автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Динамическая модель бензинового двигателя для разработки микропроцессорных систем управления

-РГ6 од

. ! л |Г()!| щоо МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО- ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На пргзах рукописи

Д^ЪРЕНСКИй Сергай ПагврьЕ-ьчг-:

гг.клкк^о^я могтль ВЕ^ИДБСГС ЛЕ:;Г.лТЕЛЛ ЯЛЯ ЬИЖ^РСЦЕССОРНЫХ СИСТЕГ; УПРАВЛО-ЙЯ

( "5.04.02 — Уеплпги^ ^чкг^тялк )

ггцки на со искан: е "5 стьгзн"

:;ак,-.идлте. технически); наук

МОС^А^л

J

Рабата выполнена в Московском ордена Трудового Красного Значены аытомовильно - дерожно:» институте на каэебре автотрак горних дяигателэй.

Научний руководитель — кандидат технических наук, м.о. гтроо. Черняк Е.Я.

Осиииалик!-® злпоньнты— доктор техтчеекп^ наук, прсовссор 11ИНОКИЙ ф.1<.

кандидат технических наук,с.н.с. Лебединский А. П.

Взду^г!! оргылиасция - НГШ "Аато»яс?ктрони«а"

Згмлта состоится .4.. "И^Р 1993 г. п часов на

заседании специализированного совета К033.39.09 □ Московском -ордена Трудового Красного Знакенм аотскювильно-дсроя-нэк институте го адресу : 125829, Москва; А-319, Ленинградский проспект, Л.6А, «уд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек» института.

Автореферат раоослан ". .. 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доиент 0.М.Власов

ОБЯАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕПЫ. Одной из основных конечных задач большинства создаваемы:: систем автоматического управления ( САУ ) бензиновых ЛВС является выполнение норм на выбросы токсичных веществ с отработавшими газами ( ОГ ) при достижении возможно более высокой топливной экономичности- Решение такой задачи значительно осложняется тем, что автомобильное двигатели практически никогда не работают на установившихся режимах. Это особенно справедливо для движения автомобиля в го,-)одч, где наиболее остро стоит и проблема oai рязнения воздушного бассейна. Различил в показателях ЛВС на установившихся и неустановившихся режимах определяются суммой динамических задержек в системах двигателя.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработать динамическую модель ДВС как объекта управления для синтеза и отработки алгоритма фун»-• циомирования САУ топливслодачей по сигналам датчика содержания свободного кислсрода в ОГ. Идентифицировать модель на конкретном двигателе. Пропестм контрольные расчеты.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При построении модели использовались основные законы и уравнекия механики, термодинамики, тепломассообмена, газовой динамики, эмпирические соотношения. ИлэнтиФикация моде/>и npoi-одкяась на электротормозном стенде, оборудованном автоматизированной системой сбора и абраьотки информации в стандарте КАНАК с мини-ЭВМ ДВК-ЗМ2 и соптэетствуищим набором модулей КАМАК. Объектом идентификации пвлялся двигатель BA3-21083 стандартной комплектации. Динамическая модель ДВС реализована В виде программы, написанной на я&ыке программирования Фортран. Адекватность модели проверялась сопоставлением расчетных и экспериментальных данных на установившихся и переходных режимах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Разработана новая динамическая модель ДВС для синтеза САУ толливзлодачей и поиска алгоритма ее Функционирования, отличающаяся универсальностью, малой трудоемкостью идентификации и простотой настройки под двигатель конкретной конструкции. Для идентификации модели впускной системы, вносящей основные динамические искажения в показатели работа двигателя на неустановившихся режимах, создана методика, позволяющая определить параметры динамической модели fies использования сложного и дорогостоящего

)

оборудования для отслеживания быстропеременных процессов. Кроме того, для проведения идентификации не требуется серьезных переделок в конструкции двигателя.

На базе уравнения Б.С.Стечкина, позволяете го определять термодинамический КПД'цикла, разработана методика расчета средних за цикл индикаторных показателей работы двигателя без промежуточного интегрирования, что резко сокращает длительность расчетов. Построенный алгоритм учитывает динамику тепловыделения, потери теплоты во время процесса, сгорания, теплообмен со стенками на такте расширения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Использование разработанной динамической модели ЛВС при синтезе и отработке алгоритма Функционирования САУ позволяет в ряде случаев отказаться от проведения большого объема натурных испытаний. Кроме того, при наличии модели разработку САУ можно начинать еже до создания опытных образцов двигателя и использовать для синтеза САУ теории автоматического управления.

Анализ динамической модели впускного трубопровода и метода ее идентификации показал,, что найденные решения потенциально позволяят приступить к разработке систем адаптивного управления топливоподачей в двигателе на переходных режимах.

ЛРАЮТМЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ. Разработанная динамическая мо-депь двигателя была использована в НПО " Автоэлектроиика " для отработки методики быстрой настройки САУ динамического стенда при испытании двигателей в НТЦ ВАЗ на режимах ездового цикла. Использование ' модели привело к положительным результатам. Модель также успешно используется в НАДИ, ИПУ АН СССР, ВТУ "Ангел Кънчев"( Болгария ), Поволжском отделении инженерной академии РФ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание работы докладывалось на 48-й <1990 г.) и 49-й (1991 г.) научно-исследовательских конференциях в ПАДИ, на Всесоюзном семинаре в МГТУ им.Баумана (январь 1991 г.), на Всесоюзной научно—технической конференции в ГПИ ( Горький, октябрь 1990 г.), на Всесомзной научно—технической конференции в Минске ( октябрь 1991 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликованы одна статья, тезисы трек докладов на Всесоюзных конференциях и два научно-технических отчета ПАДИ.

□Б'ЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит и® введении, п'пс глав, общих выводов, списка литературы и приложения Об*и< объем работы - 220 стр.,в том числе 59 иллюстраций и 6 тлЬ-лии. библиография содержит 93 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ПЕРВОЙ ГЛА9с проведен анализ сущестоужщих моделей ДВС дпв разработки САУ бензиновыми дэчгателями- Отиечзгтся больное разнообразие подходов к построению моделей лачногг назначения. Значительно повысить уровень ("одели, ее универсальность и точнее решить проблемы идентификации позволяет переход ст рассмотрения всего двигат<?пг. в качестве "черного ящика" к модульному принципу построения модели ДВС,

С точки зрения управлении дзигатель ввпнетси импульс««".»" (.летемой, т.к. все управлямщие воздействия ( состав с:мьс> , наполнение, опережение эакиганкп и ¿р.) находится вне рабочего такта. Поэтому целесообразна в целях экономии времени считв определять сразу средние за цикл показатели рабогь' двигателя, без промежуточного интегрирования, а для сохранения необходимой универсальности и получения приемлемой точности расчетов наиболее удобным является определение ин-дикатооных показателей цикла пои заданном, в зависимости от начальных.условий, законе ввода теплоты в цикл.

Суцествемьые динамические! иг.кагтеичя в ргбэту двигателя на неустановившихся режимах вносит впускной трубопровод. Сложность процессов, происходящих во впускном тракте,диктует при построении модели для разработки СДУ использование? э»«пири«остого описания потока смеси. Одьдео желательно,что-Ви параметры модели имели хотя бы приблизительный Физический сиысп,что облегчит их и*вяти<.мк»илл.

Исходя из проведенного аиалмм, сформулированы следующие требования к динамическся" модели ДЕС для синт-эзп САУ ?

1. Кодепь в цепом,,. долг:на быть пригодной дг.я разработки структуры САУ и помеха алгоритмов ее Функционировании, но' не дпп окончательной ДОвадкп системы угравления или калибровке программного управлении.

1. Нобель лапина давать отклики близкие по <>аз= и амплитуде к откликам реального ДВС при действии н-. него управляющих факторов и в^р.^нкх и внутренних гоэмуаегий.

3. Дли удовлетворения требований универсальности, простоты и необходимой длл синтеза САУ точности, а также в силу указанных преимуществ модульности модель должна иметь блочную структуру- Разби?нне на оло„-и должно бить опткмсль-иым © ранках салачи синтеза и поиска алгоритма Функционирования САУ, а описание каждого иг блоков моаот содержать как .эмпирические, так и теоретические соотношения, но не должно быгь чрезкзрно детслькым.

4, НакбэльздеГ: гибкостью и универсальность» должно обладать списание подсистем, характеристики которых с наибольшей мера меняются для двигателей разных конструкций.

ВТОРАЯ ГЛАВА гюсслпена описании разработанной модели ДВС.Осноань»:и блоками базового варианта динамической модели двигателя являются (рис.1): узел дроссельной зассонки; карбюратор; ускорительный насос; впускной трубопровод{блок характеристик регуляторов угла опережения зажигания; двигатель, предстзвлякций собой совокупность четырех моделей : термодинамической модели, дающий возможность определять ми— дикатерные показатели рабочего цикла;брутто модели внутренних механичзских потерь; механическоГ: модели, позволяющей рассчитать ускорение коленчатого вала;термохимическом модели, д-мщей возможность определять расход, температуру ОГ и содержание £ них езобеднего кислорода; выпускной трубопровод; модель работы датчика содержания кислорода в ОГ: модель рнешней нагрузки ич двигатель.

Влияние положения дроссельной заслонки на показатели работы двигателя рассматривается в разработанной модели ДВС с помощью нескольких эмпирических уравнений,учитывающих зависимости показателей,характеризующих воздушный и топливный потоки во впускном трубопроводе, от положения заслонки.

В рамках задачи построения динамической модели двигателя для синтеза САУ в качестве модели карбюратора целесообразно использовать чисто эмпирические уравнения, описывающие характеристики карбюратора. Кроме того, в случае моделирования центрального впрыскивания топлива модульный принцип построения модели ДВС позволяет в качестве исходных данных использовать соответствующие матрицы микропроцессорного управления.

При моделировании ускорительного насоса рассматривалась

Рис.i Счемп информационных сенсзи л модели

мембранная конструкции. Величина топливного потока, дозируемого насосом,рассчитывается по Формуле,полученной из уравнения Бернулли. Процесс нагнетания насосом топлива моделируется по четырем периодам, различающимся по характеру взаимного относительного движения мембраны и привода насоса. При расчетах используются уравнения неразрывности топливного потока и уравнение баланса сил, действующих на мембрану, причем, т.к. общая модель ЛВС является дискретной (шаг дискретизации равен 180 гр.пкв.), все расчетные уравнения по— пучены в дискретной Форме.

Созданный вариант динамической модели двигателя позво-11,,at вести расчет параметров воздушного потека во впускном трубопроводе как с учетом задержки, связанной с заполнением япускного тракта воздухом, так и без учета этой задержки. О первом случае численным методом решается система из трех уравнений : t

Vk Рк п Vh Рк

- + --г 0„ = Бв(др) ( 1 )

Rb Тк 30 R4 Тк С

( 2 )

( 3 )

где Бв(др) - массовая скорость воздуха через дроссельную заслонку; Ук - объем впускного трубопровода; (Зв - газовая постоянная воздуха;

Тк - температура воздуха во впускном трубопроводе; Рк - абсолютное давление во впускном трубопроводе; п - частота вращения коленчатого вала двигателя; УЬ — рабочий объем одного цилиндра;

Пои Рк > Ркр : ! <к-1)/к

/ 2 к Рк

■•Зв(др) = »F \ - Ро го ( 1 - ( - ) )

W к - 1 Ро

Лря Рк < Ркр :__

2 к

Вв(др) -- mF~\ - Ро го

V к + 1

П = 1 ( Рк ; п ) ,

Гр — коэффициент наполнения;

■л — коэффициент расхода дроссельной заслонки;

Р — п.ю^е^ь проходного сечения дросселлруняей пели;

к - показатель адиабаты воздуха;

Ро - атмосферное давление;

го - плстность окружаюцего воздуха;

Ркр — критическое давление.

Формулл (1) получена после преобразование /равнения сохранения масс чо впускном трубопроводе. Формула (3) явлиет— ся регрессионным уравнением.

В случае упроченного варианта расчетов модель воздушного потока состоит из уравнения (3) и дополнительного ре! рсссконного уравнения (4):

Рк = * ( п ; Вг ) , ( 4 )

где Ог — угол открытия дроссельной заслонки.

В качестве динамической моделк топливного потока во впускном •трубппровода^первоначально Было принято уравнение, предложенное С.Р.Лчахпо и широко используемое при создании СДУ тс[1.1!ТВопадачей.

Мпл = X Бт(вх) - Мпл /Т , ( 5 )

где ( по оп.-зд-лемиям автора мо.".ели ) Мпл - масса топливной ллеж...;

X — деля Аоз'<ровлнного карбюраторе» топлнза, выпадающего в плэнку;

Сг(вх; - г;ассг>згя скорость гэтока тг-плиза на входе во впускной трубопровод; ^ — лргтояниая «зрйменч рое-^'рацзн.:- топлива из пленки.

Следов.^тельнс, ЕОЛичи::у тогтливпогэ гитОК2, поступают— го в цилиндра дзигатсля.ло^но огрэлолкт«. глсдуячим об^а^пи:

Зт(ц) = ( 1 - X ) Зт(вх) + Мпл /'С ( 6 )

АЛ я расчет! а индикаторных пок.чзате.^^гй раСати ЛВС разработан ^лг~Р1.тм, псзвслл!эв1иГ. опредьл-ть индикатг^ьый КПА

кла бег промежуточного интегрирования. В основе лежит уравнение Б.С.Стечкина, позволяющее'рассчитать термодинамический КПД . ( КПДтд ) некоторого идеализированного цикла без теплообмена на линиях сжатии и расширения, но при конечной скорости тепловыделения. Для определения КПДтд необходимо знать длительности фас процесса сгорания и Форму относительной кривой тепловыделения.Расчет индикаторных показателей цикла осуществляется с помощью теплового баланса

Т

Qbb = Li + Lw + ûcr + Одл + Qor , ( 7 )

где Qbb — теплота, введенная с топливом в цикл;

Li - индикаторная работа цикла;

Lw — разница работ, совершаемых рабочим телом на такте расширения после т. F ( рис.2 ), в адиабатическом и попит-ропиом процессах;

Qcr — потери теплоты во время сгорания ( состоят из потерь теплоты в стенки камеры сгорания и потерь, обусловленных Физическим и химическим недожогом топлива ); □дл-лстери тепл., связанные с конечной схорость» сгорания; Оог - потери теплоты с ОГ теоретического цикла, рассматривающего сгорание при V = CONST.

Для решения теплового баланса используются следуюцие уравнения и зависимости:

Свв = Ни Мт (8)

Li = Li - Lw = Qbb КПДтд ^^ - Lw (9) Qcr = Qdb( 1 - \û ) (10)

Г

т И '

Qor = Qor - Одл (11)

Qw = Lw + A L)m ' (12)

И .

Qor = Qor + ¿Um = Cv Мрт ( Тд - Tp ) (13)

_ /2 ( C1 ( ci

Lw - Бад - Бпол = \ - dV - l -—- dV , ( 14 )

vk ï v*1'

V, >v,

р

pv", Ci

Расчетный ц^кп

где Hu — низшая теплота сгорания топлива;

flr - масса топлива, постулившцго в цилиндр;

— индикаторн&/; работа идеализированного цчкла;

- коэффициент активного теппсвыдзления в конце сгс рзнмя;

Ow - потери т-? плоты в стенки на т^кте расгжрем:«я;

Д l'tf -1.31.«некие вьутрн(;;(гй энергии рг.Кзчгго тела нл такте распар-угля после т.Г , обусловленное г.отерей типпоты в cvbcikh;

Gor - топг.эта, отводимая с ОГ при рассмотрении идеали-£иредс£ккого цикла баз теплообмена h=i такте расширения, но с ткоросты® сгсрания;

Рог — теплота, отврдимая с ОГ при рассмотрении дейст-амтепь:*о|-с уч;пива(0«'_го тег.лообмен нг т;.:;тс? расюире—

нгч и г¿ппопотс-ри, езизакнь.е с конечной скзросг. » сгорзк-т;

1' — покйзатзпь гдиаСаты расширения;

Пг— показатель политропы расширения;;

С" - среднмя теплоемкость рабочего тела при изохог?'-^егкем процессе;

Мрт - масса рабочего тела в цилиндре; .

Тд, Тр — температура рабочего тела в точках О и Р соответственно;

Бад — пг.ощадь под адиабатой расширения между точками г и О ;

5пол- площадь под политропой расширения между точками Р и II;

, С2 - константы.

После решения системы уравнений (7)...(14) и использования уравнения состояния и уравнений термодинамических процессов определяются действительные индикаторные показатели, учитывающий потерь теплоты во время процесса сгорания и Физический и химический недожог топлива ( через величину

величины к и г>2 ) и теплопотери, связанные с конечной скорость» сгорания ( через величину КПЛтд ).

При моделировании /\ —датчика рассматривался датчик на основе двуокиси циркония. Статические характеристики расс-читызалтся по уравнениям Физики, а динамические характеристики моделфуюгся эмпирическими зависимостями.

Т.к. на характеристики -датчика существенное влияние оказывает температура ОГ, разработанная модель ДВС содержит подмодель выпускного трубопровода, позвслякчу» определить температуру ОГ возле датчика. Модель рассматривает изобарическое понижение температуры при конвективном теплообмене.

Модель внешней нагрузки на двигатель представляет собой стандартный моаностной баланс при движении автомобиля.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ дано описание экспериментальной установки, на которой была проведена идентификация эмпирических уравнений, входящих в общую модель ДВС. Исследования проводились на полностью прогретом двигателе ВАЗ-210ВЗ стандартной комплектации. Все разработанные модели описывают экспериментальные характеристики по раздельным участкам и имеют переменные(в зависимости от режимных факторов,коэффициенты. Такой подход повышает точность описания экспериментальных зависимостей при одновременном понижении порядка регрессионных уравнений и увеличении скорости счета.Получены модели:

),теплообмен со стенками на такте расширения ( через

Щр, Рк » < ! п, Пг )

, С1 ,Ц>Ъ = * ( п. Рк )

Погрешности данных моделей не превышают 5% на основных нагрузочно — скоростных реккмах.

Ичдицироэание двигателя осуиествлплось с использованием методов планирования эксларкментсз. Получены полиномиальные зависимости , 0| > П2 от П . Экспери-

ментальные значения показателя политропы расширения П2 определялись по ИНК на участке от точки максимальной термодинамической температуры цикла до точки хачала открывания выпускного клапана.

Точность описания разработанной модели» ДБС статических характеристик двигателя представлена в табл.1, в которой рассматривается относительные ошибки определения эффективного крутяцего момента при подстановке в обцую модель ДРС зсех полученных эмпирических уравнений.

Таблица 1

Относительные погрешности расчета эффективного момента

I Положение дроссельной заслонки, X

-1 мин I I 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100

1500 I -0.6 7.0 -0.7 0.7 2.9 3.7 4.5 3.5

2000 I -1.0 -0.1 3.7 -4.2 2.0 1.5 -1.5 -3.2

3000 I 0.4 6.1 3.9 -1.5 -1.7 -2.5 -4.3 -5.0

4000 I -0.3 6.7 6.6 1.2 -0.4 -2.4 -5.1 -5.9

5000 I I 4.3 1.4 2.6 2.2 1.4 3.0 -2.4 -3.0

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвядена разработке методики идентификации параметров модели топливного потока во впускном трубопроводе ( уравнения 5 и 6 ), позволяющей определять значения "X" и "'С" при различных сочетаниях постоянных частоты вращения и попадания дроссельной заспонкн, путем ступенчатого изменения расхода топлива на входе в трубопровод ( с ломоцью электромагнитного клапана ) и последующего анализа ОГ релейным А—датчиком. Начальное Со и конечное Бк значе-

нин расхода топлива должны находиться по разние стороны от расход?, топлива, соответствующего срабчтыванмю А-датчика Бд при стехиометрическом составе с.иеси.

Система уравнений (5) и (6) была сведена в одно дифференциальное уравнение

с

ТГ ( 1- х ) Бт(вх) + Бт(вх) = Т Ст(ц) + Бг(ц) , ( 15 )

которое было решено для случая ступенчатого изменения расхода топлива на вхсде в трубэпровод

-1/Г

Ст(ц) = Бк - X ( Бк - Бо ) е , ( 16 >

где Бт(вх) - рзсход топлива на входе в трубопровод;

Бт(ц) - величина топливного потока, поступаю»его в цилиндры двигателя.

Графическое изображение переходного процесса, имитируемого модэпь», представлено на рнс.З. Для одно-ншчьэго опрр-деления значений "X" к "'С" при каждом сочетании постоянных частоты вращения и положения заслонки необходимо проводить сорим ступенчатых изменений БтСгх) с различными величинами интервала ( Со — Бк ). Это позволяет построить зависимости временного интервала ^ между изкгкенмем Бт(вх) и срабатыванием А -датчика от величины ( Бо - Бк }, ксторзл и определяет зна-сзнил параметров модели. Для расчета "X" и " был использован метод нэцменызич квадратов (МН.К), г.япрокси-мируювий указанную зависимость по уравнению ( 16 ).

Результаты идентификации, проведенной на двигателе ВАЗ— 2Д083,показали, что параметр "X" па всех рейхах раЕен 1.0, т.н. переходный процесс, преястсвлениай на рис.3^ яш.гется чисто экспоненциальном, без порвоначаг.ььего скачка . Параметр же "'С", определяющий зту экспоненту, зависит как от частоты вра^гнил, так и от положения дроссельной заслонки.

Простота методики идентификации динамической г'.одели то— пливниго потока во впускном трубопровод«" позволяет гоэорип. о создан».* предпосылок л построения адаптивных и са! .эобуча-»»ихся СЛУ с динамической коррекцией'топлиеоподачи по модели или по лерспрогргкмируемой матрице.

Рис.3 Графическое изображение переходного процесса, представляемого моделью Aquino

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ проведено исследование разработанной динамической модели двигателя. Методом обратных задач динамики упраэляемых систем был осупествлен начальный этап синтеза САУ топпивспсдачей и сазработан алгоритм Функционирования этой САУ. Полученные данные показали в условиях расчетного эксперимента высокую эффективность разработанного алгоритма лаже при таком неблагоприятном случае, когда параметр модгли топливного потока Х=1.0, что приводит к большим вэличинам расчетных динамических задерпек во впускной системе.

Однако проведенные контрольные расчеты неустановившихся режимов выявили необходимость совершенствования модели топливного потока, т.к. она предсказывает слишком большие лереобеднения смеси, поступающей в цилиндры двигателя, в процессе разгона открыэанием дроссельной заслонки. Причина этого кроется в том, что структура модели (уравнения 5 и 6) учитывает только лишь изменения Вт(вх! и поэтому может обеспечивать приемлемые расчетные данные лишь при медленном изменении воздушного потока во впусхном тракте, когда каждую расчетную точку можно рассматривать как квазистацио-

нарную. Таким образом, модель топливного потока должна содержать все основные параметры, резко изменяющиеся в реальных условиях эксплуатации ЛВС на автомобиле и влияющие на характер переходных процессов во впускном трубопроводе.Мед-пеннс же изменяющиеся Факторы, как, например, температура стенок трубопровода,могут быть учтены путем коррекции параметров модели. Поэтому Сипа разработала новая, дополненная

модель топпивного потока •

Мпл + Ппп /f = X Бт(вх) - t. Gb ( 17 )

Зт(ц) = ( 1- X ) Gt(bx) + Мпл /Т + Г Бб , ( 18 )

где К — коэффициент пропорциональности между изменением воздушного потока Бв и изменением Ппп.

Уравнение ( 17 ) через величину ( - К Бв ¡учитывает интенсификацию процессов испарения и срыва капель топлива с поверхности пленки, ускорение ее движения при увеличении воздушного потока.При решении системы уравнений (17) и (IS) относительно Ет(ц) приходам к полученном/ ранее уравнению (16). При рассмотрении же ступенчатого изменения Сэ получаем : — t/tjj

Бт(ц) = К ( Бвк - бво ) е . ( 19 )

Данное уравнение предсказывает при ступянчдтом возрастании Зв временное увеличение Бт(ц), которое сходит на нет по экспоненте.

Полная величина тепличного потока, достигающего цилиндров,^ обцем сп/чае, при одновременном изменение Бт и (3? равна сумме (16) и (19).

Для оценки правомерности сделанных допущений при построении новой модonи бил поставлен эксперимент по выявлению ¿пилН1<я воздушногс потока на т^пливну» пленку. Испытания проходили на той не экспериментальной установке, чте и при идентификации параметров исходной модели топлидног о потока Aquino. Мо, т.к. для идентификации параметров новой гид&ли, характеризующих воздействие воздушного потока, необ::о£ мо пилдер~и-¿.гь постоянным расход топл«з»а при изменении паг.о-¡..ения дроссельной зас/>оккп, тс вмасто кар5|эраторно~1 система питаний на дл;гатг.-.ь бь'ла ¡'стакозлена серлйнзя система

центрального впрыскивания Фирмы "Зо5сЬ".Ступенчатое, резкое изменение положения дроссельной заслонки обеспечивалось до-полчительно установленным тяговым электромагнитным реле.

Эксперименты проводились на постоянной частоте вращения ( 2000 мин^ ) при различных интервалах ступенчатого изменения положенья ( открыванин ) дроссельной заслонки. При этом постоянным было начальное полонение заслонки, а переменным конечное. Положения заслонки выбирались таким образом, чтобы при выбранном постоянном расходе топлива начальное положзкие обеспечивала бы работу двигателя на богатой смеси, а конечное на бедной, что необходимо дли изменения выходного напряжения использовавшегося при зкспериментах релейного А —датчика.

Экспериментальные данные ( рис.4 ) подтвердили предположение о влиянии воздушного потока на динамику переходных процессов во зпускном трубопроводе, т.к. в противном случае все экспериментальные течки расположились бы по вертикальной линии, проходяцей ч>?рез ноль по оси времени. Однако характер этого влияния не соответствует новой модели ( уравнения 17 и 18 ), т.к^ она предсказывает представленную на рис.4 зависимость по экспоненте 1, которая г,в-ляетсл вогнутой и к тому же разрывной, в то время как экспериментальные точки расположены вдоль выпуклой кривой. Линия 1 была получена с помощью МНК при рассмотрении решения дифференциального уравнения новой модели ( Формула 19 ).

Несоответствие характера экспериментальной и моделирующей зависимостей свидетельствует о том, что топливная пленка не является чисто инерционным звеном при воздействии на нее резко изменяющимся по величине воздушным потоком, а ее поведение должно описываться в данном случае иным дифференциальным уравнением, которое имитировало бы уменьшение массы пленки Мпл после увеличения расхода воздуха не по экспоненциальной зависимости, характерной для инерционного звена. После рассмотрения большого числа различных вариантов было найдено дифференциальное уравнение, являющееся наилучшим с точки зрения точности описания экспериментальной зависимости, пригодности использования в САУ и количества

идентифицируемых параметров: • • • • • ^

Мпл = -К Бв + вв /Т. ( 20 )

БТ(Ц,Б) ~

- Мпл

( )

Уравнение (21) отражает тот Факт.что все дополнительно поступающее в цилиндры двигателя топлиго при резком увеличении расхода воздуха появляется за счет уменм»енил массы пленки.

Решением данной системы уравнении при ступенчатом изменении расхода ьоз^уха стноситеп^но расхода топлива, поступающего в цилиндры, является уравнение ( 22 >

2

6т(ц,в) = к( 6в1 - СэО )--— . I 22 )

Рис.4 Экспериментальные данные, характеризующие впи-яние воздушного потоке на динамику переходных процессов

1Ь

На основе уравнения (22) и ММ К бчпи получены формулы для расчгта параметров модели. После расчэтсв была построена моделирующая зависимость 2 на рис.4.

Для проведения контрольна расчетов ка том же скоростном режиме(2000 нин|с той же системой впрыскивания была проведена идентификация параметров и исходной модели Aquino.

Нэ рис.5 представлены результаты моделировании переходного процесса во впускном трубопроводе, полученные с использованием ио&ой модели с экспериментально идентифицированными параметрами на одном постоянном ггкоростном режиме ( 2С00 мин' ). Рассматривался сгучай мгновенного и полного открывания дроссельной заслонки.Ка:: видно из граФик-эо, новая модель предсказывает первоначальное незначительное обогащение смеси, поступающей в цилиндры, что хорошо согласуется с известными экспериментальными данными. Наиболее важным результатом является то, ч'чс максимальное расчетное переобеднении' смеси значительно ниже г.редск-.очкнсго исходной моделью Aquino и находится » допустимых г сравнении с экспериментальными данными пределах.

ОСНОВ! ИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сформулированы требования, и разработана динамическая модель двигателя с нскросым зажиганием как объекта управления для синтеза структуры и алгоритмов Функционирования микропроцессорных систем управления. Задача решалась на примере локально — замкнутого контура управления составом смеси в карбюраторном двигателе.

Благодаря блочной структуре модель отличается универсальностью, легкой адаптируемостью к особенностям двигателя, простотой идентификации и высоким быстродействием.

2. Показано, что в сипу циклического характера работы поршневой двигатель при решении данной задачи следует рассматривать как импульсный объект управления. В этих условиях в цепях увеличения быстродействия модели без потери точности целесообразно моделировать непосредственно интегральные показатели рабочего цикла.

Модель индикаторных показатепей цикла разработана на базе уравнения Б.С.Стечкина, связывающего динамику тепловыделения с КПД цикла. В модели дополнительно учтены потери

Рис.5 Контрольные расчеты

теплоты на пчнии расширения. Квазмстатическая модель с рассредоточенными параметрами позволяет рассчитать отклик индикаторных .""казатепкй двигателя при изменении режимных и управлявших Факторов.

3. Разработана и реализована простая методика, позволявшая идентифицировать параметры исогстной динамичсгкой могели Aquino для описания работы »жускмого трубопровода как основного алемент., вносящего, динамические искажения в процесс топл.1ва|;одачи л двигателе. Иденти4>ик»цнь надели выполнен;! на двигатече ВАЭ-21083 для различных скоростных и нагрузсчных режимов.

Анализ полученной модели и контрольные расчеты переходных процессов показали, что в условиях кгasидинамической идентификации модель Aquino не обеспечивает необходимую точность описания процесса, т.к. не учитывает влияния быст-

хВ

рых возмущений воздушного патока на динамику поступления топлива в цилиндр.

4. Разработана уточненная модель впускного трубопровода, учитывающая возмущения как по топливу, так и по воздуху, и позволяющая простую раздельную идентификацию параметров модели. Идентификация новой модели выполнена на двигателе ВАЗ-21083 для одного скоростного режима. Контрольные расчеты переходных процессов показали, что такая модель обеспечивает более достоверное описание изменения состава смеси в цилиндре на'переходных режимах.

5. Эффективность разработанной динамической модели подтверждена ее практическим использованием в ИЛУ АН СССР, НПО "Темп", НПО "Автоэлектроиика", в Поволжском . отделении инженерной академии РФ.

6. Анализ разработанной модели и методов ее идентификации показывает возможность постановки задачи разработки самонастраивающейся динамической модели двигателя и создания на ее базе адаптивных или программно—адаптивных систем управления двигателем на переходных режимах.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Дубренский С.В.,Черняк Б.Я. Идентификация параметров модели топливного потока во впускном трубопроводе карбюраторного двигателя, Сб.трудов ПАДИ, 1790, с.76—В4.

2. Дубренский С.В.,Черняк Б.Я. Разработка и идентификация динамической модели бензинового двигателя как обиекта управления // Повышение надежности и экологических показателен автомобильных двигателей. Тез.докл. Всесоюз. науч.-техн.конФ.,г.Горький,ГПИ,23-25 октября 1990г.,с.9.

3. Использование самонастраиваищихся алгоритмов в системах управления ЛВС / Б.Я.Черняк, С.В.Дубренский, А.Л.Ипиев, А.К.Турапин // Проблемы применения микропроцессорных контроллеров в системах управления автотракторной техникой. Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн.конФ., г.Минск, 9-11 октября 1991г., с.5.

4. Дубренский С.В..Черняк Б.Я. Динамическая модель бензинового двигателя для синтеза САУ. Всесоюз.семинар по автоматическому регулированию и управлению ЛВС, МГТУ, январь 1991г.