Введение
Современные транспортные средства уже тяжело представить без сложных систем управления, в 2000 году доля электроники в транспортных средствах составляла 22% стоимости и последующий рост до 35% [2]. Современные автоматические коробки передач имеют систему управления, тесно связанную с блоком управления двигателем, что позволяет снижать крутящий момент и частоту вращения при переключении за счет управления двигателем. С каждым годом требования по экологическим параметрам становятся все жестче, также становится лучше экономичность двигателей. Однако не стоит забывать о мощностных показателях двигателей, которые являются не менее важными для потребителей. Двигатели внутреннего сгорания с системами изменения фаз газораспределения зарекомендовали себя уже давно, использовать изменения фаз можно по-разному, тем самым обеспечивать экономичность и повышать мощностные параметры двигателя. Не меньшее внимание уделяется экологическим показателям автомобиля, выполнить которые без микропроцессорного управления силовым агрегатом невозможно [1]. В ходе научно-исследовательской работы по созданию двигателя с изменяемыми фазами газораспределения было разработано программное обеспечение, основной задачей которого является отладка системы управления и дальнейшее управление изменяемыми фазами при работе двигателя.
Программное обеспечение
Программное обеспечение (ПО) микропроцессорной системы управления газораспределением разработано на языке Lab View G от компании National Instruments для систем реального времени. Основной задачей разработанного ПО является отладка системы управления фазами газораспределения и дальнейшее обеспечение работы двигателя внутреннего сгорания с изменяемыми фазами газораспределения. Функционально ПО работает в блоке управления системой изменения фаз газораспределения совместно со стандартным электронным блоком управления ДВС, который получает информацию как от стандартных датчиков двигателя, так и от дополнительно установленных (датчики положения распределительных валов, которые используются для синхронизации управления элементами с рабочим процессом двигателя [4]). На основании полученной с датчиков информации ПО управляет системой изменения фаз газораспределения в соответствии с заданными параметрами. В состав ПО входит также графический интерфейс пользователя, позволяющий визуализировать параметры текущего режима работы ДВС и системы газораспределения, а также задать параметры различных режимов работы.
Программное обеспечение выполняет следующие функции.
1. Автоматическое управление процессом газораспределения и топливоподачей в рамках системы управления ДВС.
2. Ручное управление процессом газораспределения и топливоподачей.
3. Визуализация параметров работы ДВС и системы управления газораспределением и топливоподачей.
4. Задание параметров режимов работы системы газораспределения и топливоподачи.
5. Добавление и(или) удаление новых режимов работы системы.
6. Сохранение данных работы системы в формате программы Excel.
Графический интерфейс пользователя
Программное обеспечение разработано для работы с применением контроллера реального времени National Instruments CompactRIO-9012, который подключается к датчикам системы управления, исполнительным механизмам и соединяется с персональным компьютером по локальной сети для работы с графическим интерфейсом (рисунок 1).
Рисунок 1 - Графический интерфейс
Графический интерфейс интуитивно понятен для пользователя. Он содержит две вкладки.
1. Окно управления - отображает текущее состояние системы изменения фаз газораспределения и параметры управления двигателем и позволяет изменять значения фаз газораспределения в ручном режиме.
2. Окно задания параметров режимов - позволяет задавать условия перехода на заданный режим работы двигателя и значения фаз газораспределения для автоматического регулирования.
Окно управления содержит графическое отображение:
- частоты вращения коленчатого вала двигателя;
- ускорения коленчатого вала;
- температуры охлаждающей жидкости;
- диаграмм фаз газораспределения валов относительно верхней мертвой точки (ВМТ);
- угла опережения зажигания;
- цикловой подачи топлива.
В правой части интерфейса выводятся числовые данные с графических диаграмм и данные с датчиков двигателя.
Нижняя часть интерфейса отображает текущий режим работы двигателя и позволяет переключить систему в режим ручной настройки фаз газораспределения, в котором с помощью регуляторов или задания числового значения можно изменять фазы, при необходимости можно включит запись протокола событий или вывести данные в таблицу Excel.
Использование программного обеспечения
После установки двигателя с системой изменения фаз газораспределения на испытательный стенд и подключения всех систем управления запускается программное обеспечение и начинается процесс отладки режимов. Функция ручного управления позволяет пользователю задавать параметры управления процессом газораспределения и топливоподачи непосредственно из главного окна программы. Такая функция позволяет проводить лабораторные испытания системы и более точно настраивать ее параметры работы в разных режимах. После определения оптимальных фаз газораспределения для определенного режима работы открывается окно задания параметров режимов (рисунок 2).
Рисунок 2 - Окно задания параметров режимов
В окне задания параметров режимов есть возможность добавить новые режимы работы и редактировать параметры уже внесенных. При добавлении нового режима задается его название и параметры данного режима:
· минимальное и максимальное значения температуры охлаждающей жидкости;
· минимальное и максимальное значения частоты вращения вала;
· минимальное и максимальное значения углового ускорения вала;
· минимальное и максимальное значения массового расхода воздух;
· минимальное и максимальное значения педали акселератора;
· минимальное и максимальное значения дроссельной заслонки;
· значения уставок углов впускного (РВ1) и выпускного (РВ2) распределительных валов.
Так же существует возможность удалять созданные режимы.
Работа блока управления фазами газораспределения с разработанным ПО
В процессе работы двигателя с системой изменения фаз газораспределения управление фазами происходит по алгоритму, представленному на рисунке 3.
Рисунок 3 - Алгоритм работы системы изменения фаз (ДПКВ - датчик положения коленчатого вала; ДПРВ1 - датчик положения распределительного вала; ДПРВ2 - датчик положения распределительного выпускного вала; ДМРВ - датчик массового расхода воздуха; ДТОЖ - датчик температуры охлаждающей жидкости; ДК - датчик кислорода; ДД - датчик детонации)
При автоматическом управлении газораспределением и топливоподачей программа самостоятельно выбирает параметры газораспределения и топливоподачи в соответствии с текущим режимом работы. Также программа автоматически осуществляет переход из одного режима работы в другой, основываясь на критериях работы каждого режима и на показаниях датчиков системы. В автоматическом режиме работы пользователь (оператор) может наблюдать параметры функционирования системы в главном окне программы.
Заключение
В большинстве двигателей используются схожие по принципу работы датчики и элементы управления, поэтому при соответствующей тарировке блок управления системой изменения фаз газораспределения с программным обеспечением может быть применен для вновь разрабатываемых систем изменения фаз, их настройки и отладки, а также использоваться для проведения научных исследований в данной области и на испытательных стендах. Блок управления системой изменения фаз газораспределения с разработанным ПО создан в ходе выполнения работ по государственному контракту № 16.526.12.6007 от 08 июля 2011 г. при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Рецензенты:
Химич В.Л., д.т.н., профессор, Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.
Ерохов В.И., д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), г. Москва.