64779

Поліпшення паливно-економічних та екологічних показників автомобіля на основі оптимізації параметрів системи запалювання

Автореферат

Логистика и транспорт

Адаптивна настройка систем управління двигуном під конкретний режим руху автомобіля а також перерозподіл пріоритетів між ефективними показниками автомобіля залежно від умов його експлуатації є важливим експлуатаційним резервом економії палива й підвищення екологічної безпеки.

Украинкский

2014-07-11

820.26 KB

5 чел.

Харківський національний автомобільно-дорожній
університет

На правах рукопису

Дзюбенко Олександр Андрійович

УДК 621.43.044

поліпшення паливно-економічних та екологічних
показників автомобіля на основі оптимізації
параметрів системи управління запалюванням

Спеціальність 05.22.20експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат
дисертації на здобуття наукового степеня
кандидата технічних наук

Харків 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий курівник: доктор технічних наук, професор, 

 Бажинов Олексій Васильович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедри автомобільної електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

 Алексієв Олег Павлович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедри мехатроніки транспортних засобів

 доктор технічних наук, професор,

 Кошовий Микола Дмитрович, лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", завідувач кафедри авіаційних приладів та вимірювань.

Захист відбудеться " 16 " червня  2010 р. о  12   годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків,
вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків, 
вул.
 Петровського, 25.

Автореферат розісланий " 15 " травня  2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І. С. Наглюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На паливну економічність та екологічну безпеку автомобіля істотний вплив мають умови його експлуатації. Вирішення проблеми підвищення екологічної безпеки двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) значно ускладнюється у зв’язку з необхідністю пошуку компромісних рішень за паливно-екологічним комплексним критерієм. Тому більшість технічних заходів, спрямованих на зниження забруднення навколишнього середовища викидами відпрацьованих газів (ВГ) автомобілів, є неоптимальними. Це пов’язано з погіршенням паливної економічності двигунів при забезпеченні низької токсичності.

Адаптивна настройка систем управління двигуном під конкретний режим руху автомобіля, а також перерозподіл пріоритетів між ефективними показниками автомобіля, залежно від умов його експлуатації, є важливим експлуатаційним резервом економії палива й підвищення екологічної безпеки.

У сучасному автомобілебудуванні велика увага приділяється підвищенню економічності й зниженню токсичності автомобілів шляхом складної корекції робочого процесу в циліндрах ДВЗ з метою забезпечення повноти згоряння палива на всіх робочих режимах. Одним зі способів управління процесом згоряння є регулювання параметрів іскрового розряду системи запалювання (СЗ).

Тому питання поліпшення паливної економічності та екологічної безпеки автомобіля шляхом адаптивної настройки системи управління запалюванням під конкретні умови експлуатації, що основана на оптимізації параметрів управління СЗ за комплексним критерієм, є актуальними й визначають доцільність даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт кафедри автомобільної електроніки Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Дослідження проводилися в рамках договорів ДЗ/354-2007 «Розробка й дослідження автомобільного малолітражного екологічно чистого двигуна внутрішнього згоряння, що працює на стиснутому природному газі» і ДЗ/513-2009 «Розробка й дослідження автомобільного малолітражного екологічно чистого двигуна внутрішнього згоряння, що працює на суміші природного газу й водню», які виконувалися на кафедрі двигунів внутрішнього згоряння ХНАДУ.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є поліпшення паливно-економічних та екологічних показників автомобіля за рахунок адаптивної настройки параметрів системи управління запалюванням під конкретні умови експлуатації автомобіля.

Для досягнення поставленої мети вирішено такі завдання:

проведено аналіз робіт, присвячених фізичним процесам, що протікають у системі запалювання, й виявлено основні параметри іскрового розряду, які впливають на робочий процес ДВЗ;

– розроблено спосіб оперативного управління параметрами іскрового розряду й проведено експериментальні дослідження їхнього впливу на ефективні показники роботи двигуна;

– проведено теоретичні дослідження з визначення залежності показників комплексного критерію якості від умов експлуатації автомобіля;

– розроблено математичну модель об’єкта управління для визначення оптимальних параметрів системи запалювання, виходячи із заданого критерію якості, що визначається умовами експлуатації автомобіля;

– проведено дослідження системи запалювання з різними наборами адаптивної настройки безпосередньо на автомобілі для підтвердження достовірності прийнятих рішень.

Об’єкт дослідженнявизначення параметрів системи управління запалюванням, які впливають на робочі процеси двигуна й визначають паливно-економічні й екологічні показники автомобіля в процесі експлуатації.

Предмет дослідженняадаптивна настройка параметрів системи управління запалюванням під конкретні експлуатаційні умови автомобіля.

Методи дослідження. При виконанні роботи проводилося теоретичне узагальнення відомих літературних даних; фізичне моделювання; методи математичного моделювання й програмування на ПК; методи проектування й конструювання електронних засобів вимірювання; методи безмоторних і моторних (стендових) випробувань, дорожніх досліджень токсичності ВГ за європейським їздовим циклом; статистична обробка даних і порівняльний аналіз.

Наукова новизна отриманих результатів:

вперше запропоновано й обґрунтовано концепцію багатопараметричного управління запалюванням, що дозволяє отримувати необхідні паливно-економічні та екологічні показники автомобіля залежно від заданого критерію оцінки якості управління;

– визначено динамічний комплексний критерій оцінки якості управління, що змінюється залежно від умов експлуатації автомобіля;

– вперше запропоновано метод адаптивної настройки системи управління запалюванням шляхом пошуку оптимальних параметрів СЗ за комплексним критерієм, що визначається умовами експлуатації автомобіля.

Практичне значення отриманих результатів:

розроблено новий спосіб управління параметрами іскрового розряду, що може бути використаний у СЗ нового покоління;

– розроблено й експериментально апробовано схемотехнічні аспекти побудови системи адаптивного управління запалюванням (САУЗ);

– розроблено спосіб отримання характеристичних карт оптимальних значень управляємих параметрів, які вносяться до пам’яті контролера для адаптації СЗ під поточні умови експлуатації автомобіля;

– експериментально доведено доцільність застосування адаптивної настройки СЗ під конкретні умови експлуатації автомобіля.

Особистий внесок здобувача. Розроблено спосіб формування іскрового розряду системи запалювання і пристрій його реалізації. Запропоновано й обґрунтовано концепцію багатопараметричного управління запалюванням. Визначено комплексний критерій оцінки якості управління САУЗ. Запропоновано метод ідентифікації математичної моделі двигуна внутрішнього згоряння з використанням системи нечіткого виводу. Розроблено метод одержання адаптивної настройки параметрів системи управління запалюванням. Проведено дорожні випробування автомобіля з різними типами настройок параметрів САУЗ.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися й були схвалені на: науково-методичних семінарах кафедри АЕ ХНАДУ; I Українсько-китайському форумі «Наукавиробництво», (м. Харків, ХНУРЕ, 2007 р.); XIV науково-технічній конференції з міжнародною участю «Транспорт, екологіястійкий розвиток» (Болгарія, м. Варна, 2008 р.); XII міжнародній науково-технічній конференції «Автомобільний транспорт: проблеми й перспективи» (м. Севастополь, 2009 р.); I міжнародній науково-технічній конференції «Автомобіль і електроніка. Сучасні технології» (м. Харків, ХНАДУ, 2009 р.); 71-й науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників і студентів ХНАДУ (м. Харків, 2007-2009 рр.).

Публікації. Основні положення роботи викладено в 6 друкованих виданнях, з них 4 опубліковано у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації становить
сторінок тексту, у тому числі 3 додатки на 19 сторінках, 70 рисунків і 6 таблиць. Список використаних джерел містить 175 найменувань на 19 сторінках.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

У вступі обґрунтовано тему та актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету й завдання дослідження, визначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз існуючих шляхів підвищення паливної економічності та екологічної безпеки автомобіля, розглянуто особливості системи запалювання як об’єкта управління, а також вплив параметрів системи запалювання на екологічні показники автомобіля.

Економічна ефективність застосування транспортних засобів (ТЗ) стає все більш актуальною у зв’язку із збільшенням парку автомобілів і виснаженням природних ресурсів. Економія або перевитрата палива в частках відсотка приводить до відчутних змін паливного балансу.

Економія та раціональне використання ТЗ забезпечуються: удосконаленням конструкцій двигунів; підтримуванням машин у справному стані; експлуатацією машин в оптимальних режимах; впровадженням диференційованих норм витрати палива залежно від умов експлуатації автомобілів; удосконалюванням контролю працездатності ТЗ.

Відомі методи підвищення екологічної безпеки, такі як застосування каталітичних нейтралізаторів, термічних реакторів і рециркуляції відпрацьованих газів є досить дорогими та потребують відповідних умов експлуатації, до того ж знижують економічні й потужнісні показники роботи автомобіля. Крім того, в результаті нейтралізації виникають побічні хімічні продукти, які, за своїми властивостями, також є шкідливими.

Одним зі способів складного управління робочим процесом у циліндрах ДВЗ є зміна параметрів іскрового розряду системи запалювання. Найбільшу активність роботи з вивчення процесів горіння й формування іскрового розряду отримали наприкінці 60-х, 70-х років. У Радянському Союзі подібні програми досліджень проводилися в Науково-дослідному й експериментальному інституті автомобільного електроустаткування та автоприладів, НДІ інформації автомобільної промисловості. Особливо необхідно відзначити праці В.А. Набоких, І.М. Опаріна, Г.Н. Глезера, А.С. Скобликова, В.І. Чепланова, В.А. Балагурова, у яких докладно висвітлюються перехідні електричні процеси, що відбуваються в колах систем запалювання, а також розглядаються підходи для поліпшення процесу іскроутворення існуючих систем.

Сучасні системи запалювання в якості управляємого параметру використовують кут випередження запалювання (КВЗ), зміна якого суттєво впливає на процес згоряння. Оптимальне значення КВЗ має складну взаємозалежність від параметрів роботи самого двигуна. Дослідження робочих процесів двигунів показують, що не тільки момент запалювання і тривалість розряду, але й інтенсифікація запалювання істотно впливає на процес згоряння паливноповітряної суміші. Найбільш характерні роботи в цьому напрямку проведені В.Л. Чумаковим, Е.А. Джайлаубековим, В.Ф. Каменевим, В.Ш. Кобаідзе.

Виходячи з аналізу екологічних показників ДВЗ, можна виділити їхню складну залежність від параметрів системи запалювання. Кут випередження запалювання повинен задовольняти суперечливим вимогам, з однієї сторони, його зменшення знижує концентрацію шкідливих речовин у вихлопних газах, з іншої – збільшує витрату споживаного палива. При цьому управління параметрами системи запалювання є найбільш простим та економічним способом поліпшення екологічних і паливно-економічних показників ДВЗ, що не вимагає його конструктивної зміни. Це сприяє пошуку нових способів управління сучасними системами запалювання.

У другому розділі викладено основні теоретичні дослідження адаптивного управління параметрами СЗ, запропоновано концепцію багатопараметричного управління запалюванням, визначено залежність комплексного критерію якості від умов експлуатації автомобіля, розроблено математичну модель об’єкта управління для одержання набору оптимальних параметрів СЗ.

Управляючи тільки моментом іскроутворення, сучасні СЗ не дозволяють повною мірою реалізувати потенційні можливості робочого процесу. Для
їхньої реалізації необхідне введення додаткових параметрів управління іскровим розрядом.

Теоретичні дослідження фізичних процесів СЗ показали, що запальна здатність іскрового розряду визначається не стільки енергією розряду, скільки потужністю. Найбільші значення потужності розряду проявляються в коротких фазах пробою. Порівняно з іншими фазами розряду пробій також має найбільший коефіцієнт передачі енергії запалювання. Виходячи із цього, було розроблено спосіб управління іскровим розрядом, який полягає в тому, що іскровий розряд складається із серії коротких імпульсів пробою, які не переходять у тліючий розряд. Можливість регулювання частоти й тривалості серії дозволяє проводити управління іскровим розрядом за трьома параметрамимомент іскроутворення, інтенсивність іскроутворення й тривалість розряду.

Оптимальне використання потенційних характеристик транспортних засобів є основною умовою, що визначає рівень ефективності використання палива в транспортному процесі. Підвищення екологічної безпеки автомобіля значно ускладнюється підвищенням споживаного палива. У зв’язку з цим для оцінки якості управління необхідно використовувати комплексний критерій, що включає екологічні, паливно-економічні й потужнісні показники автомобіля:

 , 

де kNe, kge, kEвагові коефіцієнти параметрів, що входять до складу критерію якості;

 –втрати ефективної потужності двигуна;

 geпитома витрата палива;

Εузагальнений екологічний показник.

Шкідливість відпрацьованих газів не можна оцінювати за вмістом одного токсичного компонента. Необхідно враховувати загальну кількість компонентів, що містяться у ВГ, їх шкідливість і режим роботи двигуна. Виходячи з цього, узагальнений екологічний показник Ε складається з трьох показників питомих викидів шкідливих компонентів:

 , 

де gNOxgCOgCHпитомі викиди компонентів NOx, CO, CH (г/(кВт·год));

kNOxkCOkCH  вагові коефіцієнти відповідних питомих викидів.

Вагові коефіцієнти питомих викидів розраховані відповідно до значень коефіцієнтів шкідливості компонентів відпрацьованих газів.

 ;

;

;

де  –коефіцієнт шкідливості NOx;

  –коефіцієнт шкідливості CO;

  –коефіцієнт шкідливості CH.

Параметри, що формують комплексний критерій, тісно взаємопов’язані в робочому процесі й одночасне одержання їхніх мінімальних значень є нерозв’язним завданням, оскільки зменшення одного приводить до збільшення інших. Однак при експлуатації ТЗ далеко не завжди потрібне забезпечення максимальної потужності або високої екологічної безпеки. Виходячи з цього, є доцільним застосування динамічного комплексного критерію, що змінюється залежно від умов експлуатації. Урахування умов експлуатації є основою системи адаптивного управління запалюванням.

З урахуванням оптимальної продуктивності економічна швидкість для вантажних автомобілів знаходиться в межах 60...65 км/год, для легкових...85 км/год. Швидкість руху впливає також і на токсичність відпрацьованих газів. Сумарна масова токсичність зі збільшенням швидкості до 80 км/год знижується майже вдвічі, в основному це відбувається через зниження витрати палива. Відомо, що концентрація CO і CH різко знижується при збільшенні потужності до 3040 %. При подальшому зростанні потужності їхня концентрація змінюється мало. Вміст окислів азоту зі збільшенням потужності, навпаки, зростає. Максимальна концентрація NOx спостерігається при 4060 % використання потужності, при такому навантаженні автомобіль експлуатується більшу частину часу. Помітне зниження концентрації NOx відбувається при великих навантаженняхпонад 70 %.

Таблиця 1

Витрата палива й викид відпрацьованих газів при різних режимах 

роботи автомобіля

Режим роботи

Тривалість у загальному балансі часу, %

Відносна витрата палива, %

Відносний
викид
ВГ, %

легкові
автомобілі

вантажні автомобілі

автобуси

Холостий хід

22

-14

Прискорення

37

-51

Постійна швидкість

12

-23

Уповільнення

29

-12

Найбільш характерними експлуатаційними режимами роботи автомобілів являються холостий хід, прискорення, усталений режим, уповільнення. При експлуатації автомобілів у міських умовах численними дослідженнями встановлено такий розподіл режимів роботи автомобілів (табл. 1).

З таблиці видно, що співвідношення режимів роботи в загальному балансі часу несприятливе з погляду витрати палива й токсичності відпрацьованих газів. У Харкові тривалість роботи на окремих режимах для легкових автомобілів виглядає так: холостий хід %, прискорення %, постійна швидкість %, уповільнення %. При цьому швидкості руху в основному лежать у діапазоні 25...55 км/год.

Динамічна залежність комплексного критерію якості забезпечується вектором вагових коефіцієнтів k. Визначення вектора вагових коефіцієнтів критерію якості є важливим завданням, тому що дозволяє перерозподіляти пріоритети між елементами, що входять до функціоналу якості й відповідно визначають характер поведінки системи залежно від умов експлуатації автомобіля.

Визначення значень вектора вагових коефіцієнтів основане на розв’язанні задачі прийняття рішень. Про поточну умову експлуатації автомобіля можна судити за параметрами його рухушвидкість, навантаження, частота й величина прискорень та уповільнень. Як вхідні значення цих параметрів використовуються сигнали датчиків швидкості, положення дросельної заслінки й прискорення.

Рішення задачі прийняття рішень для визначення поточної умови експлуатації автомобіля за методом головного критерію показало, що найбільш адекватну оцінку поточній умові експлуатації дає середня швидкість автомобіля.

Ідентифікація значень вагових коефіцієнтів побудована на основі системи нечіткого виводу, що відповідно до конкретної умови експлуатації автомобіля встановлює певні значення вагових коефіцієнтів. Для побудови системи нечіткого виводу була прийнята така класифікація умов руху: екстенсивний міський, міський, магістральний, з підвищеною потужністю.

Екстенсивний міський рух має на увазі рух з великою щільністю транспортного потоку (затори, година пік, об’їзд ремонтних ділянок), у такому русі переважає режим холостого ходу, діапазон швидкості руху 0...25 км/год. Міський рух відповідає руху із середньою щільністю транспортного потоку, тут є в наявності всі режими руху автомобіля з їхньою регулярною зміною, швидкісний діапазон 25...60 км/год. У магістральному русі переважає режим руху зі сталою швидкістю й повністю відсутній холостий хід, діапазон швидкостей 60...100 км/год. Рух на підвищеній потужності є окремим випадком руху й має на увазі режим прискорення при обгоні або набір швидкості перед подоланням підйому.

Для нормалізації вагових коефіцієнтів їхні значення зведені до одиниці:

 ;      ;      ;

де aNe, age, aEзначення коефіцієнтів на виході системи нечіткого виводу.

Залежність вагових коефіцієнтів комплексного критерію від умови експлуатації автомобіля показано на рис. 1.

Рис. 1. Залежність значень вагових коефіцієнтів від середньої швидкості руху автомобіля

Математична модель ДВЗ представляє деякий оператор

 , 

який кожному вхідному вектору

 , 

де βкут положення дросельної заслінки;

nчастота обертання колінчатого вала ДВЗ;

Θкут випередження запалювання;

fiчастота іскроутворення;

tr–тривалість розряду;

;   ;   ;   ;   ,

ставить у відповідність вихідний вектор

 , 

тобто

 . 

Через складність математичного опису робочих процесів ДВЗ у вигляді системи диференціальних рівнянь запропонована математична модель описує
статичні характеристики ДВЗ. У цьому випадку розмірність вхідного вектора моделі  скорочується:

 , 

а математична модель набуває вигляду

 . 

Тоді функціонал якості залежить від параметрів САУЗ і не залежить від функції часу. Зведемо  до вигляду:

 , 

де –вектор вагових коефіцієнтів.

У розглянутому випадку ефективність статичних моделей практично не поступається ефективності динамічних, оскільки постійні часу фізико-хімічних процесів, що протікають у двигуні, малі порівняно з постійною часу автомобіля.

Завдання оптимального управління полягає в пошуку такого вектора u2*=[Θ*  fi*  tr*], що мінімізує величину J у всьому діапазоні змін вектора u1=[β  n] при заданих обмеженнях, тобто

 . 

Поставлену задачу було розділено на дві самостійні підзадачі. Розв’язання першої полягало у визначенні залежностей, що описують взаємозв’язок параметрів вхідного й вихідного вектора . Другоїрішення задачі оптимізації .

Для визначення необхідних залежностей був розроблений метод двоетапної ідентифікації нелінійних залежностей за допомогою систем нечіткого виводу. На першому етапі виконувалася структурна ідентифікація. Вона являє собою формування нечіткої бази знань, що грубо відображає взаємозв’язок "входи-вихід" за допомогою лінгвістичних правил. Ці правила генерує експерт або отримують у результаті екстракції нечітких знань із експериментальних даних. На другому етапі відбувається параметрична ідентифікація досліджуваної залежності шляхом знаходження таких параметрів нечіткої моделі, які мінімізують відхилення результатів моделювання від експериментальних даних.

Чисельне рішення задачі оптимізації проводилося методом градієнтного спуску, шляхом підстановки вхідного вектора u1*, сформованого у вигляді
числового ряду

  

Для кожного набору (β, n), було визначено такий набір значень (ΔΘ, fitr), при якому функціонал якості J має найменше значення.

Результат рішення задачі оптимізації наведено на рис. 2-4. Кожен параметр представлено трьома поверхнями для різних наборів вагових коефіцієнтів комплексного критерію: з пріоритетом за паливною економічністю, з пріоритетом за екологічною безпекою і з пріоритетом за потужністю.

Рис. 2. Залежність субоптимальних значень КВЗ від кута положення
дросельної заслінки і частоти обертання КВ

Рис. 3. Залежність субоптимальних значень частоти іскроутворення від
кута положення дросельної заслінки і частоти обертання КВ

Рис. 4. Залежність субоптимальних значень тривалості розряду від
кута положення дросельної заслінки і частоти обертання КВ

У третьому розділі викладено методики експериментальних досліджень, описані установки й апаратура для проведення експериментів, наведені тарування приладів та оцінка похибок вимірювання, викладено методики обробки
експериментальних даних.

При проведенні експериментів проводилася оцінка паливно-економічних, екологічних і потужнісних показників двигуна при стендових випробуваннях та автомобіля в цілому при дорожніх випробуваннях. Дослідження в лабораторних умовах, на стенді, мають ряд переваг. По-перше, це дозволяє диференційовано виявляти вплив окремо взятого параметра управління на зміну показників автомобіля, що важко досягти в умовах експлуатації, по-другезмоделювати стабільний, адекватний експлуатаційному, режим випробування.

Серія експериментів проводилася за єдиною спеціально розробленою методикою. Вірогідність результатів перевірялася за показниками контрольно-вимірювальних приладів і комп’ютерної системи збору даних. У процесі експериментальних випробувань проводився вибір та обґрунтування параметрів системи, за критерієм найбільшого впливу на зміну основних паливно-екологічних показників автомобіля. Проводився порівняльний аналіз результатів, отриманих при штатній системі запалювання та САУЗ. За результатами експериментальних даних проводилося довизначення й навчання нечітких систем математичної моделі.

Для забезпечення проведення експериментальних досліджень було вирішено ряд практичних завдань:

сконструйовано експериментальний зразок системи адаптивного управління запалюванням, ґрунтуючись на аналізі схем існуючих СЗ і розроблено спосіб формування іскрового розряду;

– розроблено комп’ютеризований моторний стенд для проведення експериментальних досліджень;

– проведено оцінку похибок застосовуваної вимірювальної апаратури;

– підготовлено математичний апарат для обробки результатів експериментів;

– розроблено програмно-апаратний комплекс для проведення дорожніх випробувань САУЗ на автомобілі.

Для проведення експериментальних досліджень багатопараметричного управління запалюванням автором була виготовлена система управління запалюванням, що реалізовує розроблений спосіб управління іскровим розрядом. Функціонально вона складається із двох блоків: блок управління робить опитування датчиків і обчислює поточні значення параметрів розряду, а силовий модуль формує серії імпульсів необхідної інтенсивності й тривалості і розподіляє їх по циліндрах. САУЗ забезпечує такі характеристики:

інтенсивність іскроутворення 436 кГц;

– тривалість розряду 0,23 мс;

– точність встановлення КВЗ 0,05 град. п.к.в.;

– дискретність встановлення КВЗ 0,1 град. п.к.в.;

– розрахункова енергія розряду 10250 мДж.

Дослідження проводилися моторним методом на комп’ютеризованому моторному стенді, розробленому на базі двигуна МеМЗ-307 у лабораторії кафедри ДВЗ ХНАДУ. Стенд обладнаний приладами й пристроями, необхідними для контролю режимів і показників роботи двигуна. Необхідна точність вимірювання (ДСТУ 148 46-81) забезпечується установкою комплексу сучасної вимірювальної апаратури.

Система автоматичного збору даних дозволяє в реальному масштабі часу реєструвати більше двадцяти параметрів, що характеризують хід протікання експерименту. Для реєстрування тиску в циліндрі ДВЗ розроблений спеціальний програмно-апаратний вимірювальний комплекс. Комплекс створено на основі п’єзоелектричного датчика тиску 8QP500ca фірми AVL, пристрою формування сигналів синхронізації й плати аналогового вводу-виводу L-783.

Для розрахунку індикаторних показників циклу було розроблено програму, що забезпечує пакетну обробку даних програмно-апаратного комплексу. Програма автоматично розраховує індикаторну роботу серії підряд записаних циклів і за середнім значенням визначає оцінну індикаторну діаграму, для якої проводиться подальший розрахунок.

Дорожні випробування проводилися на автомобілі ЗАЗ «Таврія», так як модель його силового агрегату (МеМЗ-307) відповідає двигуну, встановленому на моторному стенді, для якого проводилася адаптація параметрів САУЗ. Для вимірювання екологічних і паливно-економічних параметрів автомобіль був оснащений п’ятикомпонентним газоаналізатором «Інфракар 5М2Т» та системою автоматичного збору даних. Інформація із приладів, у реальному масштабі часу, записувалася на жорсткий диск комп’ютера для подальшої обробки.

У четвертому розділі наведено програму експериментальних досліджень, показані результати стендових випробувань, підготовлені й проведені
дорожні випробування за європейським їздовим циклом, проаналізовано дані
експериментів.

Програма експериментальних досліджень включала:

1) стендові випробування:

вплив КВЗ на параметри процесу згоряння;

– вплив інтенсивності іскроутворення на параметри процесу згоряння;

– вплив тривалості розряду на параметри процесу згоряння;

) дорожні випробування під час руху за європейським їздовим циклом;

) порівняльний аналіз експериментальних даних.

Установлено, що збільшення КВЗ та інтенсивності іскроутворення приводить до зменшення тривалості фази видимого згоряння, що спричиняє підвищення коефіцієнта активного тепловиділення наприкінці фази згоряння. Це веде до зростання температури в процесі згоряння й зниження ефективності згоряння палива у фазі догоряння, внаслідок чого збільшується вміст неспалених вуглеводнів і викидів NOx.

При підвищеній інтенсивності іскроутворення САУЗ надає достатні впливи для формування стійкого первинного осередку горіння бідних робочих сумішей. З’являється можливість забезпечити термодинамічно оптимальний кут випередження запалювання навіть при несприятливих умовах протікання робочого процесу. Підвищення інтенсивності іскроутворення при зменшенні КВЗ дозволяє компенсувати негативний вплив малих КВЗ на потужнісні й паливно-економічні показники. При цьому температура не досягає критичних значень, час процесу згоряння скорочується, що дозволяє знизити емісію NOx і CH.

Рис. 5. Результати дорожніх випробувань за європейським їздовим циклом
для штатної настройки СЗ

Рис. 6. Результати дорожніх випробувань за європейським їздовим циклом
для САУЗ з пріоритетом за паливною економічністю

Рис. 7. Результати дорожніх випробувань за європейським їздовим циклом
для САУЗ з пріоритетом за екологічною безпекою

Перевірка вірогідності оптимальних значень адаптивної настройки параметрів САУЗ, що відповідають різним експлуатаційним умовам, полягала в порівняльному аналізі паливно-економічних та екологічних показників автомобіля, отриманих при дорожніх випробуваннях. Дорожні випробування були побудовані за європейським їздовим циклом випробувань автомобілів на паливну економічність та екологічну безпеку.

Експеримент складався із трьох заїздів за європейським їздовим циклом. Перший проводився для штатної настройки системи запалювання (рис. 5), другийз оптимізацією параметрів САУЗ за критерієм якості із пріоритетом за паливною економічністю (рис. 6) й третій для настройки САУЗ із пріоритетом за екологічною безпекою (рис. 7).

Порівняльний аналіз інтегральних значень паливно-економічних та екологічних показників автомобіля відносно штатної настройки системи запалювання показав: для САУЗ настроєної із пріоритетом за паливною економічністю, витрата палива знижується на 57 %, NOx на 710 %, а викиди CH збільшуються на 34 %. При настройці САУЗ із пріоритетом за екологічною безпекою викиди CH і NOx знижуються на 1012 % і 2024 % відповідно при збільшенні витрати палива на 34 %.

Запропонований метод адаптивної настройки параметрів СЗ може бути використаний як при розробці алгоритмів управління нових електронних систем управління двигуном (ЕСУД), так і для оптимізації роботи існуючих систем. Для сучасних автомобілів з ЕСУД встановлення САУЗ не передбачає змін конструкції чи встановлення додаткових датчиків.

ВИСНОВКИ

. На основі аналізу науково-технічної літератури встановлено, що сучасні СЗ не можуть забезпечити оптимізацію управління робочим процесом за паливно-екологічним комплексним критерієм, тому що мають тільки один керований параметркут випередження запалювання. При цьому значення оптимальних КВЗ для паливно-економічних показників істотно відрізняються від значень оптимальних КВЗ із погляду екологічної безпеки автомобіля. У даній роботі запропоновано концепцію багатопараметричної системи управління запалюванням, що передбачає одночасне управління декількома параметрами іскрового розряду й забезпечує можливість гнучкої настройки системи запалювання.

. Теоретичні дослідження енергетичних параметрів іскрового розряду показали, що фаза пробою має найбільший коефіцієнт передачі енергії запалювання порівняно з іншими фазами розряду. Найбільші значення потужності розряду, що визначають запальну здатність розряду, також проявляються у фазі пробою. На підставі проведених досліджень був розроблений спосіб формування іскрового розряду, що дозволяє оперативно змінювати момент, інтенсивність і тривалість розряду. В основі способу лежить метод частотно-імпульсного управління.

. Проведено експериментальні дослідження впливу параметрів іскрового розряду на показники процесу згоряння двигуна. Дослідження показали істотний вплив інтенсивності розряду на швидкість згоряння, це дозволяє знижувати токсичність викидів ВГ та підтримувати паливно-економічні показники на досить високому рівні при зменшенні КВЗ. Так при зменшенні КВЗ на 1015 град. п.к.в. і збільшенні інтенсивності й тривалості розряду до 2432 кГц і 1,5 мс відповідно, викиди NOx і CH знижуються до 42% і 26% при цьому втрати паливної економічності не перевищують 3%.

. Розроблено метод синтезу математичної моделі об’єкта управління, особливість якого полягає в об’єднанні методик моделювання класичної оптимальної САУ й САУ на основі нечіткої логіки й експертних систем, а також у локалізації зони пошуку оптимуму. Це дозволяє знизити обсяг математичних обчислень і використовувати градієнтні методи оптимізації.

. Визначено комплексний критерій якості для параметричної оптимізації САУЗ. Як параметри комплексного критерію використовуються потужнісні, паливно-економічні й екологічні показники автомобіля. Це дозволяє налаштовувати САУЗ на конкретні умови експлуатації автомобіля за допомогою зміни вектора вагових коефіцієнтів k. Визначено залежність вагових коефіцієнтів від умов експлуатації автомобіля. Для проведення експериментальних досліджень розраховано субоптимальні значення параметрів САУЗ для трьох різних наборів вагових коефіцієнтів функціонала якості: з пріоритетом за паливною економічністю, з пріоритетом за екологічною безпекою та з пріоритетом за потужністю.

6. Проведено дорожні випробування автомобіля з адаптивною настройкою системи запалювання під час руху за європейським їздовим циклом. Порівняльний аналіз результатів показав, що при настройці САУЗ із пріоритетом за паливною економічністю, витрата палива знижується на 57 %, NOx на 710 %, а викиди CH збільшуються на 34 %. При настройці САУЗ із пріоритетом за екологічною безпекою викиди CH і NOx знижуються на 1012 % і 2024 % відповідно при збільшенні витрати палива на 34 %.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Автоматизированный стенд для исследования и доводки газового малолитражного быстроходного двигателя внутреннего сгорания / А.Н. Туренко, Ф.И. Абрамчук, А.Н. Пойда, А.А. Дзюбенко [и др.] // Автомобильный транспорт: сборник научных трудов.Х.: ХНАДУ, 2008.Вып. 23.С. 89-94. здобувачем розроблено та реалізовано систему автоматичного збору даних, запропоновано спосіб варіації кута випередження запалювання мікропроцесорної системи управління двигуном.

2. Дзюбенко А.А. Управление параметрами искрового разряда системы зажигания ДВС / А.А. Дзюбенко // Вісті Автомобільно-дорожнього інституту: науково-виробничий збірник.Горлівка: АДІ ДонНТУ.. –№1(8).С. 69-73.

. Сериков С.А. Идентификация математической модели двигателя внутреннего сгорания с использованием системы нечеткого вывода / С.А. Сериков, А.А. Дзюбенко // ДВС: Всеукраинский научно-технический журнал.Харьков: НТУ «ХПИ». 2009. –№1.С. 14-18.здобувачем запропоновано метод ідентифікації математичної моделі двигуна внутрішнього згорання з використанням системи нечіткого виводу.

4. Дзюбенко А.А. Параметрическая оптимизация системы автоматического управления зажиганием / А.А. Дзюбенко // Автомобильный транспорт: сборник научных трудов.Харьков: ХНАДУ..Вып. 25.С. 13-17.

. Микропроцессорная система управления двигателем внутреннего сгорания: каталог аннотаций на разработки по материалам первого Украинско-китайского форума «Наукапроизводство», 23-25 мая 2007 г. / А.В. Бажинов, Ю.Н. Бороденко, А.А. Дзюбенко, С.А. Сериков.Х.: ХНУРЕ, 2007.С. 158.здобувачем запропоновано схему мікропроцесорної системи для управління процесами запалювання.

. Дзюбенко А.А. Разработка многоискровой системы зажигания с регулированием энергии разряда / А.А. Дзюбенко // ЕКОВАРНА 2008: сборник докладов / XIV научно-техническая конференция с международным участием «Транспорт, экологияустойчивое развитие» 8-10 мая 2008.Варна: ТУ-Варна, 2008.С. 258-263.

Анотація

Дзюбенко О.А. Поліпшення паливно-економічних та екологічних показників автомобіля на основі оптимізації параметрів системи запалювання.Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20експлуатація та ремонт засобів транспорту.Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2010 р.

Дисертацію присвячено обґрунтуванню та розробці методу адаптивної настройки системи управління запалюванням залежно від експлуатаційних умов автомобіля.

В дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове рішення задачі поліпшення паливно-економічних та екологічних показників автомобіля. Задача рішається шляхом адаптивної настройки системи запалювання залежно від експлуатаційних умов автомобіля на основі оптимізації параметрів системи управління запалюванням за комплексним критерієм.

Проведено теоретичні та практичні дослідження впливу параметрів іскрового розряду системи запалювання на робочий процес двигуна, за результатами яких запропоновано концепцію багатопараметричного управління запалюванням. Розроблено математичну модель об’єкта управління, що дозволяє отримувати оптимальні параметри СЗ залежно від комплексного критерію, який визначається умовами експлуатації автомобіля. Розроблено метод адаптивної настройки СЗ під конкретні умови експлуатації автомобіля та експериментально доведено доцільність його використання.

Ключові слова: система запалювання, експлуатація, комплексний критерій, адаптивна настройка, паливно-екологічні показники.

АННОТАЦИЯ

Дзюбенко А.А. Улучшение топливно-экономичных и экологических показателей автомобиля на основе оптимизации параметров системы управления
зажиганием.Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20эксплуатация и ремонт средств транспорта.Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2010 г.

Диссертация посвящена обоснованию и разработке метода адаптивной настройки системы управления зажиганием в зависимости от эксплуатационных условий автомобиля.

В диссертации приведено теоретическое обобщение и новое решение задачи улучшения топливно-экономичных и экологических показателей автомобиля. Задача решается путем адаптивной настройки системы управления зажиганием под конкретные условия эксплуатации автомобиля. В основе метода адаптивной настройки лежит оптимизация параметров системы управления зажиганием по комплексному критерию, включающему топливно-экономичные, экологические и мощностные показатели автомобиля. Приоритеты параметров, составляющих комплексный критерий, динамически перераспределяются в зависимости от условий эксплуатации автомобиля посредством весовых коэффициентов.

В работе проведены теоретические и практические исследования влияния параметров искрового разряда системы зажигания на рабочий процесс двигателя, по результатам которых предложена концепция многопараметрического управления зажиганием. Разработан новый способ управления параметрами искрового разряда системы зажигания, который позволяет оперативно управлять моментом искрообразования, интенсивностью и длительностью разряда. Такой способ обеспечивает более полное управление рабочим процессом.

Разработана математическая модель объекта управления, позволяющая получать оптимальные параметры СЗ в зависимости от комплексного критерия, который определяется условиями эксплуатации автомобиля. Особенность синтеза математической модели заключается в объединении методик моделирования классической оптимальной САУ и САУ на основе нечеткой логики. Это позволило учесть взаимозависимости параметров рабочего процесса, имеющих определенную сложность математического описания, посредством формализации экспертных знаний и учета результатов экспериментальных исследований.

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния параметров САУЗ на показатели работы ДВС, которые проводились на компьютеризированном моторном стенде, оснащенном комплексом измерительного оборудования. Эксперименты показали, что повышение интенсивности искрообразования оказывает достаточное влияние для формирования устойчивого первичного очага горения бедных рабочих смесей, а также позволяет скомпенсировать отрицательное влияние малых УОЗ на мощностные и топливно-экономичные показатели двигателя. Комплексное управление параметрами искрового разряда позволяет существенно снижать токсичность выбросов отработавших газов при поддержании топливной экономичности.

Целесообразность использования метода адаптивной настройки СЗ экспериментально подтверждена дорожными испытаниями автомобиля по европейскому ездовому циклу испытаний автомобиля на топливную экономичность и экологическую безопасность. Для проведения дорожных исследований был подготовлен автомобиль, оборудованный измерительным комплексом, состоящим из пятикомпонентного газоанализатора, системы сбора данных и ПК. Приведены результаты и сравнительный анализ экспериментов для штатных настроек СЗ, САУЗ настроенной с приоритетом по топливной экономичности и САУЗ настроенной с приоритетом по экологической безопасности.

Ключевые слова: система зажигания, эксплуатация, комплексный критерий, адаптивная настройка, топливно-экологические показатели.

Abstract

A.A. Dziubenko. Improvement of Vehicle’s Fuel-Saving and Ecological Indexes on Basis of Ignition System Parameters Optimization.Manuscript.

Thesis for competition of scientific degree of candidate of technical science on speciality 05.22.20operation and maintenance of vehicle.Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, 2010.

The thesis deals with the grounding and development of adaptive tuning method of ignition control system depending on vehicle’s operation conditions.

The theoretical generalization and the new task decision concerning the improvement of vehicle’s fuel-saving and ecological factors are presented in the given work. The task is settled by means of adaptive tuning of ignition control system for a particular mode of vehicle’s operation on the basis of parameters optimization of ignition operation system according to the complex criterion. A new method for ignition system spark discharge parameters operation is developed. The theoretical and practical researches of ignition system spark discharge influence on engine’s working process, according to the results of which the concept of multivariate ignition operation is offered, are developed.

The mathematical model of management object that allows to obtain IS optimal parameters depending on the complex criterion which is determined by the vehicle’s operation mode is developed. The IS adaptive tuning method for particular vehicle’s traction mode is developed, and the expediency of its application is experimentally proved.

Key words: ignition system, vehicle’s operation mode, complex criterion, adaptive tuning, fuel-ecological indexes.

Підписано до друку 05.05.2010 р. Формат 6090 1/16.  Папір офсетний.

Гарнітура Times New Roman Cyr . Віддруковано на ризографі

Ум. друк. арк. 0,9.

Зам.344/10. Тираж 100 прим. Ціна договірна

Видавництво

Харківського національного автомобільно-дорожнього університету

Видавництво ХНАДУ, 61200, Харків-МСП, вул. Петровського, 25.

Тел. /факс: (057)700-38-64; 707-37-03

Свідоцтво Державного комітету інформаційної політики, телебачення

та радіомовлення України про внесення суб’єкта видавничої справи

до Державного реєстру видавців, виговидавничої продукції, серія виготівників 

і розповсюджувачів видавничої продукції, серія ДК897 від 17.04 2002 р.

19


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58476. Урок биологии 165 KB
  Подготовка учителя к урокам. Постановка цели урока. Структура урока этапы комбинированного урока. Проведение урока биологии Перспективное и поурочное планирование Основой для планирования учебно-воспитательного образовательного процесса по биологии является анализ существующих нормативных требований программ учебных и дидактических пособий и опыта педагогической деятельности учителя.
58477. Вид. Критерии вида 45.5 KB
  Цели урока: обучающие: сформулировать определения понятиям вид критерии вида; изучить критерии вида и их содержание; развивающие: продолжить развитие коммуникативных умений при работе в группах устной монологической речи учащихся...
58478. Уроки Чистоты на территории Пермского края 3.73 MB
  Технологии сортировки отходов уже реализуются в некоторых российских городах. Для успешной организации сортировки очень важна первая ступень раздельный сбор отходов жителями. По статистике каждый из нас ежегодно образует 300 кг отходов.
58479. Рідна домівка, рідна сім’я – тут виростає доля моя. В.Гринько «Сім». В.Сухомлинський «Тетянка усміхається» 73 KB
  Доброго здоров’я всім В добрий день і в добрий час Рада всіх вітати вас. Який розділ ви почали вивчати на попередньому уроці Рідна домівкарідна сім’ятут виростає доля моя З якими піснями ви ознайомилися на минулому уроці Роде наш красний...
58480. Проектирование молодежного кафе – «KFC» 752 KB
  Молодежное кафе, как организация является обществом с ограниченной ответственностью предприятие бытового обслуживания (ООО ПБО). Общество с ограниченной ответственностью является разновидностью объединения капиталов, не требующего личного участия своих членов в делах общества
58481. Розробка програмного забезпечення (ПЗ) для інформаційної підтримки велодоріжок м. Хмельницький 16.04 MB
  До ПЗ розроблено специфікацію вимог, що описує функціональні та нефункціональні вимоги до нього. На основі цієї специфікації та аналізу предметної області, а також вибраних технологій та засобів розробки, здійснено проектування ПЗ для інформаційної підтримки велодоріжок м. Хмельницький.
58482. Ресурсы и факторы производства 90.5 KB
  Цели: Обучающие: познакомить учащихся с понятиями: ресурсы факторы производства процесс производства доходность факторов производства; научить школьников определению необходимых ресурсов для нового предприятия; Развивающие: привить интерес к изучаемому материалу...
58483. Губернский профессиональный колледж . 116.5 KB
  Цели: образовательные: познакомить учащихся с популярным в нашей стране туристско-экскурсионным маршрутом по древним русским городам; совершить заочное путешествие в 4 города Золотого кольца...