SOCHACZEWSKI Rafał 1 BARAŃSKI Grzegorz 2 WENDEKER Mirosław 3 Badania eksploatacyjne pojazdu z bezpośrednim wtryskiem benzyny na hamowni podwoziowej WSTĘP Rozwój konstrukcji silników spalinowych pociąga za sobą również rozwój układów zasilania paliwem tych że silników. Dotychczas stosowane układy pośredniego wtrysku benzyny do układu dolotowego silnika wypierane są poprzez układy wtrysku paliwa bezpośrednio do komory spalania. Głównym z powodów ewolucji układów zasilnia paliwem jest sprostanie przez producentów normom emisji spalin. Wiąże się to również ze zmniejszeniem zużycia paliwa a tym samym zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych pojazdów. W dobie światowego kryzysu i wyczerpujących się paliw ropopochodnych są to niezwykle istotne powody rozwoju techniki motoryzacyjnej. Pierwsze systemy bezpośredniego wtrysku pojawiły się w drugiej połowie XX wieku- Mercedes 300SL z 1955 roku, jednak intensyfikacja prac nad ich rozwojem nastąpiła wraz z XXI stuleciem. Głównym atutem tych układów jest możliwość tworzenia mieszanek ubogich efektem czego jest zmniejszone zużycie paliwa. Wszechstronność układu zapewniają wtryskiwacze piezokwarcowe oraz możliwość regulacji ciśnienia wtrysku paliwa. Kolejnym krokiem w zwiększaniu ekonomiczności i zmniejszaniu emisyjności nowoczesnych pojazdów jest zastąpienie paliwa tradycyjnego paliwem alternatywnym. O ile kwestia konwersji silników zasilanych paliwem tradycyjnym w sposób pośredni wydaje się być tematem wyjaśnionym, o tyle przystosowanie silników z wtryskiem bezpośrednim jest ciągle zagadnieniem rozwojowym. Wiedzę w tej tematyce można zdobyć przeprowadzając badania stanowiskowe silników [3], badania symulacyjne [5] jak również badania eksploatacyjne [2, 8]. Każde z tych badań uzupełniają się wzajemnie i przyczyniają się do rozwoju układów alternatywnych zasilania silników spalinowych. Progres elektroniki daje szerokie możliwości zastosowania nowatorskich rozwiązań w dziedzinie badań naukowych[1, 4, 7, 9]. Jednym z nich są produkty firmy NationalInstriments. W artykule przedstawiono metodykę badawczą tytułowych pojazdów w warunkach eksploatacyjnych z zastosowaniem narzędzia LabView. Został opracowany układ akwizycji, rejestracji i analizy danych pomiarowych. 1 OBIEKT BADAŃ Obiektem badań był pojazd marki Mercedes E200 CGI wyposażony w silnik 4-suwowy, 4- cylindrowy o zapłonie iskrowym. Silnik posiada bezpośredni wtrysk benzyny oraz turbosprężarkę z układem chłodzenia powietrza doładowującego. Silnik o pojemności skokowej 1796 cm 3 generujący moc 135 kw. Moment obrotowy silnika wynosi 270 Nm w zakresie prędkości obrotowej 1800 4600. Charakterystykę silnika przedstawiono na rysunku 1. Badania pojazdu przeprowadzono na hamowni podwoziowej jednoosiowej (rysunek 2). Hamownia FPS 3000 służy do symulacji warunków drogowych. Jest urządzeniem do badań i diagnostyki pojazdów badanych pod obciążeniem. Urządzenie FPS 3000 przewidziane jest dla pojazdów osobowych oraz dostawczych do 2,5 t. Urządzenie pozwala na badania pojazdów o maksymalnej mocy silnika do 260 kw i prędkości maksymalnej do 200 km/h. 1 Państwowa Szkoła Wyższa im. Papieża Jana Pawła II, Zakład Mechaniki i Budowy Maszyn, 21-500 Biała Podlaska, ul. Sidorska 95/97, Tel: +48 83 344 99 00, wew. 292, r.sochaczewski@dydaktyka.pswbp.pl 2 Politechnika Lubelska, Katedra Termodynamiki Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych, 20-618 Lublin, ul. Nadbystrzycka 36, Tel: +48 81 538 4764, Fax: +48 81 538 4749, g.baranski@pollub.pl 2 Państwowa Szkoła Wyższa im. Papieża Jana Pawła II, Zakład Mechaniki i Budowy Maszyn, 21-500 Biała Podlaska, ul. Sidorska 95/97, Tel: +48 83 344 99 00, wew. 292, m.wendeker@dydaktyka.pswbp.pl 9826
Rys. 1. Charakterystyka silnika Mercedes E200 CGI [7] Rys. 2. Pojazd na stanowisku badawczym 2 NARZĘDZIA BADAWCZE Akwizycję sygnałów pomiarowych realizowano za pomocą układu składającego się z kontrolera National Instruments CompactDAQ 9172 wraz z kartami pomiarowymi NI 9215 (rysunek 3) i netbooka z oprogramowaniem rejestracji i obróbki danych. Kontroler, w zależności od potrzeb, umożliwia zamontowanie do ośmiu kart pomiarowych (rejestracja do 32 sygnałów pomiarowych). Rys. 3. Karta pomiarowa NI 9215 i podstawa montażowa National Instruments CompactDAQ 9172 Rejestrację danych i wstępną obróbkę realizowano z wykorzystaniem oprogramowania pomiarowego oraz oprogramowania do analizy wyników badań. Oba programy wykonano w środowisku LabView 8.1 (ang. Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), będącym produktem firmy National Instruments Corporation. LabVIEW jest środowiskiem programistycznym służącym do tworzenia własnych programów użytkowych, podobnie jak środowiska Borland C, Borland Pascal, i inne. Podstawową różnicą jest sposób tworzenia kodu źródłowego programu. W innych środowiskach kod źródłowy jest sekwencyjnym zapisem tekstowym w określonym języku programowania (Basic, C, Pascal), natomiast w LabVIEW kod źródłowy sprowadza się do graficznego przedstawienia operacji funkcji wejścia (z klawiatury i przyrządów), wyjścia (na ekran, drukarkę i przyrządy), przenoszenia i przetwarzania informacji oraz połączenia między blokami. Język graficzny G przedstawia zapis programu w postaci ikon, zacisków i połączeń, za pomocą których można zbudować dowolny wirtualny przyrząd pomiarowy. W zależności od potrzeb i oprogramowania może to być wirtualny oscyloskop, analizator widma, rejestrator, multimetr czy inny nietypowy przyrząd [5, 7]. 9827
Rysunek 4 przedstawia panel użytkownika programu służącego do zapisu danych pomiarowych, natomiast rysunek 5 przedstawia część schematu blokowego programu do rejestracji danych. Wyniki pomiarów z częstotliwością 100 khz rejestrowano na komputerze przenośnym. Rys. 4. Widok panelu użytkownika programu do rejestracji danych pomiarowych Rys. 5. Schemat blokowy programu do rejestracji danych pomiarowych W celu pomiaru natężenia przepływu prądu w cewce indukcyjnej wtryskiwacza paliwa zastosowano sondę prądową Tektonix TCP305 wraz z układem wzmacniającym Tektonix TCPA300. 3 WYNIKI BADAŃ W ramach badań wykonano pomiary podstawowych sygnałów elementów pomiarowych i wykonawczych silnika. Badania wykonano w ustabilizowanym stanie termicznym silnika (temperatura płynu chłodzącego 90 C). Pomiary zrealizowano w pomieszczeniu warsztatowym, w którym temperatura otoczenia wynosiła ok. 10 C. Badania realizowano wg przyjętego schematu. Silnik badawczy poddawano zmiennym obciążeniom, przy zachowaniu stałej prędkości obrotowej wału korbowego. Dla danej prędkości obrotowej utrzymywano położenie dźwigni przyspieszenia na poziomie pozwalającym pokonać opory mechaniczne silnika oraz opory ruchy układu napędowego i hamowni podwoziowej. Następnie płynnie regulując położenie dźwigni gazu zmieniano obciążenie silnika. 9828
W trakcie realizacji badań rejestrowano następujące sygnały: ciśnienie powietrza w kolektorze dolotowym, ciśnienie paliwa w zasobniku, kąt otwarcia przepustnicy, prędkość obrotowa wału korbowego, położenie wału rozrządu, napięcie sterujący otwarciem wtryskiwacza paliwa, wartość prądu płynącego przez cewkę wtryskiwacza. W efekcie przeprowadzonych badań uzyskano przebiegi czasowe wyżej wymienionych sygnałów. W każdym punkcie pomiarowym rejestrowano od 700 do 1300 kolejnych cykli roboczych silnika. Ilość cykli uzależniana była od prędkości obrotowej wału korbowego silnika. W celu przeprowadzenia analizy wyników pomiarów opracowano dedykowane oprogramowanie. Program do obróbki danych zapisanych w formacie *tdmzawiera dwa okna: Front Panel pełniący rolę interfejsu użytkownika i Block Diagram -zawierający graficzny kod programu. Panel frontowy (rysunek 6) jest zbudowany przy pomocy kontrolek i wskaźników, które są odpowiednio wejściowym i wyjściowym terminalem programu. Rys. 6. Panel programu do analizy wyników pomiarów Opracowany front panel posiada następujące zakładki, na których zostały umieszczone kontrolki i wskaźniki: pliki do odczytu i zapisu wskazuje plik aktualnie analizowane oraz zapisywane wyniki analiz, ustawienia kanałów w oknie deklarowane są nazwy kanałów pomiarowych wczytywanych do programu, ustawienia czujników definiujemy współczynniki przeliczeniowe z wartości sygnału napięciowego na wartość jednostek SI, wartości cyklowe okno wizualizuje wykresy wartości cyklowych obliczone przez program, czas wtrysku zakładka przedstawia czas wtrysku paliwa w kolejnych cyklach roboczych silnika. Diagram blokowy składa się z terminali, funkcji, struktur i przewodów. Terminale są wejściowym i wyjściowymi portami wymieniającym informacje pomiędzy panelem frontowym a diagramem blokowym (rysunek 7). Funkcje to programy, które jako wynik zwracają jedną lub więcej wartości. W LabVIEW możemy je podzielić na dwa rodzaje: pierwotne i tzw. subvi. Funkcji pierwotnych nie można edytować, nie posiadają one panelu ani diagramu, traktuje się je jako czarne skrzynki wykonywujące pewne obliczenia i zwracające wynik. Programy złożone z funkcji pierwotnych to subvi. Można zobaczyć ich zawartość i edytować je. Do tej grupy zalicza się programy tworzone przez użytkownika. 9829
Struktury są graficzną reprezentacją pętli, i funkcji podejmujących wielowariantowe decyzje.podobnie jak inne elementy panelu struktury posiadają terminale łączące je z funkcjami, strukturami, zawierają one wewnętrzny diagram. Rys. 7. Diagram blokowy programu do obróbki danych Na blok diagramie znajdują się trzy sub VI które zostały specjalnie opracowane do te go programu i posiadają różną funkcjonalność.pierwszy z nich to sub VI GMP, który ma za zadanie wyznaczenie w zarejestrowanych przebiegach punktów początku i końca kolejnych cykli roboczych. Kolejny sub VI to TPS, umożliwiający określanie kątowego otwarcia przepustnicy. Ostatni sub VI to INJ zadaniem, którego jest określanie czasu wtrysku paliwa, kąta początku wtrysku i ciśnienia paliwa w zasobniku w kolejnych cyklach roboczych silnika. Pozwala to na wyznaczenie następujących parametrów: prędkości obrotowej wału korbowego, znacznika położenia wału rozrządu, czasu trwania wtrysku/ów kąta początku wtrysku/ów, położenie kątowe przepustnicy, ciśnienie paliwa w zasobniku, ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym, wartości prądu płynącego przez cewkę wtryskiwacza paliwa. Wyniki obliczeń zapisywane są w plikach tekstowych. 4 ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Wczytanie danych pomiarowych oraz wprowadzenie uzyskanych charakterystyk czujników do programu analizującego umożliwiło otrzymanie przebiegów cyklowych czasów wtrysku paliwa, kąta początku wtrysku paliwa i ciśnienia paliwa w zasobniku (rysunek 8) w zależności od prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika. 9830
Rys. 8. Zależność czasu wtrysku paliwa, kata początku wtrysku i ciśnienia paliwa w zależności od prędkości obrotowej wału korbowego n i obciążenia silnika Do prędkości obrotowej wału korbowego ok. 3500 obr/min i dużych obciążeń (p d >100 kpa) występuje podział dawki paliwa na dwie częścit 1 i t 2. W pozostałym zakresie pracy paliwo wtryskiwane jest w jednej dawcet 1. Strategię sterowania wtryskiem paliwa przedstawiono na rysunku 9. Rys. 9. Strategia sterowania wtryskiemt 1 i t 2 w zależności od prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika Analizie poddano również kąt początku wtrysku paliwa (rysunek 10). Jako DMP odpowiadające początkowi suwu sprężania przyjęto 540 OWK. Przy małych prędkościach obrotowych do 3000 obr/min zwiększanie obciążenia powoduje przesunięcie kąta wtrysku 1 od 486 do ok. 500 OWK, następnie kąt ten maleje i ustala się na poziomie ok. 492 OWK. W chwili pojawienia się drugiej dawki paliwa 1 ulega przyspieszeniu kąt początku wtrysku paliwa jest stały i wynosi ok. 504 OWK. Kąt początku wtrysku 2 drugiej dawki paliwa jest stały i wynosi ok. 670 OWK. 9831
W przypadku pojedynczego wtrysku, prędkości obrotowej ok. 4000 obr/min oraz małych i średnich obciążeniach silnika kąt początku wtrysku 1 ulega niewielkim zmianom o ok. 6 OWK i wynosi średnio 488 OWK. Przy wzroście obciążenia (ciśnienie w układzie dolotowym ok. 140kPa) następuje całkowite otwarcie przepustnicy. Kąt początku wtrysku ulega przyspieszeniu o 18 OWK i wynosi ok. 474 OWK. Natomiast przy pojedynczym wtrysku paliwa i prędkości obrotowej ok. 5500 obr/min przy małych i średnich obciążeniach silnika kąt początku wtrysku 1 ulega niewielkim zmianom o 6 OWK. Po całkowitym otwarciu przepustnicy kąt ten maleje i ustala się na poziomie ok. 487 OWK. Rys. 10Strategia sterowania kątem początku wtrysku 1 i 2 w zależności od prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika W efekcie uzyskanych wyników pomiarów wyznaczono mapę ciśnienia paliwa w zasobniku w zależności od prędkości obrotowej silnika i jego obciążenia (rysunek 11). W zależności od warunków pracy silnika ciśnienie paliwa zmienia się w zakresie 4,5 do 15 MPa. Rys. 11. Strategia sterowania ciśnieniem paliwa w zasobniku w zależności od prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika 9832
PODSUMOWANIE Środowisko LabView dzięki swojej funkcjonalności, umożliwia przeprowadzanie zawansowanych badań eksploatacyjnych pojazdu w warunkach hamowni podwoziowej. Opracowane oprogramowanie umożliwiło w czasie rzeczywistym rejestrację warunków pracy silnika, ich akwizycję, obróbkę i analizę wyników badań. Otrzymane rezultaty pozwoliły na wyznaczenie strategii sterowania procesem wtrysku realizowanego w doładowanym silniku o bezpośrednim zasilaniu w paliwo. W zależności od warunków pracy wtrysk paliwa realizowany jest w jednej lub w dwóch dawkach na cykl pracy silnika. Paliwo wtryskiwane jest w suwie napełniania lub w suwie napełniania i sprężania. Zmianie ulegają również kąty początku wtrysku poszczególnych dawek paliwa. Głębsza analiza wyników badań oraz badania na szerszej grupie badanych pojazdów mogą posłużyć w rozwoju układów alternatywnego zasilania silników spalinowych o bezpośrednim zasilaniu. Problem jaki napotkano w trakcie badań to niemożliwość wykonania punktów pomiarowych w niskim zakresie prędkości obrotowych wału korbowego (do 1500 obr/min). Wynikało to z faktu że pojazd wyposażony był w automatyczną skrzynię biegów, co skutkowało że niskie prędkości obrotowe wymuszały niskie przełożenia. Skutkowało to przekroczeniem maksymalnego momentu obrotowego hamowni podwoziowej i zakończeniem pomiaru. Streszczenie Artykuł zawiera opis badań stanowiskowych pojazdu z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Przedstawiono układ akwizycji i monitorowania danych pomiarowych przy zastosowaniu środowiska LabView. Oprogramowanie umożliwia pomiar, wizualizację i rejestrację sygnałów analogowych a następnie ich przetworzenie i analizę. Wykonana aplikacja służy do analizy parametrów pracy silnika, umożliwia wyznaczenie charakterystyk czasów wtrysku benzyny, kątów początku wtrysku oraz ciśnienia paliwa w zasobniku w zależności prędkości obrotowej silnika i jego obciążenia. Otrzymane wyniki pozwoliły na przeprowadzenie analizy strategii sterowania procesem tworzenia mieszanki palnej doładowanego silnika zasilanego bezpośrednim wtryskiem benzyny. The chassis dynamometer research on the operation of the vehicle with gasoline direct injection Abstract The paper describes the stand tests on the vehicle with gasoline directinjection. The acquisition system and monitoring measurement data are presented in the LabView environment. This software allows us to measure, visualise, record, process and analyse analogue signals. This applicationanalyses engine operating parameters and allows for determining thecharacteristics of gasoline injection timing, start injection angles andfuel pressure in the tank respecting engine speed and load. The results allowed us to analyse the control strategy of the formation of acombustible mixture in the supercharged engine with gasoline directinjection. BIBLIOGRAFIA 1. Lesiak P., Świsulski D., Komputerowa technika pomiarowa w przykładach. Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa 2002 2. Myung Ch., Kim J., Choi K., Hwang I., Park S., Comparative study of engine control strategies for particulate emissions from direct injection light-duty vehicle fueled with gasoline and liquid phase liquefied petroleum gas (LPG). Fuel 94 (2012) 348 355 3. Mochamad T., Jermy M., Vuorenskoski A., Harrison M., The Effects of Propane and Gasoline Sprays Structures from Automotive, Fuel Injectors under Various Fuel and Ambient Pressures on Engine Performance, World Applied Sciences Journal 18 (3): 396-403, 2012 4. Nawrocki W., Rozproszone systemy pomiarowe, WKŁ,Warszawa 2006 5. Tibaut P., Priesching P., Poredos A., CFD Simulation in the Combustion/Emission Development of a Gasoline/Ethanol Fueled GDI Engine 6. Travis J.:LabView for Everyone. Prentice-Hall, Upper Saddle River 2002 9833
7. Świsulski D., komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych w LabView. Agenda Wydawnicza PAK, Warszawa 2005 8. Wendeker, M. Gęca, M. Barański, G. Sochaczewski, R., Badania pojazdu EURO 5 przy pełnym obciążeniu silnika. Autobusy : technika, eksploatacja, systemy transportowe 4/2012 9. Winiecki W., Nowak J., Stanik S., Graficzne zintegrowane środowiska programowe. Wydawnictwo MIKOM, Warszawa 2001 10. http://www.headlightmag.com 9834