Разработка системы комплексного управления агрегатами

Загрязнение атмосферы автотранспортом происходит отработавшими газами (ОГ) через выпускную систему автомобильного двигателя, а также, в меньшей степени, картерными газами через систему вентиляции картера двигателя и углеводородными испарениями бензина из системы питания двигателя (бак, карбюратор, фильтр, трубопровод) при заправке и в процессе эксплуатации. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработавшими газами примерно 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. Правительства многих стран мира ужесточают нормы токсичности отработавших газов. В России приняты нормы токсичности Евро-2, а в европейских государствах переходят на нормы Евро-4. Нормы токсичности определяются в трех режимах движения: при 90, 120 км/ч и в городском цикле. Городской цикл — это разгоны с использованием первой, второй и третьей передач, а также остановки и торможения. Общая продолжительность такого цикла — 195 с. На наш взгляд, такой цикл не отображает реальной картины. В связи с ростом количества автотранспорта скорость движения в современном городе упала до 15-20 км/ч. На перекрестках средняя скорость движения падает до 5 км/ч. Ежедневно сотни автомобилей находятся в пробках, ездовой цикл в которых еще хуже. В этих условиях на экологическую обстановку не сможет повлиять введение более жестких норм токсичности Евро-3 или 4. Эти нормы предписывают снижение токсичности выхлопа автомобильного двигателя. Соответственно, автопроизводители модернизируют только двигатели своих автомобилей и улучшают системы впрыска топлива. При переходе с карбюратора (Евро-0) на центральный впрыск (Евро-1, 2) содержание СО снизилось с 27 до 2,7 г/км, при переходе с системы распределенного впрыска топлива (Евро-3) на непосредственный впрыск (Евро-4) — с 2,3 до 1 г/км . Однако затраты, связанные с реконструкцией двигателя, ставят под сомнение целесообразность применения таких систем впрыска. Проблема загрязнения кроется в недостатках силовой установки современных автомобилей. В режимах частых остановок логично отключать силовую установку, чтобы не было расхода топлива на холостом ходу, однако при последующем запуске происходит перерасход топлива и выброс ОГ в атмосферу. Целесообразность отключения двигателя возникает только при длительности остановок более 2-х минут. Другой недостаток — в неспособности автомобилей к рекуперации энергии торможения. И если при больших перегонах это несущественно, то в пробках вся энергия, затраченная на разгон автомобиля, практически немедленно переходит в тепло в тормозной системе. В таких режимах эксплуатации частота вращения коленчатого вала двигателя почти все время находится в неоптимальном с точки зрения КПД диапазоне, а расход топлива может превышать 150 л/100 км, что на порядок выше расхода при движении в городском цикле. Самым оптимальным решением является применение гибридных силовых установок (ГСУ). Основные их достоинства: движение на электротяге с отключенным ДВС, рекуперация энергии торможения. Некоторыми зарубежными концернами уже начат серийный выпуск таких автомобилей, но ввиду сложности конструкции и системы управления их доля пока незначительна. Для улучшения экологической ситуации в городах необходимо разработать ГСУ на базе существующих ДВС, имеющих автономность хода 1-2 км на электротяге при максимальной скорости 10 км/ч, что обеспечит возможность отключать ДВС в пробках. Существует также возможность снижения расхода топлива без дальнейшей модернизации двигателя. Она заключается в комплексном управлении всеми системами автомобиля в целом, а не отдельными его компонентами. На наш взгляд, такой подход обеспечит снижение уровня токсичных газов на переходных режимах до норм Евро-3. Модернизация затрагивает схему включения генератора, блока электронного управления двигателем и может быт проведена в короткие сроки как для выпускаемых автомобилей, так и для уже находящихся в эксплуатации. Автопроизводители нередко обращали внимание на работу навесных агрегатов, таких как генератор, помпа системы охлаждения, вентилятор охлаждения радиатора, гидроусилитель руля и устройство климат-контроля. Так, по классической схеме включения генератора, при включении зажигания и запуске двигателя на обмотку возбуждения подается максимальный ток, но пока частота вращения двигателя не превысит 1 200-1 500 об/мин, генератор не производит полезной энергии, т. е. на возбуждение расходуется больше электроэнергии, чем вырабатывается. При этом тормозной момент на валу генератора максимальный, что приводит к повышенному расходу топлива и препятствует нормальному запуску двигателя. В свое время фирма Bosch предложила включать обмотку возбуждения после того, как двигатель достигнет частоты вращения холостого хода, что решает проблему запуска двигателя, однако в дальнейшем во время езды у двигателя периодически снижается частота вращения вала до 750 об/мин. В этот момент генератор не совершает полезной работы. По этой схеме работают практически все современные генераторы. Если поручить управление генератором блоку электронного управления двигателем (БЭУ) по разработанному нами алгоритму (рис.), он будет включать генератор только в те моменты, когда его КПД является приемлемым. Оптимизированный алгоритм управления генератором При движении автомобиля существуют моменты, когда требуется резко снизить частоту вращения двигателя, например режим торможения двигателем. В этот момент БЭУ может увеличить напряжение на обмотке возбуждения, при этом ток генератора существенно увеличится, и его «излишек» можно направить на преждевременное охлаждение радиатора (если температура включения еще не достигнута, но близка к ней), на включение печки или «запасти» в конденсаторах большой емкости. В режимах работы двигателя, когда от него требуется максимальная мощность (N x), можно отключать генератор, чтобы он не оказывал сопротивления. Другой агрегат автомобиля, позволяющий повысить КПД автомобиля при оптимальном режиме эксплуатации, — вентилятор охлаждения радиатора. В штатном режиме вентилятор включается при достижении температуры охлаждающей жидкости в большом контуре 98 °С. Отключение происходит при температуре 92 °С. При этом температура кипения охлаждающей жидкости составляет 105 °С. Поручив управление вентилятором БЭУ, мы можем включать его после достижения температуры 98 °С (режим ускорения) либо до достижения температуры 98 °С (режим торможения), если это целесообразно. Тем самым, не производя модернизацию двигателя и навесных агрегатов, изменив только схемы включения, мы имеем возможность увеличить общий КПД автомобиля путем оптимизации работы отдельных узлов и агрегатов. Если учитывать не пороговые значения n, N и скорость нажатия на педаль тормоза, степень оптимизации повысится. При этом все дальнейшие изменения будут сводиться в основном к изменению программы в БЭУ. Для разработки оптимизированных алгоритмов управления предполагается провести серию экспериментов на серийном автомобиле, оборудованном различными датчиками для сбора информации на персональный компьютер при различных режимах эксплуатации автомобиля. Статья поступила в редакцию 22.12.2006