 |
III. Основные принципы управления автомобильными двигателями
|
|
|
|
1. Принцип оптимального управления.
Он заключается в том, что в процессе управления сначала оценивается влияние управляющего воздействия на параметры эксплуатационных характеристик двигателя и затем, на основании этой оценки формируется управляющий импульс, обеспечивающий оптимальное значение управляемого параметра.
Оптимизируемыми параметрами обычно являются токсичность отработавших газов, расход топлива и тяговая характеристика двигателя. Добиться одновременной оптимизации указанных параметров не представляется возможным. Так, наиболее эффективная очистка отработавших газов достигается при стехиометрическом составе горючей смеси, топливная экономичность – на обеднённой смеси, а максимальное тяговое усилие двигатель развивает на обогащённой смеси. Поэтому ЭБУ, в зависимости от обстоятельств отдаёт предпочтение одному из этих трёх параметров. Например, при пуске двигателя оно даёт управляющий импульс на обогащение горючей смеси. Но, всё-таки, основное время работы двигателя ЭБУ «заботится» о малой токсичности отработавших газов.
2. Дискретно – цикловой принцип управления двигателем.
Классификация командных параметров, по мнению авторов [3] представлена
на рис. 1.2.7.
Рис. 1.2.7. Классификация командных параметров в системах управления
автомобильными двигателями (штриховая линия указывает наличие дополнительной информации для компьютера)
Так как двигатель имеет дискретный характер протекания рабочего процесса, то и управляющие импульсы с ЭБУ логично посылать в зависимости от командного параметра, характеризующего состояние рабочего тела в каждом, отдельно взятом цикле. Учитывая, что оптимальный состав горючей смеси зависит от циклового расхода воздуха, то и командным параметром следует считать этот параметр.
|
|
|
Цикловой расход воздуха, как командный параметр, имеет определённую степень условности по следующим причинам:
· в химической реакции сгорания топлива участвует не весь воздух, а имеющийся в нём кислород. Поэтому за командный параметр, следует взять именно цикловой расход кислорода;
· рабочая смесь наряду с горючей смесью, содержит также отработанные газы;
· рабочая смесь находится в неопределённой для каждого цикла степени гомогенизации.
В обычных карбюраторах главным командным параметром является состояние воздуха в диффузоре. Достоинством этого является отсутствие промежуточных звеньев при воздействии на топливо. Однако параметрическое состояние воздуха в диффузоре является информацией за определённый интервал времени, например за 1с. В результате имеет место несогласованность между необходимостью дискретного дозирования топлива и непрерывным процессом смесеобразования в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя.
Из теории ДВС известно, что:
, 
(1)
где: 
– масса рабочего тела, поступившего в цилиндр за период с момента открытия впускного клапана до перемещения поршня в НМТ;
Ра, Та – соответственно давление и температура в цилиндре в момент прохождения поршня НМТ;
Rг.с – газовая постоянная горючей смеси (или воздуха).
За период задержки закрытия впускного клапана (40 - 90º поворота к.в. после НМТ) могут иметь место:
– обратный выброс горючей смеси – 
;
– дозарядка цилиндра – 
;
Всё зависит от соотношения давлений в цилиндре и перед впускным клапаном. А именно, при малой частоте вращения превалирующим будет 
и, по мере увеличения частоты вращения наступит момент когда 
= 
На больших же частотах вращения превалирующим будет .
|
|
|
Таким образом:
. (2)
Так как количество горючей смеси или воздуха непрерывно меняется, то в качестве главного командного параметра для дозирования топлива следует использовать массовое наполнение цилиндра в момент закрытия впускного клапана, то есть в момент изоляции цилиндра от внешней среды. При этом характеристическое уравнение примет вид:
. (3)
С учётом того, что Vз.к и Rс.м – постоянные величины, то
. (4)
Для непосредственного измерения давления Рз.к и температуры Тз.к нужна специальная малоинерционная стробоскопическая аппаратура, с датчиками, установленными в полости цилиндров. Практически, пока, это в массовом производстве не представляется возможным.
Согласно многочисленным исследованиям массовое наполнение цилиндра при прочих равных условиях однозначно зависит от среднего давления в цилиндре в течение процесса впуска. А среднее давление в цилиндре в процессе впуска определяется абсолютным давлением во впускном трубопроводе Ртр.абс (рис. 1.2.8).
Рис.1.2.8. Зависимость среднего давления Ра ср в цилиндре от
абсолютного давления Ртр. абс во впускном трубопроводе в
зоне клапана двигателя с рабочим объёмом 6л при:
– n = 800 мин -1; 
– n = 1600 мин -1; +– n = 3200 мин -1
Поэтому в качестве главного командного параметра, приближённо характеризующего массовое наполнение цилиндров, применяют абсолютное давление во впускном трубопроводе, в качестве же корректирующих параметров – температуру смеси (воздуха) в зоне впускного клапана и скоростной режим двигателя.
Параметр Ртр.абс в отличие от Ра.ср является весьма удобным командным параметром для дозирования топлива по следующим причинам:
-нет надобности для стробоскопирования;
-при постоянной температуре заряда он практически для всего поля режимов работы двигателя даёт достаточную информацию о наполнении цилиндра.
На рис. 1.2.9 показана зависимость мощностных и экономических цикловых расходов топлива 
от среднего эффективного давления Ре [3].
Рис. 1.2.9. Зависимости мощностных и экономических цикловых
расходов топлива от среднего эффективного давления
Зависимость составов горючей смеси от абсолютного давления горючей смеси во впускном трубопроводе в зоне впускного клапана и зависимость энергетических и экономических показателей двигателей с различными рабочими объёмами, но близкими по значению степенями сжатия от абсолютного давления во впускном трубопроводе, показаны соответственно на рис. 1.2.10 и 1.2.11. Эта закономерность базируется (в первом приближении) на единой зависимости удельного циклового наполнения двигателей от абсолютного давления воздуха во впускном трубопроводе [4, 5].
|
|
|
Рис. 1.2.10. Зависимость составов горючей смеси от абсолютного давления горючей смеси во впускном трубопроводе в зоне клапана:
– коэффициенты избытка воздуха соответственно при экономичном, оптимально-экономич-ном и мощностном составах смеси
Рис. 2.11. Зависимости энергетических и экономических показателей
от абсолютного давления во впускном трубопроводе
Бесспорно, использование в качестве главного командного параметра циклового расхода воздуха лучше, чем абсолютного давления во впускном трубопроводе. Но, вместе с тем, цикловой расход воздуха в качестве главного параметра требует коррекции. Программа оптимального дозирования топлива по выбранному критерию определяет основные параметры процесса сгорания, а на него существенное влияние оказывает степень турбулентности смеси, зависящей от частоты вращения КВ. Чем выше турбулентность, тем большее влияние на программу дозирования частоты вращения к.в.
Рассматривая зависимости длительности τ командного импульса, подаваемого на форсунку, а, следовательно, и дозы поданного топлива от циклового расхода воздуха (рис. 1.2.12) и от абсолютного давления воздуха во впускном трубопроводе (рис. 1.2.13), можно заметить, что при использовании в качестве командного параметра циклового расхода воздуха влияние величины n меньше. Таким образом, корректировать влияние частоты вращения вала можно в меньшей степени, чем при использовании в качестве главного командного параметра абсолютного давления во впускном трубопроводе [3].
Итак, основными факторами, препятствующими применению в качестве главного параметра абсолютного давления во впускном трубопроводе, являются:
|
|
|
– необходимость информации о количестве циклов в единицу времени, то есть о скоростном режиме двигателя;
– необходимость промежуточного звена для дозирования топлива.
Рис. 1.2.12. Зависимость длитель- Рис. 1.2.13. Зависимость величины τ
ности командного импульса от от абсолютного давления во впуск-
циклового расхода воздуха ном трубопроводе
Существующие расходомеры воздуха позволяют применять в качестве главного командного параметра цикловой расход воздуха. Когда же будет разработан простой и надёжный измеритель расхода кислорода, то, разумеется, этот расход будет применяться в качестве главного командного параметра.
|
|
|
