OKLADKI JOK 2006 No 3 600

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3
PRELIMINARY RESEARCH OF THE ADAPTIVE CONTROL OF THE
INJECTION TIMING IN THE DIESEL ENGINE
Jacek Poleszak
Lublin University of Technology
Ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland
tel.: +48 81 5381259, fax: +48 81 5381258
e-mail: [email protected]
Abstract
The basic aim in controlling the diesel engine is to obtain a maximal effective moment for given fuel dose with
keeping of a minimum amount of toxic exhaust compounds. This postulate can be realized by matching the appropriate
fuel injection commencement timing. In this paper the research of the control system is presented, which allows the
constant matching of the injection advance in the CI engine to varying characteristics of the controlled object, that is
the engine. Quality factor of working process which is defined as a effective engine torque, is estimated on the bases of
the instantaneous crankshaft torsion measurement. This concept, unlike the current system, suggest the use of efficient
torque (Me) measurement to generate control quantities, which control the work process of an engine. Realization of
such measurements leads to treatment of the control system as an extremal control unit (possibility of maximizing
quantitative parameters) as well as an adaptive control system (possibility of unit’s reaction on changes of the
parameters which influence the work process of an engine).
Keywords: transport, combustion engines, adaptive control, injection timing, crankshaft torsion
WSTĉPNE BADANIA ADAPTACYJNEGO STEROWANIA KĄTEM
WYPRZEDZENIA WTRYSKU W SILNIKU O ZAPàONIE
SAMOCZYNNYM
Streszczenie
Podstawową funkcją celu w sterowaniu wysokoprĊĪnym silnikiem spalinowym jest osiągniĊcie maksymalnego
momentu uĪytecznego dla zadanej dawki paliwa z zachowaniem odpowiednio niskiego poziomu toksycznoĞci spalin.
Postulat ten zrealizowaü moĪna dobierając odpowiednią chwilĊ podania dawki paliwa definiowaną jako kąt
wyprzedzenia wtrysku. W artykule przedstawiono wstĊpne badania ukáadu sterowania, pozwalającego na ciągáe
dopasowywanie siĊ kąta wyprzedzenia wtrysku w silniku ZS do zmieniających siĊ charakterystyk obiektu sterowania,
jakim jest silnik. WskaĨnik jakoĞci procesu roboczego zdefiniowany jako moment uĪyteczny silnika, szacowany jest
w oparciu o pomiar chwilowego kąta skrĊcenia waáu korbowego silnika. W proponowanym systemie sterowania,
w odróĪnieniu od istniejących obecnie systemów, planuje siĊ wykorzystanie pomiaru momentu uĪytecznego silnika Me
do generowania wartoĞci wielkoĞci sterujących przebiegiem procesu roboczego silnika spalinowego. Realizacja
takiego pomiaru prowadzi z jednej strony do potraktowania ukáadu sterowania jako ukáadu ekstremalnego
(maksymalizacja wskaĨników jakoĞci procesu roboczego), natomiast z drugiej strony jako ukáadu sterowania
adaptacyjnego (moĪliwoĞü reakcji ukáadu sterowania na duĪe zmiany parametrów decydujących o przebiegu procesu
roboczego).
Sáowa kluczowe: transport, silniki spalinowe, adaptacyjne sterowanie, kąt wtrysku, skrĊcenie waáu korbowego
1. WstĊp
Prace badawcze poĞwiĊcone aktywnej kontroli sterowania procesami spalania w silnikach
táokowych są nadal w fazie rozwoju, jednak juĪ teraz moĪna stwierdziü, Īe jest to aktualny
J. Poleszak
kierunek naukowego rozwoju badaĔ nad táokowym silnikiem spalinowym. Gáównym celem tych
badaĔ jest opracowanie metod pomiaru wskaĨnika jakoĞci oraz algorytmów sterujących procesem
spalania w czasie rzeczywistym [1, 5, 9, 13].
Funkcją celu aktywnego sterowania spalaniem w silniku ZS jest uzyskanie maksymalnych
osiągów silnika przy zachowaniu dopuszczalnego poziomu toksycznoĞci spalin i minimalnego
zuĪycia paliwa. Jednym z problemów stojących przed rozwiązaniem procesu sterowania silnikiem
spalinowym o zapáonie samoczynnym jest problem odpowiedniego sterowania kątem
wyprzedzenia wtrysku w celu uzyskania maksymalnego efektywnego momentu obrotowego.
Rys.1. Obszar poszukiwania optymalnego momentu efektywnego w silniku o zapáonie samoczynnym z uwzglĊdnieniem
istniejących ograniczeĔ
Fig. 1. Area of optimal effective torque search in compression ignition engine considering existing limitations
O efektach procesu spalania decyduje chwila wtryĞniĊcia dawki paliwa. WielkoĞü dawki
paliwa jest związana automatycznie z obciąĪeniem silnika (z potrzebami operatora czy teĪ
kierowcy) i moĪliwoĞü jej zmiany jest ograniczona jedynie poziomem dymienia (lub minimalną
wartoĞcią wspóáczynnika powietrza) [2, 11, 12].
Rys.2. ZaleĪnoĞü momentu efektywnego Me od wartoĞci kąta wyprzedzenia wtrysku Dw dla róĪnych prĊdkoĞci
obrotowych silnika ISUZU Y17DT
Fig. 2. Dependence of the engine effective torque on injection advance for variable rotational speeds
286
Preliminary Research of the Adaptive Control of the Injection Timing in the Diesel Engine
Podczas prowadzonych prac badawczych przez autora [6, 7], kąt wyprzedzenia wtrysku
w silniku o zapáonie sterującym, zostaá przyjĊty jako gáówny parametr sterujący mający wpáyw
na proces spalania i jego parametry.
2. Adaptacyjne sterowanie kątem wyprzedzenia wtrysku w silniku ZS
Dla danych warunków pracy silnika istnieje optymalna wartoĞü kąta wyprzedzenia wtrysku,
dla której moc silnika osiąga wartoĞü maksymalną. Realizowana wartoĞü kąta wyprzedzenia
wtrysku jest jednak kompromisem pomiĊdzy maksymalną mocą silnika a zuĪyciem paliwa
i poziomem zadymienia spalin.
KaĪda zmiana (zmniejszenie lub zwiĊkszenie) kąta wyprzedzenia wtrysku w stosunku
do wartoĞci optymalnej powoduje spadek mocy silnika. JednoczeĞnie powoduje to zmiany
w poziomie jednostkowego zuĪycia paliwa i toksycznoĞci spalin.
Rys.3. Idea dobierania wartoĞci kąta wyprzedzenia wtrysku w algorytmie adaptacyjnym
Fig. 3. Idea of adaptive algorithm for optimal injection advance search
Mechaniczne ukáady wtryskowe nie zapewniaáy moĪliwoĞci dostosowywania kąta wtrysku do
zmian charakterystyki silnika, dopiero od niedawna zastosowane elektroniczne sterowanie
ukáadami zasilania silników ZS pozwala na zastosowanie metod sterowania adaptacyjnego
w którym jedna z podstawowych wielkoĞci, dobieranych przez algorytm sterujący do aktualnych
warunków pracy silnika wysokoprĊĪnego, jest kąt wyprzedzenia wtrysku.
3. Przyczyny zmiennoĞci w czasie charakterystyk silnika wysokoprĊĪnego
Celem prowadzonych badaĔ autora jest wprowadzenie mechanizmu adaptacji do algorytmu
sterowania wtryskiem oleju napĊdowego w silniku wysokoprĊĪnym. Mówiąc o funkcji adaptacji
autor rozumie dopasowanie siĊ parametrów ukáadu sterowania do zmiennoĞci obiektu, jakim jest
silnik spalinowy.
Zmiana charakterystyk spowodowana jest kilkoma przyczynami. Przede wszystkim starzeniem
siĊ silnika i zmianą jego stanu technicznego. Wpáyw na warunki pracy silnika mają teĪ Ğrodki
smarne i eksploatacyjne, zwáaszcza paliwo. Wpáyw na zmianĊ charakterystyk silnika mają równieĪ
parametry niemierzone w pokáadowych systemach sterowania, do których moĪemy zaliczyü
287
J. Poleszak
wilgotnoĞü powietrza i bezpoĞrednie oddziaáywanie promieni sáonecznych powodujące
nagrzewanie siĊ pojazdu i elementów silnika.
Rys.4. Wpáyw kąta wyprzedzenia wtrysku Dw na ciĞnienie indykowane pi w zaleĪnoĞci od zastosowanego paliwa [4]
Fig. 4. Influence of injection advance on mean indicated pressure depending on used fuel
ZmiennoĞü obiektu jest równieĪ wynikiem statystycznego rozrzutu pomiĊdzy egzemplarzami
silnika (podczas produkcji przyjĊte tolerancje wykonawcze zróĪnicowanie kolejnych egzemplarzy
silnika). Algorytm sterowania jest algorytmem tworzonym zwykle na podstawie wyników badaĔ
kilkudziesiĊciu (np. 30) egzemplarzy. Teoretycznie kaĪdy z egzemplarzy powinien mieü wáasne
wartoĞci parametrów sterowania.
Zmiany charakterystyki obiektu oraz warunków jego uĪytkowania powodują, Īe uzyskanie
maksymalnego wskaĨnika jakoĞci procesu roboczego nie jest moĪliwe bez uĪycia mechanizmów
samouczących siĊ. JakoĞü pracy silnika spalinowego definiowana jest poprzez zuĪycie paliwa,
maksymalne osiągi silnia oraz poziom toksycznych skáadników spalin. W literaturze naukowej
spotyka siĊ metody bazujące na szacowaniu takich osiągów w oparciu o warunki pracy silnika
w poáączeniu ze sterowaniem adaptacyjnym lecz dotychczas prowadzone badania dotyczyáy
silników z zapáonem iskrowym [14, 15], lub teĪ dotyczyáy problemów diagnostycznych [8, 9, 16].
DuĪa stopa niestacjonarnoĞci charakterystyk silnikowych stwarza trudnoĞci w odpowiednio
szybkiej estymacji aktualnych parametrów modelu silnika zdefiniowanego w sterowniku. Wyniki
dziaáania algorytmów adaptacyjnych mogą byü stosowane do badania, czy zaszáy istotne zmiany
obiektu a tym samym pozwalaü na ciągáą optymalizacjĊ procesu spalania.
4. Idea adaptacji kąta wyprzedzenia wtrysku
MyĞlą przewodnią autora niniejszego artykuáu jest przekonanie, Īe szacowanie momentu
obrotowego moĪe byü dokonane na podstawie pomiaru kąta skrĊcenia waáu korbowego. Pomiar
taki jest tani i áatwo dostĊpny w warunkach silnika zamontowanego na stanowisku badawczym lub
w pojeĨdzie. System ten skáada siĊ z dwóch czujników reluktancyjnych okreĞlających czasy
pomiĊdzy kolejnymi poáoĪeniami zĊbów kóá zĊbatych umieszczonych po przeciwlegáych stronach
waáu korbowego. Pierwsze koáo jest wieĔcem koáa zamachowego drugie natomiast umieszczone
288
Preliminary Research of the Adaptive Control of the Injection Timing in the Diesel Engine
po przeciwnej stronie waáu, jest mniejsze, lecz wyposaĪone w taką samą liczbĊ zĊbów
jak pierwsze. Metoda pomiaru zostaáa zaprezentowana juĪ wiele lat temu [9, 10, 13, 15].
150
'D wk [min]
140
130
120
110
100
D [ o OWK]
90
0
90
180
270
360
450
540
630
720
Rys. 5. Schemat ukáadu pomiaru kąta skrĊcenia waáu korbowego(widoczne czujniki reluktancyjne, koáo zamachowe i
koáo zĊbate zamocowane w przedniej czĊĞci waáu). Po prawej stronie, przebieg Ğrednich wartoĞci kąta skrĊcenia waáu
silnika ISUZU Y17DT dla róĪnych prĊdkoĞci obrotowych
Fig. 5. Crankshaft torsion measurement system diagram (inductive sensors, flywheel and front sensor toothed wheel
presented). On the right: Mean values of crankshaft torsion of ISUZU Y17DT engine for variable rotational speed
Poáączenie metody pomiaru kąta skrĊcenia waáu korbowego silnika i metody adaptacyjnego
dopasowywania kąta wyprzedzenia wtrysku pozwoli na nieustanne dobieranie kąta wyprzedzenia
wtrysku do wartoĞci gwarantującej uzyskanie optymalnego momentu obrotowego.
Fot. 1.Czujniki reluktancyjne wspóápracujące z koáami zĊbatymi na przeciwlegáych koĔcach waáu korbowego oraz
moduá pomiarowy DTS 700 przetwarzający sygnaá
Phot. 1. Reluctance sensors and toothed wheels mounted at opposite sides of the crankshaft and DTS 700 data
acquisition module
Niestety, maksymalna wartoĞü wskaĨnika jakoĞci wynikającą dla momentu uĪytecznego silnika
spalinowego nie jest jeszcze ostateczną miarą prawidáowoĞci procesu spalania. NaleĪy zbudowaü
wskaĨnik jakoĞci uwzglĊdniający równieĪ toksycznoĞü spalin, oraz zuĪycie paliwa. Albowiem
z reguáy zmiany kąta wyprzedzania wtrysku mają istotny wpáyw na toksycznoĞü spalin.
Tak przyjĊty wskaĨnik jakoĞci bĊdzie poddany optymalizacji wielokryterialnej, przy czym
czynnikiem zmiennym bĊdzie kąt wyprzedzenia wtrysku.
289
J. Poleszak
5. Realizacja pomysáu
Jako obiekt badaĔ wybrano jednostkĊ napĊdową ISUZU Y17DT znajdującą siĊ na
wyposaĪeniu Katedry Silników Spalinowych Politechniki Lubelskiej. Wybór silnika zostaá
podyktowany obszerną wiedzą, jaką dysponuje autor o tym silniku, a zwáaszcza związaną
z transmisją diagnostyczną sterownika opartą o protokóá KW 2000. W Politechnice Lubelskiej
opracowany zostaá program komputerowy wykorzystujący tĊ transmisjĊ do przejĊcia kontroli nad
silnikiem i zadawania wáasnych wielkoĞci sterujących (rys. 6). System pomiarowy wyposaĪono
dodatkowo w ukáad do pomiaru kąta skrĊcenia waáu korbowego (fot. 1).
Rys. 6. Okno dialogowe komputerowego interfejsu silnika spalinowego ISUZU Y17DT
Fig. 6. Dialog window of ISUZU Y17DT engine computer interface
W pierwszej fazie przeprowadzono badania weryfikacyjne związane z porównaniem wpáywu
zamiany zastosowanego paliwa na uzyskaną charakterystykĊ obiektu. Jak dowodzą
przeprowadzane badania, zmiana charakterystyki silnika spowodowaáa, Īe kąty wyprzedzenia
wtrysku przestają byü optymalne dla tego silnika i dopiero zastosowanie algorytmu adaptacji
pozwoli na ponowne przybliĪenie siĊ do wielkoĞci optymalnych. Zarejestrowano równieĪ przebieg
sygnaáu skrĊcenia waáu korbowego, podczas zmiany kąta wyprzedzenia wtrysku w ustalonych
warunkach pracy. Przebieg sygnaáu kąta skrĊcenia waáu korbowego silnika ISUZU Y17DY
rejestrowano dla róĪnych obciąĪeĔ realizowanych poprzez ukáad hamulcowy.
160
'D wk [min]
n=1500 obr/min
V=30 mm 3 /suw
150
140
130
120
110
D
D
D
100
0
60
120 180
240 300 360 420
480
540
600 660
720
o
D [ OWK]
Rys. 7. Przebieg sygnaáu kąta skrĊcenia waáu korbowego dla kilku wartoĞci kąta wyprzedzenia wtrysku w ustalonych
warunkach pracy silnika spalinowego ISUZU Y17DT
Fig. 7. Crankshaft torsion angle course for different injection advance angles in steady state of ISUZU Y17DT engine
operation
290
Preliminary Research of the Adaptive Control of the Injection Timing in the Diesel Engine
160
n=2000 obr/min
D w =20 o
'D wk [min]
150
V=20
V=30
V=40
140
130
120
110
100
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
o
D [ OWK]
Rys. 8. Przebieg sygnaáu skrĊcenia waáu korbowego dla trzech obciąĪeĔ silnika ISUZU Y17DT
Fig. 8. Crankshaft torsion angle course for three different loads of ISUZU Y17DT engine
Badania symulacyjne i weryfikacyjne przeprowadzono dla celowo zmienionych charakterystyk
silnika. Autor dokonaá dwu zmian. Pierwsza związana z uĪyciem innego paliwa aniĪeli paliwo
powszechnie stosowane, tzn. z róĪnym stosunkiem domieszek oleju rzepakowego. Zmiana udziaáu
oleju rzepakowego w paliwie powoduje potrzebĊ zmian przebiegu wtrysku [3, 4].
Rys. 9. Zestaw odprĊĪników wraz z wymiennymi dyszami oraz Ğwieca Īarowa
Fig. 9. Set of cylinder pressure release devices with changeable nozzles
Drugim sposobem byáo zasymulowanie stopnia zuĪycia silnika. W tym celu dokonano zmiany
konstrukcji silnika w postaci wymiany oryginalnych Ğwiec Īarowych na elementy zmniejszające
sprĊĪanie w cylindrach silnika spalinowego poprzez przedmuch czĊĞci spalin. Tak zmodyfikowany
silnik symulowaá zmianĊ stopnia zuĪycia cylindra i uszczelnienia ukáadu.
Oryginalne ukáady silnika nie są wyposaĪone w algorytmy dopasowujące wtrysk do takich
zmian. Zaprezentowana metodyka badaĔ pozwoli na syntezĊ modelu silnika, zidentyfikowanie
jego struktury i parametrów opracowanie algorytmów sterowania zawierających mechanizmy
adaptacji i wykorzystujące tor pomiarowy kąta skrĊcenia waáu korbowego.
291
J. Poleszak
6. Podsumowanie
W trakcie realizacji pomysáu pojawiáy siĊ dwa problemy badawcze. Pierwszy problem to
pytanie czy zaproponowany ukáad pomiarowy bĊdzie w sposób adekwatny i wiarygodny
informowaá o zdolnoĞci silnika do wytwarzania momentu obrotowego podobnie jak miaáo to
miejsce w przypadku badaĔ silników benzynowych. Drugi problem dotyczy wątpliwoĞci czy
algorytm adaptacyjny jest rozwiązaniem stabilnym a wiĊc czy poszukiwanie optymalnego kąta
wyprzedzenia wtrysku w wariancie on-line nie spowoduje niestabilnoĞci pracy silnika a tym
samym nie spowoduje pogorszenia wskaĨnika jakoĞci pomimo uĪycia algorytmu adaptacyjnego z
odpowiednio dobraną szybkoĞcią uczenia.
Praca naukowa finansowana ze Ğrodków na naukĊ w latach 2006-2007 jako projekt badawczy
Nr 0401/T02/2006/30
7. Literatura
[1] Jianqiu, L., Minggao, Y., Ming, Z., and Xihao, L., Individual Cylinder Control of Diesel
Engines, Society of Automotive Engineering, 2002.
[2] Kasedorf, J., Zasilanie wtryskowe olejem napĊdowym, WKià, Warszawa 1990.
[3] Kiernicki, Z., Wyniki wstĊpnych badaĔ dziaáania w warunkach nieustalonych silnika
o zapáonie samoczynnym zasilanego mieszaninami oleju napĊdowego i oleju rzepakowego,
Mat. Konf. KONMOT’94, Kraków-Raba NiĪna 1993.
[4] Lotko, W., Górski, K., Longwic, R., Ocena wpáywu kąta dynamicznego początku táoczenia
paliwa na opóĨnienie samozapáonu w silniku zasilanym olejami reformuáowanymi, Journal of
KONES: Internal Combustion Engines vol. 9 nr1-2, 2002.
[5] Mauer, G. F., Watts, R. J., On-Line Cylinder Diagnostics on Combustion Engines by Non
contact Torque and Speed Measurements, SAE paper no. 890485, in SAE SP-771, Sensors
and Actuators 1989, presented at SAE Int’l. Congress and Exposition, Detroit, MI, Feb. 1989.
[6] Poleszak, J., Koncepcja adaptacyjnego sterowania kątem wyprzedzenia wtrysku w silniku
o zapáonie samoczynnym, II Sympozjum Doktoranckie, Mat. Konf., Lublin 2003.
[7] Poleszak, J., The adaptive control of the injection timing in the diesel engine, KOKA 2006,
19th-20th September Praga 2006.
[8] Rizzoni, G., Estimate of Indicated Torque from Crankshaft Speed Fluctuations: Model for the
Dynamics of IC Engine, IEEE Transactions on Vehicular Technology Vol. VT-38 No. 3, pp
168-179.
[9] Rizzoni, G., Drakunov, S. and Wang Y. Y., On line estimation of indicated torque m 1C
engines a sliding model observers, American Control Cnnference,Washington,pp.2123-2127.
1995.
[10] Scotson, P., Wellstead, P., Self-tuning optimisation of spark ignition automobile engines,
Proc. ACC,Pitts-burgh, USA, 1989
[11] Wajand, J.A., Táokowe silniki spalinowe Ğrednio i szybkoobrotowe WNT, Warszawa 2005.
[12] Wendeker M., Piernikarski D., WituszyĔski K., Adaptacyjny system sterowania silnikiem
wysokoprĊĪnym, Materiaáy Konferencji AUTOMASIL’92, PoznaĔ 1992.
[13] Wendeker, M., WituszyĔski K., Koncepcja systemu sterowania táokowym silnikiem
spalinowym, International Scence Conference on Internal Combustion Engines KONES’92,
Wrocáaw-Szklarska PorĊba, wrzesieĔ 1992.
[14] Wendeker, M., WituszyĔski, K., Synteza prĊdkoĞci kątowej waáu korbowego, I Sympozjum
„Sterowanie silnikami samochodowymi”, Stawiska k/KoĞcierzyny, 15-17 czerwca 1993.
292
Preliminary Research of the Adaptive Control of the Injection Timing in the Diesel Engine
[15] Wendeker, M., Chwilowa prĊdkoĞü kątowa i kąt skrĊcenia waáu korbowego jako sygnaáy
diagnostyczne, Materiaáy na III Krajową KonferencjĊ „Diagnostyka techniczna urządzeĔ
i systemów”, Szczyrk, 10-13 paĨdziernika 1995.
[16] WituszyĔski, K., PrĊdkoĞü kątowa i moment obrotowy jako noĞniki informacji o stanie silnika
spalinowego, LTN, Lublin 1996.
293