Важность точного выбора момента начала подачи искры для эффективной работы ДВС неоспорима. Сложность заключается в том, что этот оптимальный момент опережения зажигания зависит от многих факторов и если говорить точнее: от всех возможных факторов, влияющих на работу ДВС. При этом ряд факторов оказывают взаимное влияние друг на друга. Характерным примером может служить мощность фактического искрового разряда. Для новой свечи зажигания, с измененной формой электрода массы и правильно сориентированной по потоку топливного заряда, данный параметр достаточно существенен. Чем мощнее текущий искровой разряд, тем быстрее в конечном итоге сгорает топливный заряд, конечно с нелинейной зависимостью и влиянием от начала искрообразования.
Усложняется общая зависимость качеством топлива, различной нагрузкой автомобиля и погодными условиями. Я имею в виду даже не оптимальный момент опережения зажигания, а комплекс оптимальных параметров зажигания, которые обеспечивают для конкретного цилиндра, в текущий момент работы ДВС, при определенной нагрузке и прочих текущих условиях, получение определенного экстремума в параметрах ДВС. Допустимо получение следующих экстремумов: максимальный крутящий момент, наименьшее содержание, какой либо токсичной составляющей в выхлопных газах, минимально допустимый удельный расход топлива либо какой нибудь искусственно созданный интегрированный показатель. При электрическом управлении подачей топлива возникает необходимость в дополнительном согласовании момента зажигания с законом подачи топлива. Все это говорит о достаточной сложности полного решения данной проблемы. Существующие решения в основном компромиссные, т.е. не позволяют максимально реализовать возможности ДВС. Другими словами они обладают недостаточной эффективностью.
Решить данную проблему путем математического моделирования, в принципе возможно, но с ограниченной точностью, вернее говоря при грубом приближении. Все дело в том, что система в данном случае имеет большое количество переменных с нелинейными зависимостями. Анализ и решение нелинейных систем довольно интересен сам по себе, и может приводить к открытию новых явлений. Говоря языком математики, мы имеем дело с уравнениями в частных производных, или уравнениями отражающими процессы не только во времени, а и в пространстве. В данном случае, по всей видимости, гораздо проще и эффективнее использовать для решения, т.е. для нахождения заданного экстремума в поведении сложной системы, метод подстановок. В конечном итоге необходимо создать условия для самоорганизации системы.
Рассмотрим простое решение для одного из распространенных простых типов ДВС, т.е. для карбюраторного двигателя. Поскольку процесс топливоподачи в данном случае автоматизирован, и зависит от настроек карбюратора, это несколько упрощает задачу и позволяет получить достаточно надежную в эксплуатации систему.
В данном случае основным критерием может служить максимальный крутящий момент, развиваемый ДВС, поскольку уровень токсичности можно ограничить путем настроек карбюратора и организации оптимального процесса горения топливного заряда. Максимальный крутящий момент характеризуется максимальным ускорением маховика, полученным в рабочем цикле цилиндра (на переходных режимах) либо отсутствием ускорения в стационарном режиме. Возникновение детонации возможно и оно характеризуется резким уменьшением крутящего момента и вибрацией ДВС. Дополнительным условием является то, что на данном двигателе работает штатная (обычно механическая) система коррекции момента опережения зажигания.
Решение адаптивной коррекции момента опережения зажигания может быть следующим: на ДВС устанавливают датчик движения маховика, вернее датчик, выдающий импульс при прохождении каждого зубца венца маховика. Электронная схема, в которую поступают импульсы с датчика вращения маховика, может выполнять следующую функцию: производить либо задержку, либо выдачу с опережением копии сигнала со штатного датчика распределителя в систему зажигания. Закон коррекции предельно простой. Очень хорошо об этом законе написано в статье "Михайловское зажигание – гениальность или шарлатанство", автор Александр (http://alexprofess.narod.ru/). Конкретная реализация САУПЗ (системы автоматического управления параметрами зажигания) возможна различная, но общие принципы должны, по всей видимости, соблюдаться. Рабочим сигналом адаптивного управления могут служить только текущие параметры рабочего процесса в цилиндре или подобные косвенные параметры. Применяются следующие параметры: угол максимального давление в цилиндре и максимальный крутящий момент.
Ряд статей по Михайловскому зажиганию, в основном ранние статьи просто уводят читателей от сути этого адаптивного зажигания. На мой взгляд, Михайловское зажигание работает по подобному простому алгоритму управления, используя в качестве управляющего параметра максимальный крутящий момент. Хотя я могу и ошибаться. Составить подобный алгоритм управления углом опережения зажигания несложно, если правильно задать исходные условия и знать реакцию в поведении ДВС при изменении угла зажигания. Основная сложность в реализации адаптивного управления углом опережения зажиганием – это датчик мгновенного движения маховика (коленвала), хотя и его исполнение не представляет в современное время особой сложности. Датчик должен выдавать четкие импульсы, допустим, при прохождении зубцов венца маховика (либо специального маркера), дополнительно с целью упрощения он может выполнять пересчет импульсов, снижая выходное количество их.
Дополнительный недостаток существующих адаптивных систем управления зажиганием – это стремление сделать их основной системой, а не дополнительной (или наоборот). По всей видимости, для повышения живучести двигателя машины необходимо иметь и альтернативную простейшую систему управления углом опережения зажигания, т.е. механическую – классический центробежный и вакуумный корректоры, а электроника, в таком случае, будет только корректировать их сигналы.
Алгоритм управления углом опережения зажигания, носящий название "автоматический поиск максимального крутящего момента", должен быть, в общих чертах, следующим. Управляющим входным сигналом является, импульсы с датчика вращения маховика КВ. По этим импульсам определяется, как изменилась скорость вращения маховика за один оборот и вырабатывается по каждому обороту три варианта сигнала (Ск) и дополнительно запоминается предыдущее значение (Скп); варианты значений: скорость не изменилась (0), скорость увеличилась (+1) или скорость уменьшилась (-1). Сигнал (импульс) датчика-распределителя зажигания (Уз) поступает в БУ, запоминается, корректируется и выдается в блок зажигания. Закон коррекции может быть следующим.
Первое (предшествующий Скп 0), то: если (текущий) Ск 0, то Уз +2 (означает: угол опережения зажигания увеличивается на 2 градуса); если Ск +1, то Уз +2; если Ск –1, то Уз –2. Второе (Скп +1), то: если Ск 0, то Уз 0; если Ск +1, то Уз +2; если Ск –1, то Уз –2. Третье (Скп -1), то: если Ск 0, то Уз 0; если Ск +1, то Уз +2; если Ск –1, то Уз –2. (Это пример, т.е. "демо-версия") При этом возможны следующие дополнительные варианты: производная скорости маховика определяется для одного либо четырех оборотов КВ, а изменение угла опережения зажигания выполняется в цикле 4 раза с градиентом 0,5 градуса и постоянным знаком (либо 0); в сумме по 4 цилиндрам получаются те же 2 градуса, но достигается плавность в изменении и лучшая адекватная реакция ДВС (для точного определение производной угловой скорости КВ.).
Либо более усложненный алгоритм, учитывающий фактическую величину вариаций значений производной угловой скорости маховика (Сок), и соответственно от величины приращения Сок, выбирается величина сдвига Уоз, что не сложно реализовать в современное время. Степень расширения управления УОЗ зависит от мощности и дополнительных параметров ДВС, чрезмерное усложнение закона управления не оправдано, т.к. последующая эффективность от этого небольшая и стремится к 0.
Усложнение алгоритма управления параметрами системы зажигания должно идти в качественном направлении, а именно в дополнительной коррекции мощности электрического разряда (формы кривой и длительности тока разряда), другими словами величина мощности искрового разряда должна варьировать в соответствии с изменения Уоз, т.е. адекватно величине сдвига Уоз.
Зависимость качества процесса горения топливного заряда от изменения мощности электрического разряда, значительно повышается при применении свечи зажигания с измененным электродом массы, описанным в первой статье "Пути улучшения характеристик искровых свечей зажигания современных ДВС". Определение конкретных значений требует серии практических испытаний. Требования к основным характеристикам системы адаптивного управления параметрами зажигания (САУПЗ), должны быть понятны.
Совместная работа подобной САУПЗ с усовершенствованными свечами зажигания позволяет не только экономить топливо и снизить токсичность выхлопных газов, но и улучшить динамические характеристики ДВС и значительно увеличить ресурс свечей зажигания.
Примерная структурная схема одного из вариантов системы зажигания с адаптивным управлением приведена на Фиг. 8. Краткая функциональная характеристика блоков системы.
п.1 – датчик вращения коленвала (датчик импульсов). Выдает фиксированное количество импульсов за один оборот маховика ДВС (коленвала, КВ).
п.2 – делитель импульсов. Возможно совместное исполнение с датчиком вращения. Коэффициент деления в зависимости от параметров ДВС.
п.3 – блок анализа и формирования сигнала изменения угловой скорости вращения с опорным генератором (задатчиком времени). На выходе блока один раз за оборот маховика формируются два сигнала, один из которых характеризует текущее значение изменения угловой скорости (Ск), а второй является предыдущей копией первого (Скп). Сигнал Ск может принимать следующие значения: 0, +1, -1, и (+2, -2).
п.4 – блок анализа сигнала Ск и формирование аналогового сигнала Uупр. (Диапазон Uупр от +Хв через 0в до -Хв) Зависимость Uупр от Ск является главным алгоритмом системы зажигания. Основные черты главного алгоритма: характерные изменения Uупр происходят в течение 4 оборотов коленвала (назовем этот период одним циклом изменения Uупр). В течение цикла величина Uупр может либо оставаться неизменной, либо увеличиваться (уменьшаться) по линейному (другому) закону в зависимости от динамики изменения величины Ск.
п.5 – блок формирования управляющего импульса для силового ключа катушки зажигания. Входными сигналами кроме Uупр являются: импульс с датчика распределителя зажигания и аналоговый сигнал задатчика ручной коррекции угла опережения зажигания (необходим для проверки и используется в случае неисправности). Дополнительным сигналом может являться сигнал детонации с датчика вибрации (служит дополнительной защитой). Блок имеет внутренний генератор изменяемой частоты. Выходной импульс блока несет информацию о начале искрового разряда и его мощности (в зависимости от длительности либо амплитуды импульса).
п.6 – датчик импульсов распределителя зажигания.
п.7 – задатчик ручной коррекции угла опережения зажигания.
п.8 – датчик детонации вибрационный.
п.9 – силовой ключ управления катушкой зажигания.
п.10 – катушка зажигания, распределитель зажигания, свечи.
Выходными параметрами новой системы зажигания (САУПЗ) должны являться: оптимальный момент начала искрообразования; оптимальная форма, длительность и амплитуда импульса тока электрического разряда (упрощенно – эффективная выделяемая мощность).
При этом необходимо отметить, что эти два параметра связаны между собой нелинейной зависимостью и система зажигания должна уметь изменять нужным образом два эти параметра. Поэтому, анализируя любую систему зажигания необходимо проверять именно эти параметры (функциональные зависимости) при всех возможных вариантах работы ДВС. А требования к этим параметрам достаточно разнообразные: на запуске ДВС одни, на переходных режимах другие, при стационарном режиме работы ДВС третьи и т.д. Дополнительно необходимо учитывать не только изменения разнообразных выходных данных ДВС, но и влияние на сохранение ресурса всех элементов двигателя.
Продолжение …
|
