Электронная система управления газовым двигателем (ЭСУД)

• работу двигателя на всех режимах при достижении требуемого уровня топливной экономичности, пусковых и ездовых качеств укомплектованного данной системой транспортного средства, а также соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН №49-04В2 (Экологический класс 5) по удельным выбросом вредных веществ с ОГ;
• обеспечение функций диагностики технического состояния двигателя и его систем;
• согласованного взаимодействия системы управления двигателем с системами управления автомобилем с целью обеспечения оптимального управления и безопасности движения;
• поддержания вспомогательных функций управления автомобильными агрегатами и устройствами (иммобилайзер, кондиционер, связь с автоматической трансмиссией и др.);
• защиту двигателя от работы в недопустимых с точки зрения обеспечения его работоспособности режимах;
• управление при неисправностях в цепях датчиков и исполнительных устройств.

Функциональная схема системы управления приведена на рисунке.

ЭСУД в составе газового двигателя выполняет следующие функции:

• управление пуском и остановом двигателя;
• управление топливоподачей без обратной связи по содержанию кислорода в отработавших газах;
• управление топливоподачей с обратной связью по содержанию кислорода в отработавших газах;
• управление топливоподачей и зажиганием на всех режимах работы двигателя (холостой ход (ХХ), частичные нагрузки (ЧН), режим мощностного обогащения (МО), принудительный холостой ход (ПХХ);
• компенсацию изменения напряжения бортовой сети (управление временем накопления энергии в катушках зажигания и длительностью импульсов впрыска);
• поддержание стабильной частоты вращения двигателя на режимах холостого хода;
• ограничение максимальной частоты вращения двигателя;
• управление клапаном рециркуляции ОГ;
• защита двигателя при аварийных режимах работы;
• управление двигателем в аварийных режимах работы;
• централизованная диагностика компонентов системы;
• сигнализация об аварийных и критических режимах работы двигателя и системы управления.

Структурная схема ЭСУД транспортным газовым двигателем представлена на рисунке ниже и состоит из следующих компонентов:

• электронный блок управления (ЭБУ), поз. 1;
• жгут проводов, поз. 2;
• датчик углового положения коленчатого вала, поз. 13;
• датчик углового положения распределительного вала, поз. 10;
• датчик температуры охлаждающей жидкости, поз. 12;
• датчик давления наддувочного воздуха, поз. 7;
• датчик температуры газового топлива, поз. 11;
• датчик давления газового топлива в магистрали высокого давления, поз. 5;
• датчик давления газа в газовой распределительной магистрали, поз. 6;
• управляющий и диагностический датчики кислорода, поз. 9;
• датчики детонации, поз. 8;
• дроссельная патрубка с электроприводом дроссельной заслонки, поз. 14;
• датчик скорости транспортного средства;
• электронная педаль акселератора, поз. 20;
• электромагнитные дозаторы газового топлива (газовых форсунок), поз. 4;
• катушки зажигания, поз. 3;
• высоковольтные провода;
• свечи зажигания, поз. 19;
• клапаны рециркуляции отработавших газов, поз. 16;
• магистральный клапан высокого давления, поз. 18;
• запорные клапаны отключения подачи газового топлива, поз. 15.

Разработанный вариант макетного образца ЭБУ в рамках данной работы,представлен на рисунке «Макетный образец ЭБУ», и является центральным устройством системы управления двигателем. ЭБУ принимает информацию от датчиков,преобразовывает её во входном интерфейсе устройства ввода/вывода (УВВ), передает в центральное вычислительное устройство (ЦВУ) микроконтроллера для решения задач управления двигателем, запрограммированных в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) ЦВУ по определенным алгоритмам. Контроллер управляет исполнительными устройствами, такими как: газовые форсунки, катушки зажигания, электропривод дроссельной заслонки, нагреватель датчика кислорода, клапан рециркуляции отработавших газов, магистральный клапан высокого давления, запорные клапаны с различными реле. БУ выполняет функцию диагностики системы, определяя наличие неисправностей элементов системы управления и предупреждает о них включением диагностической лампы «CheckEngine» (проверь двигатель) и сохраняет в своей памяти диагностические коды, обозначающие характер неисправности.

Описание общей структуры алгоритма управления газовым двигателем реализуемый в системе управления газовым двигателем алгоритм управления обеспечивает достижение на транспортном средстве заданных мощностных, экономических и экологических показателей, а также требуемых ездовых качеств.

Основные функции алгоритма управления газовым двигателем

ЭСУД газовым двигателем должна обеспечивать выполнение требований по выбросу токсичных веществ с отработавшими газами за счет оптимизации топливо- и воздухоподачи, а также угла опережения зажигания следующими действиями:

• управления пуском и прогревом двигателя;
• управления частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу с учетом температуры охлаждающей жидкости независимо от сопротивления вращению;
• ограничения предельной частоты вращения коленчатого вала;
• управления топливоподачей на всех режимах, в том числе с обратной связью по содержанию кислорода в отработавших газах, с учетом температуры охлаждающей жидкости, частоты вращения, нагрузки, положения дроссельной заслонки, ускорения;
• управления углом опережения зажигания с учетом вышеперечисленных факторов и, кроме того, с использованием обратной связи по детонации;
• управления временем накопления энергии в катушке зажигания;
• выявления неисправностей электрических цепей датчиков и исполнительных устройств, предупреждение водителя об их наличии включением сигнальной лампы;
• перехода при неисправности датчиков и исполнительных устройств на резервный режим управления, обеспечивающий возможность продолжения движения автомобиля с наименьшим ухудшением показателей;
• накапливание и вывод диагностической сервисной информации;
• осуществления режимов функциональной диагностики исполнительных устройств при проведении работ по диагностированию и устранению неисправностей;
• осуществления функциональной диагностики антитоксичных устройств на работающем двигателе (каталитического нейтрализатора, системы рециркуляции отработавших газов), а также наличия пропусков воспламенения.

Для проведения предварительных калибровок ЭСУД был подготовлен газовый двигатель с распределенным фазированным впрыском газа, представленный на рисунке ниже.

Выполнены предварительных адаптационные работы на моторном стенде, калибровки управления: константы алгоритма управления, одномерные матрицы, а также матрицы коррекции топливоподачи и угла опережения зажигания по положению дроссельной заслонки.

На рисунке ниже представлена базовая матрица топливоподачи, зависимость длительности впрыска топлива TAU, (мс.) от циклового наполнения Gц, (мг/цикл) и частоты вращения коленчатого вала двигателя n, 1/мин.

На рисунке ниже представлена базовая матрица угла опережения зажигания (УОЗ), зависимость TETA, (ºп.к.в.) от циклового наполнения Gц, (мг/цикл) и частоты вращения коленчатого вала двигателя n, 1/мин.

Базовая матрица топливоподачи.

Базовая матрица УОЗ.

В ходе выполнения данной работы, наряду с исходной версией программного обеспечения, для блока управления газовым двигателем было создано программное обеспечение для выполнения адаптационных и калибровочных работ по системе управления. Начальное окно программы содержит основные элементы контроля блока управления, информационные данные, а также инструменты для запуска последующих управляющих окон. Начальное окно «настройки» представлено на рисунках ниже.