Результаты экспериментальных исследований предлагаемого метода управления ДВС

Результаты, полученные при моделировании в гл. 3, а также выдвинутые гипотезы относительно зависимости моторных свойств бинарного топлива от его состава, нуждались в практическом подтверждении. Для этого была спланирована серия экспериментов и подготовлено необходимое для их проведения оборудование, в том числе система впрыска бинарного топлива, датчик регистрации точки максимума давления в цилиндре и испытательный стенд. В данной главе представлены результаты экспериментов, предназначенных для оценки эффективности разработанного алгоритма расчета угла опережения зажигания и схемы регулирования состава бинарного топлива.

Программа и методика испытаний, эксперимента-льный стенд

Целью экспериментальных исследований, проводимых в рамках настоящей работы, являлось изучение результатов применения разработанного метода для управления ДВС. Из этой цели вытекают следующие задачи:

  • 1. Определить влияние углов опережения зажигания, рассчитанных по предлагаемому алгоритму и обеспечивающих достижение максимума давления в целевом диапазоне, на мощность и крутящий момент ДВС.
  • 2. Определить зависимость мощности и крутящего момента бензинового двигателя от различных составов бинарного топлива, предлагаемых в схеме регулирования для частичных, средних и высоких нагрузок.

Согласно целей разработки, объектом исследования в обоих случаях должен стать распространенный бензиновый двигатель, возможно в составе автомобиля.

Для решения первой задачи необходимо снять внешнюю скоростную характеристику серийного бензинового ДВС, которая будет принята за эталон для сравнения. Затем, в соответствии с предложенным алгоритмом, рассчитать набор углов опережения зажигания, соответствующий полной нагрузке (100% нажатие на педаль газа), записать новые значения УОЗ в программное обеспечение электронного блока управления (ЭБУ) двигателем и снять внешнюю скоростную характеристику еще раз. Замеры необходимо проводить в одинаковых условиях для снижения влияния внешних факторов. Полученные результаты позволят сделать выводы относительно эффективности поддержания точки максимума давления в целевом диапазоне.

Объектом испытаний в данном случае может быть любой современный бензиновый двигатель как в составе автомобиля, так и без него. Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рис. 4.1.

Принципиальная схема стенда для проверки алгоритма расчета УОЗ

Рис. 4.1. Принципиальная схема стенда для проверки алгоритма расчета УОЗ

  • 4. Сканер
  • 3. Мотортестер

Программа испытаний алгоритма расчета УОЗ состоит из следующих этапов. Автомобиль, либо двигатель внутреннего сгорания 2 устанавливается на комплекс измерения мощности 1. Углы опережения зажигания при этом серийные, т.е. определенные изготовителем. Сначала с помощью датчика давления мотортестера 3, установленного вместо свечи зажигания, выполняется замер термодинамической составляющей давления в цилиндре. Полученные значения записываются на компьютер 5 и будут использованы для оценки корректности расчета параметров рабочего цикла в модели. Затем свеча зажигания устанавливается на место и выполняется замер мощности и крутящего момента двигателя в рабочем диапазоне оборотов при полной нагрузке. При этом параметры ДВС контролируются сканером 4. После получения эталонных данных в ЭБУ записываются углы опережения зажигания, рассчитанные по предлагаемому алгоритму, и замер повторяется. В процессе этого измерения необходимо контролировать точку достижения максимума давления в цилиндре с помощью соответствующего датчика и записывать данные посредством мотортестера в компьютер для последующего анализа.

Для решения второй задачи экспериментальных исследований -определения зависимости индикаторных показателей двигателя от состава бинарного топлива необходимо разработать и установить на ДВС систему впрыска бинарной топливной смеси. Затем снять внешние скоростные характеристики двигателя при использовании топлива различных составов L, в том числе определенных теоретически в гл. 3 для частичных, средних и высоких нагрузок на двигатель. Дополнительно можно выполнить замеры только на бензине и только на газе. Полученные результаты позволят сделать выводы о корректности выдвинутых гипотез и эффективности предложенной схемы регулирования состава бинарного топлива.

Объектом испытаний в этом случае также может являться любой современный бензиновый двигатель, оборудованный системой впрыска бинарного топлива. Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рис. 4.2.

Принципиальная схема стенда для проверки схемы регулирования состава бинарного топлива

Рис. 4.2. Принципиальная схема стенда для проверки схемы регулирования состава бинарного топлива

6. ПК

Программа испытаний схемы регулирования состава бинарного топлива следующая. Автомобиль, либо двигатель внутреннего сгорания 2, оборудованный системой впрыска бинарного топлива, устанавливается на комплекс измерения мощности 1. Выполняется настройка системы впрыска бинарного топлива для состава L= 100/0 (только бензин) и снятие внешней скоростной характеристики (ВСХ). При каждом испытании параметры ДВС контролируются мотортестером 3 и программным сканером на ПК 6, подключенным через коммуникационный адаптер 5. Полученные данные затем используются как опорные. После записи опорных данных система впрыска бинарного топлива последовательно настраивается на составы L=80/20, 40/60, 50/50, 60/40, 70/30, 20/80 и для каждого из них выполняется построение графиков крутящего момента и мощности при полной нагрузке. Предварительно, перед каждым замером, топливно-воздушная смесь приводится к стехиометрической посредством специального программного обеспечения на компьютере, которое считывает показания датчика кислорода 4 и корректирует топливные карты ЭБУ автомобиля 2 через коммуникационный адаптер 5.

Сравнивая принципиальные схемы экспериментальных стендов на рис. 4.1 и 4.2, можно отметить их общность за исключением некоторых блоков. Поэтому представляется целесообразным создать экспериментальный стенд для проверки схемы регулирования состава бинарного топлива как более общий вариант, а затем адаптировать его для проверки алгоритма расчета УОЗ, отключив неиспользуемые функции и заменив нужные компоненты.

Состав компонентов экспериментального стенда определился следующим образом. В качестве комплекса для измерения мощности Южным федеральным университетом был предоставлен колесный стенд LPS 3000 фирмы МАНА, технические характеристики которого приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Основные технические характеристики стенда LPS 3000

Параметр

Размерность

Значение

Нагрузка на ось

т

2,5

Минимальная колея

мм

800

Максимальная колея

мм

3200

Минимальный допустимый размер колеса

и

12

Межосевое расстояние

мм

540

Предел измерения колесной мощности

кВт

260

Предел измерения скорости

км/ч

250

Предел измерения тягового усилия

кН

6

Частоты вращения

об/мин

0-10000

Мощность

электродинамических тормозов

кВт

250

Выступ роликов над поверхностью

мм

45

Диаметр роликов

мм

318

Компьютер

Intel Pentium, 1 Гб ОЗУ, 200 Гб жестки диск, ОС Windows ХР

Точность измерения

% от измеренной

±2

величины

Колесный мощностной стенд LPS 3000 позволяет диагностировать автомобили с бензиновыми и дизельными двигателями. На имеющейся версии стенда (роликовый агрегат R101) может быть измерена мощность до 260 кВт при максимальной скорости 250 км/ч. Нагрузка на мощностном стенде задается при помощи электродинамических тормозов. В состав мощностного стенда LPS 3000 входят: коммуникационный пульт с ПК; пульт дистанционного управления; роликовый агрегат

Поскольку стенд LPS 3000 предполагает проведение испытаний автомобиля, а не отдельного двигателя, в качестве объекта исследований были выбраны двигатели ВАЗ 1,6 л 8v и ВАЗ 1,8 л 16 v в составе автомобилей Лада Калина и Лада 21108М соответственно. Основные характеристики двигателей перечислены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Основные технические характеристики испытуемых двигателей

Параметр

ВАЗ 1,6 8 v

ВАЗ 1,8 16 v

Количество цилиндров

4

4

Система газораспределения

1 p/в, по 2 клапана на цилиндр

2 p/в, впускной и выпускной, по 4 клапана на цилиндр

Степень сжатия

9,5

10,7

Рабочий объем

1598 см3

1795 см3

Диаметр цилиндра

79,5

84,0

Ход поршня

80,5

80,0

Для контроля фактических параметров работы ДВС непосредственно на агрегатах использовался мотортестер Quantex Motodoc II (технические характеристики см. в табл. 4.3). Данный мотортестер предназначен для поиска неисправностей в различных автомобильных системах с бензиновым двигателем. Прибор удовлетворяет требованиям проведения испытания, позволяет считывать показатели двигателей с механическим или

108 электронным распределением энергии, а также двигателей, оборудованных как карбюратором, так и системой впрыска. MotoDoc II совместим с выбранными для исследований моделями автомобилей.

Программных и аппаратных сканеров для считывания параметров ЭБУ существует довольно большое количество. Они характеризуются схожей функциональностью и отсутствием «лидирующих» моделей. В данном случае использовался сканер Quantex Scandoc, возможности которого включают: чтение и расшифровку кодов ошибок, стирание ошибок, вывод текущих данных в цифровом и графическом виде, активацию исполнительных механизмов, идентификацию блоков управления, а также чтение и программирование иммобилайзера. Технические характеристики сканера приведены табл. 4.4.

Таблица 4.3

Основные технические характеристики мотортестера MotoDoc II

Параметр

Размерность

Значение

Разрядность АЦП

бит

16

Количество наблюдаемых каналов одновременно

1,2,4

Пределы измерения напряжения осциллографических каналов 1 и 2

В

±2, ±16, ±60, ±160

Выходное сопротивление осциллографических каналов 1 и 2

кОм

500-1000

Высоковольтное напряжение

кВ

±25

Первичное напряжение на катушке

В

±500

Датчик тока (шунт)

А

±10

Датчики давления 1 и 2

Атм

±16/±100

Скорость отображения информации без потери данных

кадры/с.

12-18

Количество запоминаемых

шт.

900

кадров

Тип соединения с компьютером

Ethernet 10-BASE-T

Таблица 4.4

Основные технические характеристики сканера ScanDoc

Параметр

Размерность

Значение

Разрядность процессора

бит

32

Тактовая частота процессора

МГц

72

Внутренняя память

Мб

32

Протоколы, поддерживаемые аппаратно

Line, 2xCAN, VPW, PWM, J1708

Протоколы, поддерживаемые программно

KW71, KW81, KW82, KW1284, DS2, ISO8, ISO14230, ISO9141, ISO15765, J1979, J1850

Максимальное количество каналов

36

Связь с PC

Ethernet 10/100

Для контроля состава отработавших газов использовался хорошо зарекомендовавший себя контроллер LM-01 фирмы Innovate Motorsport (характеристики см. в табл. 4.5). Прибор оснащен двумя аналоговыми выходами и использует специальный широкополосный датчик кислорода, который устанавливается в выпускной коллектор и по содержанию кислорода в ОГ рассчитывает фактическое значение коэффициента избытка топлива.

Помимо выбора основных блоков экспериментального стенда, в рамках настоящей работы были решены задачи сборки инженерного образца системы впрыска бинарного топлива [114] и создания датчика регистрации точки максимума давления в цилиндре [115].

Таблица 4.5

Технические характеристики контроллера LM-01

Параметр

Размерность

Значение

Максимальное количество каналов

16

Разрешение пакета

бит

10

Скорость передачи

бит/с

19,2

Скорость записи

мсек/пакет

81,82

Поддерживаемые протоколы

ISO 157650 (CAN), J1850PWM, J1850VPW, ISO 9141, ISO 14230 (KWP2000)

Поддерживаемые ОС

Windows 98, ME, 2000, XP, Vista

Версия протокола USB

2,0

Система подачи бинарного топлива была реализована на основе газового оборудовании ELPIGAS IV поколения, установленного на автомобиль ВАЗ 21108М. При этом штатный блок управления ELPIGAS был отключен, а газовые форсунки были соединены с выходами 5 и 17 инженерного блока управления Январь 5.1, в котором использовалось специально программное обеспечение j5TRS, позволяющее задействовать 8 форсунок. Таким образом удалось добиться согласованной подачи бензина и газа. Газовые форсунки работали в попарно-параллельном режиме и были подобраны таким образом, чтобы обеспечить схожую с бензиновыми статическую и динамическую производительность. Необходимый состав бинарного топлива устанавливался как соотношение времени открытия газовых и бензиновых форсунок. Эта характеристика задавалась для всех оборотов вращения КВ при полном нажатии на педаль газа, что позволяло снимать внешнюю скоростную характеристику для выбранного состава топлива и использовать штатные режимы работы при частичном дросселировании (при подготовке к замерам).

Датчик для определения точки достижения максимума давления в цилиндре был собран из свечи зажигания и тензодатчика, установленных в специальном корпусе. Предложенный датчик увеличивает объем камеры сгорания на 0,06 см3. Для камеры сгорания двигателя автомобиля ВАЗ 21108М (1.8 л.), объем которой составляет 38 см3, увеличение объема составляет 0,16 % и им можно пренебречь. Предложенная конструкция датчика вследствие собственного объема вносит задержку при снятии показаний. Данная задержка рассчитывается по формуле (4.1):

S х грт

d=------. (4.1)

0.167V/C х /? х Т

где S - длина канала датчика;

к - показатель адиабаты;

R - газовая постоянная;

Т - температура в камере сгорания.

При расчетах d для длины датчика 20 см, показателя адиабаты 1,38, температуры в камере сгорания 2500 К и оборотов КВ 5000 об/мин, задержка равна 1,32 ° по КВ, что является незначительным. При снижении оборотов задержка еще больше снизится, и не внесет значительной погрешности в измерения.

Схема стенда, составленного из описанных выше компонентов, представлена на рис. 4.3.

Схема экспериментальной установки

Рис. 4.3. Схема экспериментальной установки

На рис. 4.3 использованы следующие обозначения: 1 - пульт управления комплекса измерения мощности LPS 3000; 2 - метеостанция, измеряющая давление, температуру и влажность окружающей среды; 3 -роликовый агрегат R101; 4 - датчик температуры воздуха, поступающего во впускной коллектор; 5 - газовый редуктор; 6 - газовые форсунки; 7 -бензиновые форсунки; 8 - свеча зажигания, совмещенная с датчиком регистрации точки максимума давления в цилиндре; 9 - датчик давления Quantex 16/100 атм; 10 - высоковольтный провод; 11 - синхродатчик Motodoc; 12 - мотортестер Motodoc II; 13 - модуль зажигания; 14 -широкополосный датчик кислорода Innovate; 15 - инженерный ЭБУ на базе Январь 5.1; 16 - контроллер LM-01; 17 - разъем OBD II; 18 - K-line адаптер; 19 - ПО Motodoc; 20 - ПО Injector online; 21 - ПО Innovate Logworks; 22 -баллон со сжиженным газом.

Для проведения экспериментов по исследованию зависимости показателей ДВС от состава бинарного топлива, стенд использовался в такой комплектации, как показано на рис. 4.3. При испытаниях предложенного алгоритма расчета углов опережения зажигания, состав стенда незначительно менялся: отключался контроллер 16 и адаптер 18, вместо последнего подключался сканер ScanDoc.

Испытания разработанного метода управления двигателем при работе на бинарном топливе проходили следующим образом. Автомобиль ВАЗ 21108М с системой впрыска бинарного топлива и заданным соотношением бензин/сжиженный газ устанавливался на стенд LPS 3000 1. К автомобилю подключался датчик температуры поступающего во впускной коллектор воздуха 6, кроме того, посредством метеостанции 2 проводилось измерение температуры, давления и влажности окружающей среды. Затем соотношение воздух/топливо приводилось к стехиометрическому. Для этого выполнялись настроечные заезды, во время которых использовалось ПО Injector online 20, определявшее фактический коэффициент избытка воздуха с помощью контроллера LM-01 16 и установленного в выпускной коллектор широкополосного датчика кислорода 14. Коэффициент избытка воздуха дополнительно контролировался программой Logworks 21. Фактическое отношение воздух/топливо затем сравнивалось программой с желаемым значением для данной режимной точки, и, в случае расхождения, количество топлива корректировалось модификацией таблиц «Базовое цикловое наполнение» и «Поправка ЦП» в программном обеспечении j5TRS инженерного блока управления двигателем 15. Поправки вносились в режиме реального времени с помощью высокоскоростного K-line адаптера 18, подключенного к ОВD-разъему 17. Следует отметить, что поправки были незначительные, поэтому было решено не менять названия составов бинарного топлива и для простоты восприятия оставить «целые» цифры (L=20/80, 40/60 и т.д.).

По достижении высокой степени сходства желаемого коэффициента избытка воздуха с действительным, выполнялось снятие внешней скоростной характеристики для установленного состава L. При этом программой Motodoc 19 записывались данные с датчика индикации давления в цилиндре, который был подключен к мотортестеру 12 с помощью датчика давления Quantex 9. Датчик 11, подключенный к высоковольтному проводу 10, обеспечивал синхронизацию данных по давлению с процессом работы двигателя.

Описанная процедура повторялась для каждого исследуемого состава бинарного топлива.

При испытаниях алгоритма расчета углов опережения зажигания, обеспечивающих достижение максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне, использовался автомобиль Лада Калина 1119 с двигателем 1,6 8v в штатной комплектации. При этом к нему не подключался датчик индикации давления и контроллер LM-01, а разъем 17 использовался сканером ScanDoc для мониторинга параметров работы ДВС. Автомобиль устанавливался на мощностной стенд и проводился замер мощности и крутящего момента при использовании заводских углов опережения зажигания. Затем углы для режимных точек, соответствующих максимальной нагрузке, заменялись на модифицированные, рассчитанные по предлагаемому алгоритму, и выполнялся повторный замер мощности и крутящего момента двигателя.

Для проверки корректности расчета термодинамической составляющей в разработанной математической модели в цилиндр автомобиля ВАЗ 21108М вместо свечи зажигания устанавливался датчик давления Quantex 16 Атм, после чего коленчатый вал проворачивался, а полученная при этом диаграмма давления сохранялась в программном обеспечении Motodoc с помощью мотортестера.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >