Prospective electrotechnical complex for internal combustion engine control

Abstract

The paper concerns development and implementation of prospective electrical control complex for an internal combustion engine of a vehicle, in order to improve its environmental, economic efficiency, and to improve the quality of service.

Full Text

Качество функционирования автомобиля определяется рядом технических параметров, существенная часть из которых обеспечивает эффективность работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Потребитель в Западной Европе весьма требователен к вопросам топливной экономичности и вредным выбросам. Но при этом автомобиль не должен терять динамиче- ские характеристики и гарантировать высокий уровень комфорта. Серьезной проблемой, препятствующей дальнейшему развитию систем управления си- ловой установкой автомобиля, является их модульная организация, при которой проявляется эффект децентрализации функций управления. Использование же современных средств математического имитационного моделирова- ния обеспечивает возможности для проведения комплексных работ, связанных с теоретиче- ским анализом, а также проектированием сложных электротехнических систем автомобилей. Таким образом, становится актуальной важная научно-техническая задача разработки математических моделей новейших систем определения вязкости моторного масла, регули- рования фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания, системы «Старт-стоп» и системы регулирования скорости движения легкового автомобиля в режимах поддержания и ограничения скорости с оптимальными параметрами. Цель настоящей работы состоит в разработке комплекса математических имитационных электротехнических систем управления двигателем автомобиля для создания эффектив- ной системы с единым комплексным управлением. Важным аспектом в решении задач по разработке электротехнических систем управле- ния ДВС является их интеграция в рамках единого комплекса с обеспечением возможности повышения эффективности дальнейших работ, связанных с развитием, а также улучшением их взаимодействия в рамках единой концепции, определяющей общность систем. Контроллер системы управления двигателем (КСУД) Функции и модули прикладного программного обеспечения Базовое, аппаратно- независимое программное обеспечение Базовое, аппаратно- зависимое программное обеспечение Модуль управления электронной дроссельной заслонкой Системные сервисные функции Обобщенные функции управления микроконтроллером Драйверы работы с регистрами микроконтроллера Модуль управления цикловым наполнением Сервисы работы с памятью микроконтроллера Обобщенные функции работы с ресурсами памяти Драйверы работы с памятью микроконтроллера Модуль управления функцией «Старт-Стоп» Сервисы работы с коммуникационными интерфейсными передачи данных Обобщенные функции аппаратных коммуникационных интерфейсов Драйверы работы с коммуникационными интерфейсами Модуль управления фазами газо- распределения «VVT» Обобщенные функции ввода и вывода управления портами и нагрузками Драйверы работы с портами ввода и вывода Модуль управления турбо- надувом Комплексное программное драйверное обеспечение для работы с ресурсами микро- контроллера Микроконтроллер Рисунок 1. Концепция архитектуры программного обеспечения КСУД Представленная на рисунке 1 концепция программного обеспечения контроллера си- стемы управления двигателем (КСУД) позволяет описать взаимосвязи модулей программно- го обеспечения и их функции, а также иерархию программного обеспечения и привязку к ап- паратным ресурсами систем управления ДВС. Особенностью концепции является возможность её соблюдения как в рамках одного программного продукта на уровне математических моделей с добавлением вставок про- граммного кода, так и на базе проектов. Совместимость достигается за счет преобразований сигналов и типов величин, а проект представляет собой элементы программного кода, полу- ченного с помощью различных инструментов компьютерного моделирования и трансляции его в программные коды. Система измерения вязкости масла ДВС автомобиля [7, 10, 11]. U  iR  L di  i dl ;dt dt (1) P   1 (iN )2 d n ; (2) 2 d d 2 x dx dxP  (m  m)  A( )2  B  C , (3) dt2 dt dt x Динамические характеристики чувствительного элемента, управляемого катушкой с током, описываются системой уравнений: где: U - напряжение источника питания, i - ток, R - сопротивление обмотки, L - индуктивность катушки, N - число витков обмотки управления, n - полная магнитная проводимость системы, P - электромагнитное усилие, m - приведенная масса контакт- детали, t - время, x - перемещение, δ - текущее значение зазора, А - коэффициент гидродинамического сопротивления, В - коэффициент вязкого трения, С - жесткость контакт-детали. Уравнение (3) использует метод присоединенных масс и учитывает эффекты гидродинамического сопротивления жидкости при движении контакт-детали и демпфировании тон- кой жидкостной пленки в области перекрытия. Здесь к массе чувствительного элемента m прибавляется “присоединенная” масса жидкости, которая находится на поверхности контакт- детали: 2 m  k1 k   ( / 2) u , (4) где:   плотность жидкости, k - температурный коэффициент плотности жидкости, В - ширина изгибающейся части, u длина изгибающейся части контакт-детали, k1 - коэффициент формы контакт-детали. Величины L, Рэ, n определяются через магнитные проводимости, внешнюю вш и внутреннюю вm , параметры обмотки и геркона. Экспериментальная установка для определения вязкости моторного масла состоит из следующих элементов: источник питания постоянного напряжения 12 В; отладочная плата с микроконтроллером; катушка управления и геркон как чувствительный элемент; макетная плата с подключенным LCD дисплеем и датчиком температуры; вспомогательная макетная плата, на которой располагается схема управления катушкой; соединительные провода. После моделирования и проведения эксперимента были определены временные пара- метры срабатывания контакт-деталей при температуре 26°С окружающего воздуха. Для определения истинного значения вязкости масла был проведен опыт на вискози- метре вибрационного типа SV-10 компании AND. Вязкость чистого моторного масла соста- вила 1230 мПа∙с. С использованием математической модели с полученным значением вязкости было рассчитано время движения контактной группы, которое составило 3114 мкс. Погрешность измерения вязкости составила 3,8 %. Проведен эксперимент с заполнением контактной пары чувствительного элемента от- работанным моторным маслом после его эксплуатации на автомобиле. Пробег легкового ав- томобиля на данном масле составил 9 тыс. км. Для определения истинного значения вязкости отработанного масла был проведен опыт на вискозиметре вибрационного типа SV-10. Вязкость чистого моторного масла составила 865 мПа∙с. Используя математическую модель с полученным значением вязкости, было рассчита- но время движения контактной группы, которое составило 1663 мкс. Погрешность измере- ния вязкости составила 4,1 %. Математическое и имитационное моделирование позволило установить взаимосвязь между геометрическими параметрами чувствительного элемента, силами, действующими на чувствительный элемент, и вязкостью, которая является важным критерием при анализе уг- леводородных жидкостей. Модель описывает взаимосвязи, позволяет вычислить вязкость жидкости, способствует решению обратной задачи подбора оптимального геометрического соотношения чувствительного элемента и выбора оптимальной схемы управления. После проведения экспериментов можно прийти к выводу, что метод, основанный на движении пластины в жидкости, позволяет давать количественную и качественную оценку вязкости моторного масла. Результаты измерения времени срабатывания геркона, с его раз- личным заполнением, сходны по величине с результатами, получаемыми в математической модели. Отклонение полученной величины составило не более 4,5 %, что позволяет сделать вывод о применимости математической модели для определения вязкости масла в мини- мальном объёме в течение небольшого интервала времени. Система регулирования фазами газораспределения ДВС. В рамках концепции системы регулирования фазами газораспределения в составе контроллера системы управления двига- телем (КСУД) разработана математическая имитационная модель, которая позволяет обеспе- чить оптимальную работу ДВС. При моделировании системы описан метод синхронизации двигателя с использованием аппаратных ресурсов процессора, позволяющих делать прерывание по сигналам от датчиков положения коленчатого вала и фаз (ДПКВ или ДФ), а также описан метод повышения точно- сти синхронизации за счет применения дискретных зубьев. Контроллер управления двигателем посредством изменения скважности управляющего сигнала, подаваемого на клапан OCV, заставляет перемещаться фазер. Система синхрониза- ции позволяет отслеживать положение распредвала, которое используется при расчете от- клонения текущего положения распределительного вала (РВ) от уставки, при этом формула расчета отклонения распределительного вала от условного нулевого положения по фронтам РВ: X  T  Tzub zub , (5) где: X - угол между двумя соседними активными фронтами коленчатого вала и распределительного вала; T - интервал времени между двумя соседними активными фронтами коленчатого вала и распределительного вала; Tzub - последний измеренный период следования зубьев по коленчатому валу; zub - угол поворота коленчатого вала, который соответствует одному периоду следования двух соседних зубьев по колен- чатому валу без учета выбитых. Текущее измеренное положение распределительного вала относительно условного ну- ля, выбранного за систему отсчета, определяется по формуле: X n izm.  Nzub. izm. zub  X , (6) где: X n izm. угол поворота распределительного вала относительно условного нулевого положения до выбранного фронта распределительного вала; Nzub. izm. количество зубьев коленчатого вала между условным нулем и выбранным фронтом распределитель- ного вала с учетом пропущенных. Отклонение от условного нулевого положения - входной параметр для системы управ- ления фазами газораспределения и определяется по формуле: X n izm.  X n  X n izm. , (7) где: X n izm. - отклонение от условного нулевого положения в градусах поворота коленчатого вала; X n - табличный параметр, который определяет положение фронтов в системе отсчета, связанной с коленчатым валом. Для определения адаптационных весовых коэффициентов выполняется расчет ошибки для каждого из фронтов распределительного вала: n n  X n  X n izm.  i0 , n (8) где: n - ошибка отклонения распределительного вала от условного нулевого положения n по фронтам;  X n izm. i0 - результат нескольких измерений величины отклонения для каждого из фронтов распределительного вала. Определение условного нулевого положения выполняется по формуле: X n apt  X n  n , (9) Величина допустимой ошибки определяется по формуле: n max  crk  cam  shk  pos , (10) где: crk cam допуск на изготовление зубчатого колеса синхронизации коленчатого вала; допуск на изготовление колеса синхронизации распредвала; shk допуск на крутильные колебания коленчатого вала по отношению к распределительному валу;  pos допуск на погрешность сборки и установки зубчатого колеса. Адаптированное положение активных фронтов зубчатого колеса распределительного вала находится по формуле: X n ret apted  X n  n  n max  , (11) где: X n ret apted - адаптированное крайнее позднее положение. Для позднего положения ошибка установки ремня ГРМ допустима в небольшом преде- ле как в раннюю, так и в позднюю сторону. Адаптированные положения пределов регулирования для раннего упора могут быть найдены из соотношения: X n adv apted  X n  X n reg range  n  n max  n reg max  , (12) где: n reg max максимальная ошибка регулирования; X n reg range предел регулирования фаз, определяющий максимальный угол поворота распредвала, при котором обеспечива- ется отсутствие встречи клапана с поршнем во всем диапазоне управления фазами. Для оценки качества математической модели были проведены физические эксперимен- ты, позволившие оценить погрешность работы разработанной системы. В рамках работы разработано электронное устройство, позволяющее имитировать сигналы ДПКВ и ДФ и смещение сигнала датчика фаз. Выполнена настройка и проверка математической модели в составе программного обеспечения контроллера управления двигателем. Система «Старт-стоп» [2, 4, 8, 9, 11]. Система использует ряд штатных компонентов автомобиля, входящих в состав различных систем управления, таких как: электронная си- стема управления двигателем, система комфорта, шасси и других. Основные модули систе- мы связаны между собой интерфейсными шинами для передачи данных. По ним передаются необходимые параметры с заданной частотой обновления и требуемой точностью. В рамках работы спроектирована модель формирования условия разрешения работы системы. Все условия разделены по приоритетам. Это необходимо для разделения условия по функциональным признакам. Для обеспечения безопасного для стартера пуска двигателя в режиме «Старт-стоп» применяется специальная модель управления. Запрет прокрутки стартером связан с требова- ниями ISO к безопасности и качеству работы системы. При формировании признака «Старт» управление передается функции, которая отвеча- ет за запуск двигателя, разрешение включения топливного насоса, выполняет расчет момента и подачу искры зажигания, включение реле стартера, после чего двигатель запускается. Экспериментальное исследование времени пуска для контроллера со стандартной про- шивкой составило 0,92 с. При реализации системы «Старт-стоп» соответствующий результат составил 0,35 с. Система регулирования скорости [1, 3, 6, 8, 9, 11]. В состав системы регулирования включены модули, которые отвечают за управление и безопасность. Разработанная модель системы состоит из фильтра скорости; компоненты определения режима регулирования и управления уставкой и типом функции регулирования; компоненты регулирования положе- ния дроссельной заслонки; компоненты приостановки процесса регулирования скорости при изменении номера передачи трансмиссии; компоненты расчета длительности отклонения от заданной скорости; компоненты деактивации. Для оценки адекватности математической модели выполнен имитационный экспери- мент работы системы. Результаты работы показывают, что полученная плавность изменения значения фильтрованной скорости позволяет устранить хлопки дроссельной заслонки и уменьшить вероятность отказа и быстрого износа деталей исполнительных элементов. За- паздывание фильтрованной скорости от действительного значения составляет 150 мс. Кроме этого, в работе проведено имитационное моделирование режима ограничения скорости, особенность которого заключается в реализации функции набора скорости до зна- чения уставки под управлением водителя и ограничения ее, несмотря на нажатие педали ак- селератора, требующее увеличения момента. Выводы В настоящее время основные разработки сложных комплексов ведутся без привязки к конкретной модификации автомобиля, что приводит к проявлению эффекта децентрали- зации функций управления. В представленной работе выполнены комплексные исследо- вания по созданию общей концепции, обеспечивающей единый подход в реализации ал- горитмов управления, на основе которой в дальнейшем разработаны математические мо- дели систем. Проведенные теоретические исследование показали возможность применения для опре- деления вязкости моторного масла в качестве параметра время движения контактной группы чувствительного элемента. Разработана математическая модель определения вязкости масла, описывающая взаимо- связь между геометрическими параметрами чувствительного элемента, силами, действу- ющими на электрические контакты, и вязкостью жидкости, находящейся между контак- тами. Предлагаемое устройство определения вязкости позволяет произвести измерения с малой погрешностью за короткий промежуток времени, используя минимальный объем диагностируемой жидкости. Предложена математическая модель системы регулирования фаз газораспределения, поз- воляющая повысить скорость достижения требуемого момента ДВС автомобиля и рас- ширить диапазон частот вращения двигателя с получением максимального крутящего момента. Экспериментальные исследования показали, что регулированием фаз газорас- пределения позволило увеличить скорость достижения максимального момента на 12 %. Разработана математическая модель системы «Старт-стоп», позволяющая производить быстрый запуск двигателя с минимальными энергетическими потерями. Используя алго- ритмы системы «Старт-стоп», удалось снизить время прокрутки двигателя с 0,9 с до 0,3 с и обеспечить более быстрое определение момента искрообразования и топливоподачи. Предложенная математическая имитационная модель системы регулирования скорости автомобиля позволяет осуществлять управление углом открытия дроссельной заслонки через контроллер системы управления ДВС без применения дополнительных блоков управления, что позволяет обеспечить непосредственное воздействие на исполнительные механизмы. Создание математических имитационных моделей электротехнических систем и их реа- лизация на базе общей концепции построения программно-аппаратного комплекса может позволить производить модернизацию и расширение функций электротехнических си- стем управления без существенных капиталовложений.