автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка алгоритмов микропроцессорного управления дизельным двигателем

Введение.

Глава 1 Анализ современного состояния систем электронного управления двигателями внутреннего сгорания.

1.1. Развитие и' современное состояние электронных систем управления двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием.Л

1.2. Развитие и современное состояние электронных систем управления дизельными двигателями внутреннего сгорания.

1.3. Анапиз структурных особенностей электронных систем управления дизельными двигателями.

1.4. Выводы.

Глава 2 Получение математической модели дизельного двигателя и выбор закона формирования топливоподачи с учетом оптимизации по параметрам токсичности и топливной экономичности автомобиля.

2.1 Математическая модель дизельного двигателя как объекта регулирования по частоте вращения коленчатого вала.

2.2 Модель среднестатистических эксплуатационных режимов работы двигателя и выбор закона топливоподачи.

2.3 Выводы.

Глава 3 Разработка алгоритмов программного обеспечения микропроцессорной системы управления дизельным двигателем

3.1 Разработка алгоритма получения заданной статической характеристики дизеля в системе регулирования частоты вращения коленчатого вала.

3.2 Разработка алгоритмов программного обеспечения микропроцессорного регулирования частоты вращения коленчатого вала.

3.3 Получение закона статического регуляторного воздействия по углу опережения впрыскивания топлива.

3.4 Определение динамических параметров системы микропроцессорного управления углом опережения впрыскивания топлива.

3.5 Выводы.

Глава 4 Архитектура перспективной микропроцессорной системы управления дизельным двигателем.

4.1 Классификация процессов, присущих дизельным двигателям внутреннего сгорания.

4.2 Синхронный процессор микропроцессорной системы управления дизельным двигателем.

4.3 Процессор реального времени микропроцессорной системы управления дизельным двигателем.

Основным типом энергетических установок современных автотранспортных средств остается двигатель внутреннего сгорания. Одной из актуальных проблем двигателестроения является совершенствование двигателей внутреннего сгорания в направлении снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами и расхода топлива.

Повышение топливной экономичности автомобильной техники возможно только при комплексном подходе применения современных конструкторских и технологических решений при одновременном создании высокоэффективных систем управления рабочим процессом двигателя внутреннего сгорания и его систем. При этом значительное влияние на показатели двигателя оказывает система подачи топлива.

Одним из мощных резервов совершенствования систем управления гопливоподачей является их электронизация. На решение этой задачи направлены работы автомобилестроительных фирм в области создания электронных систем управления подачей топлива как в нашей стране, так и за рубежом.

Работы конструкторских служб ОАО "Заволжский моторный завод" в этой области до определенного момента были ограничены исключительно вопросами применения электронных систем питания для бензиновых двигателей. Полученные результаты уже нашли практическое применение в конструкции принципиально нового семейства двигателей семейства ЗМЗ-406, освоенных и серийно выпускаемых предприятием.

В то же время с целью расширения номенклатуры выпускаемых двигателей и более полного удовлетворения запросов потребителей перед конструкторами предприятия поставлена принципиально новая задача - разработка быстроходного цизельного двигателя с рабочим объемом 2.24 л при диаметре цилиндра 87мм и ходе поршня 94мм. Для снижения затрат и возможности его быстрого освоения, дизельный двигатель создается на базе бензинового двигателя ЗМЗ-406. В ходе решения поставленной задачи создания дизеля, удовлетворяющего требованиям экологической безопасности, при разработке его системы питания автоматически возникает одна из множества первоочередных задач - задача создания электронной системы микропроцессорного управления подачей топлива в дизель и соответствующего алгоритмического обеспечения. Решение задачи построения системы управления должно производиться на анализе процессов, происходящих в системах двигателя, а способов управления с учетом особенностей протекающих физических процессов.

Итак, основной задачей работы является разработка алгоритмического и программного обеспечения микропроцессорного блока управления подачей топлива в цизель, для выполнения экологических и экономических показателей двигателя на уровне современных требований и перспективных требований к дизелям.

Для достижения поставленной цели:

- проведен анализ структурных особенностей построения существующих электронных систем управления дизельными двигателями;

- получено математическое описание протекающих в дизеле процессов;

- проанализировано влияние на показатели автомобилей различных законов управления топливоподачей и определены предпочтительные из них;

- выполнена классификация процессов управления, протекающих в системах дизельных двигателей.

Научная новизна заключается в разработке алгоритмического обеспечения и структуры микропроцессорной системы управления рабочим процессом дизельного двигателя, обеспечивающего перспективные требования по экологии на основе выполненного анализа характерных для дизельного двигателя процессов, учёте фебований к динамическим свойствам дизеля в зависимости от требований лредъявляемых к его носителю(транспортному средству), а также требований по максимальной унификации системы управления разрабатываемого дизельного двигателя с существующей серийной системой управления бензиновым двигателем ЗМЗ-406.

Практическая ценность. Предложена методика определения оптимального управления началом подачи топлива при испытаниях дизеля на моторном стенде и алгоритм реализации полученных экспериментальным путем оптимальных значений микропроцессорной системой управления.

Представлены алгоритмы реализации микропроцессорного регулирования частотой вращения коленчатого вала дизеля путем воздействия на управляемый объект (дизель) по каналу цикловой подачи топлива.

Разработано базовое программное обеспечение для электронного блока /правления дизельным двигателем на базе КМОП - микроконтроллера ф.ИНТЕЛ. Разработка и отладка базового программного обеспечения выполнена на базе известного электронного блока управления бензиновым двигателем с 16-ти разрядной архитектурой, что минимизирует время, необходимое как для получения уюдификации электронного блока управления дизельным двигателем, так и на [юследующее расширение функциональных возможностей системы и(или) точности уАправления путем применения более мощных программно совместимых микроконтроллеров семейства М8С-196.

Апробация работы. По данной теме были представлены материалы:

26 мая 1999г. на VII международном научно-практическом семинаре 'Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей [двигателей внутреннего сгорания" во Владимирском государственном университете, г. Владимир;

17 июня 1999г. на Международном симпозиуме по автоэлектрике и Автоэлектронике "Электронные системы управления впрыском топлива и зажиганием эензиновых двигателей", организованном НИИ "Автоэлектроника"(г.Москва);

27-29 июня 2000г. на Международной научно-технической конференции 'Проблемы проектирования, испытаний, эксплуатации и маркетинга автотракторной техники, двигателей внутреннего сгорания, строительных и дорожных машин, гранспортно-технологических комплексов и вездеходов", в Нижегородском техническом университете, г. Н.Новгород.

22 мая 2001г. на VIII международном научно-практическом семинаре "Совершенствование МОШ;НОСТНЬЕХ:, экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания" во Владимирском государственном университете, г. Владимир;

Получено свидетельство на полезную модель № 15207 от 03 апреля 2000г. "Комплексная система управления дизельным двигателем с механическим топливным насосом высокого давления, оборудованным двухрежимным регулятором".

Содержание работы состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе рассматривается современное состояние проблемы электронного управления двигателями внутреннего сгорания. Проведен обзор существующ;их систем управления дизелями с электронными регуляторами, представлены структурные схемы систем и показаны тенденции их развития.

Во второй главе рассмотрены математические модели типовых систем цизельного двигателя, известные из литературных источников, и на их основе представлена обобщенная математическая модель дизеля. Проведен сравнительный анализ эффективности четырех законов управления цикловой подачей топлива, применяемых в дизелях, по критериям экологических и экономических характеристик гранспортного средства. Обосновано построение системы управления, обеспечивающей всережимное и трехрежимное регулирование с программным выбором того или иного типа регулятора.

В третьей главе поставлено решение задачи управления частотой вращения коленчатого вала дизельного ДВС, алгоритмов регулирования частоты путем воздействия на объект по каналу цикловой подачи топлива, оптимизации момента опережения впрыскивания по критерию максимальной топливной экономичности и обеспечению совместной работы регулятора частоты вращения и регулятора опережения впрыскивания. Рассмотрены и представлены требования к динамическим характеристикам системы управления в зависимости от типа транспортного средства и назначения дизеля.

В четвертой главе представлена архитектура микропроцессорной системы управления дизельным двигателем, составляющих ее подсистем и реализуемых подсистемами функций, которые целесообразно возложить на те или иные ресурсы микропроцессора исходя из анализа процессов, присущих дизельным двигателям внутреннего сгорания с целью оптимальной реализации предложенных алгоритмов в микропроцессоре системы управления.

Основные результаты работы, посвященной вопросу электронного управления двигателями внутреннего сгорания, а именно дизеля, состоят в следующем:

1. На основании анапиза развития систем управления дизельными двигателями установлено, что перспективным направлением их совершенствования является создание адаптивных, самонастраивающихся систем, учитывающих изменения условий эксплуатации и ухода характеристик двигателя и автомобиля в целом на базе комплексных микропроцессорных систем.

2. С учетом возрастания требований к экологической безопасности автомобилей адаптивные самонастраивающиеся комплексные микропроцессорные системы должны управлять регулированием количества топлива, моментом начала топливоподачи, рециргсуляцией отработавших газов, ггуском и прогревом двигателя, отключением цилиндров, плавностью и скоростью движения автомобиля.

3. Разработка комплексньгх систем управления дизелями сдерживается отсутствием достаточно полного теоретического обоснования требований и принципов построения таких систем, а также отсутствием отечественной электроуправляемой топливной аппаратуры для дизелей малой размерности.

4. Основным регулятором при построении комплексньгх адаптивных систем автоматггческого управления дизелей является регулятор частоты вращения. Выходной сигнал регулятора частоты вращения " дизеля может быть использован в качестве критерия оптимальности управления по расходу тогшива. Вторым по значимости на показатели управляемого объекта (дизеля) является регулятор угла опережения впрыскивания топлива.

5. Основой расширения функций системы управления и адаптивного управления служит программное изменение других управляющих воздействий в функции выходного сигнала регулятора частоты и действительной частоты вращения коленчатого вала дизеля.

6. При разработке комплексной микропроцессорной системы управления дизелем первоочередными являются реализация и настройка регулятора частоты вращения. При дальнейшем расширении функций системы управления в целях улучшения характеристик дизеля в составе автомобиля в регуляторе частоты изменений не требуется.

7. Наилучший компромисс между противоречивыми требованиями, предъявляемыми к транспортному средству, можно обеспечить реализацией в электронной системе управления дизелем несколько типов регуляторов и автоматически выбирать один из них в зависимости от конкретных условий эксплуатации транспортного средства. В качестве таковых предложено использовать всережимное и трехрежимное регулирование.

8. Применение микропроцессорного управления углом опережения впрыскивания на автомобильных двигателях возможно при следующих ограничениях. Время запаздывания исполнительного устройства не должно превышать величины 30 мс, а время выполнения одного цикла в микроЭВМ — 38 мс. Скорость изменения исполнительным устройством угла опережения впрыскивания топлива должна быть не менее 16,2 град/с.

9. Влияние функционирования регулятора опережения впрыскивания на изменение переходных процессов в системе автоматического регулирования частоты незначительно, поскольку канал проводимости по углу опережения впрыскивания обладает существенно меньшими передаточными свойствами, чем каналы нагрузочного возмущения и регуляторного воздействия.

Ю.Для достижения необходимых динамических качеств исполнительное устройство изменения угла опережения впрыскивания может быть электромеханического типа. Ограничение времени цикла в микроЭВМ вызывает необходимость выражения закона регуляторного воздействия в матричной форме. При этом для нахождения значений желательно применять табличный поиск, который резко сократит время запаздывания в микроэвм, но при этом потребует больших ресурсов памяти. Ограничение времени также повлечет за собой сокращение времени преобразования сигналов с датчиков, снижая точность информации, и время на выполнение диагностических и сервисных функций.

11 .Представленная архитектура системы управления рабочим процессом дизельного двигателя с раздельной обработкой информационных потоков в вьгаислительной системе обусловлена особенностями процессов в дизеле.

12. Получены алгоритмы реализации микропроцессорного регулирования частотой вращения коленчатого вала дизеля путем воздействия на управляемый объект по каналу цикловой подачи топлива и алгоритм управления моментом начала подачи топлива в цилиндры.

13. Разработанное базовое алгоритмическое обеспечение для электронного блока управления дизельным двигателем в соответствии с предложенной архитектурой системы управления и раздельными информационными потоками позволяет, в соответствии с изложенным в работе принципом расширения функций системы управления дизелем, расширить функции системы с целью совершенствования характеристик двигателя.

14. Проведенная работа явилась основой для дальнейшего совершенствования системы управления дизельным двигателем ЗМЗ-514.10. Практическая реализация изложенных базовых алгоритмов в рамках работ по разработке дизельного двигателя ЗМЗ-514.10 реализована на языке "Си", ориентированного на вычислительное ядро 16-ти разрядного микроконтроллера семейства 80с 196 ф.Ме1, в Управлении Главного конструктора ОАО "Заволжский моторный завод".

Заключение

1. Progress in electronic diesel control. Walz Ludwig, Wessel Wolf, Bergen Joachim.

2. SAE Techn. Pap. Ser.", 1984, № 840442, 21-30.

3. Influence of maladjustment on emission from two-heavydyty diesel bus engines.

4. Ullman Terry L., Hare Charles Т., Baines Thomas M. " SAE Techn. Pap. Ser.", 1984, №840416,11pp., ill.

5. Capabilities of diesel electronic fuel control. Reams L. A., Wiemero T. A., Levin M. B.,

6. Wade W.R. "SAE Techn. Pap. Ser.", 1982, № 820449, 147-163.

7. Electronic diesel control. "ImpLm. and Tract", 1984, 99, №11, ME 2, ME 4, ME 6, ME

8. CM. также Реферативный журнал ВИНИТИ "Двигатели внутреннего сгорания", 1985,2.39.123.

9. Isuzu's new 12.0L micro-computer controlled turbocharget diesel engine. Wakabayashi

10. Masayuki, Sakata Seiji, Hamanaka Kozo. " SAE Techn. Pap. Ser.", 1984, № 840510, 12pp., ill.

11. The performance advantages of electronic control diesel engine for passenger cars.

12. Kihara Ryoji, Mikami Yasuo, Nakao Hirohide. "SAE Techn. Pap. Ser.", 1983, № 830528,86-99.

13. The electronic engine. Henjum Scott E. "Fleet Owner", 1983, 78, №4, 55-63. '

14. Electronic unit injector cuts DI diesel noise. Scott David, "Automot. Eng.", 1983, 91,12,63-64.

15. Direct digital control of electronic unit injectors. Beck N. John, Barkhimer Robert L.,

16. Calkins Michael A., Johnson William P., Waseloh William E. "SAE Techn. Pap. Ser.", 1984, № 840273, 10pp., ill.

17. KOMPICS en a high BMER engine. Komiyata K., Okazaki J., Togashi K., Hashimoto

18. H., Takase K. "SAE Techn. Pap. Ser.", 1984, № 840513, 9pp., ill.

19. Diesel EFI investigated. Cross R.K., Larka P., O'Neill CO. "Automot. Eng.", 1981,89, Xo2, 62-67.

20. Microprocessor controlled fuel injection for automotive diesel engines. Lucas G.G.,

21. McLean D., Adcock P. " SAE Techn. Pap. Ser.", 1983, № 830576, 7pp., ill.

22. Крутов В. И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания.—АМ.: Машиностроение. 1979.—615 с.

23. Вернигор В.А., Солонский А. С. Переходные режимы тракторных агрегатов.

24. М.: Машиностроение, 1983.— 183 с.

25. Кончаковский В. А, Система линейных уравнений динамики дизеля с турбонаддувом как объекта регулировании скорости// Труды ЦНИДИ.—ЛЛ.: 1967.—Выпуск 55.—С. 26—34.

26. Портнов Д. А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением отсжатия.—М.: Машгиз. 1963.— 639 с.

27. Теория автоматического управления. Ч.2 /Под ред. А.А Воронова.—лм.: Высшаяшкола 1986.—367 с.

28. Худов Н. И. Аппроксимация графических функций по Д.А. Портнову для определения индикаторного к.п.д. двигателя//Двигатели внутреннего сгорания.—лхарьков: 1979.—Вып. 29.— С 30—35.

29. Данилов Ф. М., Руденко В.Ф. Математическое моделирование турбокомпрессоравысокофорсированного комбинированного двигателя внутреннего сгорания//Двигатели внутреннего сгорания —лхарьков: 1981.—лВып. 33.—С. 77—82.

30. Ю. Крутов В. И., Кузьмин П. К. Расчет переходных процессов системыавтоматического регулирования дизеля с турбонаддувом с учетом нелинейных характеристик//Известия вузов.—1969—№. 10—С. 102—108.

31. Иванов СП., Баженов П.И. Аппроксимируюш;ие зависимости для определения моментов инерции. Ж-л "Автомобильная промышленность" №10,1992г. с.19-20.

32. Resent developments of electronic goveznors/G.Holt. Diesel and Gas Turbine Eng.,1986,N431 .p.l—21.

33. Perspektywy electronisznego sterowania silnikiem/I.Kryszewski.- Bud okred, 1985,30. N5, p. 201—203.

34. A. Экспериментальная проверка эффективности адаптивного управления дизель-генератора переменного тока с дизелем 12ЧН 18/20/ С. А. Абрамов, В. И. Балакин, Ф. И. Пинский и др.— Двигателестроение. 1984. № 12, с. 33—36.

35. Исследование дизель-генератора 8ЧН 26/26 с электрогидравлической системойтопливоподачи и электронным управлением/ Е.Л. Никитин, Ф.И. Пинский. — Двигателестроение, 1979, № 10, с. 18—20.

36. Левин М. И. Автоматизация судовых дизельных установок.— Л.: Судостроение.1969.—465 с.

37. Долгих И. Д. Корректирование топливоподачи и нагрузки по давлению наддуватепловозного дизе ль-генератора// Двигате лестроение.—1984. —а№ 5.-С.32-36:

38. Кофман Е. М., Долгих И.Д., Сабаев В. В. Регулятор скорости для транспортныхдизелсйУ/Двигателестроение.—1984.—.№1.—С. 59—63.

39. Кузьмин Р.В. Техническое состояние инадежность судовых механизмов. Л.:

40. Судостроение, 1974. 334 с.

41. Моек Е., Штрикерт X. Техническая диагностика судовых машин и механизмов.

42. Л.: Судостроение, 1986. 232 с.

43. А5. Костин А.К., Пугачев Б.П., Кочинев Ю.Ю. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справ./ Под обш;. ред. А.К.Костина Л.:Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 284с.

44. А.К.Гирявец. Теория управления автомобильным бензиновым двигателем. -М.: Стройиздат, 1997.-173с.