Про прошивку. Часть 3. Момент -> Топливо -> Длительность впрыска

Продолжение. В предыдущей части Про прошивку. Часть 2. Лимиты мы рассмотрели как ECU рассчитывает различные лимиты и, применив итоговый лимит к запрошенному крутящему моменту, вычисляет итоговый крутящий момент. В этой части поговорим про оставшиеся шаги основной последовательности: пересчет итогового крутящего момента в количество топлива и длительность импульсов открытия инжекторов. Плюс с прошлой части остался долг: как итоговый лимит подачи топлива пересчитывается из единиц топлива (мм3/такт) в единицы момента (Нм).

Основной входной параметр для подсистемы управления инжекторами в коде ECU — количество топлива. По нему рассчитываются углы опережения, давление в рампе, длительность импульсов и т. п. Поэтому после расчета итогового крутящего момента, момент пересчитывается в количество топлива (цикловую подачу топлива), для чего в прошивке существует таблица:

Данная таблица определяет, сколько топлива необходимо подать за рабочий такт, чтобы получить заданное значение крутящего момента на валу двигателя при заданных оборотах КВ. Скорее всего данная таблица составлена инженерами митцу по экспериментальным данным, полученным замерами двигателя на стенде. Изучим её содержимое. Во-первых, видно, что значения для оборотов 0 и 500 просто скопированы из столбца 750 об/мин, а значения 5400 об/мин — из столбца 5000 об/мин. Измерить значения при нулевой скорости вращения КВ — затруднительно, а при 5400 об/мин, видимо, страшно за стенд )

Строка с нулевым крутящим моментом содержит количество топлива, которое необходимо затратить для компенсации механических потерь двигателя, чтобы получить нулевой момент на валу. Из экспериментальных наблюдений, фактическая подача топлива в режиме ХХ на прогретом моторе на машине с МКПП равна 6.5 мм3/такт, что с учетом более грубого округления PIDов совпадает со значением 6.4 мм3/такт в таблице. В случае АКПП фактический расход на ХХ больше табличного на 2-2.5 мм3/такт, потому что масляный насос и прочая гидравлика АКПП потребляет ненулевой крутящий момент даже на нейтральной передаче. Здесь повторюсь ещё раз: моментная модель в целом, и данная таблица в частности, оперируют крутящим моментом на валу двигателя и количеством топлива, необходимом для его достижения: дальнейшие механические потери в трансмиссии, кондиционере, двухтонном прицепе, встречном ветре, подъеме в гору и подклинивающих тормозах в ECU никак не учитываются. ЭБУ безразлично, как именно используется крутящий момент, выдаваемый двигателем. Запросили X ньютон-метров нажатием на педаль? Получите, за это с Вас — Y мм3/такт топлива.

Теперь посмотрим на минусовые значения подач топлива при отрицательных значениях крутящего момента. Здесь всё просто: когда момент на валу двигателя отрицательный, двигатель вырабатывает топливо ))) Конечно это шутка: ДВС не умеет вырабатывать топливо обратно в отличии от, например, генерации энергии электромотором в режиме рекуперации. Минусовые подачи здесь условные, и нужны для правильного расчета длительности импульсов открытия инжекторов методом интерполяции, подробнее об этом — в конце статьи.

Если посмотреть на срез значений таблицы по одному фиксированному значению оборотов, например 2000 об/мин, получим практически линейную зависимость необходимого количества топлива от крутящего момента. Если посмотреть на срез значений при фиксированном среднем или высоком моментах, то увидим "полки" в диапазоне приблизительно 1500 — 3500 об/мин. C дальнейшим увеличением оборотов количество топлива, требуемого для поддержания того же крутящего момента, растет, так как начинают расти потери и КПД двигателя падает. Если посмотреть на самую нижнюю строку для момента 420 Нм, можно увидеть, что в диапазоне 1800 — 2800 об/мин требуется около 100 мм3/такт топлива, а при 4500 оборотов требуется уже 140 мм3/такт, то есть +40% топлива для достижения того же момента.

Если скопировать таблицу цикловой подачи топлива в Excel, и посчитать расход топлива в пересчете на 1 Нм, получится следующая картина:

Как видно, с точки зрения топливной эффективности наиболее выгодны режимы в зоне с крутящим моментом близком к максимальному, что коррелирует с теорией. Наименее эффективен режим холостого хода, так как в режиме ХХ топливо расходуется, а эффективный крутящий момент при этом равен нулю: вся механическая энергия тратится на компенсацию собственных потерь мотора. Данную таблицу можно преобразовать в совсем научный вид: пересчитать расход в кг/час, вычислить из момента и оборотов эффективную мощность и далее посчитать удельный эффективный расход топлива, но зона минимума останется там же.

В отличие от крутящего момента, общее количество топлива можно отслеживать через PID. На основании этого же PIDa можно посчитать мгновенный расход топлива в л/ч и л/100км, и наблюдать, сколько будет стоить папаше Дорсету (с) тот или иной режим движения PIDы с расходами топлива можно взять на паджеро-форуме. Ну или взять мой вариант.

С прошлой части про лимиты крутящего момента остался вопрос, как итоговый лимит пересчитывается из единиц расхода топлива мм3/такт в единицы момента Нм. Для этого у таблицы пересчета момента в топливо есть обратная таблица, позволяющая рассчитать крутящий момент на валу по цикловой подаче топлива и оборотам, то есть пересчитать топливо обратно в крутящий момент:

Определим по данной таблице крутящий момент, например, для значения 50мм3/такт и 1600 об/мин, получим 200 Нм. Вернемся к первой таблице расчета топлива от момента и посмотрим подачу для 200 Нм и 1600 об/мин, получим исходные 50мм3/такт. Еще один подход: 60 мм3/такт при 2000 об/мин — это 240 Нм по одной таблице, 240 Нм при 2000 об/мин — это 60 мм3/такт по другой таблице. То есть таблицы действительно обратные по отношению друг к другу. В некоторых точках между таблицами будут небольшие расхождения, но это скорее вопрос к составителям, как считали и округляли. По нижней строке таблицы пересчета топлива обратно в момент можно определить, какой крутящий момент мы гипотетически можем получить на нашем "железе" при фиксированной подаче 100 мм3/такт — это будет некая кривая с пиковым моментом 425 Нм в точке 2000об/мин.

Вернемся к основной последовательности управления впрыском. В двигателе 4D56 применен многоимпульсный впрыск, причем количество импульсов впрыска на один рабочий такт варьируется в зависимости от текущего режима двигателя. Основное назначение многоимпульсного впрыска — оптимизация давления в цилиндре и скорости выделения тепла с точки зрения показателей эффективности работы мотора и минимизации выбросов (экологии). Это очень объемная тема, по которой исследования ведутся с момента появления common rail и электронного управления впрыском, рассматривать её подробно в рамках данных статей я не готов.

В литературе/телеметрии применяются следующие названия импульсов: предвпрыск (pilot injection), дополнительный предвпрыск (pre injection), основной впрыск (main injection), ранний послевпрыск (after injection) и поздний послевпрыск (post injection). Поздний послевпрыск используется в режимах прожига DPF и в весьма специфическом сценарии для турбин с неизменяемой геометрией, в наших версиях с VGT и без DPF он не применяется. Остальные импульсы у нас используются, причем в версии прошивки для АКПП — все четыре импульса, в версиях для МКПП — только три, без дополнительного предвпрыска.

Основной, базовый, режим работы для common rail — это двухимпульсный впрыск: предвпрыск + основной впрыск. Предвпрыск очень сильно влияет на кривую давления в цилиндре, убирая резкий "всплеск" давления в момент начала горения смеси, и снижая максимальное давление в цилиндре. Погружаться более подробно в процесс горения топлива в цилиндре и задержку воспламенения здесь опять же не буду, если интересно — почитайте в интернете. Применение предвпрыска выражается для пользователя в более тихой, "мягкой", работе мотора, для инженера — в меньшей мех. нагрузке на детали двигателя. При частоте вращения КВ более 4000об/мин управление переходит на одноимпульсный впрыск, так как в этом режиме времени рабочего такта не хватает, чтобы успеть рассчитать и применить более чем 1 импульс впрыска. Оставшиеся импульсы дополнительного предвпрыска и раннего послевпрыска применяется в зоне мало-средней нагрузки и средних оборотов. Это основная рабочая зона, которую инженеры Denso активно "тюнили" чуть ли не в каждой версии прошивки и обновлениях. Данные дополнительные импульсы в основном влияют на выбросы NOx и cажи, то есть экологию. В ранней Euro-2 версии прошивки они вообще не использовались. Во всех остальных прошивках дополнительные импульсы отключаются при интенсивном, более 65-70%, нажатии на педаль газа: в этом режиме применяется двух- либо одноимпульсный впрыск в зависимости от оборотов двигателя . EGR в этом режиме кстати тоже отключается, то есть максимальный момент и экология плохо совместимы.

После вычисления общего количества топлива, это количество распределяется по отдельным импульсам впрыска, согласно таблицам объемов:

Оставшееся нераспределенное количество — это объем импульса основного впрыска. Значения объемов импульсов можно посмотреть через PIDы или в NMPS diag'е. Ссылка на PIDы Объемы предвпрыска, основного впрыска, послевпрыска и суммарного впрыска (мм3/такт), мгновенные расходы, общий счетчик литров

Далее для каждого импульса впрыска рассчитывается длительность открытия инжектора согласно объему впрыска и давлению топлива в топливной рампе. Для этого используется калибровочная таблица инжекторов:

Данная таблица описывает подачи эталонного инжектора в различных режимах, и скорей всего составлена по результатам измерений подач эталонных инжекторов на стенде. Я уже рассказывал про эту таблицу и её связь с тест-планом в статье Форсунки. Часть 4. Коды форсунок Denso. Содержимое данной таблицы одинаково для всех без исключения прошивок мотора 4D56 178лс, так как во всех версиях с данным мотором применяются одинаковые инжекторы. Калибровочные таблицы для других моделей двигателя (4D56 136лс, 4M41) не совпадают с калибровкой инжекторов данного мотора, что говорит о том, что инжекторы в этих моделях различаются по своим характеристикам.

Зачем в таблице калибровок, равно как и других таблицах, используются отрицательные значения объемов подач, например -20 мм3/такт? Из таблицы калибровок инжекторов видно, что фактическая подача топлива прекращается при некоторой пороговой ненулевой длительности импульсов. При расчете методом интерполяции переход от нулевой подачи к ближайшему ненулевому значению, в данном случае 0.5 мм3/такт, должен быть с правильным линейным коэффициентом: Например, при расчете подачи 0.2мм3/такт при давлении 24МПа: 0.0 мм3/такт — это 248мкс, 0.5 мм3/такт — это 268мкс, тогда 0.2 мм3/такт — это (0.2 мм3/такт — 0.0 мм3/такт)*(268мкс — 248мкс)/(0.5 мм3/такт — 0.0 мм3/такт) = 256мкс. Если же в строку с нулевой подачей просто вписать нулевую длительность, в формуле выше получим неправильное значение, и инжектор будет закрыт практически во всём диапазоне подач 0.0 — 0.5 мм3/такт. С другой стороны, в некоторых режимах имеет смысл полностью отключить инжекторы, не мучая их короткими импульсами ниже порога открытия. Для этого сделали отдельную строку с подачей -20 мм3/такт. То есть подача -20 мм3/такт означает: не подавать топливо и не слать импульсы на инжектор, а подача 0.0 мм3/такт — это тоже не подавать топливо, но на инжектор уже идут импульсы, а от табличного значения в строке 0.0 мм3/такт методом интерполяции со следующей строкой 0.5мм3/такт рассчитываются длительность открытия инжекторов в диапазоне 0.0-0.5 мм3/такт. Аналогичный подход встречается и в других таблицах.

Вернемся к основной последовательности. После вычисления длительности импульса впрыска к ней применяются поправки согласно коррекциям малого впрыска, баланса, кодам инжекторов. Про алгоритмы работы с коррекциями подробно расписывал в Форсунки. Часть 5. Реверс-инжиниринг кода обучения малому впрыску, здесь повторяться не буду. На последнем шаге основной последовательности на основании рассчитанных длительностей импульсов формируются команды на выходные порты: ШИМ импульс, который заряжает конденсатор, один единственный на все четыре инжектора, и выходные ключи, коммутирующие его с нужным инжектором.

На этом в данной части — всё. В следующей серии поговорим про управление наддувом, давление в рампе, и угол опережения впрыска.