VOLBA A REGULACE TURBODMYCHADLA MALÉHO ZÁŽEHOVÉHO MOTORU SELECTION AND CONTROLING OF A TURBOCHARGER FOR A SMALL GASOLINE ENGINE Jiří Navrátil 1, Miloš Polášek 2 Tento článek se zabývá volbou vhodného turbodmychadla pro malý zážehový motor. Zkoumá možnosti použití průtočnější turbíny resp. dmychadla. Dále se snaží vytyčit meze, ve kterých je prováděna regulace motoru. Škrtící klapka společně s obtokem výfukových plynů kolem turbíny (waste-gate) tvoří hlavní regulační elementy celého systému motor turbodmychadlo. Dalším úkolem je navrhnout vhodný motormanagement, který by byl schopen respektovat přání řidiče (sportovní, ekonomická jízda) a udržovat přitom motor v oblastech nejnižší možné spotřeby paliva. Jako jedna z možností se nabízí využití rychlosti sešlápnutí plynového pedálu. Úplné charakteristiky motoru slouží pro posouzení turbodmychadel ve statických režimech. Evropské jízdní cykly aplikované na kompletní model automobilu slouží pro zjištění spotřeby paliva pro jednotlivé nastavení motormanagementu a různá turbodmychadla. This paper describes selection of a proper turbocharger for a small gasoline engine. It deals with using greater turbine alternatively compressor. It tries to create borders for engine management setting. Throttle and waste-gate together are the main controlling elements of the whole engine-turbocharger system. The next task is to develop an appropriate engine management which is able to respect driver s wish such a sporty or an economy driving together with keeping engine in the lowest fuel consumption area. Complete engine characteristics are used for comparison of different turbochargers in steady-state regimes. European Fuel/Emission Tests are applied to complex vehicle models and used for fuel consumption investigation using different turbochargers and engine management. Key words: turbocharger, engine management, small gasoline engine, GT12, GT15 1. Úvod Malý přeplňovaný zážehový motor se ukázal jako účinná cesta ke snížení spotřeby paliva a emisí. Přeplňování motoru navyšuje potřebný moment a výkon při akceleraci pro jízdu ve vysokých rychlostech a zatíženích. Výkonové parametry takového motoru jsou pak srovnatelné a mnohdy i lepší než u atmosférického motoru se zdvihovým objemem až o 1/3 větším [ 1 ]. Vyřešení některých problémů spojených s přeplňováním jako např. vysoká teplota výfukových plynů a vhodně nastavený motormanagement může ještě výrazně snížit spotřebu paliva za současného dodržení nastavených výkonových parametrů. Užití nových materiálů výrazně posunuje teplotní limit turbín z nynějších 950 C až na 1050 C. Tím je pak možné odstranit dosud používané výrazné obohacení v oblasti vysokých zatížení a vnější čáry. Vhodnou volbou turbodmychadla a nastavením motormanagementu lze dosáhnout zlepšení parametrů motoru. A právě touto oblastí se zabývá tento příspěvek. 1 Ing. Jiří Navrátil, ČVUT v Praze, Výzkumný ústav Josefa Božka, Technická 4, Praha 6, 16607, tel. +420 224 352 507, e-mail: jiri.navratil@fs.cvut.cz 2 Ing. Miloš Polášek, Ph.D.,ČVUT v Praze, Výzkumný ústav Josefa Božka, Technická 4, Praha 6, 16607, tel. +420 224 352 492, e-mail: polasekm@fsid.cvut.cz
2. Specifikace základních parametrů motoru Základní parametry malého zážehového motoru jsou následovné: Zdvihový objem 1.2 dm 3 Maximální otáčky motoru 5500 min -1 Kompresní poměr 9,6 4 ventily na každý válec ----------------------------------------- GT12, GT15 turbodmychadlo 3. Model motoru Pro regulaci celého systému motor + turbodmychadlo slouží dva základní regulační prvky: škrtící klapka a obtok výfukových plynů kolem turbíny (waste-gate). Předstih zážehu je stanoven pomocí modelu klepání kalibrovaného dle měření. Délky hoření jsou převzaty a interpolovány z experimentálně získaných dat v závislosti na otáčkách zatížení motoru.více o modelu viz. [ 1 ]. Ztrátové tlaky na klice jsou vypočítány pomocí programu VYVAZ v závislosti na otáčkách a zatížení motoru viz. Obr. 1. Základním vstupem do tohoto programu jsou základní parametry motoru společně s průběhem spalovacího tlaku. Obr. 1 Závislost ztrátového tlaku na zatížení a otáčkách motoru Fig. 1 Engine speed and load dependence of friction pressure 4. GT12, GT15 turbodmychadlo ustálené režimy Přeplňování turbodmychadlem GT12 bylo popsáno v [ 1 ] a [ 2 ]. Z výsledků je patrné, že odpouštěcí ventil je otevírán již od nejnižších otáček motoru na vnější rychlostní charakteristice. To znamená, že turbína GT12 nemusí být nejvhodnějším řešením pro přeplňování tohoto motoru. Systém motor + turbodmychadlo má sice rychlou odpověď v přechodových režimech, ale odpouštění velkého množství výfukových plynů kolem turbíny snižuje efektivní účinnost celého systému. Proto je zde zjišťována možnost použití průtočnějšího turbodmychadla GT15, popřípadě pouze samotné turbíny GT15 v kombinaci s dmychadlem GT12. Proto byly zvoleny a porovnávány 3 možné varianty uspořádání zástavby dmychadlo motor turbína. dmychadlo GT12 + motor + turbína GT12 (GT12) dmychadlo GT12 + motor + průtočnější turbína GT15 (GT12-15)
dmychadlo GT15 + motor + turbína GT15 (GT15) Přepouštěcí ventil je zde otevírán při dosažení maximálního plnícího tlaku pro dané otáčky (naměřený na vnější charakteristice) a je po jeho dosažení udržován na této hodnotě PID regulátorem. Pro tyto varianty byly propočítány úplné charakteristiky motoru. Jejich porovnání je zobrazeno v Obr. 2. Čtvrtá varianta ukazuje charakteristiku motoru GT12 s maximálně otevřeným přepouštěcím ventilem (Waste-gate D max = 20 mm). Je zde vybrána jako krajní možnost pro případ, že motor má být provozován s nejnižší možnou spotřebou paliva ve středních zatíženích a zároveň nepotřebuje dynamicky akcelerovat. S otevřeným obtokovým ventilem je dosaženo mnohem nižších hodnot točivého momentu. Z úplných charakteristik motoru je patrné, že použitím průtočnější turbíny mírně poklesla měrná spotřeba paliva přibližně o 5 g/kw.h. pro variantu GT12-15 i pro GT15. Jinak jsou mapy téměř totožné. Dále je vidět, že při otevřeném waste-gate znatelně klesá spotřeba paliva, ale motor nedosahuje potřebných výkonových parametrů. Obr. 2 Úplné charakteristiky motoru s jednotlivými turbodmychadly a otevřeným odpouštěním ventilem Fig. 2 Complete engine characteristics for different turbochargers and with opened waste-gate Pro varianty s průtočnější turbínou GT15 a GT12-15 vycházejí nižší protitlaky ve výfukovém potrubí před turbínou, průměrně o 6% na vnější charakteristice. Na Obr. 3 jsou znázorněny mapy dmychadla pro varianty GT12 a GT15. Znázorněné pracovní body dmychadla odpovídající úplné charakteristice motoru. Je patrné, že při variantě motoru s GT15 je pracovní oblast z velké části položena do oblasti pumpovní meze dmychadla, což je velkou nevýhodou této varianty. Časté pumpování by
zde pravděpodobně způsobilo poškození lopatek dmychadla. Pro připomenutí - obtokový ventil je otevírán vždy po dosažení maximálního plnícího tlaku v celém rozsahu úplné charakteristiky, otáčky turbodmychadla jsou tak drženy na vyšších hodnotách a motor se tedy nachází ve stavu určeném pro maximální akceleraci. Obr. 3 Mapy dmychadel GT12 a GT15 s pracovní body z úplné charakteristiky motoru Fig. 3 Compressor maps of GT12 and GT15 with complete engine map operating points 5. Spotřeba paliva při ustálené rychlosti vozidla Postup tvorby modelu vozidla je popsán v [ 1 ]. Odpovídá osobnímu automobilu o hmotnosti 1280 kg včetně posádky. Pro pohon byly zvoleny stejné varianty motorů jako předchozí kapitole: GT12, GT12-15, GT15, GT12_WG_opened (otevřený obtokový ventil turbíny). Obr. 4 ukazuje porovnání spotřeb paliva pro jednotlivé varianty motoru. Poklesy jednotlivých spotřeb paliva jsou udávány v procentech vztažené na motor s turbodmychadlem GT12. Obr. 4 Porovnání spotřeb paliva při ustálených rychlostech vozidla Fig. 4 Fuel consumption comparison for stable vehicle speed Je vidět, že použitím průtočnější turbíny GT15 jak s dmychadlem GT12 tak GT15 je sice dosaženo snížení spotřeby paliva, ale spotřeba poklesla ani ne o 1%. To odpovídá poklesu spotřeby paliva v litrech na 100 km v řádech o setiny. Při variantě s otevřeným obtokovým ventilem je dosaženo výraznějšího poklesu zejména ve vysokých rychlostech.
6. Spotřeba paliva Evropské jízdní cykly V této kapitole jsou porovnány spotřeby paliva získané z evropských jízdních cyklů pro jednotlivé varianty přeplňovaného motoru s uzavřeným i otevřeným obtokovým ventilem. Model motoru opět vychází z [ 1 ]. Je vybaven automatickým pilotem (Driver), který dodržuje určitou rychlost v daný časový okamžik (pro regulaci použit PID regulátor). Obr. 5 Spotřeba paliva vypočítaná z evropských jízdních cyklů Fig. 5 Fuel Consumption obtained from European fuel/emission test cycles Nulová dávka paliva je nastavována při brždění motorem, kde spodní hranicí je 1200 min -1 motoru. Automatická spojka spíná motor s vozidlem v oblasti 900-1000 min -1. Při řazení je nastavována poloha pedálu plynu na nulovou hodnotu a spojkový pedál plně sešlápnut. Kombinovaná spotřeba paliva je počítána jako vážený průměr městského a mimoměského jízdního cyklu (36,8% ECE a 63,2% EUDC). Obr. 5 ukazuje porovnání spotřeb paliva. Je vidět, že mezi prvními třemi variantami není prakticky rozdíl. K měřitelné úspoře paliva dochází pouze při projetí městského cyklu s otevřeným obtokovým ventilem. Motor má dostatečný výkon i při otevřeném waste-gatu pro projetí městského cyklu (nejsou v něm požadavky na velmi prudkou akceleraci). 7. Akcelerační test Pro zjištění rozdílů akceleračních časů při zavřeném obtokovém ventilu a plně otevřeném je použit stejný model vozidla jako v předchozím případě. Jediný rozdíl je v algoritmu řazení řidiče. Řidič řadí následující rychlostní stupeň vždy po dosažení maximálních otáček motoru. Rozdíl v rozjezdových časech z 0-100 km/h činí přibližně 10 sekund. To znamená, že motor s plně otevřeným obtokovým ventilem akceleruje podstatně hůř, než by odpovídalo atmosférickému motoru o stejném zdvihovém objemu. Je to dáno především převodovkou, která je dimenzována pro podstatně výkonnější - přeplňovaný motor. 8. Algoritmus řízení otevírání obtokového ventilu V předchozích kapitolách byly porovnávány dva krajní případy regulace obtokového ventilu. První případ: obtok kolem turbíny uzavřen (otevírán je pouze při dosažení maximálního plnícího tlaku). Druhý případ: obtok je stále otevřen. Z výsledků vyplývá, že při plně otevřeném obtoku systém dosahuje nižších spotřeb paliva (pro nízké a částečné zatížení). Dynamická odezva se však výrazně sníží. Je tedy potřeba najít vhodný kompromis mezi těmito možnostmi, popřípadě je dle potřeby přepínat. Nabízí se zde možnost využít rychlosti sešlapování plynového pedálu plynu k plynulému přepínání mezi těmito variantami. Rychlost sešlápnutí je získávána derivací polohy pedálu plynu podle času. Systém tak může reagovat na požadavek řidiče (sportovní jízda, ekonomická
jízda) za současné co možná nejnižší spotřeby paliva. Příklad takového nastavení motormanagementu je popsán na Obr. 6. Je patrné, že na základě rychlosti sešlápnutí systém přepíná mezi dvěma závislostmi pro v = 0 respektive minimální a v = max. Pro rychlost mezi těmito krajními případy jsou polohy škrtící klapky a waste-gatu interpolovány. Throttle Angle Waste-gate Diameter Obr. 6 Algoritmus řízení motoru škrtící klapkou a obtokovým ventilem výfukových plynů v závislosti na rychlosti sešlapování pedálu plynu. Fig. 6 Engine Management with throttle and waste-gate control elements depended on accelerator pedal position speed Závislost v popředí odpovídá nulové rychlosti sešlapování plynového pedálu. Otevírání škrtící klapky bylo nastaveno v ustálených režimech tak, aby točivý moment plynule narůstal (vypočteno z úplné charakteristiky motoru). Waste-gate nemůže v této oblasti zůstat otevřený (což by bylo ideální z hlediska spotřeby paliva), protože by pak motor nedosahoval daných výkonových parametrů (viz. Obr. 2). Závislost zobrazená v pozadí přísluší maximální rychlosti sešlápnutí pedálu. Škrtící klapka je zde, co nejrychleji otevřena a waste-gate plně uzavřen. Je zřejmé, že tomuto systému řízení musí být nadřízený systém, který hlídá maximální plnící tlaky pro jednotlivé otáčky motoru. 9. Závěr Malý přeplňovaný motor byl přeplňován 2 turbodmychadly Garrett (GT12 a GT15). Pro volbu turbodmychadla byly vytvořeny 3 varianty systému. Z Obr. 2 je patrné, že k výrazné úspoře paliva nedošlo. Při použití dmychadla GT15 dochází navíc k překročení pumpovní meze dmychadla v širokém spektru úplné charakteristiky motoru. Při ustálených rychlostech vozidla jsou rozdíly ve spotřebách paliva také minimální. Jediným rozdílem je varianta s plně otevřeným obtokovým ventilem, které je možné využít při nízkých a částečných zatíženích (kde není nutné prudce akcelerovat). Akcelerační zkouška potvrzuje velký nárůst dynamické odezvy při plně otevřeném obtokovém ventilu. Byl navrhnut algoritmus řízení otevírání obtokového ventilu v závislosti na rychlosti
sešlápnutí pedálu plynu. Závěrem lze tedy říci, že použitím turbodmychadla GT15 nebo kombinace GT12 dmychadla s GT15 turbínou k výrazným úsporám spotřeby paliva oproti variantě GT12 nedochází. Otevřením obtokového ventilu dochází k úspoře paliva, ale za cenu výrazného snížení dynamické odezvy celého systému vhodným řízením otevírání obtokového ventilu lze dosáhnout přijatelného kompromisu. Lektoroval: Doc.Ing. Pavel Baumruk CSc. 1 Ing. Jiří Navrátil, Simulation of a Small Turbocharged Engine in Transient Operation, SAE Paper 2004-01- 0995, Josef Božek Research Center, Czech Technical University in Prague, Technicka 4, 166 07 Praha 6, Czech Republic, Phone: +420 224 352 507, E-mail: jiri.navratil@fs.cvut.cz 2 Ing. Jiří Navrátil Simulation of Supercharged and Turbocharged Small Spark-Ignition Engine, Motor Sympo 2003, Josef Božek Research Center, Czech Technical University in Prague, Technicka 4, 166 07 Praha 6, Czech Republic, Phone: +420 224 352 507, E-mail: jiri.navratil@fs.cvut.cz