Unrepeatability from cycle to cycle of the mixture composition burned in the GDI engine

Transkrypt

1 Artcle ctaton nfo: NITA, J. Unrepeatablty from cycle to cycle of the mxture composton burned n the GDI engne. Combuston Engnes. 13, 154(3), ISSN Józef NITA PTNSS 13 SC 185 Unrepeatablty from cycle to cycle of the mxture composton burned n the GDI engne Abstract: The paper presents some results of the analyss of varaton from cycle to cycle the mxture composton burned n one of the GDI engne cylnders. The control algorthm n the selected states of the engne have been dentfed. Hgh stablty of the average composton n the engne states governed by the system wth twostate oxygen sensor were found. Cyclc composton fluctuates around a stable average value over a wde range. These oscllatons are sgnfcantly lower n states wthout the engne control. In the hghly dynamc transents autonomous throttle control system s beng runnng, that corrects regardless of the external control of the ar fllng the cylnders. Ths s a characterstc of the control system. Keywords: DGI engne, cyclc mxture composton, unrepeatablty of the mxture composton, controllng the mxture composton Nepowtarzalność z cylu na cyl sładu meszan spalanej w slnu GDI Streszczene: W pracy przedstawono wybrane wyn analzy zmennośc z cylu na cyl sładu meszan spalanej w jednym z cylndrów slna GDI. Doonano dentyfacj algorytmu sterowana w wybranych stanach pracy slna. Stwerdzono wysoą stablność sładu średnego w stanach slna regulowanych systemem z dwustanową sondą lambda. Sład cylowy oscyluje woół stablnej wartośc średnej w szerom zarese. Oscylacje te są stotne mnejsze w stanach pracy slna bez tej regulacj. W stanach przejścowych o dużej dynamce uruchamany jest system autonomcznego sterowana przepustncą, orygujący nezależne od jej zewnętrznego sterowana, napełnana cylndrów powetrzem. Jest to cecha znamenna tego systemu sterowana. Słowa luczowe: sln GDI, sład cylowy meszan, nepowtarzalność sładu meszan, sterowane sładem meszan 1. Wstęp Jednym z powodów opracowana slnów srowych z bezpośrednm wtrysem benzyny (GDI) była możlwość doładnejszego onstytuowana sładu meszan na pozome pojedynczego cylu pracy slna. Możlwość wysterowana fazy wtrysu w szerom zarese dała podstawę do tworzena meszan uwarstwonej (globalne ubogej), co prowadz do zmnejszena zużyca palwa ale równeż negatywne wpływa na ataltyczny system oczyszczana spaln. Wymusło to modyfację algorytmów sterowana je somplowało. Pozytywem tej modyfacj było jedna wyelmnowane wpływu na proces roboczy w slnu tzw. flmu palwowego w slnach z wtrysem pośrednm, zwęszającego tosyczność spaln zwłaszcza w stanach przejścowych. Należy sę spodzewać w slnu GDI stotnej poprawy w tych stanach stablnośc sładu meszan, tj. mnejszej jego zmennośc w relacj z cylu na cyl z cylndra na cylnder. Ze względów eologcznych, oczewana w slnach z 3-funcyjnym atalzatorem flutuacja cylowego sładu woół sładu stechometrycznego ne pownna przeroczyć wartośc ±3. W slnach z wtrysem pośrednm benzyny to oczewane ne jest spełnone. Przedładana publacja dotyczy oceny tych możlwośc w slnu GDI. Badana wyonano w ramach projetu badawczego zleconego przez MNSW [1]. Przedstawona w publacj analza tego zagadnena jest zawężona do trzech wybranych stanów ustalonych dwóch stanów dynamcznych. Wybrane stany ustalone są w sense celu badań reprezentatywne dla pełnego pola pracy slna w tych stanach. Wysterowane stany przejścowe wymuszają w slnu najwęszą dynamę zman jego stanu, co stwarza dla systemu sterowana najtrudnejsze warun pracy.. Parametry nepowtarzalnośc cylowego sładu meszan Sład cylowy w -tym cylu roboczym danego cylndra jest sładem średnm oreślonym w spalnach wypływających bezpośredno z tego cylndra w czase trwana w nm jednego cylu. Podstawowym parametrem do oceny nepowtarzalnośc sładu cylowego meszan jest jego odchylene bezwzględne z cylu na cyl wg zależnośc (1): 1 (1) lub odchylene względne z cylu na cyl wg zależnośc (): 995

2 1 () Odchylena wg zależnośc (1) () uśrednone w zarese j cyl mogą w przypadu nawet bardzo dużych ch wartośc lecz przecwnych znaów być równe zero, co stotne fałszuje ocenę jaośc sterowana. W tym przypadu dla oblczena wartośc średnej odchylena wsazane jest stosowane modułu ze wsaźnów (1) (). Z wyorzystanem wsaźnów (1) () można stosować nne wsaźn, tóre pogłębą analzę nepowtarzalnośc. Ich postace są znane z analzy statystycznej parametrów populacj tach ja: _ wartość przecętna (oczewana), warancja, odchylene standardowe. Parametry te zastosowano w pracy [] w analze odchylena bezwzględnego wg (1) sładu meszan. W przedładanej publacj w analze flutuacj sładu cylowego meszan spalanej w wybranym cylndrze slna GDI zastosowano następujące parametry: wartość średną cylowego sładu meszan, oreśloną na zborze j cyl w -tym punce pracy slna wg (3): j 1 j 1 (3) rozrzut rozładu cylowego sładu meszan, oreślony ja w warunach (3) wg zależnośc (4): j 1 j 1 (4) odchylene średne wg zależnośc (5): (5) Ja wyna z postac (3) (5) tych parametrów, wartość średną cylowego sładu meszan w danym zborze zastąpono wartoścą przecętną sładu cylowego w tym zborze. Postać parametru (4) charateryzuje doładnej rozrzut populacj nż warancja oblczona w sposób onwencjonalny. Zdefnowane wyżej parametry (1) (5) charateryzują nepowtarzalność z cylu na cyl sładu meszan spalonej w wybranym cylndrze, co oznacza, że w tych zależnoścach jest numerem olejnych cyl pracy w tym cylndrze. Parametry te są przyporządowane wybranym parametrom slna w -tym punce jego pracy. W stanach ustalonych najczęścej są to prędość obrotowa obcążene a w stanach dynamcznych średna szybość d dt ch zmany w stane przejścowym. Tae podejśce umożlwa grafczne przedstawene zmennośc parametrów (1) (5) w pełnym polu pracy ustalonej slna [1], bądź w zborze jego stanów dynamcznych. Można równeż oblczać wartośc średne wsaźnów nepowtarzalnośc cylowego sładu dla całego zboru warunów pracy slna. 3. Osoblwośc systemu sterowana badanego slna GDI Charaterystyę użytego w badanach slna GDI (typ 4G93 MITSUBISHI) systemu jego sterowana przedstawono w pracach [3][8]. Cechą wyróżnającą jego sterowane jest nezależne (od erowcy) dzałane przepustncy powetrza. O stopnu jej otwarca decyduje sterown wtrysu, tóry analzuje ntencje erowcy wyrażone w sposobe jego oddzaływana * na pedał zmany prędośc obrotowej slna (rys. 1). Rys. 1. Istota systemu sterowana przepustncą w slnu 4G93 (CPU sterown centralny, TCU sterown przepustncy) Sterown przepustncy otrzymuje nformacje o ntencj erowcy czyl o położenu * pedału przyśpeszena. W oparcu o ten sygnał oraz o nformację z centralnego sterowna CPU slna, otwera przepustncę. Informacja zwrotna z czujna położena przepustncy trafa do obydwóch sterownów. 4. Sposób wyonana badań Badany sln typ 4G93 sterowany był orygnalnym sterownem w oparcu o sygnały z orygnalnych czujnów. W regulacj wtrysu w uładze ze sprzężenem zwrotnym stosowana była sonda lambda typ Denso 9B11. Prezentowane wyn badań dotyczą -go cylndra tego slna. W -gej gałęz oletora wydechowego zanstalowano dwa czujn: sondę szeroopasmową przyrządu MEXA 7 frmy HORIBA, jednoprzewodową, dwustanową sondę lambda AC DELCO typ W pomarach wyorzystano zbudowany we własnym zarese nterfejs, umożlwający m.n. rejestrację następujących sygnałów: sygnału CS ątowego położena wała rozrządu, wyorzystywany do dentyfacj faz ątowych przebegów ( w fazy wtrysu), 996

3 u [V]; H [-]; T W [ms]; * / * max [-]; /max [-] n [rpm]; 1a [g/h]; 1W [ºCA] sygnału CAS ątowego położena wału orbowego, wyorzystywany ja CS do wyznaczana prędośc obrotowej slna, sygnału u H z przyrządu MEXA 7 jao mary wartośc chwlowej, sygnału u z dwustanowej sondy lambda typ AC-DELCO do obserwacj cylowego sładu meszan (bogata-uboga), sygnału u * położena * pedału sterowana prędoścą obrotową slna, sygnału u stopna otwarca przepustncy sygnału u a wydatu a powetrza napełnającego wszyste cylndry (czujn typ. MEC. 481E5T871 umeszczony w częśc zborczej oletora dolotowego, przed przepustncą), sygnału u w, tj. napęca sterującego otwarcem wtryswacza w drugm cylndrze. Wymenone sygnały rejestrowano systemem wyposażonym w 14-btową artę OCTOPUS CS838 frmy GAGE z częstotlwoścą próbowana 1 MHz. Długość odcnów rejestracj wynosła 16 seund, co pozwalało na rejestrację wymaganej statystyczne lośc cyl pracy cylndra. Stosując opracowane we własnym zarese oprogramowane w języu Pascal wygenerowano zbór wartośc lambdy cylowej, oreślonej na baze sygnału u H. Na jego podstawe oblczono zestawone w tabel parametry oceny nepowtarzalnośc z cylu na cyl sładu meszan w wybranym cylndrze slna. 5. Analza wynów Należy zauważyć, że prezentowane wyn w zarese nepowtarzalnośc pochodzą z rejestracj welośc w drugm cylndrze slna, tóry był sterowany centralne, tj. w oparcu o sygnały dotyczące całego slna (np.: sygnału przepływomerza powetrza zanstalowanego w częśc zborczej uładu dolotowego, sygnału sondy lambda wyorzystywanej do stablzacj sładu meszan, umeszczonej w częśc zborczej oletora wylotowego, tp.). To oznacza m.n., że szacowana dla tego cylndra nepowtarzalność cylowego sładu z cylndra na cylnder może sę różnć od sładu sumarycznego (dla całego slna). Wybrane wyn badań przedstawono w postac grafcznej na rys. 7 a oblczone wsaźn dla tych przypadów zestawono w tabel 1. Dla dwóch zborów (e e3) reprezentujących dwa punty pracy ustalonej slna oblczono błąd sterowana cylowego sładu wg (6): * * (6) Są to dwa badane przypad, w tórych znana jest lambda referencyjna * =, co pozwolło na oblczene tego błędu. Tabela 1. Zestawene wsaźnów oceny nepowtarzalnośc z cylu na cyl sładu meszan w drugm cylndrze slna 4G93. Fg e, , 1-6 8, e , , e7/ , ,6 1-3 e7/ 1, ,9 1-3 e7/3, , ,1 1-3 e7/ , ,5 1-3 e6/ ,3 1-6,5 1-3 e6/ 1, , , 1-3 e6/ ,9 1-3 e6/4, , ,1 1-3 e7/ e7/ , e7/1, , , ,, Rys.. Przebeg wybranych welośc cylowych dla begu jałowego Na rys. przedstawono wybrane przebeg dla begu jałowego slna. Sln pracuje ze sterowanem otwartym (neatywna pętla regulacj =), ze stałym napełnenem oraz stablzacją prędośc obrotowej za pomocą wtrysu palwa, prawdopodobne) ąta wyprzedzena zapłonu, co ne było jedna przedmotem badań. Zwracają uwagę m.n.: nsa prędość begu jałowego (o. 75 obr/mn), co przełada sę na obnżene zużyca palwa wyemtowanej masy spaln, wzbogacene meszan (meszana bogatsza nż stechometryczna), najmnejsze ze wszystch badanych stanów slna odchylene średne, potwerdzone w podobnym stane slna w zborze e7/1 (rys. 4). 997

4 u [V]; H [-]; T W [ms]; * / * max [-]; /max [-] n [rpm]; 1a [g/h]; 1W [ºCA] u [V]; H [-]; T W [ms]; * / * max [-]; /max [-] n [rpm]; 1a [g/h]; 1W [ºCA] 1,, Rys. 3. Przebeg welośc cylowych dla prędośc obrotowej o. 3obr/mn stałego obcążena zewnętrznego Na rys. 3 zaprezentowano przebeg dla stanu ustalonego w slnu obcążonym stałym momentem zewnętrznym. Nsa dynama stanów przejścowych umożlwła atywzację systemu regulacj z sondą lambda w sprzężenu zwrotnym. Zgodne z zasadą pracy tego uładu, cylowy sład meszan oscyluje (w tym przypadu w sposób regularny) woół wartośc średnej (stechometrycznej). Średne odchylene sładu od wartośc średnej jest o. 3-rotne wyższe nż w stane begu jałowego (bez regulacj). Wartość średna cylowego sładu oraz charater zman sygnału z sondy dwustanowej dowodzą wysoej jaośc tego systemu regulacj. Na rys. 4, przedstawającym rozbeg slna neobcążonego po soowym wymuszenu *, wdoczne jest sterowane autonomczne otwarcem przepustncy. Jej zadanem jest tae spowolnene napełnana powetrzem aby utrzymać na zadanym pozome sład cylowy meszan, pommo gwałtownego wzrostu napełnena oletora dolotowego (zbór e7/). Bardzo duże odchylene średne sładu w tym zborze ne śwadczy o złej jaośc regulacj, lecz o zgodnym ze strategą sterowana, sposobe zmany (wzbogacena) sładu: z meszan uwarstwonej na meszanę homogenczną. Pommo ta gwałtownego doładowana dolotu system sterowana ne dopuścł do stotnych zman cylowego sładu. Po tej zmane system wysterował (zbór e7/3) meszanę dynamczną o dużej stablnośc z cylu na cyl, a następne (zbór e7/4) w sposób prawe lnowy wzbogacał meszanę w celu osągnęca możlwe wysoch przyśpeszeń prędośc obrotowej. W całym stane przyśpeszana ne wdać dzałana regulacj ze sprzężenem zwrotnym od sygnału u. 3, 3,,8,6,4,, 1,, e7/1 e7/ e7/3 e7/4,5 1 1, Rys. 4. Przebeg welośc cylowych dla rozbegu slna neobcążonego 998

5 u [V]; H [-]; T W [ms]; * / * max [-]; /max [-] n [rpm]; 1a [g/h]; 1W [ºCA] u [V]; H [-]; T W [ms]; * / * max [-]; /max [-] n [rpm]; 1a [g/h]; 1W [ºCA] 3, 3,,8,6,4,, 1,, e6/1 e6/ e6/3 e6/ Rys. 5. Przebeg welośc cylowych dla przyśpeszana ze stałym obcążenem zewnętrznym 3, 3,,8,6,4,, 1,, e7/,3,8 3,3 3,8 4,3 4,8 5,3 5,8 6,3 6,8 7,3 7,8 8,3 e7/ Rys. 6. Przebeg welośc cylowych dla fazy pasywnej wybegu slna neobcążonego Stan przyśpeszana z obcążenem zewnętrznym (rys. 5), charateryzujący sę łagodnym wymuszenem * spójnym z nm otwarcem przepustncy, znamenny jest w perwszej faze (zbór e6/) wysterowanym spoojnym przechodzenem z meszan uwarstwonej na meszanę homogenczną pracy w perwszej częśc zboru e6/3 w systeme otwartym, z meszaną o sładze blsm stechometrycznemu. Meszana stechometryczna (homogenczna) jest onstytuowana we wtrysu realzowanym na początu suwu napełnana ( w 5ºOWK). Zmana fazy w wtrysu wdoczna jest w początu zboru e6/. W drugej częśc stanu (zbór e6/3) włącza sę system regula- 999

6 u [V]; H [-]; T W [ms]; * / * max [-]; /max [-] n [rpm]; 1a [g/h]; 1W [ºCA] cj sładu zapewnający małe odchylene średne sładu cylowego. W faze ońcowej tego rozbegu (zbór e6/4) sterowane podporządowane jest masymalzacj mocy slna, czego dowodem jest systematyczne, prawe lnowe wzbogacane meszan homogencznej. Sposób sterowana w tych stanach potwerdzony jest równeż przebegem sygnału u z dwustanowej sondy lambda. 3, 3,,8,6,4,, 1,, e7/1 e7/,5,1,15,,5,3, Rys. 7. Przebeg welośc cylowych dla fazy ogranczana masymalnej prędośc W zarejestrowanym wybegu slna neobcążonego (rys. 6 7) można wyróżnć dwe wyraźne fazy: faza pasywna (rys. 6 zbór e7/), w tórej system wyłączył wtryswacze a cylnder jest przepłuwany zwęszonym napływem powetrza w wynu wzrostu otwarca przepustncy. Faza ta trwa ooło dwóch seund obnża zużyce palwa oraz tosyczność spaln. Wtryswacze zostają włączone ponowne gdy prędość obrotowa obnży sę do o. 3 obr/mn. Zapewnene w tej faze bardzo późnego wtrysu (tuż przed wyładowanem zapłonowym) zapewna pommo bardzo ubogej globalne meszan jej prawdopodobny zapłon spalane. Bra jedna w tych badanach dowodów na poprawność tego wnosu. Do ońca tej fazy system zapewna meszanę uwarstwoną, globalne ubogą ( 9). W faze ogranczana masymalnej prędośc obrotowej slna (rys. 7 zbór e7/1) system elmnuje wtrys w netórych cylach, co sutuje braem spalana w nch a co za tym dze braem mocy w onsewencj obnżenem prędośc obrotowej slna. 6. Podsumowane Zaprezentowane wyn badań ja równeż nne wyonane na slnu 4G93 badana ne prezentowane w tej publacj dowodzą wysoej jaośc jego systemu sterowana wtrysem benzyny. We wszystch badanych stanach pracy slna, cylowy sład meszan w cylndrze zmena sę w sposób zaplanowany. Ne występują stany przypadowe, tóre sutować mogłyby zwłaszcza zwęszenem tosycznośc spaln. Badana potwerdzły równeż w aspece flutuacj cylowego sładu meszan w cylndrze mnejszą flutuację sładu wysterowanego (w tym przypadu o. 3-rotne) nż sładu regulowanego w uładze ze sprzężenem zwrotnym. Pommo tej pozytywnej oceny, zaobserwowana flutuacja sładu meszan spalonej w cylndrze w obydwóch przypadach jest wyższa nż oczewana ze względu na masymalzację onwersj atalzatora. Pozom tej onwersj obnżany jest równeż z powodu dość dużego błędu sterowana sładu w stanach ustalonych. Należy jedna podreślć, że wszyste sformułowane wnos odnoszą sę do flutuacj sładu w wybranym cylndrze a ne w całym slnu. 1

7 Bblography/Lteratura [1] Nowy sposób sterowana sładem meszan z cylu na cyl w slnu z bezpośrednm wtrysem GDI. Sprawozdane z realzacj projetu badawczego Nr N N , zleconego prze MNSW, Radom 1. [] Nta J.: Nepowtarzalność nedosonałość sładu meszan w slnu GDI, Konferencja KONMOT, Poltechna Kraowsa, Kraów 1. [3] Wołczyńs Zb.: Identfcaton of fuel njecton control system n a GDI engne, Journal of KONES Powertran and Transport, Vol.17.No.4.1. [4] Wołczyńs Zb.: Identyfaton of propertes of the GDI engne and ts control system. Sln Spalnowe 3/11(146), CD. [5] Wołczyńs Z., Bartcza M., Algorthm and hardware realzaton of gasolne njecton control of the GDI-Mtsubsh engne, Transcomp XIV Internatonal Conference. [6] Bartcza M., Wołczyńs Zb.: The algorthm of determnaton of njecton tme n from cycle to cycle control GDI engne. Sln Spalnowe 3/11(146), CD. [7] Bartcza M., Wołczyńs Zb.: Weryfacja sprzętowej realzacj algorytmu generowana wtrysu w slnu GDI w sterowanu z cylu na cyl. Logstya 6/11 Lstopad-Grudzeń. [8] Wołczyńs Zb., Synteza symulacja statyczna sterowana z cylu na cyl wtrysem palwa w slnu GDI, Konferencja KONMOT, Czasopsmo Technczne, Kraów 1. Mr Józef Nta, DSc., DEng. Professor n the Faculty of Mechancal Engneerng at Kazmerz Pulas Unversty of Technology and Humantes n Radom. Dr hab. nż. Józef Nta profesor na Wydzale Mechancznym Unwersytetu Technologczno-Humanstycznego w Radomu 11