Sterowanie silników spalinowych
SILNIK
U
Właściwości
użytkowe silnika
W
Warunki pracy
urządzenia
S
Sterowanie silnika
przez operatora
A
Sterowanie silnika
zgodnie
z autonomicznymi
algorytmami
P
Zadania
urządzenia
2
Przedmioty sterowania procesów zachodzących w tłokowych
silnikach spalinowych:
wielkości będące przedmiotem oddziaływania operatora,
wielkości podlegające sterowaniu zgodnie z algorytmami
autonomicznymi, stanowiącymi wyposażenie silnika.
Cel sterowania procesów zachodzących w silnikach – spełnienie
zadania przewidzianego dla urządzenia napędzanego przez silnik:
moment obrotowy – prędkość obrotowa,
w zastosowaniach: prędkość pracy urządzenia, np. prędkość
jazdy samochodu,
zapewnienie oczekiwanych właściwości użytkowych.
3
Sterowanie silnika przez operatora:
silnik ZI – przede wszystkim napełnienie,
silnik ZS – przede wszystkim dawka paliwa.
Warunki pracy urządzenia:
opory powodujące obciążenie silnika,
warunki otoczenia, przede wszystkim atmosferyczne
i ukształtowanie terenu.
4
Podstawowe procesy determinujące właściwości użytkowe silnika
spalinowego – procesy, charakteryzujące:
intensywność pracy silnika – moc użyteczna, charakteryzowana
przez prędkość obrotową i moment obrotowy,
stan cieplny silnika spalinowego.
Stan cieplny silnika może być określony zbiorem temperatur części
silnika i jego czynników, takich jak: ciecz chłodząca i olej silnikowy.
Jako parametr stanu cieplnego silnika można przyjąć temperaturę
spośród elementów stanu cieplnego, uznaną za reprezentatywną, np.
temperaturę cieczy chłodzącej lub oleju silnikowego
5
Inne miary obciążenia silnika spalinowego:
ś
rednie ciśnienie użyteczne,
dla silnika ZI:
•
kąt otwarcia przepustnicy,
•
podciśnienie w układzie dolotowym,
•
dawka paliwa,
•
czas wtrysku paliwa.
Podstawowy proces determinujący warunki pracy trakcyjnego
silnika spalinowego – proces prędkości jazdy.
6
Właściwości użytkowe silnika – charakteryzujące jego ocenę przez
użytkownika i przez społeczeństwo, m.in. właściwości:
energetyczne – ze względu na pracę wykonywaną przez silnik:
moc użyteczna, moment obrotowy, średnie ciśnienie użyteczne,
ekonomiczne – ze względu na na zużycie paliwa: sprawność
ogólna, jednostkowe zużycie paliwa, dla samochodu – eksploa-
tacyjne zużycie paliwa,
dynamiczne – ze względu na pracę silnika w dziedzinie czasu:
moc użyteczna, dla samochodu – czas przyspieszania w granicach
zadanych prędkości,
ekologiczne – ze względu na np. emisję zanieczyszczeń, hałasu,
promieniowania elektromagnetycznego itp.,
trwałość, niezawodność.
7
Autonomiczne algorytmy sterowania silników o zapłonie iskrowym
Współczynnik składu mieszaniny palnej – λ
Kąt wyprzedzenia zapłonu – α
z
Współczynnik recyrkulacji spalin – r
Minimalna prędkość obrotowa biegu jałowego – n
bj min
Maksymalna prędkość obrotowa – n
max
Charakterystyka napełnienia –
ηηηη
v
(n, M
e
):
•
Ciśnienie doładowania – p
d
•
Fazy rozrządu –
φφφφ
•
Wzniosy zaworów – h
max
, h(
αααα
)
•
Parametry geometryczne układu dolotu – D
Stan cieplny silnika – T
Stan cieplny silnika – zbiór temperatur części silnika i jego
materiałów eksploatacyjnych (ciecz chłodząca, olej silnikowy).
8
Autonomiczne algorytmy sterowania silników o zapłonie
samoczynnym
Dawka paliwa – m
f
(jako funkcja kąta obrotu wału korbowego –
– charakterystyka czasowa wtrysku).
Kąt wyprzedzenia wtrysku – α
ww
.
Ciśnienie wtrysku – p
w
.
Współczynnik recyrkulacji spalin – r.
Minimalna prędkość obrotowa biegu jałowego – n
bj min
.
Maksymalna prędkość obrotowa – n
max
.
9
Charakterystyka napełnienia –
ηηηη
v
(n, M
e
):
•
Ciśnienie doładowania – p
d
.
•
Fazy rozrządu –
φφφφ....
•
Wzniosy zaworów – h
max
, h(
αααα
).
•
Parametry geometryczne układu dolotu – D.
Stan cieplny silnika – T.
10
Kryteria optymalizacji algorytmów sterowania silnika
spalinowego
Ekstremalizacja wielkości, charakteryzujących właściwości
użytkowe silnika, w stanach statycznych i dynamicznych,
odpowiadających typowemu użytkowaniu silnika.
Jest to zadanie polioptymalizacji.
11
Algorytmy sterowania silników spalinowych
Wielkości determinujące stan pracy silnika spalinowego – SE.
}
T
,
M
,
n
{
e
=
SE
Wielkości sterowane autonomicznymi algorytmami sterowania – A.
Stan statyczny
0
t
SE
=
∂
∂
Stan dynamiczny
0
t
SE
≠
∂
∂
12
Algorytm sterowania silników spalinowych
W stanach dynamicznych właściwości silnika zależą od jego stanu
pracy w sposób operatorowy (funkcja o wartościach innych niż
liczbowe).
Funkcja – dla danych dwóch zbiorów X i Y przyporządkowanie
każdemu elementowi zbioru X (dziedzina funkcji, argumenty
funkcji) dokładnie jednego elementu zbioru Y (przeciwdziedzina
funkcji, wartość funkcji).
Funkcja o wartościach liczbowych:
•
dziedzina – zbiór liczb,
•
przeciwdziedzina – zbiór liczb.
13
Przykład operatora (funkcji operatorowej, funkcji uogólnionej) –
– funkcjonał (przeciwdziedzina – zbiór liczb)
( )
( ) ( )
(
)
dt
t
M
,
t
n
f
t
A
c
0
c
t
t
t
e
c
∫
−
=
( ) ( )
(
)
t
M
,
t
n
f
e
– funkcja o wartościach liczbowych
Inne przykłady operatorów: równanie różniczkowe, równanie
całkowe.
14
W stanach statycznych właściwości silnika zależą od jego stanu
pracy w sposób funkcyjny (funkcja o wartościach liczbowych).
( )
( ) ( )
(
)
t
M
,
t
n
f
t
A
e
=
15
Algorytm sterowania silników spalinowych w stanach
dynamicznych
( )
( )
[
]
( ) ( ) ( )
[
]
t
T
,
t
M
,
t
n
F
t
F
t
e
=
=
SE
A
Algorytm sterowania silników spalinowych w stanach statycznych
( ) ( )
( ) ( ) ( )
(
)
t
T
,
t
M
,
t
n
f
f
t
e
=
=
SE
A
Algorytm sterowania silników spalinowych w stanach statycznych
przy ustalonym stanie cieplnym
( ) ( )
( ) ( )
(
)
t
M
,
t
n
f
f
t
e
=
=
SE
A
16
Algorytm sterowania kąta wyprzedzenia zapłonu systemu Mono
Motronic 1.7A w stanach statycznych
17
Algorytm sterowania kąta wyprzedzenia zapłonu systemu Holden
2.2 MPFI w stanach statycznych
18
Algorytm sterowania kąta wyprzedzenia zapłonu systemu Motec
w stanach statycznych
19
Przykładowy algorytm sterowania kąta wyprzedzenia zapłonu
20
Schemat interpolacji wartości wielkości sterowanej
21
Realizacja algorytmów sterowania silników spalinowych w stanach
dynamicznych
( )
( )
(
)
( )
[
]
( ) ( )
(
)
( ) ( )
[
]
( ) ( )
(
)
( ) ( )
( )
( )
δ
+
=
=
∆
+
=
∆
+
=
dt
t
dM
,
t
M
,
dt
t
dn
,
t
n
t
M
,
t
n
f
t
M
,
t
n
t
M
,
t
n
f
t
t
f
t
e
e
e
e
e
SE
SE
A
22
Obecnie funkcje:
autonomicznych algorytmów sterowania,
diagnostyki pokładowej,
układów pomiarów do celów sterowania i diagnostyki
są zintegrowane i realizowane z zastosowaniem elektronicznych
systemów cyfrowych.