Диссертация (Формирование характеристик дизельного двигателя при использовании системы комплексного адаптивного управления), страница 8

Возможные варианты скоростныххарактеристик для двигателей различного назначения показаны на Рисунке 2.5в виде зависимостей цикловой подачи топливаот частоты вращения .Разомкнутые системы управления двигателем предусматривают непосредственное воздействие органа управления на систему топливоподачи.

В замкнутых системах управляющие воздействия от управляющего устройства отрабатываются системой регулирования с обратной связью по контролируемомупараметру. Управление дизелями в основном канале осуществляется путѐм изменения цикловой подачи топлива, которая устанавливается в зависимости отхарактеристики нагрузки из условия достижения желаемой частоты вращениявала дизеля или скорости транспортной установки.В замкнутых системах сигналом управления u задаѐтся частота вращениявала двигателя n0, а регулятор автоматически поддерживает еѐ с определѐннойточностью, изменяя подачу топлива в соответствии с нагрузкой. В контроллерпо ГООС поступает сигнал y с датчика частоты вращения вала двигателя n.

Образуются регуляторные характеристики 5 – 8 на Рисунке 2.5 (всережимное регулирование).58Рисунок 2.5. Характеристики дизелейВ разомкнутых системах устройство управления сигналом u задаѐт однуиз характеристик двигателя, которые формируются по сигналу датчика частотывращения , - частичные скоростные характеристики 9, 10 на Рисунке 2.5. Приэтом регулятор работает как ограничитель максимальнойсунке 2.5) и минимальной(линия 8 на Ри-(линия 5 на Рисунке 2.5) частот вращения валадизеля, а в интервале частот вращениязадаѐт топливоподачу взависимости от частоты вращения, обеспечивая форму частичных скоростныххарактеристик (такой тип регулирования называют двухрежимным или трѐхрежимным).Использование всережимного или двухрежимного регулирования зависитот типа двигателя и условий эксплуатации.

Двигатели судов, сельскохозяйственной техники, строительной техники, специальных машин обычно работают с автоматической стабилизацией частоты вращения вала, для них необходимо всережимное регулирование во всѐм диапазоне частот вращения.59Поскольку к частоте переменного электрического тока предъявляютсяжѐсткие требования, то основной функцией дизелей, работающих в качествеприводов генераторов переменного тока, является стабилизация частоты вращения вала, поскольку она определяет частоту электрического тока. Приводыгенераторов работают на одном скоростном режиме и различных нагрузках, чтопоказано линией 7 на Рисунке 2.5 и соответствует однорежимному регулированию в замкнутой системе (частный случай всережимного регулирования).Движение автомобильного транспорта сопровождается частой сменойскоростных режимов, и задание частоты вращения вала дизеля через регуляторсопровождается значительными изменениями подачи топлива, происходящимипри выходе на ограничения по минимальной и максимальной подаче.

Это приводит к резким изменениям скорости автомобиля, что недопустимо в условияхдвижения в плотном транспортном потоке (характерно для городских условийдвижения). В связи с этим для автомобильных дизелей применяется двухрежимное регулирование в разомкнутой системе, при котором водитель, воздействуя на педаль управления, сам определяет скорость движения, а также интенсивность процессов разгона и торможения автомобиля.Управление двигателем по частоте вращения вала или подаче топлива является основной функцией системы управления. СКАУД также должна обеспечить и другие функции по автоматизации дизельной установки и коррекции параметров рабочего процесса.

К ним, в первую очередь, относятся следующие:- формирование внешней скоростной характеристики;- управление системами двигателя с целью достижения заданных показателей двигателя и оптимизации его работы на различных режимах;- коррекция параметров рабочего процесса по внешним факторам (влияние окружающей среды, тепловое состояние двигателя, показатели работы системы нейтрализации и др.);- пуск дизеля;- обеспечение необходимых показателей качества процессов регулирования.60Для дизелей транспортного назначения формируется определѐнный видвнешней скоростной характеристики (2– 3 на Рисунке 2.5), которая ограничивает максимальную подачу топлива в зависимости от частоты вращения вала дизеля. Форма внешней скоростной характеристики зависит от потребителя энергии и характеристик турбокомпрессора.

При построении внешней скоростнойхарактеристики требуется учитывать прочностные характеристики и допустимые механические потери. На современном уровне развития двигателестроенияограничивают давлениевеличиной 20-25 МПа. Обычно, относительно точкимаксимального крутящего момента () внешняя скоростная харак-теристика содержит участки снижения подачи как в сторону номинального режима (), так и при уменьшении частоты вращения (участки 2 и 3 на Ри-сунке 2.5).На пониженных скоростных режимах приходится ограничивать максимальную подачу топлива из-за вялой работы турбокомпрессора.При изменении таких параметров режима работы двигателя и окружающей среды, как температура, давление, плотность и вязкость топлива и др.,СКАУД осуществляет коррекцию регулирующих воздействий. Вычисленноевремя срабатывания топливного клапанадавления наддувасти, давления топлива, температуры топливакорректируется в зависимости от, температуры охлаждающей жидко-, температуры воздуха на впуске в цилиндры.

Несоответствие подач топлива и воздуха в двигатель, возникающее на неустановившихся режимах из-за высокой инерционности турбокомпрессора, вызывает необходимость коррекции топливоподачи по давлению наддува (линия 4на Рисунке 2.5).Для пуска дизеля при пониженных температурах СКАУД впроцессе пуска увеличивает подачу топлива в зависимости от температурыокружающей среды и теплового состояния двигателя (зона 1 внешней скоростной характеристики на Рисунке 2.5).

Величина коррекции времени срабатывания клапанаопределяется контроллером по матрицам записанных в памятьконтроллера значенийи прибавляется к вычисленному в результате основ-ного преобразования значению времени срабатывания клапана. Скорректи-рованное значение времени срабатывания клапанапоступает на61выходной преобразователь сигналов контроллера, который формирует импульснапряженияна электромагнит клапана топливоподачи с продолжительно-стью, соответствующей вычисленному контроллером значению . Количествотоплива, поступившего за время срабатывания клапана из топливной магистрали высокого давления в форсунку, как цикловая подача топлива, впрыскива-ется в цилиндр дизеля.Процесс впрыска топлива в цилиндры дизеля кроме величины цикловойподачи топлива осуществляется с определѐнным углом опережения впрыска(УОВТ). Величина УОВТдля различных режимов работы двигателя опреде-ляется в результате предварительных расчѐтов рабочего процесса и экспериментальных исследований из условия оптимизации работы двигателя по критериям, учитывающим экономические и экологические показатели его работыили по заданным ограничениям.Для установки УОВТ используется контур программного регулированиябез стабилизации.

Контроллер по сигналу датчика частоты вращениямени срабатывания клапана топливоподачии вре-идентифицирует режим работыдизеля по скорости и нагрузке. Из матрицы оптимизированных значений() выбирается необходимое значение угла опережения впрыска, котороеопределяет момент подачи импульса напряженияиз преобразователя выход-ных сигналов контроллера на электромагнит клапана топливоподачи.При стандартных настройках контроллера цикловая подача топлива изначения УОВТ рассчитываются для различных режимов работы дизеля поматрицам, которые формируются при подборе первичных калибровок системыуправления.Чтобы избежать опасных механических нагрузок на детали двигателя, износа и повышенных выбросов вредных веществ цикловую подачу топливаограничивают также и на динамических режимах по величине углового ускорения вала двигателя – так называемый, темп набора частоты вращения.В разработанной системе реализован расчѐт продолжительности впрыскапо ПИ-закону регулирования:62()()где– ошибка регулирования,– коэффициент пропорциональной составля-– коэффициент интегральной составляющей, ( ) – значение интегра-ющей,ла ошибки регулирования на i-м шаге работы.При определении интеграла ( ) используется адаптивный алгоритм, позволяющий изменить интенсивность регулирующего воздействия в зависимостиот режима работы двигателя.

Формула, реализующая расчѐт интеграла:()где( (– шаг интегрирования,гулирования,фициент()( )())( ) – коэффициент, зависящий от ошибки ре-) – коэффициент, зависящий от частоты вращения. Коэф-позволяет повысить стабильность работы вблизи заданного ре-жима работы, когда отклонение мало по величине. Коэффициентпозволяетповысить стабильность поддержания частоты вращения при режимах, близкихк холостому ходу на малой частоте вращения. Накопление интеграла происходит только в случае, если значение интегральной составляющей меньше допустимого.2.2.2. Контур регулирования воздухоснабжения дизеляРежим работы турбокомпрессора определяется по текущей частоте вращения двигателя. Система регулирования давления наддува использует сигналдатчика давления наддува.

Поправочной величиной является сигнал датчикатемпературы воздуха на впуске.На Рисунке 2.6 показан контур управления воздухоснабжением дизеля сметодами регулирования турбокомпрессора, наиболее распространѐнными длясовременных дизелей.Одним из методов управления турбокомпрессором является воздействиена направляющий аппарат турбины (А). Исполнительное устройство поворачивает лопатки направляющего аппарата турбины, и различные угловые положе-63ния лопаток направляющего аппарата приводят к изменениям частоты вращения ротора турбокомпрессора.Другой метод управления турбокомпрессором основан на снижении давления после компрессора за счѐт открытия канала связи с атмосферой (Б).

Такой метод позволяет очень интенсивно снизить давление наддува и тем самымизменить режим работы турбокомпрессора.Близким по смыслу методом является перепуск наддувочного воздуха наколесо турбины (В). Данный метод представляет собой процесс, обратный рециркуляции отработавших газов, и эффективен для раскрутки турбокомпрессора на динамических режимах.Рисунок 2.6. Система регулирования давления наддува64В настоящее время чаще всего используется перепуск отработавших газовмимо турбины, сразу на выпуск (Г).

Этот метод позволяет снизить частотувращения ротора турбокомпрессора за счѐт уменьшения давления отработавших газов в выпускном коллекторе.Следует также отметить прогрессивный подход к регулированию турбокомпрессора связанный с электро-подкруткой ротора. На валу турбокомпрессора располагается электрическая машина, которая может подвести дополнительный крутящий момент при недостаточной мощности, выдаваемой турбиной.Так достигается повышение динамических свойств двигателя. При этом на режимах избыточной раскрутки ротора, когда отработавших газов хватает с запасом, возможно проводить отбор электрической энергии с обмоток обратимоймашины. Такой подход позволяет дополнительно заряжать аккумуляторы вэлектрической цепи двигателя и сдержать частоту вращения турбокомпрессорав допустимых пределах.Для формирования статических и динамических характеристик турбокомпрессора с турбиной изменяемой геометрии предложен новый алгоритмопределения управляющего сигнала контура задания положения направляющего аппарата турбины с целью уменьшения возможного времени работы компрессора на режимах помпажа в переходных процессах.