Komputerowe metody wyznaczania parametrów układu zapłonowego

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI -4, pp (008) Komputerowe metody wyznaczania parametrów układu zapłonowego MARIUSZ DELG, SEBASTIAN RÓOWICZ Politechnika witokrzyska w Kielcach W artykule przedstawiono model matematyczny bateryjnego układu zapłonowego współpracujcego z silnikami spalinowymi. Zaproponowany model wykorzystano do doboru parametrów konstrukcyjnych elementów układu zapłonowego. Do opracowania modelu matematycznego wykorzystano wyniki bada laboratoryjnych oraz eksploatacyjnych (na obiekcie rzeczywistym) elementów składowych układu zapłonowego. Komputerow analiz układu przeprowadzono na podstawie zbudowanego schematu operatorowego w programie Simulink oraz programu zaimplementowanego w rodowisku Delphi. Dokonano porównania i weryfikacji wyników zdjtych na obiekcie rzeczywistym z wynikami otrzymanymi z dwóch rónych symulacji komputerowych. 1. Wprowadzenie Cigły rozwój przemysłu motoryzacyjnego wymusił wiele zmian w konstrukcji, technologii i eksploatacji urzdze wchodzcych w skład pojazdów, zwłaszcza w zakresie wyposaenia elektrycznego i elektronicznego. Odpowiednio dobrane parametry urzdze elektrycznych w znacznym stopniu decyduj o poprawnej eksploatacji pojazdu. Zadaniem układu zapłonowego jest zapewnienie właciwej energii wyładowania iskrowego o duej czstotliwoci, stabilnoci i odpowiednio długim czasie, co w efekcie przekłada si na zmniejszenie zuycia paliwa i toksycznoci spalin. Stosowanie domieszek antydetonacyjnych w paliwie jest przyczyn odkładania si produktów spalania na izolatorze wiecy. Zmniejsza to energi wyładowania, a niekiedy nawet uniemoliwia zapłon mieszanki. Badania prowadzone w wielu orodkach na wiecie zmierzaj do optymalizacji pracy układu zapłonowego przez wyeliminowanie elementów mechanicznych. Cho zastpienie mechanicznego przerywacza przez rónego typu układy bezstykowe z czujnikami magnetoindukcyjnymi, hallotronowymi lub optycznymi nie stwarza wikszych problemów, to próby wyeliminowania mechanicznego rozdzielacza zapłonu napotykaj na powane trudnoci. Przeszkod t mona omin przez stosowanie oddzielnej cewki zapłonowej, dla kadej wiecy funkcj rozdzielacza przejmuj wtedy urzdzenia elektroniczne pracujce po stronie uzwojenia pierwotnego cewki. Popraw parametrów układu zapłonowego mona uzyska poprzez zmian parametrów cewki zapłonowej obniajc straty w rdzeniu.

2 176 S. Róowicz, M. Delg Wymagania do układu zapłonowego cigle rosn, zarówno z punktu widzenia napicia wtórnego, jak i z punktu widzenia trwałoci i niezawodnoci działania. W artykule przedstawiono metod symulacyjnego wyznaczania wpływu zmian parametrów obwodu na prac układu zapłonowego. Metoda ta polega na zastpieniu rzeczywistego obiektu modelem matematycznym, na którym przeprowadza si wstpne badania. Badania przeprowadzono w dwóch etapach. W pierwszym etapie dokonano cyfrowej symulacji pracy układu zapłonowego, a w kolejnym porównano otrzymane wyniki z wynikami bada rzeczywistego układu zapłonowego.. Załoenia do modelu matematycznego układu zapłonowego Schemat ideowy układu zapłonowego przedstawiono na rysunku 1 [4]. Rys. 1. Schemat ideowy układu zapłonowego: U b - napicie akumulatora, W wyłcznik zapłonu, R 1 - rezystancja przewodów obwodu pierwotnego i uzwojenia pierwotnego cewki, L 1 - indukcyjno uzwojenia pierwotnego cewki, L - indukcyjno uzwojenia wtórnego cewki, C pojemno własna obwodu wtórnego cewki odwzorowujca wystpujce w układzie rzeczywistym rozłoenie pojemnoci midzy poszczególnymi zwojami cewki oraz przewodami wysokiego napicia w stosunku do masy pojazdu, R rezystancja odwzorowujc straty w rdzeniu cewki, blok sterowania parametryczny lub generacyjny. Fig. 1. Scheme of ignition system. U b battery voltage, W ignition switch, R 1 resistance of primal circuit and primal coil, L 1 induction of primal coil, L induction of secondary coil, C capacity of secondary coil circuit, R coil resistance, control unit. Dla potrzeb konstrukcji modelu matematycznego przyjto nastpujce załoenia upraszczajce: zastpiono układ o stałych rozłoonych układem zastpczym o stałych skupionych, przyjto schematy zastpcze cewki zapłonowej oraz wiecy zapłonowej, przyjto, e napicie pocztkowe wyładowania jest równe napiciu przeskoku na wiecy. Na podstawie wstpnych bada ustalono, e najbardziej odpowiedni jest schemat zastpczy cewki zapłonowej w układzie jak na rysunku [6].

3 Komputerowe metody wyznaczania parametrów układu zapłonowego 177 Rys.. Schemat zastpczy cewki zapłonowej: R 1 rezystancja uzwojenia pierwotnego cewki, R rezystancja odwzorowujca straty w rdzeniu cewki, R rezystancja uzwojenia wtórnego cewki wraz z rezystorem przeciwzakłóceniowym w palcu rozdzielacza zapłonu, L 1 indukcyjno uzwojenia pierwotnego, L indukcyjno uzwojenia wtórnego, C pojemno własna obwodu wtórnego cewki odwzorowujca wystpujce w układzie rzeczywistym rozłoenie pojemnoci midzy poszczególnymi zwojami cewki oraz przewodami wysokiego napicia w stosunku do masy pojazdu, k współczynnik sprzenia magnetycznego midzy uzwojeniami, M indukcyjno wzajemna. Fig.. Substitute scheme of ignition coil. R 1 resistance of primal coil, R loss in coil core, R resistance of secondary coil together with anti-interference resistor, L 1 induction of primal circuit, L induction of secondary circuit, C capacity of secondary circuit, M mutual inductance. Dla wiecy zapłonowej przyjto schemat zastpczy przedstawiony na rysunku [6]. Rys.. Schemat zastpczy wiecy zapłonowej: R 6 rezystancja własna oraz zanieczyszczenia bocznikujce przerw midzy elektrodami, C 6 pojemno zastpcza wiecy, R Is rezystancja podczas wyładowania midzy elektrodami wiecy. Fig.. Substitute scheme of spark plug: R 6 resistance, C 6 capacity of spark plug, R Is resistance during discharge. Dla fazy wzrostu napicia przyłoonego do wiecy zapłonowej przyjto schemat zastpczy przedstawiony na rysunku.a. Dla takiego stanu pracy wiec zastpiono kondensatorem płaskim o pojemnoci C 6 oraz rezystancji R 6 obrazujcej gromadzce si na jej izolatorze produkty spalania. Po przekroczeniu napicia przeskoku nastpi wyładowanie elektryczne. Dla takiego stanu przyjto schemat przedstawiony na rysunku.b, obrazujcy nieliniow rezystancj łuku elektrycznego. Dodatkowo przyjto nastpujce załoenia upraszczajce: 1. Pominito indukcyjno przewodów po stronie wysokiego napicia. Wobec bardzo duej indukcyjnoci L indukcyjno przewodów nie ma wpływu na charakter wyładowania.. Pominito rezystancj przewodów wysokiego napicia. Rezystancja stosowanych przewodów zapłonowych jest pomijalnie mała w stosunku do rezystancji uzwojenia wtórnego cewki zapłonowej i stosowanego rezystora przeciwzakłóceniowego (rezystancje przewodów wysokiego napicia mona pomin dla układów zapło-

4 178 S. Róowicz, M. Delg nowych klasycznych, a dla układów zapłonowych nowego typu naley j uwzgldni w obliczeniach).. Przyjto, i napicie pocztkowe wyładowania równe jest napiciu przeskoku wiecy. 4. Czas trwania wyładowania uzaleniony jest od energii zgromadzonej w cewce. Wyładowanie miedzy elektrodami wiecy uzalenione jest od wartoci napicia przeskoku, a jego czas zaley od wartoci energii zgromadzonej w cewce zapłonowej.. Model matematyczny układu zapłonowego bezstykowego W oparciu o powysze załoenia i schematy zastpcze przyjto do bada układ zapłonowy przedstawiony na rysunku 4. Rys. 4. Schemat zastpczy układu zapłonowego bezrozdzielaczowego bezstykowego: U b - napicie akumulatora, R 1 - rezystancja przewodów obwodu pierwotnego i uzwojenia pierwotnego cewki, L 1 - indukcyjno uzwojenia pierwotnego cewki, L - indukcyjno uzwojenia wtórnego cewki, M - indukcyjno wzajemna uzwoje cewki, R 4 - rezystancja odwzorowujca straty w rdzeniu cewki, R ograniczenie zakłóce radioelektrycznych (5k), R - rezystancja upływnociowa wiecy, R ł - rezystancja wiecy podczas wyładowania, C - pojemno własna cewki, C - pojemno własna wiecy, blok sterowania parametryczny lub generacyjny. Fig. 4. Substitute scheme of ignition system. U b battery voltage, R 1 resistance of primal circuit and primal coil, L 1 induction of primal coil, L induction of secondary coil, M mutual inductance, R 4 coil resistance, R resistance to limit distortions (to 5k), R resistance of spark plug, R ł resistance of spark plug during discharge, C coil capacity, C spark plug capacity, control unit.

5 Komputerowe metody wyznaczania parametrów układu zapłonowego 179 Układ zapłonowy opisano nastpujcymi równaniami: i = ir + ic + i duc ic = C du C ic = C i = ic + ir di di di 1 1 di uc = ul = RiR = L M Ub R1 i1 L1 + M = 0 R i = u u + R i + u = 0 R C C C (1) Rozwizaniem powyszych równa jest równanie charakterystyczne: 4 d uc d uc d uc duc A + B + C + D + E u 4 C = 0 4 A p + B p + C p + D p + E = 0 () Parametrami równania charakterystycznego s równania: L1 LC A = RC MRCC M B = R C R L C L L R + + L L C L L C + L L C MR C MC + MC MR C M RM R M M M R R R1 LC L1 L MR M M L1 R1 L R R1 LC L1 L R1 LC L1 L C = + RC M RM RR R R M RM R M RM M RM R1R C L1 R1 L R R1 L D = 1+ M M RM R RM E R 1 M 1 = + R R () warunki pocztkowe: + du u (0 ), C + (0 ) d, C u (0 + ) 0 C =, + u (0 ) d, C du (0 + ) C = 0, + d uc (0 ) UbM = R C C ( L L M 1 u (0 C d u C + ) + (0 ) = 0 = 1,4 10 ) 18 (4) (5) Podstawiajc warunki pocztkowe do równania charakterystycznego otrzymano zaleno napicia na wiecy zapłonowej:

6 180 S. Róowicz, M. Delg ( ) ( ( ) ( )) ( ( ) ( )) ( r1 t) r t 1 cos 1 sin 1 cos 4 sin U = e F u t + F u t + e F u t + F u t (6) 4. Przebiegi symulacji komputerowych Równania (1) (6) opisuj model matematyczny układu zapłonowego. Opracowany model został zrealizowany cyfrowo w programach komputerowych. Schemat operatorowy układu został przedstawiony na rysunku 5. Rys. 5. Schemat operatorowy układu zapłonowego. Fig. 5. Scheme of the ignition system. Za pomoc metod symulacji komputerowej wyznaczono przebiegi napicia na wiecy oraz prd wyładowania iskrowego. Przedstawiono je na rysunkach 6 i 7. U b = 1V C = 100 pf Rys. 6. Przebiegi prdu i napicia wyładowania iskrowego na wiecy zapłonowej dla napicia U b =9V. Fig. 6. Current and voltage of discharge on spark plug (U b =9V).

7 Komputerowe metody wyznaczania parametrów układu zapłonowego 181 U b = 1V C 1000 pf = Rys. 7. Przebiegi prdu i napicia wyładowania iskrowego na wiecy zapłonowej dla napicia U b =1V. Fig. 7. Current and voltage of discharge on spark plug (U b =1V). Symulacje dokonane za pomoc programu zaimplementowanego w rodowisku Delphi zostały przedstawione na rysunkach Rys. 8. Parametry układu zapłonowego wykorzystane w programie zaimplementowanym w rodowisku Delphi. Fig. 8. Parameters of the ignition system used in application programmed in Delphi. Rys. 9. Przebieg napicia na wiecy zapłonowej. Fig. 9. Voltage on the spark plug.

8 18 S. Róowicz, M. Delg Rys. 10. Przebieg prdu wyładowania iskrowego. Fig. 10. Current of discharge. 5. Weryfikacja opracowanego modelu Badania eksperymentalne przeprowadzone zostały na stanowisku badawczym w Laboratorium Urzdze Elektrycznych Politechniki witokrzyskiej. Do bada wykorzystano cewk zapłonow wraz z modułem zapłonowym do Fiata Uno. Przebiegi zaobserwowane w badaniach eksperymentalnych zostały przedstawione na rysunkach Rys. 11. Przebieg prdu wyładowania iskrowego. Fig. 11. Current of discharge.

9 Komputerowe metody wyznaczania parametrów układu zapłonowego 18 Rys. 1. Przebieg napicia na wiecy zapłonowej. Fig. 1. Voltage of on the spark plug. Rys. 1. Zmierzony przebieg prdu i napicia na wiecy zapłonowej. Fig. 1. Current and voltage on the spark plug. 6. Wnioski Badania eksperymentalne potwierdziły przydatno przyjtego modelu matematycznego. wiadcz o tym niewielkie rozbienoci pomidzy wynikami symulacji komputerowych a otrzymanymi na stanowisku badawczym oscylogramami. Rónice

10 184 S. Róowicz, M. Delg wynikaj głównie z przyjtych załoe upraszczajcych dotyczcych charakteru niektórych elementów obwodu. Otrzymane na stanowisku badawczym oscylogramy nie zawieraj wszystkich szpilek przedstawionych w wynikach symulacji komputerowych. Spowodowane jest to rónic pomidzy czasem narastania wartoci prdowej (rzdu kilku mikrosekund) a czasem wyładowania łukowego oraz wytłumienia rzdu kilku milisekund. Zweryfikowany eksperymentalnie, a wic poprawny, model matematyczny jest bardzo uyteczny i moe by praktycznie wykorzystany. Za jego pomoc mona symulacyjne optymalizowa parametry obwodu zapłonowego. Jest to szczególnie istotne, poniewa rozwój technologiczny i wymogi rodowiska naturalnego wymuszaj taki dobór parametrów układów elektronicznych sterujcych prac silnika, który zagwarantuje najbardziej ekonomiczne i ekologiczne warunki pracy. Opracowany model matematyczny zweryfikowany przez badania eksperymentalne moe stanowi cenn pomoc przy analizie i doborze parametrów układu zapłonowego. Działania symulacyjne znacznie tasze od bada eksploatacyjno-trwałociowych i stanowi cenne ródło informacji o obiektach technicznych. Literatura [1] GAD S.: Metody diagnozowania samochodowych urzdze elektrycznych Materiały sympozjum naukowego Współczesne urzdzenia elektromechatroniki pojazdów samochodowych. Warszawa 004. [] YASTREBOV A. I., GAD S., SŁO G., ZAWADZKI A.: Analysis of computer intelligent diagnostic models in automotive vehicle s electrical equipment. Proc. of the 15 th international Conference on Systems Science, Systems ScienceXV Vol. III. Wrocław 004. [] GAD S., YASTRIEBOV A., Grzywaczewski M.: Methods and algorithms of diagnostic identification of car electrical systems. MMAR, Midzyzdroje [4] KONOPISKI M.: Elektrotechnika w technice motoryzacyjnej. WKŁ, Warszawa [5] SZULBORSKI A.: Sterowanie silników o zapłonie samoczynnym. WKŁ, Warszawa 004. [6] HERNER A., RIEHL H.J.: Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych. WKŁ, Warszawa 00. [7] OCIOSZYSKI J.: Elektrotechnika i elektronika pojazdów samochodowych. WSP, Warszawa [8] GRANOWSKIJ W. L.: Elektriczeskij tok w gazie. Nauka, Moskwa Computer methods used to define parameters of the ignition system S u m m a r y Mathematical model of a battery contactless ignition system co-operating with combustion engines has been presented in the paper. The proposed model has been used to select construction parameters of the ignition system elements. Results of laboratory and exploitation experiments of the components of the ignition system, as well as the whole ignition system (real object), co-operating with other units of the vehicle electrical equipment, have been employed in elaboration of the mathematical model.