Технологии

До принятия в середине 90-х годов ведущими промышленными странами жестких регламентов по выхлопу двигателей внутреннего сгорания мало кто помышлял об электронном управлении дизельным двигателем. В течение 100 лет истории дизеля (если считать началом 23 февраля 1892 г., дату получения Рудольфом Дизелем патента на его изобретение) теория и конструкция двигателя непрерывно развивались, достигнув значительного прогресса. Несмотря на это у многих людей дизельный двигатель тех времен все же ассоциировался с тяжелым грузовиком, исторгающим клубы черного дыма, полного сажи и вони, в сопровождении страшного шума и грохота.

Технологический прогресс последних двух десятилетий изменил картину до неузнаваемости. И основа этого прогресса – современные технологии дизельного двигателя.

Первые шаги в построении современного двигателя для строительной техники были обеспечены технологиями шумоподавления (noise reduction), снижения трения (friction reduction), турбо-наддува (turbo charging), и охлаждения воздуха (inter cooler). Развитие этих технологий позволило обеспечить стандарты выхлопа Tier 1 и 2, обязательные к внедрению в период 1996 – 2006 гг.

Для реализации стандартов Tier 3 (годы внедрения 2006 – 2008) потребовались новые технологии, которые включают следующее:

- Рециркуляция выхлопных газов (EGR = Exhaust Gas Re-circulation).

- Впрыск под высоким давлением (High pressure injection) до 1400-1600 атм.

- Тотальное электронное управление (TEC = Total Electronic Control).

- Улучшение характеристик топлива (Fuel improvement).

На подходе этап стандартов Tier 4 (сроки внедрения 2008 – 2015 гг.), который потребует существенной дополнительной очистки выхлопа на выходе системы. Современные технологии предполагают следующее:

- Фильтр твердых частиц (DPF = Diesel Particle Filter).

- Технологии катализа (Catalyst technologies).

Принципиально новым во всех этих усовершенствованиях является Тотальное Электронное Управление, которое делает двигатель интеллектуальной системой в современном понимании этого термина.

 

На борту строительной машины находится теперь не меньше электронных систем, чем в современном автомобиле. Вот некоторые из них:

- Контроллер трансмиссии

- Инструментальная панель

- Модуль управления климатом

Наиболее ответственным из них является Блок Управления Двигателем (БУД).

БУД – это мощный компьютер, который реализует управление двигателем в замкнутом контуре, построенном по принципу обратной связи.

Проследим, как управление двигателем укладывается в эту схему.

Выходной сигнал двигателя – это совокупность физических параметров, измеряемых датчиками и превращаемых ими в электрические сигналы.

Вот примерный и далеко не полный список датчиков и соответствующих физических параметров, измеряемых в системах Тотального управления:

- Датчик скорости вращения инжекторного  насоса

- Датчик содержания кислорода в выхлопе

- Датчик давления воздуха после турбо-наддува

- Датчик давления топлива

- Датчик давления вакуума в очистителе воздуха

- Датчик положения двигателя

- Температурные датчики

- Температура воздуха на входе

- Температура воздуха после турбо-наддува

- Температура охлаждающей жидкости

- Температура топлива

- Температура выхлопных газов

- Окружающая температура

Датчик педали тормоза

Датчик органа управления трансмиссией

Датчик педали акселератора

Переключатели оператора машины (режим работы, режим Power Boost и пр.)

Устройство управления в нашей схеме с обратной связью это и есть Блок Управления Двигателем (БУД), который содержит мозг системы – микропроцессор, например, 32-разрядный производительностью 40 Мгц. «Не много», - скажите вы, - и будете правы, если сравниваете со своим ноутбуком. Но не забывайте, код, который исполняет специализированный микропроцессор, в 1000 раз эффективнее программ, работающих под Windows.

Помимо микропроцессора БУД включает ряд компонентов поддержки:

- Преобразователи «аналог-цифра» - эти устройства считывают выход от некоторых датчиков, например, от датчика содержания кислорода, которые выдают свой выход в виде аналогового электрического напряжения, обычно в пределах от 0 до 1,1 В. Поскольку процессор понимает только цифровые сигналы, преобразователь превращает напряжение в, скажем, 16-разрядное двоичное число.

- Цифровые выходы высокого уровня. Функцией БУД является открывать и закрывать топливные инжекторы, включать и выключать вентилятор охлаждения и др. Цифровой выход имеет только два состояния, вкл. и выкл., и ничего посредине. Например, выход для управления вентилятором может выдавать 12 В и 0,5 А на реле вентилятора для его включения, или 0 В для выключения. Управляющая, весьма малая, мощность, производимая процессором, усиливается транзистором цифрового выхода, который передает эту существенно увеличенную мощность на реле, которое, в свою очередь, управляет еще большей мощностью для включения самого вентилятора.

- Преобразователи «цифра-аналог». Для приведения в действие некоторых компонент двигателя БУД должен выдавать аналоговое напряжение. Данные преобразователи служат этой цели.

- Формирователи сигналов. Иногда входные и выходные сигналы перед считыванием нуждаются в регулировке. Например, преобразователь «аналог-цифра» который считывает напряжение с датчика кислорода может быть настроен на напряжение в диапазоне 0…5 В, а датчик выдает сигнал 0…1,1 В. Преобразователь сигнала – это контур, который регулирует уровни входных и выходных сигналов.

- Чипы связи. Эти чипы реализуют различные стандарты связи, используемые на машинах. Например, в автомобилестроении начинает доминировать стандарт CAN (controller area networking), который разрешает связь на скорости 500 килобайт в секунду. Такая скорость необходима и в строительных машинах, поскольку некоторые модули должны обращаться к шине связи сотни раз в секунду.

 

Алгоритмы управления, реализуемые БУД, весьма сложны. Они должны обеспечивать такое управление, чтобы двигатель отвечал стандартам по выхлопу, обеспечивать максимальную экономию топлива, предохранять двигатель от неправильного использования. И еще десятки других требований.

Основной алгоритм управления использует некоторую формулу и большое число ссылочных таблиц. Цель алгоритма – вычислить интервал времени (импульс), когда инжектор открыт и впускает топливо в цилиндр, для данных рабочих условий. Формула может выглядеть как произведение большого числа факторов.

Для примера рассмотрим эту формулу в значительно упрощенном виде:

Ширина импульса = (Базовая ширина импульса) х (Фактор А) х (Фактор Б)

В реальности это произведение может включать до 100 и более сомножителей.

Для вычисления ширины импульса алгоритм обращается сначала к ссылочной таблице базовой ширины импульса, которая является функцией скорости двигателя (об/мин) и нагрузки (может быть вычислена по абсолютному давлению в коллекторе). Пусть, например, скорость двигателя 2000 об/мин, а нагрузка – 4 (условные единицы). В таблице на пересечении 2000 и 4 находим 8 миллисекунд – базовую ширину импульса.

 

 

Пусть , например, параметры А и Б представляют температура охлаждающей жидкости (А) и уровень кислорода (Б). Если температура равна 100, а уровень кислорода – 3, ссылочные таблицы дают Фактор А = 0,8, а Фактор Б = 1,0.

 

 

Теперь есть все данные для вычисления:

Ширина импульса = 8 х 0,8 х 1,0 = 6,4 миллисекунд

Этот пример показывает, как алгоритм осуществляет управление. Если в некоторый момент датчик укажет, что в выхлопе слишком много кислорода (скажем, 4), то Фактором Б (соответствующее значение 0,75) ширина импульса будет уменьшена, т.е. уменьшена подача топлива.

Стоит отметить также, что для некоторых параметров может потребоваться изменение во времени настроек, представленных соответствующими ссылочными таблицами (например, по мере эксплуатации каталитического преобразователя), что еще больше усложняет алгоритмы управления.

Итак, 100 и более параметров со своими ссылочными таблицами, 100 и более вычислений в секунду в зависимости от скорости двигателя.

Кто же создает алгоритмы, формулы и ссылочные таблицы? Легко догадаться – это разработчики двигателя на основании огромной теоретической и экспериментальной работы.

Электронное управление имеет одно важное достоинство. Микропроцессор может быть легко перепрограммирован, и тот же БУД будет прекрасно работать на машине другого типоразмера, с другими датчиками и пр.

Входной сигнал двигателя, вырабатываемый БУД – это команды цифрового выхода на открытие/закрытие инжекторов.

Инжектор – это просто клапан с электронным управлением. При наличии управляющего сигнала плунжер клапана смещается, открывая доступ топлива под давлением в цилиндр. При снятии сигнала плунжер возвращается под действием пружины и перекрывает поток топлива. Так физически формируется импульс, вычисленный в БУД.

Действие инжектора, как правило, основывается на электромагнитном эффекте (соленоид). Сейчас большие перспективы связывают со сверхбыстрым пьезоэлектрическим инжектором.

Топливо выпрыскивается под давлением через тонкую форсунку для возможно более тонкого распыления его в воздушной среде внутри цилиндра. Это позволяет обеспечить наиболее полное сгорание топлива, что и гарантирует топливную эффективность двигателя. Повсеместно внедряемая система подачи топлива по общей топливной магистрали Common Rail позволяет повысить давление впрыскиваемого топлива до 1500 и более бар, что дает еще более оптимальное распыление.

Каждый инжектор управляет топливным импульсом для своего цилиндра независимо (последовательная мульти-портовая инжекция), что позволяет системе предельно быстро реагировать на воздействия, поступающие со стороны оператора или со стороны нагрузки. После неожиданного изменения входных воздействий коррекция топливного импульса будет произведена уже для следующего цилиндра, не дожидаясь полного оборота двигателя.

Кроме инжекторов БУД управляет и другими устройствами двигателя, например, вентилятором охлаждения, контурами безопасности двигателя и др.

 

Действуя в режиме реального времени, электронная система управления двигателем обеспечивает подачу оптимального в каждый момент времени количество топлива в цилиндры. За счет этого в каждом такте и во всех цилиндрах происходит максимально полное сгорание топлива. За счет такого увеличения топливной эффективности электронная система управления, совместно с другими компонентами, позволяет обеспечить экономию топлива на 10% и больше при повышении мощности на 15% и больше, при соблюдении весьма жестких ограничений на вредные вещества в выхлопе, налагаемые стандартами Tier.

Современный экскаватор, как и автомобиль, уже совсем не похожи на своего чадящего и шумящего собрата 30-летней давности.