Мероприятия для снижения выброса токсичных веществ грузовыми и легковыми автомобилями с дизельными ДВС в соответствии со стандартом EVRO-4, а также в соответствии с ГОСТом Р 418399 2005.

Требования, предъявляемые к ДВС и дизельной топливной аппаратуре европейской комиссией министров транспорта от 23 апреля 2003 года, а также национальны ми ведомствами по охране окружающей среды

В соответствии с требованиями ГОСТа Р 418399 2005 содержание СО в отработанных газах должно быть не более 0,5, содержание СН в отработанных газах должно быть не более 0,1, содержание NO _x в отработанных газах должно быть не более 0,25, содержание СН + NO _X должно быть не более 0,3, содержание РТ (твёрдых частиц) должно быть не более 0,02.

Аналогичные требования содержатся и в стандарте EVRO-4.

Условия выполнения требований, предъявляемых к ДВС и дизельной топливной аппаратуре

Выполнить такие требования можно при следующих условиях:

Применение дизельного топлива с пониженным содержанием серы (0,005-0,001%).

Применение в качестве топливной аппаратуры аккумулятор ной топливной системы либо индивидуальных столбиковых насосов, объединённых с форсунками.

Применение конструкций ДВС с минимально допустимыми по условиям теплового расширения и смазки трущихся поверхностей деталей зазорами.

Применение в конструкции ДВС системы рециркулирования отработанных газов (не менее 15%), системы турбонаддува с изменяемой геометрией турбины (высокой производительности), регулируемым соплом и перепускным клапаном, системы охлаждения наддувочного воздуха, системы регулирования коэффициента перекрытия, системы нейтрализации отработанных газов (включая систему улавливания твёрдых частиц).

Особенности применения аккумуляторной системы

Применение аккумуляторной топливной системы позволяет повысить давление впрыска топлива в камеру сгорания до 2000 бар, обеспечить продолжительность впрыска 1,5 миллисекунды, минимальную подачу 1мм ³ /ход, частоту впрыска 16 000 циклов в минуту.

Причём применение аккумуляторной системы позволяет также обеспечить оптимизацию начала впрыска, быстрое изменение давления впрыска и многократный впрыск. Многократный впрыск представляет собой предвпрыскивание, предваряющее непосредственно саму основную фазу впрыска топлива в камеру сгорания, основную фазу впрыска и послевпрыскивание.

Основными проблемами, возникающими при реализации аккумуляторных систем, являются сложность реализации многократного впрыска, конструкторско-технологическая сложность обеспечения работоспособности элементов аккумуляторной системы при вышеуказанных условиях (давлении продолжительности и частоты впрыска). При реализации системы возникают как снижение подвижности иглы в распылителе, так и пульсации и гидроудары в топливных линиях, а также проблемы с формированием пачки импульсов: начального, форсирующего, удерживающего и размагничивающего импульсов на соответствующие электрогидравлические клапаны топливных форсунок.

Аккумуляторная система топливоводачи

Состав аккумуляторной системы топливоподачи

Микропроцессорный блок; Блок усилителей мощности;

Пульт управления;

Видеоконтрольное устройство;

Вторичные источники питания;

Комплект датчиков системы управления;

Топливоподкачивающий насос;

Топливный насос высокого давления;

Электрогидравлические форсунки;

Аккумулятор топлива;

Топливный бак;

Топливные фильтры;

Трубопроводы высокого и низкого давления.

Датчики:

Датчик углового положения распредвала (элемент Холла);

Датчик углового положения коленвала (индуктивный);

Датчик массового расхода воздуха;

Датчик температуры поступающего воздуха;

Датчик температуры охлаждающей жидкости;

Датчик положения педали подачи топлива;

Датчик атмосферного давления;

Датчик давления топлива в аккумуляторе;

Датчик температуры отработанных газов;

Датчик давления масла;

Датчик контроля противодавления.

Электромагнитные клапаны:

Электромагнитный клапан отсечки;

Электромагнитный клапан регулятора давления;

Электромагнитный клапан электрогидравлических форсунок.

Программное обеспечение

Программное обеспечение микропроцессорной системы управления состоит из программы монитора и следующих прикладных программных модулей.

Модуль формирования внешней скоростной характеристики.

Модуль, обеспечивающий работу аккумуляторной системы топливоподачи при отказе ряда датчиков.

Модуль оптимизации угла впрыска и цикловой подачи.

Модуль диагностирования ДВС и аккумуляторной системы.

Модуль управления рециркулятором отработанных газов.

Модуль управления регулируемым турбонаддувом.

Основные функции аккумуляторной системы топливоподачи

Аккумуляторная система топливоподачи с микропроцессорным управлением должна выполнять следующие функции:

Регулировать величину цикловой подачи в соответствии с внешней скоростной характеристикой с учетом обеспечения высокой экономичности ДВС и низкой токсичности отработанных газов.

Регулировать величину угла опережения начала впрыска в зависимости от частоты вращения коленчатого вала ДВС с учетом обеспечения высокой экономичности ДВС и низкой токсичности отработанных газов.

Осуществлять остановку ДВС при аварийных ситуациях.

Осуществлять регулировку наддува с учетом обеспечения высокой экономичности ДВС и низкой токсичности отработавших газов.

Осуществлять регулировку системы рециркуляции с учетом обеспечения низкой токсичности отработанных газов.

Осуществлять работу аккумуляторной системы топливоподачи при отказе ряда датчиков.

Осуществлять диагностику элементов аккумуляторной системы топливоподачи и проверку функционирования исполни тельных элементов без запуска ДВС с выводом информации на видеоконтрольное устройство.

Работа аккумуляторной системы топливоподачи

Особенности работы аккумуляторной системы топливоподачи

Перед пуском ДВС микропроцессорная система управления проверяет техническое состояние исполнительных устройств всех электрогидравлических форсунок, техническое состояние электромагнитного клапана отсечки и регулятора давления, датчиков, аккумуляторной батареи. Диагностирование всех элементов аккумуляторной системы топливоподачи с микропроцессорным управлением выполняется непрерывно, причём информация выдается на видеоконтрольное устройство.

Работа микропроцессорной системы управления в режиме пуска и остановки ДВС должна осуществляться в следующей последовательности.

После включения стартера и раскрутки коленчатого вала при достижении заданной величины давления топлива в аккумуляторе начинают поступать сигналы на электромагнитные клапаны электрогидравлических форсунок.

Затем после достижения частоты вращения холостого хода осуществляется блокировка цепи включения стартера.

Формирование управляющего сигнала осуществляется на основе выбранного закона регулирования по сигналу рассогласования между текущим параметром и заданным параметром, который находится в памяти МПС в матричной форме.

Для остановки ДВС водителем отпускается педаль управления подачей топлива и после выключения ключа управления прекращается подача сигналов управления на электрогидравлические форсунки и снижается давление топлива в аккумуляторе.

Работа аккумуляторной системы топливоподачи в динамике

Структурная электрическая схема системы управления аккумуляторной системой топливоподачи (принципиальная электрическая схема имеется в наличии), разработанная группой разработчиков представлена на Рис. 100.

На схеме изображены: 1 - микроконтроллер с соответствующими портами ввода-вывода; 2,3 - блоки обработки сигналов с датчиков; 4 — схема управления топливными форсунками; 5 - схема управления транспорантами; 6 - схема управления отсечным электромагнитом и электромагнитом снятия давления в аккумуляторе; 7 - схема управления рециркулятором отработанных газов; 8 — датчик частоты вращения коленчатого вала; 9 - датчик верхней мертвой точки; 10 - датчик положения распредвала (датчик фазы); 11 - регулятор давления топлива в аккумуляторе; 12 -датчик контроля положения педали управления подачей топлива; 13 - датчик массового расхода топлива; 14 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 15 - датчик температуры топлива в аккумуляторе; 16 - датчик температуры воздуха; 17 -датчик температуры отработанных газов; 18 - схема управления регулируемым турбонаддувом.

Рис. 100 А

Входные сигналы системы управления

Управление моментом подачи импульсов впрыска без учёта коррекции

Для определения микропроцессором необходимого момента подачи импульсов впрыска на форсунки он анализирует информацию с датчика положения коленвала и датчика положения распредвала. Эти датчики однозначно указывают микропроцессору момент, в который необходимо подать управляющие импульсы на электромагниты топливных форсунок, причём по всем цилиндрам ДВС. Это так называемые «базовые» импульсы, а именно импульсы без учёта поправок (коррекции) по моменту следования и длительности импульса.

Входными сигналами для определения микропроцессором необходимого момента подачи «базовых» импульсов впрыска на форсунки системы управления являются:

• сигнал с датчика положения коленвала с интервалом следования импульсов - 6°;

• сигнал с индуктивного датчика положения распределительно го вала.

Информация с любого из этих датчиков поступает через жгут проводов на микроконтроллер. На плате микроконтроллера находятся устройства формирования сигналов датчиков, а также устройства обработки сигналов датчиков. Устройство обработки сигналов преобразует получаемые с датчиков сигналы к форме, доступной для обработки микропроцессором, а также выполняет функции временного хранения преобразованных сигналов.

Коррекция по частоте вращения ДВС, нагрузке ДВС и внешней скоростной характеристике ДВС момента и длительности подачи импульсов впрыска

Реальные выходные импульсы на электромагниты топливных форсунок подаются с учётом поправок (коррекции). Эти поправки суммируются с «базовыми» импульсами.

Величина поправок (коррекции) зависит от частоты вращения коленчатого вала ДВС (сигнала с датчика частоты вращения коленчатого вала), от заданной водителем частоты вращения ДВС (сигнала с датчика положения педали управления подачей топлива), от текущей нагрузки ДВС (сигнала с датчика массового расхода воздуха). Также величина поправок зависит от графика внешней скоростной характеристики, который занесён в память микропроцессорной системы управления в матричном виде, причём от этого графика зависит только величина цикловой подачи (длительность импульсов - величина дозирования топлива форсунками).

Входными сигналами (помимо графика занесённой в память МПС внешней скоростной характеристики) для определения микропроцессором величины поправок с целью дальнейшего суммирования их с «базовыми» импульсами также являются следующие сигналы:

• сигнал с индуктивного датчика частоты вращения коленчатого вала;

• сигнал с датчика положения педали управления подачей топлива;

• сигнал с датчика массового расхода воздуха.

Информация с датчиков поступает через жгут проводов на микроконтроллер. На плате микроконтроллера находится устройство формирования сигналов датчиков, а также устройство обработки сигналов датчиков. Устройство обработки сигналов преобразует получаемые с датчиков сигналы к форме, доступной для обработки микропроцессором, а также выполняет функции временного хранения преобразованных сигналов.

Входные сигналы с остальных датчиков системы топливоподачи

Это сигналы со следующих датчиков: датчика атмосферного давления воздуха, датчика температуры воздуха, датчика температуры охлаждающей жидкости, датчика давления топлива в аккумуляторе. Эти сигналы поступают в аналоговой форме через жгут проводов на микроконтроллер. На плате микроконтроллера находится устройство формирования сигналов датчиков, а также устройство обработки сигналов датчиков. Устройство обработки сигналов преобразует получаемые с датчиков сигналы к форме, доступной для обработки микропроцессором, а также выполняет функции временного хранения преобразованных сигналов. Эти сигналы влияют, за исключением сигнала датчика давления топлива, на момент подачи импульса впрыска (коррекцию).

Основные выходные сигналы

Выходными сигналами, подаваемыми микропроцессором системы управления на электромагниты топливных форсунок,

являются «базовые» импульсы. Эти «базовые» импульсы суммируются с поправками.

Также выходными сигналами являются сигналы, выдаваемые на отсечной электромагнитный клапан и на топливоподкачивающий насос. Это сигналы релейного типа (да/нет). Они выдаются при необходимости остановки водителем ДВС.

Помимо этого выходными сигналами являются сигналы, выдаваемые МПС на рециркулятор и на систему управления регулируемым турбонаддувом. Эти сигналы аналогичны (по их характеристикам) сигналам, подающимся на управляющий электромагнит топливной форсунки.

Управление транспарантами аккумуляторной системы топливоподачи

Выходными сигналами также являются сигналы на видеоконтрольное устройство (диагностическая информация). Это управление транспарантами, служащими для информирования водителя о состоянии аккумуляторной системы (аварийное состояние аккумуляторной системы, необходимость включить автономную систему подогрева камеры сгорания) и управление транспарантами для информирования водителя о предписанных ему действиях (запрет запуска ДВС с указанием причин, указание на выполнение остановки ДВС с указанием причин, указание на включение пониженной передачи при движении). Это сигналы релейного типа (да/нет).

Управление электромагнитом топливной форсунки

Размещается управляющий электромагнит в корпусе форсунки. Управляющие импульсы от ЭБУ поступают на управляющий электромагнит с частотой от 4 до 40 герц в соответствии с рабочим процессом ДВС. Управляющий импульс поступает на электромагнит в тот момент, когда поршень не доходит примерно 15° до ВМТ. Максимальная продолжительность управляющего импульса на режиме пуска составляет 3 миллисекунды.

Управляющий импульс, поступающий на электромагнит топливной форсунки, состоит из следующих трёх основных фаз (изменения параметров электрического сигнала), которые обеспечивают многократный впрыск топлива в камеру сгорания ДВС. Это

фаза «форсирующая» длительностью примерно 0,1 мс, фаза «удерживающая» длительностью примерно 1,5 мс, фаза «размагничивающая» длительностью примерно 0,3 мс. Амплитуда и форма фаз импульса таковы, что при этом происходит многократный впрыск топлива в камеру сгорания ДВС. Многократный впрыск топлива в камеру сгорания состоит из трёх фаз: фазы «предвпрыскивания», основной фазы «впрыскивания» и фазы «послевпрыскивания».

Для формирования управляющих импульсов, которые подаются на топливные форсунки, применяются конденсаторы и соответствующий блок формирования импульсов, расположенный на плате микроконтроллера.

Перечень наиболее распространённых в системах управления датчиков и исполнительных механизмов

(В рассматриваемую аккумуляторную топливную систему входят не все нижеуказанные датчики и исполнительные механизмы.)

Датчик положения коленвала с интервалом следования импульсов 6°.

Датчик положения коленвала с интервалом следования импульсов 60°.

Индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала.

Индуктивный датчик положения распределительного вала.

Датчик положения распределительного вала (датчик Холла).

Индуктивный датчик системы зажигания.

Датчик системы зажигания (датчик Холла).

Датчик контроля наличия детонации.

Датчик контроля содержания кислорода в отработанных газах.

Датчик массового расхода воздуха.

Датчик положения педали управления подачей топлива.

Датчик температуры (топлива, охлаждающей жидкости, масла, воздуха).

Датчик температуры отработанных газов.

Тензорезистивный датчик давления (давление наддувочного воздуха, атмосферное давление).

Пьезорезистивный датчик абсолютного давления.

Датчик давления (масла, охлаждающей жидкости, топлива).

Магниторезистивный датчик положения (плунжера ТНВД, рейки ТНВД, и др.).

Электромагнитный исполнительный механизм.

Электродвигатель постоянного тока с редуктором (исполнительный механизм).

Шаговый электродвигатель с редуктором (исполнительный механизм).

Топливная форсунка с электромагнитом.

Отсечной электромагнитный клапан.

Модель ДВС с системой снижения токсичности

На Рис. 100 Б показана модель ДВС с системой снижения токсичности. Она используется для отладки алгоритмического и про-грамного обеспечения системы.

Рис. 100 Б

Сигналы в системе управления аккумуляторной топливной системой

Датчики и исполнительные механизмы в системах управления ДВС имеют следующие параметры сигнала: длительность, амплитуда, частота и период сигнала, скважность.

При наличии низкоомных нагрузок датчики частоты вращения распредвала и коленчатого вала они подключаются через дополнительное сопротивление или через буферный усилитель.

На электромагнит топливной форсунки может подаваться сигнал длительностью не более 10 миллисекунд и частотой не более 200 герц.

Привод регулятора давления наддува представляет собой электродвигатель постоянного тока с редуктором (исполнительный механизм).

Привод клапана рециркуляции представляет собой шаговый электродвигатель с редуктором. На него может подаваться сигнал длительностью от 2 до 500 миллисекунд и частотой не более 50 герц.

На Рис. 101 представлена схема аккумуляторной системы (Common-Rail). На схеме изображены: 1-топливный бак, 2-устройство предварительного подогрева топлива, 3-топливный фильтр, 4-топ-ливный насос низкого давления, 5-отсечной электромагнитный клапан, 6-топливный насос высокого давления, 7-аккумулятор, 8-элек-тромагнитный клапан для снятия давления топлива в аккумуляторе, 9-регулятор давления топлива в аккумуляторе, 10-форсунка с электромагнитным управлением, 11-система охлаждения топлива.

Рис. 101

Адаптация момента впрыска и цикловой подачи в аккумуляторной системе к режимам работы дизельного ДВС

Внешняя скоростная характеристика

Внешней скоростной характеристикой называется зависимость эффективной мощности ДВС от частоты вращения ДВС при доведённой до упора рейке топливного насоса в рядном ТНВД или максимальной цикловой подаче топлива в аккумуляторной системе топливоподачи.

Минимальным числом оборотов называется такое число, при котором ДВС работает устойчиво, причём в тот момент, когда ДВС не успел достигнуть максимальной частоты вращения.

На представленном на Рис. 102 графике показаны характеристики ДВС при различной нагрузке и при условии полной подачи топлива (Y'/ _1-4 ), а также при частичных подачах топлива (средних положениях рейки топливного насоса) вплоть до момента выключения подачи топлива (Y _1-4 ).

На графике выделена кривая, соответствующая режиму пуска ДВС. Пусковое число оборотов - 200.

Ось ординат соответствует эффективной мощности ДВС при различной частоте вращения ДВС в зависимости от цикловой подачи и угла опережения впрыска топлива. Причём угол опережения впрыска топлива и цикловая подача самостоятельно адаптируются системой управления, исходя из критериев оптимальности по экономичности и токсичности. Величина нажатия на педаль означает для системы управления команду на отработку заданной частоты вращения ДВС.

Рис. 102

Определение аккумуляторной системой топливоподачи момента впрыска топлива на режимах работы ДВС

Впрыск топлива производится в конце такта сжатия, причём в тот момент, когда коленвал в ДВС не доходит до верхней мёртвой точки определённого числа градусов. Конкретный момент зависит от сигналов различных датчиков, причём датчик частоты вращения коленчатого вала, ВМТ коленчатого вала и датчик распределительного вала являются базовыми источниками информации. Причём датчик распределительного вала предназначен для обеспечения подачи импульса впрыска на топливную форсунку конкретного цилиндра в конце такта сжатия в этом цилиндре. Датчик распределительного вала является датчиком, основанным на эффекте Холла. Магнитное поле этого датчика взаимодействует с металлическим флажком на распределительном валу двигателя. Причём расположение и ширина флажка достаточны для обеспечения перекрытия сигналом датчика распределительного вала сигнала датчика ВМТ (синхронизации по времени).

Микропроцессор системы топливоподачи, получая информацию от датчиков, анализирует её, а затем выдаёт команды на формирование управляющих импульсов на топливные форсунки.

Датчик частоты вращения коленчатого вала и ВМТ коленчатого вала функционируют следующим образом.

При прохождении вблизи сердечника зубьев, расположенного на носке коленчатого вала двигателя диска синхронизации, в обмотке датчика наводится переменная ЭДС. Диск синхронизации имеет угловой сектор в 348° с 58 равноотстоящими друг от друга с промежутком 6° перемещения коленчатого вала прямоугольными зубьями, а также угловой сектор в 12° с двумя пропущенными зубьями.

Мгновенное значение частоты вращения коленчатого вала регистрируется блоком управления на основе измерения временного интервала между двумя соседними импульсами напряжения на выходе датчика. Отметка ВМТ регистрируется по трехкратному увеличению временного интервала между импульсами на выходе датчика в зоне двух пропущенных зубьев. С целью повышения надежности регистрации отметки ВМТ при предельно низкой частоте вращения коленчатого вала (в период пуска) отметка ВМТ на диске синхронизации опережает реальную ВМТ 1-го и 4-го цилиндров.