Avto-Science.ru

Статьи по теме "Чип-тюнинг"

Телеметрия и Traction control для моно приводного автомобиля участвующего в соревнованиях по Drag Racing.

Задача разработки телеметрии возникла спонтанно в начале сезона Drag Racing 2005 года в процессе доводки автомобиля 2108-РПД командой DTT Motorsport. Доводка автомобиля должна была базироваться на тестах с применением объективных средствах оценки динамических характеристик, технически можно было использовать прибор G-tech PRO SS, однако как показала практика при последовательных замерах его точность была неудовлетворительной, поэтому очевидным решением было разработать собственную телеметрию. Кроме того планировалось создание системы контролирующей пробуксовку ведущих колес. Система разрабатывалась и отлаживалась на протяжении октября 2005 года ударными темпами.

Сердцем системы являлся однокристальный микроконтроллер C8051F023 производимый фирмой Silicon Laboratories. Микроконтроллер работает с тактовой частотой 14745600гц, что обеспечивает ему производительность около 14mips. (для сравнения ЭБУ Январь-7.2 - 2.66mips). Микроконтроллер имеет развитую систему периферии, что позволило реализовать практически всю обработку датчиков аппаратно с использованием модулей захвата. Поскольку микроконтроллер не имеет математического сопроцессора - 32-х разрядная целочисленная арифметика необходимая для решения задач расчета скорости и пробуксовки была реализована программно. Программирование микроконтроллера осуществляется внутрисхемно по интерфейсу JTAG.

К микроконтроллеру по протоколу I2C подключена энергонезависимая память 24C512 объемом 64к для оперативного сохранения результатов заездов и настроек системы.

Для связи микроконтроллера с ПК используется стандартный последовательный порт RS232 в асинхронном режиме 9600:8:N:1. согласование уровней RS232-TTL осуществляется посредством ИМС MAX232.

В качестве датчиков угловой скорости колес были применены решения аналогичные применяемым в современных системах АБС. Индуктивные датчики взяты от ГАЗ 3110 (передние) и ДПКВ ВАЗ-2112 (задние). Для ускорения процедуры разработки системы и обхода всех возможных "граблей" было принято решение позаимствовать входные каскады обработки сигналов с индуктивных датчиков из блока АБС фирмы BOSCH, с древнего автомобиля БМВ-5 где они были выполнены на специализированной ИМС разработанной BOSCH. Микросхема вместе с ее аналоговой обвязкой была переставлена в модуль управления и ее цифровые выходы были подключены непосредственно к микроконтроллеру.

Для участия в соревнованиях были спроектированы и изготовлены специальные стальные перфорированные тормозные диски толщиной 7мм. Применение подобных дисков позволяло одновременно решать множество задач:

1) Снижение общей массы автомобиля (экономия порядка 8кг).

2) Уменьшение момента инерции колес автомобиля.

3) Коэффициент трения колодок по стали как правило выше, чем по чугуну, что позволяло развивать больший тормозной момент.

4) Часть диска служит реперной областью для датчика угловой скорости.

Поскольку циклические торможения в DRAG Racing отсутствуют и нет ограничений на выбор фрикционных составов для колодок - теплоемкость диска и площадь рассеивания не имеют значения! Первое же испытание дисков показало их великолепную работоспособность, и возможность их дальнейшего практического использования.

Устройство управления имеет разъем для стыковки с собственной оригинальной проводкой, являющейся частью моторной проводки, куда подаются следующие сигналы:

- Напряжение питания из бортовой сети автомобиля (8-17v 0.2A)

- 4 входа с индуктивных датчиков угловой скорости колес.

- Вход "положение дросселя", аналоговый.

- Вход "обороты двигателя", дискретный.

- Вход "состояние сцепления", дискретный.

- Вход "Впрыск закиси азота - кнопка", дискретный.

- Выход "пропуск воспламенения", дискретный.

- Выход "разрешение закиси азота",дискретный.

В финальной версии системы 2005 года были реализованы следующие алгоритмы:

Определение и сохранение в лог файл в формате CVS параметров движущегося автомобиля:

- Время на пути 402м. дискретность 1мс. Путь автомобиля рассчитывался по числу оборотов ведомых колес. Время - внутренней подсистемой времени.

- Скорость на выходе 402м. Рассчитывалась как мгновенная угловая скорость ведомых колес в момент пересечения воображаемой линии финиша.

- Разгон до скорости 100 км/ч. дискретность 1мс.

- Обороты двигателя. Получаются путем заполнения интервала поворота двигателя на 180 градусов импульсами частоты 230400гц (период 4.34мкс) и деления константы 6912000 на полученное в результате такого заполнения количество импульсов, ошибка в определении оборотов при равноускоренном движении эксцентрикового вала составляет не более 0.17%.

- Положение дросселя. Считываются с среднего вывода ДПДЗ встроенным в микроконтроллер АЦП. Калибровки начальное положение и множитель для дросселя задаются в окне монитора, и могут быть оперативно подстроены при переносе системы на другой двигатель.

- Состояние входов (Кнопка "Закись" и сцепление).

- Максимальная скорость автомобиля достигнутая в заезде.

- Среднее время переключения передач (для каждой передачи) (анализ ускорения от передачи и состояния сцепления).

- Тормозной путь автомобиля. (м). (анализ пути от скорости по лог)

- Путь пройденный каждым колесом автомобиля.

- Угловая скорость каждого колеса автомобиля на каждом отрезке пути.

- Коэффициенты пробуксовки ведущих колес автомобиля LF/LR, RF/RL, работа самоблокирующегося дифференциала автомобиля (LF/RF)

Управление впрыском закиси азота с возможностью блокировки подачи закиси в определенных режимах по оборотам, скорости автомобиля, положению дросселя.

 Управление моментом роторного двигателя путем вырезания отдельных импульсов зажигания  (контролируемая потеря момента) по программам Traction и Launch control.

Диагностика датчиков и включение аварийных алгоритмов при отказе одного или 2-х колесных датчиков в процессе гонки.

Структура программы управления посредством машины состояний реализует следующие конечные задачи.

Приоритет 0:

- Определение пробуксовки по левому борту автомобиля.

- Определение пробуксовки по правому борту автомобиля.

- Определение пробуксовки ведущих колес друг относительно друга (работа дифференциала повышенного трения).

- Определение оборотов двигателя.

- Определение скорости автомобиля.

- Определение состояния автомобиля (остановлен,или движется) и переходов между состояниями.

- Определение общей пробуксовки, как фактора управления потерями момента двигателя.

- Программа "Traction" (потери момента двигателя на основании пробуксовки ведущих колес)

- Расчет пути автомобиля и отсечка момента 402м.

- Определение положения дроссельной заслонки.

- Программа "Закись азота".

- Программа "Launch". (потери момента двигателя на 1 передаче при старте на основании оборотов двигателя).

- Задача сохранения параметров в энергонезависимой памяти.

Приоритет 1:

- Таймер 1мс - обеспечивает тайминг любых событий в системе с дискретностью 1 мс.

- Связь с компьютером.

- Определение угловой скорости и пути для каждого колеса автомобиля.

Теоретические аспекты работы системы.

Скорость автомобиля при равномерном прямолинейном движении может быть выражена функцией угловой скорости его ведомого колеса V=w * Rk  где w - угловая скорость колеса, Rk - радиус качения.

В свою очередь радиус качения может быть определен как Rk=Rst + F1(w) где Rst - статический радиус колеса, F(w) функция угловой скорости колеса, учитывающая изменение нагрузки на колесо при действии подъемных (прижимающих) сил на ведомую ось в процессе движения автомобиля а также функция центробежных сил в самом колесе. Rst - для каждого автомобиля с конкретным колесом константа, которая определяется типом и размерностью резины и статической нагрузкой на ведомую ось.

Таким образом для любого ведомого колеса V=w * const * F2(w) при этом значение F2(w) может быть легко получено прямыми измерениями зависимости Rst от статической нагрузки на ось, а центробежная составляющая  измерением веса покрышки.

Для ведущего колеса формула несколько сложнее поскольку она должна учитывать момент передаваемый на колесо, однако в данной версии системы используются упрощенные модели, поэтому значения скорости ведущего колеса вычисляются по тем же принципам, что и у ведомого, но с другими коэффициентами (на автомобиле колеса спереди и сзади разные).

Текущая включенная передача является функцией оборотов и скорости. GEAR=F(RPM/V).

Коэффициент пробуксовки - это отношение скоростей колес на разных осях Kt=Vf/Vr

Желаемые потери момента для Traction могут быть выражены как Nloss = F(time,Kt,V,THR,RPM,GEAR....) Настройки алгоритма позволяют определять допустимый порог пробуксовки колес, фактически алгоритм представляет собой ПИД регулятор где П И Д коэффициенты являются функциями оборотов, дросселя и передачи, а ошибка - разницей текущего и желаемого коэффициента пробуксовки.

Для Launch вместо потерь задается ограничение оборотов как функция времени RPMlim=F(time).

Испытания системы на автомобиле.

7 октября 2005 года система была смонтирована на автомобиль, первый же запуск показал, что при полном дросселе устройство может держать обороты двигателя на любом значении от 1000 rpm, при этом факел пламени от выхлопной трубы создаваемый несгоревшим топливом достигал 1 метра.

Программа испытаний на дороге:

12 октября - Киевское шоссе, пилотировал Дима 3x3. Тестирование пробных программ Traction, в программу тестов входила первоначальная тарировка системы с использованием GPS модуля и поверка результатов по километровым столбикам.

14 октября - Горьковское шоссе, пилотировал Дима 3x3. Тестирование пробных моделей Launch, поиск оптимального закона ограничения оборотов при старте на 1 передаче.

15 октября - Горьковское шоссе, пилотировал "Профессор". Тренировка. Лучший результат 13.5c(177) 5.5c(100)

15 октября - Киевское шоссе, пилотировал Дима 3x3. В режиме телеметрирования на мокрой дороге была проверенна различная резина из имеющихся (дождевая гудиер и сухая avs). По мокрому гудиер опережала "еку" в среднем на 1 секунду.

22 октября - параллельная дорожка в Тушино,пилотировал Профессор. Цель тестовых заездов - определение конкурентных характеристик свежесобранного двигателя ВАЗ-415 и настройка системы traction control на покрытие и резину.

Результаты 3-х последовательных заездов по параллельной дорожке c подбором коэффициентов для Traction (режим launch отключен):

13.5c(169) 5.3c(100)

13.2c(175) 5c(100)

13.1c(173) 4.9c(100)

Финальный заезд (машина легче на 65кг - это мой вес ;)) первый боевой выезд:

13.1c(177) 5.1c(100)

Система сработала четко - на старте Профессор пытался прогреть колеса, но она не дала ему это сделать провалив все попытки побуксовать. В результате оказалось, что продвинутой системе мы забыли сделать банальный выключатель. 😉

На этом работы по развитию системы 1-го поколения были остановлены. Однако правильные выводы из всех ошибок были 2005 года по конструкции драгстера все же были сделаны, что позволило в 2006 году ускорить более тяжелый кузов ВАЗ-2110 минимум на 1 секунду по отношению к 2005 году, а также дало неоценимый опыт который будет использован при разработке системы traction второго поколения.

Концепция системы DRAG-TCM второго поколения:

1) Полностью адаптивная без необходимости ручной подстройки. Все конечные настройки при смене резины должны быть введены автоматически.

2) Для определения реальной скорости автомобиля используются акселерометры, а не индуктивные датчики, что снижает себестоимость системы и упрощает ее реализацию.

3) Система реализована как дочерняя плата к эбу Январь-5-7 с микропрограммой J5LS, размещенная в корпусе ЭБУ с собственным процессором обработки информации.

4) Доводка системы планируется на 2007 год.

Фото элементов системы 2005 года.

Сердце системы - микроконтроллер на макетной плате.

Тормозной диск переднего колеса с реперной областью.

Датчик угловой скорости колеса.

Датчик состояния сцепления.

Пример графика - "Время - Обороты - скорость" полученный на тестовых заездах на полигоне в подмосковном городе Серпухове. Автомобиль 2110-РПД ВАЗ-415 , разгон до 100км.ч - 4.9c; время на пути 402м - 12.85c Диапазон оборотов двигателя - 7500-10000, средние потери времени на переключениях передач - 0.5c, скорость автомобиля на выходе - 185 км.ч

Программа для снятия логов.

 

Модернизация системы для управления длинной впускного тракта роторного двигателя РД-321 установленного на автомобиле ВАЗ-2110 в 2007 году.

Работы по модернизации системы были проведены в августе 2007 года для решения задачи управления длинной впускного тракта роторного двигателя. Изменение длинны обеспечивает шаговый двигатель с ременной передачей к движущемуся лафету, шарнирно связанному с дудками изготовленными из ПТФЭ с высокой точностью, обеспечивающую подвижность конструкции "труба в трубе".

Контроль текущего положения лафета в рабочей зоне движения (150мм) обеспечивает потенциометрический датчик линейных перемещений производства английской фирмы - PI Research PN: 01G-233036. Контроллер подает на датчик опорное напряжение 5v, положение считывается встроенным в микропроцессор АЦП. Дискретность определения положения в данной реализации составляет 0.58мм на шаг ацп.

Желаемое положение лафета задается в калибровках устройства как функция оборотов двигателя target=F(rpm). и может быть быстро изменено в мониторе системы.  Кроме того реализован тест позволяющий задавать и менять желаемое положение в ручную.

На основе разницы желаемого и текущего положения лафетов контроллер устанавливает на выходе дискретный сигнал "направление" и вырабатывает определенное количество импульсов "шаг" которые поступают на контроллер шагового двигателя, при этом для преодоления момента инерции покоя контроллер обеспечивает разгон шагового двигателя путем управления периодом импульса "шаг", и таким образом увеличивает момент на валу двигателя в момент начала движения конструкции.

Контроллер шагового двигателя обеспечивает полное управление двигателем по 2-м дискретным сигналам включая стабилизацию тока и формирование необходимых последовательностей управления, контроллер питается от источника тока с напряжением 28в.

Несомненно достаточно большой проблемой калибровки систем управления многоцилиндровых двигателей, является дисбаланс форсунок вызванный разбросом их производительности, либо их эксплуатационным засорением. А так же разница в наполнении двигателя воздухом вызванная геометрией ресивера. Разработка способа адекватного определения по цилиндрового состава смеси могла бы упростить как саму калибровку автомобиля так и диагностику двигателя при калибровке. Поскольку могут быть получены дополнительные объективные критерии оценки производительности форсунок, а так же процессов горения в конкретных цилиндрах. Может быть объективно обоснованна необходимость демонтажа и проливки форсунок на стенде. И возможно даже решены многие проблемы, так или иначе связанные с разбросом, как по наполнению воздухом отдельных цилиндров, так и по производительности каждой конкретной форсунки в цилиндре. В конечном счете возможно повысить общую надежность двигателя избежав обеднения отдельных цилиндров.

Теоретически исходя из информации о принципе действия приборов LC-1 расположенной на официальном сайте innovate motorsport, можно заключить, что контроллер позволяет получать отклик на изменение состава смеси за достаточно небольшое время - около 20мс. Интервал рабочего цикла у двигателя работающего на холостом ходу на частоте 1000rpm - 30мс. Таким образом теоретически есть возможность на ХХ селективно измерить состав в каждом цилиндре двигателя в отдельности, если использовать систему встроенной угловой синхронизации положения коленчатого вала, а использование высокоскоростного протокола в J5LS позволило бы передать результаты каждого такого измерения в компьютер.  Для чего в микропрограмме J5LS и программно аппаратном комплексе "Матрица" реализуются следующие функции:

1) Одна константа производительности форсунок заменяется 4-мя, селекция действующей константы производится диспетчером при расчете по цилиндрового времени впрыска только в фазированном режиме. Это позволяет производить исследования, искусственно обогащая или обедняя любой цилиндр и в последующем корректировать производительность форсунок в случае применения датчика фаз. В попарно - параллельном режиме, как  и прежде будет использоваться одна константа.

2) Опрос ШДК производится в заданном угловом интервале коленчатого вала, c последующим накоплением в 4-х различных ячейках индивидуальных значениях состава смеси. Функция в виде 3D поверхности определяет угловое положение точек опроса и позволяет производить их сдвиг. Значения в ней рассчитываются на основе моделирования газодинамики выхлопного тракта и времени реакции датчика кислорода, для точной привязки по углу и таким образом - к конкретному цилиндру.

3) Полученные ячейки с высокой скоростью передаются по каналу K-line и результаты измерений индицируются встроенным в ПАК "Матрица" осциллографом и могут быть сохранены в cvs для дальнейшей обработки.

В мае 2007 года был проведен ряд исследований показавших несостоятельность данной идеи, поскольку в реальности искусственно симулируемое обеднение отдельных цилиндров не выделялось  в общем фоне сигналов с ШДК с учетом угловой селекции. Возможно стоит вернутся к этой идее позже, если будет разработан и реализован собственный ШДК контроллер...

Тема измерения ускорения коленчатого вала давно будоражит мозги тюнеров, давайте рассмотрим по порядку основные моменты предыстории, которые побудили меня в частности заняться такими измерениями:

Первая известная мне практическая реализация подобной "измерялки" была разработана черт знает когда в  ОКБ Двигатель, сейчас на сайте имеется только упоминание о ней http://www.raspredval.ru/index.phtml?page=2 включающее эту фотографию.

из фото можно понять что приборчик подключается к порту LPT компьютера. Кроме того в интернете доступны патенты которые положены в его основу которые в настоящий момент прекратили действие. http://www.fips.ru/cdfi/fips.dll?ty=49&docid=2280244&lb=1 http://www.fips.ru/cdfi/fips.dll?ty=49&docid=2004107858&lb=1

Прибор быстро распространился по дилерам - в частности вариант попал в Карбтюнинг и в Алекс Моторспорт. Следует сказать, что в момент реального появления прибора мы уже регулярно занимались замерами мощности двигателей ВАЗ в основном на колесном стенде BOSCH FLA-203 смонтированном в фирме АОЯМА моторс. И несомненно заявления "там какие-то... мощность мерят без всякого стенда" не могли не остаться без внимания. В это время инжекторные двигатели еще небыли так сильно распространены и проблематика их измерения не стояла. Вскоре эта тема затихла, но до сих пор можно встретить в форумах упоминание Динамик Мотор Тестера.

Следующий всплеск эйфории замеров был связан с разработкой программы PowerTest, Антоном Сагдаковым (Toxa_22171) о чем можно прочитать на форуме Аллента http://www.allent.ru/forum/showthread.php?s=&threadid=163 Cуть программы заключалась в подключении катушки зажигания (модуля) через резисторный делитель к входу sb. Программа обеспечивала запись разгона двигателя в файл wav с последующим анализом и построением графиков мощности и момента. Позже задачи измерения были возложены на микроконтроллер.

В 2004 году в журнале Микропроцессорные и цифровые системы выходит статья  И.Н. Бурдинского. [1] c описанием программно-аппаратного комплекса для подобных измерений и физических принципов его работы.

Ну и наконец в конце 2006 года нас ждала очередная "реинкарнация ДМТ", это прибор "ПИК ТеxT", разработка Юры(turbo) из Билкона. Cуть разработки - в разрыв ДПКВ подключается АЦП в виде карты PCMCIA с частотой дискретизации 96кгц (кстати на 10000 оборотах с ДПКВ сигнал всего 10кгц идет и вообще-то он дискретный cам по себе, простейший компаратор и логика переполнения как описано в [1] работали бы проще и лучше, зачем там вообще нужен АЦП, да еще и с такими характеристиками... Впрочем оставим это разработчикам).

Множество аналогичных разработок оставим за кадром - но в интернете можно без труда их найти если поставить перед собой такую задачу.

Что мы мерим.

Подробно описано в [1]. Мерим ускорение коленчатого вала, далее умножаем на момент инерции вращающихся масс (маховика c диском и корзиной сцепления, первичным валом кпп, коленчатым валом e.t.c) и получаем момент на валу двигателя, после этого умножаем момент на обороты и получаем мощность двигателя. Графически мощность и момент в зависимости от оборотов представляют собой внешнюю скоростную характеристику двигателя (ВСХ), именно ВСХ обычно является конечной целью таких замеров.

Как это происходит.

Обычно к машине подключается регистрирующее устройство (микроконтроллер и ноутбук). Двигатель на месте разгоняется до отсечки, при этом ускорение записывается и рисуется график.

Почему нельзя доверять таким результатам замеров ВСХ.

Для начала остановимся на методике замеров мощности двигателя в условиях обеспечивающих метрологически верные данные. Для такого замера двигатель необходимо демонтировать из автомобиля и установить на специальный моторный стенд, замер производят в установившихся (стационарных) режимах работы как самого двигателя так и его системы управления, когда обороты двигателя расход воздуха, УОЗ, и др - постоянны и нагрузка составляет 100%. При этом снимают момент на валу двигателя как правило с помощью системы типа весов или тензометрического датчика на плече рычага, закрепленного на свободно вращающемся корпусе тормоза, постепенно уменьшая тормозной момент в тормозе плавно проходят весь ряд оборотов двигателя по внешней скоростной характеристике, считывая показания момента. После этого момент и рассчитанную на его основе мощность двигателя приводят к нормальным условиям, используя специальные формулы пересчета определенные государственным стандартом и включающие температуру воздуха и давление воздуха в помещении где проводятся испытания. Это необходимо чтоб минимизировать влияния погоды на результаты замеров и обеспечить повторяемость результатов в любых погодных условиях. Стоит заметить, что точность измерения момента двигателя в такой методике практически зависит исключительно от 2-х вещей, знания плеча рычага на котором происходит измерение силы (можно измерить с точностью до микрона) и точности весов измеряющих эту силу (5 грамм не проблема даже для бытовых весов, это на плече 1 метр даст точность 0.05нм). Указанная выше методика дает наиболее истинные данные.

Почему же измерение ускорения коленчатого вала в момент его раскрутки не отражает мощность двигателя:

1) Система управления работает в нестационарном режиме, поэтому момент полученный  при измерении ускорения маховика и момент двигателя полученный на моторном стенде не будут иметь между собой ничего общего.

2) Исходя из 1 не имеет смысла решение проблемы поиска момента инерции вращающихся масс системы, путем моделирования распределения масс ее элементов, либо по упрощенной схеме (взвешивание и измерение линейных размеров), так как коэффициент должен не просто отражать момент инерции масс но и исправлять ошибки возникшие по причине первого пункта.

3) Измерение мощности двигателя колесным стендом на самом деле производится по эмпирическим методикам и не может быть использовано для получения вышеописанного коэффициента, поскольку саму мощность с колесного стенда нельзя считать истиной.

Кроме того измерять ускорение подобными методиками для некоторых двигателей попросту опасно. Поскольку алгоритмы отключения топливоподачи в двигателе позволяют при отсутствии нагрузки на двигатель сильно превышать планку оборотов отсечки, что может вызвать его механическое повреждение (вплоть до обрыва шатуна).

Остановимся подробнее на некоторых пунктах.

Стационарность в цифровых и аналоговых системах.

Принципы функционирования микропроцессорных систем управления двигателем и аналоговых систем управления несколько различны, это необходимо учитывать при проведении подобных измерений и чтоб нивелировать влияние не стационарности режима работы на результаты измерения. Либо понимать разницу, чтоб не проводить подобных измерений и не доверять их результатам (короче ерунда все это). Наиболее просто проблему описываемую в данном пункте можно объяснить на примере УОЗ двигателя. В аналоговой системе управления задающим устройством определяющим зависимость УОЗ от оборотов двигателя является механический распределитель - трамблер, характеристика УОЗ в таком двигателе определяется совокупно - начальным положением трамблера, весом грузиков и жесткостью пружинок в центробежном регуляторе. Основное свойство такой системы - изменение оборотов приводит практически к мгновенному изменению УОЗ. Микропроцессорная система управления реального времени не может обеспечить подобного изменения, поскольку построена на совсем других принципах. Она реализует конечное множество алгоритмов управления двигателем, что неизбежно приводит к возникновению задержек (их могут называть лагами) между отдельными событиями цепочке задач выполняемых в системе управления. Опишем подробнее как происходит установка УОЗ в микропроцессорной системе и откуда берется задержка:

Система управления должна определить обороты двигателя. Для такого определения она производит подсчет времени поворота коленчатого вала на 180 градусов. Если ускорение коленчатого вала = 0 - результат такого вычисления абсолютно точный (в пределах разрядности и точности таймера времени). Если движение коленчатого вала равноускоренное - результатом будут обороты КВ но с запаздыванием на 180/2 (90 градусов поворота)  от момента их измерения. - это первая составляющая задержки.

Для расчета УОЗ система использует главный цикл вычислений, поскольку главный цикл вычислений синхронизирован с внутренней подсистемой времени и выполняется с интервалом 20мс - он может вносить в вычисление УОЗ задержку от 0 до 20мс.

Вычисленное значение УОЗ может использоваться не сразу, а с интервалом от 0 до 180 градусов поворота коленчатого вала, это связанно с тем, что передача данных в цикл управления зажиганием происходит в определенном угловом интервале -  за 66 градусов до ВМТ..

Таким образом  в случае вращения коленчатого вала с значительным  ускорением или замедлением  возникает динамическая ошибка по углу зажигания, максимальное значение которой определяется суммарным интервалом времени 0-20мс и интервалом поворота коленчатого вала на 90-270градусов.

К сожалению построение модели для математического описания этой ошибки является довольно сложной задачей, поэтому было решено измерить эту ошибку опытным путем, что стало возможным в микропрограмме J5LS. В результате вы можете на графике наблюдать как запаздывает реальный УОЗ (разреженная линия) во времени от необходимого (плотная линия) при резком ускорении коленчатого вала нагруженного только моментом инерции маховика. Как видно на картинке, график сдвинут во времени и в некоторых точках по оборотам ошибка уставки УОЗ может достигать 4-х градусов. Тест показывает, что при ускорении коленчатого вала достигаемом при измерении реализуемый УОЗ запаздывает от требуемого примерно на 1-1.5 оборота КВ. (сдвиг на 250-400 rpm)

Естественно не стационарность наблюдается не только по оборотам двигателя, нагрузка при измерении тоже изменяется. В частности при открытии дросселя до 100% растет давление в задроссельном пространстве, в работу вступают механизмы дополнительной топливоподачи (ускорительный насос). Первые же опыты показали, что влияние ускорительного насоса в диапазоне оборотов до 3000 чрезвычайно велико, так например при циклических замерах с полным отключением ускорнасоса в диапазоне 1500-3000 rpm наблюдаются ускорения коленчатого вала 6-7 rpm/ms, если в начале измерения на оборотах 1200rpm задать 270ед топливоподачи ускорнасоса - уже к 1500 rpm наблюдаются значения ускорения коленчатого вала 9.5rpm/ms. Что означает рост момента двигателя в этом диапазоне более чем на 40% однако в циклических замерах появляется некоторая нестабильность в диапазоне около 2000 rpm.

Как получают момент инерции вращающихся масс.

Момент инерции вращающихся масс теоретически можно рассчитать моделируя детали двигателя на компьютере, практически же его получают методом так называемого "подгона под ответ". Для этого некий двигатель с набором определенного железа (в основном это конечно маховик так как практически только им определяется этот момент) замеряют по указанному выше методу, и тут же в составе автомобиля его замеряют на колесном мощностном стенде заслуживающем доверия (уже смешно, не правда ли). Полученная разница в графиках является "коэффициентом подгона под ответ для двигателя подобной конструкции" (не стоит путать с моментом инерции поскольку реально он имеет с ним мало общего).

Если все  так плохо - зачем же этим заниматься.

Да, мы не можем точно померить ни мощность ни момент, но ведь ускорение то мы можем померить достаточно точно. И какую никакую - но маховик все же создает нагрузку. А следовательно мы можем изменяя параметры в системе управления оценивать их влияние на поведение двигателя по ускорению маховика. Основными параметрами влияющими на мощность двигателя заданными системой управления являются состав топливовоздушной смеси и угол опережения зажигания. Причем оценку влияния состава смеси достаточно сложно проводить в нестационарных условиях, кроме того критерии выбора составов определяются не только мощностью. C углом все немножко проще - оптимальный угол = максимальный момент. Практика показывает принципиальную возможность оценивать влияние УОЗ с достаточно высокой точностью - вплоть до 1-2 градуса, если учесть все ошибки вызванные работой двигателя в нестационарном режиме.

Цели и задачи измерения.

Автоматическая настройка УОЗ на внешней скоростной характеристике и возможно на режимах частичных нагрузок в атмосферном двигателе с микропрограммой J5LS.

Quod licet lovi, non licet bovi 

Изобретатели подобных измерителей не имели возможности серьезно влиять на поведение системы управления и с достаточной скоростью получать информацию о ее состоянии, что накладывало ограничение как на повторяемость измерений, так и на саму методику измерения. Реализация части алгоритма измерения непосредственно в прошивке J5LS позволила не только управлять процессом измерения, но и менять влияющие на работу двигателя параметры между циклами измерений. Измерение производится следующим образом - вы нажимаете педаль в пол и все! Двигатель раскручивается до оборотов отсечки заданных в окне монитора "Матрицы", при этом ускорение коленчатого вала сохраняется программой, после наступления отсечки прошивка полностью блокирует топливоподачу двигателя, коленчатый вал вращается с замедлением, при достижении нижнего порога отсечки (обычно 1500rpm) топливо снова включается и создается добавка с помощью механизмов аналогичных "ускорительному насосу", для компенсирования отсутствия топливной пленки на стенках двигателя. Двигатель снова раскучивается. Так обеспечивается цикличность замеров для последующего усреднения их  результатов. Программа может в процессе таких замеров снимать и запоминать в лог файле состояние необходимых переменных (уоз, лямбда, желаемый состав смеси, скорость автомобиля).

Высокоскоростной протокол связи J5LS.

Измерение ускорения с использованием штатного протокола связи KWP2000 потребовало бы накапливать достаточно большой объем информации и обеспечивать его асинхронную передачу в ПК, что привело бы к излишней перегрузке главного цикла обработкой протокола KWP2000, к тому же не позволило бы передавать в ПК некоторые параметры системы управления необходимые для таких измерений. Поэтому встала задача создания двунаправленного протокола передачи данных по каналу K-Line с высокой скоростью но не загружающей ПО с возможностью переключения KWP2000 <-> новый протокол. Задача была реализована путем перекладывания функции master устройства на ЭБУ. Фактически ЭБУ с заданным периодом времени инициирует передачу кадра из памяти в канал K-Line. Прием начинается сразу же по окончании кадра. Скорость связи была выбрана 57600 бод, что позволяет передавать пакеты в 50 байт с интервалами 15мс практически не загружая микроконтроллер в эбу.

Метод измерения ускорения.

После достаточно долгих мучений, проб и ошибок был рожден следующий метод измерения ускорения коленчатого вала. Для измерения используются интервалы углового поворота коленчатого вала на 18 градусов формируемые задающим диском ДПКВ. Такой интервал выбран чтоб исключить влияние отсутствующих зубьев номер 59 и 60 на задающем диске. Для  каждого интервала микропроцессором вычисляется время dT которое определяется как dT=T1-T0 где T0 время в начале интервала а T1 время в конце интервала. Время вычисляется с разрешением 6 микросекунд.

Для формирования информационного пакета используется накопление результатов опроса, методом последовательного суммирования интервалов с одновременным подсчетом числа зубьев N,  dTsumm=dT1+dT2+....dTn  суммирование происходит до тех пор, пока значение в сумматоре не превысит заданный в калибровке прошивки интервал времени (21.504мс). dTsumm > 21.504ms. Как только это произойдет - будет сформирован кадр для передачи в компьютер, а процесс накопления данных начнется заново. Реальные данные показывают, что dTsumm может колебаться в пределах 21.543 - 24.522 мс. от заданного из за реализации обработчика в цикле ДПКВ.

Информационный пакет передаваемый в компьютер содержит:

dTsumm - интервал времени с точностью 6 мкс.

 n - угол поворота коленчатого вала за указанный выше интервал в градусах * 18.

а также прочие параметры системы управления (УОЗ, состав смеси, лямбда, работа "ускорительного насоса").

Интервал 21.504мс был выбран после серии практических опытов, он позволяет получать график ускорения с числом точек 31-40 и достаточно неплохим распределением, для анализа результатов измерения как в ручную так и автоматически с помощью компьютера.

Для обеспечения лучшей повторяемости графиков в режиме замера прошивка блокирует механизмы смещения УОЗ по детонации и ограничения скорости изменения УОЗ, поскольку было замечено, что они сильно влияют на стабильность последовательных замеров.

Для расчета ускорения и оборотов двигателя ПАК "Матрица" использует 2 информационных пакета полученных от эбу - текущий dT1 N1 и предыдущий dT0 N0. Математически расчет ускорения производится следующим образом:

RPM1=500000 * N1/dT1

RPM0=500000 * N0/dT0

RPM=(RPM0+RPM1)/2

a=(RPM1-RPM0)*2/(dT0+dT1)

UOZ=(UOZ1+UOZ0)/2

Где: a - ускорение коленчатого вала (RPM за секунду).

RPM - обороты коленчатого вала.

UOZ - угол опережения зажигания.

Однако после тестирования и анализа графического влияния реализуемого УОЗ на ускорение маховика было решено немножко изменить методику, чтоб обеспечить более точное отражение вклада УОЗ в составляющую ускорения КВ, это обеспечивается небольшой задержкой оборотов и УОЗ относительно ускорения коленчатого вала:  RPM=RPM0 ; UOZ=UOZ0

Автоматическая коррекция УОЗ при измерениях ускорения.

Для обеспечения работы программы в автоматическом режиме необходимо изменять УОЗ в процессе замера, чтоб в последствии иметь возможность выбрать оптимальный УОЗ анализируя влияние таких изменений. Для этого в программе реализованы функции определения факта ускорения или замедления коленчатого вала, чтоб вести селекцию циклов измерений и обеспечивать заданное число циклов с нужным УОЗ. Так же в программе задаются пределы и шаг изменения УОЗ. Автоматику изменения УОЗ можно отключить, если целью измерения является например снятие логов топливоподачи с высокой скоростью или наблюдение за работой П регулятора УОЗ на холостом ходу...

Обработка результатов измерения.

В момент измерения никакой дополнительной обработки не предусмотрено, все данные просто сохраняются в log файле и отображаются в окне осциллографа.. В дальнейшем этот файл может быть проанализирован с помощью специальной функции ПАК "Матрица". Алгоритмы анализа файла реализуют следующие задачи:

1) Выделение из лога отдельных последовательных замеров (циклов ускорения двигателя) и отброс всех незначащих и ошибочных данных.

2) Сглаживание полученных графиков замеров по 7 точкам. (картинка иллюстрирует работу функции сглаживания)

3) Селекция замеров произведенных в одинаковых условиях (по смещению УОЗ и положению дросселя), фильтрация методом скользящее среднее, для получения результирующего графика момента, соответствующего выбранным условиям с одновременным приведением графика в координаты сетки оборотов загруженной микропрограммы J5LS с разрядностью 32 точки по оборотам.

Вот реальный пример таблицы полученной на этом этапе. (отсечка 6000)

В таблице четко видно как изменяется ускорение коленчатого вала при смещении уоз от некоторой позиции на +6 -6 градусов. Очень сильно сказывается влияние УОЗ на низких оборотах. На высоких оборотах вклад уоз в момент двигателя не так велик.

4) Отброс данных в точках на краях графиков, если имеет место основание считать их недостоверными (контроля отклонений крайних значений момента от значений полученных путем экстраполяции графика) В данном случае точка 6000 будет отброшена! Так же специальным алгоритмом отбрасываются точки в которых при тесте была обнаружена детонация.

5) Сохранение всех промежуточных результатов обработки в виде коротких лог файлов CSV для контроля алгоритмов обработчика.

6) Поиск оптимальной поправки текущей характеристики УОЗ для каждой режимной точки двигателя, по максимальному крутящему моменту, при этом если рост момента с увеличением угла не составляет более 2% - будет выбран заведомо поздний угол! Например для точки 4520 максимальный момент достигается на смещении 6 градусов (10.635), однако в результирующем отчете смещения не будет, поскольку 10.546/(10.635/100)=99.1% что составляет менее 2% по моменту двигателя - следовательно с точки зрения некоторого запаса по УОЗ не имеет смысла делать в этом месте угол раньше на целых 6 градусов ради получения прибавки всего 0.9% по моменту.

7) Переход от шага сетки 32 точки по оборотам в шаг сетки 16 точек по оборотам (стандартный шаг в таблицах зажигания J5LS) с использованием функции фильтрации учитывающей значения в соседних точках.

8)  Формирование отчета с предложением оператору ПАК "Матрица" заменить калибровки УОЗ в прошивке ЭБУ в автоматическом режиме.

 

При нажатии клавиши "Принять" новые значения УОЗ немедленно будут записаны в инженерный ЭБУ. Программа позволяет производить настройку УОЗ как на полных (100% дросселя) так и на частичных нагрузках.

И все-таки замерам быть!

Естественно имея такую игрушку на определенном этапе чешутся руки простыми математическими действиями получить пусть не точно  - но мощность и момент. 😉 Зачем это надо - да хотя бы затем, чтоб определять оптимальные положения распределительных валов в автомобиле. Для этого для каждого двигателя вводится константа Jприв - приведенный момент инерции вращающихся деталей двигателя, которая может быть подобранна экспериментально или просто взята одинаковой для всех двигателей (нас ведь интересуют относительные значения которые являются результатом изменений, за абсолютными надо будет съездить на моторный стенд). Кроме того поскольку комплекс позволяет снимать лог не только разгона но и торможения - может быть определена совокупная мощность механических потерь. Итак на картинке результат 2-х замеров. Бордовый - с распределительными валами в штатных метках (мощностная настройка), а темно-синий - с распределительными валами вперед на ползуба по шестерне (моментная настройка). На графиках отчетливо видно как уменьшился момент с 1000-5000 и вырос с 5000-7000 при смещении валов. Нижняя линия - мощность совокупных механических потерь в двигателе. Причиной некоторого уменьшения механических потерь при "мощностной" настройке распределительных валов является снижение общего сопротивления на впуске и таким образом снижение насосных потерь в двигателе, которые являются частью механических потерь.

Что дальше?

Наблюдение, анализ результатов, проверка на вменяемость и совершенствование алгоритмов настройки УОЗ для получения информации о целесообразности практического применения описанной методики для настройки атмосферных двигателей. Как только алгоритмы настройки УОЗ будут полностью протестированы и выйдет релиз микропрограммы J5LS_L46 - функции замера ускорения станут доступны пользователям ПАК "Матрица".