Смоленский В.В. - Поволжский государственный университет

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К СИСТЕМАМ КОНТРОЛЯ И
УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СГОРАНИЯ В ДВС, ОСНОВАННЫМ
НА МОНИТОРИНГЕ ИОННОГО ТОКА
В.В. Смоленский
Поволжский государственный университет сервиса, Тольятти,
Россия
SYNERGETIC THE APPROACH TO MONITORING SYSTEMS AND
MANAGEMENTS OF PROCESS OF COMBUSTION IN ICE, BASED ON
MONITORING OF AN IONIC CURRENT
V.V. Smolenskij
Volga region State University of Service, Togliatty, Russia
Обеспечение максимальной мощности ДВС, наилучшей топливной
экономичности при выполнении ограничений на выброс токсичных
компонентов отработавших газов возможно путем совершенствования
рабочего процесса двигателей. Первые нормы токсичности (USA-83, Euro-1,
Euro-2) никак не оговаривали наличие встроенной бортовой диагностики и
производители систем управления двигателем (СУД) вводили функции
диагностики по собственному усмотрению.
Впервые требование наличия встроенной системы диагностики, включая
контроль за пропусками воспламенения в цилиндре ДВС, систем удаления
паров бензина, топливоподачи, нейтрализатора, датчиков и исполнительных
устройств СУД, появилось вместе с нормами токсичности USA-93. Эти
требования получили название OBD-2 (On Board Diagnotic), а уровень
диагностики, используемый до него, стал называться OBD-1. Бортовая
диагностика в соответствии с OBD-2 должна проводить непрерывный
контроль сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре с целью выявления
пропусков воспламенения и идентификации основных параметров рабочих
процессов ДВС. Это необходимо для предотвращения эксплуатации
автомобилей с неисправной системой управления и защиты каталитического
нейтрализатора от разрушения. [1]
Наиболее эффективным средством решения задачи обеспечения
максимальной мощности ДВС и достижения наилучшей топливной
экономичности при выполнении ограничений на выброс токсичных
компонентов отработавших газов являются электронные СУД. Они берут на
себя управление системами топливоподачи и зажигания, регулятором
холостого хода и муфтой компрессора кондиционера, системой диагностики
и вентилятором системы охлаждения, тахометром и маршрутным
компьютером. [2]
Для качественной диагностики и управления двигателем система требует
установки датчиков, позволяющих определять такие параметры, как
положение коленчатого вала, массовый расход воздуха, температура
охлаждающей жидкости, положение дроссельной заслонки, напряжение
бортовой сети, скорость автомобиля, наличие запроса на включение
кондиционера, наличие детонации, отношение воздух-топливо (-зонд).
СУД, применявшиеся ранее имели обратную связь по установке угла
опережения зажигания (УОЗ) и момента впрыска топлива от параметров,
сопутствующих сгоранию в цилиндре. Такие системы удовлетворяют
требованиям до тех пор, пока они учитывают все изменяющиеся параметры,
что довольно сложно. Количество датчиков и управляющих устройств на
автомобиле постоянно растет, повышая цену устройств автоэлектроники и
автомобиля в целом, поэтому необходима разработка системы, позволяющей
сокращать количество датчиков. [3]
Одним из условий достижения эффективности работы СУД является
использование обратной связи по параметрам рабочего процесса в камере
сгорания ДВС. Предлагаемый контроллер мониторинга ионного тока
предполагает проведение многократных его измерений в течение каждого
периода следования импульсов зажигания. Данный метод позволяет вести
контроль и получать следующую информацию о рабочем процессе в камере
сгорания ДВС:
1. Идентификация фаз работы двигателя;
2. Выявление пропусков (сбоев) воспламенения;
3. Определение положения и величины пика давления в камере
сгорания по углу поворота коленчатого вала и эпюре ионного тока;
4. Идентификация
параметров
(уровень,
величина,
частота
длительность и т.д.) детонации в КС ДВС;
5. Мониторинг рабочих процессов в тепловом двигателе в функции
ионной проводимости (идентификация во времени и пространстве фаз
горения ТВС, скорости распространения пламени и т.п.);
6. Обнаружение в пространстве и во времени границ нестабильности
горения ТВС (теория тлеющего разряда) и определение параметров и
характеристик рабочих процессов двигателя при его работе на бедных
смесях;
7. Определение и управление процессами горения многокомпонентных
топливовоздушных смесей (воспламенитель, горючее и дожигатель);
8. Создание бортовой системы диагностики третьего (OBD-3) и
четвёртого (OBD-4) поколений для нормативов по токсичности Euro-5 и
Euro-6.
Метод не требует дополнительных датчиков, так как в качестве
измерительного зонда в камере сгорания используется свеча зажигания,
дополнительно позволяет исключить некоторые датчики, без которых ранее
контроль двигателя не мог быть осуществлен, например -зонд, датчик
детонации. [4]
Требования диагностики OBD-2 предусматривают, в частности,
выявление пропусков воспламенения в цилиндрах ДВС. Эта задача может
решаться различными способами, одним из которых является метод анализа
ионного тока. Протекающий в межэлектродном промежутке свечи зажигания
ионный ток, возникающий в результате приложения постоянного
напряжения к электродам свечи, несет информацию о состоянии газа и,
следовательно, о процессе горения в цилиндрах ДВС [1]. На сегодняшний
день, техника анализа ионного тока является наиболее перспективным
направлением в мониторинге ДВС, с применением которой в системе
управления двигателем возможно решение задач обнаружения пропусков
воспламенения, диагностики детонации, оптимального управления
зажиганием и составом топливной смеси. [5]
Для управления двигателем внутреннего сгорания, а именно, для
обработки сигналов датчиков, определения режимных параметров работы
двигателя, расчета необходимой топливоподачи и моментов зажигания,
формирования сигналов управления исполнительными механизмами
используется штатный контроллер системы управления ДВС, который
формирует сигналы управления зажиганием в парах цилиндров 1,4 и 2,3 в
каждом рабочем цикле четырехцилиндрового ДВС (рисунок 1). Эти сигналы
являются опорными для системы измерения величины ионного тока и несут
информацию о двух параметрах: угол опережения зажигания и время
накопления энергии в катушках зажигания.
1 цил. - рабочая искра
4 цил. - холостая
4 цил. - рабочая искра
1 цил. - холостая
1,4
2,3
3 цил. - рабочая искра
2 цил. - холостая
2 цил. - рабочая искра
3 цил. - холостая
Рисунок 1 – Осциллограмма сигналов управления зажиганием.
1 - Сигнал накопления энергии зажигания
1
цил.
2 - Сигнал гашения искры
3 - Сигнал возбуждения ионного тока
4 - Сигнал ионного тока
3
цил.
4
цил.
2
цил.
Рисунок 2 – Осциллограмма сигналов возбуждения и измерения
параметров ионного тока.
Контроллер возбуждения ионного тока и измерения его параметров по
опорным сигналам формирует следующие сигналы (рисунок 2):
1) сигналы накопления энергии в 4 индивидуальных катушках
зажигания для реализации последовательного зажигания (одна искра в
каждом из цилиндров за один рабочий цикл двигателя);
2) сигналы гашения искры;
3) сигналы с широтно-импульсной модуляцией для возбуждения
ионного тока. Эти сигналы управляют ключевыми схемами (рисунок 3),
коммутирующими первичные обмотки катушек зажигания.
Сигнал зажигания
Сигнал гашения искры
Сигнал возбуждения тока
A
B CD

Рисунок 3 – Параметры формирования сигналов.
Контроллер осуществляет измерение величины ионного тока в
цилиндрах двигателя в соответствующем угловом секторе положения
коленчатого вала во время формирования возбуждающих импульсов. [6, 7]
Сопоставление этих данных с информацией о давлении в камере
сгорания и другими параметрами режима работы ДВС (температура, состав
смеси, наличие и степень детонации, мощность, токсичность отработавших
газов и т.п.) позволяет определить, используя методы синергетики в анализе
стохастических процессов сгорания, корреляцию между параметрами
рабочего процесса двигателя и ионной проводимостью в камере сгорания.
Это может быть использовано в разработке новых концепций управления
ДВС, а также при решении задач диагностики двигателя в частности,
обнаружения пропусков воспламенения и детонационного сгорания.
Список литературы:
1. Миронов М. Ю., Федоренко М. Ю./ Метод определения параметров
рабочего процесса ДВС по ионной проводимости искрового промежутка
свечи зажигания/ Тр. молодеж. научн. общ-ва // Самара: 1999. С. 110…112.
2. Morrito Asano, Tetsuo Kuma, Mitsunobu Kajitani./ Development of new ion
current combustion control system// SAE 980162, 1998. Pp. 253…258.
3. Fuel and additive influence on the ion current/ Raymond Reinmann, Andre
Saitskoff, Bendt Lassesson & Petter Strandh// Lund Institute of Technology. SAE
980161, 1998. Pp. 1…11.
4. Малышев A. B., Миронов Ю. В., Федоренко Ю. М./ Новый подход к
возбуждению ионного тока в камере сгорания ДВС и его аппаратная
реализация// Проблемы развития автомобилестроения в России, IV
конференция, Тольятти, 1998. С. 98…99.
5. CPU32 / Reference Manual, Motorola Inc. 1990 г.
6. Ion current detection for ignition timing control/ Magnus Hellring, Thomas
Munther, Thorsteinn Rognvaldsson, and Nicholas Wickstrom// Halmstad
University Christian Carlsson, Magnus Larsson, and Jan Nytomt, MecelAB.
Neural Soft Sensors Copyright. SAE 1999-01-1162, 1999. Pp. 153…159.
7. Morrito Asano, Tetsuo Kuma, Mitsunobu Kajitani/ Development of new ion
current combustion control system// SAE 980162, Pp. 253…258.
Резюме
В статье рассмотрены вопросы синергетического подхода к системам
контроля и управления процессом сгорания в ДВС, основанным на
мониторинге ионного тока. Полученные результаты могут быть
использованы при разработке новых концепций управления ДВС, а также
при решении задач диагностики двигателя в частности, обнаружения
пропусков воспламенения и детонации.
Summary
In clause questions synergetic the approach to monitoring systems and
managements of process of combustion in ICE, based on monitoring of an ionic
current are considered. The received results can be used by development of new
concepts of management ICE, and also at the decision of problems of diagnostics
of the engine in particular, detection of misses of ignition and a detonation.