполнению и частоте.)
Третий уровень – управление с обратной связью. Ставится задача - получение некого показателя - чаще всего - поддержание некого параметра на заданном уровне. Например, поддержание на заданном уровне частоты холостого хода, состава смеси для лучшей работы каталитического нейтрализатора ОГ и т.д. В отличие от предыдущего уровня обратная связь компенсирует все (!) неточности датчиков, измерительных цепей, исполнительных узлов и неучтенных факторов. Заметим, что в данном случае в качестве функции цели могут выступать и режимные параметры (частота вращения для самостоятельного ХХ), которые превращаются в регулировочные.
Для хоть какой работы двигателя с искровым зажиганием необходимо приготовить в цилиндрах топливовоздушную смесь, которая способна гореть и в соответствующий момент времени обеспечить ее воспламенение. Для эффективной работы ДВС топливовоздушная смесь должна быть приготовлена оптимального состава (оптимальным должно быть соотношение воздуха и топлива, а также структура смеси), момент воспламенения должен также быть оптимальным.
Пределы воспламеняемости (горючести) бензо-воздушных смесей в условиях двигателя находятся в пределах 5-8...16-20 (соотношение по массе воздуха и топлива), а по углу опережения зажигания (УОЗ) - от 60 градусов до ВМТ вплоть до 20 град. после ВМТ. Оптимальные величины топливо-воздушного соотношения обычно находятся в пределах 13...14 для полных нагрузок и 14.5...16 для частичных нагрузок.
Оптимальные УОЗ имеют диапазон 60...2 град. Требуемая точность установки УОЗ с т. зр. экономичности составляет 2...4 град., с т.зр. детонации – 1…2 градуса. Особенно ощутимо одновременное неоптимальное сочетание состава смеси и УОЗ на потерю эффективности работы ДВС (на отдельных режимах резерв по топливной экономичности доходит до 10-15 %).
Механические устройства управления двигателем - приготовления смеси - карбюратор и механические системы управления УОЗ (центробежный и вакуумный автомат) лишь приблизительно обеспечивают потребности двигателя для оптимального управления. Совокупность предъявляемых ныне требований к автомобилям эти устройства выполнить не в состоянии. Причиной столь категоричного заявления могут служить все более жесткие нормы токсичности отработавших газов (ОГ).
Либеральные нормы на токсичность ОГ, существовавшие до сих пор в нашей стране и в Европе до 1993 года по существу признавали де факто правильно отрегулированный карбюратор и систему зажигания классического образца.
Потом выяснилось, что за счет воздействия на рабочий процесс в двигателе можно улучшить показатели по токсичности в 1.5 раза и за счет совершенствования конструкции вытянуть снижение до 2 раз, реже - до 3 раз. Эти меры - более точное регулирование состава смеси и УОЗ, рециркуляция отработавших газов (подавление NOx), расслоение заряда, т.н. электронный впрыск бензина (с электромагнитными форсунками). Как альтернатива бензину нашли применение разработки, использующие пропан-бутановые смеси (сжиженный газ), и метан (природный газ).
Совершенствование двигателя и его процессов ушло как бы на второй план - снижение токсичности достигается вне двигателя - нейтрализатором, но эффективная работа каталитического нейтрализатора обеспечивается при точном поддержании топливо-воздушного соотношения около стехиометрического (для разных бензинов эта величина различна и составляет от 14.5 до 14.9). Впрыск бензина в первую очередь приобретает значение как средство более точного дозирования топлива, а не средство совершенствования процессов в самом двигателе.
Но законодателям этого было явно недостаточно и пришлось воздействовать на сами ОГ для их нейтрализации. Более жесткие нормы токсичности (Евро-1, 1993 и более поздние), введение обязательных устройств для исключения выбросов испарений бензина на неработающем двигателе вызывают бурное применение электронного впрыска бензина с использованием каталитических нейтрализаторов. Суммарные выбросы токсичных компонентов (NOx, CH, CO)снижаются в 10-100 раз. Причём нормыEuro5 по этим основным компонентам остались такими же как в стандартеEuro4, из чего можно заключить, что возможности снижения токсичности исчерпаны.
Итак, почему механические системы управления не в состоянии успешно конкурировать с электронными? Электронные системы позволяют по сравнению с механическими:
а) более точное измерение и управление, в т.ч. и по нелинейным зависимостям, управление с обратной связью в случае немеханических датчиков
б) возможен учет большего числа факторов
в) диагностика и самодиагностика (принципиальная возможность и необходимость)
г) адаптивное управление при наличии неисправностей
д) высокая надежность электронных устройств
е) способствует созданию более эффективных конструкций агрегатов и ДВС в целом
А). Для эффективной работы нейтрализатора требуется точность дозирования топлива на уровне 1-2%, что достигается при электронном регулировании с обратной связью. Для примера, разброс дозирования карбюраторов достигает 9%.
Б). Двигатель как система управления является многофакторной системой. Значения регулировочных параметров (состав смеси, УОЗ, степень открытия регулятора воздуха) зависят от таких факторов как: положение и скорость открытия дроссельной заслонки, расход и температура воздуха на впуске, температура в системе охлаждения и стенок камеры сгорания, частота вращения коленчатого вала и пр.
Механические системы управления используют ограниченное число факторов и работают по линейным или релейным характеристикам. Так карбюратор реагирует на положение дроссельной заслонки, скорость ее открытия и расход воздуха. Центробежный регулятор УОЗ - на частоту вращения, вакуумный - дополнительно корректирует УОЗ по давлению во впускной трубе, косвенно определяя нагрузку двигателя.
В). Существует мнение, что электронные системы неоправданно сложны. На этот счет следует сказать, что эти системы имеют принципиальную возможность самодиагностироваться, либо при наличии внешних диагностирующих устройств - легче диагностироваться. В начале применения электронных блоков вопросы диагностики оставались целиком вне этих блоков. Теперь все современные блоки управления имеют ресурсы встроенной диагностики OBD (On Board Diagnostic)
Г). В современных системах управления при возникновении неисправностей, зажигается лампа «Check Engine»и система пытается работать по аварийной программе. Здесь бывают и забавные ситуации. При отказе кислородного датчика система может делать езду дискомфортной, подталкивая Джона или Фрица съездить на сервисную станцию...
Д). Высокая надежность электронных устройств у меня не вызывает сомнений. Отсутствие движущихся, трущихся частей предопределяет это положение
Е). Вначале применение электронных устройств «приспосабливалось» к существующим конструкциям ДВС, позднее, когда поняли, что это - хорошо, конструкции ДВС стали разрабатываться уже под электронное управление. (Например, в прежние времена на базе ЗМЗ-402 сделана разработка двигателя 4024.10, ЗМЗ-406 базовый вариант был с впрыском, на который спустя многие годы был таки установлен карбюратор! Чем этот двигатель отличается от чисто карбюраторного по конструкции? …- отсутствие распределителя зажигания).
Итак, возможности электронно-управляемых устройств велики, ну а насколько плохи традиционные - механические устройства?