Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0095

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0095
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "ТрансСенсор"
Название доклада
Разработка систем управления, адаптация датчиков и исполнительных механизмов топливной аппаратуры с перспективными техническими показателями
Докладчик
Кудрявцев Александр Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является достижение импортозамещения в производстве систем управления, обеспечивающих выполнение требований, установленных к техническому уровню дизельной топливной аппаратуры нового поколения. Разработанная в рамках данного проекта система управления должна обеспечить возможность формирования требуемых характеристик впрыска топлива.
При выполнении проекта решаются следующие задачи.
1. Разработка концепции и технических решений системы управления топливной аппаратурой нового поколения для дизельных двигателей на основе анализа патентных материалов, аналитического обзора современной научно-технической литературы по теме исследования, теоретического и расчётного исследования системы управления.
2. Разработка конструкторской документации и изготовление экспериментального образца системы управления топливной аппаратурой нового поколения для дизельных двигателей, учитывающей работу его системы охлаждения, смазочной системы и системы наддува.
3. Испытание экспериментального образца системы управления топливной аппаратурой дизельных двигателей.
4. Разработка, изготовление и исследование экспериментального образца перспективного электромагнитного привода форсунки для системы управления топливной аппаратурой нового поколения дизельных двигателей.
Актуальность и новизна исследования
Системы управления вносят существенный вклад в обеспечение предъявляемых к современным дизельным двигателям требований по показателям экологии и экономичности путём активного воздействия на рабочий процесс двигателя по каналу подачи топлива. Внедрение в дизельных двигателях новых систем топливоподачи, таких как Common Rail, и использование цифровой электроники расширило функции систем управления – микропроцессорное управление, наряду с традиционными функциями регулирования ограниченного числа параметров двигателя, выходит на принципиально новый уровень, при котором осуществляется оптимизация рабочего процесса двигателя.
В разработанную систему управления заложены следующие функции для формирования необходимых характеристик процесса впрыска топлива:
- регулирование давления впрыска (до 200 МПа) на различных режимах работы двигателя для снижения образования твёрдых частиц, углеводородов и оксида углерода;
- задание оптимизированных значений угла опережения впрыска топлива, оказывающих существенное влияние на образование всех токсичных компонентов отработавших газов;
- точно контролируемый впрыск с минимальными отклонениями цикловых подач в цилиндрах двигателя для стабильной работы двигателя и ограничения дымности;
- регулирование скорости впрыскивания для снижения шума, образования дыма и оксидов азота;
- резкое завершение впрыска для снижения образования дыма и углеводородов;
- формирование разделённых впрысков, используемых для уменьшения шума, выбросов оксидов азота и эффективной работы системы нейтрализации.
Система управления должна обеспечивать также необходимые показатели качества переходных процессов при изменении режимов работы двигателя.
Описание исследования

Процесс создания системы управления двигателем включает следующие этапы: разработку концепции системы управления, её функциональной и структурной схем; расчётное исследование системы управления для формирования её первичных калибровок; разработку и расчёт основных функциональных узлов и аппаратурных средств электронного блока системы управления, изготовление экспериментального образца электронного блока; определение алгоритмов функционирования и создание программных средств электронного блока; разработку технических средств системы управления, включая подбор датчиков, проектирование и изготовление исполнительных устройств; испытания и доработку системы управления.

Концепция системы управления разработана на основе технических требований, предъявляемых к современным дизельным двигателям. Показателями оценки работы двигателя является экономичность и требования по экологии. Проектирование системы управления  ведётся из условия обеспечения требуемых параметров процесса топливоподачи, необходимых для конкретного дизельного двигателя.

Современные системы управления двигателями строятся на базе программируемых электронных блоков (микропроцессорных контроллеров), которые позволяют, наряду с регулированием необходимых параметров (частоты вращения, температуры охлаждающей жидкости и др.), проводить оптимизацию рабочего процесса двигателя на различных режимах по критериям, учитывающим требования экологии и экономичности. Управление топливоподачей, предусматривающее оптимизацию режимов работы двигателя, даёт наибольший эффект при коррекции величины цикловой подачи топлива по параметрам других систем двигателя: воздухоснабжения, охлаждения, смазки. Гибкость систем управления с электронными блоками позволяет проводить такую коррекцию топливоподачи за счёт установки на двигатель необходимых датчиков и перепрограммирования контроллера.

Функциональная и структурная схемы системы управления отражают состав системы и взаимосвязи между её частями. В состав системы управления входят дизельный двигатель как объект управления, устройство управления и устройства, реализующие функции управления и регулирования: датчики, электронный блок (микропроцессорный контроллер, один или несколько), исполнительные устройства.

Электронный блок является базовым элементом системы управления, во многом, определяющим её возможности, поэтому его разработке уделено особое внимание. Разработаны основные элементы электронного блока: процессорная часть, каналы преобразования входных сигналов с датчиков и каналы формирования выходных сигналов на исполнительные устройства. Тип процессоров контроллера выбран, исходя из предъявляемых требований по производительности, функциональным возможностям, быстродействию, климатическим условиям работы. В соответствии с требуемыми преобразованиями сигналов датчиков составлены принципиальные схемы входных каскадов электронного блока. Принципиальные схемы выходных каскадов спроектированы по виду сигналов, поступающих из электронного блока на исполнительные устройства контуров регулирования. Расчёт электрических схем каналов электронного блока проведён с использованием специализированных компьютерных программ.

Важной функцией системы управления является обеспечение высокого качества процессов регулирования по статическим и динамическим показателям, к которым, в первую очередь, относятся точность установления требуемого значения регулируемого параметра и быстродействие системы. Теоретический анализ показателей качества регулирования проводился путём моделирования режимов работы системы и расчёта переходных процессов изменения регулируемых параметров при характерных изменениях внешних воздействий.

Проведены расчёты и проектирование электромагнитного привода клапана форсунки системы подачи топлива типа Common Rail для перспективных дизельных двигателей. Успешность достижения необходимых характеристик системы управления по формированию параметров закона подачи топлива зависит от таких параметров привода, как развиваемое усилие и быстродействие.

Проведены испытания изготовленных макетных и экспериментальных образцов электромагнитного привода клапана топливоподачи на работоспособность и выполнение требуемых функций. Важным этапом исследований являются испытания разработанных устройств в комплексе с топливоподающей аппаратурой.

Результаты исследования

Анализ влияния характеристик топливоподачи на рабочий процесса дизельного двигателя показал возможности достижения предъявляемых к двигателю требований по показателям экологии и экономичности методами направленного воздействия системы управления на топливную систему  двигателя. Полезную информацию о возможных технических решениях, используемых в современных системах управления, дал обзор систем управления таких ведущих мировых производителей, как Bosch, Heinzmann, Woodward, Denso и др.

При теоретическом и расчётном исследовании проектируемой системы управления проведён анализ динамических режимов работы системы управления при изменении настройки частоты вращения. Теоретический анализ проводился методом моделирования переходных процессов изменения основных параметров рабочего процесса дизельного двигателя. Для осуществления моделирования разработана математическая модель системы управления, которая включает модель перспективного дизельного двигателя с турбонаддувом Д200 и модель регулятора, реализующая. стабилизацию частоты вращения вала двигателя по пропорционально-интегральному закону регулирования. В соответствии с математической моделью в программной среде MATLAB/Simulink составлена компьютерная программа. При моделировании процессов управления двигателем проведён подбор коэффициентов закона регулирования, обеспечивающих высокие показатели качества переходных процессов. Пример переходного процесса системы управления приведён на рисунке 1 (зелёный цвет - изменение настройки, красный - частоты вращения).

                                                                    Рисунок 1

Составлена функциональная схема электронного блока системы управления, содержащая процессорную часть, схемы преобразования входных сигналов датчиков и схемы формирования выходных сигналов на исполнительные устройства. Исходя из требований к возможностям и условиям работы электронного блока, выбран тип процессора контроллера – Infineon SAK-XC2785X-104F80L. Дано описание архитектуры и характеристик выбранного процессора. Расчёт электрических компонентов и цепей электронного блока системы управления проводился с использованием специализированных программных комплексов Altium Designer и Micro-Cap. Схема блока составлена из условия максимальной унификации его функциональных элементов. Разработана конструкторская документация и изготовлен экспериментальный образец системы управления.

Выбор параметров и конструирование электромагнитного привода клапана форсунки системы подачи топлива проводились по результатам расчётного исследования привода. На рисунке 2 приведён пример расчёта поля распределения индукции магнитного поля в магнитопроводе и переходных процессов изменения параметров привода, полученных с использованием специализированной компьютерной программы ANSYS Maxwell 16.0. Разработана конструкторская документация и изготовлены образцы электромагнитного привода клапана форсунки.

                                                                    Рисунок 2

Испытания электромагнитного привода клапана форсунки проведены на разработанном стенде, позволяющем задавать частоту и форму импульсных сигналов управления. На рисунке 3 приведён пример осциллограммы напряжения (синий цвет) и тока (красный цвет) управляющего сигнала. При испытаниях привод развивал усилие более 80 Н, что соответствует требуемому значению.

                                                                    Рисунок 3

В настоящее время проводятся испытания системы управления на безмоторном стенде в комплекте с топливоподающей аппаратурой.

Практическая значимость исследования
По мере ужесточения требований, предъявляемых к дизельным двигателям по показателям экологии и экономичности, развиваются системы топливоподачи и управления. Внедрение в системы управления двигателями микропроцессорных устройств открыло новые возможности по формированию алгоритмов управления и характеристик топливоподачи. Получили развитие аккумуляторные системы подачи топлива типа Common Rail, в которых цикловая подача топлива осуществляется быстродействующими клапанами с электромагнитным приводом.
Использование таких систем позволяет направленно формировать характеристику топливоподачи, влияя на давление впрыска, угол опережения подачи топлива, форму закона топливоподачи, организуя систему множественных впрысков с предварительными и последующими дополнительными впрысками. Задание определённых оптимизированных значений перечисленных параметров впрыска топлива позволяет оказывать решающее влияние на показатели рабочего процесса двигателя по токсичности и удельному расходу топлива.
Разработанная система управления с электронным блоком производит установку оптимизированных значений параметров топливоподачи на всех эксплуатационных режимах работы дизельного двигателя. Формирование заданной характеристики процесса впрыска топлива обеспечивается необходимыми характеристиками электромагнитного привода клапана форсунки по развиваемым усилиям и быстродействию.
Результатом выполнения работы является создание отечественных технических устройств систем управления подачей топлива в дизельных двигателях, которые соответствуют лучшим образцам таких признанных мировых производителей в этой области техники, как Bosch, Heinzmann, Woodward, Denso и др. Использование на перспективных дизельных двигателях разработанной системы управления с топливной аппаратурой аккумуляторного типа должно обеспечить выполнение современных норм на экономические и экологические показатели двигателей.
Постер

Poster_TransSensor.ppt