Badanie przepływomierza samochodowego w warunkach laboratoryjnych

Transkrypt

1 STYŁA Sebastian 1 Badanie przepływomierza samochodowego w warunkach laboratoryjnych WSTĘP Zaostrzające się przepisy dotyczące ograniczenia emisji związków toksycznych do atmosfery oraz zmniejszenie zużycia paliwa, przy jednoczesnym utrzymaniu jak największej mocy silnika, wymusza na konstruktorach pojazdów samochodowych nowego podejścia do projektowania układów sterujących pracą nowoczesnych silników spalinowych. Głównymi założeniami, jakie musi spełnić współczesny układ wtryskowy jest: zapewnienie wtrysku w dokładnie określonym momencie, przebieg wtrysku dostosowany do każdego punktu pracy silnika, utrzymanie mieszanki paliwowopowietrznej na określonym poziomie, stabilna praca, tłumienie zakłóceń, brak wrażliwości sterowania na dynamiczne zmiany parametrów silnika. Wymienione aspekty są możliwe do spełnienia wyłącznie przy zastosowaniu elektronicznego sterowania układem wtrysku paliwa oraz zapłonem. Podstawowym parametrem pracy silnika spalinowego jest stopień jego zasilenia [5]. Miarą stopnia zasilenia może być objętość lub masa powietrza dostarczanego do komory spalania. Informacja o strumieniu przepływającego powietrza jest jednym z podstawowych parametrów obliczeniowych uwzględnianych przy ustalaniu czasu otwarcia wtryskiwacza, czyli dawki paliwa. Istnieje kilka różnych możliwości wyznaczenia strumienia powietrza doprowadzonego do silnika. Uwzględniają one wykorzystanie następujących czujników [4, 5]: temperatury i ciśnienia w kolektorze dolotowym oraz temperatury i prędkości obrotowej silnika; kąta otwarcia przepustnicy, prędkości obrotowej silnika oraz temperatury powietrza w kolektorze dolotowym; przepływomierza powietrza. Dwie pierwsze metody szacowania strumienia powietrza obarczone są znacznymi błędami, dlatego obecnie do pomiaru ilości zasysanego przez silnik powietrza wykorzystywane są przepływomierze. Za ich pomocą można uzyskać najmniejszy błąd, a dzięki temu dokładniejsze wartości pomiarowe w porównaniu do innych metod [7, 8, 9]. Przepływomierz umieszczony jest w samochodzie pomiędzy filtrem powietrza a przepustnicą, gdzie występuje najmniejsza pulsacja powietrza [3]. We współczesnych pojazdach można spotkać trzy podstawowe typy przepływomierzy [1, 2, 3, 4]: przepływomierz z przesłoną spiętrzającą ( klapkowy LMM), przepływomierz z termoanemometrem drutowym ( gorący drut HLM), przepływomierz z termoanemometrem warstwowym ( gorąca płytka HFM). 1 MODELE LABORATORYJNE - DYDAKTYCZNE Jak już wspomniano wcześniej przepływomierz powietrza jest jednym z podstawowych czujników decydujących o poprawnej pracy silnika spalinowego. Dlatego ważnym aspektem, szczególnie podczas szkolenia diagnostów samochodowych, jest poznanie jego budowy oraz zasady działania, a także podstawowych symptomów decydujących o zakwalifikowaniu przepływomierza jako sprawnego lub uszkodzonego. W łatwy sposób można przybliżyć powyższe zagadnienia podczas zajęć laboratoryjnych. Dzięki odpowiednio skonstruowanym modelom istnieje możliwość symulowania różnego rodzaju zależności oraz procesów występujących w badanym obwodzie. Przedstawione w niniejszej pracy stanowiska laboratoryjne wykorzystują rzeczywiste podzespoły stosowane we współczesnych samochodach. Pozwalają one na pomiar strumienia powietrza doprowadzanego do komory silnika, odwzorowują warunki pracy obwodu zasilania silnika oraz dają 1 Politechnika Lubelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, ul. Nadbystrzycka 38A, Lublin, s.styla@pollub.pl 10088

2 możliwość przeprowadzenia szeregu badań diagnostycznych. Modele laboratoryjne zawierające przepływomierze: klapkowy i termoanemometryczny zostały wykonane w ramach prac dyplomowych [6, 10] i są wykorzystywane w szkoleniach przyszłych diagnostów samochodowych. Schemat stanowiska do badania przepływomierzy powietrza wykorzystywany podczas badań laboratoryjnych przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Schemat stanowiska do badania przepływomierzy powietrza 1.1 Przepływomierz powietrza z przesłoną spiętrzającą W modelu laboratoryjnym zastosowano przepływomierz klapkowy pochodzący z samochodu OPEL Vectra 2.0i. Stanowisko dydaktyczne przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Model laboratoryjny do badania przepływomierza z przesłoną spiętrzającą Przepływomierz klapkowy mierzy objętościowy wydatek powietrza w m 3 /h. Przepływ strumienia powietrza powoduje wychylenie klapki spiętrzającej, która na stałe połączona jest z ramieniem 10089

3 potencjometru. Ruch klapki wpływa na zmianę rezystancji, a tym samym zmianę napięcia wyjściowego doprowadzonego do modułu sterującego pracą silnika. W celu wymuszenia przepływu powietrza przez układ pomiarowy przepływomierza, w modelu zastosowano silnik elektryczny o płynnie regulowanej prędkości obrotowej. 1.2 Przepływomierz powietrza z termoanemometrem drutowym Nowszym i dokładniejszym rozwiązaniem pomiaru strumienia powietrza dostarczanego do komory spalania silnika jest przepływomierz z termoanemometrem, który mierzy masowy wydatek powietrza w kg/h. Bezpośrednim wskaźnikiem masy powietrza jest natężenie prądu przepływającego przez gorący drut lub gorącą warstwę termoanemometru i utrzymujący jego temperaturę na stałym poziomie ok. 130 [1]. Wartością pomiarową jest natomiast sygnał napięciowy doprowadzony do jednostki sterującej. W modelu laboratoryjnym zastosowano przepływomierz z termoanemometrem drutowym pochodzący z samochodu PEUGEOT HDi. Stanowisko dydaktyczne przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Model laboratoryjny do badania przepływomierza z termoanemometrem drutowym Tak jak poprzednio w celu wymuszenia przepływu powietrza przez układ pomiarowy przepływomierza, w modelu laboratoryjnym zastosowano silnik elektryczny o płynnie regulowanej prędkości obrotowej. 2 BADANIA LABORATORYJNE W ramach zajęć laboratoryjnych przyszli diagności mają możliwość zapoznania się z budową i zasadą działania przepływomierzy powietrza, które obecnie można spotkać w pojazdach poruszających się po drogach. Badania z wykorzystaniem przedstawionych modeli laboratoryjnych obejmują: pomiar napięcia wyjściowego z przepływomierza, pomiar prędkości przepływu powietrza przez przepływomierz, pomiar rezystancji ścieżek oporowych przepływomierza, pomiar mocy pobieranej przez przepływomierz, pomiar temperatury powietrza doprowadzonego do przepływomierza. W celu zbadania poprawności działania przepływomierzy należy wyznaczyć m in. charakterystyki: U wy [V] = f (Q v ) dla przepływomierza klapkowego, 10090

4 U wy [V] = f (Q m ) dla przepływomierza z termoanemometrem, a następnie porównać je z charakterystykami wzorcowymi dla danego typu sensora. Regulacja wartości przepływu powietrza możliwa jest w sposób ciągły. Określenie objętościowego i masowego wydatku powietrza następuje w sposób pośredni poprzez pomiar prędkości przepływającego medium z wykorzystaniem anemometru [11]. Znając pole powierzchni przekroju poprzecznego kolektora dolotowego w którym umieszczony jest anemometr można wyliczyć objętościowy wydatek powietrza według wzoru: Qv Vp S (1) gdzie: Q v objętościowy wydatek powietrza [m 3 /h], V p prędkość powietrza w kolektorze dolotowym [m/h], S pole powierzchni przekroju poprzecznego kolektora dolotowego [m 2 ]. Na rysunku 4 przedstawiono wyznaczoną charakterystykę przepływomierza klapkowego wykorzystywanego podczas badań laboratoryjnych. Uwy [V] 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Q v [m 3 /h] zaciski 1-2 przepływomierza zaciski 2-3 przepływomierza Rys. 4. Charakterystyka U wy [V] = f (Q v ) przepływomierza klapkowego; zaciski pomiarowe: 1-masa, 2-sygnał, 3-zasilanie przepływomierza Analogicznie wyznaczana jest charakterystyka dla przepływomierza z termoanemometrem. Masowy wydatek powietrza obliczany jest z wykorzystaniem równania: Qm Vp S q (2) gdzie: Q m masowy wydatek powietrza [kg/h], V p prędkość powietrza w kolektorze dolotowym [m/h], S pole powierzchni przekroju poprzecznego kolektora dolotowego [m 2 ], q gęstość powietrza [kg/m 3 ]. Gęstość powietrza q odczytana jest z tabeli dla temperatury w której wykonywany był pomiar. Charakterystykę badanego przepływomierza z termoanemometrem uzyskaną podczas badań laboratoryjnych przedstawiono na rysunku

5 3,5 3 2,5 Uwy [V] 2 1,5 1 0, Q m [kg/h] Rys. 5. Charakterystyka U wy [V] = f (Q m ) przepływomierza z gorącym drutem Aby zakwalifikować dany przepływomierz jako sprawny należy porównać wyniki otrzymane podczas pomiarów laboratoryjnych z danymi katalogowymi dla danego typu sensora. W przypadku przepływomierza z termoanemometrem maksymalny wydatek powietrza wynosi ok. 280 kg/h. Jest to wartość dużo mniejsza od maksymalnego wydatku masowego powietrza występującego w nowoczesnych silnikach samochodowych, gdzie wartość ta osiąga nawet 1200 kg/h. W przypadku przepływomierza warstwowego maksymalne wychylenie klapki podczas badań wynosi 85%. Tego typu ograniczenia są wynikiem zastosowania w modelach laboratoryjnych wymuszenia z użyciem silników elektrycznych małej mocy, a także starszych konstrukcji przepływomierzy. Mimo tego modele te odzwierciedlają rzeczywiste warunki pracy sensorów, a uzyskane charakterystyki pokrywają się z danymi katalogowymi dostarczonymi przez producentów. Przedstawione modele laboratoryjne umożliwiają ponadto symulację następujących uszkodzeń: zmniejszenie ilości przepływającego przez przepływomierz powietrza na skutek zanieczyszczenia filtru powietrza, skokową zmianę przepływu powietrza na skutek uszkodzeń kolektora dolotowego, niesprawność wbudowanego termistora NTC mierzącego temperaturę powietrza na wlocie przepływomierza. WNIOSKI Wprowadzanie nowych rozwiązań technicznych dotyczących sterowania współczesnymi silnikami spalinowymi pociąga za sobą konieczność opracowania nowych procedur diagnostycznych ale także nowego podejścia do szkolenia diagnostów. Mimo coraz większej niezawodności poszczególnych układów i obwodów pojazdów, ich ewentualna naprawa staje się coraz bardziej skomplikowana. Dlatego znajomość podstawowych zależności oraz symptomów diagnostycznych dostarczanych przez dany element jest niezbędna do jednoznacznego zakwalifikowania danego podzespołu jako sprawnego lub uszkodzonego. Rozwój bazy dydaktycznej uczelni wyższych uzależniony jest przede wszystkim potrzebami rynku pracy. Ciągły rozwój elektroniki wymusza systematyczną modernizację programu kształcenia, a także wyposażania laboratoriów. Odpowiednio przygotowane modele laboratoryjne powinny odzwierciedlać rzeczywiste warunki pracy badanych elementów. Ponadto powinny w przejrzysty sposób przedstawiać zależności występujące w danym urządzeniu. Dzięki temu, przyszli absolwenci uzyskują wiedzę, którą będą mogli wykorzystać w przyszłej pracy zawodowej. Zaprezentowane w niniejszym artykule badania oraz stanowiska laboratoryjne umożliwiają zapoznanie studentów z zasadą działania, budową oraz sposobami diagnozowania przepływomierzy samochodowych. Przeprowadzone badania udowodniły zgodność podstawowych zależności 10092

6 panujących w obu rodzajach przepływomierzy. Dzięki zajęciom praktycznym przyszli diagności mogą zweryfikować swoje wiadomości teoretyczne uzyskane podczas zajęć teoretycznych oraz dostępnej literatury. Badania laboratoryjne z wykorzystaniem przedstawionych modeli fizycznych mają wiele zalet w porównaniu do badań symulacyjnych, a także badań wykonywanych bez wymontowywania przepływomierza z pojazdu. Umożliwiają one między innymi przeprowadzenie prób przy różnych temperaturach, co jest szczególnie ważne podczas projektowania nowych konstrukcji. Dzięki temu możliwa jest obserwacja wpływu warunków atmosferycznych, w szczególności bardzo niskiej i wysokiej temperatury, na działanie całego obwodu. Ponadto podczas badań laboratoryjnych możliwe jest płynne ustalanie obciążeń, co pozwala wyznaczyć parametry krytyczne przepływomierzy np. maksymalną lub skokową moc obciążenia przy której może nastąpić uszkodzenie. Takie informacje mają na celu wyeliminowanie ewentualnych uszkodzeń przepływomierzy podczas przyszłej eksploatacji, a także są niezbędne przy projektowaniu nowych konstrukcji. Streszczenie W artykule zostały przedstawione badania przepływomierzy powietrza, będących podstawowymi czujnikami wykorzystywanymi do określenia czasu otwarcia wtryskiwaczy. W badaniach wykorzystano specjalnie opracowane modele laboratoryjne wykorzystujące przepływomierze: klapkowy i termoanemometryczny drutowy. Pomiary obejmowały wyznaczenie podstawowych charakterystyk i zależności dotyczących obu typów przepływomierzy. Na ich podstawie możliwe jest określenie stanu technicznego sensora. W artykule przedstawione zostały ponadto możliwości symulowania uszkodzeń oraz przykładowe badania z zastosowaniem konwencjonalnej aparatury diagnostycznej. Omówiono także zalety stosowania tego typu modeli laboratoryjnych i procedur diagnostycznych w szkoleniu przyszłych diagnostów samochodowych. Examination of motor air flow meter in the laboratory conditions Abstract The article presents research of air flow meters, which are the primary sensors and they are used to determine the opening time of the fuel injectors. In the research a specially developed laboratory models using air flow meters: LMM and HLM were exploited. This research included determination of the basic characteristics and dependencies of the both types of air flow meters. On the basis of this research it is possible to determine the technical condition of the sensor. Moreover, the article presents the possibilities of damage simulation and illustrative studies using the conventional diagnostic equipment. Also the advantages of using this type of laboratory models and diagnostic procedures in the training of future automotive diagnosticians were discussed. BIBLIOGRAFIA 1. Dziubiński M., Badania elektronicznych urządzeń pojazdów samochodowych. Wydawnictwo Naukowe Gabriel Borowski, Lublin Gajek A., Juda Z., Czujniki. WKŁ, Warszawa Herner A., Riehl H. J., Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych. WKŁ, Warszawa Informator techniczny Bosch, Czujniki w pojazdach samochodowych. WKŁ, Warszawa Informator techniczny Bosch, Sterowanie silników o zapłonie iskrowym. Układy motronic. WKŁ, Warszawa Pawelec M., Koncepcja i wykonanie stanowiska dydaktycznego do badania przepływomierza samochodowego z termoanemometrem. Praca dyplomowa, promotor: W. Pietrzyk, Politechnika Lubelska, Lublin Schneehage G., Czujniki układu sterowania silnika w praktyce warsztatowej. Budowa, działanie i diagnozowanie za pomocą oscyloskopu. WKŁ, Warszawa Wendeker M., Adaptacyjne sterowanie wtryskiem benzyny w silniku samochodowym. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa

7 9. Wendeker M., Sterowanie wtryskiem benzyny w silniku samochodowym. Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Lublin Żłobicki T., Stanowisko dydaktyczne do badania samochodowych przepływomierzy powietrza. Praca dyplomowa, promotor: S. Walusiak, Politechnika Lubelska, Lublin Charakterystyki wzorcowe anemometru N-194. dr inż. Sebastian Styła - uczestnik projektu "Kwalifikacje dla rynku pracy - Politechnika Lubelska przyjazna dla pracodawcy" współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego