The algorithm of determination of injection time in from cycle to cycle control GDI engine *) Algorytm generowania czasu wtrysku

Transkrypt

1 arek BARTCZAK Zbigniew WOŁCZYŃSKI PTNSS 2011 SC 153 The algorithm of determination of injection time in from cycle to cycle control GDI engine *) Summary: The paper presents the algorithm of determination of injection time basing on from cycle to cycle method ensuring right mixture of air and fuel has also been presented. Hardware implementation of algorithm have been given. The algorithm was tested in real operation enviromment engine GDI of itsubishi Carisma car. Key words: ZI engines with direct injection of fuel, control of fuel dose and injection angle Algorytm generowania czasu wtrysku w sterowaniu z cyklu na cykl w silniku GDI *) Streszczenie: W referacie przedstawiono algorytm generowania czasu wtrysku wg metody z cyklu na cykl, zapewniającej żądany skład mieszanki paliwowo-powietrznej w każdym cyklu pracy silnika. Opisano przykładową realizację sprzętową algorytmu. Przedstawiono także wyniki badań poprawności działania algorytmu, przeprowadzonych na silniku GDI samochodu itsubishi Carisma w warunkach hamowni podwoziowej. Słowa kluczowe: silniki ZI z bezpośrednim wtryskiem paliwa, regulacja dawki paliwa i kąta wtrysku 1. Wstęp Pierwsze samochody wyposażone w silniki ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny pojawiły się w Japonii pod koniec 1995 r. Były to Carisma i Galant produkcji firmy itsubishi. Silniki te są nazywane GDI (ang. Gasoline Direct Injection bezpośredni wtrysk benzyny). Obecnie samochody z silnikami ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny są również produkowane przez inne firmy samochodowe [2]. Idea bezpośredniego wtrysku polega na tworzeniu mieszanki paliwowo-powietrznej bezpośrednio w komorze spalania. Dla osiągnięcia powyższego celu wtryskiwacz umieszcza się w komorze spalania, a przez zawór dolotowy jest dostarczane wyłącznie powietrze. Wtrysk benzyny następuje pod wysokim ciśnieniem, wytwarzanym przez specjalną pompę. Proces regulacji składu mieszanki paliwowopowietrznej przebiega wg różnych strategii [1]. ieszankę stechiometryczną uzyskuje się wtryskując paliwo do cylindra w czasie suwu napełniania, natomiast mieszanka uwarstwiona powstaje, gdy paliwo wtryskiwane jest pod koniec suwu sprężania. Tworzy ono z powietrzem mieszankę bogatą w okolicy wtryskiwacza i świecy zapłonowej i bardzo ubogą, a nawet samo powietrze przy ściankach cylindra. Średni skład tej mieszanki jest bardzo ubogi (λ 2). Przy małym obciążeniu, np. na biegu jałowym lub podczas jazdy ze stałą prędkością po poziomej powierzchni, silnik jest zasilany ubogą mieszanką uwarstwioną, która zawiera mniej paliwa, co przyczynia się do zmniejszenia jego zużycia. Natomiast podczas jazdy przy większym obciążeniu (np. przyśpieszenie lub jazda z dużą prędkością) spala mieszankę jak w silniku konwencjonalnym. Silnik z bezpośrednim wtryskiem benzyny charakteryzuje się: mniejszym zużyciem paliwa w przypadku zasilania mieszanką uwarstwioną, możliwością wzbogacenia składu mieszanki po napełnieniu cylindra powietrzem. 2. Algorytm wyznaczania czasu wtrysku paliwa w sterowaniu z cyklu na cykl w silniku GDI Istota metody wyznaczania czasu wtrysku paliwa w sterowaniu z cyklu na cykl w silniku GDI polega na dostarczeniu paliwa do cylindra silnika odpowiednio do ilości zassanego powietrza. Algorytm tej metody jest przedstawiony na rysunku 1 [5]. 1

2 silnika dokonuje się pomiaru masy zassanego powietrza, na podstawie, której oblicza się dawkę paliwa zapewniającą żądany skład mieszanki, po czym następuje wtrysk paliwa bezpośrednio do cylindra silnika. asa zasysanego powietrza wyznaczana jest metodą całkowania numerycznego przebiegu sygnału napięciowego z wyjścia termoanemometru, odpowiadającego masowemu wydatkowi powietrza m A. Całkowanie to odbywa się w czasie otwarcia zaworów dolotowych określonym przez kąty odpowiednio ϕ p1 i ϕ p2 położenia wału korbowego [4]. W celu lepszego wymieszania i odparowania paliwa, wtrysk części dawki paliwa, nie powodującej utworzenia mieszanki bardziej bogatej niż żądana, jest realizowany w suwie napełniania. Ta część dawki paliwa wtryskiwana jest na początku suwu napełniania, tj. ok. 30 OWK po GP. Czas trwania T w1 tego wtrysku sterownik odczytuje z tablicy na podstawie aktualnej prędkości obrotowej wału korbowego i masy powietrza zassanego w poprzednim cyklu roboczym silnika T w1 = f(n, A1 ). Drugi, dodatkowy wtrysk paliwa następuje po napełnieniu cylindra powietrzem i obliczeniu dodatkowej dawki paliwa. Początek tego wtrysku przypada na 285 OWK po GP w czasie suwu sprężania. Czas trwania T w2 wtrysku dodatkowego obliczany jest w następujących krokach: obliczenie całkowitej żądanej masy paliwa F ze wzoru: F A1 = λ 14,7 obliczenie masy paliwa F2 przypadającej na wtrysk dodatkowy ze wzoru: (,054 T 1,0293) F 2 = F 12 w1 + obliczenie czasu trwania T w2 wtrysku dodatkowego ze wzoru: Rys. 1. Algorytm wyznaczania czasu wtrysku w sterowaniu z cyklu na cykl w silniku GDI W celu zapewnienia żądanego składu mieszanki paliwowo-powietrznej, w każdym cyklu roboczym T w2 = 0, F 2 0,0754 W silniku GDI, w którym paliwo wtryskiwane jest do komory spalania metoda ta powinna zapewnić żądany skład mieszanki, gdyż wtrysk dodatkowy realizowany jest w czasie suwu sprężania. Nie istnieje więc niebezpieczeństwo, że wtryskiwane paliwo nie dostanie się do cylindra, jak ma to miejsce w silniku z wtryskiem pośrednim [7]. Ponadto w silniku z wtryskiem do komory spalania nie występuje ograniczenie czasu trwania wtrysku dodatkowego, co z kolei pozwala skrócić czas trwania wtrysku realizowanego w suwie napełniania i wydłużyć czas trwania wtrysku dodatkowego. Dłuższy czas trwania wtrysku dodatkowego daje większe możliwości korekcji dawki paliwa w przypadku gwałtownej zmiany ilości zassanego powietrza, w stosunku do poprzedniego suwu napełnienia. 2

3 3. Przykład realizacji sprzętowej algorytmu Schemat blokowy sterownika wtryskiwaczy paliwa w sterowaniu z cyklu na cykl w silniku GDI, opartego na mikrokontrolerze SAB80C517 (prod. Siemens) [6] zawierającym przetwornik analogowo-cyfrowy, rozbudowany funkcjonalnie układ czasowo-licznikowy oraz układy zwiększające efektywność obliczeń jest przedstawiony na rysunku 2. Natomiast rysunek 3 przedstawia algorytm sterowania. jest stały. Do odmierzania tego odstępu czasowego wykorzystano licznik T1, pracujący w trybie 1, taktowany sygnałem wewnętrznym o częstotliwości 1 Hz, podobnie jak licznik T0. Wartość początkowa wpisywana do licznika T1 wynosi: T1 = długość odstępu pomiarowego [µs] Rys. 2. Schemat blokowy sterownika wtryskiwaczy paliwa w sterowaniu z cyklu na cykl w silniku GDI Sygnały z czujnika obrotów wału korbowego CAS (ang. crank angle sensor) i czujnika położenia wałka rozrządu CS (ang. camshaft sensor) są podawane na wejścia P1.4 i P1.5 portu mikrokontrolera, w celu zidentyfikowania początku suwu napełniania danego cylindra. Napięcie z wyjścia termoanemometru jest doprowadzane do jednego z wejść analogowych ANx wewnętrznego przetwornika A/C mikrokontrolera. Sygnały sterujące pracą wtryskiwaczy generowane są na wyjściach P1.0..P1.3. Czas trwania (długości) wtrysku określa się na podstawie czasu trwania półobrotu (prędkości obrotowej) wału korbowego i ilości zassanego powietrza. Pomiar czasu trwania półobrotu wału korbowego jest realizowany przez odmierzanie odstępu czasu między dwoma kolejnymi sygnałami z czujnika obrotów wału korbowego [3]. Do odmierzania tego odstępu czasowego jest wykorzystywany licznik T0, pracujący w trybie 1, taktowany sygnałem wewnętrznym o częstotliwości 1 Hz (przy zastosowaniu rezonatora zewnętrznego o częstotliwości 12 Hz). Przy zmianie stanu linii P1.4 na wysoki jest generowane przerwanie zewnętrzne INT2. W podprogramie obsługi tego przerwania (rys. 3) są umieszczone procedury wyznaczania czasu trwania półobrotu wału korbowego oraz czasu początku (kąta) i czasu trwania wtrysku. Pomiar ilości zassanego powietrza jest wykonywany metodą całkowania numerycznego przebiegu napięcia analogowego na wyjściu termoanemometru, w pełnym zakresie przetwarzania ( V) przetwornika A/C, który jest uruchamiany bezpośrednio po wykryciu początku suwu napełniania. Jako napięcie odniesienia jest wykorzystywane napięcie zasilania mikrokontrolera +5V. Odstęp czasu między dwoma kolejnymi pomiarami Rys. 3. Algorytm sterowania pracą wtryskiwaczy paliwa w silniku GDI wg metody z cyklu na cykl Wynik pomiaru ilości zassanego powietrza zostaje wpisany do wewnętrznej pamięci danych w podprogramie obsługi przerwania od licznika T1 (rys. 4). Ilość powietrza zasysanego do silnika jest obliczana po każdym pomiarze, w przerwaniu 3

4 od licznika T1 odmierzającego odstęp pomiarowy (rys. 5). czasów są wpisywane do rejestrów CRC..CRC3. W chwili wystąpienia równości zawartości licznika T2 i odpowiedniego rejestru CRC..CC3 generowane są przerwania INT4..INT6. W podprogramach obsługi tych przerwań następuje włączenie i wyłączenie wtryskiwaczy paliwa (rys. 6). Rys. 4. Algorytm procedury obsługi przerwania INT2 Rys. 6. Algorytm procedury obsługi przerwania od komparatorów CRC..CC3 Dla określenia kolejności obsługi przerwań, przy jednoczesnym nadejściu kilku sygnałów przerywających można ustalić odpowiedni priorytet przerwań. Poprawność działania programu może być nadzorowana za pomocą układu watchdog a, który w przypadku zawieszenia się programu generuje wewnętrzny sygnał zerujący procesor. Rys. 5. Algorytm procedury obsługi przerwania od licznika T1 Czas początku wtrysku wynikający z kąta wtrysku jest obliczany z zależności t pw Θw t = 180 t pw czas początku wtrysku w µs, Θ w kąt wtrysku w ºOWK, t o czas trwania półobrotu wału korbowego w µs. Do odmierzania czasu początku wtrysku i czasu wtrysku jest wykorzystywany licznik T2, pracujący w trybie 1 porównania i taktowany sygnałem wewnętrznym o częstotliwości 1 Hz. Wartości tych o 4. Badania Poprawność działania opracowanego algorytmu sterowania została sprawdzona na silniku GDI samochodu itsubishi Carisma w warunkach hamowni podwoziowej dla prędkości obrotowej n = 840 obr/min i obciążenia = 50Nm. Kąty pierwszego Θ w1 i drugiego Θ w2 wtrysku wynosiły 25ºOWK i 235ºOWK, licząc od początku cyklu, natomiast czasy wtrysków 1ms. Przebiegi obserwowanych sygnałów napięciowych są przedstawione na rysunku 7. Pomiar prędkości obrotowej silnika jest realizowany przez odmierzanie odstępu czasu między dwoma kolejnymi sygnałami z czujnika obrotów wału korbowego CAS. Wejściem pomiarowym jest linia P1.4 mikrokontrolera. Przy zmianie stanu tej linii na niski jest generowane przerwanie zewnętrzne IEX3. W podprogramie obsługi tego przerwania jest umieszczona cała procedura obliczania prędkości obrotowej. Kąt wtrysku w danym cyklu jest określany na podstawie sygnałów z czujnika obrotów wału korbowego CAS i czujnika położenia wałka rozrzą- 4

5 du CS, którego wejściem sygnału jest linia P1.5 mikrokontrolera. Analogicznie są generowane sygnały sterujące włączaniem poszczególnych wtryskiwaczy. Dla włączenia wtryskiwaczy na linie wyjściowe P1.0 do P1.3 mikrokontrolera są podawane sygnały wysokie W1, W2, W3 i W4. Rys. 7. Przebiegi sygnałów z czujników obrotu wału korbowego i wałka rozrządu oraz z wyjścia sterownika w sterowaniu wg metody z cyklu na cykl (n = 840obr./min.; = 50Nm) 5. Podsumowanie W opracowanym, własnym algorytmie sterowania z cyklu na cykl są realizowane dwa wtryski paliwa w jednym cyklu pracy silnika. Pierwszy z tych wtrysków ma za zadanie utworzenie jednorodnej mieszanki paliwowo-powietrznej z całej objętości zassanego powietrza. Drugi wtrysk realizowany jest dopiero po zamknięciu zaworu dolotowego i ma na celu uzupełnienie paliwa w mieszance do ilości zapewniającej żądany jej skład. Czas trwania pierwszego wtrysku jest odczytywany z tablicy umieszczonej w pamięci sterownika, na podstawie aktualnej prędkości obrotowej silnika i masy powietrza zassanego w poprzednim cyklu pracy. Dla uzyskania żądanego składu mieszanki z zassanym powietrzem czas trwania drugiego wtrysku, wynika bezpośrednio z całkowitej masy paliwa pomniejszonej o paliwo wtryśnięte w pierwszym wtrysku. Przeprowadzone badania wykazały poprawne działanie opracowanego algorytmu i programu sterowania wtryskiem paliwa z cyklu na cykl w silniku GDI-itsubishi. W ramach projektu prowadzone są dalsze badania dla oceny skutków spalania sterowanego wg opracowanego algorytmu. Nomenclature/Skróty i oznaczenia λ T w1 T w2 m A A1 F F2 współczynnik nadmiaru powietrza czas trwania pierwszego wtrysku czas trwania drugiego wtrysku masowy wydatek powietrza mas powietrza zassanego do cylindra całkowita masa paliwa na cykl masa pliwa wtryskuuzupełnajgo ϕ p1 ϕ p2 Θ w1 Θ w2 rozpoczyna się pomiar masy powietrza kończy się pomiar masy powietrza rozpoczyna się pierwszy wtrysk paliwa rozpoczyna się drugi wtrysk paliwa 5

6 Bibliography/Literatura [1] Bartczak., Wołczyński Zb.: Algorytm i realizacja sterowania wtryskiem paliwa w silniku GDI-itsubishi, 14 th International Conference Computer Systems Aided Science, Industry and Transport TransComp 2010, Politechnika Radomska, Zakopane, 6.XII 9.XII [2] Herner A., Riehl H.-J.: Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa [3] Jaos H.: Komputer i pomiary, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa [4] Nita J..: Determination of cylinder filling to control fuel injection, EAEC-Congres Budapest [5] Wołczyński Zb.: Nowa metoda sterowania składem mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku benzynowym, Rozprawa doktorska obroniona na Wydziale echanicznym Politechniki Radomskiej, Radom, grudzień [6] icrocomputer Components SAB 80C517 /80C537 8-Bit COS Single-Chip icrocontroller, User s anual 8.91, Siemens AG. [7] Rozwój sposobu sterowania składem mieszanki z cyklu na cykl na przykładzie silnika benzynowego, Projekt badawczy finansowany przez NiSW Nr 4 T12D realizowany w Politechnice Radomskiej w latach r arek Bartczak, DEng. Adiunkt in the Faculty of Transport and Electrotechnik at Radom University of Technology. Dr inż. arek Bartczak adiunkt na Wydziale Transportu i Elektrotechniki Politechniki Radomskiej. r r Zbigniew Surname Name, Wołczyński, DSc., DEng. Professor in the Faculty of of echanical Engineering at at Radom Poznań University of of Adiunkt Technology. Dr Dr inż. hab. Zbigniew inż. Imię Wołczyński Nazwisko profesor adiunkt na Wydziale na Wydziale echanicznym echanicznym Politechni- Politechniki Poznańskiej. Radomskiej. Photo Autor 1 of 6