RÓŻOWICZ Sebastian 1. al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , ,

Transkrypt

1 RÓŻOWICZ Sebastan 1 Model matematyczny kład zapłonowego do analzy wpływ wybranych parametrów strony perwotnej na wartość energ wyładowana skrowego w pojazdach samochodowych WSTĘP Odpowedno dobrane parametry rządzeń elektrycznych w znacznym stopn decydją o poprawnej eksploatacj pojazd. Zadanem kład zapłonowego jest zapewnene właścwej energ wyładowana skrowego o dżej częstotlwośc, stablnośc odpowedno dłgm czase, co w efekce przełoży sę na zmnejszene zżyca palwa toksycznośc spaln. Stosowane domeszek antydetonacyjnych w palwe jest przyczyną odkładana sę prodktów spalana na zolatorze śwecy. Zmnejsza to energę wyładowana a nekedy nawet nemożlwa zapłon meszank. Badana prowadzone w wel ośrodkach na śwece zmerzają do optymalzacj pracy kład zapłonowego przez wyelmnowane elementów mechancznych. Choć zastąpene mechancznego przerywacza przez różnego typ kłady bezstykowe z czjnkam magnetondkcyjnym, hallotronowym lb optycznym ne stwarza wększych problemów, to próby wyelmnowana mechancznego rozdzelacza zapłon napotykają na poważne trdnośc. Przeszkodę tę można omnąć przez stosowane oddzelnej cewk zapłonowej dla każdej śwecy fnkcję rozdzelacza przejmją wtedy rządzena elektronczne pracjące po strone zwojena perwotnego cewk. Poprawę parametrów kład zapłonowego można zyskać poprzez zmanę parametrów cewk zapłonowej obnżając straty w rdzen. Zadanem kład zapłonowego slnka spalnowego jest zapoczątkowane proces spalena meszank palwowo powetrznej przez wyładowane elektryczne śwecy zapłonowej. Wyładowane nastąp wtedy, gdy napęce przyłożone do elektrod śwecy zapłonowej spowodje jonzację gaz w stopn możlwającym przepływ prąd elektrycznego w przestrzen mędzyelektrodowej. Wyładowane skrowe składa sę z dwóch faz: fazy pojemnoścowej - bardzo krótkego mpls prądowego o dżym natężen, fazy ndkcyjnej - dłgego wyładowana łkowego o małej wartośc natężena prąd, Przebeg spalana meszank wypełnającej wnętrze komory spalana w stotny sposób zależy od parametrów wyładowana skrowego, określonych przez sposób jego wytwarzana. Pewność zapłon zależy od parametrów wyładowana skrowego: zapas napęca, czyl różncy mędzy napęcem wytwarzanym przez kład zapłonowy, a najwększym napęcem przeskok, energ wyładowana skrowego, stromośc narastana wysokego napęca, czas rwana fazy ndkcyjnej wyładowana, kształt wyładowana skrowego. W referace przedstawono metodę symlacyjnej analzy wpływ zman parametrów obwod na pracę kład zapłonowego. Metoda ta polega na zastąpen rzeczywstego obekt modelem matematycznym, na którym przeprowadza sę wstępne badana. Badana przeprowadzono w dwóch etapach. W perwszym etape dokonano cyfrowej symlacj pracy kład zapłonowego, a w kolejnym porównano otrzymane wynk z wynkam badań rzeczywstego kład zapłonowego. 1 Poltechnka Śwętokrzyska w Kelcach, Wydzał Elektrotechnk, Atomatyk Informatyk; 5-14 Kelce; al. Tysącleca Państwa Polskego 7. Tel: , , s.rozowcz@t.kelce.pl 5467

2 1. ZAŁOŻENIA DO MODELU MATEMATYCZNEGO UKŁADU ZAPŁONOWEGO Schemat deowy kład zapłonowego przedstawono na rys.1 [4]. Rys.1. Schemat deowy kład zapłonowego, U b - napęce akmlatora, W wyłącznk zapłon, R 1 - rezystancja przewodów obwod perwotnego zwojena perwotnego cewk, L 1 - ndkcyjność zwojena perwotnego cewk, L - ndkcyjność zwojena wtórnego cewk, C pojemność własna obwod wtórnego cewk odwzorowjąca występjące w kładze rzeczywstym rozłożene pojemnośc mędzy poszczególnym zwojam cewk, oraz przewodam wysokego napęca w stosnk do masy pojazd, R rezystancja odwzorowjącą straty w rdzen cewk, Blok sterowana parametryczny lb generacyjny. Dla potrzeb konstrkcj model matematycznego przyjęto następjące założena praszczające: zastąpono kład o stałych rozłożonych kładem zastępczym o stałych skponych, przyjęto schematy zastępcze cewk zapłonowej oraz śwecy zapłonowej, przyjęto, że napęce początkowe wyładowana jest równe napęc przeskok na śwecy. Na podstawe wstępnych badań stalono, że najbardzej odpowedn jest schemat zastępczy cewk zapłonowej w kładze jak na (rys..) [6]. Rys.. Schemat zastępczy cewk zapłonowej, R 1 rezystancja zwojena perwotnego cewk, R rezystancja odwzorowjącą straty w rdzen cewk, R rezystancja zwojena wtórnego cewk wraz z rezystorem przecwzakłócenowym w palc rozdzelacza zapłon, L 1 ndkcyjność zwojena perwotnego, L ndkcyjność zwojena wtórnego, C pojemność własna obwod wtórnego cewk odwzorowjąca występjące w kładze rzeczywstym rozłożene pojemnośc mędzy poszczególnym zwojam cewk, oraz przewodam wysokego napęca w stosnk do masy pojazd, k współczynnk sprzężena magnetycznego mędzy zwojenam, M ndkcyjność wzajemna. Dla śwecy zapłonowej przyjęto schemat zastępczy przedstawony na (rys..) [6]. Rys.. Schemat zastępczy śwecy zapłonowej, R 6 rezystancja własna oraz zaneczyszczena bocznkjące przerwę mędzy elektrodam, C 6 pojemność zastępcza śwecy, R Is rezystancja podczas wyładowana mędzy elektrodam śwecy. 5468

3 Dla fazy wzrost napęca przyłożonego do śwecy zapłonowej przyjęto schemat zastępczy przedstawony na (rys.. a ). Dla takego stan pracy śwecę zastąpono kondensatorem płaskm o pojemnośc C 6 oraz rezystancj R 6 obrazjącej gromadzące sę na jej zolatorze prodkty spalana. Po przekroczen napęca przeskok nastąp wyładowane elektryczne. Dla takego stan przyjęto schemat przedstawony na (rys.. b ), obrazjący nelnową rezystancję łk elektrycznego. Dodatkowo przyjęto następjące założena praszczające: pomnęto ndkcyjność przewodów po strone wysokego napęca. Wobec bardzo dżej ndkcyjnośc L ndkcyjność przewodów ne ma wpływ na charakter wyładowana, pomnęto rezystancję przewodów wysokego napęca. Rezystancja stosowanych przewodów zapłonowych jest pomjalne mała w stosnk do rezystancj zwojena wtórnego cewk zapłonowej stosowanego rezystora przecwzakłócenowego (rezystancje przewodów wysokego napęca możemy pomnąć dla kładów zapłonowych klasycznych, a dla kładów zapłonowych nowego typ należy ją względnć w oblczenach), przyjęto, ż napęce początkowe wyładowana równa sę napęc przeskok śwecy, czas trwana wyładowana zależnony jest od energ zgromadzonej w cewce. Wyładowane medzy elektrodam śwecy zależnone jest od wartośc napęca przeskok, a jego czas zależy od wartośc energ zgromadzonej w cewce zapłonowej.. MODEL MATEMATYCZNY ROZDZIELACZOWEGO UKŁADU ZAPŁONOWEGO Wykorzystjąc zbdowane wcześnej modele matematyczne poszczególnych elementów kład zapłonowego można zbdować model matematyczny całego rozdzelaczowego kład zapłonowego. Rys. 4. Schemat zastępczy kład zapłonowego: U b - napęce akmlatora, R 1 - rezystancja przewodów obwod perwotnego zwojena perwotnego cewk, L 1 - ndkcyjność zwojena perwotnego cewk, L - ndkcyjność zwojena wtórnego cewk, M - ndkcyjność wzajemna zwojeń cewk, R 4 - rezystancja odwzorowjąca straty w rdzen cewk, R - rezystancja zwojena wtórnego cewk, R 4 - rezystancja pływnoścowa rozdzelacza, R - rezystancja pływnoścowa śwecy, R ls - rezystancja rozdzelacza podczas wyładowana, R ls - rezystancja śwecy podczas wyładowana, C 1 - pojemność bocznkjąca styk rozdzelacza, C - pojemność własna cewk, C 4 - pojemność własna rozdzelacza, C - pojemność własna śwecy, 1 - prąd płynący w obwodze perwotnym, - prąd płynący w zwojen wtórnym cewk zapłonowej, - prąd płynący przez śwecę, P - przerywacz. Przedstawony na rysnk 4. model kład zapłonowego opsano następjącym równanam: 5469

4 d1 d Ub 1R 1 L1 M 0 d d1 5 L M R 4 dc R4C 1 R C t R 4 zr R d C4 R zs w zr 4 d C R w sw 4 0 R R 4 ( a) ( b) ( a) ( b) (.1) (.) Równana.a wyznaczają odpowedno przebeg napęca na rozdzelacz śwecy zapłonowej dla przypadk kedy napęca te są mnejsze od wartośc napęca zapłon. Równana.b określają wartośc napęć podczas wyładowana, kedy napęce przekroczy wartość napęca zapłon. Dla tak opsanego model matematycznego badana pracy klasycznego kład zapłonowego można przeprowadzć metodą symlacj kompterowej.. MODEL MATEMATYCZNY BEZROZDZIELACZOWEGO UKŁADU ZAPŁONOWEGO Konstrjąc model matematyczny kład zapłonowego przyjęto następjące założena praszczające: pomnęto: ndkcyjność, pojemność oraz rezystancję przewodów po strone nskego napęca, przyjęto, że napęce początkowe wyładowana jest równe napęc przeskok na śwecy zapłonowej, przyjęto schematy zastępcze cewk zapłonowej oraz śwecy zapłonowej. Na podstawe powyższych założeń opracowano schemat zastępczy kład zapłonowego przedstawony na rysnk 5. Rys. 5. Schemat zastępczy kład zapłonowego bezrozdzelaczowego bezstykowego : U b - napęce akmlatora, R 1 - rezystancja zwojena perwotnego cewk, L 1 - ndkcyjność zwojena perwotnego 5470

5 cewk, L - ndkcyjność zwojena wtórnego cewk, R - rezystancja zwojena wtórnego cewk zapłonowej, R 4 - rezystancja odwzorowjąca straty w rdzen cewk, R ogranczene zakłóceń radoelektrycznych (5kΩ), R - rezystancja pływnoścowa śwecy, R ls - rezystancja śwecy podczas wyładowana, C - pojemność własna cewk, C - pojemność własna śwecy, Blok sterowana parametryczny lb generacyjny,, zs - napęce zapłon śwecy. Blok sterowana powodje przełączane faz pracy kład zapłonowego. Dla stan pracy w faze przewodzena kład gromadz energę w zwojen perwotnym cewk zapłonowej, a w faze rozwarca ndkje sę wysoke napęce w obwodze wtórnym. Jego praca zależy od prędkośc obrotowej slnka oraz reglatorów kąta wyprzedzana zapłon. Występjące dwa stany pracy kład można opsać następjąco: BLOK STEROWANIA ZWARTY BLOK STEROWANIA ROZWARTY (1) () () (4) 5 6 (7) (8) (9) U L C B C C d1 d 1R1 L1 M 0 d d1 M R C C L C R4 R C d d1 M R R R4 R C R dc 4 dc C R C 0 gdze newadome to: 1,,, R4, C, R, C, C, C (1) () () 4 5 (6) (7) (8) U d M R B C C d d d R1 L1 M L C C C L C R4 R C d d M R R R4 R 4 R d C C d C C C 0 gdze newadome to:,, R4, C, R, C, C, C Dla zwartego blok sterowana ogólne rozwązane ma postać: x e Dla warnków początkowych x 0 =0, (.1) przyjmje postać: At x e t A t x0 e B Ud (.1) t 0 0 A t B Ud Natomast w faze pracy gdy blok sterowana jest rozwarty ogólne rozwązane ma postać: x e At x t (.) At 0 e B Ud (.) 0 x 0 - warnk początkowe, czyl końcowe z poprzednego stan, tzn. wylcza sę je ze wzorów w stane zwartego blok sterowana dla czas równego czasow zwarca tego blok. Czas t lczy sę od początk rozwarca blok. 5471

6 Przyjęte wartośc parametrów kład zapłonowego zastosowane do oblczeń : U b 1 6 C1 0,510 L1 0, C L 40 1 C 010 M 0,57 4. PRZEBIEGI SYMULACJI KOMPUTEROWYCH Opracowany model został zrealzowany cyfrowo w programe kompterowym Delph. Rys.6. Parametry kład zapłonowego wykorzystane w programe zamplementowanym w środowsk Delph. Bardzo dży wpływ na zmanę energ wyładowana skrowego ma wartość napęca akmlatora. Analzjąc przebeg poszczególnych wartośc prądów napęć w obwodze kład zapłonowego można jednoznaczne stwerdzć, ż najwększy wpływ na energę wyładowana skrowego ma zmana prąd strony perwotnej 1. Wartośc pozostałych merzonych welkośc,, 1 oraz zmenają sę w przedzałach w znaczne mnejszych przedzałach, ne wpływają znacząco na energę całego cykl wyładowana skrowego. Wartość obnżonego napęca U b =10V powodje zmnejszene energ całego cykl wyładowana o 1%. Natomast wzrost napęca do 14,4V zwększa energę całego cykl wyładowana o 9,1%. Analza wpływ wartośc napęca na zacskach bater akmlatora na wartość energ wyładowana skrowego przedstawono ponżej: 547

7 U b =1V: E=4,55mJ U b =10V: E=1,6mJ (spadek wartośc energ o 1%) U b =14,4V: E=9,1mJ (wzrost wartośc energ o 19,4%) Rys.7. Przebeg prąd 1 dla grancznych wartośc napęca na zacskach akmlatora Rys.8. Przebeg napęca 1 dla grancznych wartośc napęca na zacskach akmlatora Przy wartośc napęca akmlatora Ub= 10V napęce na cewce zapłonowej osąga wartość 1kV natomast przy Ub= 14,4V napęce 1=6,5kV. Dla klasycznego kład napęce na cewce zapłonowej ma wartość U1=0,kV. Czasy narastana napęca dla różnych wartośc napęca akmlatora są w tym przypadk take same. Dla przeprowadzonej symlacj czas narastana przy różnych wartoścach napęca na akmlatorze ne zmena sę trwa 0,01ms. Dla napęca Ub =10V, prąd 1 osąga wartość,a czego konsekwencją jest zmnejszene wartośc energ wyładowana skrowego dla fazy ndkcyjnej o 1% w stosnk do klasycznego kład zaslanego napęcem 1V. Natomast zwększene wartośc napęca Ub do 14,4V sktkje wzrostem energ wyładowana dla tej fazy o 19,4%. 547

8 5. WERYFIKACJA PRZYJĘTEGO MODELU MATEMATYCZNEGO Napęce zapłon osąga wartość U=8,kV, natomast prąd strony perwotnej I=1,7A. Znaczne mnejsza wartość prąd wynka z nnego środowska pracy śwecy zapłonowej, wpływ warnków otoczena (cśnene, wlgotność brak materał zapalnego) Czas pojedynczego wyładowana skrowego jest równy t=,6ms. Wartość napęca w faze pojemnoścowej narasta lnowo w czase 16µs do napęca przeskok 8,kV. Po przełączen blok sterowana w stan rozwarty wartość prąd narasta w czase 0,1µs. Rys. 9. Wykresy prąd napęca dla napęca akmlatora 14,4V(obekt rzeczywsty). Napęce zapłon osąga wartość U=7,1kV, natomast prąd strony perwotnej I=18,4A. Czas pojedynczego wyładowana skrowego jest równy t=1,ms. Wartość napęca w faze pojemnoścowej narasta lnowo w czase 1µs do napęca przeskok 7,1kV. Po przełączen blok sterowana w stan rozwarty wartość prąd narasta w czase 0,11µs. Rys.10. Wykresy prąd napęca dla napęca akmlatora 10V(obekt rzeczywsty). 5474

9 Napęce zapłon osąga wartość U=10,1kV, natomast prąd strony perwotnej I=14A. Znaczne mnejsza wartość prąd wynka z nnego środowska pracy śwecy zapłonowej wpływ warnków otoczena. Czas pojedynczego wyładowana skrowego jest równy t=1,ms. Wartość napęca w faze pojemnoścowej narasta lnowo w czase 1µs do napęca przeskok 10,1kV. Po przełączen blok sterowana w stan rozwarty wartość prąd narasta w czase 0,06µs. WNIOSKI Badana eksperymentalne potwerdzły przydatność przyjętego model matematycznego. Śwadczą o tym newelke rozbeżnośc pomędzy wynkam symlacj kompterowych, a otrzymanym na stanowsk badawczym oscylogramam Przy wartośc napęca akmlatora U b = 10V napęce na śwecy zapłonowej osąga wartość 1,4kV natomast przy U b = 14,4V napęce =1,kV. Dla klasycznego kład napęce na śwecy zapłonowej ma wartość U 1 =15,kV. Zmana napęca zaslana ne ma stotnego wpływ na wartość napęca przeskok, które określanej jest wzorem Paschena. Uzyskane wynk badań śwadczą o newelkch wahanach napęca przeskok zależnonych od warnków środowskowych. Napęce zaslana ma natomast stotny wpływ na wartość napęca ndkowanego w cewce zapłonowej. Analzjąc przebeg poszczególnych wartośc prądów napęć w obwodze kład zapłonowego można jednoznaczne stwerdzć, ż najwększy wpływ na energę wyładowana skrowego ma zmana prąd strony perwotnej 1. Wartośc pozostałych merzonych welkośc,, 1 oraz zmenają sę w newelkch przedzałach, ne wpływają znacząco na energę cykl wyładowana skrowego. Zweryfkowany eksperymentalne, a węc poprawny, model matematyczny jest bardzo żyteczny może być praktyczne wykorzystany. Za jego pomocą można symlacyjne optymalzować parametry obwod zapłonowego. Jest to szczególne stotne, poneważ rozwój technologczny wymog środowska natralnego wymszają tak dobór parametrów kładów elektroncznych sterjących pracą slnka, który zagwarantje najbardzej ekonomczne ekologczne warnk pracy. Streszczene W artykle przedstawono model matematyczny bateryjnego kład zapłonowego współpracjącego z slnkam spalnowym. Zbdowany model wykorzystano do analzy wpływ zmany parametrów napęca zaslana akmlatora na wartośc wyładowana skrowego. Do opracowana model matematycznego wykorzystano wynk badań laboratoryjnych oraz eksploatacyjnych (na obekce rzeczywstym) elementów składowych kład zapłonowego. Badana eksperymentalne przeprowadzono na różnych typach bateryjnych kładów zapłonowych. Kompterową analzę kład przeprowadzono na podstawe zbdowanego schemat operatorowego zamplementowanego w środowsk Delph. Dokonano porównana weryfkacj wynków zdjętych z obektów rzeczywstych z wynkam otrzymanym z symlacj kompterowych. The mathematcal model of the gnton system that can be sed to analyze t s nflence on the vale of energy spark dscharge Abstract Mathematcal model of a battery gnton system co-operatng wth combston engnes has been presented n the paper. The proposed model has been sed for analyss of nflence of battery voltage changes on vale of spark dscharge energy. Reslts of laboratory and explotaton experments of the components of the gnton system, as well as the whole gnton system (real object), co-operatng wth other nts of the vehcle electrcal eqpment, have been employed n elaboraton of the mathematcal model. Expermetal verfcaton s made sng several types of battery gnton systems. Comparaton and verfcaton of real object reslts together wth compter smlaton reslts s showed. 5475

10 BIBLIOGRAFIA 1. Chwaleba A., Moeschke B., Płoszajsk G., Elektronka; WSP 1998r.. Gad S.: Metody dagnozowana samochodowych rządzeń elektrycznych Materały sympozjm nakowego Współczesne rządzena elektromechatronk pojazdów samochodowych. Warszawa Szlborsk A.: Sterowane slnków o zapłone samoczynnym. WKŁ Warszawa Herner A., Rehl H.J.: Elektrotechnka elektronka w pojazdach samochodowych. WKŁ Warszawa Pacholsk K.: Elektryczne elektronczne wyposażene pojazdów samochodowych, WKŁ Warszawa 01, Część 6. Pacholsk K.: Elektryczne elektronczne wyposażene pojazdów samochodowych, WKŁ. Warszawa 011, Część Schneehage G., tłmacz: Trzecak K.: Czjnk kład sterowana slnka w praktyce warsztatowej. Bdowa, dzałane dagnostyka za pomocą oscyloskop WKŁ Warszawa Kbak P., Zalewsk M.: Pracowna dagnostyk pojazdów samochodowych, WKŁ, Warszawa