Для автомобилей с дизелями все больше ужесточаются законодательно предписанные предельные значения содержания вредных составляющих в отработавших газах. Наряду с оптимизацией процесса сгорания топливовоздушной смеси все большее значение имеет управление и регулирование функций, связанных со снижением уровня токсичности отработавших газов. Большие возможности для этого предоставляет введение регулирования состава смеси.
Широкополосный лямбда-зонд 7 (λ- зонд) в выпускном тракте (рис. «Общая схема регулирования коэффициента избытка воздуха в дизеле легкового автомобиля») измеряет остаточное содержание кислорода в отработавших газах. Из этих данных можно рассчитать отношение воздуха и топлива (коэффициент избытка воздуха λ). Сигнал лямбда-зонда корректируется во время работы двигателя, благодаря чему достигается высокая точность сигнала в течение всего срока службы лямбда-зонда.
Рис. Общая схема регулирования коэффициента избытка воздуха в дизеле легкового автомобиля. 1. Дизель 2. Агрегаты системы впрыска (здесь система Common Rail 3. Регулирующая заслонка 4. Термопленочный датчик массового расхода воздуха 5. Турбонагнетатель (здесь нагнетатель с переменной геометрией турбины) 6. Блок управления работой дизеля 7. Широкополосный лямбда зонд 8. Клапан рециркуляции отработавших газов
Для регенерации накопительных нейтрализаторов NOx обязательно требуется контур регулирования состава смеси, который имеется на всех автомобилях с системой электронного регулирования работы дизеля.
Основные функции регулирования состава смеси
Компенсация давления
Исходный сигнал лямбда-зонда зависит от концентрации кислорода в отработавших газах, а также от давления отработавших газов в зоне установки лямбда-зонда. В связи с этим необходимо компенсировать влияние давления на сигнал лямбда-зонда.
Функция «компенсация давления» выбирается по полю характеристик давления отработавших газов в зависимости измерительного сигнала лямбда-зонда от давления. С помощью этих данных осуществляется коррекция измерительного сигнала на соответствующем рабочем режиме.
Адаптация лямбда-зонда
Адаптация лямбда-зонда проводится путем учета отклонения замеренной концентрации кислорода в атмосферном воздухе (около 21%) в режиме принудительного холостого хода. Таким образом, «запоминается» величина коррекции.
При этом отклонении, заложенном в память блока управления, замеренная концентрация кислорода может исправляться на каждом рабочем режиме двигателя. Таким образом, в течение всего срока эксплуатации лямбда-зонда осуществляется подача точного сигнала, компенсированного с учетом дрейфа его характеристики.
Регулирование рециркуляции отработавших газов по составу смеси
По сравнению с управлением рециркуляцией отработавших газов по расходу воздуха, определение содержания кислорода в отработавших газах лямбда зондом дает возможность установить узкое поле допусков на средний уровень эмиссии отработавших газов. Используя этот метод в дорожных испытаниях, проводимых по новому модифицированному Европейскому ездовому циклу, можно получить запас уровня эмиссии токсичных компонентов отработавших газов около 10…20% по отношению к возможным предельным нормам на них, принятым для Европейского сообщества.
Каскадное регулирование рециркуляции отработавших газов
При каскадном регулировании (рис. «Принципиальная схема рециркуляции отработавших газов с регулированием коэффициента избытка воздуха») контур регулирования состава смеси накладывается на обычный контур регулирования массового расхода воздуха, который используется в современных серийных автомобилях.
Рис. Принципиальная схема рециркуляции отработавших газов с регулированием коэффициента избытка воздуха.
С помощью регулирования массового расхода воздуха достигается хорошая динамика (быстрое реагирование на показания измерителя массового расхода воздуха). Внешний контур регулирования состава смеси улучшает точность работы системы рециркуляции отработавших газов.
Действительный массовый расход воздуха рассчитывается с использованием сигнала лямбда-зонда и заданной величины подачи топлива. Отклонение в регулировании между расчетным расходом воздуха и его заданной величиной (из поля характеристик рециркуляции отработавших газов) корректируется регулятором состава смеси.
При такой системе регулирования речь вдет в физическом смысле о регулировании состава смеси (вместо перехода на расчетный расход воздуха) как ведущей величины для рециркуляции отработавших газов (в противоположность регулированию состава смеси у бензиновых двигателей, где ведущей величиной является расход топлива).
Адаптация среднего значения расхода топлива
Адаптация среднего значения расхода дает точный сигнал цикловой подачи топлива для образования заданных значений связанных с отработавших газов контуров регулирования (например, регулирования рециркуляции отработавших газов, давления наддува, начала впрыскивания). Адаптация среднего значения величины цикловой подачи работает на нижних частичных нагрузках. Она определяет осредненное по всем цилиндрам отклонение величины подачи.
На рис. «Принципиальная схема адаптации среднего значения величины цикловой подачи в режиме работы «косвенный контроль»» показана принципиальная схема адаптации среднего значения величины цикловой подачи и его влияние на контуры регулирования, относящиеся к рециркуляции отработавших газов.
Рис. Принципиальная схема адаптации среднего значения величины цикловой подачи в режиме работы «косвенный контроль»
По сигналам лямбда-зонда и расхода воздуха рассчитывается величина цикловой подачи топлива, которая сравнивается с заданной. Разница записывается в поле характеристик адаптации в определенных «учебных точках». Этим обеспечивается коррекция величины подачи топлива (специфичная для каждого режима работы двигателя), которая без задержек определяется также и в динамических режимах.
Значения коррекции хранятся в перезаписываемой памяти блока управления и становятся доступны сразу при пуске двигателя.
Принципиально имеются два режима адаптации среднего значения цикловых подач, которые отличаются применением определенного отклонения величины подачи:
Режим косвенном контроля величины подачи топлива
В режиме косвенного контроля (рис. «Принципиальная схема адаптации среднего значения величины цикловой подачи в режиме работы «косвенный контроль»») точные значения величины подачи топлива используются как входная величина для различных полей характеристик заданных значений, относящихся к рециркуляции отработавших газов. Дозировка подачи топлива не корректируется.
Режим непосредственного контроля величины подачи топлива
В режиме непосредственного контроля для коррекции используется отклонение величины подачи. В результате реально впрыснутое в камеру сгорания количество топлива точнее соответствует заданной величине подачи. При этом речь идет о замкнутом контуре регулирования величины цикловой подачи.
Ограничение уровня дымности в режиме полной нагрузки
На рис. «Принципиальная схема ограничения уровня дымности в режиме полной нагрузки с использованием регулирования состава смеси» показана принципиальная схема структуры регулирования для ограничения уровня дымности в режиме полной нагрузки при наличии лямбда-зонда.
Рис. Принципиальная схема ограничения уровня дымности в режиме полной нагрузки с использованием регулирования состава смеси. λsoll — заданный состав смеси; λist — действительный состав смеси; Min — минимум
Целью является определение величины максимальной подачи, которая может впрыскиваться без превышения определенного уровня дымности.
По сигналам измерителя расхода воздуха и датчика частоты вращения коленчатого вала определяется требуемое значение коэффициента наполнения, исходя из параметров поля характеристик допустимого уровня дымности. Из этой величины вместе с расходом воздуха рассчитывается предварительное управляющее значение максимально допустимой величины подачи топлива.
Эта серийная схема управления сочетается с системой регулирования состава смеси. Регулятор состава смеси рассчитывает действительный и заданный составы смеси, а также коррекцию величины подачи топлива по разнице замеренных в отработавших газов концентраций остаточного кислорода. Суммируя предварительное значение и величину коррекции подачи, получают точное значение максимальной величины подачи топлива в режиме полной нагрузки.
При такой схеме достигается хорошая динамика предварительного управления и улучшенная точность регулирования состава смеси.
Распознавание нежелательного протекания процесса сгорания
С помощью сигнала лямбда-зонда можно распознать нежелательное протекание процесса сгорания в режиме принудительного холостого хода. Оно определяется в том случае, когда величина сигнала лямбда-зонда лежит ниже расчетного порогового значения. При нежелательном сгорании смеси двигатель может останавливаться закрытием регулирующей заслонки и клапана рециркуляции отработавших газов. Выявление нежелательного протекания процесса сгорания смеси направлено на дополнительное обеспечение оптимальной работы двигателя.
Выводы
С помощью процесса рециркуляции отработавших газов, регулируемого на основании отслеживания состава смеси, уровень эмиссии токсичных компонентов отработавших газов может существенно сократиться. Для этого применяются либо каскадное регулирование, либо адаптация среднего значения цикловых подач топлива.
Адаптация среднего значения цикловых подач позволяет точно управлять подачей топлива, что важно для обеспечения работы контуров регулирования, влияющих на уровень эмиссии (например, регулирование рециркуляции отработавших газов, давления наддува, начала впрыскивания).
Введением дополнительного регулирования состава смеси можно точно определить величину подачи топлива в режиме полной нагрузки и выявить нежелательное течение процесса сгорания.
Сверх того, высокая точность сигнала лямбда-зонда дает возможность использовать контур регулирования состава смеси для регенерации накопительного нейтрализатора NOx.
