Учебный курс
Структура курса
Тема 1. Общие принципы построения и функционирования систем управления двигателями.
Лекция 1. Назначение, принципы работы СУД, критерии управления.
Лекция 2. Системы зажигания.
Лекция 3. Топливно-эмиссионные системы.
Тема 2. Конструктивные особенности различных СУД.
Лекция 1. Сигнальные тракты СУД.
Лекция 2. Исполнительные тракты СУД.
Тема 3. Технические средства диагностирования и контроля технического состояния СУД.
Лекция 1. Технические средства диагностики.
Тема 4. Диагностирование СУД с использованием технических средств.
Лекция 1. Диагностирование СУД с использованием технических средств.
Практические занятия:
Тема 1. Анализ состава выхлопных газов автомобиля с использованием 4-х компонентных газоанализаторов.
Тема 2. Анализ состояния высоковольтного тракта с использованием мотортестеров.
Тема 3. Проверка состояния электронных систем автомобиля с использованием сканеров.
Тема 4. Проверка состояния сигнальных и исполнительных трактов системы управления двигателем с использованием сканеров и мультиметров.
Тема 5. Имитация сигналов датчиков системы управления двигателем с использованием мультиметра (DSN-PRO).
Тема 6. Поиск и устранение неисправности системы управления двигателем с использованием комплекса диагностических приборов.
Тема № 1
Системы управления двигателями.
Общие принципы построения и функционирования.
Лекция №1
Назначение, принципы работы систем управления двигателями. Критерии управления.
Учебные вопросы:
1. Назначение систем управления двигателями;
1.1 Основные функциональные задачи СУД;
1.2 Принципы управления;
Критерии управления.
Состав отработавших газов бензиновых ДВС
Функциональная схема комплексной СУД.
Принципы функционирования СУД
Подсистемы СУД.
Назначение систем управления двигателями.
1.1 Основные функциональные задачи СУД.
Двигатель является устройством, выполняющим функцию управляемого преобразования химической энергии топлива в механическую работу (энергию).
Как объект управления двигатель характеризуется:
входными параметрами – параметрами, влияющими на протекание рабочего процесса в двигателе. Их значения определяются внешними воздействиями на двигатель со стороны водителя или СУД, поэтому их также называют управляющими. К их числу можно отнести:
- угол открытия дроссельной заслонки jдр;
- угол опережения зажигания q;
- цикловая подача Gтц;
- цикловое наполнение двигателя Gвц и т.д.;
выходными (управляемыми) параметрами, характеризующими состояние двигателя в рабочем режиме. К ним относятся:
- частота вращения коленчатого вала n;
- отдаваемая мощность на валу P;
- крутящий момент Мв;
- показатель топливной экономичности ge;
- показатели токсичности отработавших газов (содержание СО, СН, NOx) и др.;
внутренними параметрами или параметрами состояния, характеризующими рабочие процессы, состояние обеспечивающих систем, конструктивные особенности двигателя.
Например:
- температура двигателя Tдв;
- напряжение в электрической сети U0;
- степень сжатия рабочей смеси и пр.;
внешними воздействиями, носящими случайный характер и мешающими управлению. К ним могут быть отнесены:
- температура атмосферного воздуха Т;
- атмосферное давление р;
- влажность воздуха h и т.п
Назначение системы управления состоит в том, чтобы обеспечить оптимальный состав рабочей смеси в цилиндрах двигателя и воспламенить её в цилиндре двигателя в определённый момент времени.
Состав рабочей смеси характеризуется двумя основными показателями:
- отношением количества топлива и воздуха в составе смеси показатель – «лямбда» (l);
- гомогенностью (однородностью) т. е. качеством смешивания составных частей смеси.
Момент воспламенения смеси определяется углом опережения зажигания.
Принципы управления.
Принцип управления дает общее представление о способе управления объектом управления. Он показывает, как объект управления должен реагировать на возмущения и управляющие сигналы. Охарактеризуем принципы, заложенные в основу построения существующих систем управления (СУД).
Автомобильный двигатель представляет собой систему, состоящую из отдельных подсистем: топливно-эмиссионной, зажигания, охлаждения, смазки и т.д. Все системы связаны друг с другом и при функционировании они образуют единое целое.
Управление двигателем нельзя рассматривать в отрыве от управления автомобилем. Скоростные и нагрузочные режимы работы двигателя зависят от скоростных режимов движения автомобиля в различных условиях эксплуатации, которые включают в себя разгоны и замедления, движение с относительно постоянной скоростью, остановки.
Водитель изменяет скоростной и нагрузочный режим двигателя, воздействуя на передаточное отношение трансмиссии автомобиля и педаль акселератора (дроссельную заслонку). Выходные характеристики двигателя при этом зависят от состава топливовоздушной смеси и угла опережения зажигания, управление которыми осуществляется с помощью механических, электронно-механических или электронных систем управления двигателем, автоматически (рис. 1.1.1).
Система управления двигателем (СУД)
Блок управления
Информацион- ные сигналы
Управляющие сигналы
Локальные обратные связи
Датчики
(сенсоры)
...
Актуаторы (исполнительные устройства)
...
Управляющие воздействия
Поток мощности
Водитель Двигатель
Коробка передач
Скорость движения
Глобальная обратная связь
Рис. 1.1.1 Упраление автомобильным двигателем
Для двигателя внутреннего сгорания характерна периодическая повторяемость рабочих циклов. Поэтому важным принципом управления двигателем является цикличность управления. Это обуславливает необходимость согласования частотных параметров управляющих воздействий с частотой рабочих циклов двигателя. Иными словами, СУД должна успевать воспринимать информацию о состоянии двигателя, обрабатывать ее и передавать соответствующие управляющие воздействия на двигатель в течение ограниченных по времени тактов рабочего цикла (2-3 мс), что накладывает жесткие требования на быстродействие СУД.
Как объект управления двигатель является нелинейным, так как реакция на сумму любых внешних воздействий не равна сумме реакций на каждое из воздействий в отдельности. Учитывая, что двигатель обычно работает на нестационарных (переменных во времени) режимах, возникает проблема оптимального и адаптивного (самонастраиваемого) управления двигателем. Принципы оптимального и адаптивного управления оказалось возможным реализовать благодаря развитию электронных систем управления.
Следует заметить, что для построения оптимальных адаптивных управляющих систем требуется наличие математических моделей объекта управления. Из-за сложности конструкции, наличия допусков на размеры деталей, двигатели одной и той же модели имеют различные характеристики. Кроме того, по конструктивным параметрам отличаются и отдельные цилиндры многоцилиндрового двигателя. В этой связи, общие, достаточно точные и полные математические модели двигателей внутреннего сгорания в традиционном аналитическом виде в настоящее время отсутствуют (это характерно для большинства сложных технических систем). Выход находят в построении эмпирических
зависимостей между параметрами индивидуальных типов двигателей и представлении их в форме таблиц. Эти таблицы содержат большие объемы данных и могут быть использованы в системах управления только при наличии средств вычислительной техники, обладающей достаточным объемом памяти и высокой вычислительной мощностью.
Автомобильный двигатель представляет собой многомерный объект управления, т.к. число входных параметров у него больше одного и каждый входной параметр воздействует на два и более выходных. В таком случае система управления должна быть многомерной. Для многомерных объектов управления таблицы зависимостей между параметрами должны быть также многомерными. Такие таблицы и их графическое представление называют характеристическими картами. Более подробно мы остановимся на них ниже.
Широкое распространение автомобильных двигателей предопределило большое разнообразие их конструкций. Это приводит к многовариантности систем управления. Так, если в карбюраторных системах топливоподачи практически не используется электроника, то современные системы впрыска топлива создаются только на основе управления электронными системами. А это приводит, в свою очередь к взаимовлиянию развития электронной (и, прежде всего, вычислительной) техники на конструктивную реализацию проектируемых двигателей.
На основании вышеизложенного сформулируем основные принципы управления двигателем:
- Цикличность управляющих воздействий, синхронизированная с тактами рабочего цикла двигателя;
- Сочетание программного управления с обратными связями;
- Оптимальность и адаптивность управления.
1.3 Критерии управления.
Выбор критериев управления диктуется целями или целевыми задачами, решаемыми объектом управления.
Автомобильный двигатель – сложная система, целевые задачи которой соответствуют потребностям различных групп людей и противоречивы уже хотя бы поэтому. Так, перед конструктором двигателя стоит проблема сделать максимально надежный, максимально мощный двигатель. Потребитель ожидает появления на рынке предельно простого в эксплуатации, дешевого и экономичного автомобиля; соответствующих качеств он ожидает и от двигателя. Легкий, бесшумный, экологически чистый двигатель – требование борцов за охрану окружающей среды. Система управления двигателем как система, обеспечивающая его оптимальное функционирование, подчинена целевым задачам управляемой системы, т.е. собственно двигателя.
Считается что основное предназначение систем управления двигателем состоит в обеспечении: (1) максимальной мощности двигателя при (2) минимальном расходетоплива (энергии), да вдобавок к этому, - обеспечении (3) минимального содержаниявредных веществ в выхлопных газах. Можно показать, что такой идеальной системы управления (удовлетворяющей сразу всем этим критериям) в природе не существует.
Предположим, что содержание вредных веществ в выхлопных газах зависит от качества рабочей смеси, поступающей в цилиндры поршневого двигателя. (А это верно и ниже будет рассмотрено более детально). Вначале качество смеси охарактеризуем
словесно: богатая, бедная и нормальная, что соответственно означает избыток, недостаток и рациональное относительное содержание топлива в ее составе. Представленные на рис. 1.1.2. зависимости мощности и экономичности двигателя от качества смеси говорят о том, что максимальной мощности можно добиться при богатой смеси, минимума расхода – при обедненной.
Принципиально невозможно создать такую систему управления, котораяодновременно удовлетворяла бы критериям максимума мощности и минимума расхода. Принципиально – потому, что смесь не может быть и бедной и богатой одновременно.
Максимум
Мощность
Расход топлива
Минимум
Богатая Нормальная Бедная Качество смеси
Рис. 1.1.2.
В угоду мощности можно пожертвовать некоторым количеством топлива, обогащая смесь, что, кстати и делается на отдельных режимах работы двигателя (например, при запуске, на режимах максимальных нагрузок) или на отдельных классах автомобилей. Это приводит к интенсивному образованию нагара, повышенным нагрузкам на механизмы и узлы двигателя и автомобиля и, как следствие, к резкому снижению надежности двигателя, его ресурса.
В интересах повышения экономичности АД некоторые производители специально обедняют рабочую смесь. При этом возникают тенденции к детонации, двигатель перегревается из-за медленного сгорания топлива. В итоге – тот же эффект. Как найти компромисс между этими взаимно исключающими друг друга требованиями? Компромисс был найден. В его основе – последний из приведенных критериев – экологическая безопасность автомобильного транспорта.
Системы управления создают прежде всего для обеспечения стабильной и экологически безопасной работы двигателя.
Следовательно, правильнее было бы определить систему управления двигателем как такую систему, которая стремится обеспечить максимально безопасную (с точки зрения охраны окружающей среды) работу двигателя, при приемлемых мощности и экономичности двигателя. Ниже будет показано, что такое стремление на большинстве режимов достигается весьма успешно, однако в ряде случаев конструкторам не удается полностью избавиться от вредоносности автомобильных выбросов.
Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания.
В автомобилях в качестве приводных двигателей используются почти исключительно только двигатели внутреннего сгорания (тепловые двигатели). При этом химически связанная в топливе энергия преобразуется в тепловую энергию и в результате действия давления газа в механическую кинетическую энергию.
Топливо для бензиновых и дизельных двигателей состоит из различных углеводородных соединений. При сгорании углеводороды расщепляются на углерод и водород и оба соединяются с кислородом всасываемого воздуха. Воздух при нормальных условиях содержит 21% об. кислорода.
Полное сгорание происходит, когда с воздухом смешивается именно столько топлива, сколько необходимо для окисления с данным кислородом. При идеальном полном сгорании возникают не вредные для здоровья вещества, а двуокись углерода и вода.
В реальном процессе наряду с безвредными выхлопными газами азотом (N), водяным паром (Н20) и двуокисью углерода (СО2) в качестве продуктов неполного сгорания появляются окись углерода (СО), частично несгоревшие углеводороды (НС) и угарные газы (NOx), а также двуокись серы (SO2) и копоть.
Возникающие вредные вещества существенно зависят от процесса сгорания. В бензиновом двигателе всасывается воздушно-топливная смесь и воспламеняется искрой незадолго до конца такта сжатия (постороннее зажигание). Температура сжатия не так высока, чтобы наступило самовоспламенение. Температура самовоспламенения топлива должна быть относительно высокой, чтобы смесь не воспламенялась сама по себе при подъеме температуры в результате сжатия. Это свойство выражается также устойчивостью против детонации. Мерой для этого служит октановое число. Чем выше октановое число, тем выше антидетонационность. Различают ROZ (октановое число по исследовательскому методу) и MOZ (октановое число по моторному топливу), которые определяются по различным методам. Топливо должно иметь следующее октановое число:
Обычный бензин - минимум 91 ROZ Супер (Eurosuper) – минимум 95 ROZ Супер плюс - минимум 98 ROZ
Оценка пропорции топлива и воздуха в смеси осуществляется по коэффициенту избытка воздуха или так называемому коэффициенту «лямбда». Коэффициент избытка воздуха l (в отечественной литературе - a) - это отношение всасываемого двигателем и затем израсходованного количества воздуха L к количеству воздуха, необходимому для полного сгорания, т.е. l = L/Lт(Lт- теоретическая потребность в воздухе). Теоретически полное сгорание топливной смеси для бензина происходит при соотношении воздух/топливо, равном 14,7:1 (по массе), т.е. 14,7 кг воздуха приходится на 1 кг топлива. Это соотношение называют стехиометрическим. Объемное стехиометрическое соотношение составляет примерно 10 000:1, т.е. на полное сгорание 1 литра топлива необходимо затратить 10 000 литров воздуха.
Если фактическое отношение воздуха к топливу в смеси меньше 14,7, то Z < 1 и смесь является богатой и, наоборот, - бедная смесь характеризуется большей 14,7 величиной пропорции воздух/топливо и соответственно значением Z > 1.
Иными словами, нормальная рабочая смесь соответствует стехиометрической пропорции (для бензина, равной 14,7) или Z = 1.
Если во всасываемый воздух добавляется больше топлива, то получается богатая смесь (l < 1) и углеводороды сгорают лишь частично. Содержание НС и СО в выхлопном газе соответственно повышается. При бедной смеси (l > 1) топливо полностью сгорает и в выхлопном газе остается кислород. В результате плохого сгорания, однако, снова повышается доля НС при растущей лямбде.
Возникающие главным образом при неполном сгорании газы – ядовиты и поэтому мировое сообщество принимает законы, ограничивающие вред, причиняемый автомобильным транспортом атмосфере и людям.
Возникновение и свойства вредных веществ
Окись углерода. Окись углерода появляется главным образом при недостатке воздуха (l < 1), т.е. при богатой смеси, если подается слишком много топлива. При недостатке топлива, т.е. при избытке воздуха (l > 1) и бедной смеси, концентрация СО в выхлопном газе, в основном, основана на неоднородном распределении смеси и на колебаниях состава смеси от цикла к циклу СО - это газ без цвета и запаха. Он лучше кислорода присоединяется к гемоглобину крови и поэтому приводит к отравлению.
Углеводороды. Как и у окиси углерода, недостаток воздуха (l < 1) приводит к неполному сгоранию и, вместе с тем, к эмиссии несгоревших и частично сгоревших углеводородов. В области l > 1,1 из-за плохого сгорания повышается доля НС, а при более высоких значениях появляется неравномерный ход работы двигателя.
Эмиссии углеводородов появляются также, когда смесь через зазоры между поршнем и цилиндром попадает в картер двигателя. К тому же появляются потери при испарении из топливного бака и карбюратора. В результате соответствующей вентиляции эти углеводороды сгорания могут подаваться также через управляемый клапаном фильтр с активированным углем.
Отработанные газы содержат разные виды углеводородов:
- насыщенные углеводороды (парафины) почти не имеют запаха и обладают наркотическим действием с легким раздражением слизистой оболочки;
- ненасыщенные углеводороды (олефины, ацетилены) имеют слегка сладковатый запах с частичным раздражением слизистой оболочки. Они участвуют в образовании смога и озона;
- ароматические углеводороды имеют характерный запах. Это яды, поражающие нервную систему, с наркотическим и, частично, вызывающим рак действием.
Угарные газы. Высокая максимальная температура и высокое давление в камере сгорания вызывают определенное окисление находящегося в смеси азота. Наряду с окисью азота (NO) образуются в небольшом количестве двуокись азота (NO2). NO2 - бесцветный газ, который на воздухе окисляется до NО. NO2 - красно-коричневый газ резкого, пронизывающего запаха. Он раздражает легкие путем отравления тканей и известен как тяжелый яд для крови.
Двуокись серы. Сера сгорает вместе с кислородом воздуха до двуокиси серы (SO2).
В соединении с водой возникает сернистая кислота, которая известна как "кислотный
дождь" и вредна для окружающей среды. Сера содержится в топливе в небольшом количестве, в бензине меньше, чем в дизельном.
Соединения свинца действуют как сильный яд на клетки крови, костного мозга и нервной системы, так как они препятствуют восприятию клетками кислорода. Поэтому сегодня используется преимущественно бензин, не содержащий свинца.
Дым. Частицы. Сажа. Особенно при сгорании дизельного топлива в результате сложных физических и химических процессов появляются частицы сажи, которые состоят, главным образом, из атомов углерода. На опытах с животными установили, что эти частицы вызывают раковые заболевания. Другие твердые составные части – это сера,
шлаки и частички пыли (продукты истирания). Все твердые частицы в выхлопном газе образуют дым или
Окись углерода СO
Углеводород НС
Окислы азота NOX
Допустимый диапазон изменения l
частицы. Дым и частицы различаются с помощью методов измерения.
Двуокись углерода. Двуокись углерода - это не вредный для здоровья продукт сгорания. Человек, и животные выдыхают СО2. Увеличение содержания двуокиси углерода в атмосфере считается одной из важных причин парникового
эффекта. Этот рост вызывается
0.95 1.0 1.05
Рис. 1.1.3. Зависимость содержания вредных веществ в отработанных газах от состава горючей смеси
сгоранием ископаемых видов топлива в промышленности, частном домашнем хозяйстве, на транспорте, а также из-за вырубания тропических лесов.
Доля транспорта оценивается при этом в 10-15%. Поэтому, наряду с сокращением собственно вредных веществ, существует задача сохранения потребления топлива и, вместе с тем, эмиссии СО2на как можно более низком уровне. Производители автомобилей добровольно обязуются понизить СО2.
На рис. 1.1.3 приведены графики содержания опасных веществ в составе выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, которые поясняют целесообразность поддержания значения коэффициента Z, равным 1 (или в некоторой малой окрестности 1).