СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ ДИЗЕЛЯ НА РЕЖИМАХ ХОЛОСТОГО ХОДА
METHOD OF CONTROLLING DIESEL RPM IN INDLING

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а точнее к способам управления дизелями при работе на режимах холостого хода.
Известны механические регуляторы частоты вращения дизелей [Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. Учебное пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - С.130-163], способные осуществлять многорежимное [Пат. РФ 2040700. Многорежимный регулятор частоты вращения автомобильного дизеля. / Ю. Е. Хрящев] либо трехрежимное регулирование частоты вращения автомобильного дизеля [Пат. РФ 2006636. Трехрежимный регулятор частоты вращения автомобильного дизеля. / Е.И. Блаженнов, Ю.Е. Хрящев], в которых функции, необходимые для стабилизации частоты вращения на холостом ходу, выполняются путем формирования соответствующих статических регуляторных характеристик. Однако этого часто бывает недостаточно, и неустойчивость частоты вращения дизеля на холостом ходу возникает при минимальных значениях частоты вращения дизеля.
Известно, что чем меньше значения минимальной устойчивой частоты вращения, тем лучше. В наиболее совершенных системах частоту вращения холостого хода удается снизить в большей степени, а в наименее доведенных частоту вращения холостого хода для достижения устойчивой работы приходится повышать. Процесс возникновения колебаний частоты вращения на холостом ходу обусловлен самой конструкцией дизеля как дискретно работающего объекта, т.к. система регулирования реагирует на циклические процессы сгорания, которые периодически сообщают ускорения коленчатому валу, и регулятор по причине наличия обратной связи неизбежно «раскачивает» рейку топливного насоса, в результате чего величина цикловой подачи топлива циклически изменяется, таким образом способствуя увеличению нестабильности работы дизеля на холостом ходу [Bowns D.E. The Dynamic Transfer Characteristics of Reciprocating Engines. // Proceedings Institution of Mechanical Engineers. - 1970, №16. - C.185-201]. Этих недостатков можно избежать, применяя специальные способы дозирования топлива на холостом ходу, что технически может быть осуществлено с помощью электронных систем управления частотой вращения дизеля посредством изменения величины цикловой подачи топлива соответствующим образом [Bosch. Системы управления дизельными двигателями. Перевод с немецкого. Первое русское издание. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем»», 2004. - 370 с.; Хрящев Ю.Е., Антошин P.O., Тихомиров М.В. Уровень EURO-3 с системами ЭСУ-1. // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2006, №3-4. - С.10-11. Пат. WO 2005077725 (A1), US. Engine speed stabilization using fuel rate control / Bishop Kevin, Gorczowski Walter, Satyavolu Suresh (прототип); Пат. РФ 2296236. РФ Система автоматического управления работой дизеля на холостом ходу и в аварийных ситуациях. / Отраднов А.В., Уханов А.П., Уханов Д.А., Егоров С.Н.]. Практически в каждой из упомянутых систем управления используется тот или иной способ управления частотой вращения дизеля на холостом ходу.
Известна система автоматического управления работой дизеля на холостом ходу и в аварийных ситуациях [Пат. РФ 2296236. РФ Система автоматического управления работой дизеля на холостом ходу и в аварийных ситуациях. / Отраднов А.В., Уханов А.П., Уханов Д.А., Егоров С.Н.], изобретение позволяет расширить функциональные возможности системы топливоподачи и повысить ее надежность, однако недостатком системы является тот факт, что она является аналоговой и не обеспечивает специального способа работы на холостом ходу, способного снизить либо устранить колебания частоты вращения на холостом ходу.
Во многих электронных системах управления автомобильных дизелей используется пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор), например, в ЭСУ-1 [Хрящев Ю.Е., Антошин P.O., Тихомиров М.В. Уровень EURO-3 с системами ЭСУ-1. // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2006, №3-4. - С.10-11], также используется двухкаскадный ПИД-регулятор, который без специальных мер практически также не обеспечивает устойчивой работы дизеля при отключении нагрузки, т.е. на холостом ходу, при этом резко повышается отклик частоты вращения на случайные составляющие крутящего момента дизеля, что уменьшает запас устойчивости вплоть до ее потери. Вместе с тем замечено, что в регуляторах и без обратной связи, обеспечивающих постоянную величину цикловой подачи, не удается избежать неустойчивости на холостом ходу, т.к. она может быть вызвана дефектами топливной аппаратуры, дизеля [Курманов В.В., Минюк С.М. Анализ проблемы стабильности малых цикловых подач топливной аппаратуры с высокой энергией впрыска. // Двигателестроение. - 2003, №4. - С.25-28], а также вешними факторами.
Современные электронные системы управления дизелем имеют блочную структуру построения алгоритмов управления. Использование отдельных модулей может быть также причиной неустойчивости на холостом ходу, поскольку процесс функционирования каждого модуля и обмен информацией между ними сопровождается соответствующими задержками времени, создающими фазовый сдвиг между моментом времени, в который частота вращения была измерена, и моментом времени, в который может произойти изменение топливоподачи вследствие изменения частоты вращения дизеля. В замкнутых электронных системах управления наличие фазового сдвига в контуре усиления является сильным ограничивающим фактором. Увеличение сдвига фаз приводит к уменьшению устойчивости вплоть до ее потери.
Наиболее близким к данному изобретению является способ управления частотой вращения дизеля на холостом ходу [Пат. WO 2005077725 (A1), US. Engine speed stabilization using fuel rate control. / Bishop Kevin, Gorczowski Walter, Satyavolu Suresh (прототип)], который представляет собой способ управления, реализованный в электронном блоке управления, где регулятор осуществлен как алгоритм, запрограммированный в обрабатывающую систему. Регулятор обрабатывает значения данных рассогласования частоты вращения двигателя и вычисляет значения величины подачи топлива в единицах расхода топлива, таких как массовый расход топлива, в любых соответствующих единицах измерения. Полученные значения величины топливоподачи, измеряемые в единицах расхода топлива, формируют входные данные для операции преобразования расхода топлива. Другими входными данными для операции преобразования являются значения фактической частоты вращения двигателя, измеренные в текущий момент времени. С помощью операции преобразования обрабатываются значение регулируемого массового расхода топлива для подачи в цилиндр и значения фактической частоты вращения двигателя, чтобы получить данные о необходимом количестве топлива, которое будет введено во время следующего хода поршня в соответствующий цилиндр двигателя в единицах цикловой подачи. При этом под "фактической частотой вращения двигателя" подразумевается очень быстрое обновление (со скоростью частоты опроса датчика частоты вращения) значений мгновенной частоты вращения двигателя. Преимуществом данного способа является более высокая стабильность работы на режимах холостого хода, однако данный подход не позволяет решить проблему неустойчивости дизеля на холостом ходу, вызванную неточностями изготовления и сборки различных элементов топливоподающей системы. Силы сопротивления механических и гидравлических компонентов топливной аппаратуры и исполнительных электромагнитов не одинаковы по своей величине и характеру действия на различных экземплярах серийно выпускаемой продукции и, кроме того, не одинаковы в различные периоды их работы по причинам, вызываемым приработкой сопряженных элементов. В течение эксплуатации эти силы значительно уменьшаются, особенно в период приработки, и необходимость в специальном регулировании частоты вращения холостого хода может отпасть, поэтому требуется как автоматическое ее включение, так и автоматическое отключение.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка способа управления частотой вращения дизеля на режимах холостого хода.
Задача решается применением способа управления частотой вращения дизеля, который состоит в измерении или вычислении величины и знака ускорения коленчатого вала дизеля, чтобы преждевременно подать управляющий сигнал на изменение подачи топлива в сторону, противоположную знаку ускорения, таким образом ускоряя начало момента выдачи управляющего сигнала и соответственно начало момента исполнения. Поскольку неустойчивость частоты вращения проявляется в виде гармонических колебаний постоянной частоты вблизи режимов минимального холостого хода, то необходима информация о характере этих колебаний. Для ее получения осуществляется гармонический анализ колебаний [Лукин А. Введение в цифровую обработку сигналов (Математические основы). - М.: Лаборатория компьютерной графики и мультимедиа, МГУ, 2002, - С.15-30].
Сущность предлагаемого способа управления частотой вращения дизеля на холостом ходу состоит в том, что в любом электронном блоке управления дизелем рассчитывается величина так называемой заданной частоты вращения, которая может использоваться в качестве исходной в случае необходимости устранения гармонических колебаний, возникающих на холостом ходу путем соответствующей коррекции топливоподачи. Кроме упомянутой заданной частоты вращения, в качестве исходных данных используются следующие величины: координата педали акселератора, фактическая частота вращения дизеля, угловое положение коленчатого вала, рабочее положение исполнительных электромагнитов.
Осуществление способа управления частотой вращения дизеля на режимах холостого хода может быть раскрыто с помощью функциональной блок-схемы (см. чертеж), на которой представлены датчики: частоты вращения 1 коленчатого вала; углового положения коленчатого вала 2; рабочего положения 3 исполнительных электромагнитов 4; координаты педали акселератора 5, соединенные с блоком первичной обработки информации 6, который, в свою очередь, логически соединен с блоками 7 расчета заданной частоты вращения и 8 расчета заданной координаты положения исполнительных электромагнитов 4, а блоки 7, 8 и силовой блок 9 последовательно соединены между собой, причем блок 9 электрически соединен с исполнительными электромагнитами 4. По информационной шине 10 обработанные данные из блоков 6, 7 и 8 передаются в функциональную схему расчета коррекции подачи топлива 11, в том числе и в логический блок 12 автоматического «включения/выключения». Блок 12 также логически связан с блоком определения величины сдвига фаз 13, блоком вычисления ускорений 14 коленчатого вала и блоком 15 гармонического анализа. Блок вычисления ускорений 14 коленчатого вала, блок 15 и блок 13 напрямую связаны с блоком 16 расчета коррекции работы исполнительных электромагнитов по частоте и фазе, который связан с блоком 8 расчета заданной координаты исполнительных электромагнитов 4. Кроме того, блок 14 связан с блоком 17 смены скоростного режима, который в свою очередь связан с блоком 12 автоматического «включения/выключения». Блок 16 связан с блоком 8 расчета заданной координаты исполнительных электромагнитов 4.
Под рабочим положением электромагнитов понимается положение, например, реек топливного наоса высокого давления, жестко связанных с роторами или сердечниками исполнительных электромагнитов, которых в общем случае может быть больше одного. Кроме того, под рабочим положением электромагнитов в общем случае понимается рабочее положение быстродействующих электромагнитов аккумуляторной топливоподающей системы, а точнее - продолжительность их открытия для осуществления цикловой подачи топлива. В качестве блоков, кроме силового, в данном случае понимаются логические блоки обработки информации.
Обработка и передача информации по предлагаемой блок-схеме может быть представлена следующим образом.
Информация с датчиков частоты вращения коленчатого вала 1, углового положения коленчатого вала 2, рабочего положения 3 исполнительных электромагнитов 4 и координаты педали акселератора 5 поступает в блок первичной обработки информации 6, далее в блок 7 расчета заданной частоты вращения, а оттуда в блок 8 определения заданного положения исполнительных электромагнитов. Управление исполнительными электромагнитами осуществляется с помощью силового блока 9. Автоматическое «включение/выключение» функциональной схемы коррекции 11 осуществляется от блока 12 автоматического «включения/выключения», работа которого основана на анализе амплитуды колебаний частоты вращения коленчатого вала дизеля, определении координат педали акселератора, определении рабочего положения исполнительных электромагнитов. Информация, необходимая для работы блоков 13, 14 и 15, передается им через информационную шину 10. С помощью этих блоков осуществляется проверка выполнения следующих условий: координата педали акселератора и исполнительных электромагнитов соответствует режиму холостого хода; амплитуда колебаний частоты вращений коленчатого вала превышает величину, заранее установленную оператором при настройке. В блоке 13 определяется фактическая величина фазового сдвига, равная разнице между двумя соседними экстремальными значениями двух сигналов: изменения рабочего положения исполнительных электромагнитов и колебаний частоты вращения коленчатого вала и осуществляется расчет величины фазового сдвига, равного времени, необходимому для опережающего перемещения исполнительных электромагнитов 4. Расчет величины и знака ускорения коленчатого вала осуществляется в блоке 14 вычисления ускорений. С помощью блока 15 осуществляется гармонический анализ колебаний частоты вращения коленчатого вала. Расчет коррекции (блок 16) работы исполнительных электромагнитов 4 осуществляется на основе частоты первой гармоники, определенной в блоке 15 гармонического анализа, по сдвигу фаз, полученному в блоке 13. Из блока 16 данные подаются в блок 8 определения заданного положения исполнительных электромагнитов 4. В блоке 17 смены скоростного режима проводится вычисление величины ускорений коленчатого вала при установившихся гармонических колебаниях и сравнение их с фактической величиной ускорения, что является признаком перевода работы дизеля с холостого хода на другой режим. В этом состоит существенное отличие от аналога.
Предлагаемый способ позволяет без изменения аппаратной части системы управления устранить нежелательные колебания на холостом ходу.
Итак, предлагаемый способ управления частотой вращения дизеля на режимах холостого хода состоит из измерения координаты педали акселератора, рабочего положения исполнительных электромагнитов, углового положения коленчатого вала, фактической частоты вращения коленчатого вала дизеля и сравнения ее с заданной, обусловленной координатой педали акселератора; расчета управляющей величины топливоподачи на основе любого из выбранных законов регулирования частоты вращения с учетом величины рассогласования измеренной фактической и заданной рассчитанной частот вращения коленчатого вала дизеля; расчета рабочего положения исполнительных электромагнитов и подачи соответствующей команды исполнительным электромагнитам; идентификации холостого хода, определения наличия колебаний частоты вращения, определения их амплитуды, при превышении которой наперед заданных пределов происходит автоматическое включение функции коррекции топливоподачи, состоящей в расчете фазового сдвига по разнице между двумя соседними экстремальными значениями двух сигналов: изменения рабочего положения электромагнитов и колебаний частоты вращения коленчатого вала, в коррекции движения исполнительных электромагнитов по фазе, расчете величины фактических угловых ускорений коленчатого вала, постоянном сравнении их величины с максимальной величиной ускорений гармонических колебаний и автоматическом отключении функции коррекции топливоподачи при превышении этой максимальной величины фактической величиной угловых ускорений коленчатого вала; с помощью гармонического анализа установившихся гармонических колебаний определяется частота первой гармоники, затем производится расчет коррекции топливоподачи, которая осуществляется с частотой первой гармоники гармонических колебаний частоты вращения коленчатого вала в противофазе вычисленному управляющему сигналу.
Таким образом, данный способ осуществляется в следующей последовательности.
Идентификация наличия гармонических колебаний на холостом ходу.
Функция коррекции топливоподачи запускается в случае выполнения следующих условий:
- координата педали акселератора соответствует одному из скоростных режимов в диапазоне минимальных, которые заранее устанавливаются оператором;
- рабочее положение исполнительных электромагнитов соответствует минимальному (вблизи холостого хода);
зад
тек
зад
тек
зад
- амплитуда колебаний частоты вращения коленчатого вала дизеля выходит за пределы, заданные оператором: n+Δn<n<n-Δn, где n - текущая частота вращения, полученная с датчика частоты вращения, n - заданная частота вращения, вычисленная по принятому закону регулирования и соответствующая координате педали акселератора, Δn - допустимое отклонение от заданного вычисленного значения частоты вращения.
Расчет коррекции топливоподачи проводится в два этапа следующим образом:
I Этап
- с помощью блока 13 определяется величина фазового сдвига по разнице между двумя соседними экстремальными значениями двух сигналов: изменения рабочего положения электромагнитов и колебаний частоты вращения коленчатого вала, представленных в единицах АЦП;
- по вычисленному значению фазового сдвига в блоке 16 осуществляется расчет коррекции управляющего сигнала для блока 8;
- в блоке 14 осуществляется вычисление ускорений коленчатого вала дизеля;
- в блоке 17 осуществляется контроль за возможностью смены скоростного режима, проводится вычисление величины ускорений коленчатого вала при установившихся гармонических колебаниях и сравнение их с фактической величиной ускорения. Если фактическая величина ускорений превышает максимальное ускорение коленчатого вала при установившихся гармонических колебаниях, то в блок 12 подается сигнал на отключение функции коррекции.
Расчетный цикл повторяется в каждый период времени, равный частоте опроса датчика частоты вращения, а обновление информации о величине Δn и величине ускорения коленчатого вала при гармонических колебаниях производится в каждый новый период этих гармонических колебаний, вычисленный по частоте первой гармоники, полученной из гармонического анализа.
II Этап
Осуществляется не ранее чем через два периода гармонических колебаний после обновления информации о величине Δn.
- если амплитуда колебаний частоты вращения коленчатого вала дизеля не опустилась ниже заданного предела, тогда в блоке 15 производится гармонический анализ частоты вращения коленчатого вала, определяется частота колебаний первой гармоники;
- на основе гармонического анализа в логическом блоке 16 производится расчет коррекции, которая осуществляется с помощью логического блока 8 с частотой первой гармоники гармонических колебаний, но в противофазе вычисленному управляющему сигналу;
- контроль за возможностью смены скоростного режима осуществляется на каждом из этапов работы схемы.
В этом заключается научная новизна изобретения.
Таким образом, в результате первого этапа коррекции топливоподачи ликвидируется дефект системы управления, проявляющийся в запаздывании подачи управляющего сигнала, что позволяет снизить амплитуду колебаний частоты вращения коленчатого вала до допустимых пределов. Однако, если этого недостаточно, то не менее чем через два периода колебаний осуществляется второй этап, в результате которого управляющий сигнал, приходящий на исполнительные электромагниты, подается в противофазе. Это приводит к снижению амплитуды колебаний, изменению их частоты и в конце концов к автоматическому отключению функции коррекции топливоподачи, что в свою очередь приводит к их возобновлению, а значит коррекция топливоподачи возобновляется. Весь этот цикл делает колебания неразличимыми на слух и в допустимых пределах.
Если первый этап предлагаемого способа направлен на преодоление известных дефектов электронных систем управления, связанных с блочной структурой их построения и с задержками на время, затрачиваемое на магнитную индукцию исполнительных электромагнитов, силовых ключей силового блока и т.п., то второй этап предлагаемого способа предназначен для временного устранения (на период приработки механических сопряжений) дефектов изготовления деталей топливоподающей системы и дизеля, которые являются причиной неравномерного сопротивления перемещению исполнительных механизмов. Способ предусматривает автоматическое отключение (или пропуск) второго этапа по факту уменьшения амплитуды гармонических колебаний на холостом ходу.
Автоматическое отключение функции коррекции топливоподачи, производимое по сравнению величины фактического ускорения коленчатого вала и максимальной величины, полученной в результате расчета гармонических колебаний, что соответствует факту переключения работы дизеля с холостого хода на работу с нагрузкой в результате действий водителя либо в результате аварийной ситуации.
Внедрение данного способа позволит повысить потребительские свойства автомобиля, улучшив его комфорт в период приработки деталей двигателя и системы топливоподачи, а также уменьшить эксплуатационный расход топлива.