автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка алгоритма адаптивной системы управления бензиновым двигателем на режиме холостого хода

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО—ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ИЛИЕВ Атанас Лювенов

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕНЗИНОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ НА РЕЖИМЕ ХОЛОСТОГО ХОДА

ОЗ.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1992

РеЁоти выполнена в Московским ордена Трудового Красного Знамени автомойильно-дорохном институте на каоедре "Лвто-тгаг.торни* двиглтспи".

Научный руководитель-кандидат технических наук, доцент

Черняк Б.Я.

Официальные оппоненты!доктор технических наук, профессор

Луков Н.М.

кандидат технических наук, ст.н.с. Гусаров А.П.

Ведущая органиаация - Научно-исследовательский институт

"Автовлектроника*

Заиита состоится ______1992 г. в [__часов на

заседании специализированного совета К053.30.09 ь Московском ордена Трудового Красного Знамени'аотомобильно-дорожном институте по адресу! 125029, Москва, А-319, Ленинградский прос-покт, д. 64, ауд._3„__•

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "___1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета!

кандидат технических наук,

доцент 6.М. Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Двигатели внутреннего сгорания сегодня являются самыми совершенными источниками энергии для транспортных средств. Число автомобилей в мире непрерывно увеличивается и по прогнозам ООН к 2000- му году достигнет 700 млн. Связанные с этим социальные и экономические проблемы ставят определенные требования к автомобильным двигателям.

Требования уменьшения токсичности отработавших газов и расхода топлива без ухудшения динамических качеств автомобилей могут быть удовлетворены применением различных электронных систем автоматического управления автомобильными двигателями.

Работа бензинового двигателя на холостом ходу (х.х.) характеризуется низкой экономичностью и повышенной токсичностью отработавших'газов.Время работы двигателя на этом режиме в условиях интенсивного городского движения значительно.

Целью управления является обеспечение устойчивой работы двигателя с минимальным расходом топлива при допустимых выбросах токсичных веществ, независимо от изменения парамет— ров двигателя и внешних условий. Так как расход топлива при работе двигателя на х.х. уменьшается с уменьшением частоты вращения коленчатого вала, задача управления состоит в поддерживании минимальной средней частоты вращения при сохранении устойчивой работы двигателя и допустимой токсичности отработавших газов. Самого большого эффекта управления режимом х.х. можно ожидать при применении замкнутого адаптивного управления одновременно составом смеси, углом опережения зажигания и подачей воздуха, но при этом существенно усложняются алгоритм и система управления. Важное значение имеет выбор контролируемого параметра для осуществления обратной связи.

Объектом настоящей диссертационной работы являются проблемы, связанные с разработкой алгоритма и программы адаптивного управления режимом х.х. бензинового двигателя.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработать математическую модель и программу расчета, позволяющую на этапе проектирования определить лучший параметр для обратной связи в системе управления двигателя на х.х. Провести параметрический анализ влияния отдельных регулировочных Факторов и показателей процесса сгорания на неравномерность колебаний двигателя на подсоске и неравномерность частоты вращения коленчатого вала как параметров обратной связи и выбрать лучший из них. Разработать алгоритм и программу управления двигателем на холостом ходу о обратной связью по выбранному параметру нестабильности работы двигателя. Доказать работоспособность алгоритма и программы управления двигателем на холостом ходу путем моделирования его работы на персональном компьютере.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Исследование проводилось на полно-раамерных двигателях ВДЭ-21083 и ВАЗ-2ЮЗ. Расчетная модель построена на основе Фундаментальных зависимостей термодинамики, механики и теории двигателей

Идентификация математической модели сделана по результатам обработки данных проведенного в МАДИ индицирования двигателя с использованием планированного трехФакторного эксперимента. Индицированив рабочего процесса осуществлялось ао-

томатизированной системой "Ц«кл" на выделенном цилиндре двигателя В АЗ—21081.

Статистическая математическая модель зависимости токсических и экономических показателей двигателя и перемещений двигателя на опорах получена в результате обработки данных планированного трехоакторного эксперимента на двигателе ВАЗ-2103 в ТУ в Русе, Болгария.

научная Новизна. Создана математическая модель перемещении диигателя на опорах, дающая возможность моделировать последствия неидентичности рабочих циклов. Определены критерии для управления углом опережения зажигания и составом горючей смеси по неравномерности колебании двигателя на подвеске. Разработан алгоритм и программа управления двигателем на холостом ходу с обратной связь» по неравномерности колебаний двигателя на опорах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработанная математическая модель позволяет оперативно оценивать степень влияния различных Факторов на нестабильность работы бензинового двигателя, а также дает возможность вести поиск наиболее эффективных показателей нестабильности.

Разработанный алгоритм адаптивного управления х.х. двигателя дает -возможность снизить расход топлива на 10-13Х и токсичность отработавших газов на 5-97..

апробация работы. Работа докпадивапась на наУчнчх конФеренциях в НАЦИ в 1990 г, в ТУ в г. РУсе, Болгария в 1990 г. и на Всесоюзной научной конференции•в г. Минске в 1991 г. Материалы диссертации изложены в двух публикациях и одном научно-техническои отчете.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 178 страницах, состоит из введения, пяти глав и приложения, содержит,11 таблиц и 52 иллюстрации. Библиография содержит 95 источников.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена анализу современного состояния по теме диссертационной работы и постановке задач исследования.

Неидентичность рабочих циклов в отдельных цилиндрах и их невоспроизводимость от цикла к циклу в каждом цилиндре приводят к межцикловой неравномерности вращения коленчатого вала.

Электронные системы управления двигателями внутреннего сгорания _ отличаются по структуре, алгоритму Функционирования, способности самонастраивания {адаптирования) и способу обработки информации.

' Существует большое число параметров, котояые могут быть включены в качестве обратной связи. Другой вопрос насколько они информативны, т.е. насколько точно отражают состояние и работу двигателя. Существенное значение имеет возможность легкого измерения и преобразования параметров для введения и обработки в системе. На основе многочисленных экспериментальных исследований определены несколько параметров, применяемых в качестве обратной связи в двигателях.

Неравномерность вращения коленчатого вала на х.х. непосредственно зависит от неравномерности крутящего момента

от газовых сип. Этот параметр измеряется сравнительно легко и поэтому применяется в качестве обратной связи в ряде опытных систем управления двигателем. Для оценки неравномерности вращения коленчатого вала пока не существует однозначного критерия.

Моделирование неравномерности вращения коленчатого вала с трансмиссией проводилось Румянцевым П.Г. Им показано, что влияние упругой трансмиссии на нестабильность вращения коленчатого вала очень существенно. Поэтому нестабильность вращения коленчатого вала мохет быть использована в качестве однозначного параметра обратной связи только на рехиме х.х.

Другим проявлением нестабильности крутящего момента двигателя является изменение низкочастотных перемещений двигателя на опорах □ плоскости, перпендикулярной оси коленчатого' вала. Нам представляется, что поперечные колебания двигателя на опорах являются по информативности таким хе параметром для идентификации нестабильности работы двигателя,как и.неравномерность вращения коленчатого вала, и их успешно можно использовать в качестве контролируемого параметра для обратной' связи при управлении работой двигателя на рехиме х.х.

Учитывая тенденции в развитии электронных систем управления автомобильными двигателями и возмохности для уменьшения расхода топлива и токсичности отработавших газов, которые создаются управлением работой бензинового двигателя на рехиме х.х., были определены следующие задачи исследования!

1.Выявить возможность использования поперечных колеба— нии двигателя на опорах я качеств!? контролируемого параметра для обратной связи в системе Управления х.х.

2.Разработать математическу/е модель поперечных колебаний двигателя на опорах при его работе на х.х.

3.Выявить влияние регулирования количества гоРКчеЛ сне— си, ее состава и Угла опер<?х<?Н4гя зажигания на стабильность работы двигателя на х.х.

А.Разработать алгоритм и программу адаптивного Управления двигателем при его работе на рехиме х.х.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ разработана математическая модель и про грамма расчета перемещении двигателя на опорах.

Математическая модель поперечных колебаний двигателя на опорах учитывает влияние состава горючей смеси о/, угла опе— рехения захигания 0 , давления во впускном трубопроводе (а качестве косвенной оценки заполнения цилиндров горючей смесью) и подогрева горючей смеси аТ <в качестве оценки теплового состояния двигателя) на процесс сгорания. Неравномерность перемещений двигателя для одного цикла работы двигателя (за интервал АО" после ВИТ) оценивалась по Формуле!

1 4 1 к

А .« - 2 <- -С |А1 I > , (1)

4 j = l к 1 1

где А - средняя за цикл амплитуда перемещения;

А» - соответствующие перемещения двигателя.

Для полного цикла измерений 150-100 поворотов коленчатого вала) определяется среднее значение неравномерности по— •рсмещения двигателя

*"---5? ' —А4 | , (2)

Процесс сгорания до открытия выпускного клапана описывается дифференциальным уравнением . йх 1 йр к йу

' (3>

где х - относительное количество сгоревшего топлива! V - удельный объем рабочего тела в текущий момент! к - показатель адиабаты; скорость изменения давления в цилиндре!

¿р

сИ

ЙУ

с)х

скорость изменения удельного объема! скорость сгорания топливовоздушной смеси.

Отдельные члены уравнения (3) вычисляются по выражениям, предложенным И.И. Вибе.

Относительное количество сгоревшего топлива в текущий момент вычисляется по выражении <4), выведенному эмпирическим путем при допущении,что до момента V_ (длительность процесса сгорания) сгорело 0,999 от всего количества топлива, поступившего в цилиндр!

и ш+1 -6,908.(-Х—)

И » 1-е <р. . (4>

Момент от газовых сил определяется по I

51 п <'?+аг са1 п (Л. п (V)] >

М„ = Г.Ср<^,-Ро3.Р-----<5>

Момент инерции движущихся деталей из-за технологических допусков на массы возвратно-поступательно движущихся деталей реального двигателя ни имеет вид

М« » -г-а.<оа. г1п (V>. {сов (V) . С < соз (V)) . (гах+п») +,.

+ < 1-Л.со5(»)) . (ш3+1ь) Э+Л.соз<2.¥> . С (1+Л.соз(¥)) . . (пн+та) + (1-Л. со5<¥)> . <та+луз> 3> . (6)

Суммарный момент, действующий на коленчатом валу, определяется по Формуле

0£>+М., С^+М^) . (7)

где момент сил трения Мт<¥> определяется по Формуле М,-=А+В. п+С. с„ , (8)

где А,В и С - коэффициенты,определяемые опытно! сп- мгновенная скорость поршня; г .(o.Bin «> + (*> ,„ 1

с„=_-г»г.*о.Се1п<¥>+-.з1п<2.У>

СП5(>) 2

п- средняя частота вращения коленчатого вала

Суммарный момент м(9), согласно второму закону Ньнтона, поросдает реактивный момент ►Х-<¥), численно равный -М(¥). Колебания М(¥>» вызванные неравномерностью работы двигателя, порождают аналогичные колебания и М^ (!Р>. Иэ-эа эластичности подйески, ети колебания М-0Р> вызывают колебания сложной формы р системе "двигатепь-подвеска", которые можно, разложить по трем координатным осям х,у и г. Колебания в плоскости хОу перпендикулярной оси коленчатого вала,с достаточной для практики точность» ¡¡тракторизуют колебания в целом.

Основное уравнение динамики ротационно движущегося тела имеет следующий вид:

л

М,-(<*>-М.(¥>=Ли__1 , (9)

где Ш.— момент сопротивления опор;

Л„ — момент инерции двигателя относительно оси х> 5 - угол поворота двигателя относительно оси х.

Рассматриваемый момент сопротивления опор М_ (*Р) можно представить выражением!

М-(У) — . *^у^+г5), <Ю>

где х, у и I— проекции по координатным осям вектора, определяющего расстояние от центра тяжести двигателя до опоры; с- коэффициент эластичности оИор;

коэффициент сопротивления от скорости перемещения опор.

После замещения выражении 15) и (10) в (9),деления на Л и элементарных преобразовании уравнение (9) принимает вид!

-+2. ги. —+с = Д ^ (V) , <11)

б.п

где 2.п»- коэффициент затухания;

Ci3- круговая частота системы;

Полученное дифференциальное уравнение решается с помощью модифицированного метода Рунге—Кутта второй степени. Оно интегрируется для каждого значения M-iV), т.е. для каждого градуса поворота коленчатого вала, при начальных условиях» d5

<0)=0 и —(0)=0. Шаг интегрирования 0,2". dt

Решение уравнения (11) дает зависимость 5 Of) , т.е. поворот системы "двигатвль-подвеска" под действием момента М( ). Малые перемещения опоры даются выражением!

AW - 1 ». 5 (V), (12)

где 1*— проекция вектора X (расстояние от центра тяжести двигателя до опоры) а плоскости хОу.

После сопоставления выражения (12) и результатов, полученных Л.Г.РУпянцеинн, устанавливается, что перемещение двигателя на опорах при отсутствии внешних помех является параметром, который однозначно определяет неравномерность работы двигателя и полностью применим в качестве ' обратной связи.

На рис. 1 для сравнения построены графики давления в Функции угла поворота пленчатого вала для процесса сжатия, сгорания и расширения в одном цикле по результатам вычисления по программе (1) и по результатам индицирования двигателя BA3-21083 (2) (режим работы двигателя!п=1000 миН~Моткры-тие дроссельной заслонки ХДЭ=37.1 Ы*0,85; 0=20°).

На рис.2 показаны перемещения двигателя на опорах полученные по данным расчета (1) и по осциллограммам (2).

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ дано описание экспериментальным устано— ^

Рис. 1. Сравнение графиков давления в Функции угла поворота коленчатого вала для процессов схатия,сгорания и расширения в одном цикле по результатам вычисления по программе (1) и по результатам индицирования двигателя ВАЗ—21083 (2) (режим работы двигателя:п=ЮОО мин-*; открытие дроссельной заслонки ХДЗ=ЗХ; «¿=0,85; в =20°.

Рис. 2. Перемещения двигателя на опорах полученные по данным расчета (1) и по осциллограммам для реального двигателя ВАЗ 2103 (2) (режим работы двигателя: П =900 МИК"» 5СДЗ=2Х> <*=0,ВЗ; 0=20=)

вок для индицирования двигателя и для снятия регулировочных характеристик согласно планированному трехФакторному эксперименту для определения влияния регулировочных параметров на неравномерность перемещения двигателя на опорах.

Эксперименты проводились в три этапа! индицирование двигателя; снятие регулировочных характеристик двигателя на х.х. по углу опережения зажигания, составу горючей смеси и коэффициенту наполнения; имитирование работы двигателя на персональном компьютере с использованием математической модели и алгоритма замкнутой системы управления.

В зависимости от проводимых экспериментов комплектация испытательной установки изменялась. Измерительная аппаратура и испытательный стенд соответствовали требованиям ГОСТ 14846— 81 "Usurareпи автоно£ипьные'. Нетоди стендовых испытаний"

Для определения влияния регулировочных параметров {8, *( и Ч-vlY.ДЗ) > на работу двигателя на режиме холостого хода проведен планированный трехФакторный эксперимент. В качестве независимых Факторов выбраны Хх=0, Хя= и

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты экспериментальных и расчетных исследовании.

Известно, что на протекание процессов в двигателе самое большое влияние оказывают регулировочные параметры!угол.опережения зажигания 9,состав горючей смеси с( и коэффициент наполнения (соответственно открытие дроссельной заслонки). Чтобы математическая модель была адекватной реальному процессу, необходимо реализовать соответствующее изменение параметров Ут-Mt ф« и m в Функции от в, с/ и Значения параметров m и можно определить путем индицирования двигателя и соответствующей обработки индикаторных диаграмм.

Из-за существенно нелинейного характера процессов о йВС и на основе имеющихся данных в качестве уравнения регрессии принято полиномиальное уравнение второй степени.

Результаты индицирования обрабатывались с помощью специальной программы ZIKL. Значения Y» и га Для отдельных точек плана эксперимента обрабатывались с помощью программы POLY.

Полученные уравнения регрессии подвергались статистическому анализу для установления их воспроизводимости, значимости коэффициентов и адекватности. Для подтверждения ада— кватности были сделаны несколько дополнительных опытов в поле плана эксперимента. Результаты этим опытов показаны точками на рис. 3.

На рис. 4 а,б и в показано влияние регулировочных параметров двигателя в, oí и ХДЗ (открытие дроссельной заслонки в 7.) на нестабильность работы двигателя.

Изменение угла опережения зажигания в изменяет амплитуду перемещения двигателя на опорах. Так, например, при очень малых в , сгорание в основном переносится ыа. линию расширения, что приводит к уменьшению полезного момента от газовых сил и к уменьшению амплитуд перемещения двигателя (см.рис.4, а).С увеличением . угла 0 сгорание приближается к БИТ, момент от газовых сил увеличивается и амплитуда перемещении увеличивается. Когда угол в станет равон оптимальному, т.е сгорание протекает примерно симметрично около ВИТ, равномерность крутящего момента достигает своего максимума, амплитуды перемещения двигателя на опорах становятся минимальными. Дальнейшее увеличение угла в приводит к увеличению "обратного"

момента, что ч конечном итоге увеличивает амплитуду перемещения двигателя на опорах.

На рис.4,б показано изменение нестабильности Работы двигателя от коэффициента избытка воздуха . При мощностном составе смеси (<<=0,88-0,92) процесс сгорания протекает с максимальной интенсивностью; "ппохие" циклы практически отсутствуют и нестабильность работы двигателя достигает своего минимума. При дальнейшем увеличении коэффициента избытка воздуха крутящий момент двигателя снова становится неравномерным от цикла к циклу и от цилиндра к цилиндру, что и приводит к увеличению нестабильности работы двигателя.

Рис. 3. Изменение параметров математической подели

» и в зависимости от коэффициента избытка воз-

духа «С" при: а- ^^=0,19; б- /£^=0,21 и в- 0,23. 1- в =10°; 2-0 = 20-; 3-6=30=.

С открытием дроссельной заслонки условия сгорания топли-вовоздушной смеси улучшаются. Массовая скорость воздуха увеличивается, смесь гомогенизируется.' Процесс сгорания улучшается. Число "nnaxvx" циклов уменьшается. Крутящий момент двигателя от цикла к циклу и от цилиндра к цилиндру становится более равномерным. Нестабильность работы двигателя уменьшается (рис. 4,в) .

На рис. 5 показано влиянии размаха параметров: угла опережения зажигания, коэффициента избытка воздуха и коэффициента тепловыделения. Видно, что с увеличением размаха этих параметров нестабильность работы двигателя увеличивается, что объясняется увеличением неидентичности рабочих циклов.

Из сказанного вытекает то, что оба параметра адекватно оценивают нестабильность работы двигателя на холостом ходу. Как показали расчетные эксперименты, неравномерность перемещения двигателя на опорах обладает большей чувствительностью по сравнению с неравномерностью частоты вращения коленчатого вала, что и дает основание принять его в качестве параметра обратной связи в управляющей системе работой двигателя на х. х.

Современные нормы допустимой токсичности отработавших газов определяют жесткие ограничительные условия для работы двигателя внутреннего сгорания. Одним из возможных способов реализации управления двигателем на режиме х.х. при соблюдении этих условий является раскрытые связи между регулировочными параметрами (0, с< и iv), нестабильностью работы двигателя и токсичностью отработавших газов. Для этой цели был проведен трех Факторный планированный ротатабельный эксперимент. Составлены регрессионные модели второго порядка.

По данным эксперимента были составлены соответствующие уравнения регрессии:

Уравнение

(»■«4,25+0,015.0+0,1в.у.д3-9,98.с<-0>3. ЮГ*. (0.7.ДЗ)-О,0125. . (в.оО-0,15. (7.д3.о0+0,6. 1О~*.0=,+О,О27.ХДЗ*+6.3.Х='!кг/у5 п—1089+29,В.0+619,5.7^3+2855.^-0,25. (6>.У.ДЗ>-2,5. (0.<Х>--587,5. (ХДЗ.«Г)-0,ВЗ.ея-13,6.ХД32-1362,5.<<=; С0=74+0,23.9-2,9. 7.ДЗ-166,6.^-0,014. 19. 7.ДЭ) -О, 26. (О .с0 +

+3,2. (ХДЗ.гО+0, 11.10-=.е=+0,059.7.ДЗ*+94.1*=!; Х|

СН=62472+125,5.9 — 10651 ,5. 51ДЗ—134561 .(*+24,3. (9. 7.ДЗ) -635, 7. . ( 0. сО +11532, 5. (7.ДЗ.оО+16, 5. 0^+508. ХДЗ»+74579.С<=«! мл»"Ч

4—0, 11.0 + 1,44. ХДЗ—65, З.с*"—О, 017. (0.7.ДЗ)-О,63. Ю"3. . (0.*>-2,3. (У.ДЗ.оО+0,5. 10-а.9=Ч-о, 16.7.д3*+39,7.мм; А*«=0, 66-8,55.10-* .9 +7, 35.10~". ХДЗ-1,27.оС+2,5. 10~3 . (©.«<> — -0,25. (р/. %ДЗ)+2,46. Ю—*.0я+2.13. Ю"*.ХДЗ*+1,13-оС*. мм;

где Бп- часовой расход топтлва, кг/ч;

п- частота вращения коленчатого вала, СО- концентрация окиси углерода в ОГ, СН- концентрация углеводородов в ОГ, мл«-1! Й*т~ перемещения двигателя для полного частотного диапазона, мм; А«*«— перемещения двигателя в частотном диапазоне со средней частотой 64 Гц, мм.

n

1

4

Помимо измерения нестабильности колебании двигателя на опорах велась и прямая запись этих колебании на сввтолучевом

¿=о.э.лз=ог

< }

/ \

/ ч д \ / /

/

лп. . А топ-1 шт

20

10

0,2

0.1

15 25

0=12*. дЗ^О V.

\

N.

V ч с

Ч* /

\ г

20 0,2

10 0,1

n.

\

\

\ \ -ЛП /

\ К

n ч

А

ртп 1

20

10

0.6 0.8

ХаЗ

Рис. 4. Изменение неравномерности частоты вращения п и среднее за 60" после БНТ перемещение двигателя на опорах Л от параметров цикла д (а) , с( (6) и открытия дроссельной заслонки ХДЗ (в)

А

тг 0,2

е=12-. ¿=Ц9.й3.07.

1

) 1

/

дп.

дп,

ТПП"1 20

А

тгп

0 0.1

ч

0,1

10

в=12'У=й9.дЗ=01

да ГТиП~1

0 0.1 68

0.2

ОД

е=12:^=о.9лз=ог

/

/

//

А У

ЧАП

*

т11п ' ■20

10

0 01

Рис. 5. Изменение неравномерности частотн вращения п и среднее' за 60° после ВИТ перемещение двигателя на опорах л А от размаха амплитуды изменения параметров цикла £0(6) и &<(о)

&

е

А

осциллограФе.

Осциллограммы перемещения показали, что кроме основного сигнала перемещения двигателя на опорах, есть еще и высокочастотные помехи, которые наложены на него. Причиной этих помех в основном является работа газораспределительного и других механизмов. Избавиться от них мохно применением специальных алгоритмов цифровой Фильтрации сигнала, например методом нелинейного сглаживания по семи точкам. Этим методом можно практически избавиться от всех вредных помех, однако этот метод очень сложен, требует большого быстродействия и большого объема памяти вычислительного комплекса, что делает его практически непригодным для реального использования.

В основном высокочастотные помехи имеют место в те моменты, когда открываются или закрываются клапаны. Выбором момента и длительности поступления измеряемой величины в измерительный блок, можно в большей степени избавиться от посторонних помех.

Самую большую информацию о "качестве" работы двигателя несут те участки, в которых совершается рабочий ход каждого цилиндра. Поэтому, если допустить, что длительность сгорания не превышает 60° и значения угла опережения зажигания на режиме х.х. невелики, то можно считать, что ".электронное окно" открывающееся и момент перехода поршня через ВИТ и закрывающееся через 60° после этоРо, устраняет почти все помехи.

Критерием нестабильности перемещения двигателя на опора* принято среднеарифметическое значение средне го по модул» отклонения средней за цикл амппиту ди колебании а «азовом окне.

В ПЯТОЯ ГЛАВЕ приведен алгоритм адаптивного управления двигателем на режиме >;.х. и результаты моделирования работы данного алгоритма.

Для оценки влияния регулировочных параметров на нестабильность перемещений двигателя,расхода топлива и токсичности отработавших газов построены графики зависимости показателей работы двигателя, полученные планированным экспериментом, от угла опережения зажигания (рис. &> и коэффициента избытка воздуха (рис. 7).

Из рис. 6 видно, что минимум суммарных перемещении двигателя для полного частотного диапазона более точно отслеживает изменение токсических и экономичных показателей двигателя'от угла опережения зажигания. Минимум этих перемещении находится ближе к минимуму расхода топлива, чем минимум перемещении двигателя для частотного диапазона 64 Гц.

На рис. 7 видно, что для коэффициента избытка воздуха Факторы fife и А,меняют свои места— минимум перемещении двигателя на опорах для частоты 64 Гц ближе к минимуму расхода топлива.

Для обеспечения относительного минимума расхода топлива при сохранении допустимой токсичности предлагается весги регулировку по минимуму нестабильности перемещения двигателя на опорах для угла опережения зажигания и по для

коэффициента избытка воздуха.

Алгоритм Функционирования системы управления двигателем на х.х. с обратной связью по неравномерности колебаний двигателя на опорах (рис. О) условно разделен на две части: управление непрогретым двигателем и основная часть— управление прогретым двигателем.

На режиме прогрева управление х.х. осуществляется программно при ступенчатом изменении управляющих параметров в зависимости от температуры охлаждающей жидкости

Основным проектным и вксплуатационным режимом работы двигателя внутреннего сгорания является работа с нормальной температурой ох лаждэющей жидкости, т. е. Т«,»„=СТ„М„]'^С>*"". На этом режиме применяется адаптивное управление. Основным кри терием является поддержание нестабильности колебания двигателя на опорах в допустимых пределах, т.е. по минимуму неравномерности перемещении двигателя на опорах. Определение оптимального угла опережения зажигания производится отысканием минимума колебании двигателя на опорах по.А,„.

После нахождения оптимального угла опережения зажигания система переходит к определению коэффициента избытка воздуха оС и поддерживания его в заданных пределах, при которых текущее значение колебания двигателя на опорах А««« (Ъ>-» А»г.» ) С цель» улучшения стабильности работы двигателя, в диапазоне возможных значении А(1:> введена полоса "меуугств4/гел*«ост«",находящаяся между граничными значениями 2.1„ и гПри попадании измеренной величины колебании двигателя на опорах в этой • диапазоне, система не предпринимает никаких действии. Использование такого метода управления (зона нечуасгвитетности систем*/) значительно улучшает устойчивость системы. Изменение в указанном диапазоне мало и практически не оказывает существенное влияние на суммарную токсичность и экономичность ДВС.

Управление дроссельной заслонки проводится по допустимой неравномерности перемещении двигателя на опорах. Дроссельная заслонка закрывается до тех пор, пока величина колебании А^КСглаЭ"""*.

Анализ работы адаптивной системы управления х.х. двигателя сделан с псмощоч программы, реализующей данный адаптивный алгоритм.

На рис. 9. показаны последовательные шаги изменения регулировочных параметров 0 , о( и 7.ДЗ для "нормал4«ой", т.е. без внезапных посторонних нагрузок, работы двигателя. Видно, что система стремится к уменьшению частоты вращения х.х. и обеспечивает уменьшение расхода топлива при допустимом уровне токсичности отработавших газов и нестабильности работы двигателя. Регулирование ведется поочередно по углу опережения зажигания, по составу горючей смеси и углу открытия дросселя до тех пор, пока разница между двумя последовательными значениями соответственного коэффициента превышает заданный

порог.

Полученные оптимальные значения угла опережения зажигания, коэффициента избытка воздуха и угла открытия дроссельной заслонки запоминаются и становятся новыми значениями для последующего пуска двигателя.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Токсические и экономические показатели бензинового двигателя на режиме х.х. могут быть улучшены при применении электронных систем упраол*мия. Такие системы позволяют исключить периодические подрегулировки двигателя и уменьшить расход топлива примерно на 12-1ВХ, а выбросы токсичних веществ на 1В—20Х. Применяемая в настоящее время в микропроцессорных системах управления программная стабилизация частоты враще-

ния не позволяет добиться максимальных эффектов. Для этого необходимо создание замкнутых адаптивных систем оптимизирующих работу двигателя за счет автоматического управления расходом воздуха, топлива и углом опережения зажигания. В этом случае задача управления может быть сформулирована как выбор вектора параметров управления минимизирующего частоту вращения и расход топлива при сохранении допустимого уровня нестабильности работы двигателя. При этом важным является выбор параметра обратной связи характеризующего нестабильность работы двигателя.

Рис. Ь. Выбор критерия управления двигателем по углу опережения зажиганий при Фиксированном коэффициенте избытка воздуха о( =0,8; а) дроссельная заслонка открыта на 17.; б) дроссельная заслонка открыта на 2Х; в) дроссельная заслонка открыта на 37.; т.А- минимум колебания двигателя по т.В- рас-

ход топлива В„ для указанного минимума

2. Для выбора и оценки информативности параметров обратной связи разработана математическая модель позволяющая моделировать работу двигателя на режиме х.х. в том числе неравномерность частоты вращения коленчатого вала и колебаний двигателя на опорах с учетом мехцикловой и межцилиндровой неидентичности рабочих циклов. После идентификации модели заключавшейся в получении на базе индицирования двигателя ВАЗ— 21083 регрессионных зависимостей, учитывающих связь параметров процесса сгорания и тепловыделения с режимными и регулировочными Факторами расчетная модель обеспечивает близкое соответствие расчетных данных Фактическим получаемым при экспериментах.

Рис. 7. Выбор критерия управления двигателем по составу горючей смеси при Фиксированном угле опережения зажигания в =10°;

а) дроссельная заслонка открыта на 1%; б) дроссельная заслонка открыта на 2'/.', в) дроссельная заслонка открыта на 3'/.; т. А- минимум колебания двигателя по + т. В-рас— ход топлива для указанного минимума

Рис. 8. Алгоритм адаптивной системы управления работой двигателя на режиме х.х. с обратной связь» по неравномерности его перемещения на опорах

сн «юЗ 2 1 0 1

У

/ к -л п

СО %' 2 0

л

V _ г- Г

а тй1 700 500 1

/ \

Ь/

<дЛ-Ц5 0,3

ч —п

ч!

—

А. тш 0.2 0 \

ч Г

Д3% 1 п 1

•с 8? „ —

е.* 10 о / / л -ъ __г гЛг

0 12 3 4 Цикли »100

Рис. 9. Оптимизация работы двигателя с помощью созданного адаптивного алгоритма управления работой двигателя на режиме холостого хода

1Ь

3. На основании параметрического анализа модели показано, что изменения мехцикловой неравномерности вращения вала и неравномерности колебании двигателя на опорах могут быть использованы для оценки нестабильности работы двигателя на х.х. При этом установлено, что показатель нестабильности базирующийся на изменениях колебании двигателя может быть более чувствительным и поэтому его целесообразно использовать при построении замкнутого управления двигателем на х.х. В кл— Vеств* такого параметра мож*т бит* принято среднеарифметическое значена» среднего по модул« отклонения средней за цикл лмпллтУди колебания двигателя я поперечной плоскости ва ряд последоватетних циклов.

4. Экспериментально установлено,что информативность показателей нестабильности работы двигателя по амплитудам его колебании на опорах зависит от полосы частот в которой определяется амплитуда перемещении. Этот эффект обусловливается различием крутизны Фронтов перемещении двигателя на опорах а •ависимости от изменения управляемых параметров и мохет быть реализован в СУ с использованием частотных Фильтров при обработке сигнала. При этом для уменьшения погрешностей связанных с внешними помехами предложено использовать Фазовую селекцию сигнала в диапазоне от ВИТ до 60™ после ВИТ с последующим сглаживанием по трем точкам. Именно в этом временном интервале сигнал несет наибольшую информацию о неидентичности рабочего процесса в последовательных циклах. Такой метод оценки достаточно прост и мохет быть обеспечен алгоритмически и аппаратно а реальном масштабе времени без чрезмерного усложнения системы управления.

5. Для измерения амплитуды перемещения двигателя на опорах использован пьезоэлектрический акселерометр. При этом показано, что для наибольшей информативности показателя нестабильности целесообразно использовать двойное интегрирование сигнала датчика. На основании экспериментов выбрано место располохения датчика на передней опоре двигателя обеспечивающее высокую чувствительность измерении.

6. Для разработки алгоритма замкнутого управления на базе экспериментов выполненных на двигателе ВАЗ—2103 получена статистическая модель позволяющая определить частоту вращения, расход топлива, выбросы токсичных веществ и колебания двигателя на опорах на режиме х.х. при изменении параметров управления в, и ДЗ. Статистическим анализом и прямыми опытами подтверждена адекватность модели. На основании анализа втой модели установлено, что выбор угла опережения зажигания можно проводить по минимуму нестабильности суммарных перемещении двигателя, выбор коэффициента избытка воздуха по минимуму колебании двигателя в полосе частот с средней частотой в А4 Гц, а выбор положения дроссельной заслонки по минимуму частоты вращения при пороговом значении колебании двигателя на опорах. При этом можно обеспечить расход топлива близкий к минимальному при допустимым уровне выбросов токсичных веществ.

7. Разработаны структурная схема и алгоритм Функционирования замкнутого адаптивного управления двигателем на режиме х.х. с самообучением. Сущность алгоритма заключается в последовательном выборе значений управления углом опережения, составом смеси и положением дроссельной заслонки соответственно при минимизации общего показателя нестабильности работы двигателя, показателя нестабильности работы определяемого

в полосе частот около частоты 64 Гц и минимизаций частоты вращения при ограничении уровня нестабильности работы двигателя. При этом применена последовательная процедура аналогичная покоординатному спуску с несколько услохненной логикой для ускорения поиска решении. Найденные значения параметров управления запоминаются и периодически обновляются.

В. Анализ управления двигателем на х.х. по этому алгоритму выполненный с использованием эмпирической статистической модели подтвердил работоспособность алгоритма. Показано, что при таком управлении можно ожидать уменьшения.расхода топлива на режиме холостого хода на 10—13Х, выброс токсичных веществ на 5—9Х и частоты вращения коленчатого вала на 9-13Х.

КАД1. 1.650 т. 100 30.10.Иг.