XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004 113 Setting up Spark Ignition Engine Control Unit Nastavování řídicích jednotek zážehových motorů automobilů JURÁK, Michal Ing., Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33 jurak@brazdil.com Abstrakt: Tento příspěvek se zabývá problematikou nastavování řídicích jednotek zážehových motorů automobilů. V práci je popsána problematika nastavování jednotlivých korekcí, součástí motoru a vlivu nastavení množství paliva a předstihu zážehu na výkon. Výkon, spotřeba i emisní limity jsou důležité veličiny u každého spalovacího motoru. Proto je nejdůležitější veličinou, která se musí určit u každého motoru množství vzduchu nasátého motorem. Čím přesněji se toto množství určí, tím dosáhne motor lepších parametrů. Určování množství nasátého vzduchu je problém hlavně v přechodovém režimu, kdy se metody liší rozdílem až 40%. V práci je ukázáno porovnání systému Alfa-N a Speed-density pro motor ŠKODA Fabia 1.4 v přechodovém režimu na brzdě. Klíčová slova: zážehový motor, nastavování, elektronika 1 Úvod Přestože se nedávné době zdálo, že vývoj klasického zážehového spalovacího motoru již vyčerpal všechny možnosti a jsou téměř na denním pořádku důkazy, že tomu tak není. Nové a nové konstrukce však otevírají jeho další perspektivy. V současné době se nejvíce prosazují elektronické soustavy řízení motoru, přímé vstřikování paliva nebo rozvody s proměnným časováním. Cílem všech těchto metod je zvyšování účinnosti zážehového motoru a jeho výkonových parametrů a na druhé straně snižování spotřeby paliva. V dnešní době, kdy jsou emisní limity výfukových plynů stlačovány dolů a všichni výrobci se snaží dosahovat co nejlepších výkonových parametrů, si již nelze řízení zážehových motorů bez přesnosti řídicích jednotek představit. 2 Návrh a vyzkoušení řídicího algoritmu Pro testování byl zvolen motor z vozidla ŠKODA Fabia a 1.4 MPi 50kW. Tento motor byl zvolen z důvodu snadné dostupnosti a jednoduchosti. Výkon, spotřeba i emisní limity jsou důležité veličiny u každého spalovacího motoru. Proto je nejdůležitější veličinou, která se musí určit u každého motoru množství vzduchu nasátého motorem. Čím přesněji se toto množství určí, tím dosáhne motor lepších parametrů. Určování množství nasátého vzduchu je problém hlavně v přechodovém režimu, kdy se metody liší rozdílem až 40%. Na Obr. 1 je ukázáno porovnání systému Alfa-N a Speed-density pro motor ŠKODA Fabia 1.4 v přechodovém režimu na brzdě (skok škrticí klapky z 5% na 50% a opačně). Na tomto obrázku je patrný rozdíl v rychlosti obou metod. Kroutící moment motoru (resp. i výkon) je závislý na množství vzduchu nasátého motorem a také dodání odpovídajícího přesného množství paliva, tak aby byl dosažen vhodný směšovací poměr vzduch/palivo (stechiometrický poměr). Při hodnotě poměru vzduch/palivo 14.7 (l = 1) je nejlepší kompromis spalovaní a emisí. U závodních automobilů, kde emisní
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004 114 limity ustupují do pozadí se stechiometrický poměr snižuje k hodnotě 0.9, při kterých motor dosahuje nejlepších výkonových parametrů. Pro určování množství vzduchu nasátého motorem se používají 3 metody: 1. Air-mass senzor (množství vzduchu určuje pomocí speciálního senzoru) 2. Alpha-N (množství vzduchu určuje z natočení škrticí klapky, otáček motoru a teploty vzduchu) 3. Speed-density (množství vzduchu určuje ze sacího tlaku, otáček motoru a teploty vzduchu) Obr. 1 Porovnání metod určování množství vzduchu v přechodovém režimu Air-mass senzor Množství vzduchu se určuje z ochlazování žhaveného drátu (nejčastěji Pt), který je umístěn v sacím potrubí. Tato metoda je velice přesná a rychlá. Velkou nevýhodou této metody je malá životnost tohoto snímače (a tedy nespolehlivost). Alpha N Metoda Alpha-N používá pro určení množství vzduchu úhel natočení škrticí klapky, otáčky motoru a teplotu vzduchu. Vychází z rovnic proudění vzduchu přes dýzu. Tato metoda určuje množství vzduchu přesně v přechodovém režimu (viz obr. 14). Proto se tato metoda používá často u závodních vozů. Speed-density Speed-density metoda vypočítává pro určení množství vzduchu změnu sacího tlaku. Z této změny vypočítává hustotu vzduchu v sacím potrubí. Z hustoty vzduchu, otáček motoru a teploty vzduchu se vypočítává množství vzduchu nasáté motorem. Tato metoda je méně přesná v přechodovém režimu (viz. obr. 14) nepopisuje přesně rezonanční efekt v sání, protože se vychází se změny tlaku v sacím potrubí a ta není příliš rychlá. 3 Vliv jednotlivých nastavení řídicí jednotky motoru Hlavním problémem u řídicích jednotek zážehových motorů je v nastavení množství vstříknutého paliva a předstihu zážehu, ale také jednotlivých korekcí podle snímačů, aby motor pracoval při všech okolních podmínkách správně. V této kapitole ukáži postup a hodnoty nastavení pro zvolený motor ŠKODA Fabia 1.4 50 kw. Všechny tyto korekce vycházejí z termomechaniky a byly ověřeny na motorové brzdě a v reálném voze. Nastavení korekcí pro množství vstříknutého paliva Korekce množství vstříknutého paliva rozdělujeme na aditivní, multiplikativní a akcelerační obohacení. Tyto korekce slouží k přesnému dávkování pro cílovou lambdu (poměr vzduch/palivo). Výsledná korekce je dána vynásobením multiplikativními korekcemi a přičtením všech aditivních korekcí. korekce podle napětí baterie Tato korekce je důležitá, protože napětí baterie kolísá. Aby množství vstříknutého paliva bylo pouze funkcí doby vstřiku (podle napětí se nadzvedne jehla).
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004 115 Obr. 2 Korekce množství vstříknutého paliva podle napětí baterie korekce podle teploty nasávaného vzduchu Tato korekce je důležitá z hlediska přesného určení množství nasátého vzduchu, protože množství nasátého vzduchu je funkcí teploty, tlaku a polohy klapky. Obr. 3 Korekce množství vstříknutého paliva podle teploty vzduchu korekce podle tlaku nasávaného vzduchu Tato korekce je důležitá z hlediska přesného určení množství nasátého vzduchu, protože množství nasátého vzduchu je funkcí teploty, tlaku a polohy klapky. Tvar korekce v počátku a konci hodnot je takový, aby při poruše snímače systém pracoval ve správném rozsahu. Obr. 4 Korekce množství vstříknutého paliva podle tlaku nasávaného vzduchu korekce podle teploty chladící kapaliny Tato korekce se přivádí zde z důvodu obohacení směsi při nízkých teplotách chladící kapaliny, protože při nízkých teplotách vstříknuté palivo kondenzuje na stěnách sacího potrubí
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004 116 Obr. 5 Korekce množství vstříknutého paliva podle teploty chladicí kapaliny Nastavení korekcí předstih zážehu Korekce předstihu zážehu rozdělujeme také na aditivní, multiplikativní Tyto korekce slouží k přesnému výpočtu předstihu zážehu. Výsledná korekce je dána vynásobením multiplikativními korekcemi a přičtením všech aditivních korekcí. Typy těchto korekcí jsou podobné jako u vstřikování paliva. Přibývá zde pouze 1 parametr navíc a to korekce doby nabíjení zapalovací cívky. Korekce doby nabíjení zapalovací cívky Tato korekce slouží pro dodržení konstantní energie dodané zapalovací svíčce v jakémkoliv režimu práce motoru. Tato doba nabíjení je korigovaná pouze podle napětí, protože proud do cívky musí být konstantní. Obr. 6 Korekce doby nabíjení podle napětí baterie 4 Výsledky testování Obr. 7 Testovaný motor na brzdě
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004 117 Porovnání nastaveného motoru se sériovým vzduchovým filtrem a filtrem KN 5 4 3 sériový filtr 1 filtr KN 13 1 11 10 9 8 sériový filtr 7 filtr KN Obr. 8 Porovnání výkonových parametrů motoru při různých vzduchových filtrech Na tomto porovnání můžeme vidět rozdíl v parametrech motoru se sériovým a sportovním filtrem KN. U sportovního filtru je větší propustnost vzduchu a proto má motor vyšší výkonové parametry. Porovnání nastaveného motoru se sériovým výfukem a výfukem Škoda Favorit 13 1 11 10 9 8 sériový výfuk 7 výfuk Favorit 5 4 3 sériový výfuk 1 výfuk Favorit Obr. 9 Porovnání výkonových parametrů motoru při různých výfucích Na tomto porovnání můžeme vidět rozdíl v parametrech motoru se sériovým a prodlouženým výfukem (Škoda Favorit). U prodlouženého výfuku má motor vyšší výkonové parametry především ve vyšších otáčkách. Porovnání nastaveného motoru se sériovým sacím potrubím a prodlouženým sacím potrubím 14 13 1 11 10 9 8 sériové sání 7 prodloužené sání 5 4 3 sériové sání 1 prodloužené sání Obr. 10 Porovnání výkonových parametrů motoru při různých délkách sání Na tomto porovnání můžeme vidět rozdíl v parametrech motoru se sériovým a prodlouženým sacím potrubím (Škoda Favorit). U prodlouženého sacího potrubí má motor vyšší výkonové parametry především v nižších otáčkách. Tohoto přepínání délky sacího potrubí se využívá také u sériově vyráběných motorů např.(vw/audi 1.6 74kW AEH)
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004 118 Závislost výkonu motoru na součiniteli přebytku vzduchu lambda 60 50 40 30 20 10 0 0,6 0,8 1 1,2 1,4 součinitel přebytku vzduchu lambda (-) Obr. 11 Závislost výkonu motoru na nastaveném součiniteli přebytku vzduchu lambda Na tomto grafu lze vidět závislost výkonu motoru na nastaveném součiniteli přebytku vzduchu lambda. Měření se provádělo v rozsahu lambda od 0,8 do 1,3. Z přiloženého obrázku je patrno, že maximální výkon motoru je při hodnotě kolem lambda = 0,9 (podle literatury se uvádí 0,88). Závislost vnější charakteristiky motoru na nastavení řídicí jednotky 140 130 120 110 100 90 80 70 sériová sériová přeprogramovaná programovatelná 60 7 5 4 3 1 sériová přeprogramovaná sériová programovatelná Obr. 12 Porovnání vnější charakteristiky motoru na nastavení řídicí jednotky Na těchto grafech lze vidět průběhy vnější charakteristiky motoru v závislosti na verzi řídicí jednotky. K testování sloužil tentokrát novější verze motoru ŠKODA Fabia 1,4 50kW. Při nastavení se optimalizoval součinitel přebytku vzduchu na hodnotu lambda=0,88 a předstih zážehu, pro který platí, že čím větší je předstih zážehu, tím větší je výkon (platí to až do meze klepání). Byly vyzkoušeny tři verze nastavení řídicí jednotky a to: sériová jednotka (nastavená výrobcem) sériová jednotka (upravená tak, aby respektovala, všechny emisní limity, potřebné pro běžný provoz) programovatelná řídicí jednotka (nastavená na maximální výkon motoru, nebral se zde ohled na katalyzátor, nastaveno pro lambda=0,88, předstih zážehu je nastaven na maximální možnou hodnotu s bezpečností proti klepání cca 3 )
XXIX. ASR '2004 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, April 30, 2004 119 5 Závěr V této práci je popsána problematika nastavování řídicích jednotek zážehových motorů automobilů, vliv součástí motoru, vlivu nastavení množství paliva a předstihu zážehu na výkon. Prezentovaných výsledků bylo dosaženo za finanční podpory MŠMT při řešení výzkumného záměru MSM 272300009. 6 Použitá literatura BOSCH. Automotive Handbook. 5. vyd. Stuttgart: Robert Bentley, 2000. 962 s. ISBN 0-8376-0614-4. BOSCH. Gasoline-engine management. 1. vyd. Stuttgart: Robert BOSCH, 1999. 370 s. ISBN 0-7680-0510-8. Motejl, V. Vstřikovací zařízení zážehových motorů. 2. vyd. České Budějovice: KOPP, 2000. 244 s. ISBN 80-7232-040-8.