Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3 4 ISSN 1231 4005 INVESTIGATION OF THE WIDEBAND SI LAMBDA CONTROLLING SYSTEM Mirosław Wendeker, Piotr Jakliński Katedra Silników Spalinowych Jacek Czarnigowski, Przemysław Filipek Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechnika Lubelska ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin Abstract In the paper the problem of the precise control of the fuel mixture preparation has been considered. The model of fuel film formation has been described and possibility of controlling the fuel mixture formation on the base of emission gases measurement with the use of wideband Lambda probe. BADANIA PROCESU TWORZENIA MIESZANKI W SILNIKU ZI Z WYKORZYSTANIEM SZEROKOPASMOWEJ SONDY LAMBDA Streszczenie Zwiększone wymagania, narzucone przez międzynarodowe ustawodawstwo, powodują konieczność precyzyjnego sterowania składem mieszanki w silnikach samochodów wyposażonych w trójfunkcyjny reaktor katalityczny. W związku z tym zasilanie w paliwo i w powietrze cylindra silnikowego musi być przeprowadzone bardzo dokładnie. Istotny efekt zaburzający skład mieszanki dopływającej do cylindra wywołuje osiadanie paliwa na ściankach układu dolotowego W referacie opisano przebieg identyfikacji modelu tworzenia filmu paliwa w silniku o zapłonie iskrowym z wtryskiem benzyny. Opisano autorski system pomiarowy składu spalin wykorzystujący szerokopasmową sondę lambda. Referat zawiera opis modelu matematycznego oraz wyniki badań stanowiskowych służących do identyfikacji takiego modelu. Referat kończą wnioski związane z możliwością wykorzystania opracowanego układu pomiarowego w odniesieniu do innych silników. 1. Wstęp Wzrost wymagań ekologicznych, związanych z zaostrzającymi się normami emisji substancji toksycznych wymusza projektowanie systemów sterowania silnikami o zapłonie iskrowym, charakteryzujących się coraz większą precyzyjną sterowania składem mieszanki. Oznacza to konieczność bardzo precyzyjnego sterowania zarówno ilością powietrza jak i ilością paliwa dopływającego do cylindra. Jednocześnie zjawisko akumulacji paliwa w filmie paliwowym w znaczący sposób wpływa na ten proces, szczególnie w czasie pracy silnika na biegu jałowym. Coraz częściej konstruktorzy układów sterowania sięgają po algorytmy sterowania wykorzystujące wiedzę o procesach fizycznych, opierając algorytmy o model zachodzących zjawisk. Sterowanie takie, znane pod nazwą Model Based Control [2, 3] wymaga to jednak wcześniejszego opracowania i identyfikacji strukturalnej i parametrycznej modelu zjawisk wykorzystywanych do sterowania. W artykule opisano model filmu paliwowego [1] oraz metodę jego identyfikacji z wykorzystaniem szerokopasmowej sondy lambda. Przedstawiono także wyniki identyfikacji dla silnika Polonez 1.5 SPI pracującego na biegu jałowym. 292
2. Model tworzenia mieszanki Paliwo wtryskiwane do kolektora dolotowego częściowo osiada na ściankach kolektora tworząc film paliwowy a częściowo miesza się z powietrzem znajdującym się w kolektorze. Masę paliwa nie osiadającego po wtrysku określa się ze wzoru: m = 1 X m (1) gdzie: m wp m wtr X wp ( ) wtr masa paliwa mieszającego się z powietrzem [g]; całkowita masa wtryskiwanego paliwa [g]; współczynnik osiadania paliwa w filmie paliwowym. Równocześnie paliwo osiadłe w filmie (zarówno w tym jak i w poprzednich cyklach) odparowuje oraz ścieka do cylindra uzupełniając utworzoną po wtrysku mieszankę. Zatem masę dopływającą do cylindra można określić ze wzoru: m = m + m (2) pal gdzie: m pal masa paliwa dopływająca do cylindra [g]; m fp masa paliwa odparowująca z filmu paliwowego w czasie pomiędzy kolejnymi wtryskami [g]. Strumień masy paliwa odparowującego z filmu paliwowego jest zmienny i zależny od ilości paliwa znajdującego się w filmie oraz od stałej czasowej zaniku filmu. Zmianę tego strumienia oblicza się ze wzoru: 1 m& fp = ( m fp + X m wtr ) (3) τ gdzie: τ stała czasowa zaniku filmu paliwowego [s]. wp fp Wtryskiwacz 1-X Charakterystyka wtryskiwacza m wp Δt wtr m wtr + m pal + X 1/τ + - m fp Film paliwowy 1/τ Rys. 1. Schemat obliczeń filmu paliwowego Zatem identyfikacja procesu tworzenia mieszanki obejmuje identyfikację dwóch parametrów: X współczynnika osiadania paliwa w filmie paliwowym oraz τ stałej czasowej zaniku filmu paliwowego [s]. 3. Stanowisko badawcze Zasada działania klasycznych, wąskopasmowych sond lambda oparta jest na ogniwie Nernsta. Sygnał z takiego czujnika pozwala zaledwie na stwierdzenie, czy w spalinach jest tlen. Nie pozwala to na określenie składu spalin a jedynie na określenie czy mieszanka przed spaleniem była bogata czy uboga. Sondy te można zatem wykorzystać jedynie przy algorytmach 293
regulacji wtrysku wokół mieszanki stechiometrycznej, co powoduje oscylacyjne zmiany mieszanki. W celu umożliwienia regulacji składu mieszanki wokół wartości mieszanek ubogich oraz dla zwiększenia dokładności regulacji dla mieszanek stechiometrycznych konieczne jest określenie składu mieszanki (współczynnika nadmiaru powietrza λ). Rys. 2. Schemat budowy szerokopasmowej sondy lambda LSU produkowanej przez firmę BOSCH Rozwiązaniem zwiększającym zakres pomiarowy czujnika stężenia tlenu jest dodanie do ogniwa Nernsta (ogniwa pomiarowego) elektronicznego elementu regulującego dopływ jonów tlenu do ogniwa pomiarowego. Schemat rozwiązania przedstawiono na rysunku 2. Elektroda referencyjna ogniwa Nernsta omywana jest powietrzem atmosferycznym. Składniki gazów spalinowych dyfundują przez barierę dyfuzyjną, gdzie są sprowadzane do równowagi termodynamicznej. Przyłożenie napięcia do elektrolitu wykonanego z dwutlenku cyrkonu powoduje wymuszenie przepływu jonów tlenu od katody do anody. Nazywane jest to pompowaniem jonów zaś układ elektroniczny pompą tlenu. Prąd płynący przez pompę jest proporcjonalny do różnicy koncentracji tlenu po jej obu stronach. Zadaniem elektronicznego układu sterującego jest takie sterowanie prądem pompy, aby skład spalin w przestrzeni dyfuzyjnej odpowiadał stechiometrycznej mieszaninie paliwowo powietrznej. Do badań zasosowano szerokopasmową sondę lambda LSU 4 firmy BOSCH. Jest to planarny, dwuogniwowy czujnik o prądowym sygnale wyjściowym. Pompa tlenu oraz ogniwo stężeniowe Nernsta są tak usytuowane, że istnieje między nimi przestrzeń dyfuzyjna o szerokości 10 15 μm, w której znajdują się dwie porowate elektrody platynowe. Skład spalin w przestrzeni dyfuzyjnej odpowiada stechiometrycznej mieszaninie paliwowo-powietrznej po przyłożeniu napięcia o wartości około 0,45 V. Autorzy referatu opracowali układ pozwalający na sterowanie prądem pompy a przez to pomiar składu spalin. Schemat tego układu przedstawiono na rysunku 3. Układ ten poprzez odpowiednie sterowanie przepływem prądu przez pompę tlenu stara się uzyskać napięcie na ogniwie Nernsta równe 450 mv. Wartość tego prądu jest monotonicznie zależna od składu mieszanki. Dodatkową funkcją elektronicznego modułu sterującego pracą sondy jest stabilizacja temperatury czujnika. Sonda jest zintegrowana z uzwojeniem grzejnym, którego prąd jest regulowany dla utrzymania stałej temperatury. Napięcie to stanowi dla układu sterującego sygnał sprzężenia zwrotnego. 294
+12V GND Układ zasialania Regulator grzania sondy o (800 C) GND V h Grzanie Sygnał nagrzania sondy VGND Napięcie referencyjne (450 mv) V o Pompa tlenu I p R V s Ogniwo Nernsta Sygnał pomiarowy Układ pomiarowy LSU Rys. 3. Schemat blokowy układu pomiarowego 4. Przebieg badań identyfikacyjnych Obiektem badań był silnik Polonez 1.5 SPI wyposażony w jednopunktowy układ wtryskowy, sterowany z wykorzystaniem autorskiego układu sterowania silnikiem [4]. Badania przeprowadzono poprzez skokową zmianę składu mieszanki zmieniając skokowo dawkę wtrysku przy stałej prędkości obrotowej silnika, stałym otwarciu zaworu obejściowego i przy stałym kącie wyprzedzenia zapłonu. Zmiana masy wtryskiwanego paliwa powodowała zmianę składu mieszanki w cylindrze z widocznym wpływem zjawiska filmu paliwowego. 1,4 λ [ ] 1,2 Zadane Uzyskane 1,0 0,8 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Czas [s] Rys. 2. Przebieg pomiaru procesu tworzenia mieszanki Badania przeprowadzono dla dziewięciu punktów pracy silnika w zakresie biegu jałowego określonych poprzez prędkość obrotową i obciążenia silnika. Wyniki pomiarów dla poszczególnych punktów pracy były uśredniane na podstawie trzech kolejnych przebiegów czasowych. 295
1,4 λ [ ] 1,2 τ - zwłoka sondy Zmiana dawki wtrysku 1,0 Sygnał sondy LSU 0,8 0 5 10 15 20 25 Czas [s] Rys. 3. Uśredniony przebieg pomiaru dla danego punktu pracy Zmiana składu porównywana była następnie z modelowym przebiegiem zmian składu przy określonych (założonych) parametrach modelu filmu. Dodatkowym parametrem, koniecznym do identyfikacji była zwłoka sondy szerokopasmowej czas między rzeczywistą zmianą składu mieszanki a zmianą sygnału sondy. Czas ten obejmuje zarówno czas transportu spalin z cylindra do czujnika jak i czas reakcji czujnika na zmianę składu gazów wokół czujnika. 5. Wyniki badań identyfikacyjnych Czas zwłoki sondy Z analizy uzyskanych danych wynika, że czas reakcji sondy jest zależny od prędkości obrotowej silnika, natomiast nie zależy od obciążenia silnika. 0,8 0,75 0,7 0,65 Czas reakcji [s] 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Prędkość obrotowa silnika [obr/min] Rys. 4. Czas zwłoki sondy w funkcji prędkości obrotowej Uzyskane wyniki można aproksymować, zgodnie ze wzorem: τ r = 0,0004 n + 0,8711 [s]; gdzie: n prędkość obrotowa silnika [obr/min]. 296
Aproksymacja wykazuje średni błąd równy 3,6% oraz współczynnik korelacji między wynikami badań a wynikami aproksymacji na poziomie 0,811. Parametry modelu filmu paliwa 1,4 λ [ ] 1,2 Pomiar Model 1,0 0,8 0 5 10 15 20 25 Czas [s] Rys. 5. Zmierzony i obliczony przebieg zmiany składu mieszanki dla prędkości 700 obr/min i stałego otwarcia zaworu (36 kroków) Po określeniu czasu zwłoki sondy wyniki badań przesunięte o tą wartość poddawane były dalszym obliczeniom. Badania te polegały na określeniu wartości parametrów filmu paliwowego czyli: współczynnika osiadania paliwa w filmie paliwowym X oraz stałej czasowej zaniku filmu paliwowego τ. Uzyskano to poprzez obliczenia modelu filmu paliwowego w reakcji na taką samą zmianę masy wtryskiwanego paliwa przy różnych parametrach a następnie sprawdzenie stopnia zgodności obliczonego przebiegu zmian składu mieszanki z wynikami pomiarów. Jako wskaźnik jakości aproksymacji zastosowano współczynnik korelacji dwóch sygnałów. Przykładowy zestaw wyników dla punktu pomiarowego prędkości 700 obr/min i otwarcia zaworu 36 kroków przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Współczynnik korelacji pomiaru i modelu dla prędkości 700 obr/min i stałego otwarcia zaworu (36 kroków) 297
Analizując wyniki dla wszystkich punktów pomiarowych można przyjąć, że współczynnik X osiadania paliwa w filmie paliwowym w badanym zakresie nie zależy od prędkości obrotowej i ciśnienia w kolektorze dolotowym. Ustalono, że średnia wartość tego współczynnika wynosi 0,95. Natomiast stała czasowa zaniku filmu paliwowego τ jest zależna zarówno od prędkości obrotowej jak i od ciśnienia w kolektorze dolotowym. Zależność tą można opisać jako: gdzie: n p d τ = a [s] 0 + a1 n + a 2 pd prędkość obrotowa silnika [obr/min]; ciśnienie w kolektorze dolotowym silnika [kpa]; a 0 = 3,667787; a 1 = -0,000747841; a 2 = -0,01423753. Błąd aproksymacji wynosi 0,338% zaś współczynnik korelacji 0,9867. 2.60 2.55 2.50 2.45 2.40 2.35 2.30 2.25 2.20 2.15 2.10 Rys. 7. Modelowa zależność stałej czasowej zaniku filmu od prędkości obrotowej i ciśnienia w kolektorze dolotowym 6. Podsumowanie Przedstawiony model pozwala na uwzględnienie w algorytmie sterującym procesu tworzenia się mieszanki paliwowo-powietrznej umożliwiając bardziej precyzyjną regulację składu mieszanki. Opracowany przez autorów układ pomiarowy pozwala w prosty sposób przeprowadzić identyfikację parametrów modelu tworzenia mieszanki. Układ ten jest uniwersalnym narzędziem pomiarowym, pozwalającym zarówno na badania w stanie ustalonym jak i w stanach dynamicznych. Możliwe jest także wykorzystanie opracowanego układu do sterowania dawką wtrysku w torze zamkniętym. 298
Literatura 1. Hendricks E., Sorenson S.: Mean Value Modeling of Spark Ignition Engine SAE paper 900616, 1990. 2. Fekete N., Powell J., Nester U., Gruden I.: Model-Based Air-Fuel Ratio Control of a Lean Multi- Cylinder Engine SAE paper 950846, 1995 3. Jensen P., Olsen M., Poulsen J., Vigild Ch., Hendricks E.: Wideband SI Engine Lambda Control SAE paper 981065, 1998 4. Wendeker M.: Systemy badawcze elektronicznie sterowanego silnika spalinowego Wydawnictwo Lubelskiego Towarzystwa Naukowego, Lublin 1998 299