article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(93)/2013
Andrzej Bieniek1
KONCEPCJA POKŁADOWEGO SYSTEMU MONITOROWANIA PROCESU
SPALANIA W SILNIKU SPALINOWYM
1. Wprowadzenie
Sterowanie pracą silnika spalinowego wymaga uwzględnienia wielu aspektów jego
pracy. Bardzo istotne jest zapewnienie dużej efektywności, korzystnych własności
ekologicznych (niska emisja substancji szkodliwych) oraz uwzględnienia innych
ważnych własności takich jak np. komfort użytkowania, ograniczenie drgań i emisji
hałasu. Wiąże się to z zastosowaniem zaawansowanego sterowania pracą silnika
spalinowego. W tym względzie ważne jest również ograniczenie negatywnego wpływu
na pracę silnika wszelkiego rodzaju stochastycznych zakłóceń i zmiennych warunków
pracy spowodowanych zmieniającym się obciążeniem, prędkością obrotową oraz
otoczeniem (temperatura, wilgotność, zapylenie itp.). Mając to na uwadze należy
poddawać ciągłemu monitoringowi i ocenie przebieg wskaźników pracy silnika [1, 6, 7,
16, 17].
Ocena pracy silnika może odbywać się dzięki zastosowaniu czujników
monitorujących wybrane, parametry diagnostyczne. Najczęściej są to jednak parametry
pośrednie, których wartości wynikają z przebiegu procesu spalania. Niosą one często
uproszczoną informację umożliwiająca jedynie ograniczoną ocenę pracy silnika.
Obserwacja i analiza samego procesu spalania może w tym przypadku znacznie
zwiększyć ilość potrzebnych do sterowania informacji. Jednym z ważnych parametrów
umożliwiających monitorowanie procesu spalania jest przebieg ciśnienia w cylindrze,
którego wnikliwa analiza pozwala na ocenę procesu spalania pod wieloma względami
(efektywność, wskaźniki emisji, jakość sterowania- możliwości samoadaptacji i wiele
innych) [7, 10, 11, 12, 13, 17, 18]. Możliwa staje się wówczas diagnostyka wielu
niesprawności, które mogą wystąpić podczas pracy silnika (m. in. niesprawności lub
nieprawidłowe działanie układu zasilania paliwem) [14, 15, 18].
2. System monitorowania procesu spalania
2.1. Pomiar ciśnienia w cylindrze
Pomiar ciśnienia w cylindrze wymaga zastosowania wysokiej jakości czujników
ciśnienia ze względu na niekorzystne warunki w jakich odbywa się pomiar (bardzo
wysokie ciśnienia i temperatury). Z drugiej strony istotne jest przeprowadzenie pomiaru
ciśnienia z wysoką częstotliwością co umożliwi zadowalającą rozdzielczość i
wystarczająco dokładną analizę. Wysokie wymagania jakie stawiane są tego typu
czujnikom powodują, że jednostkowy koszt jest na razie wysoki. Istnieją jednakże
rozwiązania, które dzięki zintegrowaniu czujnika ciśnienia ze świecą żarową silnika ZS
pozwalają na technologiczne proste wprowadzenie czujnika do komory spalania z jednej
strony a ograniczeniu koszów z drugiej strony [19].
1
dr inż. Andrzej Bieniek, adiunkt w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Opolskiej
17
Rys. 1. Czujnik ciśnienia w cylindrze zintegrowany ze świecą żarową silnika ZS [19]
2.2. Pomiar prędkości obrotowej i śledzenie faz pracy silnika
W przypadku powszechnie stosowanych silników wielocylindrowych
monitorowanie przebiegu procesu spalania indywidualnie w każdym cylindrze
powodowałby zwielokrotnienie kosztów zastosowania kompletnego systemu. W
związku z tym zaproponowano zastosowanie jednego czujnika ciśnienia umieszczonego
np. w pierwszym cylindrze, a uzupełnienie pokładowego systemu monitorowania o
czujnik prędkości obrotowej wysokiej rozdzielczości zintegrowany z czujnikiem faz
pracy silnika.
Rys. 2. Proponowane rozwiązanie koła nadawczego zintegrowanego czujnika
fotooptycznego prędkości obrotowej i faz pracy silnika dla silnika 6-cylindrowego
Zastosowanie zintegrowanego czujnika faz pracy silnika i prędkości obrotowej
umieszczonego na wałku rozrządu pozwala na uzyskanie korzystnego cenowo systemu
18
monitorowania posiadającego dodatkowe funkcje diagnostyczne i pozwalające na
zastosowanie zaawansowanego sterowania pracą silnika (rys. 2).
2.3. Koncepcja
Schemat
proponowanego
systemu
monitorowania
procesu
spalania
wykorzystującego czujnik ciśnienia umieszczony w jednym z cylindrów oraz czujnik o
wysokiej rozdzielczości integrujący funkcję rozpoznawania faz pracy silnika i prędkości
obrotowej przedstawiono na rys. 3. Elementy koncepcyjnego systemu monitorowania
zamontowano na silniku Z1505 pojazdu pozadrogowego. Jako czujnik ciśnienia
zastosowano produkt firmy AVL, zaś prędkość obrotową analizowano w oparciu o
czujnik prędkości obrotowej o rozdzielczości lepszej niż 3 o kąta obrotu wału korbowego.
Analiza sygnałów z rozważanych czujników wymaga wypracowania zaawansowanych
algorytmów zawartych w proponowanych modułów:
- analizy przebiegu ciśnienia w cylindrze CPAM [2, 3]
- analizy przebiegu prędkości obrotowej SFA [2, 3]
Szczegółowe algorytmy mogą bazować na analizie prędkości uwalniania ciepła
podczas procesu spalania [5], analizie fluktuacji prędkości obrotowej [16] bądź też
zaawansowanej analizie częstotliwościowej [4].
CPAM
P
S
W
SFA
Std. Sensors
Diesel Engine
ECU
Std. Actuators
Injection Unit
I1
I2
I3
I4
Rys. 3. Schemat systemu monitorowania procesu spalania [2, 3]
Synteza analizy przebiegów sygnałów z czujnika prędkości obrotowej i czujnika
ciśnienia w cylindrze pozwoli na uzyskanie dodatkowych informacji na temat przebiegu
procesu spalania w każdym cylindrze wielocylindrowego silnika spalinowego, co w
rezultacie może poprawić jakość sterowania i wpłynąć pozytywnie na uzyskiwane
wskaźniki pracy silnika.
3. Informacje o procesie spalania na podstawie czujników zastosowanych w
systemie
3.1. Czujnik ciśnienia w cylindrze silnika
Na przebieg ciśnienia w cylindrze wpływa bowiem szereg czynników. Spośród nich
największy wpływ wywierają:
- masa, kąt wyprzedzenia i podział dawki paliwa na fazy,
- własności wtryskiwanego paliwa (sposób rozpylenia, wielość kropel paliwa),
19
- własności powietrza docierającego do cylindra (ciśnienie, temperatura,
wilgotność),
- stopień recyrkulacji spalin,
- inne zakłócenia (np. wypadanie zapłonów – np. całkowity brak procesu spalania
bądź zakłócony przebieg procesu).
Analiza wpływu wybranych czynników na przebieg ciśnienia w cylindrze została
przeprowadzona przez wielu badaczy [1, 5, 6, 7, 12, 13, 14, 15, 18]. Przykładowy wpływ
wielkości dawki paliwa oraz stopnia recyrkulacji spalin przedstawiono na rys. 4, 5.
Rys. 4. Wpływ wielkości dawki paliwa na przebieg ciśnienia indykowania [10]
Rys. 5. Wpływ stopnia recyrkulacji spalin na przebieg ciśnienia indykowania [10]
Zarejestrowane różnice w przebiegu ciśnienia w cylindrze są istotne dla różnych
stopni recyrkulacji spalin (rys.5), ale największe znaczenie wykazuje sterowanie
wtryskiem dawki paliwa (rys. 4). Istotna jest tutaj nie tylko wielkość dawki paliwa, ale
także jej podział na fazy [3, 7, 8, 14].
a)
b)
6
5
Przebieg I
Przebieg II
Przebieg III
Przebieg IV
Przebieg V
5
4
3.5
Ciśnienie [MPa]
4
Ciśnienie [MPa]
Przebieg
Przebieg
Przebieg
Przebieg
Przebieg
4.5
3
I
II
III
IV
V
3
2.5
2
2
1.5
1
1
0.5
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Czas [s]
0.025
0.03
0.035
0
0.04
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Czas [s]
0.025
0.03
0.035
0.04
Rys. 6. Przebieg ciśnienia wewnątrz cylindra następujących po sobie cykli pracy:
a) wtrysk jednofazowy, b) wtrysk dwufazowy [3, 8]
20
Wpływ podziału dawki paliwa na fazy na charakter przebiegu ciśnienia w cylindrze
przedstawiono na rys. 6 bazujących na analizie wstępnych wyników badań.
Nieprawidłowości pracy silnika objawiające się nieprawidłowym przebiegiem
procesu spalania, bądź nawet brakiem procesu spalania w jednym z cylindrów jest
możliwe dzięki analizie przebiegu ciśnienia w cylindrze (rys. 7, 8).
ciśnienie w cylindrze, MPa
sygnał czujnika faz pracy
3,0
2,5
4
2,0
3
1,5
2
1,0
1
0,5
0
0
100
200
300
400
sygnał czujnika faz pracy
silnika, V
ciśnienie w cylindrze
5
0,0
500
czas, ms
6
3,0
5
2,5
4
2,0
3
1,5
2
1,0
1
0,5
0
600
700
800
900
1000
1100
sygnał czujnika faz pracy
silnika, V
ciśnienie w cylindrze, MPa
Rys. 7. Przebieg ciśnienia w cylindrze przy braku wtrysku paliwa
0,0
1200
czas, ms
Rys. 8. Przebieg ciśnienia w cylindrze przy jednofazowym wtrysku paliwa
3.2. Czujnik prędkości obrotowej
Zastosowanie czujnika prędkości obrotowej wysokiej rozdzielczości pozwoli na
estymowanie ciśnienia w cylindrach, w których nie przewidziano jego bezpośredniego
monitorowania. Porównanie przebiegu prędkości obrotowej dla cylindra, w którym
zamontowano czujnik ciśnienia z pozostałymi cylindrami przy zastosowaniu
odpowiedniego algorytmu estymującego (na podstawie przebiegu prędkości obrotowej
przebieg ciśnienia) pozwoli na określenie w jaki sposób przebiega proces spalania w
pozostałych cylindrach.
Przeprowadzone badania wstępne dla czujnika prędkości obrotowej o rozdzielczości
wynoszącej 3o OWK pokazują, że analizując przebieg prędkości obrotowej można
uzyskać informacje dotyczące procesu spalania (jego braku lub nieprawidłowego
przebiegu). Zasymulowanie niesprawności polegającej na braku procesu spalania w
21
jednym z cylindrów jest bardzo wyraźnie widoczne analizując przebieg prędkości
obrotowej podczas całego cyklu pracy silnika pracującego z prędkością obrotową ok.
900 obr/min (rys. 9). Szczegółowa analiza przebiegu prędkości obrotowej z
wykorzystaniem czujnika faz pracy silnika pozwala również wskazać na charakter
procesu spalania (sposób przyrostu ciśnienia podczas procesu spalania, równomierność
pracy silnika, powtarzalność pracy dla poszczególnych cylindrów) oraz wskazać
cylinder w którym proces spalania zachodzi w sposób nieprawidłowy.
prędkość obrotowa
sygnał czujnika faz pracy
3,0
930
2,5
920
2,0
910
1,5
900
1,0
890
0,5
880
0
100
200
300
czas, ms
400
sygnał czujnika faz pracy
silnika, V
prędkość obrotowa silnika,
obr/min
940
0,0
500
Rys. 9. Fluktuacja prędkości obrotowej podczas braku wtrysku paliwa w cylindrze 4
prędkość obrotowa
sygnał czujnika faz pracy
3,0
2,5
920
2,0
910
1,5
900
1,0
890
880
600
0,5
700
800
900
1000
1100
sygnał czujnika faz pracy
silnika, V
prędkość obrotowa, obr/min
930
0,0
1200
czas, ms
Rys. 10. Przebieg prędkości obrotowej przy jednofazowym wtrysku dawki paliwa
Zmiana sposobu podziału dawki paliwa wpływając na przebieg ciśnienia cylindrze
równocześnie powoduje wyraźny wpływ na przebieg prędkości obrotowej silnika.
Analiza przebiegu pozwala stwierdzić że charakter zmian prędkości obrotowej
koresponduje z przebiegiem ciśnienia w cylindrze przy wtrysku 2-fazowym, w taki
sposób, że po zestawieniu z przebiegiem prędkości obrotowej będącej wynikiem
wtrysku paliwa w 1- fazie można zidentyfikować sposób dawkowania paliwem
(charakterystyczne przebiegi z dwoma lokalnymi maksimami prędkości obrotowej dla 2fazowego wtrysku). Równocześnie umożliwia wskazanie cylindrów, w których przebieg
procesu spalania można uznać za nieprawidłowy (rys. 10, 11).
22
950
3,0
prędkość obrotowa
sygnał czujnika faz pracy
2,5
940
2,0
930
1,5
920
1,0
910
0,5
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
sygnał czujnika faz pracy, V
prędkość obrotowa, obr/min
960
0,0
1600
czas, ms
Rys. 11. Przebieg prędkości obrotowej przy dwufazowym wtrysku dawki paliwa
Wymaga to jednak wypracowania przebiegów wzorcowych i zastosowania
zaawansowanego algorytmu analizującego wszelkie nieprawidłowości.
4. Podsumowanie
Zastosowanie systemu sterowania uzupełnionego o moduły analizujące przebieg
ciśnienia w cylindrze oraz zmiany prędkości obrotowej współdziałające z podstawowym
algorytmem sterującym pracą silnika może wpłynąć na jakość pracy silnika oraz
zrealizować dodatkowe funkcje w algorytmie sterowania:
- poprawa własności ekologicznych (ograniczenie emisji szkodliwych składników
spalin oraz cząstek stałych),
- poprawa wskaźników ekonomicznych i dynamicznych silnika,
- kompensacja tolerancji dawki wtryskiwanego paliwa wynikającej z wykonania i
czynników eksploatacyjnych skutkujące poprawą równomierności pracy silnika
oraz redukcją emisji hałasu,
- poprawa równomierności biegu silnika,
- wykrywanie niesprawności poszczególnych zespołów wtryskowych.
Literatura:
[1]
Beasley, M., Et Al, “Reducing Diesel Emissions Dispersion By Coordinated
Combustion Feedbackcontrol”, SAE Paper 2006-01-0186, 2006.
[2]
Bieniek A.: Conception of cylinder based diesel injection control system, Journal
of KONES, Powertrain and Transport, Vol. 18, No. 3, 2011, s. 27- 35.
[3]
Bieniek A., Mamala J., Augustynowicz A., Graba M., Brol S., Lenc-Brol A.,
Lechowicz A.: Zasilanie silników wysokoprężnych pojazdów pozadrogowych,
Monografia – Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej 2012.
[4]
Kowalski D., Bieniek A., Brol S.: Irregularity of rotational Speed of diesel engine
with modified fuel injection system, Journal of KONES, Powertrain and
Transport, Vol. 18, No. 4, 2011, s. 199- 204.
[5]
Brunt M., Et Al, "The Calculation Of Heat Release Energy From Engine Cylinder
Pressure Data", SAE Paper 980152, 1998.
[6]
De Ojeda W., Karkkainen A., “Multicylinder Diesel Engine Design For HCCI
Operation“, Presentation To The Diesel Engine Emissions Reduction (John Deer
Conference), 2006.
23
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
Gorij-Bandpy M., Soleimani S., Ganji D.: „The Effect Of Diffrent Injection
Strategies And Intake Conditions On The Emission Characteristics In A Diesel
Engine”, International Journal Of Vehicular Technology, 2009, s. 1-11.
Graba M., Lechowicz A., Mamala J., Bieniek A.: Wielofazowy wtrysk paliwa dla
silników z zapłonem samoczynnym wyposażonych w rzędową pompę wtryskową,
Inżynieria Rolnicza, Komitet Techniki Rolniczej PAN, Kraków 2010 s. 1-7.
Guezennec Y., Cannova M., Garzarella M., Et. Al.,: Control-Oriented Modeling
for HCCI Combustion and Multi-Cylinder HCCI Experimental Activities, The
Ohio State University, Center for Automobile Research, Rapport 2005, s.. 1-9.
Hasegawa M., Shimasaki, Y., Et Al, “Study On Ignition Timing Control For
Diesel Engines Using In-Cylinder Pressure Sensor”, SAE Paper 2006-01-0180,
2006.
Jantos J., Mamala J., Bieniek A., Kowalski D., Graba M:. „Pojazdy typu "Off
Road" w aspekcie przyszłościowych norm emisji spalin” Journal of Kones 2009.
Kessel J-A., Schmidt M., Isermann R.: „ Modelbasierte Motorsteuerung,
Regelung Und – Ueberwachung“, MTZ Nr 59, 1998, s. 240-246.
Kuessel M., Bellmann H., Herden W.: „ Brennraum–Drucksensor fuer den
Einsatz in Serienmotoren“, MTZ Nr 57, 1996, s.16-22.
Leonhardt S., Ludwig C. And Schwarz R.: “ Real-Time Supervision For Diesel
Engine Injection”, Control Engine Practice, Elsevier Science, Vol. 3, No. 7, Pp.
1003-1010, 1995.
Leonhardt S., Isermann R. „Echtzeit-Ueberwachung Von DieselEinspritzanlagen“ MTZ Nr .57 1996, s.116-123.
Longwic R., Litak G., Górski K., Lotko W., Sen A. K.: Cycle-to-cycle variation
of the combustion process in a diesel engine powered by different fuels; Journal
of Vibroengineering - 2011, nr 1, vol. 13, s. 120-127.
Pinson J., “Bringing The Low Nox Diesel Undercontrol”, Presentation To The
Diesel Engine Emissions Reduction (Deer) Conference, 2006.
Poleszak J. “The Adaptive Control Of The Injection Timing In The Diesel
Engine”; Maintaince and Durability, Nr 2/2003.
Wlodarczyk M., "High Accurancy Glow Plug-Inegrated Pressure Sensor For
Closed Loop Engine Control", MTZ. Worldwide 11/2004, Volume 60.
Streszczenie
W opracowaniu zaproponowano koncepcję układu monitorującego przebieg procesu
spalania z wykorzystaniem czujnika ciśnienia umieszczonego w jednym z cylindrów
silnika spalinowego. W celu obniżenia kosztów całego układu, a jednocześnie
umożliwienia analizy cyklów pracy również dla pozostałych cylindrów zaproponowano
zastosowanie czujnika prędkości obrotowej o wysokiej rozdzielczości. W publikacji
przedstawiono koncepcję oraz wstępne badania Pokładowego Systemu Monitorowania
Procesu Spalania (PSMPS) zastosowanego w silniku o zapłonie samoczynnym.
Zastosowanie algorytmu łączącego informację z sygnału ciśnienia w jednym z cylindrów
z informacją zawartą z analizy przebiegu prędkości obrotowej podczas cyklu pracy
poszczególnych cylindrów pozwala na wykorzystanie dodatkowych informacji do
sterowania silnikiem, a w rezultacie na poprawę jego wskaźników pracy.
Słowa kluczowe: sterowanie, proces spalania, fluktuacja prędkości obrotowej, ciśnienie
w cylindrze
24
CONCEPTION OF COMBUSTION PROCESS ONBOARD MONITORING
SYSTEM (CPOMS) AT COMBUSTION ENGINE
Abstract
In this paper conception of combustion process monitoring system is proposed. The
system based on pressure sensor mounted on cylinder of combustion engine. Due to cost
reduction and additionally allowing analysis of operating cycles of each othes engine
cylinder introduction of high resolution rotational sensor is proposed. In this paper a
conception and initial research of Combustion Process Onboard Monitoring System
(CPOMS) on CI engine. Application of algorithm which merged information included at
cylinder pressure signal with analysis of rotational speed course during operating cycles
of each cylinders allow to use additional information to control of engine and as a result
improvement of engine operating indexes.
Keywords: control system, combustion process, engine speed fluctuation, cylinder
pressure
25