Теория и практика расчета УОЗ, алгоритмы расчета УОЗ
Posted: Fri Nov 11, 2011 5:51 pm
Немного истории
Раньше с изменением УОЗ в динамике либо не заморачивались вообще (к примеру 2Т мотоциклы из 60-90стых), либо выводили тросиком на органы управления (мотоциклы M72 К750 К650 M61 - предки мотоциклов Урал).
В последствии стали широко применять центробежные системы управления УОЗ от оборотов которые дожили до наших времен. В практике центробежная система не могла охватить все аспекты управления и давала очень не оптимальные усредненные углы в зависимости только от оборотов, дабы компенсировать большие отклонения на высоких и низких нагрузках стали вводить вакумный корректор который при понижении давления в коллекторе увеличивал УОЗ.
С приходом инжекторных систем на МК расчет УОЗ усложнили и уточнили за счет 3D карт УОЗ давление\обороты и поправок на темпиратуру двигателя и воздуха. Но и эти системы столнулись с проблемами, к примеру на резонансных частотах при давлении в рессивере 0,7-0,8 атм фактическое наполенние может быть больше единицы, или в области обратных выбросов (низкие обороты) при давление в рессивере равном атмосферному фактическое наполенние может не достигать даже 0,5 от максимального, на оборотах равных половине от резонансных фактическое наполнение тоже снижается на величину прибавки в резонансных, на оборотах максимальной мощности фактическое наполенние опять падает уже упираясь в фазы ГРМ (воздух не успевает наполнить цилиндр т.к. клапан закрывается раньше). А т.к. УОЗ зависит именно от давления в конце такта сжатия а не давления в рессивере, разработчики стали изменять алгоритмы.
Сегодняшние системы расчитывают УОЗ по карте обороты/наполнение, переход на такую модель произошел вследствии того что давление в рессивере не коррелирует напрямую с наполнением.
Теория расчета УОЗ
Оптимальным для двигателя является достижение максимального давления при примерно 10-20гр после ВМТ. Если позднее то кпд сильно падает, темпиратура и давление которые могли бы сделать полезную работу просто летят в трубу, горят выпускные клапана. Если давление становится максимальным раньше то тоже плохо т.к. излишнее давление до ВМТ припятствует движению поршня вверх, так же при слижком раннем наростании давления, максимальное давление за цикл повышается что негативно влияет на возникновение детонации.
УОЗ напрямую зависит от фактической скорости горения (и соответсвено от времени сгорания смеси), в свою очередь скорость горения зависит от давления, скорости изменения давления и состава смеси.
Зависимост скорости горения от давления в конце такта сжатия.
Чем выше эффективное давление смеси тем быстрее она сгорает, причем горение не ламинарное, фронт пламени распростроняется с волнами сжатия и разряжения эти волны так же отражаются от стенок цилиндра поверхности головы и поршня, именно по этому свечу стараются расположить как можно ближе к центру камеры сгорания.
При повышении обротов смесь сжимается быстрее, соответсвенно горение становится более лавинообразным и происходит за меньшее время, именно по этому УОЗ от оборотов зависит не линейно, график больше напоминает гиперболу.
Степень сжатия так же оказывает существенное влияние на скорость горения. При повышении степени сжатия повышается и давление в конце такта сжатия. Соответсвенно повышается и скорость распростронения фронта пламени.
Фактическое наполенние напрямую влияет на давление в конце такта сжатия и соответсвенно на оптимальный УОЗ.
Зависимост скорости горения от состава смеси.
При альфе 0,85 (12,5) гомогенной смеси и атмосферном давлении скорость распростронеиня фронта пламени равна 22,5 метров в секунду, при альфе 1,14 (16,8) скорость уже меньше и примерно равняется 17-18 метров в секунду. Состав смеси оказывает существенное влияние на характер работы двигателя, к примеру при неизменных оборотах и наполнении, изменяя состав смеси с 12,5 на 16,8 необходимо увеличивать УОЗ на ~40% для получения максимальной отдачи в данном режиме.
Зависимост скорости горения от степени турболизации заряда.
Степень турболизации заряда является сугубо индивидуальной для каждой модели систем впуска, фаз грм, форм камеры сгорания и поверхности поршня. Чем выше турбулентность заряда тем лудьше перемешивается смесь, так же в турбулентном потоке фронт пламени распростроняется быстрее за счет срыва волн давления и перемешиванния фронта пламени с свежей смесью.
Переменные и константы которые необходимо учитывать в расчете УОЗ.
На мой взляд для корректного расчета достаточно следующщего:
1. Обороты двигателя (время за которое смесь должна успеть сгореть)
2. Скорость сжимания смеси (напрямую зависит от оборотов двигателя).
3. Степень сжатия двигателя, является константой, у каждого движка может быть своей (например голову попилили или наоборот поставили поршня с выемками)
4. Турбулентность заряда, при высокой турбулентности смесь сгорает быстрее, зависит от конкретной реализации двигателя, изменяется не линейно в зависимости от оборотов и наполнения.
5. Наполенине (сколько смеси попало в двигатель перед началом сжатия)
6. Состав смеси
Мат. модель расчета УОЗ
Полностью в динамике расчет УОЗ не возможен т.к. датчики давления выдерживающщие темпиратуру в несколько тысяч градусов и давление в сотни атмосфер очень дороги и не долговечны, были так же опыты по расчету эффективного уоз на базе дельты ускорения коленвала (зажигание Михайлова вроде бы), но разработчики столкнулись с множеством проблем и заставить адекватно работать такую систему так и не смогли. Поэтому УОЗ всегда расчитывается приблизительно с учетом внешних данных.
Если из расчетов убрать все константы (степень сжатия, скорость распростронения фронта пламени, турболизация заряда, обьем кс, соотношение оборотов к скорости наростания давления в конце сжатия) то получаем следующее:
обороты\наполнение\состав_смеси
При повышении оборотов УОЗ меняется не линейно, обычно зависимость уоз от оборотов задают в виде кривой на подобие гиперболы
Наполнение сильно влияет на УОЗ (чем выше давление тем быстрее сгорит), зависимость тоже не линейная и сильно связанна с оборотами.
Влияние состава смеси на УОЗ линейно и практически не связанно с другими параметрами.
Алгоритм расчета УОЗ
Сначала нам необходимо вычислить фактическое наполенине, назовем его GBC. Подробное описание алгоритмов расчета я написал в соответсвующщей теме: viewtopic.php?p=19059#p19059
Дальше по 3D карте наполнение/обороты берем УОЗ.
Есть два подхода к связи состава смеси и УОЗ, в первом закладывается график поправки состава смеси на уоз и фактический уоз умножается на эту поправку, во втором состав смеси для определенных точек наполенине/обороты является неизменным тогда на поправку по составу смеси не обращщают внимание, просто закладывают ее в изначальную карту УОЗ наполнение/обороты
Эксперементальная откатка карты уоз
Первоначально карту УОЗ заполняют орентировачными значениями "из головы", +-10гр не критично.
Потом карту откатывают в области низких и средних наполнений следующщим образом:
на нейтралке, на фиксированных положениях дросселя, в реалтайме крутят уоз с шагом 1-2 градуса в секунду, находят максимальные обороты, переходят к следующщей точки немного увеличив открытие дросселя и соответсвенно обороты.
Потом повторяют все это отключив одну форсунку, потом вторую, потом вообще на одном цилиндре.
В итоге получаем оптимальные углы по множеству точек, примерно на половине карты (все низкие и часть средних наполнений), простейшей интерполяцией этих точек к квантированным точкам карты (обороты/наполнение) наполняем карту, в принципе ничего сложного написать одну функцию в коде которая по логам экспирементов построит карту УОЗ.
В области высоких нагрузок требуется чем то стабильно нагружать двигатель (нагрузочный стенд), у подовляющщего большенства людей такого стенда нет но как показывает практика на высоких наполнениях оптимальные углы не достижимы из за возникновения детонации, поэтому просто откатывают по ВСХ на полном дросселе до появления детонации с учетом здравого смысла и "жопометра"
Раньше с изменением УОЗ в динамике либо не заморачивались вообще (к примеру 2Т мотоциклы из 60-90стых), либо выводили тросиком на органы управления (мотоциклы M72 К750 К650 M61 - предки мотоциклов Урал).
В последствии стали широко применять центробежные системы управления УОЗ от оборотов которые дожили до наших времен. В практике центробежная система не могла охватить все аспекты управления и давала очень не оптимальные усредненные углы в зависимости только от оборотов, дабы компенсировать большие отклонения на высоких и низких нагрузках стали вводить вакумный корректор который при понижении давления в коллекторе увеличивал УОЗ.
С приходом инжекторных систем на МК расчет УОЗ усложнили и уточнили за счет 3D карт УОЗ давление\обороты и поправок на темпиратуру двигателя и воздуха. Но и эти системы столнулись с проблемами, к примеру на резонансных частотах при давлении в рессивере 0,7-0,8 атм фактическое наполенние может быть больше единицы, или в области обратных выбросов (низкие обороты) при давление в рессивере равном атмосферному фактическое наполенние может не достигать даже 0,5 от максимального, на оборотах равных половине от резонансных фактическое наполнение тоже снижается на величину прибавки в резонансных, на оборотах максимальной мощности фактическое наполенние опять падает уже упираясь в фазы ГРМ (воздух не успевает наполнить цилиндр т.к. клапан закрывается раньше). А т.к. УОЗ зависит именно от давления в конце такта сжатия а не давления в рессивере, разработчики стали изменять алгоритмы.
Сегодняшние системы расчитывают УОЗ по карте обороты/наполнение, переход на такую модель произошел вследствии того что давление в рессивере не коррелирует напрямую с наполнением.
Теория расчета УОЗ
Оптимальным для двигателя является достижение максимального давления при примерно 10-20гр после ВМТ. Если позднее то кпд сильно падает, темпиратура и давление которые могли бы сделать полезную работу просто летят в трубу, горят выпускные клапана. Если давление становится максимальным раньше то тоже плохо т.к. излишнее давление до ВМТ припятствует движению поршня вверх, так же при слижком раннем наростании давления, максимальное давление за цикл повышается что негативно влияет на возникновение детонации.
УОЗ напрямую зависит от фактической скорости горения (и соответсвено от времени сгорания смеси), в свою очередь скорость горения зависит от давления, скорости изменения давления и состава смеси.
Зависимост скорости горения от давления в конце такта сжатия.
Чем выше эффективное давление смеси тем быстрее она сгорает, причем горение не ламинарное, фронт пламени распростроняется с волнами сжатия и разряжения эти волны так же отражаются от стенок цилиндра поверхности головы и поршня, именно по этому свечу стараются расположить как можно ближе к центру камеры сгорания.
При повышении обротов смесь сжимается быстрее, соответсвенно горение становится более лавинообразным и происходит за меньшее время, именно по этому УОЗ от оборотов зависит не линейно, график больше напоминает гиперболу.
Степень сжатия так же оказывает существенное влияние на скорость горения. При повышении степени сжатия повышается и давление в конце такта сжатия. Соответсвенно повышается и скорость распростронения фронта пламени.
Фактическое наполенние напрямую влияет на давление в конце такта сжатия и соответсвенно на оптимальный УОЗ.
Зависимост скорости горения от состава смеси.
При альфе 0,85 (12,5) гомогенной смеси и атмосферном давлении скорость распростронеиня фронта пламени равна 22,5 метров в секунду, при альфе 1,14 (16,8) скорость уже меньше и примерно равняется 17-18 метров в секунду. Состав смеси оказывает существенное влияние на характер работы двигателя, к примеру при неизменных оборотах и наполнении, изменяя состав смеси с 12,5 на 16,8 необходимо увеличивать УОЗ на ~40% для получения максимальной отдачи в данном режиме.
Зависимост скорости горения от степени турболизации заряда.
Степень турболизации заряда является сугубо индивидуальной для каждой модели систем впуска, фаз грм, форм камеры сгорания и поверхности поршня. Чем выше турбулентность заряда тем лудьше перемешивается смесь, так же в турбулентном потоке фронт пламени распростроняется быстрее за счет срыва волн давления и перемешиванния фронта пламени с свежей смесью.
Переменные и константы которые необходимо учитывать в расчете УОЗ.
На мой взляд для корректного расчета достаточно следующщего:
1. Обороты двигателя (время за которое смесь должна успеть сгореть)
2. Скорость сжимания смеси (напрямую зависит от оборотов двигателя).
3. Степень сжатия двигателя, является константой, у каждого движка может быть своей (например голову попилили или наоборот поставили поршня с выемками)
4. Турбулентность заряда, при высокой турбулентности смесь сгорает быстрее, зависит от конкретной реализации двигателя, изменяется не линейно в зависимости от оборотов и наполнения.
5. Наполенине (сколько смеси попало в двигатель перед началом сжатия)
6. Состав смеси
Мат. модель расчета УОЗ
Полностью в динамике расчет УОЗ не возможен т.к. датчики давления выдерживающщие темпиратуру в несколько тысяч градусов и давление в сотни атмосфер очень дороги и не долговечны, были так же опыты по расчету эффективного уоз на базе дельты ускорения коленвала (зажигание Михайлова вроде бы), но разработчики столкнулись с множеством проблем и заставить адекватно работать такую систему так и не смогли. Поэтому УОЗ всегда расчитывается приблизительно с учетом внешних данных.
Если из расчетов убрать все константы (степень сжатия, скорость распростронения фронта пламени, турболизация заряда, обьем кс, соотношение оборотов к скорости наростания давления в конце сжатия) то получаем следующее:
обороты\наполнение\состав_смеси
При повышении оборотов УОЗ меняется не линейно, обычно зависимость уоз от оборотов задают в виде кривой на подобие гиперболы
Наполнение сильно влияет на УОЗ (чем выше давление тем быстрее сгорит), зависимость тоже не линейная и сильно связанна с оборотами.
Влияние состава смеси на УОЗ линейно и практически не связанно с другими параметрами.
Алгоритм расчета УОЗ
Сначала нам необходимо вычислить фактическое наполенине, назовем его GBC. Подробное описание алгоритмов расчета я написал в соответсвующщей теме: viewtopic.php?p=19059#p19059
Дальше по 3D карте наполнение/обороты берем УОЗ.
Есть два подхода к связи состава смеси и УОЗ, в первом закладывается график поправки состава смеси на уоз и фактический уоз умножается на эту поправку, во втором состав смеси для определенных точек наполенине/обороты является неизменным тогда на поправку по составу смеси не обращщают внимание, просто закладывают ее в изначальную карту УОЗ наполнение/обороты
Эксперементальная откатка карты уоз
Первоначально карту УОЗ заполняют орентировачными значениями "из головы", +-10гр не критично.
Потом карту откатывают в области низких и средних наполнений следующщим образом:
на нейтралке, на фиксированных положениях дросселя, в реалтайме крутят уоз с шагом 1-2 градуса в секунду, находят максимальные обороты, переходят к следующщей точки немного увеличив открытие дросселя и соответсвенно обороты.
Потом повторяют все это отключив одну форсунку, потом вторую, потом вообще на одном цилиндре.
В итоге получаем оптимальные углы по множеству точек, примерно на половине карты (все низкие и часть средних наполнений), простейшей интерполяцией этих точек к квантированным точкам карты (обороты/наполнение) наполняем карту, в принципе ничего сложного написать одну функцию в коде которая по логам экспирементов построит карту УОЗ.
В области высоких нагрузок требуется чем то стабильно нагружать двигатель (нагрузочный стенд), у подовляющщего большенства людей такого стенда нет но как показывает практика на высоких наполнениях оптимальные углы не достижимы из за возникновения детонации, поэтому просто откатывают по ВСХ на полном дросселе до появления детонации с учетом здравого смысла и "жопометра"