Диссертация (Формирование характеристик дизельного двигателя при использовании системы комплексного адаптивного управления), страница 4

Создание модели двигателя в подобных комплексах сопряжено с большим количеством трудностей. При этом итоговая модель может обладать высокой точностью. Проблемы с использованием подобных программпри настройке систем управления связаны с низким быстродействием полученных моделей. Для настройки систем управления требуется быстродействие24вплоть до реального времени, что потребует неоправданно огромных вычислительных мощностей при использовании двумерной и, тем более, трѐхмернойпостановки задачи.Интерес представляют программы, использующие нульмерные и одномерные представления: AVL BOOST [51], WAVE [52], GT-Power [53] и др.

Основная область их применения – расчѐт процесса газообмена. Развитые программы позволяют создать программную реализацию модели всего двигателя внаглядной форме блок-схемы. Сложность представляет настройка отдельныхблоков, но все уравнения для расчѐтов заданы в программе заранее. При этомпользователь чаще всего не может повлиять на ход решения математическоймодели блока.

Такой подход в создании моделей позволяет быстрее перейтинепосредственно к требуемым расчѐтам, но все вопросы точности такого расчѐта остаются в компетенции фирмы-разработчика программного комплекса.Несколько другой подход реализован в программе Дизель-РК [54,55]. Вней задана универсальная модель двигателя с большим количеством настроек,позволяющим точно настроить расчѐт. Основное направление проводимых расчѐтов – получение статических характеристик двигателя.Для расчѐта переходных процессов двигателя требуется максимальноебыстродействие модели, в том числе, проведение расчѐта в реальном масштабевремени.

Такие компании как ETAS [56] и National Instruments [57] предлагаютнеобходимые программные комплексы (ASCET и LabView, соответственно) иоборудование для создания стендов имитационного моделирования. В программах присутствует возможность использования упрощѐнной модели двигателя или создания собственной модели по определѐнным законам.Следует отметить, что в современных публикациях в области моделирования дизельных двигателей довольно часто встречается описание собственныхмоделей для конкретного двигателя. В основном такие описания основываютсяна законах сохранения энергии [58-60].

Компьютерная реализация может бытьосуществлена в таких программных комплексах, как Simulink [61,62],25SimInTech [63] и других, позволяющих проводить динамические расчѐты дифференциальных уравнений.Анализ современного состояния математических моделей и соответствующих компьютерных программ для расчѐта режимов работы двигателей показывает, что наиболее проработаны модели и программы, предназначенные длярасчѐта установившихся режимов. Эти модели подробно описывают процесссгорания топлива и газодинамические процессы в основных элементах двигателя.

Расчѐт неустановившихся режимов работы двигателя в таких моделях ипрограммах, обычно, не предусмотрен. Другой тип моделей ориентирован нарасчѐт переходных процессов. В них подробно не рассматриваются индикаторный процесс двигателя, а используются такие интегральные оценки рабочегопроцесса, как эффективный крутящий момент. Время расчѐта режимов работыдвигателя в моделях и компьютерных программах с подробным описанием рабочего процесса значительно превышает время расчѐта режимов в моделях второго типа.В настоящее время наблюдается тенденция объединения двух типов моделей: в модели с подробным рассмотрением рабочего процесса вводятся уравнения динамики элементов двигателя для расчѐта переходных процессов. Однако, время расчѐта установившихся и неустановившихся режимов работы вкомпьютерных программах, основанных на подобных моделях, пока ещѐ остаѐтся сравнительно большим, поэтому такие модели не подходят для проведениябольшого количества вариационных расчѐтов при определении первичных калибровок системы управления и еѐ отладки методами полунатурного моделирования.В связи с этим, для проведения расчѐтных исследований при разработкесистемы комплексного адаптивного управления необходимо создание математической модели дизеля и системы управления и соответствующей компьютерной программы, обеспечивающей оперативный расчѐт переходных процессовпри достаточной точности и быстродействии.261.4.

Современные системы управления дизельными двигателямиНа современном рынке систем управления дизельными двигателямипредставлено большое количество компаний. Некоторые работают в этой области практически с момента еѐ возникновения (Bosch [64], Woodward [65]). Другие компании появились совсем недавно и только начинают зарабатывать известность (PI Innovo [66], Haltech [67]). Все эти компании объединяет одно –стремление разработать наиболее востребованную систему, которая позволитохватить максимальный сектор рынка.

Следует отметить, что в области автомобильных дизельных двигателей на данный момент мировым лидером является компания Bosch. Их система EDC17 устанавливается на автомобили самыхразных производителей, а также она лежит в основе многих разработок другихкомпаний [68]. Такие компании, как Heinzmann [69] или Continental Automotive[70] нашли свои области рынка (среднеоборотные дизели и грузовой транспорт,соответственно).

Они являются ведущими компаниями по разработке и производству более крупных и мощных систем. При этом небольшие, сравнительномолодые компании также ищут новые возможности в различных секторах производства. Перспективным направлением является разработка систем управления для энергетических установок гибридных транспортных средств. В связи собщемировой тенденцией снижения токсичных выбросов в окружающую средуразработчики систем управления направили свои усилия на создание системкомплексного управления, которые могут согласовать работу всех подсистемэнергетической установки. Важным шагом является согласование таких элементов дизельного двигателя, как систем топливоподачи, воздухоснабжения,охлаждения, рециркуляции и нейтрализации отработавших газов.

При наличиитаких систем управления у зарубежных производителей отечественные двигателестроительные заводы вынуждены закупать у них интеллектуальные компоненты, так как среди отечественных компаний пока никто не готов поставлятьсистемы комплексного управления с воздействиями на турбонаддув и другиесистемы.

Рассмотрим подробнее некоторые решения ведущих производителей.27Системы управления двигателями фирмы Bosch.В 1886 году Роберт Бош основал «Мастерскую точной механики и электротехники» в Штутгарте [71]. В 1897 году была создана первое устройство зажигания для автомобильного двигателя. С тех пор история компании Boschнеразрывно связана с автомобильным транспортом. 30 ноября 1927 года, послепяти лет разработок, началось производство дизельных топливных насосов.Первые блоки были поставлены MAN в начале следующего года.

В 1951 годуна выставке во Франкфурте была представлена система впрыска бензина дляпассажирских автомобилей. В 1967 году была запущена в производство перваяв миру электронная система управления топливоподачей с регулируемым давлением Jetronic.В 1986 году была представлена электронная система управления дизельным двигателем EDC. В 1997 году было запущено массовое производство систем впрыска дизельного топлива высокого давления. В 2010 году нарынке появилась система управления Motronic для гибридных транспортныхсредств.Компания с такой историей вполне закономерно стала лидером рынка.Тенденции в области систем управления двигателями видны при рассмотренииструктуры компании.

В подразделение Diesel Systems входит предприятиеBosch Mahle Turbo Systems GmbH & Co, занимающееся созданием турбокомпрессоров. Такое объединение позволяет более эффективно создавать комплексные решения по управлению дизелем. Согласно отчѐту компании за 2016год планируется дальнейшая реструктуризация компании. К 2018 году подразделения по бензиновым и дизельным системам будут объединены в структуруPowertrain Solutions [72]. Это необходимо для объединения усилий отделов вобласти работ по гибридным энергетическим установкам.В области управления современными автомобильными дизелями наиболее распространѐнной системой является Bosch EDC17. Внешний вид электронного блока системы представлен на Рисунке 1.9.28Рисунок 1.9. Электронный блок системы управления EDC17Основные требования к системе управления топливоподачей дизеля заключаются в обеспечении следующих функций [20]:- расчѐт пусковой подачи топлива;- обеспечение движения транспортного средства;- регулирование режима холостого хода;- ограничение максимальной частоты вращения;- регулирование и ограничение скорости движения транспортного средства;- ограничение величины подачи топлива;- обеспечение режима торможения двигателем;- коррекция по высоте над уровнем моря;- регулирование момента начала впрыскивания;- регулирование состава смеси в дизельных двигателях;- ограничение уровня дымности на режиме полной нагрузки (пневмокоррекция);29Системы управления двигателями фирмы Delphi.Для двигателей средней мощности компания Delphi [73] предлагает системы Delphi DCM MediumDuty и Delphi ETC2.7.

Преимущества во многомсовпадают с системой для лѐгких двигателей. В связи с использованием такихсистем на крупных грузовиках и строительной технике в обязательном порядкеобеспечивается соблюдение экологических норм Tier 4 для внедорожных двигателей (подробнее в разделе по экологическим нормам). Внешний вид системыDelphi DCM6.24 показан на Рисунке 1.10, системы Delphi ETC2.7 на Рисунке1.11. Современные системы Delphi DCM и ETC представляют собой семействоэлектронных устройств управления дизельными двигателями, позволяющих вреальном времени корректировать характеристики впрыска топлива и параметры наддувочного воздуха.

Такой подход повышает эффективность и надѐжность работы. Системы для лѐгких дизелей изготавливаются в виде электронного блока в едином корпусе, с широким спектром интерфейсных соединений. Кпреимуществам системы управления Delphi относятся:- возможность гибкого выбора места монтажа корпуса системы;- соблюдение требований экологических норм Евро-6;- калибровки двигателя и обновление программного обеспечения происходит с использованием Flash-памяти- легко настраиваемое встроенное программное обеспечение для удовлетворения требований заказчика;- различные варианты разъѐмов коннекторов для широкого спектра дизелей малой мощности;- прочная конструкция внешнего корпуса;- поддержка фирменной системы топливоподачи Delphi Light Duty DieselCommon Rail Systems без необходимости дополнительных настроек;- последовательный интерфейс CAN для связи с другими элементамиуправления транспортным средством;- использование высокопроизводительных микропроцессоров последнегопоколения.30Сравнение характеристик систем DTC и ETC представлено в Таблице 3.Рисунок 1.10.

Электронный блок системы управления DelphiDCM6.24Рисунок 1.11. Электронный блок системы управления Delphi ETC2.731Таблица 3.Характеристики систем управления Delphi.DCM6.24ETC2.7Центральный процессор 32-битный процессор с 32-битныймикропровысокой степенью инте- цессор с тактовой чаграции и тактовой ча- стотой от 80 до 150стотой выше 200 МГц. МГц.Системавызовов СистемавызововWatchdog,контроль Watchdog,контролькрутящегомомента, крутящегомомента,проверка потока выпол- проверка потока выполнения программы в ре- нения программы в реальном времениальном времениТехнологии производ- Многослойные печатные платы типа FR4 с пластиковой посадочной поверхностью для процессоствараИспользование компонентов поверхностного монтажа (SMD)Топливная системаCommonRail – система с общей магистральюСтандартный интерфейс Delphi Diesel Systems Delphi Diesel Systemsинжекторы на 12Всвязи с электромагнит- инжекторы на 24 Вными клапанами системы топливоподачиУстановкательныхвыходовдополни- Возможность стандартного и кастомизированноговходов- коммерческих исполнений с применением специализированных интегральных схемМонтажЧисло коннекторовОтдельно от двигателя Только отдельно от двиили на двигателе через гателякронштейн154 пина (94+60)Рабочая температураОт -40°С до 85°СОт -40°С до 105°СРабочее напряжение24В24ВГабариты203×181×38247×236×6332Системы управления двигателями фирмы Woodward.Система управления производства Woodward предназначена для использования на дизельных двигателях большоймощности иэлектронно-управляемой системой топливоподачи [65].