Управление коэффициентом избытка воздуха с помощью модифицированного пропорционально-интегрального регулятора и предиктора Смита

Обоснование. Для выполнения двигателем с искровым зажиганием современных норм токсичности необходимо точное поддержание заданного состава смеси α в области стехиометрического значения (α=1,000) или с небольшими обогащениями (α=0,995…0,999). Достижение такой точности обеспечивается регулятором, работающим по обратной связи с датчиком состава смеси (lambda-зондом), установленным в выпускной системе двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Для устойчивой и быстрой работы такого регулятора возможность использования стандартного пропорционально-интегрального (ПИ) закона управления ограничена. Это обусловлено наличием значительной задержки между изменением состава смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания и реакцией lambda-зонда. Задержка приводит к перенакоплению интегральной части и, как следствие, некорректной работе регулятора.

Цель — повышение точности поддержания заданного состава смеси (α) в цилиндре двигателя внутреннего сгорания по обратной связи с lambda-зондом на переходных режимах.

Методы. Для достижения поставленной цели пропорционально-интегральный регулятор доработан моделью системы выпуска, прогнозирующей реакцию состава смеси на управляющее воздействие — изменение количества подаваемого топлива. Такой подход к регулированию носит название «предиктор Смита». Методика выполнения работы комплексная. Основные теоретические положения получены в результате аналитического обзора и расчётного моделирования, реализованы для системы управления двигателем внутреннего сгорания и проверены в результате моторных испытаний.

Результаты. Основные результаты получены в ходе моторных испытаний двигателей с искровым зажиганием 8ЧН 8,8/9,0 и 4ЧН 7,6/8,26. Показаны возможные значения динамических свойств выпускной системы. Так, например, постоянная времени и задержка для режима работы — n=1500 мин^-1 и коэффициента наполнения η_v=0,3 могут составлять T=0,23 c и θ=0,21 c соответственно. Это приводит к затягиванию переходных процессов и перерегулированию при изменении целевого состава смеси. Установлено, что благодаря разработанному в ходе исследования регулятору, удаётся полностью устранить перерегулирование, а время переходного процесса сократить в 1,6 раза.

Заключение. Разработанный метод управления коэффициентом избытка подтвердил свою функциональную безопасность и эффективность в результате моторных испытаний. Данная методика может быть использована для системы управления двигателем внутреннего сгорания транспортного средства. В наибольшей степени полученные результаты актуальны для двигателей с искровым зажиганием с газотурбинным наддувом и широкополосным lambda-зондом, но могут быть применены и для дизелей или двигателей с искровым зажиганием с пороговым (релейным) lambda-зондом.