Аналитический обзор проблемы разработки микропроцессорной системы управления автомобильными двигателями.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ РАЗДЕЛ

Проблема улучшения экономических показателей и острая необходимость значительного уменьшения выбросов вредных веществ двигателями внутреннего сгорания, возникшие в по­следние десятилетия, заставили ведущие, и в первую очередь автомобильные, фирмы активно вести разработку микропроцессорных систем управления (МПСУ) как наиболее эффективных для решения поставленных задач, наряду с необходимостью улучшения рабочих процессов и нейтрализации отработавших газов двигателей [18].

Высокие значения к.п.д. двигателя, не оснащенного МПСУ, достигаются в небольшой части поля его рабочих характеристик, получение же наилучших результатов во всем диапазоне режи­мов и условий работы двигателя является наиболее важным требованием, предъявляемым дви­гателю, оснащенному данной системой.

МПСУ радикально повышает качество двигателя, обеспечивая существенное улучшение экономических и экологических характеристик, увеличение мощности двигателя и эксплуатационной надежности. МПСУ содействует совершенствованию всего жиз­ненного цикла двигателя от разработки, производства и до эксплуатации. Основной эффект, соз­даваемый МПСУ – снижение расхода топлива при ограничении в первую очередь экологических параметров за счет оптимизации рабочего процесса на всех режимах работы двигателя, в том числе, и на режимах холостого хода, уменьшения устойчивой частоты вращения, оптимизации переходных процессов по их длительности и расходу топлива.

Применение МПСУ на автомобильных двигателях значительно облегчило выполнение эко­логических норм 2000 - 2005 гг. - EURO IV.

Электронное управление, обеспечив большую устойчивость переходных процессов в двига­теле и меньшую жесткость его рабочего процесса, а, следовательно, меньшие шум и вибрацию, ликвидировало преимущества по этим параметрам предкамерных и вихрекамерных дизелей, со­хранив и даже несколько увеличив преимущества неразделенных камер сгорания по экономично­сти.

Появившаяся с МПСУ возможность применения двухфазного впрыскивания топлива позво­лила практически всем зарубежным фирмам создать автомобильные дизели с непосредственным впрыскиванием, в том числе, и для легковых автомобилей.

Потребителям же двигателей МПСУ обеспечила наличие широкого спектра дополнительных возможностей, в том числе: расширение номенклатуры вариантов двигателей с более узкой спе­циализацией по назначению и условиям применения, при отличиях между ними только в про­граммном обеспечении микроконтроллера; совершенствование автоматической аварийной защи­ты и диагностирования двигателя и связанных с ним агрегатов, улучшение пусковых и тормозных характеристик.

Наличие МПСУ повысило качество эксплуатации двигателей, создав возможность введения централизованного контроля и управления эксплуатацией, при одновременном ее упрощении. Это явилось следствием исключения ручных регулировок и настроек агрегатов двигателя, опера­тивного контроля и наличия автоматической коррекции настроек, систематического совершенст­вования алгоритмов управления на основе анализа информации о результатах эксплуатации, как конкретного двигателя, так и всех однотипных двигателей.

Кроме того, МПСУ привела к уменьшению затрат на ремонтное обслуживание и его упроще­нию, например, за счет исключения механических и гидромеханических регуляторов частоты вращения; необходимости ручных

регулировок топливной аппаратуры на специальных стендах.

Как показала практика, надежность двигателя с применением МПСУ повысилась. Введение МПСУ позволило сохранить заданный уровень технических параметров автомобиля сначала на протяжении 80 тыс. км пробега, а с 1996 г. увеличить эту цифру до 160 тыс. км.

Такое повышение надежности двигателя обеспечивается следующими возможностями МПСУ:

- совершенствованием конструкции;

- управлением ограничениями подачи топлива;

- заменой механических связей электронными;

- снижением минимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу;

- исключением необходимости длительной работы на холостом ходу;

- непрерывным диагностированием двигателя и микроконтроллера;

- совершенствованием аварийных защит;

- минимизацией номенклатуры и количества функционально необходимых элементов МПСУ; стратегией надежности, реализуемой алгоритмически в микроконтроллере; совершенствованием эксплуатации.

Совершенствование конструкции двигателя заключается в исключение или упрощение конструкции деталей и узлов двигателя и облегчение условий работы многих других обеспечивают уменьшение вероятности отказов важнейших элементов его систем.

В МПСУ ограничение подачи топлива вы­полняется преимущественно программно в микроконтроллере в функции любых контролируемых параметров. В результате высокой точности управления ограничениями подачи топлива в про­цессах разгона и повышения нагрузки на двигатель, исключается выход крутящего момента и дру­гих управляемых параметров двигателя за допустимые значения, что снижает вероятность ава­рий и повышает надежность двигателя.

Наиболее заметен эффект от замены механических (и гидравлических)

связей в системе управления двигателя электронными при использова­нии электронных исполнительных механизмов. Основная часть необходимой им энергии имеет­ся непосредственно в управляемых системах двигателя, а по электронным каналам передается практически только командная информация о необходимых воздействиях на двигатель, пред­ставляемая, как правило, сравнительно маломощными сигналами. Этим исключается износ пере­дач. Очевидно, что такая замена при использовании МПСУ сопровождается повышением надеж­ности двигателя.

Также повышение надежности двигателя определяется уменьшением износов при снижении минимальной частоты вращения двигателя на холостом ходу и исключением необходимости длительной работы двигателя на этом режиме. Последнее объяс­няется быстротой и надежностью пуска двигателя, оснащенного МПСУ [19].

Целью современного подхода к управлению двигателями является оптимизация управления (достижение поставленных целей наилучшим с точки зрения принятого критерия образом при на­личии ограничений). Это главная задача электронного управления двигателем, заключающаяся в установлении оптимальной совокупности значений его управляющих воздействий.

Существом оптимизации является получение необходимого качества двигателя за счет уст­ранения избыточности, то есть осуществления полного и эффективного использования имеющих­ся возможностей, заложенных в конструкцию двигателя, применяемых в нем материалов и техно­логии изготовления каждого его образца.

Оптимизация имеет смысл только при наличии обобщенного показателя качества - крите­рия оптимальности или целевой функции, достаточно ощутимо отражающего эффективность управления. Немаловажна также доступность критерия оптимальности, возможность его опреде­ления и использования в системе управления.

В общем случае качество двигателя определяется совокупностью

технических, экономиче­ских и экологических показателей. Среди них есть

непосредственно управляемые возможностями МПСУ.

В число непосредственно управляемых технических показателей двигателя входят: крутя­щий момент, частота вращения, давление и температура в системах топливоподачи, наддува, смазки, охлаждения, содержание кислорода в отработавших газах.

Непосредственно управляем главный из экономических показателей – текущий, а следовательно и эксплуатационный, расход топлива, а также расходы масла, воздуха, воды.

Непосредственно управляемы следующие экологические показатели: состав и количество вредных выбросов, уровень и спектр шума и вибраций.

Относительная значимость этих показателей качества двигателя зависит от назначения и условий его работы.

Основная цель применения МПСУ – оптимизация управления двигателем, что, по сути, оз­начает обеспечение в любой момент времени необходимых значений управляемых параметров двигателя с наилучшим качеством при выполнении ограничений.

Современные электронные средства и методы управления двигателями на основе инфор­мационных и компьютерных технологий, учитывающих их специфические особенности как объек­тов микропроцессорного управления, позволяют радикально улучшить практически все их харак­теристики.

Конкретными частными задачами управления двигателем в эксплуатации может быть опти­мизация установившихся режимов, процессов прогрева и пуска, разгона и торможения, набросов и сбросов нагрузки, остановки двигателя и др. Для каждого из них должны использоваться раз­личные варианты критерия оптимальности в зависимости от выбранной конструкции двигателя.

Не менее важным является оптимизация собственно микроконтроллера. Очевидно, что практически во всех случаях критерий оптимальности должен учитывать обеспечиваемые им бы­стродействие и точность управления двигателем, надежность и стоимость микроконтроллера.

Для достижения указанных целей необходимо осуществлять управление примерно следую­щими воздействиями или процессами:

- продолжительностью впрыскивания топлива индивидуально для каждого цилиндра;

- дросселированием заряда при впуске; опережением впрыскивания топлива или зажигания; давлением впрыскивания топлива; числом фаз и характеристиками впрыскивания топлива; ограничениями параметров впрыскивания топлива; давлением наддувочного воздуха;

- фазами газораспределения и величиной подъема клапанов;

- интенсивностью вихревого движения заряда в цилиндре;

- подачей воздуха на режиме холостого хода;

- количеством рециркулирующих газов;

- газодинамической настройкой впускного тракта;

- подачей вторичного воздуха к нейтрализатору;

- температурами в системах охлаждения, смазки, воздухонабжения;

- числом работающих цилиндров;

- степенью сжатия;

- равномерность нагрузки цилиндров; улавливанием паров топлива.

Микроконтроллер также должен осуществлять:

1) включение и выключение ряда систем и агрегатов (топливные насосы, кондиционер, систе­ма подогрева нейтрализатора и др.);

2) выбор и поддержание значений регулируемых параметров, обеспечивающих оптимальное или, в частности, заданные значения критериев качества; диагностирование двигателя и системы управления; предупредительную сигнализацию и аварийную защиту двигателя.

Для каждого конкретного двигателя и каждого варианта условий его работы набор таких функций может быть разным.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: