Osnove elektronske kontrole rada motoraOsnove elektronske kontrole rada motora

Kontrola rada motora:Regulacija dotoka goriva i vazduha.Tajming paljenja.

Potreba za kontrolom – zakonske regulative:Zaštita životne sredine - izduvni gasovi.Smanjenje potrošnje.

Emisija izduvnih gasova

Proizvod sagorevanja smeše vazduha i benzina.

Benzin: - Hidrokarbonati, hemijskih jedinjenja vodonika i ugljenika

u različitim odnosima.- Prirodne nečistoće.- Hemikalije dodate od strane rafinerija.

Sagorevanje (combustion):- Ugljen dioksid (CO2) i voda (H2O) – idealno sagorevanje.- Ugljen monoksid (CO)- Oksidi azota (NOx)- Nesagoreli hidrokabonat (HC)- Oksidi sumpora.

Zakonske odredbe – tehnički pregled

Struktura kontrolnog sistemaKontrola snage motora – položaj leptira.Motor kao vakum pumpa.Direktna zavisnost masenog protoka vazduha od ugaonog položaja.

Protok 6 lb/h oslobađa 1 kS

Osnovna struktura elektronskog kontrolnog sistema

Definicija osnovnih pojmova

ParametriNumerička vrednost neke veličine motora fiksirana u tokuprojektovanja.

Prečnik klipa.

Hod klipa.

Dužina kraka radilice (crankshaft lever arm - throw).

Ukupna zapremina vazduha koja se izbaci u toku ciklusa.

Odnos kompresije (zapremina pri BDC i TDC).

Oblik komore za sagorevanje, bregaste osovine, veličinausisnih i izduvnih velntila.

Tajming ventila.

Promenljive - variableVeličine koje se menjaju, ili mogu biti menjane, u tokurada motora od strane kontrolnog sistema.

Protok vazduha (mass air flow).

Protok goriva (fuel flow rate).

Tajming aktiviranja varnica (spark timing).

Snaga motora.

Pritisak u usisnoj grani (intake manifold pressure).

Ulazne veličine u kontroler

Senzor položaja leptira –Throttle position sensor (TPS) Protok vazduha – Mass air flow rate (MAF)Temperatura motora (rashladne tečnosti) – coolant temperature (CT)Brzina obrtaja motora i ugaona pozicija (RPM)Položaj ventila za recirkulaciju izduvnih gasova (EGR)Koncentracija kiseonika u izduvnim gasovima (EGO)

Izlazne veličine iz kontrolera

Kontrola potrošnje goriva –Fuel mettering control Kontrola paljenja – Ingation controlTajming paljenja – Ignation timingKontrola recirkulacije izduvnih gasova

Definicija osnovnih osobina (performansi) motora

SnagaMera sposobnosti motora da izvrši neki koristan rad – brzinakojom motor izvrši neki rad.1 kS = 0.746 kW.Zavisnost od RPM i ugla leptira – TP.Brake power Pb - izmerena snaga na pogonskim točkovima.Gubici usled trenja.

PotrošnjaMera ekonomičnosti motoraUslovi merenja: konstantno opterećenje dinamometrom ikonstantna brzina (RPM).

Utrošena količine goriva – rf (kg/h)

Snaga – Pb = RPM*Tq/9549.27

BSFC – Brake specific fuel consuptionb

f

Pr

BFSC

Energetska gustina goriva, heating value.

Benzinski motor: BSFC = 322 g/kWh, prosečna efikasnost 25%Dizil motor: BSFC = 256 g/kWh, prosečna efikasnost 32%

Maksimalna efikasnost pri 2000 RPM i unthrottled intake airBM: 256 g/kWh, 32%DM: 199 g/kWh, 42%

Obrtni momentSila koja obrće radilicu NmFunkcija RPM

Volumetrijska efikasnost

Koliko dobro motor funkcioniše kao pumpa

Odnos (procentualni) zapremine goriva i vazduha koje ulazi u cilindre u toku usisavanja i zapremine cilindara u statičkim uslovima.

Motori sa indukovanim pritiskom u usisnoj komori (veći od atm.)

Povećanje Vol efikasnosti:Veći broj ventilaUsmeravanje vazduha i goriva (porting)Sleeve ventili

Engine displacementTotal volume of air/fuel mixture an engine can draw in during one complete engine cycle;it is normally stated in cubic centimetres, litres or cubic inches.In a piston engine, this is the volume that is swept as the pistons are moved from TDC BDC.

Termička efikasnostPrikazuje mehaničku energiju vozila relativno u odnosuna energiju sadržanu u gorivu.

35% - hlađenje i zagrevanje ulja40% - nesagorelo gorivo i zagrevanje izduvnih gasova5% - trenje

20% - korisne energije

Podešavanje motora (Calibration)Podešavanje smeše i paljenja.

Mapiranje motora

Neophodnost poznavanja objekta kontrole.

Proces snimanja karakteristika – mapiranje.

Izrada matematičkog modela koji objašnjava uticaj svake merenepromenljive i parametra na performanse motora.

Zadatak projektanta sistema za kontroluIzbor konfiguracijeIzbor promenljivihIzbor strategije kontroleUklapanje u okvire cena, kvalitet, pouzdanost

Uticaj na moment, snagu i izduvne gasove.Prikaz u BS obliku (brake specific form)Posebna vrednost odnosa vazduh:gorivo = 14.7:1 Stoichiometric mixture - Hemijski korektna (H, C -> H2O, CO2)

Uticaj smeše vazduh/gorivo na performanse

Ekvivalentni odnostrystoichiomegorivovazduh

gorivovazduh)/(

)/(

Bogata smeša, <1Siromašna smeša, >1

Spark advance – pretpaljenje - trenutak iniciranja varnice pre dostizanjaTDC iskazan u stepenima obrtanja radilice relativno u odnosu na TDC.

Uticaj tajminga paljenja na performanse

NOx i HC rastu sa povećanjem pretpaljenjaZavisnost BSFC i momenta.Maksimalni moment u tački MBT (minimum advance for best timing)Zavisnost optimalnog tajminga u funkciji RPM

EGR – exhaust gas recirculationZnačajno smanjenje koncentracije NOx sa povećanjem EGR

Uticaj recirkulacije izduvnih gasova na performanse

Povećanje EGR smanjuje temperaturu sagorevanja što dovodi dosmanjenja koncentracije NOx

Povećanje koncentracije HC manje od smanjenja NOx !

Nitric oxideNO

Nitrogen dioxideNO2

Nitrous oxideN2O

Dinitrogen trioxideN2O3

Dinitrogen tetroxide

N2O4

Dinitrogen pentoxideN0O5

Struktura NOx

Otežava astmatična stanjaPojava kiselih kiša

Regulacija izduvnih gasova

Cilj: Redukcija neželjenih izduvnih gasova uz postizanje boljihperformansi motora.

Katalitički konvertor – katalizatorOksidacija hidrokarbonata u ugljen dioksid i voduOksidacija CO u CO2

Razlaganje NOx u azot (N2) i kiseonik (O2)

Oksidacioni katalizator

Povećanje brzine hemijske reakcije koja započinje u cilindrima

Oksidacija HC i CO u H2O i CO2

Dodavanje kiseonika (secondary air) u izduvne gasove pomoću pumpe

Efikasnost katalizatora

i

oc M

Mn

carbon monoxide (CO), non-methane hydrocarbons (NMHC), volatile organic compounds (VOC), formaldehyde (CH2O)

Carbon Monoxide CO + ½ O2 -> CO2 (1)Hydrocarbons CmHn + (m + n/4) O2 -> m CO2 + n/2 H2O (2)Aldehydes, Ketones, etc. CmHnO + (m + n/4 - 0.5) O2 -> m CO2 + n/2 H2O (3)Hydrogen H2 + ½O2 -> H2O (4)

Zavisnost efikasnosti konverzije od temperature

Trostruki katalizator

TWC – Three-Way CatalystSastav: Platina, paladium i rodijumRedukcija NOx, vrši oksidaciju HC i CO.Efikasnost zavisi od smeše vazduh/gorivo.Mali opseg efikasnosti (0.1).Na rad katalizatora veoma negativno utiče sadržaj olova u gorivu.Primarna funkcija kontrolnog sistema – precizno određivanje smeše

Funkcije:1. Tačno određivanje masenog protoka vazduha u motor.2. Regulacija dotoka goriva tako da važi odnos 14.7.

1. Throttle position sensor (TPS)2. Mass air flow sensor (MAF)3. Fuel injectors (FI)4. Ignition systems (IGN)5. Exhaust gas oxygen sensor (EGO)6. Engine coolant sensor (ECS)7. Engine position sensor (EPS)

Elektronska kontrola snabdevanja gorivom

Elektronska kontrola snabdevanja gorivom

Kontrolna sekvenca

Startovanje motora.Obogaćena smeša – zavisnost od temperature motora.

Rad u otvorenoj petlji do zagrevanja motora.Temperatura, količina vazduha (MAF senzor) i RPM.

Izračunavanje količine goriva i ubrizgavanje.Za vrlo hladan motor =2 (rfa=0.5)

Sagorevanje u cilindrima

Izbacivanje sagorelih gasova preko EGO senzora i TWC.

Nakon dostizanja radne temperature EGO senzora započinjeRad u zatvorenoj petlji

Rad u zatvorenoj petljiKorekcija izračunate vrednosti smeše na osnovu imerene vrednostisa EGO senzora.

Otvaranje usisnog ventila na cilindru i ventila za ubrizgavanje (injector)

Kašnjenje u odzivu lamda sonde – 0.1 do 0.2 sekunde.

Rad u On/Off režimu – limit cycle controler

Regulacija vremena otvorenosti ventila za ubrizgavanje goriva.Izlaz EGO senzora i promena vremena otvorinosti ventila.Aktiviranje ventila nezavisno od rada kontrolera.Rad katalizatora reguliše srednju vrednost smeše.

“Frekvencija” i “devijacija” kontrolera goriva

Oscilatorno ponašanje On-Off kontrolera, dve granične vrednosti.

Transportno kašnjenje Td (Transport delay) – Vreme potrebno da EGOsenzor oseti promenu.

Veća brzina motora – manje transportno kašnjenje.

Frekvencija oscilacija signala na sondip

L Tf 1

Devijacija odnosa smešeOscilovanje zmeđu dvevrednosti smeše maksimalnei minimalne (+/-1).

Srednja vrednost smeše +/-0.05

Analiza pritiska u usisnoj komoriMerenje mase vazduha (mass air flow rate) koja utiče u usisnu komoru.

Maksimalna vrednost pritiska u komori – atmosverski pritisak(supercharged motori)

Idealna pumpa – vakuum pri potpuno zatvorenom leptiru.Usisavanje svakog cilindra jednom u dva obrtaja radilice.Frekvencija promene pritiska u komori

120RPMNf p

Manifold Absolute Preasure (MAP) depends ob throttle plate position

Promena pritiska u usisnoj komori

Jedna metoda filtriranja pritiska – spoj MAP senzora preko uzane ceviMerenje mase vazduha teško izvodljivo.Dve metode merenja masenog protoka vazduha

Direktno merenje brzine protoka (direct measurement of mass air flow rate)Indirekton Speed-Densitz Method

Speed-Density metoda

Za datu zapreminu V,Specifični pritisak p, iTemperaturu T

Gustina vazduha je odnos masei zapremine vazduha.

VdMVMd aa

aa ;

Proširenje koncepta na vazduh koji se kreće kroz uniformnu cev i prolazi kroz referentnu tačku za određeno vreme - volume flow rate

Mass flow rate = proizvod volume flow rate i gustine vazduha

Ako su definisaneRm = mass flow rate of air flowing through the intake manifoldRv = volume flow rate of air flowing through the intake manifoldda = air density in the intake manifold

Tada je: Rm = Rvda

Gustina vazduha u usisnoj komori određena na osnovu apsolutnog pritiska i temperature.

Apsolutni pritisak u usisnoj komori definišu: spoljni pritisak,pložaj leptira, RPM, oblik i veličina komore.

Temperaturu u komori definišu: spoljna temperatura i razlika pritiska.

Gustina vazduha na osnovu fizičkih zakona koji važe za idealne gasove.

ia T

Tppdd 0

00

Standardni uslovi.

nt)displaceme (engine motora zapremina rate flow c volumetri

260

DR

DRPMR

v

v

Za idealni motor, sa poznatim D i Rv merenjem RPM !

Za realni motor, nv – volumetrijska efikasnost

vv nDRPMR

260

Tabele efikasnosti motora za sve uslove rada.

Uticaj EGR

Prava vrednost volumetrijskog protoka Ra EGRva RRR

EGRvv RnDRPMR

260

aam dRR

stoichiometric mass flow rate za gorivo:7.14m

fmRR

Sva izračunavanja moraju biti izvedena najmanje jednom za svakopaljenje u cilindru.

Paljenje

Generisanje varnice koja pali smešu u cilindru.Optimalno pretpaljenje funkcija MAP, RPM i temperature.Merenje pozicija motora.Distributorless ignition system.