Kryteria doboru sygnałów dla sterownika systemu REST

Transkrypt

1 LUFT Mirosław 1 OLSZOWIEC Paweł 2 Kryteria doboru sygnałów dla sterownika systemu REST WSTĘP Recovery Energy System with Turbogenerator REST jest opracowanym przez autorów innowacyjnym rozwiązaniem posiadającym modułową budowę wyróżniającą strukturę mechaniczną turbogenerator oraz strukturę zarządzającą sterownik znajdująca się na rysunku 1. Założeniem opracowanego systemu jest jego uniwersalność i kompatybilność z różnymi rodzajami pojazdów pozwalające na odzysk energii w każdych warunkach eksploatacyjnych. Dlatego też istotnym jest fakt poprawnego oraz elastycznego doboru kryteriów pomiaru wielkości charakteryzujących pracę silnika spalinowego. Właściwy dobór wielkości wejściowych pozwoli na optymalną konfigurację i wysterowanie aktuatorów. Nie bez znaczenia dla spójności działania systemu jest także metoda opomiarowania sygnałów. Dlatego też zgodnie ze standardami wyznaczonymi przez producentów pojazdów autorzy zaplanowali wykorzystanie magistrali CAN klasy C 25kb/s 1Mb/s do wymiany danych pomiędzy elementami pojazdu a komponentami systemu REST. Implementacja powyższego standardu zapewni stabilność przesyłu danych, jednolitość mierzonych wartości oraz wspomnianą wcześniej kompatybilność z systemami elektrycznymi nowoczesnych pojazdów samochodowych. Rys.1 Struktura systemu REST [5] 1. PARAMETRY NIE ELEKTRYCZNE Wśród sygnałów uwzględnionych w procesie wysterowania systemu REST należy uwzględnić znaczną część wielkości nieelektrycznych towarzyszących pracy silnika spalinowego. Należą do nich: ciśnienie w układzie wydechowym, prędkość obrotowa jednostki tłokowej, temperatura silnika, temperatura otoczenia, skład mieszanki paliwowo powietrznej. By powyższy system mógł pełnić funkcję rekuperacji, a co za tym idzie realizować zadanie ekologiczne, każda z wyżej wymienionych 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , m.luft@uthrad.pl 2 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: , p.olszowiec@uthrad.pl 3878

2 wartości pracy silnika musi pozostać w stanie równowagi. W silnikach wielocylindrowych bardzo ważna jest znajomość parametrów termodynamicznych gazów w przewodach układów wylotowych. Przewody te łączą się w węzłach rozdzielających lub łączących ładunki gazu o różnych właściwościach fizycznych i w różnym stanie termodynamicznym. Zjawiska termiczne (spadek temperatury spalin, przenikanie ciepła), zachodzące w układzie wylotowym spadki ciśnienia spalin mają znaczący wpływ na uzyskaną moc turbiny spalinowej oraz dobór maszyny elektrycznej. W pracy autorzy przedstawili koncepcję obliczeń strat ciśnienia w przewodach rozgałęzionych opartej na bilansie masy i energii, pozwalającej na wyznaczenie parametrów termodynamicznych, a także udziałów masowych poszczególnych składników w węźle. Proponowany model matematyczny dedykowany jest dla przewodów usytuowanych względem siebie o kąt θ oraz dla przewodu rozgałęzionego typu T. Ilość masy gazu dopływającego z poszczególnych przewodów do węzła zależy od różnicy ciśnień w przewodach i samym węźle. W każdym przewodzie dopływa, lub odpływa od węzła masa ładunku dm o prędkości u, ciśnieniu p i jednostkowej energii e. Względne ciśnienie gazu w każdym punkcie układu określone jest zależnością. gdzie: P - ciśnienie absolutne w układzie, P 0 - ciśnienie odniesienia, k - stosunek ciepła właściwych w danej temperaturze. Celem uniknięcia problemów eksploatacyjnych z jakimi borykając się producenci systemów oczyszczania DPF/FAP w jednostkach wysokoprężnych eksploatowanych w aglomeracjach miejskich, a zarazem uzyskać jak największą wydajność turbogeneratora. W procesie wysterowania systemu REST należy uwzględnić prędkość obrotową silnika tłokowego oraz charakterystyki pracy silnika spalinowego o zapłonie iskrowym który to przyjmuje optymalne warunki pracy tylko w wybranym zakresie obrotów co obrazuje tabela nr 1. Wykazują to próby obciążenia badanej jednostki przeprowadzone na hamowni silnikowej Wydziału Mechanicznego Politechniki Opolskiej rysunek 3. Wyk.1 Zakres pracy silnika spalinowego w cyklu drogowym [3] Analiza ta pozwoliła na wyznaczenie optymalnego zakresu współpracy systemu REST z omawianym silnikiem spalinowym, wykazując zarazem największą przestrzeń do rekuperacji energii elektrycznej płynącej z przepływu spalin. Korelacja dwóch powyższych parametrów określających próg tłumienia spalin względem momentu uzyskania sprawności przez turbogenerator wskazuje, iż system REST winien załączać turbinę powyżej 1500 obr/min. 3879

3 Dla osiągnięcia precyzyjnej współpracy pomiędzy jednostką spalinową a systemem REST kolejnym parametrem od którego autorzy uzależniają wysterowanie układu jest temperatura silnika. Jest to wartość kluczowa, gdyż w zakresie C oraz C przedziały te mają ekologiczne znaczenie dla procesu spalania w silniku. W przedziale pierwszym następuje potrzeba regulacji temperatury, w celu zwiększenia mocy silnika, poprzez poprawienie stopnia napełniania cylindra oraz wzrost stopnia sprężania. Ingerencja w charakterystykę termiczną w przedziale drugim pozwala redukować emisję tlenku węgla oraz węglowodorów. Proces ten przekłada się bezpośrednio na zmniejszenie zużycia paliwa. Uwzględnienie tych wartości w badaniach na hamowni pozwoliło uzupełnić przedział współpracy systemu REST z jednostką spalinową. Ostatnim z dotychczas przebadanych parametrów nieelektrycznych jest skład mieszanki paliwowo powietrznej oparty na czasie uzyskania składu na poziomie λ=1. W badanej jednostce zastosowano dwustanowe czujniki tlenu bazujące na zasadzie napięciowej. Czujnik taki działa w sposób pośredni. Resztkowa zawartość tlenu w spalinach może być mierzona za pomocą umieszczonych na sondzie lambda elektrod. Zewnętrzna elektroda wykonana jest z porowatej warstwy platyny, zaś ceramika sondy jest wykonana z dwutlenku cyrkonu stabilizowana tlenkiem itru. Sonda jest umieszczona w miejscu, przez które przepływa strumień spalin stykający się z elektrodą platynową. Elektroda wewnętrzna również platynowa, ma kontakt z tlenem zawartym w powietrzu. W trakcie badania tego parametru uzyskano kolejny przedział określający przestrzeń współpracy z systemem REST wskazujący na istotę temperatury zewnętrznej mający wpływ na czas uruchomienia sondy lambda. 2. PARAMETRY ELEKTRYCZNE Wśród parametrów elektrycznych potrzebnych do funkcjonowania systemu REST uwzględniono stan naładowania akumulatora, chwilowy wydatek alternatora który obrazuje wykres nr 2 oraz informacje o zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Jak już wcześniej wspomniano założeniem opisywanego systemu jest uniwersalność i kompatybilność z większością dostępnych na rynku pojazdów samochodowych. Dlatego też głównym zasobnikiem energii eklektycznej przyjętym dla celów projektu jest akumulator ołowiowo kwasowy zasilany napięciem stałym. Wyk.2 Moc prądnicy prądu przemiennego [5] Dla poprawnego funkcjonowania układu i zarządzania potencjałem elektrycznym konieczna jest informacja o stanie naładowania zasobnika poprzez implementację dodatkowego komponentu określającego wartość pojemnościową akumulatora. Kolejnym parametrem pozwalającym na optymalne funkcjonowanie układu jest wartość mocy generowanej przez alternator oraz chwilowe zapotrzebowanie na energię. Powyższe informacje autorzy zaplanowali pozyskać wykorzystując magistralę CAN i komunikację ze sterownikiem zarządzającym potencjałem elektrycznym, np. J519 dla grupy VW co przedstawiono na rysunku nr

4 Rys.2 Sygnał magistrali CAN komunikacja sterownik J519 brama CAN Powyższy sterownik ma za zadanie zarządzanie obciążeniem elektrycznym oraz rezerwami energii niezbędnymi do startu motoru oraz funkcjonowanie wszelkich urządzeń wchodzących w skład systemu. Jeśli to konieczne poszczególne systemy elektryczne np. układ komfortu zostają wyłączane bez narażania wymogów bezpieczeństwa. Moduł zarządzania energią elektryczną monitoruje system prędkości obrotowej silnika, napięcie akumulatora i obciążenia alternatora poprzez pola sygnału DF (dynamo). Z tych informacji oraz informacji o tym, które urządzenia są włączone, moduł sterujący układu elektrycznego pojazdu ocenia stan obciążenia alternatora stan ten przedstawia rysunek nr 3. Na podstawie tej oceny, moduł sterujący układu elektrycznego pojazdu może zwiększyć prędkość obrotową silnika przez moduł sterujący silnika lub wyłączyć moduł komfortu. Możliwe są trzy tryby pracy zarządzanie obciążeniem.tryb normalny funkcja nadzoru. Przy napięciu akumulatora poniżej 12,7 V, moduł zarządzania energia elektryczną pojazdu zaleca wzrost biegu jałowego silnika. Przy napięciu akumulatora poniżej 12,2 V wyłączane są takie urządzenia elektryczne jak podgrzewanie siedzeń, klimatyzacja, radio, oświetlenie wewnętrzne i inne elementy nie wpływające na bezpieczeństwo podróży. Rys.3 Odczyt parametrów rzeczywistych obciążenie alternatora, stan naładowania akumulatora WNIOSKI Podsumowując pierwszy etap badań mający na celu dobór wartości wielkości wejściowych dla wstępnej konfiguracji systemu REST, potwierdzono słuszność dotychczasowych badań. Przeprowadzono teoretyczne rozważania znalazły uzasadnienie w badaniach empirycznych i przyczyniły się do optymalizacji projektowanego układu. Ponadto wskazały dalszą przestrzeń do badań i eksperymentów w sferze podniesienia ekologiczności opisywanego układu oraz obnażyły konieczność znacznego przyśpieszenia działania elementów wykonawczych. Dalsze działania związane z projektem będą miały na celu ustalenie bilansu energetycznego zespołu napędowego oraz 3881

5 wskazania uśrednionej zdolności gromadzenia potencjału elektrycznego. Następnym etapem jaki zaplanowali autorzy będzie implementacja systemu do pojazdu samochodowego i konfiguracja układu w warunkach obciążeń zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i drogowych. Streszczenie Artykuł przedstawia analizę sygnałów wejściowych systemu REST oraz ich zastosowanie w poprawnym funkcjonowaniu struktury. W materiale ponad to przedstawiono infrastrukturę systemu oraz priorytety sygnałów wejściowych wraz z istotą ich współpracy z środowiskiem pojazdu samochodowego. Powyższa analiza jest podsumowaniem pierwszego etapu prac nad budową systemu zarządzającego układem mającego za zadanie rekuperować energię elektryczną bazującą na stratach wynikających z pracy silnika spalinowego pojazdu samochodowego. The selection criteria signals to the system controller REST Abstract This article presents an analysis of the input signals REST system and their application to the proper functioning of the structure. The material above described system infrastructure and priorities for input signals with the essence of their interaction with the environment of a motor vehicle. The above analysis is a summary of the first phase of work on the construction of the system management system which aims to recuperate electricity based on losses resulting from the internal combustion engine vehicle. BIBLIOGRAFIA 1. Postrzednik S., Żmudka Z.: Termodynamiczne oraz ekologiczne uwarunkowania eksploatacji tłokowych silników spalinowych, Gliwice Kozaczewski W.: Konstrukcja grupy tłokowo cylindrowej silników spalinowych. WKiŁ Dziubański S., Jantos J., Mamala J.: Wykorzystanie energii spalin do napędu turbogeneratora w silniku ZI, Czasopismo Techniczne Politechnika Krakowska Teodorczyk A., Rychter T.: Teoria silników tłokowych, WKiŁ Luft. M, Olszowiec. P: Application of a turbogenerator in the I.C. engine exhaust system, Cesds Słowacja Service Organisation: Sieć pokładowa, SEAT S.A Sdad. Barcelona. Tomo styczeń