Razvoj digitalno upravljanog uređaja za ispitivanje punjenja benzinskih motora sa indirektnim...

8/13/2019 Razvoj digitalno upravljanog ureaja za ispitivanje punjenja benzinskih motora sa indirektnim ubrizgavanjem

1/6

INFOTEH-JAHORINA Vol. 12, March 2013.

- 1075 -

Razvoj digitalno upravljanog ureaja za ispitivanjepunjenja benzinskih motora sa indirektnim

ubrizgavanjemIvan Dunerski, Dalibor Vuki, Dejan Matijevi, Vera Petrovi

Visoka kola elektrotehnike i raunarstva strukovnih studijaBeograd, Srbija

[email protected]@[email protected]

[email protected]

Sadraj U ovom istraivanju prikazano je projektovanje,konstruisanje i izrada digitalno upravljanog ureaja za kontrolu

rada brizgaljki oto motora kod ubrizgavanja benzina. U razvojusu koriena iskustva sa postojeim izvedenim reenjima u ciljuunapreenja funkcionalnosti ureaja. Izvrena su

eksperimentalna ispitivanja ure

aja u laboratoriji za motore imotorna vozila Visoke kola elektrotehnike i raunarstva

strukovnih studija u Beogradu i priloeni rezultati ispitivanja.

Kljune rei brizgaljke; emisija tetnih gasova; impulsno

irinska modulacija;

I. UVODMotori sa unutranjim sagorevanjem (SUS) usled

nesavrenosti procesa sagorevanja imaju u izduvnim gasovimai komponente tetne po zdravlje oveka i okolinu. Od oko 1%toksinih komponenti, 70% ini ugljen-monoksid (CO), 20%nesagoreli ugljovodonici (HC) i 10% azotni osidi, uzronicikiselih kia. (Sadraj estica je zanemarljiv). [1]

Pri idealnom (stehiometrijskom, =1) sagorevanju fosilnihgoriva dobija se vodena para (H2O) i ugljen-dioksid, (CO2).Ugljen-dioksid nije tetan po ljudsko zdravlje, ali uestvuje usmei gasova koji stvaraju efekat staklene bate i poveavaglobalno zagrevanje Zemlje.

Za sagorevanje sa minimalnom koliinom otrovnihkomponenti u izduvnim gasovima i minimumom produkcijeugljen-dioksida potrebno je ostvariti idealan sastav smee iminimum potronje goriva, to postavlja teite kontrole

procesa sagorevanja na ispravan rad brizgaljki. [2]

II. EMISIJA TETNIH GASOVASavremen oto motor, upravljan motornim raunarom, radi u

promenljivim reimima momenta i snage. Veliki moment isnaga, potrebni za ubrzanje vozila i savladavanje velikih otporakretanju dobijaju se bogatom smeom, 1, kada raste temperatura sagorevanja, usled eg se stvarajuazotni oksidi. Idealno sagorevanje ne postoji ni sastehiometrijskom smeom, =1, zbog nepotpune

homogenzacije smee i temperaturnog polja smee u radnomprostoru cilindra motora.

Za neutralizaciju CO i HC, motori koji rade sa idealnomsmeom, =1, imaju u izduvnom sistemu tkzv. trostepenekatalitike konvertore, a motori koji mogu da rade sasiromanom smeom, >1, imaju i dodatni konvertor zaneutralizaciju azotnih oksida. Na Sl. 1. prikazan je sastavtoksinih komponenti i ugljen-dioksida u zavisnosti od sastavasmee. .

Slika 1. Sastav toksinih komponenti i ugljen-dioksida u izduvnimgasovima u zavisnosti od sastava smee,

Odreivanje sastava smee, , zavisi, prema tome, odreima rada motora, a ostvarivanje potrebnog sastava postie semeanjem vazduha sa gorivom. Parametri sastava smee sumasa usisanog vazduha i masa ubrizganog goriva po ciklusu.

Masa usisanog vazduha (tanije protok mase, m/t) merise protokomerom mase vazduha, a masa ubrizganog gorivaodmerava se vremenom ubrizgavanja goriva irinomimpulsa ubrizgavanja.

Merenja i kod novog motora nisu tana (ne mogu biti), a saeksploatacijom vozila menjaju se radne karakteristike


2/6

- 1076 -

protokomera i brizgaljki, usled ega dolazi do odstupanja usastavu smee. Kontrola sastava izduvnih gasova vri selambda sondom (dava) i sondom za azotne okside. Signali saovih sondi vode se putem povratne sprege u sistemautomatskog upravljanja (SAU) radom motora. Na osnovu ovihsignala vri se korekcija smee promenom mase ubrizganoggoriva po ciklusu.

Kiseonika sonda generie signal na osnovu kog seodreuje sa kojim je sastavom smee motor radio tokom

prethodnih nekoliko radnih taktova. Integralna regulacija vodirad motora u prelascima izmeu siromane i bogate smee uveoma uskim granicama (Sl. 2). (Iako ime sonde sugerie dasonda moe meriti samo prisutnost kiseonika u izduvnimgasovima, koga ima kod rada sa siromanom smeom, >1,ipak sonda moe meriti i nedostatak kiseonika u bogatoj smeisa


3/6

- 1077 -

Laboratorijskim ispitivanjima firme ASNU iz Indijeutvreno je da talog od samo 5 mikrometara na povrinamaventila i sedita ventila brizgaljke moe da izazove smanjenje

protoka goriva kroz brizgaljku i do 25%.

Za ispitivanje rada brizgaljki razvijen je ureaj kojim sevri ispitivanje u uslovima slinim radnim uslovima na motorui utvruje ispravnost njihovog rada. Upravljaka komponentaureaja ima mogunost zadavanja irine (veliina punjenja) iuestanosti (broj obrtaja motora) impulsa ubrizgavanja, kao imogunost promene pritiska ubrizgavanja.

III. UPRAVLJANJE BRIZGALJKAMAUkljuenje brizgaljki na vozilu najee je realizovano tako

da je elektromagnet koji otvara ventil brizgaljke jednim krajemvezan na stalni napon instalacije, dok vezu sa masom dobija izraunara. U samom raunaru, snaan izlazni tranzistor vezan jena izlazni pin mikrokontrolera, koji tranzistorom upravlja. Priukljuenju brizgaljki, tranzistor iz zakoenja prelazi u triodnuoblast pri emu se modelira kao veoma mala otpornost (sveganekoliko desetina mOhm), pa je i pad napona na njemu mali.[3], [4]

Upravljanje tranzistorom koje vri mikrokontroler najeeje PWM impulsno irinska modulacija. To je nainupravljanja digitalnim kontrolerom, takav, da se amplitudanapona ne menja, ve se menja odnos vremena osnovneuestanosti i vremena ukljuenja izlaza (ureaja). Prilikom

provere ispravnosti brizgaljki na ispitnom stolu, ureaj samikroprocesorskim upravljanjem treba da simulira rad

brizgaljki na vozilu, pa je najbolje realizovati upravljanje kao ikod motornog raunara, preko PWM-a.

Slika 4. Elektrina ema izlaznog stepena sistema za upravljanje radombrizgaljki

Izlazni stepen ureaja realizovan je pomou MOStranzistora Q1, kao prekidaa pomou kog se ukljuuju

brizgaljke. Tranzistor BC337 i otpornik R503 slue za davanjei skaliranje napona za ukljuenje MOS tranzistora (Sl. 4). [5],

[6], [7]

IV. REALIZOVANANJE PWM POMOU MIKROKONTROLERAVeina mikrokontrolera ima ugraenu funkciju impulsno

irinskog modulatora, pa je izbor mikrokontrolera za zahtevanuprimenu dovoljno veliki. Zbog iroke prisutnosti na trituodabran je Texas Instuments MSP430F2121 mikrokontroler.Impulsno irinski modulator je zasnovan na tajmer/broja

periferiji i funkcionie na istim principima, ali je za razliku odtajmer/broja-a izlaz PWM funkcije izveden na noicemikrokontrolera. Impulsno irinski modulator predstavlja

unapreenje osnovne tajmer/broja funkcije i realizuje sepomou funkcije poreenja, pri emu se koristi sedam registaraza poreenje (CCR0-CCR7).

Primenom sedam registara za poreenje mogue je na estizlaza generisati PWM signal sa jednom kontrolisanom ivicomili na tri izlaza PWM signal sa dve kontrolisane ivice. Prematome, istovremenu realizaciju veeg broja PWM signalaograniava veliina registra za poreenje, a zatim i brojraspoloivih noica mikrokontrolera.

Za primene u kojima je bitno samo trajanje aktivnogperioda (interval ukljuenja), a ne i poloaj tog intervala unutarosnovne periode, primenjuje se reim rada impulsno irinskogmodulatora sa jednom kontrolisanom ivicom (single edgemode).

Prilikom ispitivanja ispravnosti brizgaljki nije neophodnosimuliranje rada motora u pogledu redosleda ukljuenja

brizgaljki. Ispituje se samo saglasnost izmerenog protoka sadeklarisanim vrednostima u razliitim reimima ubrizgavanja.To znai da je u simulaciji dozvoljeno istovremenoukljuivanje svih ispitivanih brizgaljki. Ovakvu simulaciju

mogue je realizovati pomou samo jednog PWM izlaza ureimu rada sa jednom kontrolisanom ivicom.

Algoritam realizovanja zahtevanog PWM signala je sledei.Koriste se dva registra za poreenje. Jedan registar, CCR0,odreuje trajanje PWM ciklusa.

U algoritmu realizovanja zahtevanog PWM signala koristese dva registra za poreenje. Kada broja dostigne vrednostkoja se nalazi u prvom registru, CCR0, izlaz se postavlja nalogiku jedinicu, to odgovara rastuoj ivici PWM signala i

broja se resetuje. Drugi registar, CCR1 treba da sadrivrednost kojom se odreuje pozicija opadajue ivice PWMsignala. Kada se vrednost brojaa izjednai sa vrednou CCR1na odgovarajui PWM izlaz postavlja se logika nula(opadajua ivica PWM). U ovom sluaju brojase ne resetuje,

jer ne bi dostigao vrednost CCR0 i ne bi bilo ukljuenja izlaza.

Vie PWM izlaza bi u ovoj primeni imalo smisla koristitisamo ako bi ureaj posedovao podsistem za korekcijuubrizganih koliina goriva. U tom sluaju bi bilo mogueodrediti i kolika su odstupanja karakteristika brizgaljki uodnosu na deklarisanu, kao i jedne brizgaljke u odnosu nadrugu. Pri tom bi se koristili dodatni CCR registri za

podeavanje opadajue ivice, odnosno trajanja ukljuenja svakebrizgaljke pojedinano.

V. MIKROKONTROLER I FUNKCIJE UPRAVLJANJAIzabrani mikrokontroler je 16-bitne RISC arhitekture.

Poseduje 16-bitne registre, 16-bitni tajmer sa sedam registaraza hvatanje i poreenje, analogni komparator i 16 ulazno-izlaznih pinova. Nominalno napajanje je 3V, ali moe da radisa naponima napajanja u intervalu od 1,8V do 3,6V. Potronjastruje je veoma mala. Maksimalna frekvencija je 16 MHz,radna memorija 4 KB i flash memorija 256 KB.

Mikrokontroler se nalazi na zajednikoj tampanoj ploi saizvodima za displej i tasterima, dok se izlazni stepen zaupravljanje brizgaljkama nalazi na ploi za napajanje. Na ploiza napajanje je i prikljuak za mreni napon, kao i prikljuak


4/6

- 1078 -

za brizgaljke. Dve ploe su povezane sa tri provodnika, priemu dva provodnika slue za napajanje, a jedan je zaupravljaki PWM signal iz mikrokontrolera, kojim se ukljuuje

i iskljuuje izlazni tranzistor. Na ploi sa mikrokontrolerompostavljena su etiri tastera. Na Sl. 5 je prikazana blokelektrina ema mikrokontrolera.

Slika 5. Elektrina blok ema mikrokontrolera

Po startovanju ureaja, na displeju je prikazan poslednji

korien reim rada, ako ureaj nije gubio napajanje, iliosnovni reim, ako je ureaj ostao bez napajanja nakonposlednjeg korienja. U glavnom meniju mogu je izborosnovne uestanosti upravljakog signala, to odgovara brojuobrtaja pri radu brizgaljki na motoru. Uestanost je moguemenjati tako da se dobije komplementarni interval broja obrtajaod 100 do 7000 o/min, sa koracima po 100 o/min. irinaimpulsa (vreme trajanja ubrizgavanja) menja se u intervalu 0,5do 30 ms sa koracima od 0,5 ms. Vreme ispitivanja podeavase brojem ciklusa ukljuenja, deobom sa polovinom osnovneuestanosti, to daje trajanje ispitivanja min. [8]

Vrednosti se menjaju za po jedan korak na manje ili vie

pritiskom na taster + i -. Kroz meni se kree menitasterom, a izbor potvruje potvrdi tasterom.

Postoje i tri predefinisana moda koja simuliraju uobiajenereime rada brizgaljki na motoru. Ovi reimi su sledei:

1) Prazan hod2) Veliko optereenje na srednjem broju obrtaja3) Rad na visokim brojevima obrtaja

Pod reimom tri podrazumeva se funkcionalnost otvaranja izatvaranja brizgaljke u kratkim vremenskim intervalima toodgovara visokom broju obrtaja.


5/6

- 1079 -

VI. HIDRAULINA INSTALACIJANapajanje mikrokontrolera i izlaznog stepena za ukljuenje

brizgaljki izvedeno je tako da ima dovoljnu snagu da napaja ipumpu za gorivo.

Spoljni izgled ureaja prikazan je na Sl. 6.

Slika 6. Ureaj za kontrolu rada brizgaljki benzinskih motora

Za napajanje brizgaljki gorivom usvojena je pumpa zagorivo Jetronic sistema sa nominalnim pritiskom 5 bar i

protokom 150 l/h. Energiju za rad pumpa dobija iz zajednikognapajanja el. en. ureaja. Smetena je u rezervoar sa tenouza ispitivanje, koji se nalazi u kuitu ureaja. Pumpa gumenimcrevima sa oplatom isporuuje gorivo do razvodne cevi nakojoj se nalaze izvodi za svaku brizgaljku posebno, kao i izvodza ventil regulisanja pritiska goriva, jer pumpa nema sopstvenuregulaciju. Za regulisanje pritiska upotrebljen je mali ventil sazavojnim vretenom, koji obara pritisak isputanjem goriva izinstalacije. Pritisak se regulie runim okretanjem vretena, aisputeno gorivo vraa u rezervoar. Za kontrolu pritiska

ugra

en je u hidraulinu instalaciju manometar.

Neposredno ispred brizgaljki postavljeni su ukljuno-iskljuni ventili, kojima se brizgaljke mogu pojedinanoukljuivati u ispitivanje. Prikljuci za ispitivanje postavljeni suna zajedniki nosa, pomerljiv po vertikalnim stubovima.

Nosa ima otvore u koje se umeu brizgaljke i privrujunavrtkama. Gorivo iz brizgaljke tokom ispitivanja se sliva ugraduisane menzure od 250 ml, kojima se ujedno i meri ukupnazapremina goriva koja proe kroz brizgaljku tokom ispitivanja.

VII. PRIMENA UREAJAU eksperimentu izveno je ispitivanje na brizgaljkama sa

putnikog vozila VW Polo sa trocilindrinim benzinskimmotorom zapremine 1.2 l i kodnom oznakom BME. Ispitivanje

je vreno pri sledeim vrednostima radnih parametara:

1) Pritisak goriva u instalaciji p=3,2 bar2) Broj obrtaja motora n=2500 o/min3) Vreme ispitivanja je tisp=60 s4) irina impulsa timp=15 ms

Prema tehnikoj dokumentaciji proizvoaa, nominalnavrednost protoka goriva kroz brizgaljku, pri kontinualnomukljuenju iznosi 300 ml/min.

Proraunata vrednost protoka za reim ispitivanjabrizgaljke na osnovu nominalne vrednosti je 187 ml/min.

Rezultati ispitivanja su prikazani u Tabeli 1.

TABELA I. REZULTATI ISPITIVANJA RADA BRIZGALJKI

Poloaj

ugradnjebrizgaljke

Ispitne vrednostiPre ienja Posle ienja

Zapremina

goriva[ml]

Odstupanjeod

nom.vrednosti

[%]

Ocena

ispravnosti

Zapremina

goriva[ml]

Odstupanjeod

nom.vrednosti

[%]

Ocena

ispravnosti

Cilindar 1 163 ml-12,8

%neisp. 192 ml 2,7 % isp.


%neisp. 189 ml 1,1 % isp.


%neisp. 185 ml -1,1 % isp.

Dijagnostike indikacije.a) Na motoru visok sadraj ugljen-monoksida i

ugljovodonika u sastavu izduvnih gasova posledica je loehomogenizacije smee u kojoj postoji mnogo lokalnih centarasa bogatom smeom gde je sagorevanje nepotpuno.

b) Na brizgaljkama ispitivanje je ukazalo na umanjenprotok goriva kroz brizgaljke do koga dolazi zbog poveanihotpora kretanju goriva. S obzirom da je vozilo prelo preko180.000km, a nije bilo intervencija na brizgaljkama sumnja jeda je do poveanih otpora dolo zbog taloenja neistoa i teihfrakcija goriva na mestima unutar brizgaljke gde dolazi donagle promene reima strujanja goriva. Talog u zoni otvora za

ubrizgavanje, loe zaptivanje igle brizgaljke i gubitak"odesnog" otvaranja i zatvaranja otvora iglom prouzrokovaloje loe rasprivanje goriva. Posledica je nedovoljna isparljivostgoriva ubrizganog u cilindar, time i loa homogenizacijasmee.

Izvreno je ienje brizgaljki u ultrazvunoj kadici.ienjem su otklonjeni talozi neistoa i brizgaljke vraene unormalnu funkciju to je na motoru rezultovalo dobromhomogenizacijom smee, a u brizgaljkama smanjenimotporima kretanju goriva i ispravnom rasprivanju goriva kodubrizgavanja. Smanjenje otpora kretanju goriva kroz brizgaljke


6/6

- 1080 -

potvreno je poveanim protokom goriva kroz brizgaljku zaistu irinu impulsa ubrizgavanja.

Na Sl. 7 prikazan je sastav izduvnih gasova pre i posleintervencije na brizgaljkama za motor u praznom hodu,zagrejan na radnu temperaturu. Merenja su izvrena ureajemza analizu izduvnih gasova Bosch BEA350. Sastav izduvnihgasova je meren u izduvnoj cevi ispred katalitikog konvertora.

Slika 7. Sastav izduvnih gasova pre i posle izvrene intervencije nabrizgaljkama

VIII. ZAKLJUAKRazvojem novog ureaja opisanog u radu ostvarena je

mogunost aktivne edukacije studenata sa postupkomispitivanja karakteristika rada brizgaljki benzinskih motora.Istovremeno, studenti se upoznaju sa osnovnim principimadigitalnog upravljanja i primenom PWM signala i izmenama(on-line) programskog koda mikrokontrolera.

Na laboratorijskim vebama na predmetu Elektronskisistemi paljenja i ubrizgavanja u okviru studijskog programaAutomatika i sistemi upravljanja vozilima prilikomkorienja ureaja vrena su merenja sastava izduvnih gasova

pre i posle intervencije otklanjanja neispravnosti nabrizgaljkama. Na taj nain su direktno dovoene u vezurazliite neispravnosti u radu brizgaljki sa odstupanjem emisijetetnih komponenti izduvnih gasova od nominalnih vrednosti.

LITERATURA[1] Bosch Handbook for Gasoline Engine Management, 2006.[2] Bosch Automotive Handbook, 7th Edition, 2007.[3]

Bosch Handbook for Automotive Electrics - Automotive Electronics,5th Edition, 2007.

[4] Ronald K. Jurgen, Automotive Electronics Handbook, 2nd Edition,McGraw Hill Professional, 1999.

[5] Robert Ericson, Dragan Maksimovi, Fundamentals of powerelectronics, 2nd Edition, Norwell, Mass: Kluwer Academic, 2001.

[6] Dragan Vasiljevi, Spasoje Tei, Osnovi elektronike, esto izdanje,Graevinska knjiga, Beograd, 2008.

[7] Slavoljub Marjanovi, Elektronika 1, Akademska misao, drugoizdanje, 2004.

[8] Dalibor Vuki, Mikroprocesorsko upravljanje sistemom za ispitivanjebrizgaa benzinskih motora, zavrni rad Visoka kola elektrotehnike iraunarstva strukovnih studija, Beograd, 2011.

ABSTRACT

This study presents the design, development andconstruction of digitally controlled device for testing the petrolengine injectors. The experiences from the existing solutionswere used in the development in order to improve functionalityof the device. The device is tested in the Laboratory for enginesand vehicles at the School of electrical engineering andcomputer science applied studies and the accompanying testresults are submitted.

Development of a digitally controlled device for testingmanifold injection petrol engines charge

Ivan Dunerski

Dalibor VukiDejan Matijevi

Vera Petrovi

Razvoj digitalno upravljanog uređaja za ispitivanje punjenja benzinskih motora sa indirektnim...

Documents

Transcript of Razvoj digitalno upravljanog uređaja za ispitivanje punjenja benzinskih motora sa indirektnim...