Автоматизированная система испытаний каталитических нейтрализаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Самарский государственный аэрокосмический университет

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИСПЫТАНИЙ КАТАЛИТИЧЕСКИХ НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ

С.А. Прохоров, А.С. Скрыпка

Аннотация

автоматизированный нейтрализатор двигатель система

Рассмотрена автоматизированная система управления, предназначенная для проведения широкого круга испытаний нейтрализаторов в составе ДВС. Описаны структура и функциональные возможности системы.

Ключевые слова: АСНИ, ДВС, каталитический нейтрализатор, испытания.

Annotation

AUTOMATED SYSTEM OF CATALYST CONVERTERS SERVICE TESTING

S.A. Prokhorov, A.S. Skrypka Samara State Aerospace University

This article is devoted to automated control system for service testing catalyst converters of internal-combustion engines. Structure and functional capabilities of system are described.

Keywords: ACS for research activities, internal-combustion engine, catalyst converter, service testing

Основная часть

Ужесточение норм содержания токсичных компонент в составе отработавших газов автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на всех этапах их эксплуатации, а именно принятие норм ЕВРО-3 и планирующееся к 2010 году принятие норм ЕВРО-4, требует от производителей ДВС и автомобилей доводки серийно выпускаемых образцов и разработки новых с учетом указанных норм. Для выполнения данных требований необходимы комплексные решения как по двигателю, системам подачи топлива и отвода отработавших газов, так и по конструкции автомобиля в целом. Центральное же место занимают задачи, связанные с совершенствованием каталитических нейтрализаторов ДВС.

Каталитический нейтрализатор представляет собой конструкцию в виде трубы, как правило, круглого или эллиптического сечения, заполненной для увеличения активной площади пористым жаропрочным материалом (например, керамика или навивка перфорированной фольгой), на который нанесен сравнительно тонкий слой каталитического состава.

Нейтрализатор размещается в магистрали отвода отработавших газов ДВС. Принцип функционирования каталитического нейтрализатора можно упрощенно описать следующим образом: недогоревшие токсичные компоненты (среди них преобладают CO, CxHx, NOx) под действием высокой температуры отработавших газов вступают на поверхности каталитического слоя в реакции окисления кислородом (догорают), при этом выделяется дополнительное тепло, активизирующее протекание реакций окисления. В конечном итоге на выходе из нейтрализатора отработавшие газы содержат в основном экологически безвредные N₂ и СО₂.

Большое количество и сложность физико-химических процессов, протекающих в нейтрализаторе в нестационарных условиях, пока не позволяют построить адекватную теоретическую модель. Это означает, что создание новых и совершенствование существующих типов нейтрализаторов, в частности рецептур каталитических составов, требует проведения большого количества экспериментов. Кроме того, выработка ограничений и рекомендаций по серийному использованию нейтрализаторов также основывается преимущественно на экспериментальных данных. Все это требует создания мощной автоматизированной испытательной базы.

Для обеспечения длительной и эффективной работы конкретного экземпляра нейтрализатора, необходимо на протяжении всего срока его службы поддерживать заданный температурный режим, состав (качество) используемого топлива и определенный закон управления соотношением воздух/топливо (параметр ). Если качество топлива зависит исключительно от владельца автомобиля, то поддержание рекомендованного температурного режима и соотношения воздух/топливо является одной из главных функций бортовой системы управления двигателем. На рис. 1 показана зависимость степени конверсии различных веществ от соотношения воздух/топливо. Из рис. 1 видно, что эффективная работа нейтрализатора возможна только в окне бифункциональности.

Р и с. 1 Окно бифункциональности нейтрализатора

Длительное нахождение вне этой области может привести не только к увеличению выброса токсичных веществ, но и к отравлению каталитического слоя нейтрализатора и выходу его из строя.

Указанные особенности обусловливают необходимость создания системы управления ДВС, приспособленной для проведения большого числа различных экспериментов с каталитическими нейтрализаторами в ручном и автоматическом режимах. Система должна обеспечивать:

- изменение режимов и параметров работы ДВС в широких пределах, вплоть до опасных для конструкции ДВС и нейтрализатора;

- измерение и регистрацию всех требуемых в эксперименте параметров;

- быструю смену и подстройку алгоритмов управления, удобный и простой для неспециалистов в области программирования способ представления задаваемых алгоритмов и получаемых данных;

- автономное функционирование в автомобиле с целью проведения полигонных испытаний;

- функционирование в составе моторного стенда.

Применение для нужд экспериментальных исследований штатных систем управления ДВС, например, блоков серии «Январь» или Bosh M7.9.7, невозможно по целому ряду причин. Штатные системы управления создавались при оптимизации стоимости выпуска единицы продукции, и, как следствие, содержат только минимально необходимый набор измерительных и управляющих каналов. Кроме того, регистрация данных предусмотрена только в количестве, необходимом для диагностики исправности ДВС, изменение параметров управления допускается в очень ограниченных пределах, а микропрограммное обеспечение является собственностью производителя и недоступно для модификации.

Как следствие, требуется полная разработка новой системы управления ДВС, включающая в себя проектирование аппаратной части, разработку микропрограммного и программного обеспечения. Очень большой объем работ по задаче в такой формулировке вместе с ограниченными ресурсами и временем потребовал реализации экспериментальной системы управления ДВС эволюционным путем в два этапа.

На первом этапе работ был создан дополнительный блок управления, не являющийся функционально полной системой управления, а лишь выборочно замещающий некоторые функции штатного контроллера ДВС. При этом удалось избежать большого числа проблем, связанных с трудоемкой общей увязкой алгоритмов управления, затратами времени на реализацию функций системы управления, непосредственно не влияющих на топливоподачу и температурный режим нейтрализатора, но необходимых для нормального запуска и функционирования ДВС.

Применение полученного блока на моторном стенде лаборатории токсичности ООО «РосЭко» позволило решить наиболее срочные задачи предприятия: в значительной мере автоматизировать процесс проведения испытаний, существенно сократить сроки на испытание новых вариантов конструкций и технологий изготовления нейтрализаторов, обеспечить возможность уточнения параметров штатных алгоритмов управления ДВС.

Р и с. 2 Структура системы на первом этапе

Структура системы на первом этапе и её увязка со штатной системой управления двигателем (используется контроллер Bosh M7.9.7.) представлены на рис. 2.

Функционирование системы возможно в измерительном и управляющем режимах. В первом из них она обеспечивает только регистрацию и анализ данных с датчиков и не оказывает влияния на функционирование ДВС, то есть для штатного блока система по управлению является прозрачной. В состав датчиков входят аналоговые датчики температуры входного воздуха и температуры охлаждающей жидкости ДВС, датчик массового расхода воздуха, датчик положения дроссельной заслонки, два основных кислородных датчика, реагирующих на соотношения воздух/топливо - управляющий, установленный до нейтрализатора и диагностический - установленный после него. Для аналоговых датчиков по входу канала преобразования электрических величин обеспечивается разрешающая способность (погрешность, приведенная к диапазону) порядка 1Ч10-3, несколько завышенная для используемых в настоящее время датчиков, с целью обеспечения возможности перехода к более точным датчикам в дальнейшем. Период дискретизации для всех каналов и растр системы в целом составляет 10 мс. Кроме аналоговых датчиков предусмотрено подключение ряда дискретных, служащих синхросигналами и сигналами состояния двигателя, например датчика положения коленчатого вала.

Во втором режиме блок перехватывает управление форсунками впрыска топлива и регулятором холостого хода у штатного контроллера, что позволяет устанавливать любое требуемое соотношение воздух/топливо и ряд других параметров.

Блок управления выполнен на базе однокристального микроконтроллера (ОМК) семейства AVR фирмы Atmel и работает в связке со стандартной управляющей ПЭВМ. При этом задачи жесткого реального времени (например, формирование импульсов форсунок) реализуются средствами микропрограммного обеспечения на ОМК, а требующие значительных вычислительных ресурсов задачи исполнения предписанных пользователем алгоритмов управления реализуются на ПЭВМ. Такое разделение ядра системы позволило легко и быстро писать и отлаживать сложную систему исполнения на ПЭВМ и использовать её развитые средства представления информации, но, с другой стороны, сделало систему уязвимой к сбоям и временным рассогласованиям в канале передачи данных между ПЭВМ и ОМК, в качестве которого используется шина USB. Стенд ДВС и блок управления представлены на рис. 3.

Р и с. 3 Стенд ДВС и размещение блока управления

Для задаваемых алгоритмов управления было выбрано графическое схемное представление как более привычное для неспециалистов в области программирования. В рамках разработанной системы графического проектирования существуют понятия «входов», представляющих собой датчики и параметры состояния, «выходов», представляющих собой параметры управления и «функциональных блоков», осуществляющих различные преобразования сигналов, их регистрирование или представление пользователю. Пользователь интерактивно создает программу испытания, используя графические элементы типа «датчик», «задержка», «индикатор», «сумматор», «интегратор» и так далее. Функционально полный базовый набор блоков позволяет строить такие составные части программы, как ПИД-регуляторы, цифровые фильтры, формирователи произвольных временных диаграмм воздействий и прочее. На рис. 4 в качестве примера приведена схема автоматизированного испытания нейтрализатора на окно бифункциональности, а на рис. 5 - та же схема в процессе исполнения.

Р и с. 4 Схема автоматизированного испытания нейтрализатора на OSC

Р и с. 5 Схема автоматизированного испытания нейтрализатора на OSC в процессе исполнения

Внедрение гибридной системы управления в рамках первого этапа позволило решить наиболее срочные задачи предприятия, тем самым обеспечив ресурс времени для детальной разработки второго этапа - создания полной автономной системы управления ДВС. Кроме того, в ходе решения задач первого этапа был накоплен необходимый опыт проектирования и наладки систем управления ДВС.

На рис. 6 показан отчет по испытаниям одного образца.

Р и с. 6 Отчет по испытаниям образца

В рамках реализации второго этапа создается полностью автономная система управления ДВС с существенным расширением функциональных возможностей. Разрабатываемый блок управления способен полностью заменить штатный контроллер двигателя, сохранение штатного контроллера в системе управления обусловливается только необходимостью калибровок однотипных с ним контроллеров для серийных образцов. Все задачи по управлению двигателем и исполнению предписанной схемы выполняются автономным блоком. Для взаимодействия с оператором (если требуется) блок оборудуется ЖК-дисплеем, малоразмерным джойстиком и клавиатурой. ПЭВМ используется только для задания и компиляции схем, программирования блока, а также принятия накопленных за время эксперимента данных.

Резкое возрастание требований к вычислительным ресурсам привело к использованию высокопроизводительного 32-разрядного ARM микроконтроллера фирмы Atmel. Метрологические характеристики блока управления сохраняются.

Блок управления имеет магистрально-модульную организацию и допускает простое расширение своих функциональных возможностей. В базовый состав входят следующие модули:

- процессорный модуль с интерфейсом сопряжения USB;

- модуль управления впрыском и регулятором холостого хода;

- модуль управления зажиганием;

- модуль аналоговых датчиков и синхросигналов;

- модуль измерения и контроля температур;

- модуль индикации и управления.

Применение разрабатываемой автоматизированной системы позволяет существенно ускорить все виды работ лаборатории токсичности и стендовых испытаний ОО «РосЭко», а именно: освоение и разработку методик, наработку экспериментальной базы по оценке, доводке и созданию каталитических нейтрализаторов, в том числе и со специальными свойствами (искусственно состаренные образцы); проведение научно-исследовательских и экспериментальных работ с нейтрализаторами в составе автомобиля и на моторном стенде со следующими целями: разработка, оценка и освоение новых видов конструкции; применение новых материалов; улучшение качества и снижение затрат на выпуск готовой продукции; внедрение мероприятий по результатам проведения научно-исследовательских и экспериментальных работ для увеличения потенциального круга заказчиков и продвижение выпускаемой продукции на внутреннем и внешнем рынках; осуществление контроля качества готовой продукции, в том числе гарантийной, с целью определения соответствия действующим производственным стандартам и техническим условиям, экологическим стандартам и нормативам.

Библиографический список

1. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985. 556 с.

Размещено на Allbest.ru