Osnove elektronske kontrole rada motora Kontrola rada motora

Osnove 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 (CO 2) i voda (H 2 O) – idealno sagorevanje. - Ugljen monoksid (CO) - Oksidi azota (NOx) - Nesagoreli hidrokabonat (HC) - Oksidi sumpora. Zakonske odredbe – tehnički pregled

Struktura kontrolnog sistema Kontrola snage motora – položaj leptira. Motor kao vakum pumpa. Direktna zavisnost masenog protoka vazduha od ugaonog položaja. Protok 6 lb/h oslobađa 1 k. S

Osnovna struktura elektronskog kontrolnog sistema

Definicija osnovnih pojmova Parametri Numerička vrednost neke veličine motora fiksirana u toku projektovanja. 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, veličina usisnih i izduvnih velntila. Tajming ventila.

Promenljive - variable Veličine koje se menjaju, ili mogu biti menjane, u toku rada 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 control Tajming paljenja – Ignation timing Kontrola recirkulacije izduvnih gasova

Definicija osnovnih osobina (performansi) motora Snaga Mera sposobnosti motora da izvrši neki koristan rad – brzina kojom motor izvrši neki rad. 1 k. S = 0. 746 k. W. Zavisnost od RPM i ugla leptira – TP. Brake power Pb - izmerena snaga na pogonskim točkovima. Gubici usled trenja.

Potrošnja Mera ekonomičnosti motora Uslovi merenja: konstantno opterećenje dinamometrom i konstantna brzina (RPM). Utrošena količine goriva – rf (kg/h) Snaga – Pb = RPM*Tq/9549. 27 BSFC – Brake specific fuel consuption Energetska gustina goriva, heating value. Benzinski motor: BSFC = 322 g/k. Wh, prosečna efikasnost 25% Dizil motor: BSFC = 256 g/k. Wh, prosečna efikasnost 32% Maksimalna efikasnost pri 2000 RPM i unthrottled intake air BM: 256 g/k. Wh, 32% DM: 199 g/k. Wh, 42%

Obrtni moment Sila koja obrće radilicu Nm Funkcija 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 ventila Usmeravanje vazduha i goriva (porting) Sleeve ventili

Engine displacement Total 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 efikasnost Prikazuje mehaničku energiju vozila relativno u odnosu na energiju sadržanu u gorivu. 35% - hlađenje i zagrevanje ulja 40% - nesagorelo gorivo i zagrevanje izduvnih gasova 5% - 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 merene promenljive i parametra na performanse motora. Zadatak projektanta sistema za kontrolu Izbor konfiguracije Izbor promenljivih Izbor strategije kontrole Uklapanje u okvire cena, kvalitet, pouzdanost

Uticaj smeše vazduh/gorivo na performanse 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 -> H 2 O, CO 2) Ekvivalentni odnos Bogata smeša, <1 Siromašna smeša, >1

Uticaj tajminga paljenja na performanse Spark advance – pretpaljenje - trenutak iniciranja varnice pre dostizanja TDC iskazan u stepenima obrtanja radilice relativno u odnosu na TDC. NOx i HC rastu sa povećanjem pretpaljenja Zavisnost BSFC i momenta. Maksimalni moment u tački MBT (minimum advance for best timing) Zavisnost optimalnog tajminga u funkciji RPM

Uticaj recirkulacije izduvnih gasova na performanse EGR – exhaust gas recirculation Značajno smanjenje koncentracije NOx sa povećanjem EGR Povećanje EGR smanjuje temperaturu sagorevanja što dovodi do smanjenja koncentracije NOx Povećanje koncentracije HC manje od smanjenja NOx !

Struktura NOx Nitric oxide NO Nitrogen dioxide NO 2 Dinitrogen trioxide N 2 O 3 Dinitrogen tetroxide N 2 O 4 Otežava astmatična stanja Pojava kiselih kiša Nitrous oxide N 2 O Dinitrogen pentoxide N 0 O 5

Regulacija izduvnih gasova Cilj: Redukcija neželjenih izduvnih gasova uz postizanje boljih performansi motora. Katalitički konvertor – katalizator Oksidacija hidrokarbonata u ugljen dioksid i vodu Oksidacija CO u CO 2 Razlaganje NOx u azot (N 2) i kiseonik (O 2)

Oksidacioni katalizator Povećanje brzine hemijske reakcije koja započinje u cilindrima Oksidacija HC i CO u H 2 O i CO 2 Dodavanje kiseonika (secondary air) u izduvne gasove pomoću pumpe Efikasnost katalizatora

carbon monoxide (CO), non-methane hydrocarbons (NMHC), volatile organic compounds (VOC), formaldehyde (CH 2 O) Carbon Monoxide Hydrocarbons Aldehydes, Ketones, etc. Hydrogen CO + ½ O 2 -> CO 2 Cm. Hn + (m + n/4) O 2 -> m CO 2 + n/2 H 2 O Cm. Hn. O + (m + n/4 - 0. 5) O 2 -> m CO 2 + n/2 H 2 O H 2 + ½O 2 -> H 2 O (1) (2) (3) (4)

Zavisnost efikasnosti konverzije od temperature

Trostruki katalizator TWC – Three-Way Catalyst Sastav: Platina, paladium i rodijum Redukcija 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

Elektronska kontrola snabdevanja gorivom 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

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 započinje Rad u zatvorenoj petlji

Rad u zatvorenoj petlji Korekcija izračunate vrednosti smeše na osnovu imerene vrednosti sa 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 EGO senzor oseti promenu. Veća brzina motora – manje transportno kašnjenje. Frekvencija oscilacija signala na sondi Devijacija odnosa smeše Oscilovanje zmeđu dve vrednosti smeše maksimalne i minimalne (+/-1). Srednja vrednost smeše +/-0. 05

Analiza pritiska u usisnoj komori Merenje mase vazduha (mass air flow rate) koja utiče u usisnu komoru. Manifold Absolute Preasure (MAP) depends ob throttle plate position 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

Promena pritiska u usisnoj komori Jedna metoda filtriranja pritiska – spoj MAP senzora preko uzane cevi Merenje 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, i Temperaturu T Gustina vazduha je odnos mase i zapremine vazduha. 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 definisane Rm = mass flow rate of air flowing through the intake manifold Rv = volume flow rate of air flowing through the intake manifold da = 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. Standardni uslovi.

Za idealni motor, sa poznatim D i Rv merenjem RPM ! Za realni motor, nv – volumetrijska efikasnost Tabele efikasnosti motora za sve uslove rada.

Uticaj EGR Prava vrednost volumetrijskog protoka Ra stoichiometric mass flow rate za gorivo: Sva izračunavanja moraju biti izvedena najmanje jednom za svako paljenje u cilindru.

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