Улучшение экологических показателей дизелей путем использования микропроцессорной системы управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Трифонов, Валерий Львович

• Трифонов, Валерий Львович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Трифонов, Валерий Львович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УЛУЧШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ.

1.1. Требования, предъявляемые к дизелям в современных условиях.

1.2. Снижение токсичности отработавших газов и улучшение процессов регулирования при использовании электронных регуляторов.

1.3. Обзор систем управления дизелями с электронными регуляторами.

1.4. Цель работы и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАКОНОВ УПРАВЛЕНИЯ И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

2.1. Структура САУ

2.2. Критерии оптимальности работы САУ.

2.3. Формирование матрицы настроек УОВТ.

2.4. Динамическая модель микропроцессорной системы управления.

2.5. Расчетное исследование и выбор основных параметров системы управления.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ САУ.

3.1. Разработка электронного блока.

3.2. Разработка топливной аппаратуры дизеля и каналов управления исполнительными устройствами.

3.3. Разработка программного обеспечения электронного блока.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ САУ.

4.1. Методика экспериментальных исследований и описание экспериментальных установок.

4.2 Результаты экспериментальных исследований.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение экологических показателей дизелей путем использования микропроцессорной системы управления»

Рост парка автомобилей и увеличение мощностей двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемых на транспортные средства, приводят к увеличению потребления нефтепродуктов и загрязнению атмосферы токсичными компонентами отработавших газов (ОГ). Поэтому в последние годы значительно возросло производство дизельных двигателей, предназначенных для установки на грузовые автомобили и автобусы, что объясняется их высокой топливной экономичностью и более низкой токсичностью ОГ по сравнению с бензиновыми двигателями. Более того, в США и в ряде стран Западной Европы расширено применение дизелей на легковых автомобилях для удовлетворения новых требований по экономическим и экологическим показателям.

Дизели транспортного назначения работают в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. При работе таких дизелей на режимах с пониженной частотой вращения и частичной нагрузкой их показатели как правило ухудшаются. Это обусловлено тем обстоятельством, что современные транспортные дизели представляют собой комбинированную установку, в состав которой входят несколько разнородных систем, взаимодействующих между собой в процессе работы. Среди них системы топливоподачи, воздухоснабжения, охлаждения и др. При создании такой комбинированной установки индивидуальные характеристики этих систем удается согласовать лишь на каком-то одном режиме (чаще номинальном). На других режимах эта согласованность нарушается, что приводит к ухудшению качества рабочего процесса дизеля и, как следствие, к снижению его экономических и экологических показателей. Обеспечить такую перенастройку характеристик элементов дизеля в процессе работы при смене режимов и изменении условий эксплуатации возможно с использованием различных систем автоматического управления (САУ).

Наиболее простым и эффективным средством воздействия на рабочий процесс дизеля является управление процессом топливоподачи. Причем, для обеспечения наибольшей эффективности система управления топливоподачей должна реализовать управление цикловой подачей топлива (ЦПТ) и углом опережения впрыскивания топлива (УОВТ). Кроме того, необходимо обеспечить требуемые характеристики, среди которых наиболее важной является закон изменения давления топлива в распылителе форсунки.

Одной из наиболее сложных задач, которую необходимо решить при разработке систем управления топливоподачей, является выбор оптимальных законов управления. Это обусловлено тем, что экономические и экологические показатели транспортных дизелей находятся в сложной, часто противоречивой зависимости. Поэтому определение оптимальных характеристик топливопода-чи представляет определенные трудности.

Не менее важной задачей является практическая реализация полученных законов управления с учетом их сложности. Широко применяемые в отечественных транспортных дизелях, всережимные центробежные регуляторы прямого действия, центробежные муфты опережения впрыскивания, а также гидромеханические регуляторы непрямого действия и топливная аппаратура с топливными насосами высокого давления (ТНВД) не позволяют получить высоких эксплуатационно-технических показателей транспортных дизелей в связи с ограниченными возможностями. Поэтому наряду с проблемой теоретической разработки оптимальных законов управления топливоподачей возникает проблема разработки систем управления к нетрадиционной топливоподающей аппаратуре для транспортных дизелей, позволяющих реализовать полученные законы управления. При этом наиболее перспективны системы управления с электронными регуляторами на микропроцессорной базе. С применением электронных регуляторов системы автоматического управления дизельными двигателями выходят на новый, качественно более высокий уровень, на котором целью управления становится комплексная оптимизация двигателя как основного элемента энергетической установки. 6

В диссертации приведены результаты разработки и исследования микропроцессорной системы управления транспортным дизелем, воздействующей на систему топливоподачи. Предложена методика определения базовой характеристики для управления УОВТ и рассчитана базовая характеристика, оптимизированная по топливной экономичности и токсичности ОГ. Разработана математическая модель САУ дизеля с газотурбинным наддувом и электронным регулятором. Исследовано влияние параметров электронного регулятора на показатели качества переходных процессов. Разработаны оригинальные системы топливоподачи дизеля, позволяющие формировать необходимые законы управления ЦПТ и УОВТ и адаптированные к управлению электронным регулятором. Проведены исследования разработанной САУ с предложенными системами топливоподачи.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Трифонов, Валерий Львович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в работе исследования подтверждают эффективность использования САУ, созданных на базе современной микропроцессорной техники, для обеспечения современных высоких требований к экономическим и экологическим показателям работы транспортных дизелей. Подтверждена целесообразность управления топливоподачей не только по величине цикловой подачи, но и по УОВТ. При этом УОВТ целесообразно изменять в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами работы дизеля. Электронный блок регулятора содержит универсальную часть с микропроцессором и каналы входных сигналов с датчиков параметров дизеля и управляющих сигналов на исполнительные устройства САУ. Серийно выпускаемая топливоподающая аппаратура отечественных дизелей не позволяет сформировать требуемые законы управления топливоподачей. Поэтому в работе предложены схемы топливоподаю-щей аппаратуры, адаптированной к электронному управлению параметрами процесса топливоподачи. Разработана методика определения базовых характеристик для управления УОВТ и проведен расчет характеристик, оптимизированных по топливной экономичности и токсичности ОГ. С использованием разработанной математической модели САУ с электронным регулятором проведена оценка влияния основных параметров электронного регулятора на показатели качества переходных процессов в САУ. Для подтверждения работоспособности разработанных систем топливоподачи и возможности формирования требуемых характеристик топливоподачи проведены экспериментальные исследования этих систем. Результаты исследований используются при создании электронной САУ топливоподачей для дизеля Д-245.

По полученным результам можно сделать следующие основные выводы:

1. Разработана методика определения базовых характеристик для управления УОВТ, оптимизированных по топливной экономичности и токсичности отработавших газов, базирующаяся на составлении обобщенного критерия оптимальности на основании частных критериев - часового расхода топлива, массовых выбросов оксидов азота и других токсичных компонентов. С использованием методики проведен расчет характеристик УОВТ.

2. Разработана математическая модель САУ с электронным регулятором топливоподачи для дизеля с турбонаддувом, учитывающая рассогласование характеристик систем топливоподачи и воздухоснабжения в переходных процессах. Исследование влияния настроек регулятора на показатели качества переходных процессов, проведенные с использованием разработанной модели, позволили определить параметры электронного блока, датчика частоты вращения, исполнительных устройств регулятора.

3. Разработана САУ с универсальным микропроцессорным блоком и подсистемами управления цикловой подачей и УОВТ.

4. Разработаны две системы топливоподачи, адаптированные к электронному управлению. В одной схеме топливоподачи управление УОВТ осуществляется при помощи дополнительной фазирующей рейки ТНВД, а во второй -при использовании электромагнитного клапана, размещенного в наполнительном канале секции ТНВД и управляемого электронным блоком.

5. Проведены безмоторные экспериментальные исследования разработанных микропроцессорной системы управления и систем топливоподачи, подтвердившие их работоспособность и возможности формирования требуемых характеристик топливоподачи.

6. Проведены моторные экспериментальные исследования системы топливоподачи с ТНВД, имеющим два регулирующих органа - дозирующую и фазирующую рейки. При работе дизеля семейства КамАЗ с разработанным ТНВД по 13-ступенчатому циклу удельный индикаторный расход топлива снижается на 2,1 %, эмиссии Ж)х - на 35%, эмиссия СО - на 6,6%, эмиссия СНХ - на 8,9 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Трифонов, Валерий Львович, 2000 год

1. A.c. 1747738 СССР, МКИ F 02 M 59/00. Топливная система для дизельного двигателя / В.А.Горшков, М.С.Долганов, В.Л.Трифонов и др. (СССР). № 4716275/06. Опубл. 15.07.92. Бюлл. № 26. // Изобретения. - 1992. -№ 26. - С.132.

2. Блаженнов Е.И. Трехрежимные регуляторы автомобильных дизелей //Автомобильная промышленность. 1986. - № 7. - С.8-9.

3. Головчук А.Ф. Исследование регуляторов скорости автотракторных и комбайновых дизелей // Двигателестроение. 1984. - № 8. - С.27-29.

4. Горбаченко В.К., Курманов В.В., Мазинг М.В. Электронные системы управления подачей топлива в дизелях: Обзорная информация. М.: ЦНИИТЭИавтопром, 1989. - 51 с.

5. Горбунов В.В., Патрахальцев H.H. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: изд-воРУДН им.П.Лумумбы, 1998. - 216 с.

6. Гоц А.Н., Мацаренко И.П., Мокеева В.Н. Тенденции развития автомобильных и тракторных дизелей за рубежом // Двигателестроение. -1991. № 8-9. - С.65-67,80.

7. Гусаков C.B., Патрахальцев H.H. Выбор программы регулирования угла опережения впрыска, оптимизированной по экономичности и токсичности отработавших газов // Сб. Исследование двигателей и машин. М.: изд-во УДН им. П.Лумумбы, 1980. - С. 18-21.

8. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / В.П.Алексеев, В.Ф.Воронин, Л.В.Грехов и др.; Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

9. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. - 120 с.

10. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

11. Колупаев В.Я. Конструкции устройств для автоматического изменения угла опережения впрыска топлива в зарубежных быстроходных дизелях: Обзор. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1974. - 28 с.

12. Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1989. - 416 с.

13. Крутов В.И. Электронные системы регулирования и управления двигателей внутреннего сгорания. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1991. -138 с.

14. Крутов В.И., Кузнецов А.Г., Шатров В.И. Анализ методов составления математической модели дизеля с газотурбинным наддувом // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1994. - № 10-12. - С.62-69.

15. Крутов В.И., Кузьмик П.К. Расчет переходных процессов системы автоматического регулирования дизеля с турбонаддувом с учетом нелинейных характеристик // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1969. - № 10. - С. 102108.

16. Крутов В.И., Марков В.А. Улучшение характеристик автотракторных дизелей изменением угла опережения впрыскивания топлива // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1993. - № 2. - С.66-71.

17. Крутов В.И., Марков В.А., Шатров В.И. Управление углом опережения впрыскивания топлива в дизелях транспортного назначения // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1994. - 2. - С.34-42.

18. Крутов В.И., Шаров Г.И. Управление турбопоршневыми двигателями по парето-оптимальным функциям // Двигателестроение. 1989. - № 9. - С. 1921.

19. Кузнецов А.Г. Анализ критериев экономичности и токсичности работы транспортных двигателей // Двигателестроение. 1996. - № 2. - С.67-68.

20. Кузнецов А.Г., Трифонов В.Л., Березин С.Р. Разработка и исследование системы автоматического регулирования паровой винтовоймашины: Тез. докл. всеросс .научн.-техн. семинара // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1998. - № 3. - С. 117.

21. Левин М.И., Островский Э.С., Леснер Е.Ю. Микропроцессорная система управления углом опережения впрыскивания топлива. Статика // Дви-гателестроение. 1988. - № 6. - С.16-18,24.

22. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.: Колос, 1994. -224 с. V

23. Лышевский A.C., Мыльнев В.В., Брагинец В.А. Развитие конструкций автоматических муфт и устройств опережения впрыска автотракторных дизелей: Обзор. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1975. - 50 с.

24. Мазинг М.В. Законы управления топливоподачей // Автомобильная промышленность. 1994. - № 9. - С.7-9.

25. Марков В.А. Определение оптимальных законов управления углом опережения впрыскивания топлива для транспортных дизелей // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1994. - № 4-6. - С.65-71.

26. Марков В.А. Улучшение экономических и экологических показателей транспортных дизелей путем управления процессом топливопо дачи: Дисс. . д-ра техн. наук: 05.04.02. М.: 1995. - 413 с.

27. Марков В.А., Кислов В.Г., Хватов В.А. Характеристики топливоподачи транспортных дизелей. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. - 162 с.

28. Математическая модель системы автоматического регулирования дизеля с турбонаддувом и изменяемым углом опережения впрыскивания / В.И.Крутов, В.А.Марков, В.И.Шатров и др. // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1994. - № 1. - С.55-69.

29. Микропроцессорная система управления автотракторным дизелем / А.Г.Кузнецов, В.А.Марков, В.Л.Трифонов В.Л. и др. // Двигатель 97: Сб. тез. докл. междунар. науч.-тех. конф. М.: 1997. - С. 105-106.

30. Мочешников H.A., Френкель А.И. Обобщенные зависимости влияния регулировок дизеля на его токсичность и экономические показатели // Автомобильная промышленность. 1974. -№11.- С. 17-20.

31. Никитин Е.А., Лобастов В.М., Шутков Е.А. Экспериментальное исследование САР скорости дизель-генератора переменного тока с электронно-гидравлическим регулятором // Двигателестроение. 1979. - № 9. - С.27-29.

32. Определение оптимальных значений угла опережения впрыскивания топлива для дизелей транспортного назначения / В.И.Крутов, В.А.Марков, В.И.Шатров и др. // Двигателестроение. 1996. - № 1. - С.21-24.

33. Патент № 2127814 РФ, МКИ F01D17/20. Система регулирования частоты вращения паровой машины / С.Р.Березин, А.Г.Кузнецов, В.Л.Трифонов и др. // Изобретения. -1999. № 8. - 4.2. - С.412.

34. Пинский Ф.И. Электронное управление впрыскиванием топлива в дизелях. Коломна: Изд-во филиала ВЗПИ, 1989. - 146 с.

35. Покровский Г.П., Федоров П.В. Применение средств электроники для дозировки топлива // Автомобильная промышленность. 1985. - № 3. С.18-21.

36. Портнов Д. А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. М.: Машгиз, 1963. - 640 с.

37. Работа системы автоматического регулирования дизеля КамАЗ-740 с двухрежимным регулятором / Е.И.Блаженнов, Ю.Е.Хрящев, О.З.Шур и др.

38. Автомобильная промышленность. 1985. - № 3. - С.6-7.

39. Развитие топливоподающей аппаратуры при компьютеризации управления автомобильным дизелем / А.Э.Горев, В.К.Ефимов, Ю.Г.Котиков и др. // Двигателестроение. 1988. - № 3. - С.45-50.

40. В.И.Крутов, А.Г.Кузнецов, В.Л.Трифонов и др Разработка систем управления дизелями, обеспечивающих улучшение экономических и экологических показателей // Тез. докл. межвуз. науч.-техн. конф. М.:, 1995. -Ч. 1.-С.98.

41. Разработка электронной системы управления транспортным дизелем: Тез. докл. всеросс. науч.-тех. семинара / А.Г.Кузнецов, В.А.Марков, В.Л.Трифонов и др. // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1999. - № 2. - С. 124.

42. Растригин Л.А. Системы экстремального управления. М.: Наука, 1974. - 632 с.

43. Система регулирования угла опережения впрыскивания топлива / А.Г.Кузнецов, В.А.Марков, В.Л.Трифонов и др. // Автомобильная промышленность. 1994. - № 9. - С.9-12.

44. Система управления топливоподачей транспортного дизеля / А.Г.Кузнецов, В.А.Марков, В.Л.Трифонов и др. // Двигатель 97: Сб. тез. докл. междунар. науч.-тех. конф. М.:, 1997. - С.112.

45. Система управления транспортным дизелем с регулированием угла опережения впрыскивания топлива / В.И.Крутов, А.Г.Кузнецов, В.Л.Трифонов и др. // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвуз.сб. М.: МАМИ, 1995. - Вып.12. - С.37-41.

46. Система управления транспортным дизелем с регулированием угла опережения впрыскивания / В.И.Крутов, В.А.Марков, В.Л.Трифонов и др. // Грузовик. 1997. - № 12. - С.26-30.

47. Смайлис В.И. Малотоксичные дизели. Л.: Машиностроение, 1972.128 с.

48. Смайлис В.И. Современное состояние и новые проблемы экологии дизелестроения // Двигателестроение. 1991. - № 1. - С.3-6.

49. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / А.С.Орлин, Д.Н.Вырубов, В.И.Ивин и др.; Под ред.А.С.Орлина. -М.: Машиностроение, 1971. 400 с.

50. Толшин В.И., Якунчиков B.B. Режимы работы и токсичные выбросы отработавших газов судовых дизелей. М.:, 1999. - 190 с.

51. Топливный насос высокого давления с электронным управлением топливоподачей / А.Г.Кузнецов, В.А.Марков, В.Л.Трифонов и др. / Снижение токсичности выбросов отработавших газов: Тез. докл. междунар. науч.- техн. сем.-М.:, 1999. С.30-31.

52. Улучшение экономических и экологических показателей транспортных дизелей путем совместного управления процессами топливоподачи и воздухоснабжения / А.Г.Кузнецов, И.В.Леонов, В.Л.Трифонов и др. // Конверсия. 1996. - № 10. - С.40-44.

53. Филипосянц Т.Р., Кратко А.П., Мазинг М.В. Пути снижения вредных выбросов отработавшими газами автомобильных двигателей. М.: НИИНавтопром, 1979. - 65 с.

54. Формирование оптимальных настроек системы управления транспортным дизелем с регулированием угла опережения впрыскивания / В.И.Крутов, В.А.Марков, В.Л.Трифонов и др. // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвуз. сб. (М.). 1996. - Вып.13. - С. 15-26.

55. Чураков Е.П. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 256 с.

56. Шароглазов Б.А., Кавьяров С.И. Развитие устройств, автоматически регулирующих угол опережения подачи топлива // Труды Челябинского политехнического института. 1981. - Вып.268. - С. 145-149.

57. Hiemesch О., Lonkai G., Schenkermayr G. Das BMW-Abgasreinigungskonzept fur Dieselmodelle // MTZ. 1990. - Jg.51. - 5. - S.196-200.

58. Hofmann K.N., ummel k., Maderstein Т., Peers A. Das Common-Rail-Einspritzsystem ein nuen Kapitel der Diseleinspritztechnik // MTZ.-1997.- Jg.58.-10. - S.572-582.150

59. Kawai M., Miyagi H., Nakano J. Toyota's New Microprocessor -Based Diesel Engine Control System for Passenger Cars // IEEE Transaction on Industrial Electronics. 1985. - Vol.32, 4. - P.289-293.

60. Klingman R., Brugemann H. Der neue Vierzylinder-Dieselmotor OM611 mit Common-Rail-Einspritzung. Teil 1: Motorconstruktion und mechanischer Aufbau // MTZ.-1997.- Jg.58.-11.- S.652-659.

61. Nishizawa K., Ishiwata H., Yamaguchi S. A New Concept of Diesel Fuel Injection Timing and Injection Control System // SAE Technical Paper Series. -1987. - 870434. - P.9.

62. Parker R.F. Future Fuel Injection Requirements for Mobile Equipment Diesel Engines // Diesel and Gas Turbine Progress. 1976. - Vol.42, 10. - P. 18-19.

63. Shiozaki M., Hobo N., Akahori J. Development of a Fully Capable Electronic Control System for Diesel Engine // SAE Technical Paper Series. 1985. -850172.-P.8.

64. Trenne M.U., Ives A.P. Closed Loop Design for Electronic Diesel Injection Systems // SAE Technical Paper Series. 1982. - 820447. - P.133-139.

65. УТВЕРЖДАЮ» Главный конструктор «ЗиЛ»1. Э.С.Дамьяно оЛ2000 г.1. АКТо внедрении результатов диссертационной работы В.Л.Трифонова «Улучшение экологических показателей дизелей путем использования микропроцессорной системы управления»