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 zużycie paliwa: sprawność ogólna,
jednostkowe zużycie paliwa, dla samochodu – eksploatacyjne
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
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
n [
1/m
in]
0
5
10
15
20
25
30
35
Vf [mg
]
100
200
300
400
500
600
700
800
900
V
a
[
m
g
]
Zależność dawki powietrza Va (ciśnienia doładowania) od dawki
paliwa Vf (obciążenia silnika) i prędkości obrotowej n dla silnika
Y 20DTH do samochodu Opel Zafira
21
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
n [1/min]
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
V
f [
m
g]
0
2
4
6
8
10
12
14
a
lf
a
w
w
[
°O
W
K
]
Zależność kąta wyprzedzenia wtrysku alfa ww od dawki paliwa Vf
(obciążenia silnika) i prędkości obrotowej n dla silnika Y 20DTH do
samochodu Opel Zafira
22
Oprogramowanie do wprowadzania algorytmów sterowania
23
Schemat interpolacji wartości wielkości sterowanej
24
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
25
Obecnie funkcje:
autonomicznych algorytmów sterowania,
diagnostyki pokładowej,
układów pomiarów do celów sterowania i diagnostyki
są zintegrowane i realizowane z zastosowaniem elektronicznych
systemów cyfrowych.
26
1.
Wheel speed sensor
2.
Rear differential oil
temperature switch
3.
Wheel speed sensor
4.
Manual mode
switch
5.
Manual control dial
6.
DCCD electronic
control unit
7.
Parking brake
switch
8.
DCCD indicator
lights
9.
Battery
10.
ABS control unit
11.
Wheel speed sensor
12.
Brake light switch
13.
Throttle position
sensor
14.
Accelerator pedal
15.
Wheel speed
sensor
16.
Lateral G sensor
(with yaw rate
sensor for 2005)
17.
Main gear input
from the engine
18.
Front output
19.
Rear output
20.
Transmission
assembly
21.
Center
differential
22.
ABS monitor
signal
27
28
1.
Battery
2.
Relay set – Operates electronic control unit 3 and motor driven fuel pump 17.
3.
Electronic control unit – Receives information about oil quantity, coolant
temperature and temperature of cylinder head, position of throttle valve,
starting phase as well as engine rpm and injection point. It processes this
information and transmits electric pulses to the solenoid injector. It is connected
with the individual components by means of a multiple connecting plug and
associated connecting cables.
4.
Coil – In addition to its normal function, it transmits the number of engine rpm
or the injection point to the control unit.
5.
Air measuring instrument – This supplies information to electronic control unit
of quantity of air drawn and activates fuel supply pump.
6.
Supplementary air valve – Supplies extra air during engine heating stage,
depending on temperature level.
7.
Throttle switch – Signals idle and full load to electronic control unit.
8.
Temperature sensor – Signals coolant temperature at the cylinder head outlet.
29
9.
Cold starting solenoid injector – During starting in low temperatures, injects
extra fuel into intake line.
10.
Solenoid injectors – Inject fuel in intake port of cylinders.
11.
Delay thermal switch – This automatically controls injection of cold starting
solenoid injector.
12.
Fuel pressure regulator – Keeps fuel pressure constant in fuel lines.
13.
Fuel delivery line
14.
Excess fuel exhaust line
15.
Ignition switch
16.
Fuel filter – Is fitted on fuel supply line for fuel filtering.
17.
Motor driven fuel supply pump – Delivers a constant supply of fuel to solenoid
injector.
18.
Fuel tank
19.
Oxygen sensor (Lambda probe) – Measures the oxygen content of exhaust
gases and transmits any adjustment of air–fuel mixture to control unit.
20.
Catalytic converter – Reduces harmful residues contained in exhaust gases to a
minimum.