Лекція 10. Мпск розподілом навантаження між циліндрами

Мета регулювання розподілу навантаження між циліндрами, яке використовується в дизелях – підвищення ефективності роботи двигунів за рахунок наближення до оптимального повітряно–паливного відношення в кожному з циліндрів. Регулювання навантаження досягається також зміною кількості працюючих циліндрів (циклів) двигуна. Воно доповнюється регулюванням розподілу навантаження між працюючими циліндрами (зменшення нерівномірності). Обидва шляхи забезпечують покращення якості робочого процесу поєднанням економічних і екологічних показників.

Регулювання рівномірності розподілу навантаження між циліндрами звичайно здійснюється вручну під час стендових випробувань двигуна або в експлуатації. В адаптивних МПСК таке регулювання може проводитися автоматично неперервно або періодично в будь–яких умовах і з високою точністю. Неодмінний компонент регулювання навантаження – електронні паливні системи. У імпульсних електронних паливних системах основний електрогідравлічний перетворювач, наприклад, електрокеровані форсунки одночасно виконує функцію виконавчого механізму системи регулювання частоти обертання двигуна і системи регулювання навантаження.

МПСК рівномірності розподілу навантаження працюючих циліндрів або відхилень навантаження працюючих циліндрів від середнього значення доцільно використовувати у всьому діапазоні режимів роботи двигуна як в поєднанні з системою керування кількості працюючих циліндрів, так і без неї.

Розподіл навантаження по циліндрах конкретного зразка двигуна в різних умовах роботи має випадковий характер. Тому регулювання розподілу навантаження за жорсткими, одноразово встановленими програмами не гарантує досягнення бажаного ефекту. Доцільне неперервне або періодичне визначення нерівномірності навантажень циліндрів безпосередньо на кожному конкретному працюючому двигуні.

Неодноразово робилися спроби створення системи регулювання розподілу навантаження циліндрів з оцінкою навантаження окремих циліндрів за інформацією від різних давачів або навіть комплексів давачів, контролюючих параметри робочого процесу і встановлюваних на кожен циліндр. Цей шлях істотно ускладнює і здорожує систему керування двигуна при зниженні її надійності.

Доцільніші системи, що використовують метод примусового періодичного короткочасного відключення циліндрів шляхом припинення подачі палива, а при нагоді і повітря. Частка навантаження, яку ніс відключений циліндр, може бути оцінена наступившим в результаті дії регулятора частоти обертання максимальним або сталим відхиленням цієї частоти. Частка навантаження відключеного циліндра може бути оцінена за максимальним відхиленням частоти в перехідному процесі, викликаному відключенням конкретного циліндра. При цьому необхідні висока точність визначення максимального відхилення, спеціальна методика виключення систематичних і випадкових перешкод.

Зручніший для реалізації спосіб оцінки частки навантаження відключеного циліндра за зміною вихідного сигналу регулятора частоти, викликаному відключенням подачі палива в цей циліндр.

Експеримент для визначенням рівномірності навантаження найзручніше вести в усталених режимах. Для цього у складі МПСК розподілом навантаження між циліндрами, представленої на рис. 4.19, також необхідний блок контролю режимів БКР, який оцінює сталість частоти або вихідного сигналу регулятора частоти за задане число циклів роботи двигуна.

Рис. 4.19. МПСК розподілом навантаження між працюючими циліндрами двигуна

САРЧ – система автоматичного регулювання частоти обертання двигуна: ЗЧ – задавач частоти обертання; РЧ – регулятор частоти обертання; К – коректор вихідних сигналів; ФРІ – формувач–розподільник командних імпульсів; ЕУФ –електрокеровані форсунки; ЗР – задавач режиму роботи двигуна;

СВВН – система вимірювання відхилень навантажень циліндрів від середнього значення: БКР – блок контролю режимів; БВЦ – блок відключення циліндрів; БС – блок сумування; БД – блок ділення; ЗОР – задавач оптимального за поєднанням рівномірності розподілу навантажень і запасу стійкості до автоколивань межі відхилення навантажень; БП_1-3 – блоки пам'яті; БПР_1-4 – блоки порівняння. СКН – система корекції навантажень циліндрів: СК – система контролю і діагностики; ЗГК – задавач гранично допустимих рівнів корекції; БФКС – блок формування коректуючих сигналів. І_к – положення педалі керування двигуном; І_зч – положення механізму зчеплення; N_п – номер включеної передачі; N_e – навантаження на двигун; р_н – тиск наддуву; t_м – температура масла; u_ч – вихідний сигнал регулятора частоти; u_чк – вихідний сигнал регулятора частоти з корекцією подач.

У схемі на рис. 4.19, окрім пристроїв, ідентичних використаним в схемах на рис. 4.11 і 4.17, представлені: блоки періодичного відключення циліндрів для проведення експериментів (БВЦ), сумування (БС), ділення (БД), задавач оптимального за поєднанням рівномірності розподілу навантажень і запасу стійкості до автоколивань межі відхилення навантажень (ЗОР), блок формування коректуючих сигналів (БФКС), коректор вихідних сигналів регулятора частоти, що подаються в канали електронних паливних систем (наприклад, на електрокеровані форсунки) регульованих циліндрів (К), задавач гранично допустимих рівнів корекції (ЗГК) і система контролю і діагностики (СК).

У складі МПСК розподілом навантаження циліндрів можна, окрім САРЧ, виділити систему вимірювання відхилення навантажень циліндрів від середнього значення (СВВН) і систему корекції навантажень циліндрів (СКН). За сигналом блоку контролю режимів, сформованому при незмінності вихідного сигналу регулятора частоти, значення вихідного сигналу фіксується в блоці пам'яті БП₁. Блок відключення циліндрів через формувач-розподільник по черзі вимикає подачу палива форсунками. Усталене після відключення чергового циліндра значення вихідного сигналу регулятора частоти порівнюється в блоці порівняння БПР₁, з початковим, зафіксованим в БП₁. Виявлена величина зміни вихідного сигналу фіксується в БП₂ і сумується із змінами, виявленими при відключенні інших циліндрів. Після закінчення циклу відключень циліндрів двигуна підсумкове значення з суматора ділиться на число працюючих в заданому режимі циліндрів. Внаслідок чого визначається середнє по всіх перевірених циліндрах значення змін вихідного сигналу регулятора частоти.

У БПР₂ визначаються для кожного циліндра вsдхилення зміни вихідного сигналу регулятора частоти, зафіксованого в БП₂, від середнього значення. Кожне з відхилень в БПР_З порівнюється із заданим допустимим відхиленням, що відповідає оптимальній для конкретного режиму роботи двигуна нерівномірності навантаження циліндрів. Для циліндрів, відхилення у яких більше заданого, блок-формувач формує крок коректуючої дії, який для виключення автоколивань повинен бути менше заданого допустимого відхилення.

Крок коректуючої дії для кожного циліндра в БП_З сумується з накопиченими раніше коректуючими діями для конкретного режиму роботи двигуна, визначуваних поточними значеннями частоти обертання і вихідного сигналу регулятора частоти. Сумарне значення коректуючої дії по конкретному циліндру порівнюється в БПР₄ з гранично допустимим рівнем корекції, що поступає із задавача гранично допустимих рівнів корекції.

Якщо по деякому циліндру виявиться, що сумарна корекція перевищує допустиму межу, коректуюча дія по цьому циліндру обмежується гранично допустимим значенням, а інформація про це поступає в систему контролю і діагностики двигуна. Ця інформація використовується як свідоцтво порушень в циліндрі, що виходять за межі можливої автоматичної корекції і вимагають оцінки справності деталей конкретного циліндра. Процедура пошуку і корекції навантаження циліндрів є і активною діагностикою, виконуваною без застосування спеціальних діагностичних давачів.

Допустиме ж значення корекції поступає в коректор вихідних сигналів регулятора частоти, де воно в циклі формування подачі в конкретний циліндр сумується з вихідним сигналом регулятора частоти.

Введення коректуючих поправок до вихідного сигналу регулятора частоти по виявленій зайвій нерівномірності навантаження циліндрів є кроковою ітераційною процедурою в системі корекції з контролем нерівномірності після кожного циклу оцінки нерівномірності і корекції. У кожному циклі коректуючі сигнали по кожному циліндру сумуються. Процес корекції закінчується після досягнення оптимальної рівномірності розподілу навантажень.

Така МПСК розподілом навантаження циліндрів є пошуковою адаптивною системою. Остаточні значення коректуючих сигналів для кожного циліндра в дослідженому режимі, накопичені в БПз, забезпечують програмне адаптивне регулювання рівномірності розподілу (відхилень) навантаження в паузах між циклами регулювання рівномірності розподілу навантаження і в перехідних процесах.

Головна особливість описаних варіантів МПСК числом працюючих циліндрів і МПСК рівномірністю розподілу навантаження – використання алгоритмів, що не вимагають введення в систему додаткових пристроїв, окрім використовуваних в САРЧ. Поставлені завданння досягаються тільки алгоритмічними засобами на основі робочої інформації в САРЧ.

У двигунах з іскровим запаленням аналіз рівномірності роботи циліндрів використовується, в основному, з метою діагностики стану систем паливоподачі, газообміну і циліндро-поршневих груп.

4.10. МПСК ПОТУЖНІСТЮ ДВИГУНА

У бензинових двигунах, в яких використовується гомогенні паливоповітряні суміші для регулювання потужності, в основному, використовують зміну кількості робочої суміші. Для цього водій за допомогою педалі, механічно пов'язаної з дросельною заслонкою, змінює її положення, змінюючи тим самим густину і масу суміші, що поступає в циліндри.

Для автоматизації керування потужністю за допомогою МПСК механічний зв'язок педалі з дросельною заслонкою розривається. На педалі встановлюється давач кутового положення педалі, який визначає кут відкриття заслонки. Дросельна заслонка керується електричним або електропневматичним приводом. Схема такого керування показана на рис. 4.4. При електронному керуванні заслонкою можлива і автоматична підтримка потужності двигуна, необхідної для збереження заданої частоти обертання двигуна або швидкості руху автомобіля. Для цього на педалі водія встановлюється задавач частоти обертання двигуна (або швидкості руху автомобіля), а в мікроконтролер вводиться сигнал зворотного зв'язку про частоту обертання двигуна або швидкості руху автомобіля. Схема такого керування приведена на тому ж рисунку.

У бензинових двигунах з безпосереднім уприскуванням палива в циліндр з'являється можливість організувати спрямоване розшарування заряду, що забезпечує спалювання бідних сумішей. Проте, в цих двигунах при повному навантаженні, а іноді і на деяких інших режимах доводиться переходити до спалювання гомогенної суміші. Тому не вдається у всьому полі робочих режимів використовувати однаковий метод керування потужністю. При роботі на гомогенній суміші для керування потужністю використовується кількісний метод, а при спалюванні розшарованих зарядів змінюється величина циклової подачі палива одночасно із зміною розшарування заряду. На деяких режимах доводиться одночасно змінювати і кількість поступаючої суміші, і її склад.

У дизелях зміна потужності двигуна при сталій частоті обертання валу досягається зміною циклової подачі палива регулятором частоти обертання. У МПСК створюються можливості автоматичного регулювання власне потужності. У ній найпростіше реалізується так званий «двигун сталої потужності». Для цього МПСК змінює завдання регулятору частоти обертання відповідно обчислюваному в ній крутному моменту. Незрівнянно ширші можливості керування потужністю є в МПСК дизель-генераторів автомобілів з електричними передачами. Функціональна схема такої МПСК представлена у складі комплексної адаптивної МПСК двигуном на рис. 4.2. У ній діють локальні системи регулювання частоти обертання і потужності дизель-генератора. Потужність (навантаження двигуна) регулюється зміною збудження генератора. У перехідних процесах регуляторам частоти і навантаження видаються узгоджені програми зміни завдань. Зокрема, повністю алгоритмічними засобами досяжний оптимальний за тривалістю і витраті палива процес розгону і навантаження. В усталених режимах кожному заданому значенню потужності пошуковою адаптацією вибирається оптимальна за витратою палива частота обертання.

4.11. МПСК ОБМЕЖЕННЯМИ ПОДАЧІ ПАЛИВА

У загальному випадку мета обмежень – виключення режимів з механічними і термічними перевантаженнями двигуна, з явно зайвою подачею палива і неприпустимими викидами в атмосферу, рівнями шуму і вібрації.

У алгоритмах керування (бажано у всіх) повинні враховуватися обмеження, як на керовані параметри, так і на керуючі дії двигуна. У двигунах із звичними механічними системами діє один, максимум два обмежуючі параметри і, притому, з великим запасом за величиною обмеження. У МПСК кількість обмежуючих параметрів може бути збільшено до будь-якого необхідного рівня.

На рис. 4.20 представлена методика формування обмежень крутного моменту двигуна.

Рис.4.20. Формування обмежень крутного моменту двигуна: 1, 2, 3, 4 – бмеження за різними параметрами

Показані на рисунку криві обмежують величину крутного моменту, за різними технічними (міцність, знос), економічними, екологічними та іншими параметрами. Обмеження здійснюються за мінімальними ординатами сукупності кривих. На рис. 4.20 результуючу криву обмежень відмічено штрихуванням. Набір кривих (обмежуючих параметрів), які треба брати до уваги, різний за різних умов роботи двигуна.

Набір обмежень, що враховуються, змінюється автоматично в МПСК за контрольованими впливами або водієм залежно від умов експлуатації (центр міста, заміське шосе або аварійна ситуація).

Обмеження реалізуються у вигляді максимально допустимої цикловій подачі палива. При роздільному керуванні параметрами уприскування палива воно розпадається на узгоджені обмеження тривалості, тиску і форми характеристики уприскування. При застосуванні МПСК, у кожному конкретному випадку, ці обмеження мінімальні за величиною і регулюються з великою точністю.

Для програмного адаптивного керування обмеженнями необхідна інформація про значно більшу кількість параметрів і умов роботи двигуна. Тому доцільніша пошукова адаптація в керуванні обмеженням подачі палива.

Вона здійснима в усталених режимах, наприклад, шляхом крокової добавки подачі палива в один з циліндрів і оцінкою величини зменшення вихідного сигналу регулятора частоти обертання двигуна, викликаного кожним пробним кроком і зниженням подачі палива в решту циліндрів для підтримки заданої частоти обертання. При достатньо великих подачах в результаті зниження повітряно-паливного відношення ефективність згорання чергових добавок подач палива у вибраний циліндр знижуватиметься і відповідно зменшаться необхідні зміни у вихідному сигналі регулятора.

Зменшення реакції регулятора до деякого заданого мінімального рівня свідчитиме про те, що при наявному тиску наддувного повітря, подача палива у вибраний для пошукового експерименту циліндр досягла межі за ефективністю згорання. Сумарне значення сигналу, що визначає подачу палива в дослідний циліндр, і є обмеженням вихідного сигналу регулятора частоти за якістю згорання палива для конкретних параметрів двигуна і умов його роботи.

Адаптація при керуванні обмеженнями здійснима не тільки програмними і пошуковими системами, можлива аналітична адаптація, наприклад, в системах з моделлю. За одержаними результатами пошукової адаптації шляхом аналітичної адаптації можуть бути скоректовані обмеження подачі палива і для інших параметрів і умов роботи двигуна. Не виключено і поєднання програмної, пошукової і аналітичної адаптацій.

Всі встановлені поправки реалізуються кінцево в програмній адаптації. В результаті підвищення точності керування обмеженнями подачі палива в процесах розгону і підвищення навантаження на двигун, може бути реалізований більший крутний момент без небезпеки виходу за допустимі значення основних керованих параметрів двигуна і при збереженні його надійності. Відповідно знижується необхідний запас потужності за похибками обмеження подачі палива.