XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 147 Using Hardware-in-the-loop simulation for set up spark ignition engine control unit JURÁK, Michal Ing., Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, Ostrava - Poruba, 708 33, michal.jurak@seznam.cz Abstrakt: Tato práce se zabývá problematikou nastavování řídicích jednotek zážehových motorů automobilů za použití metody hardware-in-the-loop simulation. Model je vytvořen v programu MATLAB/SIMULINK. Model je založen na analýze motoru popsané v literatuře [Weeks, R.W. & Moskwa, J.J.]. Všechna data použitá v tomto modelu jsou z automobilu ŠKODA Fabia 1.4 50kW. Dynamika motoru je založena na hmotové bilanci vzduchu v prostoru sacího potrubí a pohybové rovnici klikového hřídele. Tento model je odvozen pro čtyřtaktní motor jako model se soustředěnými parametry. Model v MATLAB/SIMULINK komunikuje s řídicí jednotkou motoru prostřednictvím multifunkční karty MF 604. Hardware-in-the-loop simulation je velmi výhodný prostředek pro vývoj řídicí jednotky motoru, protože je to zařízení je poměrně levné a výkonné. Klíčová slova: spalovací motor, řídicí jednotka, nastavování, model 1 Řídicí systémy zážehových motorů automobilů Zážehový motor je spalovací motor z cizím zapalováním, který energii obsaženou v palivu převádí na energii pohybovou. U zážehového motoru je směs paliva se vzduchem vytvářena vstřikovací soustavou mimo spalovací prostor. Nasávaná směs proudí do spalovacího prostoru, kde je během pohybu pístu nahoru stlačena. Zapalovací svíčky zapálí směs s pomocí časově řízeného zapalování. Uvolněná energie, určená výhřevností směsi, zvýší tlak ve válci a píst spojený s klikovým hřídelem, se vlivem odevzdané energie pohybuje dolů. Po každém hoření jsou spálené plyny z válce vytlačeny a nasává se čerstvá směs paliva a vzduchu. Tato výměna plynu probíhá u spalovacích motorů automobilů především podle principu čtyřdobého motoru, to znamená, že 1 cyklu odpovídají 2 otáčky. 2 Příprava směsi Zážehový motor potřebuje ke svému provozu určitý poměr vzduchu a paliva. Ideální teoretické spalování nastává při poměru 14,7 kg vzduchu : 1 kg paliva. Tento poměr bývá označován jako stechiometrický poměr. Různé provozní stavy vyžadují určité korekce složení směsi. Měrná spotřeba zážehového motoru je značně závislá na směšovacím poměru vzduchu a paliva. Pro reálné úplné spalování a tím také pro co nejmenší spotřebu je nutný přebytek vzduchu, jehož hranice je určena zejména zápalností směsi a použitelnou dobou hoření. U dnešních používaných motorů je nejnižší spotřeba paliva při poměru vzduchu vzduchu a paliva 15 18 kg vzduchu na 1 kg paliva. Protože motory vozidel jsou většinu času provozovány v oblasti částečného zatížení, jsou konstrukčně dimenzovány tak, aby v této oblasti dosáhly nejnižší spotřeby. Pro ostatní režimy, jako například plné zatížení a volnoběh, je vhodnější směs bohatší na palivo. Systémy přípravy směsi musí být proto navrženy tak, aby byly schopny splňovat tyto variabilní požadavky.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 148 Součinitel přebytku vzduchu Pro rozpoznání jak hodně se odlišuje skutečný poměr vzduchu a paliva od ideálního (14,7:1) je používán součinitel přebytku vzduchu (lambda). Tento součinitel λ je definován jako poměr skutečně přivedeného množství vzduchu / hmotnost vzduchu potřebná pro stechiometrické spalování. Je-li λ = 1 skutečně přivedená hmotnost odpovídá skutečné spotřebě. Při tomto režimu se dosahuje bezproblémového volnoběhu. Je-li λ < 1 nedostatek vzduchu = bohatá směs. Nejvyššího výkonu se dosahuje při λ = 0,85 až 0,95. Je-li λ > 1 přebytek vzduchu = chudá směs, při λ = 1,05 1,3. Při této hodnotě lze pozorovat snižování spotřeby paliva a snižování výkonu. Nejnižší spotřeby se dosahuje při přebytku vzduchu λ = 1,1 1,2. Obrázek 1 Vliv součinitele přebytku vzduchu na exhalace Obrázek 2 Vliv součinitele přebytku vzduchu na spotřebu a výkon Na obrázcích 1 a 2 je znázorněna závislost výkonu, měrné spotřeby paliva a složením emisí na součiniteli přebytku vzduchu λ. Z těchto obrázků je patrné, že neexistuje ideální hodnota součinitele přebytku vzduchu, při kterém dosahují všechny faktory nejpříznivějších hodnot. Při použití třícestného katalyzátoru je bezpodmínečně nutné udržet udržet součinitel přebytku vzduchu na hodnotě λ = 1. Aby tohoto bylo dosaženo, je třeba přesně změřit množství vzduchu nasátého motorem a přesně dávkovat množství vstříknutého paliva. Mimo přesné dávkování je pro průběh spalování také důležitá homogenní směs. Pro vytvoření homogenní směsi je nutné dobré rozprášení paliva. Pokud není toto splněno, usazují se velké kapičky paliva na stěnách sacího potrubí, což vede ke zvýšení emisí HC. Přizpůsobení provozním stavům V některých provozních stavech se potřeba paliva velice odlišuje od stacionární potřeby zahřátého motoru. V takových případech je nutný korekční zásah do přípravy směsi. Studený start U studeného motoru je směs vzduchu a paliva ochuzována, z důvodu nedostatečného promíchání nasátého vzduchu a paliva, nízkého odpaření paliva a srážení paliva na stěnách vlivem nízkých teplot. Pro vyrovnání těchto rozdílů a usnadnění nastartování studeného motoru, je třeba v okamžiku startu přivést více paliva.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 149 Fáze po startu Po startu je za nízkých teplot nutno krátkodobě obohatit směs s palivem, až dokud nedojde zvýšením teplot ve spalovacím prostoru k zlepšení přípravy směsi ve válci. Dodatečně se díky bohatší směsi dosáhne také vyššího točivého momentu a tím lepšího přechodu na volnoběžné otáčky. Fáze zahřívání Po nastartování a fázi po startu potřebuje motor bohatší směs, protože část paliva kondenzuje na stěnách válců, které jsou příliš studené. Protože je kvalita přípravy směsi s klesající teplotou horší (např. z důvodu menšího promísení vzduchu a paliva a také kvůli větším kapičkám paliva), dochází v sacím potrubí ke srážení paliva, které se vypaří až při vyšších teplotách. Z těchto důvodů s klesající teplotou vzrůstá obohacení. Částečné zatížení Při částečném zatížení je důležité naladění směsi na minimální spotřebu. Pro splnění přísných emisních limitů je při nasazení třícestných katalyzátorů potřebné naladění na λ = 1. Plné zatížení Při plně otevřené škrticí klapce musí motor odevzdat nejvyšší točivý moment, případně nejvyšší výkon. Jak je zřejmé z obr.2 musí být v tomto případě směs paliva se vzduchem obohacena na 0,85-0,9. Zrychlení Při rychlém otevření škrticí klapky dochází ke krátkodobému ochuzení směsi v důsledku omezeného odpařování paliva vlivem většího tlaku v sacím potrubí (silnější tvorba filmu na stěnách). Aby bylo dosaženo dobrého chování při přechodu, je zapotřebí obohacení směsi, které je závislé na teplotě motoru. S tímto obohacení lze dosáhnout dobrého chování při zrychlení. Decelerace Přerušením dodávky paliva při deceleraci je možné snížit spotřebu paliva při jízdě z kopce a při každém brždění. V těchto režimech navíc nedochází k tvorbě škodlivých látek ve spalinách. Přizpůsobení směsi ve vyšších polohách S rostoucí nadmořskou výškou klesá hustota vzduchu. To znamená, že stejné množství vzduchu nasáté motorem ve vyšších výškách má menší hmotnost než v nížinách. Pokud nebude tato skutečnost zohledněna při přípravě směsi, dojde ve vyšších polohách k nadměrnému obohacení, které povede k vyšší spotřebě paliva a vyšší produkci škodlivin. Systémy přípravy směsi Úkolem karburátoru nebo vstřikovacího systému je připravit v každém provozním stavu motoru co možná nejlepší přizpůsobenou směs vzduchu a paliva. Vstřikování umožňuje přesné odměřování paliva v závislosti na provozním stavu motoru při zohlednění okolních podmínek. Složení směsi je řízeno tak, aby byl podíl škodlivin ve výfukových plynech nízký. Dnes se používají již téměř výhradně vícebodové systémy vstřikování směsi. U těchto systémů je každému válci přiřazen jeden vstřikovací ventil, který vstřikuje palivo přímo před sací ventil příslušného válce. Výhody vstřikování: nižší spotřeba paliva, vyšší výkon a točivý moment, zrychlení bez prodlevy, zlepšení studených startů a fáze zahřívání, spaliny s nižším obsahem škodlivin atd. 3 Zapalování Úkolem zapalování je zapálit stlačenou směs vzduchu a paliva ve správný okamžik. U zážehového motoru je to prováděno elektrickou jiskrou, tzn. krátkodobým elektrickým výbojem mezi elektrodami zapalovací svíčky. Správně fungující je předpokladem bezvadné funkce katalyzátoru.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 150 Požadavky na zapalování Pro zapálení směsi vzduchu a paliva je třeba energie asi 0,2 mj, pokud je směs ve stechiometrickém poměru. Bohaté a chudé směsi potřebují k zapálení energii přes 3 mj. Tato energie je jen zlomkem celkové energie jiskry (zapalovací energie). Je-li k dispozici příliš málo energie nedojde k zapálení směsi a dojde k tzv. vynechání motoru. Proto musí být v každém provozním stavu připraveno dostatečné množství energie, schopné zapálit směs. K zapálení stačí, když je v blízkosti jiskry malá vrstva směsi schopna zapálení. Zapálená vrstva směsi rozšíří hoření do ostatní směsi. Správná příprava a přístup směsi k elektrické jiskře zlepšují její zápalnost, stejně jako doba trvání přeskoku jiskry, její délka a vzdálenost elektrod. Poloha a délka jiskry je dána konstrukcí svíčky. Doba trvání přeskoku jiskry je dána typem a dimenzování zapalovací soustavy a momentálními zapalovacími poměry. Vznik jiskry Jiskra může přeskočit z jedné elektrody na druhou pouze v případě, je-li k dispozici dostatečně vysoké napětí. V okamžiku bodu zážehu stoupá napětí na elektrodách zapalovací svíčky od nuly skokově až je dosaženo hodnoty přeskokového napětí (zapalovací napětí) viz. Obr. 3. Jakmile přeskočí jiskra, klesne napětí na zapalovací svíčce na napětí hoření. V průběhu hoření zapalovací jiskry (doba trvání jiskry) má směs příležitost k zapálení a poté kmitavě klesne na nulu. Žádoucí silná turbulence směsi může vést ke sfouknutí jiskry. Energie akumulovaná v zapalovací svíčce má proto stačit jednu nebo více následných jisker. Obrázek 3 Časový průběh napětí na zapalovací svíčce při klidné nebo mírně se pohybující směsi Tvorba vysokého napětí a akumulace energie Vysoké napětí potřebné pro zapalovací jiskru je u akumulátorových zapalování připravována vysokou transformací v zapalovací cívce. Ta má u cívkových zapalování ještě další důležitou funkci a to akumulovat zapalovací energii. Zapalovací cívky jsou takové konstrukce, že vytvářené vysoké napětí daleko přesahuje největší potřebné zapalovací napětí. Zapalovací napětí dosahuje hodnot 25-30 kv při akumulované energii 60-120 mj. Bod zážehu a jeho přestavování Od okamžiku zapálení směsi do úplného prohoření směsi uběhnou asi 2 ms. Při stejném složení směsi zůstává tento tento čas konstantní. Zapalovací jiskra musí proto přeskočit s takovým předstihem, aby byl spalovací tlak při všech provozních stavech optimální. Bod zážehu se obvykle vztahuje k poloze klikového hřídele od horní úvrati a uvádět ho ve stupních před HÚ. Tento úhel se nazývá úhel zážehu (předstih). Posouvání bodu zážehu od HÚ proti směru otáčení klikového hřídele se předstih zvětšuje, v opačném směru se předstih zmenšuje. Bod zážehu musí být zvolen tak, aby byly splněny následující požadavky: maximální výkon motoru nízká spotřeba paliva vyloučení klepání motoru čistější spaliny.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 151 Tyto požadavky nelze splnit najednou a proto se musí volit kompromisy. Momentálně nejvýhodnější bod zážehu je závislý na otáčkách motoru, zatížení motoru, konstrukci motoru, palivu a provozním stavu (startování, volnoběh, plný výkon, decelerace apod. ). Základní nastavení předstihu na okamžitý provozní stav motoru je odvozeno z otáček a zatížení motoru. Používané vysoké kompresní poměry zážehových motorů přináší velké riziko klepání vůči dříve používaným nižších poměrů. Klepání motoru je způsobeno nárazovým spalování části směsi, kdy je nastaven příliš velký předstih. Klepání motoru má za následek zvýšení teploty spalovacího prostoru, může docházet k samozápalům a prudkým nárůstům spalovacích tlaků. Rozlišují se dva druhy klepání: zrychlující klepání při nízkých otáčkách a vysokém výkonu (slyšitelné klepání) vysokootáčkové klepání při vysokých otáčkách a vysokém výkonu Vysokootáčkové klepání je pro motor velmi nebezpečné, protože vlivem hlučnosti motoru je téměř neslyšitelné. Nekontrolované klepání způsobuje vážné poškození motoru (zničení těsnění pod hlavou, propálený píst, poškození ložisek). Sklon ke klepání je dán mimo jiné konstrukcí motoru (např. tvarem spalovacího prostoru, rovnoměrnou přípravou směsi, aerodynamickými sacími kanály) a kvalitou paliva. Obrázek 4 Průběh tlaku ve spalovacím prostoru pro různé předstihy Obrázek 5 Vliv součinitele přebytku vzduchu a předstihu na spotřebu Závislost specifické spotřeby paliva na poměru vzduchu při určitém optimálním předstihu lze vysvětlit tak, že spalování, v oblasti bohaté směsi s přebytkem vzduchu, probíhá nedokonale. Naopak při chudé směsi dochází v souvislosti s hranicí zapalitelnosti, k vynechání motoru a tím ke zvýšení spotřeby. Při stoupajícím poměru vzduchu se snižuje rychlost hoření a směs musí být zapálena dříve. Na obr. 6. lze vidět průběhy závislosti škodlivin na součiniteli přebytku vzduchu a předstihu. Obrázek 6 Vliv součinitele přebytku vzduchu λ a předstihu α z na emise škodlivin
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 152 Pro koncepce s třícestným katalyzátorem je nutno složení směsi udržovat na hodnotě λ = 1, nastavení předstihu je pouze optimalizačním kritériem. 4 Metoda Hardware-in-the-loop simulation Metoda hardware-in-the-loop simulation se v dnešní době stává standardním nástrojem pro vývoj řídicích jednotek automobilů. Jednotlivé jednotky nebo i celé vozidlo lze nahradit simulačním matematickým modelem počítaným v reálném čase za použití malých a výkonných počítačových systémů. Ostatní jednotky nebo komponenty, které chceme testovat nebo chceme zkoušet jejich nastavení, jsou zapojeny do simulace v uzavřené smyčce. + _ řídicí systém řídicí systém DSP + I/O Obrázek 7 Schéma Hardware-in-the-loop simulation Při hardware-in-the-loop simulation testování řídicí jednotky musí být model vytvořený v počítači spuštěn v reálném čase. V tomto případě není možná žádná transformace času, protože řídicí jednotka kontroluje hodnoty vstupů ze snímačů. Z těchto signálů vypočítává další údaje, které slouží pro rozhodování o chybových hlášeních. Například podle signálu z čidla otáček je jednotka schopna zjistit, zda došlo k zapálení směsi. 5 Zařízení pro nastavování řídicích jednotek Pro nastavování řídicí jednotky metodou hardware-in-the-loop simulation bylo vytvořeno pracoviště, které je vybaveno programovatelnou jednotkou MICHL Motorsport, včetně nastavovacího programu a PC s programem MATLAB/SIMULINK. Atmosféri podmí ké k ZATÍŽ ENÍ ALF A Vstu Akční čl Akčn ípromě á charakteri tikmoto Nahrání dt Mot <<<<,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, Editace d Motor promě á á Časov á í Senzo ZOBRAZO VÁNÍ DA Analýza d Senzor promě á á CPU Řídicí j d tk Akční řídicíě á j d k PC MF 604 řídicí jednotka motoru Obrázek 8 Princip zapojení Pro testování byl zvolen motor z automobilu ŠKODA Fabia 1.4 50kW, jeho uspořádání lze vidět na obrázku 9.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 153 snímač natočení pedálu snímač natočení škrticí klapky vstřikování zapalování snímač teploty chladič chladící kapaliny snímač otáček vačkového hřídele hallův snímač snímač teploty a tlaku nasávaného vzduchu MAP senzor snímač klepání lambda sonda snímače akční členy snímač otáček klikového hřídele indukční snímač Obrázek 9 Schéma uspořádání použitého motoru 6 Nastavené hodnoty Na následujících obrázcích jsou ukázány příklady nastavení v řídicí jednotce, jak příklady map v její paměti tak i vnější charakteristiky. Obrázek 10 Závislost předstihu na otáčkách a množství nasátého vzduchu Na obrázku 10 je zobrazení mapy předstihu. Velikost předstihu je určena experimentálně, na reálném motoru a to tak, aby nedošlo ke klepání motoru. Tvar mapy předstihu si lze jednoduše vysvětlit následovně: předstih se při konstantních otáčkách zmenšuje se vzrůstajícím množstvím nasátého vzduchu (resp. otevřenou škrticí klapkou), což souvisí s klasickou podtlakovou regulací. Nárůst předstihu při vzrůstajících otáčkách a konstantním
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 154 otevření klapky souvisí s klasickou odstředivou regulací. Na obrázcích 11 a 12 jsou ukázány průběhy korekcí paliva v závislosti na teplotě vzduchu a napájecím napětí. Velikost korekce v závislosti na teplotě nasávaného vzduchu si lze vysvětlit tím, že se hustota vzduchu mění podobně s touto charakteristikou. Množství vstříknutého paliva u systémů vstřikování závisí na době otevření vstřikovacího ventilu, tlaku paliva a velikosti napájecího napětí. Protože je v systému stálý tlak a velikost napájecího napětí může kolísat, je třeba použít také korekci. Velikost korekce vychází z toho, že při nižším napětí se jehla vstřikovače otevře méně. Z toho vyplývá, že od cca 12,4V již velikost vstříknutého množství nemění. 140 120 100 korekce (%) 80 60 40 20 0-20 0 20 40 60 80 100 120 140 teplota vzduchu ( C) 180 160 140 Obrázek 11 Korekce množství paliva podle teploty vzduchu korekce (%) 120 100 80 60 40 20 0 7000 9000 11000 13000 15000 17000 napájecí napětí (mv) Obrázek 12 Korekce množství paliva podle napájecího napětí 7 Závěr V této práci je ukázány základní principy při nastavování řídicích jednotek zážehových motorů automobilů. K tomuto nastavování byla využita metoda hardware-in-the-loop simulation s programovatelnou jednotkou MICHL Motorsport. Prezentovaných výsledků bylo dosaženo při řešení výzkumného záměru MSM 272300009.
XXVIII. ASR '2003 Seminar, Instruments and Control, Ostrava, May 6, 2003 155 8 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. FARANA, R., SMUTNÝ, L., VÍTEČEK, A. A VÍTEČKOVÁ, M. 1995. Doporučované značky, zkratky a názvy z oblasti automatického řízení. 1. vyd. Ostrava : Katedra ATŘ VŠB-TU Ostrava, 1995. 24 s. Hanselmann, H. Hardware-in-the-Loop Simulation as a Standard Approach for Development, Customization, and Production Test. In IEEE International Symposium on Computer Aided Control System Design, September 15-18 1996, Dearborn, Michigan USA. The MathWorks Inc. SIMULINK Dynamic System Simulation for MATLAB Using Simulink. Version 3. USA : The MathWorks Inc.,1999. 605s. Weeks, R.W. & Moskwa, J.J. Automotive Engine Modeling for Real-Time Control Using MATLAB/SIMULINK. SAE Technical Paper 950417. Reprinted from: Vehicle Computer Application: Vehicle Systems and Driving Simulation (SP-1080), 1995, 15 s. ISSN 0148-7191.