Влияние различных факторов на цикловую подачу бензина и стабильность функционирования автомобильного двигателя

УДК 621.431

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ЦИКЛОВУЮ ПОДАЧУ БЕНЗИНА И СТАБИЛЬНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

А.Н. Пойда, профессор, д.т.н., ХНАДУ,

А.М. Проскурин, инженер, Д.Г. Сивых, ст. преподаватель,

НТУ «МІИ»

Аннотация. Рассмотрена методика оценки погрешностей и неравномерности распределенного фазированного впрыскивания бензина под влиянием различных факторов.

Ключевые слова: автомобильный двигатель, впрыскивание бензина, погрешность, неравномерность.

Введение

Широкое распространение на современных автомобилях получили двигатели с микропроцессорными системами управления распределенным впрыскиванием бензина во впускной коллектор. Подача топлива синхронизирована с угловым положением коленчатого вала и механизма газораспределения и называется фазированным впрыскиванием топлива. Известно, что способ фазированного впрыскивания бензина в зону расположения впускных клапанов способствует более равномерному распределению топлива по цилиндрам по сравнению с карбюраторами и системами центрального впрыскивания, поэтому такие системы полностью вытеснили карбюраторы и системы центрального впрыскивания. По сравнению с системами одновременного и попарнопараллельного впрыскивания фазированное впрыскивание обеспечивает равные условия смесеобразования для всех цилиндров. Наличие нейтрализатора в системе выпуска, рециркуляция отработавших газов (ОГ), система улавливания паров бензина и обратная связь по составу ОГ позволяют удовлетворить достаточно жестким нормам на выбросы вредных веществ с ОГ.

Автомобильный многоцилиндровый двигатель, по существу, представляет собой агрегат, состоящий из нескольких одноцилинд-

ровых двигателей, в каждом из которых химическая энергия топлива дискретно преобразуется в теплоту и передается общему потребителю в виде механической работы. Фазированное впрыскивание способствует равномерному распределению мощности по цилиндрам. Общеизвестен факт, что технологические отклонения геометрических размеров и формы деталей цилиндропоршневой группы, клапанного механизма и системы топливоподачи вызывают отличия мощности, развиваемой каждым цилиндром, на 5 - 10 %.

В процессе эксплуатации двигателя из-за неодинакового изнашивания гильз цилиндров и поршневых колец, клапанов и других деталей механизма газораспределения разница в мощности возрастает. Кроме того, накапливаются дефекты в компонентах систем то-пливоподачи и управления: изнашиваются детали электрических бензонасосов, накапливаются смолистые отложения в распыляющих отверстиях форсунок и механические частицы в их проточных частях, в результате старения материалов нарушаются исходные характеристики датчиков и других компонентов систем. Кроме отличий в мощности между цилиндрами, возрастает разница в показателях между последовательными циклами каждого отдельного цилиндра. В результате ухудшаются эксплуатационные характеристики двигателей, нарушается стабильность их функционирования.

Анализ публикаций

Для обеспечения требуемой величины цикловой подачи топлива необходимо, чтобы продолжительность впрыскивания топлива была меньше периода впрыскивания. Поэтому впрыскивание осуществляют после закрытия впускных клапанов [1]. Во впускном коллекторе происходит объёмно-пленочное смесеобразование. Существует мнение [2], что основная часть топлива попадает в цилиндр двигателя из топливной пленки, сформированной во впускной системе. Величина цикловой подачи топлива в текущем рабочем цикле представляет собой сумму массы топлива, поступившей в цилиндр непосредственно в процессе впрыскивания, из топливной пленки, сформированной в текущем рабочем цикле, и топливной пленки, находившейся во впускной системе до начала подачи топлива. Поэтому в рассматриваемых системах алгоритмы управления строятся с использованием большого количества таблиц, в которых заведомо сформированы требуемые массивы данных, необходимые для вычисления управляющих воздействий. Вычисление цикловой подачи топлива Gтцl для

каждого рабочего цикла основано на известном соотношении [3]

где исходными данными для расчета цикловой подачи топлива Gтцl являются величина

цикловой подачи воздуха Gвцl, теоретически

необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива /0 и коэффициент избытка воздуха аj, который выбирается по одной из

нескольких таблиц, в зависимости от условий работы двигателя, например: экономичный режим, мощностной режим и режим для работы с нейтрализатором. Выбор режима осуществляется диспетчером режимов при условии, что положение дроссельной заслонки вышло за пределы зоны регулирования для данного режима.

Количество топлива, которое должно поступить в цилиндр, определяется прогнозируемой цикловой подачей воздуха и требуемым составом смеси.

Вычисления требуемого состава смеси, циклового наполнения и цикловой подачи топ-

лива позволяют перейти к последнему шагу алгоритма управления топливоподачей - к вычислению продолжительности управляющего импульса, подаваемого на форсунку.

Цикловая подача топлива электромагнитной клапанной форсункой [3] описывается уравнением

впр ----------------

= 5 & 'у1 2Рт(Ра - ) • ^Т =

0

где твпр - продолжительность открытого состояния клапана форсунки (продолжительность впрыскивания); - эффективное

проходное сечение распылителя форсунки, рт - плотность топлива; Ра - давление топлива в аккумуляторе; Р, - давление воздуха во впускном коллекторе.

В работах [2, 3] показано, что практически во всех системах в основу алгоритма управления форсунками положена модель определения цикловой подачи и принцип базовой и корректирующей матриц

G = е

тц ос

где ест - статическая производительность форсунки; ту - продолжительность управляющего импульса, подаваемого на форсунку. Под статической производительностью форсунки ест понимают её способность пропустить количество топлива Gт при постоянно открытом клапане за определенный промежуток времени ти . Статическая производительность форсунки определяется по формуле

<?ст

Gт

При этом количество топлива

^ = ^/соп •у!2Рт •ЛРт ^

где ^/соп - постоянное эффективное проходное сечение распылителя форсунки при полностью открытом клапане; ЛРт - постоянный перепад давления топлива на форсунке; ти-время измерения при проливке. Высокая

т

у

т

и

точность измерения количества топлива и времени при статической проливке обеспечивают высокую точность определения статической производительности форсунки. С учетом формул

—

&ст = — = ІЇаоп 'V2Рт АРт т,

а с учетом формул

=н4п ^ 2рт •ЛРт •Ту.

В уравнении (7) ^/соп, рт и ЛРт - величины постоянные, поэтому управляют топливопо-дачей, изменяя продолжительность электрического управляющего импульса ту, подаваемого на электромагнит форсунки. Для сохранения расходных характеристик форсунок при различных режимах работы двигателя в условиях эксплуатации подача топлива ведется при постоянном перепаде ЛРт = Ра - Р,, между давлением топлива и давлением во впускном трубопроводе после дроссельной заслонки. Для этого в топливной системе введена обратная связь по давлению, для чего установлен стабилизатор перепада давления, редукционный клапан которого с мембранным приводом нагружен пружиной, причем полость над мембраной соединяется с полостью задроссельного пространства.

Цель и постановка задачи

Целью данного исследования является разработка модели, позволяющей оценить влияние различных факторов на неравномерность впрыскивания бензина, обусловленных изменением в процессе эксплуатации двигателя характеристик форсунок, датчиков и других компонентов системы управления.

Решение задачи

Сопоставление формул (2) и (7) позволяет уяснить наличие погрешности моделирования в дозировании топлива, которая зависит от того, насколько адекватно принятая модель (7) описывает реальный процесс. Очевидно следующее: во-первых, в уравнении (7) принято постоянное среднее эффективное проходное сечение распылителя форсунки, которое отличается от реального, изменяю-

щегося при подъеме и посадке клапана; во-вторых, продолжительность открытого состояния клапана форсунки твпр отличается от

продолжительности электрического управляющего импульса ту, подаваемого на обмотку электромагнита форсунки, на величину запаздывания перелета клапана при подъеме и посадке

т = т — Т + То ,

впр у 1 2 *

где т1 и т2 - соответственно время запаздывания перелета клапана при подъеме и посадке.

Несмотря на наличие методических погрешностей, вносимых использованием формулы (2), она используется практически во всех алгоритмах управления впрыскиванием бензина, так как позволяет упростить процесс управления и снизить стоимость аппаратных средств.

Выше было показано, что практически во всех системах в основу алгоритма управления форсунками положен принцип базовой и корректирующей матриц. При этом длительность управляющего импульса вычисляется по формуле

где тб - время, определяемое из базовой матрицы; таб - промежуток времени, учитывающий изменение напряжения аккумуляторной батареи; К1ож , Кус, Кх - коэффициенты, учитывающие температуру охлаждающей жидкости, ускорение при холодном двигателе и состав отработавших газов соответственно, выбираются из корректирующих матриц.

Для калибровки базовой матрицы используют зависимость тб = / (п, Мкр) как функцию

частоты вращения коленчатого вала и нагрузки, которую определяют по одному из параметров: углу поворота дроссельной заслонки; массовому расходу воздуха; разрежению во впускном коллекторе.

Логарифмируя и дифференцируя уравнения (2, 5, 8), а затем заменяя бесконечно малые величины конечными приращениями, полу-

чим выражения для оценки погрешностей определения цикловой подачи, обусловленные различными факторами

ЛОтц Л§с

Лт„

—

+ -

§ст

Л/ +1( ЛРт ^ 2 Рт

+Лг);

строении принципа является отношением разности максимальной Gтцmax и минимальной Gтцmln цикловых подач форсунками к средней цикловой подаче

О — О .

5 тцтах тцтт

= —I

Средняя цикловая подача

ЛТу Лтк ЛК_ ЛКус ЛК, Лт

- + -

К

-+-

К,,

- + -

К,

- + -

аб

.

аб

О + О

_ тцтах тцтіп

тцср _ 2

Символ Л, содержащийся в числителях каждого выражения, означает отклонение (абсолютную погрешность) данного параметра. Кроме отмеченной выше погрешности моделирования, полученные зависимости позволяют выявить и другие составляющие погрешности в дозировании топлива: погрешность идентификации и аппаратную погрешность.

Рассмотрим уравнение (10). Его можно использовать для нормирования статической производительности форсунок при выборе компонентов системы управления проектируемого или модернизируемого двигателя, для оценки изменений неравномерности цикловой подачи в комплекте форсунок в процессе эксплуатации. При этом целесообразно использовать нормативное значение статической производительности естн, а вместо Лту следует подставлять Лтз1 = т1 - т2

каждой конкретной форсунки, так как реальная продолжительность впрыскивания меньше длительности управляющего импульса ту на величину запаздывания перелета клапана при подъеме и посадке. После изменений формула (10) принимает вид

О — О .

тцн тці

—цн

§ стн § >

§стн

- + -

Лтз

где Gтцн и Gтцl - соответственно нормированная и текущая (1 -ой форсунки) подача; ёстн и £ст1 - соответственно нормированная и текущая (1 -ой форсунки) статическая производительность.

Неравномерность цикловой подачи топлива 5 на основе общепринятого в двигателе-

Очевидно, что минимальная неравномерность цикловой подачи топлива 5 _ 0 достигается при равенстве нулю числителя в уравнении (14).

Пользуясь изложенной методикой и приняв §стн _ 3,00 мг/мс для комплекта форсунок, бывших в эксплуатации, характеристики которых приведены в табл. 1, определена неравномерность цикловой подачи топлива (рис. 1) при различной длительности управляющего импульса ту .

Т аблида 1 Характеристики форсунок

№ Лтз , мс § ст1 ’ мг/мс §ст2 , мг/мс

1 0,45 2,96 3,00

2 0,50 2,66 3,00

3 0,55 2,90 3,00

4 0,10 2,86 2,91

Характеристики форсунок, приведенные в табл. 1, цифрой 1 обозначены до очистки моющей жидкостью, цифрой 2 - после очистки.

Наибольшая неравномерность подачи форсунок, определённая до очистки по статической производительности, оказалась между форсунками 1 и 2 (10,65 %). После очистки статическая производительность форсунок 1 - 3 выровнялась, а неравномерность подачи 3,045 % составила форсунка 4. С учётом времени запаздывания клапанов в комплекте форсунок, приведенных в таблице, расчетным путем определили неравномерность впрыскивания бензина для каждой форсунки в зависимости от длительности управляющего импульса. Расчеты выполняли по данным

т

у

т

т

б

у

т

у

до и после очистки. Максимальную цикловую подачу обеспечивала форсунка 4 на режиме ту =2 мс. По мере увеличения ту влияние неуправляемого времени запаздывания снижается, неравномерность подачи уменьшается и принимает отрицательное значение, что означает превышение цикловой подачи форсункой 3, имеющей большую статическую производительность.

Аналогичные испытания были проведены с комплектом новых форсунок. Наибольшую статическую производительность в этом комплекте имеет форсунка 4. Ёе клапан открывается раньше и закрывается позже других на 0,1 мс. Результаты расчета приведены на рис. 2. Если неравномерность подачи между форсунками, вычисленная по статической производительности, составляла 4,29 %, то с учётом запаздывания на режиме ту =2 мс

она достигает 11,5 %.

Рис. 1. Неравномерность подачи бензина загрязненными форсунками: 1, 2, 3 - до очистки, 4 - после очистки моющей жидкостью

Длительность импульса, мс

Рис. 2. Неравномерность впрыскивания бензина новыми форсунками

Погрешность идентификации в значительной степени связана с нарушениями характери-

стик датчиков, колебаниями давления во впускной системе двигателя и в аккумуляторе давления, а характеристики этих колебаний определяются не столько величиной циклового наполнения, сколько положением дроссельной заслонки. В результате нарушения исходных тарировок датчиков из базовых и корректирующих таблиц извлекаются иные константы, в результате контроллер системы управления вычислит Ту с погрешностью, которая иллюстрируется формулой (11). На рис. 3 приведены осциллограммы сигналов исправного (1) и неисправного (2) датчика расхода воздуха. Как видно из рисунка, характеристика неисправного датчика расположена значительно ниже, что существенно влияет на идентификацию режима работы двигателя и выбор из базовой таблицы значения тб.

Рис. 3. Сигналы датчиков расхода воздуха при воздействии на дроссельную заслонку: 1 - исправного; 2 - неисправного

На рис. 3 приведены осциллограммы колебаний давления (1) во впускном коллекторе. При нормальном функционировании механизма газораспределения амплитуда колебаний давления одинакова. При нарушении регулировок зазоров в механизме газораспределения клапаны открываются и закрываются несвоевременно, что приводит к выбросам части заряда цилиндров во впускной коллектор и, как следствие, разному уровню давления (разрежения). Так как разрежение во впускном коллекторе, в соответствии с формулой (2), влияет на перепад давления топлива на форсунке, то, в соответствии с формулой (11), возникает погрешность цикловой подачи бензина.

Известно, что крутящий момент двигателя можно представить в относительных единицах

Мкр = ^ц •П* ,

где Gтц и пе - цикловая подача и эффективный КПД, выраженные в относительных единицах. Эта формула подтверждает влияние неравномерности цикловой подачи на стабильность функционирования двигателя.

Рис. 4. Неравномерность колебаний давления во впускном коллекторе при нарушении зазоров в механизме газораспределения: 1 - колебания давления; 2 - момент зажигания

Выводы

Предлагаемая методика позволяет оценить степень влияния различных факторов на величину погрешностей дозирования топлива, на неравномерность распределения бензина

по цилиндрам и на стабильность функционирования двигателя.

Литература

1. Системы управления бензиновыми двигате-

лями: Пер. с нем. - 1-е рус. изд. - М.: ООО «Книжное изд. «За рулем», 2005. -480 с.

2. Гирявец А.К. Теория управления автомо-

бильным бензиновым двигателем. - М.: Русский сервис, 1997. - 190 с.

3. Аппаратура впрыска легкого топлива ав-

томобильных двигателей / Ю.И. Буды-ко, Ю.В. Духнин, В.Э. Коганер и др. -Л.: Машиностроение, 1982. - 144 с.

4. Пинский Ф.А., Давтян Р.И., Черняк Б.Я.

Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания: Учебное пособие. -М.: Легион-Автодата, 2002. - 136 с.

Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 15 декабря 2008 г.