автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Метод определения угла опережения зажигания для управления ДВС на бинарном топливе

На правах рукописи

Береснев Максим Алексеевич

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ДВС НА БИНАРНОМ ТОПЛИВЕ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2013

г 3 МАЙ ¿013

005059942

005059942

Работа выполнена на кафедре электротехники и мехатроники в «Южном федеральном университете».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Пшихопов Вячеслав Хасанович.

Официальные оппоненты: Федянов Евгений Алексеевич

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Теплотехника и гидравлика», заведующий кафедрой;

Овчаров Сергей Александрович кандидат технических наук, доцент, Волгоградский филиал Финансового университета при правительстве Российской Федерации, кафедра «Математика и информатика», доцент.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Южно-Российский государственный

технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Защита состоится «14» июня 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.03 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «£_» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ожогин Виктор Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение цен на нефть и сокращение ее запасов заставляют активно искать альтернативные виды топлива для автомобильных двигателей. Некоторые такие топлива, например природный и попутный газы, а также различные спирты, уже достаточно широко применяются. Это позволяет улучшить экологические и/или экономические качества существующих конструкций ДВС, но вместе с тем ухудшает какие-либо (в зависимости от вида альтернативного топлива) показатели по сравнению с топливами традиционными. Для устранения подобных недостатков ведущие производители и исследовательские институты, такие как Bosch, Daimler, VAG, Delphi и др. работают над созданием двутопливных систем, где используется не один вид топлива в один момент времени, а два вида топлива подаются в цилиндр и сгорают одновременно. Изучаются различные возможные комбинации топлив, наиболее перспективные среди которых: дизель+бензин, дизель+газ, бензин+газ. В РФ были получены результаты по снижению вредных веществ в отработавших газах и увеличению срока службы компонентов ДВС при использовании смеси из бензина и сжиженного углеводородного газа (бинарного топлива). Такие разработки поддерживаются, в том числе, правительственными организациями различных стран, и в ближайшем будущем следует ожидать появления транспортных средств, использующих двутопливные системы питания.

Поскольку высокие эксплуатационные показатели современных автомобильных ДВС обеспечиваются, в том числе, управлением их рабочим процессом, востребованными являются исследования по управлению двигателем при работе на различных топливных смесях. Для двутопливных двигателей (в т.ч при использовании бинарного топлива) управление необходимо осуществлять, помимо всего прочего, с учетом соотношения подач двух видов топлива. Поэтому весьма актуальным является создание методов, способов и алгоритмов управления ДВС, учитывающих этот момент.

Цель работы заключается в создании метода определения угла опережения зажигания (УОЗ), обеспечивающего улучшение экономичности и экологической чистоты рабочих процессов бензинового ДВС, а так же увеличение его мощности и крутящего момента при использовании бинарного топлива.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие сопутствующие задачи:

1. Разработать математическую модель, которая в реальном времени позволит определить воздействие УОЗ на показатели двигателя при использовании бинарного топлива.

2. Сформулировать критерии управления, разработать алгоритмы для расчета управляющих воздействий.

3. Изучить особенности работы ДВС при использовании бинарного топлива.

4. Провести экспериментальную проверку разработанного метода на серийных двигателях и скорректировать его по полученным данным.

Объектом исследования является процесс сгорания топливно-воздушной смеси в двигателях с искровым зажиганием при использовании смеси сжиженного газа и бензина в качестве топлива.

Предметом исследования являются индикаторные показатели рабочего цикла и эффективные показатели двигателя внутреннего сгорания, такие как давление в цилиндре, мощность, крутящий момент, удельный расход топлива, эмиссия вредных веществ в отработавших газах и т.д. при изменении свойств топливно-воздушной смеси за счет изменения соотношения долей сжиженного газа и бензина.

Методы исследования, использовавшиеся при выполнении настоящей работы, базируются на методах классической термодинамики, тепломеханики, гидромеханики, вычислительной гидрогазодинамики, теории рабочих процессов ДВС, эмпирического анализа и вычислительной математики. Проверка эффективности полученных в ходе работы теоретических результатов осуществлялась средствами численного моделирования в средах MathCad и Visual Studio, а также подтверждена результатами натурных экспериментов на автомобилях ВАЗ 21108М и ВАЗ 2112.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием фундаментальных физических законов термодинамики и кинетики при разработке математических моделей, соответствием результатов моделирования практическим данным, полученным на реальных автомобилях, а также согласованностью с результатами исследований других авторов.

Научная новизна:

1. Разработан метод определения УОЗ, обеспечивающий поддержание максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне поворота коленчатого вала при использовании бинарного топлива, что улучшает экономичность и экологическую чистоту рабочих процессов ДВС посредством усовершенствования системы управления двигателем.

2. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать оптимальный УОЗ в процессе работы двигателя и отличающаяся учетом соотношения бензина и сжиженного газа в бинарном топливе.

3. Разработан способ снижения вероятности детонационного сгорания в ДВС, отличающийся добавкой сжиженного газа к бензину и позволяющий улучшить экологическую чистоту рабочих процессов ДВС.

Практическую значимость исследования представляют:

1. Алгоритм расчета угла опережения зажигания, который позволяет обеспечить увеличение мощности и экономичности, а также снизить вероятность детонационного сгорания топливно-воздушной смеси.

2. Способ реализации предложенного метода определения угла опережения зажигания при работе двигателя на бинарном топливе, в т.ч. программа расчета УОЗ.

3. Использованная при проведении экспериментов конструкция системы подачи бинарного топлива, отличающаяся от традиционных систем ГБО отсутствием отдельного ЭБУ, поскольку управление газовыми форсунками осуществляется штатным бензиновым блоком управления.

Теоретическая значимость работы заключается в результатах исследования влияния соотношения бензина и сжиженного газа в бинарном топливе на эффективные показатели ДВС, а также вероятность возникновения детонационного сгорания.

Реализация результатов работы. Материалы работы применяются при проведении научно-исследовательских работ на кафедре электротехники и мехатроники «Южного федерального университета». Метод управления ДВС при работе на бинарном топливе и способ переоборудования автомобиля для организации впрыска бинарного топлива внедрены в производственном процессе ООО «Титан Групп» и ООО «СУ МСС». Программа для расчета угла опережения зажигания передана и используется в малом инновационном предприятии ООО «Автолаб».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 57-й научно-технической конференции Таганрогского технологического института южного федерального университета (Таганрог, 2011); на шестой всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы управления» (Таганрог, 2011); на международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2011» (Одесса, 2011); на VI международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» -ICATS'2011 (Казань, 2011); на VII международной научно-практической конференции «Научные проблемы европейского континента - 2011» (Прага, 2011); на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2011» (Одесса, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК. По теме работы получено 2 патента РФ на изобретение, патент РФ на полезную модель и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Поддержание максимума давления в цилиндре в диапазоне 8-14° по коленчатому валу после ВМТ позволяет увеличить крутящий момент двигателя и снизить удельный расход топлива.

2. Добавка сжиженного газа к бензину уменьшает вероятность детонационного сгорания, снижает содержание вредных веществ в отработавших газах и затраты на топливо.

3. Прогнозное управление соотношением бензина и сжиженного газа в бинарном топливе позволяет увеличить крутящий момент ДВС при высокой нагрузке на низких оборотах коленчатого вала.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Объем диссертации составляет 143 страницы, включая 47 рисунков, 13 таблиц, а также список литературы на 121 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, выделены основные положения и результаты работы, имеющие научную новизну и практическую значимость.

В первой главе были исследованы подходы к улучшению эксплуатационных и экологических свойств ДВС. На основании работ В.Г. Дьяченко, А.В. Васильева, Р.З. Кавтарадзе, А.С. Кулешова, А.И. Мищенко, R.D. Flemming и др. рассмотрены преимущества и недостатки использования альтернативных топлив, применения электрических и гибридных двигателей, совершенствования конструкции и систем управления бензиновых ДВС. В результате обзора сделан вывод, что самый быстрый эффект достигается от обновления программного обеспечения электронных блоков управления, что позволяет снизить расход топлива и эмиссию вредных веществ, увеличить мощность двигателя и комфорт эксплуатации транспортного средства.

Одним из главных воздействий, которое в современных системах задается программно и имеет значительное влияние на эффективные характеристики двигателя, является угол опережения зажигания. Обзор работ Б.А. Шароглазова, А.К. Гирявец, L. Erricsson и др. по методам управления УОЗ показал, что основной целью любого подхода является определение оптимального угла, который обеспечит выполнение максимальной работы за цикл. Отмечено, что реализовать оптимальный УОЗ возможно не всегда вследствие детонации, возникновение которой снижает эффективность ДВС.

Оценка преимуществ и недостатков существующих подходов к определению УОЗ выявила возможности развития последних. Технический прогресс позволяет перейти от заданных изготовителем таблиц к расчету значений в реальном времени в соответствии с математическими моделями, а также применить новые способы устранения детонации, что позволит увеличить эффективность систем управления УОЗ. На основании данных заключений сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводится схема определения УОЗ и описывается разработка модели для расчета угла опережения зажигания, предназначенной для использования в реальном времени.

Предложенный метод заключается в поддержании максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне оборотов коленчатого вала, что обеспечивает выполнение максимальной работы. Для этого (см. рисунок 1) по входным параметрам с помощью модели рассчитывается оптимальный угол опережения зажигания.

Входные параметры включают следующие показания датчиков и калибровки в блоке управления: т„0„, - масса поступившего в цилиндр воздуха, Теоз„ - температура поступившего в цилиндр воздуха; rpm - обороты коленчатого вала; SomKp - степень открытия дроссельной заслонки; L - соотношение бензина и сжиженного газа в топливе; Я - коэффициент избытка воздуха. Выходные, управляющие, параметры: Voz - оптимальный угол опережения зажигания и tgomKp, tbomKp — время открытия газовой и бензиновой форсунок, необходимое для реализации оптимального УОЗ.

Входные параметры

Управляющее воздействие

иог Свеча зажигания

ЭБУ -►

Модель Бенз. форсунка

Л™,

Данные

Газовая форсунка

Объект управления

Сгорание топлива в цилиндре двигателя

Обратная связь

Эе1

Рисунок 1 - Схема определения УОЗ После расчета угла, ЭБУ определяет время открытия бензиновых и газовых форсунок, необходимое для его реализации. По результатам использования полученного УОЗ проверяются показания датчика детонации и, при ее наличии, применяется двухуровневая схема устранения детонации. Сначала выполняется увеличение детонационной стойкости топлива добавлением к бензину сжиженного газа. При этом угол опережения зажигания остается оптимальным. Если этого недостаточно, выполняется коррекция УОЗ.

Далее описана разработка математической модели, на основе которой будет рассчитываться необходимый угол опережения зажигания. Отмечено, что в последнее время, благодаря увеличению вычислительных мощностей блоков управления наметилась тенденция перехода от выбора заранее просчитанных управляющих параметров к использованию математических моделей. Основной задачей при этом является обеспечение необходимой точности расчетов за определенный, довольно небольшой, промежуток времени.

Основной задачей при создании модели был выбор способа расчета тепловыделения, однако обзор работ не выявил такового для смеси бензина и сжиженного газа, поэтому было решено взять за основу способ, наиболее близкий к необходимому, и модифицировать его. В качестве такового использован способ расчета тепловыделения, предложенный И.И. Вибе (выражение (1), который является в настоящее время одним из самых используемых, и подходит как для бензиновых, так и для газовых двигателей.

Ах = е-М0вх(£) _е-6.908х(^) ( (1)

где: <рп, <рп_1 - границы рассматриваемого диапазона в градусах поворота коленчатого вала; - продолжительность сгорания топлива, в градусах поворота коленчатого вала; т — показатель характера сгорания.

Как было показано в работах Кузьмина А.В., можно допустить, что показатель характера сгорания т не зависит от рода используемого топлива и определяется по формуле (2):

m = т0 — O,l(i/oz — Uoz0), (2)

где: mg - показатель сгорания, соответствующий начальным условиям, полученный на опорном режиме работы ДВС при грт=2000 об/мин, угле зажигания t/oz0=25 °пКВ, коэффициенте избытка воздуха 0,96.

Для определения продолжительности сгорания используется формула (3), подтвержденная исследованиями Рудой Б.П., Федяновой H.A. и др.

<Pz = <Рго + 0-25(Uoz - Uoz0)1+°'S2'T"™<>, где параметрам с индексом 0 соответствуют значения, полученным на опорном режиме работы.

Значение <pz0 изменяется для различных соотношений бензина и сжиженного газа в бинарном топливе и будет уточнено по результатам экспериментов.

После определения способа тепловыделения и входных и выходных данных была сформирована расчетная процедура, состоящая из следующих этапов: с учетом состава бинарного топлива, параметров двигателя и окружающей среды производится расчет показателей состояния рабочего тела в момент впуска; значения, полученные в момент закрытия впускного клапана, используются как начальные для расчета этапа сжатия; на основании данных по сжатию и УОЗ рассчитывается давление при сгорании, температура рабочего тела в цилиндре; после расчета горения проводится расчет давления и температуры в цилиндре при расширении.

В заключение, по полученной индикаторной диаграмме выполняется определение показателей удельной работы, мощности, крутящего момента и других выходных данных.

Для учета влияния температуры сжиженного газа на температуру поступающего в ДВС воздуха, Т0 рассчитывается как показано в уравнении температуры конца такта впуска (4).

Т0+ЛТ + уТг

Т -

1 а —

1 + у

UpbCpbtfb + V-vCytv + ът + уТ

1 + Y

(4)

ИрьСрЬ + А1» (-V

где: Црь,Сръ. - молярная масса, теплоемкость и температура пропан-бутановой смеси; ¡л„С„ Л," - молярная масса, теплоемкость и температура воздуха.

Давление рабочего тела от момента закрытия впускного клапана до момента открытия выпускного клапана определяются различными способами для этапов сжатия, горения и расширения в соответствии с выражением (5).

( I V ^

Р(<Р) = Ра(^у) , при а < <р <у

2 х дгЬ! х йх + Рп—1 х (К уп- 1 ~ "п) ^ „ рп =---.при у<<р<г (5)

/<К¥>)\П2

p(<P) = Pz(—j .при z < ср < b

где: пI- показатель политропы сжатия; Уа- объем рабочего тела в точке а; V- объем рабочего тела при угле поворота коленчатого вала <р, для которого определяется

давление; <7./^ — полная удельная теплота сгорания бинарного топлива; Ах — доля бинарного топлива, сгоревшая за время поворота коленчатого вала от <р„.1 до <р„\ К -фактор теплоемкости; у„ - переменный объем рабочего тела при выгорании бинарного топлива; л; - показатель политропы расширения; ц/(<р) - кинематическая функция изменения объема цилиндра.

При расчете давления в цилиндре в процессе сгорания топлива необходимо учитывать различную теплоту сгорания бензина и сжиженного газа. Для этого предложено рассчитывать полную удельную теплоту сгорания бинарной топливной смеси как сумму полных удельных теплот сгорания топлив-компонентов, взятых согласно их доле в бинарном топливе:

где: Ьь - доля бензина в бинарном топливе; Ьрь - доля сжиженного газа в бинарном топливе; - коэффициент эффективности горения; — соотношение

воздух/бензин и воздух/сжиженный газ; Н!ть, Н5тзь — объемная теплотворность горючей смеси для бензина и сжиженного газа соответственно.

После расчета основных этапов, определяются индикаторные и эффективные показатели: работа цикла (в расчете на один кг рабочего тела), индикаторное давление, коэффициент полезного действия и крутящий момент ДВС.

В третьей главе приведены алгоритмы устранения детонационного сгорания и расчета УОЗ, обеспечивающие достижение максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне коленчатого вала в т.ч. добавкой сжиженного газа к бензину, а также выполнена оценка экологических аспектов использования предлагаемого метода.

Для устранения детонации с помощью бинарного топлива предлагается варьировать соотношение бензина и сжиженного газа в бинарном топливе. Поскольку при смешивании двух топлив октановое число (04) смеси рассчитывается по формуле (7), то добавление высокооктанового газа к бензину увеличивает детонационную стойкость бинарного топлива.

где: Р - ОЧ бензина; LPG - ОЧ сжиженного газа; х - доля сжиженного газа в бинарном топливе (%/100).

При этом появляется возможность как прогнозного управления составом топлива для увеличения октанового числа в тех случаях, когда вероятность детонации наиболее высока, так и устранения детонации увеличением подачи сжиженного газа без изменения оптимального УОЗ. Для реализации такого подхода использовать три матрицы: матрицу инициализации DMh матрицу значений Dv и матрицу ограничений Di,m. Данные матрицы представляют собой набор значений состава бинарного топлива для различных оборотов и нагрузок (см. рисунок 2).

(6)

Octe„„.Ton. = Р+ x(LPG - Р),

(7)

В матрицу инициализации заносятся начальные значения состава бинарного топлива, которые используются для указанных оборотов и нагрузки. В процессе работы ДВС эти значения будут неизбежно изменяться по описанному далее алгоритму. Для хранения этих изменений используется матрица значений. Чтобы разграничить области устранения детонации с помощью сжиженного газа и коррекцией угла опережения зажигания используется матрица ограничений, в которой указано предельно возможное содержание сжиженного газа в бинарном топливе для различных условий.

Для определения УОЗ, обеспечивающего достижение максимума давления в целевом диапазоне был разработан алгоритм, схема которого представлена на рисунке 3.

На предложенный способ расчета угла опережения зажигания получен патент РФ на изобретение №2426003 (приоритет 18.03.10). Кроме того, алгоритм лег в основу патента РФ на изобретение №2446309 (приоритет 22.03.2010) и патента на полезную модель №100566 (приоритет 20.12.10. На программную реализацию алгоритма получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010610603 от 15.01.2010.

По результатам измерений время выполнения программы на процессоре с тактовой частотой 1 ГГц составляет от 1,1*10"4 до 1,25><10"4 с. При использовании современного блока управления с частотой 200 МГц, время выполнения не превышает 5*10"4 с, а доступное время для расчета при 6000 об/мин составляет = 2х10"3 с. Следовательно, полученная программа может выполняться в режиме реального времени.

Проведенное моделирование подтвердило ожидаемое снижение удельного расхода топлива при поддержании максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне (который был задан 8-14° пКВ). Также подтвердилось и увеличение крутящего момента, по сравнению со стандартными УОЗ для ВАЗ 2П08М (1,8 л. 16У).

В заключении главы 3 отмечается благоприятное влияние добавки сжиженного газа к бензину на содержание вредных веществ в отработавших газах. При замещении части бензина сжиженным газом количество N0* остается практически неизменным, но значительно снижаются СН и СО.

Р;„;

грт О.

ол ад 0.5- 0.2 0.1 о о,

0.4 О.З 0.2 0.1 О _

тз п 0.2 0.2 0.1 О О

о 3.2 •2.1 О О ¡и

0.1 о О _

О 5.1

1 ,1 0.1| "1 О

1 1 • Ч • 0 ч 0

Рисунок 2 - Матрицы устранения детонации

Начало

Рисунок 3 - Схема алгоритма определения УОЗ предлагаемого метода

В четвертой главе описывается планирование и проведение натурных экспериментов, выполненных для оценки эффективности разработанного метода. Приводится обсуждение результатов и сравнение с известными подходами.

В начале главы описывается методика и программа экспериментов, приводится схема собранного экспериментального стенда (см. рисуйок 4).

Рисунок 4 - Схема экспериментальной установки: 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 выводом для датчика 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 расчета УОЗ; 22 - баллон со сжиженным газом.

В ходе испытаний были сняты внешние скоростные характеристики при работе автомобиля ВАЗ 21108М с заводским УОЗ и при использовании предлагаемого метода. Для контроля попадания максимума давления в целевой диапазон поворота коленчатого вала использовался оригинальный датчик.

Для проведения всех экспериментов на автомобили была установлена оригинальная система подачи бинарного топлива (на базе ГБО ELPIGAS), отличающаяся подключением газовых форсунок 6 не к блоку управления ГБО, а к

модернизированному блоку управления двигателем (ЭБУ) 15 для согласованного управления бензиновыми и газовыми форсунками.

При проведении эксперимента использовался бензин марки «АИ-92» и сжиженный газ марки «пропан-бутан автомобильный».

На первом этапе была проведена идентификация времени горения бинарного топлива <pz0 на опорном режиме для различных составов топлива (L=80/20, 70/30, 60/40, 50/50, 40/60). Затем были сняты ВСХ автомобиля ВАЗ 21108М для этих составов. Замеры были проведены в один день для обеспечения одинаковых условий окружающей среды. В процессе замеров поддерживалась сопоставимая температура охлаждающей жидкости.

Результаты эксперимента хорошо соотносятся с результатами моделирования. Различие крутящего момента AM не превышает 5%. После проведения идентификации времени горения бинарного топлива q>zn различие между расчетами и экспериментальными данными не превышает 1%. Результаты времени горения до и после идентификации представлены в таблице 1.

Таблица 1 — Значения длительности горения различных составов бинарного топлива на опорном режиме до и после идентификации

Параметр Состав бинарного топлива L

80/20 70/30 60/40 50/50 40/60

до после до после до после до после до после

<Pr0,° 55 55 50 47,5 45 40 50 45 55 50

AM, % 0,82 0,82 1,6 0,30 3,27 0,02 3,75 0,05 4,54 0,25

Для проверки влияния добавки сжиженного газа на детонацию, в блок управления а/м ВАЗ 2112 (двигатель 21124) были записаны УОЗ, с большой вероятностью приводящие к детонационному сгоранию, после чего на максимальной нагрузке были замерены мощность и крутящий момент на бензине (рисунок 5а, кривые 2 и 4) и бинарном топливе 1=70/30 (рисунок 5а, кривые 1 и 3).

Рисунок 5 - а) результаты использования сжиженного газа для снижения детонации, б) результаты использования предлагаемого метода

22ве 27т згое зтоо «из ¿rea szos less J1S5 2«s aiss 3685 «€85

a) rpm,об/мин 6)

Для снижения негативных последствий эксперимента для ДВС, углы были модифицированы только в диапазоне 11огтоС1. По графикам видна работа системы управления, которая на бензине уменьшала УОЗ при обнаружении детонации. При этом уменьшался и крутящий момент (это хорошо заметно на частотах от 3200 до 5500 об/мин). При добавке сниженного газа УОЗ был реализован, и детонация не наблюдалась, о чем свидетельствуют увеличившиеся значения мощности и момента.

На следующем этапе были сняты внешние скоростные характеристики автомобиля ВАЗ 21108М при использовании стандартных (заводских) УОЗ и рассчитанных по предлагаемому методу. Сравнительные графики мощности и крутящего момента приведены на рисунке 56 (стандартные УОЗ соответствуют графикам 2 и 4, а предлагаемый метод - графикам 1 и 3)

Результаты эксперимента подтвердили результаты моделирования и показали, что при поддержании максимального давления в цилиндре в диапазоне 8-14° после ВМТ, крутящий момент увеличился во всем диапазоне оборотов коленчатого вала и принял максимальное значение 173,1 Нм, что составило прирост в 5,7% относительно максимального крутящего момента при использовании стандартных УОЗ 164,2 Нм. Кроме того, в нижнем диапазоне оборотов коленчатого вала (2000-2600 об/мин) крутящий момент увеличился до 11,6%, а форма графика стала более ровная. Погрешность измерений составляет ±2%.

На рисунке 6 приведены результаты сравнения

разработанного метода со стандартными УОЗ автомобиля ВАЗ 21108М на внешней скоростной характеристике по удельному расходу топлива, эмиссии вредных веществ, крутящему моменту и затратам на топливо.

Сравнение удельного расхода топлива, полученного при использовании разработанного метода с удельным расходом, обеспечиваемым стандартными УОЗ показало, что предложенный метод обеспечивает снижение расхода в среднем на 6,1%. Эмиссия вредных веществ в отработавших газах при этом снижается на 9,9% а максимальный крутящий момент увеличивается на 5,7%.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В Предложенный метод ¡й Стандарт

1ВО 16-3 1«0 120 ХОС 80 60 «3 20 О

Ср. удельный Ср. эмиссия Макс, крутящий

расход топлива, вредных веществ. момент, Нм гДкВтч) г/и сп

Рисунок 6 - Сравнение разработанного метода со стандартом на ВСХ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан метод определения УОЗ для двигателей, использующих бинарное топливо, который обеспечивает поддержание максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне поворота коленчатого вала, что позволяет: увеличить крутящий момент (на 5,7% по сравнению со стандартом); снизить выбросы вредных веществ (в среднем на 9,9% по сравнению со стандартом); а также снизить удельный расход топлива (на 6,1% по сравнению со стандартом).

2. Разработана математическая модель для определения оптимального УОЗ при работе на бинарном топливе, позволяющая в реальном масштабе времени рассчитать угол в зависимости от состава бинарной топливной смеси, скорости вращения коленчатого вала и различных параметров .окружающей среды.

3. По экспериментальным данным выполнена идентификация длительности горения бинарного топлива на опорном режиме и уточнены ее значения для различных соотношений бензина и сжиженного газа в смеси (для бензина марок «АИ-92», «АИ-95» и сжиженного газа марки «пропан-бутан автомобильный»).

4. Разработан и запатентован способ расчета угла опережения зажигания, обеспечивающий достижение максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне поворота коленчатого вала, и отличающийся возможностью работы с бинарным топливом любого состава.

5. Разработан способ устранения детонации, обеспечивающий возможность реализации оптимального УОЗ и отличающийся добавкой сжиженного газа к бензину для адаптивного управления октановым числом топлива.

6. Составлена программа для ЭВМ, реализующая предложенный способ расчета, на которую получено свидетельство о государственной регистрации.

7. Разработана и запатентована система зажигания, позволяющая снизить удельный расход топлива при увеличении крутящего момента ДВС, отличающаяся использованием предложенного способа расчета угла опережения зажигания.

8. Разработана, установлена на автомобиль и протестирована система подачи бинарного топлива, позволяющая изменять состав топлива в зависимости от положения дросселя и оборотов коленчатого вала, отличающаяся использованием штатного блока управления двигателем автомобиля.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Береснев М.А. Алгоритм расчета угла опережения зажигания для достижения максимального давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания в целевом диапазоне / М.А. Береснев // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. -Т. 104. -№3. -С. 232-240.

2. Береснев М.А. Оптимизация угла опережения зажигания для достижения максимального крутящего момента двигателя внутреннего сгорания с помощью бинарного топлива / М.А. Береснев // Известия ЮФУ. Технические науки. -2012. -№1,-С. 33-38. •

3. Береснев М.А. Управление составом бинарного топлива для улучшения показателей ДВС / М.А. Береснев, А.Л. Береснев //АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2012. -№3(63). - С.7-11.

4. Береснев М.А. Метод L-вариаций для управления ДВС при работе на бинарном топливе / М.А. Береснев, А.Л. Береснев // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - №3. - С. 251-256.

В прочих изданиях:

5. Beresnev М.А. Mathematical model of gasoline-liquified gas mixture combustion for 1С engine control / M.A. Beresnev, A.L Beresnev // Modern Fundamental

and Applied Recearches. - #3, 2011. - p. 58-61.

6. Береснев M.A. Использование бинарного топлива для двигателя внутреннего сгорания / М.А. Береснев, A.JI. Береснев // Материалы 6 Всероссийской н-п.к. «Перспективные системы управления» и Третьей молодежной школы-семинара «Управление и обработка информации в технических системах». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - С. 398-401.

7. Береснев М.А. Особенности контроля детонации при использовании бинарного топлива / М.А. Береснев, A.J1. Береснев // Сборник науч. трудов по материалам международной н-п.к. "Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2011". - Том.1. - Одесса: Черноморье, 2011. - С. 56-58.

8. Береснев М.А. Разработка датчика для определения момента достижения максимума давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания / М.А. Береснев, A.JI. Береснев // Материалы VI Международной н-п.к. «Автомобиль и техносфера» (ICATS'2011), Казань, 15-17 июля 2011г. - Казань:ЗАО «Мир без границ», 2011. - С. 226

9. Береснев М.А. Оптимизация программы управления двигателем внутреннего сгорания на базе единого каталога управляющих параметров / М.А. Береснев, A.JI. Береснев // Сборник трудов Всероссийской науч. шк.-семинара мол. уч., асп.в и студентов «Интеллектуализация информационного поиска, скантехнологии и электронные библиотеки». - Таганрог: изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. - С. 35-38.

10. Береснев М.А. Управление составом бинарной топливной смеси для улучшения крутящего момента и экологических параметров двигателя внутреннего сгорания / М.А. Береснев, А.Л. Береснев // Материалы VII междунар. н-п.к. «Научные проблемы европейского континента - 2011». Т. 25. Прага: изд-во Education and Science, 2011. С. 71-73.

11. Береснев М.А. Разработка системы впрыска бинарного топлива / М.А. Береснев, A.JI. Береснев // Матер, междунар. н-п.к. «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2011». - Выпуск 4. Том. 2. - Одесса : Черноморье, 2011. - С. 9-11.

12. Береснев М.А. Улучшение экологических показателей бензинового ДВС при использовании бинарного топлива / М.А. Береснев // Материалы Всероссийской мол. науч. школы «Эффективная работа над диссертацией». - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2012. - С. 20-23.

13. Способ зажигания двигателя автомобиля / Пшихопов В.Х.,Дорух И.Г., Береснев А.Л., Береснев М.А. (ЮФУ). - №2426003; опбкул. 10.08.2011 // Патент РФ на изобретение.

14. Система зажигания двигателя / Пшихопов В.Х.,Дорух И.Г., Береснев A.JI., Береснев М.А. (ЮФУ). - №100566; опубл. 20.12.2010 // Патент РФ на полезную модель.

15. Система зажигания двигателя / Пшихопов В.Х.Дорух И.Г., Береснев A.JL, Береснев М.А. (ЮФУ). - №2446309; опкубл. 27.03.2012 // Патент РФ на изобретение.

16. Программа расчета параметров рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания. / М.А. Береснев, А.Л. Береснев (ЮФУ). - №2010610603 от 27.11.2009 // Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ.

Типогр. ИПК ЮФУ Заказ тир./(Г£экз

Южный федеральный университет

На правах рукописи

Г)4?П1ЧАП4А?

Береснев Максим Алексеевич

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА ОПЕРЕЖЕНИЯ ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВС НА БИНАРНОМ ТОПЛИВЕ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Пшихопов В. X.

Таганрог-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

1 Критический анализ состояния проблемы....................................................9

1.1. Основные подходы к улучшению экологических и эксплуатационных показателей ДВС.........................................................................................................9

1.2 Перспективы использования альтернативных и бинарных топлив.....19

1.3. Преимущества и недостатки существующих методов определения У03 при работе на бинарном топливе....................................................................25

1.4 Постановка цели и задач исследования..................................................39

1.5 Выводы по главе........................................................................................40

2 Разработка математической модели для расчета УОЗ при использовании бинарного топлива.........................................................................................................41

2.1 Определение входных и выходных данных...........................................41

2.2 Формирование требований к модели......................................................42

2.3 Выбор базового способа расчета тепловыделения................................44

2.4. Процедура расчета при использовании бинарного топлива................48

2.5 Идентификация модели............................................................................65

2.5 Выводы по главе........................................................................................66

3 Разработка алгоритма определения угла опережения зажигания с учетом состава бинарного топлива...........................................................................................67

3.1 Особенности при работе ДВС на бинарном топливе............................67

3.2 Разработка алгоритма управления углом опережения зажигания.......70

3.2 Разработка способа устранения детонации с использованием бинарного топлива.....................................................................................................76

3.3 Проверка результатов работы алгоритмов на математической модели ............................................................................................................................83

3.3 Экологические аспекты использования разработанного алгоритма ...93

3.4 Выводы по главе........................................................................................97

4 Результаты экспериментальных исследований предлагаемого метода определения УОЗ...........................................................................................................98

4.1 Программа и методика испытаний, экспериментальный стенд...........98

4.2 Анализ результатов эксперимента для идентификации времени горения бинарного топлива....................................................................................112

4.3 Коррекция модели по экспериментальным данным............................116

4.4 Анализ результатов проверки способа обработки детонации............118

4.5 Анализ результатов проверки алгоритма определения УОЗ..............121

4.6 Сравнение предложенного метода со стандартом...............................123

4.4 Выводы по главе......................................................................................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Повышение цены на нефть и исчерпание ее запасов заставляют активно искать альтернативные виды топлива для автомобильных двигателей. Некоторые такие топлива, например природный и попутный газы, а также различные спирты, уже достаточно широко применяются. Это позволяет улучшить экологические и/или экономические качества существующих конструкций ДВС, но вместе с тем ухудшает какие-либо (в зависимости от вида альтернативного топлива) показатели по сравнению с топливами традиционными. Для устранения подобных недостатков ведущие производители и исследовательские институты, такие как Bosch, Daimler, VAG, Delphi и др. работают над созданием двутопливных систем, где используется не один вид топлива в один момент времени, а два топлива подаются в цилиндр и сгорают одновременно. Изучаются различные возможные комбинации топлив, наиболее перспективные среди которых: дизель+бензин, дизель+газ, бензин+газ. В РФ были получены результаты по снижению вредных веществ в отработавших газах и увеличению срока службы компонентов ДВС при использовании смеси из бензина и сжиженного углеводородного газа (бинарного топлива). Такие разработки поддерживаются, в том числе, правительственными организациями различных стран, и в ближайшем будущем следует ожидать появления транспортных средств, использующих двутопливные системы питания.

Поскольку высокие эксплуатационные показатели современных автомобильных ДВС обеспечиваются, в том числе, управлением их рабочим процессом, востребованными являются исследования по управлению двигателем при работе на различных топливных смесях. Для двутопливных двигателей (в т.ч при использовании бинарного топлива) управление необходимо осуществлять, помимо всего прочего, с учетом соотношения подач двух видов топлива. Поэтому весьма актуальным является создание методов, способов и алгоритмов управления ДВС, учитывающих этот момент.

4

Цель работы - создание метода определения УОЗ, обеспечивающего улучшение экономичности и экологической чистоты рабочих процессов бензинового ДВС, а так же его мощности и крутящего момента при использовании бинарного топлива.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:

1. Разработка математической модели, которая в реальном времени позволит определить воздействие УОЗ на показатели двигателя при использовании бинарного топлива.

2. Формулировка критериев управления, разработка алгоритмов для расчета управляющих воздействий.

3. Изучение особенностей работы ДВС при использовании бинарного топлива.

4. Проведение экспериментальной проверки разработанного метода на серийных двигателях и скорректировать его по полученным данным.

Объектом исследования является процесс сгорания углеводородных топлив в двигателях с искровым зажиганием при добавке сжиженного газа в топливно-воздушную смесь, а предметом исследования — индикаторные показатели рабочего цикла и эффективные показатели двигателя внутреннего сгорания, такие как давление в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, а также мощность, крутящий момент и состав отработавших газов при изменении свойств топливно-воздушной смеси за счет добавки сжиженного газа.

В работе использованы методы классической термодинамики, тепломеханики, гидромеханики, вычислительной гидрогазодинамики, теории рабочих процессов ДВС, эмпирического анализа и вычислительной математики. Проверка эффективности полученных в ходе работы теоретических результатов осуществлялась средствами численного моделирования в средах MathCad и Visual Studio, а также подтверждена результатами натурных экспериментов на автомобиле ВАЗ 21108М.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан способ определения УОЗ, обеспечивающий поддержание максимума давления в цилиндре в целевом диапазоне поворота коленчатого вала при использовании бинарного топлива, что улучшает экономичность и экологическую чистоту рабочих процессов ДВС посредством усовершенствования системы управления двигателем;

- разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать оптимальный УОЗ в процессе работы двигателя и отличающаяся учетом соотношения бензина и сжиженного газа в бинарном топливе;

- разработан способ снижения вероятности детонационного сгорания в ДВС, отличающийся добавкой сжиженного газа к бензину и позволяющий улучшить экологическую чистоту рабочих процессов ДВС.

Практическую значимость работы составляют: алгоритм расчета угла опережения зажигания, который позволяет обеспечить увеличение мощности и экономичности, а также снизить вероятность детонационного сгорания топливно-воздушной смеси; способ реализации предложенного метода определения угла опережения зажигания при работе двигателя на бинарном топливе, в т.ч. программа расчета УОЗ; использованная при проведении экспериментов конструкция системы подачи бинарного топлива, отличающаяся от традиционных систем ГБО отсутствием отдельного ЭБУ, поскольку управление газовыми форсунками осуществляется штатным бензиновым блоком управления.

Теоретическая значимость работы заключается в результатах исследования влияния соотношение бензина и сжиженного газа в бинарном топливе на эффективные показатели ДВС, а также вероятность возникновения детонационного сгорания.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием фундаментальных физических законов термодинамики и кинетики при

разработке математических моделей, соответствием результатов моделирования практическим данным, полученными на реальных автомобилях, а также согласованностью с результатами исследований других авторов.

Материалы работы применяются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Электрооборудование автомобилей и тракторов» Технологического института «Южного федерального университета» в г. Таганроге, а также при проведении научно-исследовательских работ на кафедре «Электротехники и мехатроники» ТТИ ЮФУ. Метод управления ДВС при работе на бинарном топливе и схема переоборудования автомобиля для организации впрыска бинарного топливо внедрены в производственном процессе ООО «Титан Групп» и ООО «СУ МСС». Программа для расчета угла опережения зажигания передана в малое инновационное предприятие ООО «Автолаб».

Основные результаты решения поставленных задач изложены в 16-ти печатных работах и обсуждались на 57-й научно-технической конференции Таганрогского технологического института южного федерального университета (Таганрог, 2011); на шестой всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы управления» (Таганрог, 2011); на международной научно-практической конференции "Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2011" (Одесса, 2011); на VI международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» - ICATS'2011 (Казань, 2011); на VII международной научно-практической конференции «Научные проблемы европейского континента -2011» (Прага, 2011); на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2011» (Одесса, 2011). По результатам исследований получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 2 патента РФ на изобретение и патент РФ на полезную модель.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Подержание максимума давления в цилиндре в диапазоне 8-14° по коленчатому валу после ВМТ позволяет увеличить крутящий момент двигателя и снизить удельный расход топлива.

2. Добавка сжиженного газа к бензину уменьшает вероятность детонационного сгорания, снижает содержание вредных веществ в отработавших газах и затраты на топливо.

3. Прогнозное управление соотношением бензина и сжиженного газа в бинарном топливе позволяет увеличить крутящий момент ДВС при высокой нагрузке на низких оборотах коленчатого вала.

1 Критический анализ состояния проблемы

К современному автомобилю предъявляются во многом противоречивые требования. Он должен быть мощным, чтобы обеспечивать комфорт передвижения, экономичным и надежным для обеспечения низкой стоимости владения и наносить как можно меньше вреда природе. Последнее особенно важно, поскольку автотранспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды [1, 2, 3]. В масштабах Российской Федерации доля автотранспорта в суммарных выбросах загрязняющих веществ в атмосферу всеми техногенными источниками достигает в среднем 40% [4] и наибольшая составляющая этого ущерба (до 60%) [5, 6] связана с перевозкой пассажиров легковыми автомобилями. Принимая во внимание постоянно ужесточающиеся стандарты по экологии, сокращающиеся запасы нефти - главного источника автомобильных топлив и нестабильную экономическую ситуацию в мире, исследования, направленные на улучшение экологических и эксплуатационных показателей автомобилей являются как никогда актуальными.

1.1. Основные подходы к улучшению экологических и эксплуатационных показателей ДВС

Создание современных транспортных средств, удовлетворяющих международным стандартам по экологии и безопасности, а также соответствующих ожиданиям потребителей по уровню комфорта эксплуатации обеспечивается работами в следующих направлениях [7, 8, 9]:

- совершенствование существующих автомобильных конструкций, в т.ч. и двигателей внутреннего сгорания;

- разработка принципиально новых узлов и агрегатов, например, использующих электроэнегрию;

- использование альтернативных и бинарных видов топлива, оптимальных с точки зрения экологии, высокой эффективности, низких издержек производства и значительных запасов;

- модернизация, совершенствование и оптимизация систем управления

ДВС.

Для определения перспективности проведения работ и возможности получения значимых результатов, рассмотрим эти направления подробнее.

1.1.1 Совершенствование конструкции ДВС

В данном направлении основные усилия направлены на увеличение КПД двигателя внутреннего сгорания, что обеспечит желаемое улучшение множества характеристик. Принципиальные пути повышения КПД двигателя хорошо известны и вытекают из соотношения эффективного, индикаторного, механического, термического и относительного КПД, которое задается формулой (1.1) [10]:

Ле = тлт = ШЛо ХЛт =

где:

г}е - эффективный КПД, г}{ - индикаторный КПД,

г/т - механический КПД,

г], - термический КПД,

г}0 - относительный КПД,

е - степень сжатия.

£к-1

Т}оТ)т> (1Л)

Как следует из приведенного выражения, увеличение индикаторного КПД достигается с одной стороны увеличением степени сжатия и показателя политропы, а с другой стороны уменьшением тепловых и механических потерь.

Степень сжатия. Увеличение степени сжатия повышает термический КПД г\1 идеального цикла, однако в реальном двигателе после некоторого значения одновременно приводит к постоянному росту тепловых потерь и увеличению

доли несгоревшего топлива [11, 12]. Поэтому термодинамически оптимальная

10

степень сжатия реального двигателя находится в диапазоне е=12...16 [13]. В двигателях, работающих на товарном бензине с октановым числом 91-98, такую высокую степень сжатия сложно реализовать из-за детонации [14], поэтому степень сжатия современных серийных двигателей находится на уровне 9,0-11,5, а для гибридных двигателей может достигать 13.

Потенциал улучшения топливной экономичности за счет повышения степени сжатия не исчерпан и находится на уровне 5-15% [15]. Поиск путей реализации этого потенциала весьма актуален и опирается на новые методы математического и физического моделирования (компьютерную гидродинамику, лазерную диагностику, томографический анализ и др.). Наиболее эффективными средствами уменьшения склонности двигателя к детонации (без изменения октанового рейтинга топлива) являются уменьшение диаметра цилиндра, модернизация камеры сгорания и оптимизация процесса сгорания. Традиционно оптимизация сгорания достигается за счет применения систем сгорания, обеспечивающих более быстрое сгорание: с более компактной геометрией камеры сгорания, с центральным расположением свечи зажигания, с двухсвечным зажиганием, либо с системой лазерного зажигания.

Одной наиболее эффективных технологий, которая позволяет увеличить степень сжатия и улучшить топливную экономичность является непосредственный впрыск бензина (НВБ) в цилиндры двигателя [16]. Значительная экономия топлива (10-15% по ездовому циклу и до 30% на отдельных режимах), которую позволяет обеспечить данная технология, обусловлена возможностью работать в широком диапазоне частичных нагрузок на очень бедных расслоенных смесях (обогащенных у свечи и обедненных на периферии) практически без дросселирования. Основными проблемами непосредственного впрыска являются: формирование расслоенного заряда в фиксированной точке (у свечи зажигания) в широком диапазоне режимов; обеспечение плавного (без рывков и провалов) перехода между режимами расслоенного и гомогенного сгорания; и нейтрализация продуктов бедного

11

сгорания, в первую очередь выбросов >ЮХ. Успешное решение этих проблем требует оптимизации системы сгорания, а также применения таких технических решений, как аккумуляторная система впрыска высокого давления (5-10 МПа) с электронным управлением, электронные системы регулирования вихря, электронный дроссель и накопительный ЫОх-катализатор. Эти мероприятия в значительной степени реализованы в современных двигателях и обеспечивают 22,5% прироста эффективного КПД в диапазоне £ = 10... 13,5 на каждую единицу повышения степени сжатия [17].

Показатель политропы. Одним из �