Cовершенствование алгоритмов расчета циклового наполнения воздухом при использовании датчика абсолютного давления в ресивере и датчика температуры воздуха.

Результаты изложенные в этом тексте были получены на поршневом двигателе ВАЗ-2111 оснащенном системой управления впрыском топлива Январь-5.1 и установленном в автомобиле ВАЗ-2108  в период с мая по август 2006 года, целью экспериментов было совершенствование модели расчета циклового наполнения воздухом в программе j5ls, основная задача - создание алгоритма который будет иметь точность не хуже, чем у заводского алгоритма использующего Термоанемометрический датчик расхода воздуха в тоже время обладающего быстродействием и реакцией алгоритма ДАД.

Теория GBC.

Этот раздел можно найти в любой книжке по автомобильным двигателям в чуть более расширенном варианте. Но мы не будем усложнять и остановимся на главном. Для определения наполнения можно воспользоваться уравнением циклового наполнения воздухом:

  Gвц=hv Vh rintake

Заменим плотность свежего заряда в соответствии с законом идеального газа.

Gвц=hv * Vh * [Pintake /Const] * [1/ Tintake]  

Раскроем коэффициент наполнения hv.

Gвц=[e/(e-1)] * (Pa/Pintake) * [Tintake/(Tintake+DT+ygrTr)] * Vh * [Pintake/Const]* [ 1/ Tintake]

Сократим все лишнее, считая, что объем двигателя и степень сжатия – величины постоянные!

Gвц=Pa * [1/(Tintake+DT+ygrTr)] * Сonst 

Таким образом остаются факторы влияющие на цикловое наполнение:

Pa - давление в цилиндре в конце такта впуска.

Tintake - температура воздуха на впуске в двигатель.

DT - подогрев смеси в процессе впуска.

Tr - Температура остаточных газов.

gr - коэффициент остаточных газов.

- коэффициент учитывающий отличие мольной теплоемкости остаточных газов и свежего заряда.

Однако все это теории - реальность куда как более сложнее.

Температурная составляющая при расчете GBC.

В системе управления двигателем присутствует датчик способный измерить температуру воздуха в впускном тракте двигателя. В зависимости от конструкции впускного тракта этот датчик может быть установлен в ресивере, в корпусе ДМРВ или воздушного фильтра, а в случае с многодроссельным впуском - в атмосфере. Несомненно одним из важных факторов при оценке расхода воздуха является его температура. Очевидно что GBC находится в прямой пропорциональности от абсолютной температуры воздуха в конце такта впуска. Ta в нашей теории эта зависимость представлена выражением [1/(Tintake+DT+ygrTr)] это упрощенное представление на основе факторов оказывающих  большее влияние, остановимся подробнее на каждом:

1) Tintake - температура воздуха на участке впускного тракта замеренная датчиком.

2) DT - подогрев свежего заряда от стенок коллектора, камеры сгорания и стенок цилиндра. Определяется временем нахождения впускного заряда в впускной системе - т.е. cкоростью его течения (фактически оборотами двигателя) и температурой контактирующих с зарядом поверхностей (двигателя), считается, что в норме  DT =0-25 К.

3) ygrTr Теплообмен между свежим зарядом и остаточными газами. Температура остаточных газов Tr находится в диапазоне 900-1000К, подогрев заряда определяется коэффициентом остаточных газов gr, который в свою очередь является функцией объема цилиндра, камеры сгорания и GBC. Однако принято считать, что охлаждаясь остаточные газы резко сокращаются в объеме и их влияние связанное с повышением температуры практически компенсируется.

4) Охлаждение заряда в результате испарения топлива. Удельная теплота парообразования бензина достаточно высокая, поэтому процесс его испарения происходит с отъемом теплоты. Степень охлаждения  определяется количеством топлива (отношением воздух/топливо) и его температурой.

Анализ существующего программного обеспечения показывает, что температурная составляющая циклового наполнения как правило может быть представлена в виде либо математической формулы Kt=Tвозд+DT /Tвозд+273 либо в виде функции Kt=F(Tвозд) где DT - константа.Т.е. алгоритм очень сильно упрощен и не учитывает множество вышеописанных факторов  - что приводит к неадекватной реакции системы управления на изменение температуры воздуха на впуске. К сожалению анализ зависимости циклового наполнения от температуры воздуха на впуске при отсутствии моторного стенда является очень сложной задачей, поэтому единственным вариантом доводки алгоритма был анализ влияния температуры воздуха в условиях, при которых все прочие факторы влияющие на GBC можно было стабилизировать или исключить, c дальнейшим совершенствованием модели путем проверки ее состоятельности в прочих условиях. Была выбрана следующая методика тестирования: Автомобиль разгоняется по трассе до момента достижения температуры на впуске практически равной уличной (25-30грдС) после чего автомобиль затормаживается и переводится в режим ХХ, с системы управления снимаются все входные и выходные показатели в том числе состав смеси и температура воздуха, в процессе работы двигателя температура в подкапотном пространстве поднимается до 75-80 грдС, после чего автомобиль разгонялся по трассе преимущественно на высоких оборотах и нагрузках, пока температура воздуха c датчика снова не падала до 25-30 градусов - на этом снятие параметров с двигателя заканчивалось. В дальнейшем изменение состава смеси анализируется на достаточно большом интервале времени с учетом имеющегося в системе управления на текущий момент влияния температуры воздуха, на основе анализа делаются выводы и совершенствуется модель расчета GBC, после этого опыты повторяются снова.

В результате серии экспериментов были сделаны следующие выводы:

1) Место расположения датчика в впускном тракте автомобиля практически не влияет ни на его показания ни на GBC в установившихся режимах по температуре воздуха, когда скорость ее изменения не превышает 0.05град/c, однако при резких изменениях температуры (>2грд/c) датчик оказывается достаточно инерционным, и в эти моменты очень сильно начинают влиять его конструктивные особенности (масса, материал) и место установки (продувка свежей порцией воздуха). Для снижения влияния этих факторов датчик необходимо брать открытого типа, устанавливать в корпусе воздушного фильтра или ДМРВ, стремится чтоб чувствительный элемент обладал меньшей массой.

2) На режимах ХХ изменение температуры воздуха на впуске во всем диапазоне оказывает столь незначительное влияние на GBC, что может встать вопрос о самой целесообразности применения датчика температуры воздуха в системе управления. Алгоритм  Kt=Tвозд+DT /Tвозд+273 давно был признан несостоятельным, в микропрограмме j5ls_l43 уже появилась поправка компенсирующая ошибку алгоритма на высоких температурах. Однако в настоящий момент наиболее перспективной следует считать табличную поправку по температуре воздуха. Kt=F(Tвозд).

3) Наблюдается полное несоответствие зависимости GBC от температуры воздуха, что позволяет усомнится либо в самой теории либо в методике измерения температуры на впуске. В этом направлении явно надо будет поработать.

Составляющая давления в расчете GBC.

Первоначальный алгоритм определяющий влияние давления Pa выглядел так - Pa = Pintake * Fgbccorr(rpm,thr) 

Однако достоверно известно, что влияние Pintake на GBC не линейно в некоторых диапазонах работы двигателя, это четко видно по логам поведения системы на холостом ходу:

Первая идея устранения этой нелинейности была в том, чтоб перейти от фактора нагрузки по дросселю к фактору нагрузки по давлению. Pa = Pintake * Fgbccorr2(rpm,Pintake) подобный механизм уже был реализован в микропрограмме J5LS_V43, и осталось просто проверить его работу. Механизм регулирования поправки с фактором нагрузки было реализован в ПАК "Матрица", протестирован, но полученный результат оказался неудовлетворительным по нескольким причинам:

1) Поведение системы на ХХ при закрытом дросселе не вписывалось в картину поправки, точки в режимной области около хх при настройке имели очень большой дифферент. Все это проявлялось в неудовлетворительном поведении автомобиля при трогании (провал), смесь на хх приходилось сильно богатить. Характеристика поправки фактически являлась перемножением множества факторов - результирующая поверхность имела чрезвычайно сложную форму. Как правило в других системах управления при подобных подходах эти проблемы решаются созданием отдельных карт топливоподачи для холостого хода либо компенсационных поправок для холостого хода.

2) Наблюдение за фактором нагрузки по давлению показало, что обеспечить стационарность режимных точек по давлению в течении 3-4 запросов параметров системы управления практически не возможно. (в тоже время например дроссельная заслонка может удерживаться в любом стабильном положении бесконечно долго). Это усложняет задачу автоматической адаптации калибровки. Т.е. желательно, чтоб любая зависимость с использованием фактора давления изначально была задана жестко.

3) Обнаружилось, что в нескольких зонах режимной области поведение микропрограммы нестабильно, возможно причиной является пересечение таблицы состава по фактору дроссель с таблицей поправки по фактору давление. Эти зоны отражены зеленым и желтым цветом на графике, сама режимная область оказалась сильно суженой (система никогда не попадает в белые точки на графике):

В результате идея использования поправки по давлению для атмосферного двигателя была отвергнута!

Однако проблема от этого никуда не делась, и ее надо было решать. 2-м вариантом решения было ввести в формулу жестко заданный поправочный коэффициент, который будет являться функцией давления. Pa = Pintake * Fpcorr(Pintake) * Fgbccorr(rpm,thr)  Этот коэффициент получил название "Компенсация нелинейности давления", наклон и смещение графика фактически взят как ошибка функции ХХ.

Коэффициент имеет шаг 0.002 и диапазон от 0.5 до 1 Одновременно была изменен шаг поправки циклового наполнения с 0.008 до 0.004 для повышения точности настройки автомобиля. Первые же эксперименты с подобным алгоритмом дали следующую картину "Поправки циклового наполнения ДАД":

Как видно в зоне холостого хода и 100% нагрузки поведение алгоритма близко к идеальному. Это подтверждается и логами работы системы управления на холостом ходу, и видно по поведению автомобиля на всех режимах и оборотах:

А это рабочие режимы с подобным алгоритмом (логи сняты в режиме с отключенным регулированием):

Проблемные участки пространства режимных точек обозначены темно красным (богато) и ярко зеленым (бедно) цветами.

Однако счетчик показывает, что попадание в эти режимные точки было всего лишь 1 раз - что позволяет предположить нестационарный режим по нагрузке или оборотам.

Очевидно, что на высоких оборотах  влияние идет по пропорциональному закону, это приводит к вырастанию гор в поправке циклового наполнения. Причем тенденция перехода видна уже с 2000rpm.

  • Что-то воздушные шарики у вас бракованные!
  • А что, не надуваются?
  • Да нет, надуваются...
  • Лопаются?
  • Нет
  • А что???
  • Не радуют...

Вот и горы эти не радуют ни разу,  дальше началась уже борьба с ветряными мельницами. Очевидно, что горы надо было убирать. И чтоб их убрать была введена еще одна 3D поверхность - "степень влияния компенсации".

Pa = Pintake * [1-[1-Fpcorr(Pintake)] * Fpcorr2(rpm,thr)] * Fgbccorr(rpm,thr) 

pcorr2 на высоких нагрузках и ХХ имеет значение=1. На высоких оборотах и низких нагрузках =0. Кроме того чтоб не перегружать алгоритм расчета топливоподачи на высоких оборотах (5100) механизмы коррекции попросту отключаются. Теперь осталось выстроить таблицу pcorr2 таким образом, чтоб в зоне ХХ по нагрузке gbccorr стремилась к плоскости а по оборотам повторяла форму ВСХ. Для этого как обычно используется ПАК "Матрица" и программа трехмерного редактирования поверхностей Tunerpro.. Вот, что получилось в результате:

Однако новый алгоритм потребует тщательной проверки, прежде чем появится в очередном релизе программного обеспечения J5LS.

Еще статьи по теме:

  • Двухрежимные прошивки. Эконом+динамик
  • Настройка на Стенде или на Дороге?
  • ДМРВ или ДАД?
  • Датчик фаз - ставить или не ставить? Как правильно выбрать фазу впрыска?
  • "Матрица" и J5LS

  • Статьи по теме