Первая в России серийная система управления двухтопливным двигателем с функциональным разделением контроллеров23.09.2020 16:03

Привет, Хабр!

Сегодня мы хотим рассказать о своей разработке — система управления двухтопливным двигателем (бензин-газ СНГ или КПГ), которая внедрена на автомобилях ВАЗ и УАЗ (и может быть установлена на большинство бензиновых двигателей различных автопроизводителей, например, для повышения степени локализации или для расширения функциональных свойств автомобиля, что приведет к усилению интереса потребителя), а также ответить на ваши уточняющие вопросы.

Новый автомобиль «УАЗ-Профи»

Мы начали эту работу в 2016 году, когда появился проект легкого коммерческого грузовичка «УАЗ-Профи» Евро 5. Но история разработки системы управления двухтопливным двигателем в «ИТЭЛМА» уходит в более ранний период. Первые решения о создании системы управления ГБО были приняты специалистами компании в 2007 году. И уже в 2009 начаты работы по адаптации новой системы управления на основе двухтопливного контроллера «МИКАС 12» для газобаллонного автомобиля «УАЗ-3741». А по-настоящему массовым продуктом двухтопливный контроллер стал в 2012 году, когда был запущен в серийное производство коммерческий автомобиль Газель с «МИКАС 12». Дальнейшее развитие система управления двухтопливным двигателем получила с появлением нового автомобиля «УАЗ-Профи», для которого потребовалось применение дешевого топлива — пропан-бутановой смеси.

Нам поставили задачу: реализовать двухтопливную систему для этого грузовичка. На тот момент в линейке контроллеров «ИТЭЛМА» был ранее упомянутый двухтопливный контроллер «МИКАС 12». Но для нового автомобиля требовалось применение контроллера с более широким функционалом, который мог бы быть в будущем использован в том числе и на перспективном турбированном двигателе. Разработка нового двухтопливного контроллера потребовала бы больших временных и финансовых затрат. Тогда-то и было принято решение использовать более функциональный, перспективный и коммерчески выгодный серийный М86. Но он однотопливный, а расширение его до двухтопливного сопоставимо с новой разработкой контроллера. А что если к существующему контроллеру добавить нехватающую аппаратно-программную часть для управления ГБО? И вновь пригодились существующие в компании решения. Еще в 2013 году компания вывела на рынок блок управления ГБО MikrideRTM (блок-«наездник») для переоборудования автомобилей, находящихся в эксплуатации, то есть для вторичного рынка. Но данное решение не могло отвечать требованиям надежности, безопасности и простоты монтажа в условиях серийного производства на конвейере автозавода. Для выполнения этих требований как раз и подошло применение контроллера М86 в качестве базы для работы в связке с новым модулем MR газовой системы питания. Новый модуль MR имел принципиальные отличия от существующих систем с применением блоков-«наездников», так как для перевода двигателя на питание газом не требовалось делать врезки в существующий жгут проводов системы питания бензином. А вся коммуникация с бензиновым контроллером осуществлялась посредством высокоскоростной шины CAN.

Расширение функций КСУД М86 до конфигурации системы управления двухтопливным двигателем благодаря подключению модуля MR и самих газовых компонентов

Идея разработки состояла в максимальном использовании аппаратно-программного обеспечения базового серийного контроллера М86 для управления современным 4-цилиндровым двигателем при его питании как бензином, так и газовым топливом (КПГ или СНГ) в сочетании с выносным компактным электронным устройством (модуль MR), непосредственно подключаемым к компонентам системы подачи газа.

Компоненты газовой системы питания

Модуль MR работает только как дополнение к основному контроллеру М86. Он получает сигналы от подключенных к нему датчиков газовой системы, преобразует их в цифровой код, передаёт его по CAN-шине в М86 и получает назад от М86 готовые коды управляющих сигналов для функционирования газовых клапанов и форсунок.

Взаимодействие контроллеров системы управления двухтопливным двигателем

Модуль MR представляет собой программно-аппаратное устройство, предназначенное для предварительной обработки (формирования) сигналов с датчиков газовой системы; управления силовыми драйверами газовых клапанов; преобразования сигналов для приёма/передачи в CAN-шину скоростного обмена всей информацией с базовым контроллером М86. Отличительной особенностью системы является реализация алгоритмического и программного обеспечения управления системами двигателя при его питании как бензином, так и газом в базовом контроллере М86. То есть все необходимые вычисления для управления системами двигателя (включая элементы безопасности, самодиагностики и т. п.) осуществляются именно в нём. Возможность активизации «газовых алгоритмов» в базовом контроллере М86 осуществляется по признаку подключения к нему по CAN-шине модуля MR.

Что даёт такой подход при решении задачи двухтопливности автомобиля?

Максимально используются вычислительные возможности базового контроллера управления двигателем путём его «догрузки газовыми алгоритмами».

При этом оптимизируются на высоком технологическом уровне все процессы перехода с одного вида топлива на другой, аварийные режимы переключения работы системы при отказе компонентов, регламентируемые законодательством функции самодиагностики и визуальной информации.

Реализуется возможность одновременной подачи двух видов топлива: и бензина, и газа.

Минимизируются коммутационные цепи благодаря подключению модуля к базовому блоку по CAN-шине и подключению газовых компонентов отдельным жгутом к газовым компонентам.

При этом жгут проводов модуля MR носит законченный конструктив, позволяющий его устанавливать, как в условиях сборки автомобиля на конвейере, так и в условиях дооборудования бензинового автомобиля газовыми компонентами находящегося в эксплуатации без введения изменений в основной кабель бензиновой СУД.

Повышается надёжность, комфортабельность управления двигателем (автомобилем) в эксплуатации, обеспечивается технологичность обслуживания и ремонта.

Для автопроизводителей появляется возможность реализации двухтопливности транспортного средства путём применения модуля без аппаратной модернизации существующего «бензинового» контроллера.

Схема жгута проводов подключения газовых компонентов к контроллеру

Двигатель автомобиля «УАЗ-Профи»

Для нужд нового грузового автомобиля потребовался новый двигатель повышенной мощности, который был создан специалистами Заволжского моторного завода на базе ЗМЗ-40906. В двигателе повышена степень сжатия, что благоприятно для работы на газовом топливе. Благодаря ряду технических изменений двигатель получил улучшенные мощные показатели.

Это новый двигатель ЗМЗ-409052

Что важно, в двигателе уже предусмотрено заводское решение по установке газовых форсунок.

Размещение газовых форсунок и подвод газа во впускной коллектор

Газовые форсунки

Базовый контроллер М86

КСУД является центральным устройством системы управления двигателем. Он получает
информацию от датчиков и управляет исполнительными механизмами, обеспечивая оптимальную работу двигателя при заданном уровне показателей автомобиля. Контроллер выполняет также функцию диагностики системы. Он определяет наличие неисправностей элементов системы, включает сигнализатор на комбинации приборов и сохраняет в своей памяти коды, обозначающие характер неисправности и помогающие механику осуществить ремонт. В нашем случае к существующим функциям добавились задачи по обработке сигналов газовых датчиков, управлению газовыми клапанами, форсунками, а также диагностированию газовых компонентов. Применяя стратегию, при которой КСУД является единым «мозгом» СУД, нам удалось сохранить общую диагностическую систему для обоих видов топлива.

Это контроллер СУД М86 для двигателя ЗМЗ-409052 автомобиля «УАЗ-Профи»

Модуль MR газовой системы питания

При разработке модуля MR учитывались все требования к внешним воздействующим факторам, предъявляемые к базовому бензиновому контроллеру: герметичность IP 67, работоспособность при температуре от -40 до +105 ºС, стойкость к вибрациям, что необходимо для размещения устройства в подкапотном пространстве автомобиля. При этом новый модуль должен был быть минимально возможных размеров для компоновки в существующем автомобиле.

Габаритный чертеж модуля MR

Конструкция корпуса выполнена из литого основания и штампованной крышки, что позволило обеспечить необходимую жесткость конструкции, теплоотвод от электронной платы и при этом сэкономить на недорогой технологии штампованной крышки.

Принципиальная конструкция модуля MR

Внешний вид готового рабочего модуля МR

Функции модуля MR управления газовыми компонентами:

• Первичная обработка сигналов с датчиков газовой системы питания:
  — датчик уровня/высокого давления газа в баллоне
  — датчик низкого давления газа в газовой рампе
  — датчик температуры газа в рампе
  — датчик температуры редуктора
  — состояние переключателя вида топлива
  — датчик температуры отработавших газов (опция).
• Передача по выделенной CAN-шине в блок управления M86 информации о рабочих параметрах и параметрах диагностики датчиков газовой системы для применения в алгоритме расчёта управления исполнительными устройствами с использованием остальной информации, регистрируемой и формируемой в M86.
• Реализация управления исполнительными устройствами подачи газа и первичная диагностика выходов по сигналам, получаемым (передаваемым) по CAN-шине от блока (блоку) управления M86.
• ПО модуля не содержит калибровочных параметров управления рабочим процессом двигателя.

Преимущества

• ПО модуля MR не требует специальной настройки, так как является относительно простым универсальным программно-коммутационным устройством типа «получил-преобразовал-передал».
• Жгут проводов модуля MR имеет минимальную конфигурацию, а его монтаж не требует специальной доработки или дополнительных перекоммутаций разъёмов штатного («бензинового») жгута проводов. Обмен информацией с контроллером М86 и управление модулем MR осуществляется по CAN-шине.
• Активация функций управления газовыми компонентами в контроллере М86 осуществляется автоматически, после подключения модуля MR, посредством его жгута проводов и монтажа газовых компонентов.

И вот бензиновый автомобиль выходит с конвейера. Чтобы сделать его газовым автомобилем, достаточно навесить газовые компоненты, подключить модуль МR отдельным жгутом и присоединиться к CAN-шине автомобиля. Бензиновый контроллер воспринимает это и начинает работать как двухтопливный.

Испытания автомобиля «УАЗ-Профи» с модулем MR на беговых барабанах НПП «ИТЭЛМА»

А это перспективный «УАЗ Пикап», на котором внедрена двухтопливная система

Испытания автомобиля «Ларгус CNG» с модулем MR на беговых барабанах НПП «ИТЭЛМА»

Стенд лабораторной проверки КСУД М86 с модулем MR УАЗ

Решение «под ключ» для автозаводов

Раньше вопрос «превращения» автомобиля из однотопливного в двухтопливный решался как на вторичном рынке: делалась грубая врезка в провода бензиновой системы. Это называется «газовые наездники». Сигнал с бензиновых форсунок перехватывался, запускался в газовый контроллер и подавался на газовые форсунки. Бензиновый контроллер «не знал», что двигатель работает на газе, из-за этого были «нюансы» с адаптацией топливоподачи. Приходилось ли вам когда-нибудь зажимать нос от запаха несгоревшей газовой смеси проезжающего мимо газобаллонного автомобиля, переоборудованного «гаражным» способом?

В нашем случае бензиновый контроллер не только «знает» про газ, но и сам выдаёт управляющие импульсы на газовый контроллер. Наша технология ориентирована преимущественно на автопроизводителей, потому что наш модуль может работать только с нашим бензиновым контроллером. Нельзя поставить дополнительный модуль МR на любой бензиновый контроллер, так как в других контроллерах нет «газовых алгоритмов», нет настройки коммуникации и прочее. Часто от этого машины пахнут газом, потому что не подобраны составы смесей. В нашем случае это делается один раз, и после серийного выпуска уже систему не надо подстраивать извне, она подстраивается изнутри при помощи алгоритмов. И у дилера подстраивать ничего не надо.

Допустим, крупный международный концерн захочет выйти на российский рынок, повысить уровень локализации производства своих автомобилей.

Тогда мы можем ему предложить вместо того, чтобы тратить деньги на разработку двухтопливного контроллера и, главное, время, воспользоваться нашим решением и установить двухтопливную систему на свои автомобили. Это будет проходить в несколько этапов.

1. Под требования заказчика конфигурируется ПО и адаптируются алгоритмы. Подготавливается ПО, аппаратная часть блока. Производятся калибровки начального уровня на безмоторном стенде (1–2 месяца).
2. Заказчик передает 2–3 двигателя с компонентами: автомобильная система впуска, выпуска, система охлаждения и прочее.
3. Один двигатель монтируется на моторный стенд (остальные в запасе), в котором есть тормоз и есть обеспечение режимов по частоте и нагрузке. Начинаем настраивать калибровочные карты на всех режимах. Процесс калибровки на двигателе может занимать от 3 до 6 месяцев.
4. После завершения испытаний на моторном стенде мы переходим на автомобили, которые так же передает заказчик (2 шт.). Тестируем ездовые качества, требования токсичности, безопасности. Все алгоритмы также донастраиваются. Испытания происходят на роликовом стенде. Зажимается автомобиль, ставится на ролики, происходит имитация движения автомобиля по дороге (6 месяцев).
5. Автомобиль проходит дорожные испытания в несколько этапов: в летний период — горные испытания в различных условиях жаркого климата, высокогорья, в зимний период — низкотемпературные испытания. Эти испытания позволяют нам вместе с заказчиком оценить качество произведенной работы, внести коррективы при необходимости (2–3 недели на каждый вид испытания).
6. После завершения всех основных калибровочных работ проводится сертификация автомобиля на соответствие Правилам ООН № 83. Испытания проводятся на бензине и на газе. В результате испытаний подтверждается соответствие автомобиля уровню токсичности Евро-5.
7. Но и это еще не всё. Для запуска в серию необходимо пройти пробеговые испытания. Обычно на пробег запускается 3–5 автомобилей, которые проезжают по несколько десятков тысяч километров. Через каждые 15 тысяч км осуществляется контрольное испытание с отбором проб ОГ для оценки уровня токсичности по Правилам ООН № 83.
8. После завершения всех испытаний запускается опытная партия, а потом начинается серийный выпуск.

НПП ИТЭЛМА всегда рада молодым специалистам, выпускникам автомобильных, технических вузов, а также физико-математических факультетов любых других высших учебных заведений.

У вас будет возможность разрабатывать софт разного уровня, тестировать, запускать в производство и видеть в действии готовые автомобильные изделия, к созданию которых вы приложили руку.

В компании организован специальный испытательный центр, дающий возможность проводить исследования в области управления ДВС, в том числе и в составе автомобиля. Испытательная лаборатория включает моторные боксы, барабанные стенды, температурную и климатическую установки, вибрационный стенд, камеру соляного тумана, рентгеновскую установку и другое специализированное оборудование.

Если вам интересно попробовать свои силы в решении тех задач, которые у нас есть, пишите в личку.

© Habrahabr.ru