ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014 Krzysztof Szczurowski 1, Damian Walczak 2, Łukasz Zieliński 3 ZASTOSOWANIE PROGRAMOWALNEGO STEROWNIKA DO WYSTEROWANIA OSPRZĘTU BADAWCZEGO SILNIKA DWUPALIWOWEGO 1. Wstęp Wysokie koszty eksploatacji środków transportu zachęcają do poszukiwania metod obniżania tych kosztów. Jednym ze sposobów mogą być silniki dwupaliwowe, w których np. paliwem podstawowym jest olej napędowy, a dodatkowym może być gaz LPG, biogaz, itp., które są paliwami znacznie tańszymi od oleju napędowego. Rozwój układów sterujących pracą silnika spalinowego pozwala na próby bardzo precyzyjnego kontrolowania pracy silników dwupaliwowych. Jednym rozwiązań może być praca silnika o zapłonie samoczynnym z dodatkiem LPG. Na rynku obserwuję się tendencję wzrostu popularności takich instalacji, podyktowane jest to głównie oszczędnościami jak również oczekiwaną redukcją związków toksycznych. Oferowane przez różne firmy instalacje, pozwalają na domieszkę do około 30 % propan-butanu. Proporcja ta wynika z kontroli procesu spalania, a szczególnie z podatności na spalanie stukowe i tendencji do wzrostu temperatury spalin. Sterowniki komercyjnych rozwiązań badają te parametry i odpowiednio ograniczają lub odcinają dopływ dodatku LPG. Wprowadzanie pewnej części paliwa jako gazu, odbywa się najczęściej poprzez modyfikacje sygnału z potencjometru pedału przyspieszenia lub sygnału z czujnika ciśnienia paliwa na listwie. Sygnały te pozyskiwane przez sterownik instalacji LPG odpowiednio przetworzone kierowane są do sterownika fabrycznego, przez co ograniczana jest dawka oleju napędowego. Taki sposób sterowania dodatkiem LPG jest stosunkowo prosty i bezawaryjny, nie mniej jednak tak niska integralność wprowadza pewne ograniczenia. Brak możliwości wpływania na parametry takie jak kąt wyprzedzenia wtrysku, możliwość podziału dawek, nie sprzyja optymalnej pracy dwupaliwowej z punktu widzenia efektywności i maksymalnego udziału LPG. 2. Układ sterownia W celach badawczych zbudowano układ sterowania pozwalający na całkowitą integralność urządzeń wykonawczych układu zasilania. Schemat funkcjonalny układu przedstawiono na rysunku 1. Sterownik został zaimplementowany na stanowisku badawczym przedstawionym na rysunku 2, a składającym się w części mechanicznej z: 1-zbiornik, 2-pompa elektryczna, 3-filtr paliwa, 4-pompa wysokiego ciśnienia, 5- zasobnik, 6-wtryskiwacz piezoelektryczny, 7- wtryskiwacz LPG, 8-zawór regulacji ciśnienia, oraz w części elektrycznej: A - Czujnik położenia wału, B - czujnik suwu pracy, C - czujnik temperatury paliwa, D - czujnik ciśnienia paliwa, E - świeca żarowa z pomiarem ciśnienia w cylindrze, F - czujnik EGT, G - czujnik ciśnienia paliwa stanowisko. Jako jednostkę centralną układu sterowania zastosowany programowalny 1 dr inż. Krzysztof Szczurowski, adiunkt Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej 2 inż. Damian Walczak student studiów II stopnia Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych 3 mgr inż. Łukasz Zieliński, doktorant Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej 145

2 sterownik oparty na mikrokontrolerze ATmega32M1, który został zbudowany w ramach pracy inżynierskiej Damiana Walczaka [1] przedstawionej na V Międzynarodowej Konferencji Systemy Mechatroniczne Pojazdów i Maszyn Roboczych [2]. Poniżej przedstawiono schemat układu sterowania stanowiska badawczego. Rys. 1. Schemat funkcjonalny sterownika (źródło własne) 3. Algorytm sterowania osprzętem silnika Oprogramowanie sterownika zostało napisane w języku C w środowisku AVR Studio. Algorytm sterownia wykorzystuje następujące sygnały z czujników: Sygnał z czujnika położenia wału korbowego (czujnik halla) Sygnał z czujnika identyfikującego początek kąt odniesienia dla impulsów z poprzedniego czujnika Sygnał z czujnika temperatury paliwa (czujnik NTC) Sygnał z czujnika ciśnienia na listwie wysokiego ciśnienia Sygnał z czujnika temperatury spalin (EGT) Dwa pierwsze są sygnałami cyfrowymi, których informacją jest czas ich wystąpienia oraz częstotliwość. Czujnik położenia wału korbowego został zamocowany przy kole zębatym służącym do rozruchu silnika rozrusznikiem elektrycznym. Sygnał z tego czujnika informuje sterownik o kolejnych zębach, a tym samym o kolejnych położeniach kątowych wału korbowego. Sygnałem odniesienia do tego sygnału jest sygnał z czujnika identyfikującego znane położenie kątowe silnika w suwie pracy. Czujnik ten jest umieszczony jest w miejscu fabrycznej pompy wtryskowej, daje on sygnał w chwili największego wzniosu krzywki. 146

3 Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego (źródło własne) Trzy kolejne sygnały są sygnałami napięciowymi. Napięcie na zaciskach czujnika temperatury paliwa jest nieliniową funkcją temperatury i musi być odpowiednio przeliczone. Napięcie na zaciskach czujnika ciśnienia paliwa jest proporcjonalne do ciśnienia panującego w listwie wysokiego ciśnienia. Czujnik temperatury spalin (EGT) jest termoparą typu K, napięcie z tego czujnika jest bardzo niskie, dlatego zastosowano dodatkowy wzmacniacz. 147

4 Wyjścia ze sterownika zostały zaprojektowane do bezpośredniego wysterowania podstawowych elementów wykonawczych. Zastosowano w nich tranzystory MOSFET z kanałem N mogące wysterować aktuatory pobierające prąd do 5A. Pozwoliło to na bezpośrednie wysterowanie następujących elementów: Zawór dawkowania paliwa w pompie wysokiego ciśnienia Zawór regulacji ciśnienia w listwie wysokiego ciśnienia Wtryskiwacz LPG Dodatkowo do wysterowania wtryskiwacza piezoelektrycznego została zbudowana końcówka mocy z przetwornicą zwiększającą napięcie do 130V, które jest niezbędne do otwarcia wtryskiwacza piezoelektrycznego. Bezpośrednio do uruchomienia silnika niezbędna jest tylko część z wyżej wymienionych sygnałów pozostałe służą do doprecyzowania ilości i czasu podania paliwa. Najważniejszymi sygnałami są sygnały z czujnika położenia wału korbowego oraz z czujnika identyfikującego początek cyklu pracy silnika. Oba te sygnały są odczytywane poprzez przerwania, aktywowane zboczem opadającym wymienionych sygnałów. Aktualne położenie kątowe silnika jest aktualizowane na podstawie sygnał z czujnika położenia wału korbowego. Pojawienie się zbocza opadającego tego sygnału powoduje aktywację przerwania, w którym następuje zliczanie kolejnych impulsów. Jeśli jest to impuls tuż przed zadanym kątem początku wtrysku, w przerwaniu następuje obliczenie czasu, jaki pozostał do otwarcia wtryskiwacza. Obliczony czas jest zapisywany do sprzętowego licznika/zegara, który bezpośrednio załącza wyjście sterownika odpowiedzialne za wysterowanie wtryskiwacza. Do rozpoznania, który impuls jest odpowiada jakiemu rzeczywistemu położeniu silnika zastosowano czujnik identyfikacji kąta odniesienia. Zbocze opadające sygnału z tego czujnika aktywuje przerwanie, w którym zliczone impulsy od czujnika położenia wału korbowego są zerowane. Dzięki temu po wykonaniu 2 obrotów silnika za pomocą rozrusznika algorytm sterowania ma pewną informację o aktualnym położeniu silnika. 4. Sposób zadania parametrów pracy silnika Sterownik posiada możliwość komunikacji w sieci CAN, co wykorzystano do komunikacji z komputerem PC, na którym zbudowano panel operatorski w środowisku LabVIEW. Panel umożliwia zadanie takich parametrów pracy silnika jak: kąt wyprzedzenia wtrysku pilotującego kąt wyprzedzenia wtrysku głównego wypełnienie sygnału sterującego zaworem ciśnienia wypełnienie sygnału sterującego zaworem dawkowania pompy czas wtrysku pilotującego czas wtrysku głównego czas wtrysku LPG Wszystkie powyższe parametry są wysyłane przez sterownik w celu weryfikacji czy poprawnie je odczytał, dodatkowo sterownik wysyła informacje, których również jest podgląd w panelu. Są to następujące informacje: ciśnienie na listwie Common Rail prędkość obrotowa silnika napięcie zasilania sterownika ciśnienie LPG 148

5 Poniższy rysunek 3 przedstawia fragment panelu sterownia służący do zadania 4 parametrów pracy silnika. Rys. 3. Fragment panelu sterowania [3] 5. Wnioski Zastosowany sterownik z oprogramowaniem jest całkowicie autonomiczny, nie potrzebuje komputera PC do uruchomienia silnika. Wszystkie parametry można ustawić za pomocą 4 przycisków oraz mieć ich podgląd na niewielkim wyświetlaczu LCD. Komputer PC wraz z panelem operatorskim opisanym w powyższym rozdziale służy do wygodnej i zdalnego zadawania parametrów pracy. W dalszym etapie możliwy jest rozwój algorytmów doboru dawek oraz korygowania innych parametrów zarówno w komputerze PC jak i samym sterowniku. Zaletą rozwoju algorytmu doboru dawek w środowisku LabVIEW może być szybkość wprowadzania zmian w tym algorytmie oraz możliwość przeprowadzania badań przez osoby, które znają środowisko LabVIEW, a nie potrafią modyfikować kodu programu w języku C. Wadą takiego rozwiązania jest uzależnienie sterownika od algorytmu, który znajduje się w komputerze oraz niewielkie opóźnienia między tym co zostanie wyliczone przez algorytm, a tym co zostanie wykowane przez sterownik. Innym rozwiązaniem jest możliwość dopisania algorytmu doboru dawek bezpośrednio na sterownik, największą zaletą tej metody jest natychmiastowa reakcja np. na zmianę obciążenia silnika. Wadą natomiast jest konieczność podłączania programatora do sterownika przy nawet najmniejszej zmianie w algorytmie, takiej jak zmiana jakiegoś mnożnika, czy zmiana znaku operacji matematycznej. 149

6 Literatura: [1] Walczak D.: Opracowanie projektu programowalnego sterownika podstawowych urządzeń mechatronicznych, praca inżynierska, Warszawa 2013 [2] Radkowski S., Szczurowski K., Walczak D., Zieliński Ł.: Proposed method of steering diesel engine equipped with modified supply system using versatile programmable driver, V Międzynarodowa Konferencja Systemy Mechatroniczne Pojazdów i Maszyn Roboczych, Warszawa [3] Szczurowski K., Więcławski K., Walczak D., Zieliński Ł.: Determination of the time of injection LPG dual fuel engine, XIII International Technical Systems Degradation Conference, Liptovsky Mikulas, Streszczenie W artykule przedstawiono zagadnienie sterowania w silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym zasilanych dwupaliwowo - ON i LPG. Omówione zostały dotychczasowe rozwiązania i przedstawiono propozycję autorów opartą na autorskim sterowniku integrującym zadania sterowania klasycznym układem CR ze sterownikiem pozwalającym na dawkowanie LPG. Słowa kluczowe: diesel, LPG, sterownik THE USE OF A PROGRAMMABLE CONTROLLER FOR CONTROLLING THE TEST EQUIPMENT DUAL FUEL ENGINE Abstract The article presents the problem of control of internal combustion ignition powered dually- diesel and LPG. Discusses existing solutions and presents a proposal based on the authors' copyright controller integrating control tasks CR classical system with the controller allows the dosage of LPG. Keywords: diesel, LPG, control unit 150