Sterowanie przepustnicą w silniku ZI w aspekcie ekologicznym.

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 1‐2 ISSN 1231 ‐ 4005 THROTTLE RANGE AND SPEED MOTION PROGRAMMING IN SI
ENGINE
Jarosław Mamala, Wojciech Siłka
Politechnika Opolska
ul. Mikołajczyka 5
45-271 Opole
tel. +48 77 4006272, fax.+48 77 4006342, e-mail: [email protected]
Abstract
Throttle range and speed motion programming in SI engine it is one of these control areas, which has the greatest
influence on work indexes. In most of SI engines the charge changes are obtained through throttle angle selection.
The influence of throttle motion on engine work was investigated. From this investigations it results that sudden
throttle position changes are not profitable. Through throttle speed control engine torque and pollutant emission in
transient states were improved.
PROGRAMOWANIE ZAKRESU I PRĘDKOŚCI RUCHU
PRZEPUSTNICY W SILNIKU ZI
Streszczenie
W samochodowym silniku ZI szczególnym wyzwaniem dla układu sterowania są nie ustalone warunki pracy. Dzięki
elektronizacji sterowania osiągnięto w tym zakresie duży postęp. Rozbudowane algorytmy sterowania, oparte na
matematycznym modelu silnika spalinowego, wykorzystują najnowsze osiągnięcia z zakresu teorii regulacji.
Sterowanie adaptacyjne, logika rozmyta to tylko niektóre przykłady aplikacji nowoczesnych algorytmów. Jednak
mimo tak nowoczesnych narzędzi podstawowe wskaźniki silnika pracującego w warunkach nieustalonych odbiegają
od wyznaczonych w stanach ustalonych. Stan nieustalony, wynikający z nagłej zmiany napełnienia cylindrów
sprawia największe problemy. Wynikają one z bardzo dużej dynamika zmian napełnienia i trudności w odpowiednio
szybkiej reakcji układu sterowania. Z badań przeprowadzonych w Zakładzie Samochodów Politechniki Opolskiej
wynika, że zbyt gwałtowne zmiany uchylenia przepustnicy nie są korzystne. Obserwowanie nagłe zmiany
napełnienia zakłócają przebiegu momentu obrotowego silnika, powodują wzrost poziomu emisji substancji
szkodliwych. Omówione w opracowaniu programowanie prędkości i zakresu zmian uchylenia przepustnicy może
być skutecznym środkiem do dalszej poprawy wskaźników pracy silnika ZI w stanie nieustalonym.
1. WPROWADZENIE
W nowoczesnych samochodach nadal dominują klasyczne układy przeniesienia napędu
oparte o stopniowe skrzynie biegów. W takich układach podstawowymi elementami sterowania
w samochodzie osobowym z silnikiem ZI są: pedał przyspieszenia i dzwignia zmiany biegów.
Elementy te wykorzystywane są, we wzajemnym powiązaniu a każdy kierowca, na miarę swoich
umiejętności i doświadczenia dokonuje wyboru punktu pracy silnika. W tym działaniu jest on
jak dotąd niezastąpiony, zaś duża elastyczność samochodu z silnikiem ZI sprawia, że z powodzeniem kierowca może oddziaływać na moc doprowadzoną do kół napędowych. Zmiana mocy
silnika ZI jest zasadniczo uzyskiwana w wyniku zmiany napełnienia cylindrów świeżym
ładunkiem. W większości silników zmianę napełnienia uzyskuje się przez odpowiednią zmianę
kąta uchylenia przepustnicy, usytuowanej w kolektorze dolotowym. Zastosowanie elektronicznie
sterowanej przepustnicy pozwala na programowanie związku pomiędzy pedałem przyspieszenia
a jej uchyleniem [1], [2], [3], [5], [6], [7], [9], [10], [13], [16], [17]. W celu zbadania wpływu
181
prędkości ruchu przepustnicy na parametry zespołu napędowego samochodu z silnikiem ZI
przeprowadzono liczne badania identyfikacyjne. Badania wstępne przeprowadzono przy użyciu
skomputeryzowanego stanowiska badawczego [4], a następnie zweryfikowano ich wyniki przy
użyciu prototypowego układu regulacji napełnienia, który zainstalowano w samochodzie testowanym. Zastosowane programowanej prędkości ruchu przepustnicy pozwala na optymalizację
wskaźników ruchowych samochodu [12], [13], [16], [17].
2. STEROWANIE PRACĄ SILNIKA A WŁASNOŚCI TRAKCYJNE SAMOCHODU
Można wyróżnić wiele stanów pracy silnika, w których zagadnienie zdolności napędzania
ma szczególne znaczenie. Przykładowo jest to zimny rozruch czy też gwałtowna zmiana
obciążenia. Każdy przypadek może być oceniany w oparciu o różne kryteria. Ponieważ
określone własności silnika przekładają się na własności trakcyjne samochodu, zatem istotne
znaczenie ma korelacja pomiędzy położeniem pedału przyspieszenia a momentem obrotowym
silnika [8], [14].
Uchylenie przepustnicy, %
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Czas, s
Rys. 1. Profil uchylenia przepustnicy zarejestrowany podczas jazdy drogowej
Najczęściej występującym, przypadkiem pracy silnika jest stan nieustalony wynikający ze
zmiany jego obciążenia. Jak wynika z profilu uchylenia przepustnicy (rys. 1), zarejestrowanego
podczas jazd drogowych, w niektórych sytuacjach np. przy rozpędzaniu w wyniku „zielonego
światła”, zakres i dynamika zmiany obciążenia silnika jest bardzo duża. Z analizy prędkości
ruchu przepustnicy [10] wynika, iż czasem kierowca zmienia obciążenie silnika w pełnym
zakresie w czasie znacznie krótszym niż 0,5 s. Jak wiadomo, tak szybkie zmiany napełnienia
cylindrów istotnie komplikują proces wytwarzania i przygotowania mieszanki. Jest to problem
szczególnie istotny w silniku ZI o zewnętrznym sposobie wytwarzania mieszaniny palnej [9],
[10], [11]. Ze względu, bowiem na akumulacyjne działanie kolektora dolotowego, uzyskanie
właściwego współczynnika składu mieszaniny palnej wewnątrz cylindra jest poważnie
utrudnione [18], [19]. Tymczasem motywem działania kierowcy jest wyłącznie chęć uzyskania
szybkiej zmiany prędkości liniowej samochodu [5], [6], [7]. Zatem celowe jest rozpatrywanie
relacji pomiędzy prędkością ruchu przepustnicy a przebiegiem momentu obrotowego także w
kontekście ekonomicznym i ekologicznym ruchu samochodu.
182
3. PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ
Przeprowadzone badania obejmowały dwa etapy. W etapie pierwszym przeprowadzono
badania stanowiskowe w celu identyfikacji przebiegu zmian momentu obrotowego silnika w
programowanym stanie przejściowym. Natomiast w etapie drugim przeprowadzono weryfikacyjne badania drogowe przy użyciu elektronicznie sterowanej przepustnicy.
3.1. Badania stanowiskowe
Badania wstępne przeprowadzono przy wykorzystaniu przykładowego silnika ZI o
pojemności 1,6 dm3. Stanowisko dynamometryczne znajdujące się w Zakładzie Samochodów
Politechniki Opolskiej, wyposażono w szereg urządzeń umożliwiających m.in. pomiar: stężenia
substancji szkodliwych w spalinach (CH, CO, CO2, O2, NOx) strumienia powietrza zasilającego
silnik, strumienia paliwa, momentu obrotowego, ciśnienia indykowanego, ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym, położenia przepustnicy. Poniżej dla przykładu przedstawiono
wyniki badań przeprowadzonych przy stałej prędkości obrotowej silnika (1800 obr/min) i
zmiennej prędkości ruchu przepustnicy w zakresie od 10% do 95% otwarcia. W kolejnych
próbach czas otwierania przepustnicy ustalono odpowiednio na: 0,2s; 0,6s; 1,0s, i 2s.
Zarejestrowane profile uchylenia przepustnicy przedstawia rys. 2a.
a)
b)
120
100
100
60
Czas uchylenia
0.2 s
0.6 s
1s
2s
40
20
Moment, Nm
Przepustnica, %
80
80
60
Czas uchylenia
0.2 s
0.6 s
1s
2s
40
20
0
0
59.5
60
60.5
Czas, s
61
61.5
62
59.6
60
60.4
60.8
61.2
Czas, s
Rys. 2. Programowanie procesu nieustalonego; a) uchylenie przepustnicy, b) moment obrotowy
Konsekwencją zróżnicowanej prędkości ruchu przepustnicy jest odmienny czasowy przebieg
momentu obrotowego (rys. 2b). Warto zwrócić uwagę na szybki wzrost momentu obrotowego
silnika przy najkrótszym czasie otwierania przepustnicy. Jednak po szybkim wzroście momentu
obrotowego następuje chwilowy, lecz znaczący spadek jego wartości. W miarę wydłużania
czasu otwierania przepustnicy, a więc spadku prędkości jej ruchu, moment obrotowy silnika
narasta nieznacznie wolniej. Jednocześnie jednak coraz mniejszy jest wtórny spadek jego
wartości. Już dla czasu otwierania ok. 1 s, praktycznie nie obserwuje się wtórnego spadku
momentu obrotowego. Dalsze zmniejszanie prędkości ruchu przepustnicy sprawia, że moment
obrotowy silnika narasta coraz wolniej. Jednak różnica w czasie upływającym do uzyskania
wartości momentu maksymalnego (0,25 s) jest zdecydowanie mniejsza niż różnica czasu
otwierania przepustnicy (1,8s). Warto natomiast zauważyć, że stabilną wartość momentu
obrotowego, w przypadku czasu otwierania wynoszącym 1s, uzyskuje się o ok. 0,5 s wcześniej
niż w przypadku gwałtownej zmiany położenia przepustnicy (czas otwierania 0,2s).
Zaobserwowane podczas badań stanowiskowych wahania momentu obrotowego silnika mogą
doprowadzić do potęgowania drgań w układzie przeniesienia napędu.
183
3.2. Badania drogowe
Celem przeprowadzonych badań drogowych była ocena wpływu programowalnego ruchu
przepustnicy na własności trakcyjne samochodu. Programowaniu podlegał zarówno proces
zwiększania jak i zmniejszania mocy silnika. Proces zmiany mocy realizowany był przez
prototypowy układ regulacji napełnienia, w jaki został wyposażony testowany samochód. Pojazd
testowy stanowił samochód osobowy Polonez GLI, wyposażony w silnik typu CE o pojemności
1,6 dm3, z jedno punktowym wtryskiem paliwa lekkiego typu MULTEC TBI 700 oraz
trójfunkcyjny katalizator spalin. Identyczny silnik stanowił obiekt badań przeprowadzonych
metodą stanowiskową. Zastosowany identyczny również zestaw do pomiaru momentu
skręcającego na wale napędowym. W badanym samochodzie zmodyfikowano układ sterowania
uchyleniem przepustnicy. Wprowadzono dodatkowy elektroniczny zespół sterowania pracą
silnika składający się z elektronicznej przepustnicy, elektronicznego pedału przyspieszenia oraz
sterownika. Te elementy wchodziły w skład prototypowego układu regulacji napełnienia.
Na rysunku 3 pokazano zamontowane w pojeździe testowym urządzenia to jest: przetwornik
momentu obrotowego, zamontowany na wale napędowym (rys. 3a), oraz elektronicznie
sterowaną przepustnicę (rys. 3b).
a)
b)
Rys. 3. Elementy układu pomiarowego i sterującego samochodu testowego: a) zestaw do pomiaru momentu
skręcającego na wale, b) elektronicznie sterowana przepustnica
Wykorzystując aparaturę pomiarową, specjalistyczne oprogramowanie i odpowiednio
przygotowany samochód przeprowadzono identyfikację bierną i czynną jego podstawowych
charakterystyk. Identyfikacja bierna polegała na pomiarze i rejestracji wybranych charakterystyk
w rzeczywistych warunkach ruchu, zaś w ramach identyfikacji czynnej przeprowadzono próby
rozpędzana samochodu na specjalnym odcinku pomiarowym. Próby rozpędzania przeprowadzono od stałej prędkości obrotowej wału korbowego (około 1500 obr/min) dla różnego
przełożenia układu przeniesienia napędu oraz dla różnego zakresu i prędkości ruchu
przepustnicy. Przykładowe wyniki, uzyskane dla rozpędzania w obrębie trzeciego biegu,
przedstawiono na rysunkach od 4 do 5 obrazujące przebieg momentu skręcającego na wale
napędowym. Zarówno skokowe otwarcie jak i przymknięcie przepustnicy prowadzi do oscylacji
wartości momentu obrotowego silnika (rys. 4a, 4b), następstwem czego jest odpowiednia
zmienność prędkości liniowej samochodu. Ograniczenie prędkości ruchu przepustnicy do
zadanej wartości uzyskano przez prototypowy układ regulacji napełnienia silnika.
184
Taki sam skok sygnału wychylenia pedału przyspieszenia przekłada się na zdecydowanie
wolniejszy ruch przepustnicy a co za tym idzie na bardziej łagodny przebieg procesu. Ze
względu na to, że rozpatrywano zarówno fazę wzrostu jak i spadku mocy silnika, wprowadzono
ograniczenia prędkości ruchu przepustnicy, niezależne dla każdej z tych faz. W przykładzie
zilustrowanym wykresem 5 ograniczono prędkość ruchu przepustnicy w obu fazach do wartości
maksymalnej równej 100 °/s. Z przedstawionych wykresów wynika, że ograniczenie prędkości
ruchu przepustnicy powoduje zmniejszenie amplitudy odchylenia momentu obrotowego a tym
samym przyspieszenia liniowego samochodu.
a)
b)
160
160
120
Moment, Nm
Moment, Nm
120
80
80
40
0
40
-40
0
-80
4
6
8
10
12
30
31
Czas, s
32
33
34
Czas, s
Rys. 4. Przebieg czasowy momenty skręcającego na wale napędowym przy nieograniczonej prędkości ruchu
przepustnicy, a) faza zwiększania napełnienia, b) faza zmniejszania napełnienia
a)
b)
160
160
120
Moment, Nm
Moment, Nm
120
80
40
80
40
0
-40
0
4
6
8
Czas, s
10
12
28
32
36
Czas, s
Rys. 5. Przebieg czasowy momenty skręcającego na wale napędowym przy ograniczonej prędkości ruchu
przepustnicy, a) faza zwiększania napełnienia, b) faza zmniejszania napełnienia
Natomiast nieograniczona prędkość ruchu przepustnicy jest przyczyną oscylacji momentu na
wale napędowym, zarówno w fazie zwiększania jak i w fazie gwałtownego zmniejszania
momentu obrotowego silnika. Zmniejszenie prędkości ruchu przepustnicy nie prowadzi przy tym
do zauważalnego podczas prób pogorszenia dynamiki wzdłużnej samochodu. Zróżnicowanie
wartości momentu skręcającego na wale napędowym nie pozostaje bez znaczenia na strumień
paliwa zarejestrowany na wykresie 6.
185
Strumień paliwa, g/s
6
Prędkość ruchu przepustnicy
nie ograniczona
ograniczona
4
2
0
0
10
20
30
40
Czas, s
Rys. 6. Czasowe zużycie paliwa przy różnym poziomie ograniczenia prędkości ruchu przepustnicy
Widoczne zróżnicowanie strumienia paliwa nie prowadzi do jednoczesnej zmiany poziomu
emisji substancji szkodliwych, co może być spowodowane sumującym działaniem katalizatora
spalin. Z przedstawionych wykresów wynika, że zmiana prędkości ruchu przepustnicy wpływa
znacząco na przebieg procesu rozpędzania samochodu. Bardziej równomierna podaż siły
napędowej charakterystyczna przy ograniczonym ruchu przepustnicy wpływa na zwiększenie
płynności ruchu.
4. PODSUMOWANIE
Dobre własności trakcyjne samochodu wiążą się ściśle z odpowiednim sterowaniem pracą
silnika. Zjawiska występujące w przejściowych stanach pracy silnika podczas rozpędzania
wymagają korekty prędkości ruchu przepustnicy. Prędkość ruchu przepustnicy jest bowiem
jednym z dodatkowych stopni swobody, uzyskiwanych w elektronicznych układach regulacji
napełnienia silnika. Z przedstawionego w tym opracowaniu niewielkiego fragmentu prowadzonych badań wynika, że dobór prędkości ruchu przepustnicy może być skutecznym środkiem
dla optymalizacji podaży siły napędowej. Wyniki przeprowadzonych badań stanowiskowych i
drogowych umożliwiają sformułowanie następujących wniosków końcowych:
• stan przejściowy w samochodowym silniku ZI jest w znaczącym stopniu uzależniony od
prędkości ruchu przepustnicy;
• we współczesnych układach regulacji napełnienia silnika ZI można przyjąć jako
niezależną zmienną sterowaną prędkość ruchu przepustnicy, która może być
programowana,
• programowanie prędkości ruchu przepustnicy jest skutecznym środkiem zarówno do
poprawy wskaźników pracy silnika ZI jak i do poprawy przebiegu siły napędowej na
kołach i płynności ruchu samochodu.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
186
Deneuville C., Streib H. M.: Electronic throttle control: contribution in engine management
systems, 5th International Congress EAEC, Strasbourg, 1995, nr SIA 9506A29
Gerhardt J., Benninger N., Heβ W.: Torque-based system structure of an electronic engine
management system (ME7) as a new base for drivetrain systems, FISITA'98, 1998, nr F98T624
Glöckler O., Benninger N.: Beitrag der Motorsteuerung für Ottomotoren zur Senkung des
Kraftstoftverbrauchs, Kraftfahrwesen und Verbrennungsmotoren, Stuttgarter Symposium, Stuttgart
1995, str. M16.1 - M16.15.
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
Jantos J., Mamala J.: Stanowiskowy symulator obciążenia drogowego silnika, Konstrukcja,
badania, eksploatacja, technologia pojazdów samochodowych i silników spalinowych, PAN
oddział w Krakowie, Teka Komisji Naukowo-Problemowej Motoryzacji, Kraków 1999, z.18
str.113..119
Jantos J., Mamala J.: Zintegrowany system sterowania napędu samochodu osobowego, Zeszyty
Naukowe Politechniki Opolskiej, seria Mechanika z. 56 nr 241, 1998, str. 33-46
Jantos J.: Drive control in passanger car, Journal of Kones, Internal Combustion Engines, vol.6,
No.1-2, Warsaw 1999, str. 48-57
Jantos J.: Nowa koncepcja systemu sterowania napędu w samochodzie osobowym z silnikiem ZI,
Czasopismo techniczne INTERKONMOT’98, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej
z.6M/1998, str.142..153
List H.,Schöggl P., Fraidl G.: Objektive Beurteilung des subjektiven Fahrempfindes, Automobil
Technische Zeitschrift nr 4, 1998, str.274..279
Mamala J.: Sterowanie napełnieniem silnika ZI w aspekcie ekologicznym, Diagnostyka pojazdów
samochodowych 2000, vol.2,Katowice 2000, str.125-136
Mamala J.: Zdolność napędzania i emisja substancji szkodliwych samochodowego silnika ZI w
stanie przejściowym, Conference Proceedings, 27th International Scientific Conference on
Cmbustion Engines KONES 2001, September 9-12, 2001, Jastrzębia Góra, str. 65-71
Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych, t.1, Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej, Poznań 1998
Ohyama Y.: An advanced engine drivetrain control system which improves fuel economy and
lowers exhaust emissions, 5th International Congress EAEC, Strasbourg, nr SIA 9506A30, 1995
Ohyama Y.: Engine Control Using a Combustion Model, , Seoul 2000, FISITA World Automotive
Congress, June 12-15 2000, Seoul, Korea, F2000A033
Schöggl P., Ramschak E., Bogner E, Dank M.: Entwicklung eines kundenspezifischen
Fahrzeugcharakter, Automobil Technische Zeitschrift nr 3, 2001 str 186..195
Siłka W., Jantos J.: A new idea of the automatic control system for the driving units in cars with
spark-ignition engine, FISITA World Automotive Congress, Paris 1998, nr F98T629
Siłka W., Jantos J.: The integrated system of drive control, EAEC European Automotive Congress,
Vehicle Systems Tevhnology for the Next Century, Barcelona 1999, str. 269-276
Siłka W., Jantos J., Mamala J.: Wpływ sterowania napędem samochodu osobowego na własności
ruchowe i zużycie paliwa, VI Międzynarodowa Konferencja Naukowa, Badania symulacyjne w
technice samochodowej, Komisja Naukowo-Problemowa Motoryzacji PAN, Politechnika
Lubelska, Kazimierz Dolny maj 1997, str. 49-54
Tekeshi S., Isao T., Hirohisa T.: Virtual vehicle system for devel opment of clean emission engines,
FISITA'98, 1998, nr F98T152
Wendeker M.: Adaptacyjna regulacja wtrysku benzyny w silniku o zapłonie iskrowym,
Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 1998
187