Journal of KONES Internal Combustion Engines 22 No. 1 2 ISSN 1231 45 THROTTLE RANGE AND SPEED MOTION PROGRAMMING IN SI ENGINE Jarosław Mamala, Wojciech Siłka Politechnika Opolska ul. Mikołajczyka 5 45-271 Opole tel. +48 77 46272, fax.+48 77 46342, e-mail: mamala@po.opole.pl Abstract Throttle range and speed motion programming in SI engine it is one of these control areas, which has the greatest influence on work indexes. In most of SI engines the charge changes are obtained through throttle angle selection. The influence of throttle motion on engine work was investigated. From this investigations it results that sudden throttle position changes are not profitable. Through throttle speed control engine torque and pollutant emission in transient states were improved. PROGRAMOWANIE ZAKRESU I PRĘDKOŚCI RUCHU PRZEPUSTNICY W SILNIKU ZI Streszczenie W samochodowym silniku ZI szczególnym wyzwaniem dla układu sterowania są nie ustalone warunki pracy. Dzięki elektronizacji sterowania osiągnięto w tym zakresie duży postęp. Rozbudowane algorytmy sterowania, oparte na matematycznym modelu silnika spalinowego, wykorzystują najnowsze osiągnięcia z zakresu teorii regulacji. Sterowanie adaptacyjne, logika rozmyta to tylko niektóre przykłady aplikacji nowoczesnych algorytmów. Jednak mimo tak nowoczesnych narzędzi podstawowe wskaźniki silnika pracującego w warunkach nieustalonych odbiegają od wyznaczonych w stanach ustalonych. Stan nieustalony, wynikający z nagłej zmiany napełnienia cylindrów sprawia największe problemy. Wynikają one z bardzo dużej dynamika zmian napełnienia i trudności w odpowiednio szybkiej reakcji układu sterowania. Z badań przeprowadzonych w Zakładzie Samochodów Politechniki Opolskiej wynika, że zbyt gwałtowne zmiany uchylenia przepustnicy nie są korzystne. Obserwowanie nagłe zmiany napełnienia zakłócają przebiegu momentu obrotowego silnika, powodują wzrost poziomu emisji substancji szkodliwych. Omówione w opracowaniu programowanie prędkości i zakresu zmian uchylenia przepustnicy może być skutecznym środkiem do dalszej poprawy wskaźników pracy silnika ZI w stanie nieustalonym. 1. WPROWADZENIE W nowoczesnych samochodach nadal dominują klasyczne układy przeniesienia napędu oparte o stopniowe skrzynie biegów. W takich układach podstawowymi elementami sterowania w samochodzie osobowym z silnikiem ZI są: pedał przyspieszenia i dzwignia zmiany biegów. Elementy te wykorzystywane są, we wzajemnym powiązaniu a każdy kierowca, na miarę swoich umiejętności i doświadczenia dokonuje wyboru punktu pracy silnika. W tym działaniu jest on jak dotąd niezastąpiony, zaś duża elastyczność samochodu z silnikiem ZI sprawia, że z powodzeniem kierowca może oddziaływać na moc doprowadzoną do kół napędowych. Zmiana mocy silnika ZI jest zasadniczo uzyskiwana w wyniku zmiany napełnienia cylindrów świeżym ładunkiem. W większości silników zmianę napełnienia uzyskuje się przez odpowiednią zmianę kąta uchylenia przepustnicy, usytuowanej w kolektorze dolotowym. Zastosowanie elektronicznie sterowanej przepustnicy pozwala na programowanie związku pomiędzy pedałem przyspieszenia a jej uchyleniem [1], [2], [3], [5], [6], [7], [9], [1], [13], [16], [17]. W celu zbadania wpływu 181
prędkości ruchu przepustnicy na parametry zespołu napędowego samochodu z silnikiem ZI przeprowadzono liczne badania identyfikacyjne. Badania wstępne przeprowadzono przy użyciu skomputeryzowanego stanowiska badawczego [4], a następnie zweryfikowano ich wyniki przy użyciu prototypowego układu regulacji napełnienia, który zainstalowano w samochodzie testowanym. Zastosowane programowanej prędkości ruchu przepustnicy pozwala na optymalizację wskaźników ruchowych samochodu [12], [13], [16], [17]. 2. STEROWANIE PRACĄ SILNIKA A WŁASNOŚCI TRAKCYJNE SAMOCHODU Można wyróżnić wiele stanów pracy silnika, w których zagadnienie zdolności napędzania ma szczególne znaczenie. Przykładowo jest to zimny rozruch czy też gwałtowna zmiana obciążenia. Każdy przypadek może być oceniany w oparciu o różne kryteria. Ponieważ określone własności silnika przekładają się na własności trakcyjne samochodu, zatem istotne znaczenie ma korelacja pomiędzy położeniem pedału przyspieszenia a momentem obrotowym silnika [8], [14]. 8 Uchylenie przepustnicy, % 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 Rys. 1. Profil uchylenia przepustnicy zarejestrowany podczas jazdy drogowej Najczęściej występującym, przypadkiem pracy silnika jest stan nieustalony wynikający ze zmiany jego obciążenia. Jak wynika z profilu uchylenia przepustnicy (rys. 1), zarejestrowanego podczas jazd drogowych, w niektórych sytuacjach np. przy rozpędzaniu w wyniku zielonego światła, zakres i dynamika zmiany obciążenia silnika jest bardzo duża. Z analizy prędkości ruchu przepustnicy [1] wynika, iż czasem kierowca zmienia obciążenie silnika w pełnym zakresie w czasie znacznie krótszym niż,5 s. Jak wiadomo, tak szybkie zmiany napełnienia cylindrów istotnie komplikują proces wytwarzania i przygotowania mieszanki. Jest to problem szczególnie istotny w silniku ZI o zewnętrznym sposobie wytwarzania mieszaniny palnej [9], [1], [11]. Ze względu, bowiem na akumulacyjne działanie kolektora dolotowego, uzyskanie właściwego współczynnika składu mieszaniny palnej wewnątrz cylindra jest poważnie utrudnione [18], [19]. Tymczasem motywem działania kierowcy jest wyłącznie chęć uzyskania szybkiej zmiany prędkości liniowej samochodu [5], [6], [7]. Zatem celowe jest rozpatrywanie relacji pomiędzy prędkością ruchu przepustnicy a przebiegiem momentu obrotowego także w kontekście ekonomicznym i ekologicznym ruchu samochodu. 182
3. PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ Przeprowadzone badania obejmowały dwa etapy. W etapie pierwszym przeprowadzono badania stanowiskowe w celu identyfikacji przebiegu zmian momentu obrotowego silnika w programowanym stanie przejściowym. Natomiast w etapie drugim przeprowadzono weryfikacyjne badania drogowe przy użyciu elektronicznie sterowanej przepustnicy. 3.1. Badania stanowiskowe Badania wstępne przeprowadzono przy wykorzystaniu przykładowego silnika ZI o pojemności 1,6 dm 3. Stanowisko dynamometryczne znajdujące się w Zakładzie Samochodów Politechniki Opolskiej, wyposażono w szereg urządzeń umożliwiających m.in. pomiar: stężenia substancji szkodliwych w spalinach (CH, CO, CO 2, O 2, NO x ) strumienia powietrza zasilającego silnik, strumienia paliwa, momentu obrotowego, ciśnienia indykowanego, ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym, położenia przepustnicy. Poniżej dla przykładu przedstawiono wyniki badań przeprowadzonych przy stałej prędkości obrotowej silnika (18 obr/min) i zmiennej prędkości ruchu przepustnicy w zakresie od 1% do 95% otwarcia. W kolejnych próbach czas otwierania przepustnicy ustalono odpowiednio na:,2s;,6s; 1,s, i 2s. Zarejestrowane profile uchylenia przepustnicy przedstawia rys. 2a. 1 12 8 1 Przepustnica, % 6 4 2 Czas uchylenia.2 s.6 s 1 s 2 s 8 6 4 2 Czas uchylenia.2 s.6 s 1 s 2 s 59.5 6 6.5 61 61.5 62 59.6 6 6.4 6.8 61.2 Rys. 2. Programowanie procesu nieustalonego; a) uchylenie przepustnicy, b) moment obrotowy Konsekwencją zróżnicowanej prędkości ruchu przepustnicy jest odmienny czasowy przebieg momentu obrotowego (rys. 2b). Warto zwrócić uwagę na szybki wzrost momentu obrotowego silnika przy najkrótszym czasie otwierania przepustnicy. Jednak po szybkim wzroście momentu obrotowego następuje chwilowy, lecz znaczący spadek jego wartości. W miarę wydłużania czasu otwierania przepustnicy, a więc spadku prędkości jej ruchu, moment obrotowy silnika narasta nieznacznie wolniej. Jednocześnie jednak coraz mniejszy jest wtórny spadek jego wartości. Już dla czasu otwierania ok. 1 s, praktycznie nie obserwuje się wtórnego spadku momentu obrotowego. Dalsze zmniejszanie prędkości ruchu przepustnicy sprawia, że moment obrotowy silnika narasta coraz wolniej. Jednak różnica w czasie upływającym do uzyskania wartości momentu maksymalnego (,25 s) jest zdecydowanie mniejsza niż różnica czasu otwierania przepustnicy (1,8s). Warto natomiast zauważyć, że stabilną wartość momentu obrotowego, w przypadku czasu otwierania wynoszącym 1s, uzyskuje się o ok.,5 s wcześniej niż w przypadku gwałtownej zmiany położenia przepustnicy (czas otwierania,2s). Zaobserwowane podczas badań stanowiskowych wahania momentu obrotowego silnika mogą doprowadzić do potęgowania drgań w układzie przeniesienia napędu. 183
3.2. Badania drogowe Celem przeprowadzonych badań drogowych była ocena wpływu programowalnego ruchu przepustnicy na własności trakcyjne samochodu. Programowaniu podlegał zarówno proces zwiększania jak i zmniejszania mocy silnika. Proces zmiany mocy realizowany był przez prototypowy układ regulacji napełnienia, w jaki został wyposażony testowany samochód. Pojazd testowy stanowił samochód osobowy Polonez GLI, wyposażony w silnik typu CE o pojemności 1,6 dm 3, z jedno punktowym wtryskiem paliwa lekkiego typu MULTEC TBI 7 oraz trójfunkcyjny katalizator spalin. Identyczny silnik stanowił obiekt badań przeprowadzonych metodą stanowiskową. Zastosowany identyczny również zestaw do pomiaru momentu skręcającego na wale napędowym. W badanym samochodzie zmodyfikowano układ sterowania uchyleniem przepustnicy. Wprowadzono dodatkowy elektroniczny zespół sterowania pracą silnika składający się z elektronicznej przepustnicy, elektronicznego pedału przyspieszenia oraz sterownika. Te elementy wchodziły w skład prototypowego układu regulacji napełnienia. Na rysunku 3 pokazano zamontowane w pojeździe testowym urządzenia to jest: przetwornik momentu obrotowego, zamontowany na wale napędowym (rys. 3a), oraz elektronicznie sterowaną przepustnicę (rys. 3b). Rys. 3. Elementy układu pomiarowego i sterującego samochodu testowego: a) zestaw do pomiaru momentu skręcającego na wale, b) elektronicznie sterowana przepustnica Wykorzystując aparaturę pomiarową, specjalistyczne oprogramowanie i odpowiednio przygotowany samochód przeprowadzono identyfikację bierną i czynną jego podstawowych charakterystyk. Identyfikacja bierna polegała na pomiarze i rejestracji wybranych charakterystyk w rzeczywistych warunkach ruchu, zaś w ramach identyfikacji czynnej przeprowadzono próby rozpędzana samochodu na specjalnym odcinku pomiarowym. Próby rozpędzania przeprowadzono od stałej prędkości obrotowej wału korbowego (około 15 obr/min) dla różnego przełożenia układu przeniesienia napędu oraz dla różnego zakresu i prędkości ruchu przepustnicy. Przykładowe wyniki, uzyskane dla rozpędzania w obrębie trzeciego biegu, przedstawiono na rysunkach od 4 do 5 obrazujące przebieg momentu skręcającego na wale napędowym. Zarówno skokowe otwarcie jak i przymknięcie przepustnicy prowadzi do oscylacji wartości momentu obrotowego silnika (rys. 4a, 4b), następstwem czego jest odpowiednia zmienność prędkości liniowej samochodu. Ograniczenie prędkości ruchu przepustnicy do zadanej wartości uzyskano przez prototypowy układ regulacji napełnienia silnika. 184
Taki sam skok sygnału wychylenia pedału przyspieszenia przekłada się na zdecydowanie wolniejszy ruch przepustnicy a co za tym idzie na bardziej łagodny przebieg procesu. Ze względu na to, że rozpatrywano zarówno fazę wzrostu jak i spadku mocy silnika, wprowadzono ograniczenia prędkości ruchu przepustnicy, niezależne dla każdej z tych faz. W przykładzie zilustrowanym wykresem 5 ograniczono prędkość ruchu przepustnicy w obu fazach do wartości maksymalnej równej 1 /s. Z przedstawionych wykresów wynika, że ograniczenie prędkości ruchu przepustnicy powoduje zmniejszenie amplitudy odchylenia momentu obrotowego a tym samym przyspieszenia liniowego samochodu. 16 16 12 8 4 12 8 4-4 4 6 8 1 12-8 3 31 32 33 34 Rys. 4. Przebieg czasowy momenty skręcającego na wale napędowym przy nieograniczonej prędkości ruchu przepustnicy, a) faza zwiększania napełnienia, b) faza zmniejszania napełnienia 16 16 12 12 8 8 4 4-4 4 6 8 1 12 28 32 36 Rys. 5. Przebieg czasowy momenty skręcającego na wale napędowym przy ograniczonej prędkości ruchu przepustnicy, a) faza zwiększania napełnienia, b) faza zmniejszania napełnienia Natomiast nieograniczona prędkość ruchu przepustnicy jest przyczyną oscylacji momentu na wale napędowym, zarówno w fazie zwiększania jak i w fazie gwałtownego zmniejszania momentu obrotowego silnika. Zmniejszenie prędkości ruchu przepustnicy nie prowadzi przy tym do zauważalnego podczas prób pogorszenia dynamiki wzdłużnej samochodu. Zróżnicowanie wartości momentu skręcającego na wale napędowym nie pozostaje bez znaczenia na strumień paliwa zarejestrowany na wykresie 6. 185
Strumień paliwa, g/s 6 4 2 Prędkość ruchu przepustnicy nie ograniczona ograniczona 1 2 3 4 Rys. 6. Czasowe zużycie paliwa przy różnym poziomie ograniczenia prędkości ruchu przepustnicy Widoczne zróżnicowanie strumienia paliwa nie prowadzi do jednoczesnej zmiany poziomu emisji substancji szkodliwych, co może być spowodowane sumującym działaniem katalizatora spalin. Z przedstawionych wykresów wynika, że zmiana prędkości ruchu przepustnicy wpływa znacząco na przebieg procesu rozpędzania samochodu. Bardziej równomierna podaż siły napędowej charakterystyczna przy ograniczonym ruchu przepustnicy wpływa na zwiększenie płynności ruchu. 4. PODSUMOWANIE Dobre własności trakcyjne samochodu wiążą się ściśle z odpowiednim sterowaniem pracą silnika. Zjawiska występujące w przejściowych stanach pracy silnika podczas rozpędzania wymagają korekty prędkości ruchu przepustnicy. Prędkość ruchu przepustnicy jest bowiem jednym z dodatkowych stopni swobody, uzyskiwanych w elektronicznych układach regulacji napełnienia silnika. Z przedstawionego w tym opracowaniu niewielkiego fragmentu prowadzonych badań wynika, że dobór prędkości ruchu przepustnicy może być skutecznym środkiem dla optymalizacji podaży siły napędowej. Wyniki przeprowadzonych badań stanowiskowych i drogowych umożliwiają sformułowanie następujących wniosków końcowych: stan przejściowy w samochodowym silniku ZI jest w znaczącym stopniu uzależniony od prędkości ruchu przepustnicy; we współczesnych układach regulacji napełnienia silnika ZI można przyjąć jako niezależną zmienną sterowaną prędkość ruchu przepustnicy, która może być programowana, programowanie prędkości ruchu przepustnicy jest skutecznym środkiem zarówno do poprawy wskaźników pracy silnika ZI jak i do poprawy przebiegu siły napędowej na kołach i płynności ruchu samochodu. LITERATURA [1] Deneuville C., Streib H. M.: Electronic throttle control: contribution in engine management systems, 5 th International Congress EAEC, Strasbourg, 1995, nr SIA 956A29 [2] Gerhardt J., Benninger N., Heβ W.: Torque-based system structure of an electronic engine management system (ME7) as a new base for drivetrain systems, FISITA'98, 1998, nr F98T624 [3] Glöckler O., Benninger N.: Beitrag der Motorsteuerung für Ottomotoren zur Senkung des Kraftstoftverbrauchs, Kraftfahrwesen und Verbrennungsmotoren, Stuttgarter Symposium, Stuttgart 1995, str. M16.1 - M16.15. 186
[4] Jantos J., Mamala J.: Stanowiskowy symulator obciążenia drogowego silnika, Konstrukcja, badania, eksploatacja, technologia pojazdów samochodowych i silników spalinowych, PAN oddział w Krakowie, Teka Komisji Naukowo-Problemowej Motoryzacji, Kraków 1999, z.18 str.113..119 [5] Jantos J., Mamala J.: Zintegrowany system sterowania napędu samochodu osobowego, Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, seria Mechanika z. 56 nr 241, 1998, str. 33-46 [6] Jantos J.: Drive control in passanger car, Journal of Kones, Internal Combustion Engines, vol.6, No.1-2, Warsaw 1999, str. 48-57 [7] Jantos J.: Nowa koncepcja systemu sterowania napędu w samochodzie osobowym z silnikiem ZI, Czasopismo techniczne INTERKONMOT 98, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej z.6- M/1998, str.142..153 [8] List H.,Schöggl P., Fraidl G.: Objektive Beurteilung des subjektiven Fahrempfindes, Automobil Technische Zeitschrift nr 4, 1998, str.274..279 [9] Mamala J.: Sterowanie napełnieniem silnika ZI w aspekcie ekologicznym, Diagnostyka pojazdów samochodowych 2, vol.2,katowice 2, str.125-136 [1] Mamala J.: Zdolność napędzania i emisja substancji szkodliwych samochodowego silnika ZI w stanie przejściowym, Conference Proceedings, 27 th International Scientific Conference on Cmbustion Engines KONES 21, September 9-12, 21, Jastrzębia Góra, str. 65-71 [11] Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych, t.1, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1998 [12] Ohyama Y.: An advanced engine drivetrain control system which improves fuel economy and lowers exhaust emissions, 5 th International Congress EAEC, Strasbourg, nr SIA 956A3, 1995 [13] Ohyama Y.: Engine Control Using a Combustion Model,, Seoul 2, FISITA World Automotive Congress, June 12-15 2, Seoul, Korea, F2A33 [14] Schöggl P., Ramschak E., Bogner E, Dank M.: Entwicklung eines kundenspezifischen Fahrzeugcharakter, Automobil Technische Zeitschrift nr 3, 21 str 186..195 [15] Siłka W., Jantos J.: A new idea of the automatic control system for the driving units in cars with spark-ignition engine, FISITA World Automotive Congress, Paris 1998, nr F98T629 [16] Siłka W., Jantos J.: The integrated system of drive control, EAEC European Automotive Congress, Vehicle Systems Tevhnology for the Next Century, Barcelona 1999, str. 269-276 [17] Siłka W., Jantos J., Mamala J.: Wpływ sterowania napędem samochodu osobowego na własności ruchowe i zużycie paliwa, VI Międzynarodowa Konferencja Naukowa, Badania symulacyjne w technice samochodowej, Komisja Naukowo-Problemowa Motoryzacji PAN, Politechnika Lubelska, Kazimierz Dolny maj 1997, str. 49-54 [18] Tekeshi S., Isao T., Hirohisa T.: Virtual vehicle system for devel opment of clean emission engines, FISITA'98, 1998, nr F98T152 [19] Wendeker M.: Adaptacyjna regulacja wtrysku benzyny w silniku o zapłonie iskrowym, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 1998 187