modifikace vtr1000

From horse-drawn railway to high-speed transportation systemV
Od koněspřežné železnice k vysokorychlostním dopravním systémĤP
April 17 – 19, 2007 Prague, Czech Republic
Experimentální pracoviště pro výzkum řízení spalovacího motoru
Zdeněk Mašek1, Stanislav Gregora2
Abstract: Článek popisuje funkci řídící jednotky vstřikování navržené pro motocyklový motor
ROTAX 650. Tento motor byl zapůjčen na Katedru elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací
techniky DFJP Univerzity Pardubice za účelem přestavby z původně karburátorové verze na verzi
s nepřímým vstřikováním paliva. Hlavním cílem přestavby by měla být schopnost plnit přísné
požadavky na produkci emisí výfukových plynů.
Key words: vstřikování paliva, spalovací motor, palivová mapa, řídící jednotka, škrtící
klapka, katalyzátor, emise výfukových plynů, lambda sonda
1. Úvod
Dlouhou dobu byl pro tvorbu palivové směsi u zážehového motoru používán karburátor.
S rozvojem elektroniky a s růstem požadavků na přesnost tvorby směsi byl postupem času
téměř vytlačen elektronickým vstřikováním, které přináší řadu výhod. Cílem našeho projektu
je navrhnout řídící jednotku nepřímého vstřikování a optimalizovat řízení především s
ohledem na minimální tvorbu emisí výfukových plynů. K tomuto účelu je testovací pracoviště
vybaveno vířivým dynamometrem a emisním analyzátorem výfukových plynů, pomocí
kterých lze ověřovat chování motoru v různých podmínkách a provádět optimalizaci.
Informace o použitém dynamometru lze nalézt ve článku [2]. Od našeho systému očekáváme
oproti karburátorové verzi tato vylepšení:
• Nižší spotřebu
• Menší emise výfukových plynů
• Lepší průběh momentové charakteristiky
• Snadnější startování
2. Úpravy na motocyklu
Vytvořená řídící jednotka je použita na motoru ROTAX 650. Jedná se o čtyřtaktní vodou
chlazený jednoválcový motor s ventilovým rozvodem DOHC v originále vybavený
karburátorem BING 94/40/146. Motor má udávaný maximální výkon 34,5 kW při 6200
ot/min a točivý moment 56,2 Nm při 5000 ot/min.
1
Ing. Zdeněk Mašek, doktorand, Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, KEEZ, Studentská 95,
532 10 Pardubice, Česká republika, tel.: +420 466 036403, E-mail: [email protected]
2
Doc. Ing. Stanislav Gregora, Ph.D., Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, KEEZ, Studentská
95, 532 10 Pardubice, Česká republika, tel.: +420 466 036405, E-mail: [email protected]
161
Karburátor byl nahrazen elementem s klapkou a dvěma vstřikovači. Tento element nebyl
navržen, ale byl prozatím použit z jiného sériově vyráběného motocyklu (Honda VTR-1000)
neboť průměrem klapky rozměrově odpovídal.
Motor se dále vybavil řadou snímačů nutných pro funkci řídící jednotky. Jedná se o tyto
snímače:
• snímač otáček klikové hřídele (CKPS)
• snímač tlaku v sacím potrubí (IAPS)
• snímač polohy klapky (TPS)
• snímač teploty chladící kapaliny (TWS)
• snímač teploty nasávaného vzduchu (IATS)
• širokopásmová lambda sonda (UEGO)
O dodávku paliva se stará palivové čerpadlo. Tlak paliva je udržován na konstantní hodnotě
vůči tlaku v sání mechanickým regulátorem, který je umístěn na elementu klapky. Tím je
zaručeno, že množství vstříknutého paliva je pouze funkcí doby sepnutí vstřikovače. Tlak
v palivovém okruhu má hodnotu 350 kPa.
Obr. 1 Pohled na upravený motocykl
Obr. 2 Blokové schéma řídící jednotky
3. Řídící jednotka
Navrhnutá jednotka řídí vstřikování i induktivní zapalování. Vyhodnocuje údaje ze snímačů
a dle nich určuje délku a okamžik vstřiku a předstih. Nejdůležitějšími údaji pro výpočet jsou
otáčky klikové hřídele a tlak v sacím potrubí, případně poloha škrtící klapky. Ostatní údaje
slouží jen ke korekci. Při použití třícestného katalyzátoru je nutná lambda sonda, jednotka pak
koriguje množství vstříknutého paliva s ohledem na požadovanou hodnotu λ=1 nutnou
pro správnou funkci katalyzátoru. Tato zpětnovazební regulace zatím není implementována,
lambda sonda prozatím slouží jen jako indikátor bohatosti směsi.
Řídící jednotka je založena na mikrokontroléru ATmega128 od firmy Atmel. Ten pro náš účel
vyhovuje neboť obsahuje dostatek periferií, je levný a je optimalizovaný pro jazyk C,
ve kterém je napsán řídící software. Vzhledem k relativní jednoduchosti použitých algoritmů
výkonově postačuje. V budoucnu chceme přejít na výkonnější typ, např. ARM.
162
4. Princip funkce
4.1. Určení hmotnosti nasávaného vzduchu
Pro správné dávkování je nutno znát množství (hmotnost) vzduchu nasávaného motorem.
Na rozdíl od automobilových motorů, kde se běžně hmotnost vzduchu přímo měří pomocí
snímače hmotnosti vzduchu založeného na principu vyhřívaného drátku nebo filmu, my tuto
hmotu pouze odhadujeme pomocí snímače tlaku a teploty v sání. Přitom vycházíme z rovnice
ideálního plynu:
P ⋅V = n ⋅ R ⋅ T
Kde:
(4.1)
P – tlak [kPa]
V – objem [l]
n – počet molů ; n = Mair / Mm , kde Mm je molární hmotnost
R – konstanta ideálního plynu (8,314 J/mol.K pro suchý vzduch)
T – absolutní teplota [K]
Z této rovnice vyjádříme hmotnost Mair a dostaneme:
M air = n ⋅ M m =
Kde:
P ⋅V
VE ⋅ MAP ⋅V
⋅ Mm =
⋅ M m = VE ⋅ ρ air ⋅ V
R ⋅T
R ⋅ ( IAT + 273,15 )
(4.2)
VE – objemová účinnost (Volumetric Efficienty) [-]
MAP – tlak v sacím potrubí (Manifold Air Pressure) [kPa]
IAT – teplota nasávaného vzduchu (Intake Air Temperature) [°C]
V – objem válce (Cylinder Displacement) [l]
ρair – hustota nasávaného vzduchu [kg/dm3]
Jakmile známe množství vzduchu ve válci z hodnot MAP a IAT a „naladěné“ hodnoty VE,
víme kolik paliva musíme vstříknout. Tato hodnota se následně převede na délku spínacího
pulsu pro vstřikovače.
4.2. Délka vstřiku
Aby bylo dávkování paliva správné za jakýchkoliv okolností, je ve výpočtu délky vstřiku
brána v úvahu řada faktorů. Musí se zde projevit především aktuální režim motoru (studený
start, volnoběh, akcelerace, jízda pod výkonem), okolní vlivy (např. teplota a tlak okolního
vzduchu) apod. Proto se rovnice výpočtu délky vstřiku skládá z hodnoty určené v souladu
s rovnicí (4.1) a z korekčních faktorů, které ji modifikují (zkracují či prodlužují).
PW = BasePW ⋅
Kde:
VE ( MAP, RPM ) MAP
⋅
⋅ E + AccelE + InjOpenTime + VoltComp (4.3)
BARO
100
BasePW – základní délka pulsu při MAP = 100 kPa, IAT = 20 °C, VE = 100 %,
AFR = 14,7 (λ = 1) pro jeden kompletní cyklus motoru [us]
VE – objemová účinnost, zahrnuje v sobě i požadovaný poměr vzduch/palivo
při daném tlaku v sání a určitých otáčkách [%], hodnota vyčtená z palivové mapy
MAP – tlak v sání [kPa]
BARO – tlak v sání při plně otevřené klapce, je roven barometrickému tlaku [kPa]
E – obohacení/ochuzení směsi, zahrnuje v sobě postartovní obohacení, obohacení
při studeném motoru, korekce barometrického tlaku a teploty vzduchu, korekce
od regulace lambda [-]
163
AccelE – obohacení při akceleraci [us]
InjOpenTime – doba potřebná na otevření vstřikovače (závislá na napětí) [us]
VoltComp – kompenzace doby otevření vstřikovače s ohledem na napětí v palubní síti
(prodloužení při nízkém napětí a zkrácení při vyšším napětí) [us]
Použitý princip výpočtu vychází z informací uvedených v [1] a jeví se jako použitelný
a především jednoduchý. Důvodem volby toho jednoduchého algoritmu je především naše
dosavadní nezkušenost v této oblasti, kdy si chceme nejprve ověřit funkčnost tohoto způsobu
řízení a poté uvažovat o sofistikovanější variantě.
Základní délka vstřiku BasePW je pevná hodnota udávající délku vstřiku při určitých
podmínkách. Je závislá mimo veličin uvedených v legendě rovnice (4.3) také na objemu válce
a konstantě použitého vstřikovače. Tato hodnota je následně násobena koeficientem vyčteným
z palivové mapy a upravena dalšími faktory – viz výše.
Hlavní prvkem, který umožňuje modifikaci délky vstřiku je palivová mapa, což je
dvourozměrná tabulka koeficientů v závislosti na tlaku v sání a otáčkách, v rovnici označeno
jako VE(MAP,RPM). Úkolem je naladit tuto mapu dle požadavku na bohatost směsi k čemuž
bude použit dynamometr. Aby tento proces nebyl extrémně časově náročný, byla zvolena
mapa o rozsahu pouze 10x10 hodnot. Existuje i možnost automatického naladění koeficientů
v mapě za pomocí údaje ze širokopásmové lambda sondy, tomuto bude věnována patřičná
pozornost.
Dále jsou důležité korekční faktory E, které zabezpečují správné dávkování paliva při různých
stavech motoru. Tyto hodnoty jsou vyčítány z tabulek a bude je nutno opět patřičně odladit.
Vypočtená dávka paliva je v určený okamžik vstříknuta pomocí jednoho nebo obou
vstřikovačů. Jelikož motor není vybaven snímačem polohy vačkového hřídele, nemůžeme
rozlišit fázi cyklu čtyřdobého motoru, proto vstřikujeme palivo každou otáčku. Stejně tak
dochází ke generování jiskry induktivního zapalování každou otáčku – jednou v kompresi,
podruhé ve výfuku. Do budoucna toto chceme změnit a fázi cyklu určit z nepravidelnosti
chodu, která je u jednoválce snadno detekovatelná.
5. Závěr
V článku byla velmi stručně popsána funkce vyvinuté řídící jednotky vstřikování a zapalování
pro jednoválcový motocyklový motor ROTAX 650. Vzhledem k omezenému rozsahu nebylo
možno uvést větší podrobnosti a další informace např. o funkci zapalování. Vyvinutá řídící
jednotka byla s úspěchem odzkoušena na motoru, momentálně se zaměřujeme na ladění
palivové mapy a korekcí. Po těchto základních nastaveních chceme zprovoznit lambda
regulaci a sledovat produkci emisí. Do budoucna chceme zlepšit především způsob
vyhodnocování otáček a jejich predikci, což má přímý vliv na regulaci předstihu a také
vylepšit dávkování paliva v přechodových stavech (fenomén palivového filmu na stěnách
sání).
Literatura
[1]
[2]
BOWLING, B., GRIPPO, A. Megasquirt : Electronic Fuel Injection Computer
[online]. c2004-2007 , Last Updated: 01/31/2007 18:55:30 [cit. 2007-01-02].
Dostupný z WWW: <http://www.megasquirt.info/>.
DOLEČEK, Radovan, et al. Zatěžovací dynamometr pro spalovací motory. In Sborník
EPVE Elektrické pohony a výkonová elektronika. Brno : VUT Brno, 2004. s. 43-48.
ISBN 80-214-3052-4.
164