V [15] je uvedena následující definice spalovacího motoru :
Spalovací motor je tepelný motor, rozšířený o zdroj tepelné energie, uvolňované spalováním.
Na obrázku 1 jsou zobrazeny postupné přeměny chemické energie uložené v palivu na výslednou užitečnou mechanickou práci.
Jednotlivé boční větve odpovídají ztrátám způsobeným nedokonalou přeměnou energií. Jedná se ztráty způsobené :
Hlavním úkolem konstrukce a řízení motoru je nalezení takového uspořádání a pravidel řízení aby účinnost převodu chemické energie na užitečnou mechanickou práci byla co největší.
Spalovací motory je možné klasifikovat podle velkého množství kritérií. Protože se tato práce bude dále zabývat jen velmi úzkou třídou motorů, bude uveden jen stručný přehled druhů motorů. Podrobný rozbor nalezne čtenář v [6] nebo [15].
Podle odvodu tepla z pracovní látky do okolí jsou definovány motory s otevřeným a uzavřeným oběhem. U motorů s uzavřeným oběhem ( pracovním cyklem látky ) musí být tepelná energie přiváděna a odváděna pomocí výměníků ( např. Stirlingův motor ). Otevřený oběh umožňuje odvod tepla s výměnou pracovní látky a využití pracovního prostoru pro spalování paliva, pak se jedná o motory s vnitřním spalováním.
Podle způsobu přeměny tepla na mechanickou práci je možno definovat stroje
Princip činnosti lopatkových a proudových motorů se často kombinuje.
Podle místní a časové posloupnosti jednotlivých dějů při realizaci oběhu se stroje dělí na stroje s
Další rozbor již bude omezen pouze na pístové spalovací motory s otevřeným oběhem, vnitřním spalováním a nestacionárními ději.
Tato kategorie motorů se dále dělí podle způsobu tvorby pracovní látky ( směsi paliva a vzduchu ), která slouží jak k dodání chemické energie do motoru, tak k termodynamické přeměně hořením získaného tepla na energii mechanickou. Dalšími kritérii je způsob spuštění chemické reakce hoření, průběh hoření směsi a mechanizmus výměny pracovní látky ve válci.
Děje při spalování jsou spojeny s přenosem látek ( např. difuzí ), sdílením tepla za vysokých gradientů teploty, přičemž přenosové jevy mohou být o několik řádů urychleny turbulencí, která překryje molekulární přenos řídící se kinetickou teorií plynů. Vlastní spalování pak představuje složité návazné chemické reakce. V pístovém motoru hoří často směsi složitých chemických látek za nestacionárních podmínek. Z předchozího vyplývá, že úplný model hoření je velice složitý a ovlivněný takovým množstvím parametrů, že nelze najít jeho přesný model.
Časovou posloupnost dějů vedoucích ke spálení paliva a vzniku tepla lze rozdělit do několika etap, které se však mohou překrývat nebo probíhat paralelně v různých částech spalovacího prostoru.
Před vlasním hořením paliva musí dojít k jeho fyzikální a chemické přípravě. Palivo je třeba nejdříve ohřát a vytvořit dostatečnou kontaktní plochu mezi jeho částicemi a okysličovadlem ( většinou vzduchem ). Toho se docílí rozprášením paliva do vzduchu nebo vytvořením palivového filmu na stěně válce. Poté dojde k odpaření paliva, smíšení par s kyslíkem a ohřátí směsi na teplotu nutnou k proběhnutí předplamenných reakcí.
Po chemické přípravě, kdy dojde k proběhnutí endotermických předplamenných reakcí, nastává vlastní etapa hoření, při které proběhnou exotermické chemické reakce spalování a při kterých se tvoří také nežádoucí oxidy dusíku.
V poslední etapě dochází k dohořívání směsi. Proběhnou pomalejší reakce a dojde k dosažení rovnovážného stavu při poklesu teploty během expanze. V této etapě dochází k tvorbě většiny nežádoucích škodlivin způsobených nedokonalým spalováním za nižších teplot.
Podle způsobu tvorby směsi a způsobu dodání tepla pro předplamenné reakce lze pístové motory dále dělit do několika kategorií.
Pracovní oběh pístových motorů se skládá z několika dějů. Nejdříve musí dojít k naplnění válce připravenou směsí nebo jen vzduchem při vnitřní tvorbě směsi. Po uzavření sacího ventilu dochází ke kompresi náplně pístem a tím ke zvýšení tlaku a teploty. Při vnitřním tvoření směsi se přidává palivo. Dále dochází k zapálení směsi elektrickou jiskrou nebo samovznícením. Při spalování směsi roste dále tlak a teplota ve válci. Při expanzi tlačí směs obsažená ve válci na ustupující píst a tím dojde předání energie do mechanické soustavy a k ochlazení. Cyklus končí otevřením výfukového ventilu a vyprázdněním obsahu válce.
Pro termodynamický popis je nejdůležitější vysokotlaká část pracovního oběhu začínající po uzavření sacího ventilu a končící otevřením výfukového ventilu. Po tuto část oběhu se jedná o soustavu, ve které platí zákon zachování hmotnosti a množství atomů jednotlivých prvků. K výměně energie s okolím dochází pouze mechanickou prací konanou tlakem a pohybem pístu a tepelnou výměnou se stěnami uzavřeného prostoru. V tabulce 1 jsou definovány symboly a jednotky pro jednotlivé uvažované veličiny.
Veličina | Značka | Jednotky |
Tlak | p | Pa |
Parciální tlak složky x | px | Pa |
Objem | V | m3 , často uváděný v cm3 |
Kompresní objem ( nad pístem v horní úvrati ) | Vk | m3 , cm3 |
Zdvihový objem ( pohybu pístu ) | VZ1 | m3 , cm3 |
Hmotnost látky | m | kg , g |
Molární hmotnost | M | kg·mol-1 |
Látkové množství | N | mol |
Měrná plynová konstanta | r | J·kg-1·K-1 |
Izobarická měrná tepelná konstanta | cp | J·kg-1·K-1 |
Izochorická měrná tepelná konstanta | cv | J·kg-1·K-1 |
Poissonova ( adiabatická ) konstanta | k = cp/cv | |
Předávané teplo | Q | J |
Mechanická práce | W | J |
Vnitřní energie látky | U | J |
Absolutní teplota | T | K |
Entropie | S | J·K-1 |
Boltznmanova konstanta | k | 8.314·J·K-1·mol-1 |
Avogadrova konstanta | NA | 6.023·1023·mol-1 |
V [8] je zaveden pojem dokonalý plyn, který je dokonale stlačitelný, homogenní, izotropní a neviskózní. Z hlediska kinetické teorie by takovýto plyn musel mít zanedbatelné rozměry molekul vůči jejich vzájemným vzdálenostem, mezi molekulami by nebylo žádné silové působení a srážky by byly dokonale pružné. Dále se neuvažuje působení gravitačního pole na molekuly. Pro takový plyn platí bez výhrad stavová rovnice 2 a jeho vnitřní energie závisí jen na jeho teplotě.
Podle prvního termodynamického zákona platí pro teplo, vnitřní energii a konanou práci zákon zachování energie
| (1) |
|
| (2) |
| (3) |
|
| (4) |
|
|
Protože množství přijmutého tepla není na rozdíl od změny vnitřní energie totálně diferencovatelné zavádí se pojem entropie, který splňuje tuto výhodnou vlastnost
| (5) |
|
Energii získanou z jednoho pracovního cyklu lze jednoduše spočítat z plochy uzavřené křivkou v P-V diagramu podle vzorce
| (6) |
S využitím výše uvedených rovnic 3 a 4 lze provést numerický výpočet průběhu tlaku, teploty a odevzdané práce při znalosti změn objemu a průběhu hoření směsi. Objem je geometrickým vztahem svázaný s úhlem otočení klikového hřídele, proto je při zadaných otáčkách motoru známý. Průběh hoření směsi závisí na okamžiku a způsobu spuštění oxidačních reakcí a je závislý na okamžitém tlaku, teplotě a rozložení směsi ve válci. Pro reálné plyny je dále třeba uvažovat změny plynové konstanty a měrné tepelné konstanty s teplotou a tlakem. Zároveň se během hoření mění chemické složení ve válci a pro přesné výpočty by bylo nutné i tyto změny do výpočtu zahrnout. Tyto výpočty jsou velice složité a sestavení přesného modelu je nerealizovatelné. Jedním z několika systémů, které se mohou numerickými metodami reálnému modelu přiblížit, je objemový simulační program CFD viz [36]. Tento program je schopen provést simulaci termodynamických dějů v prostoru a odsimulovat i složité dynamické děje při nasávání a výfuku směsi. Speciálně pro simulaci činnosti motorů je navržen program Dynomation viz [23], který nahrazuje prostorové výpočty jejich teoretickou aproximací.
Pro orientační účely lze předpokládat, že se vlastnosti směsi blíží vlastnostem vzduchu, který představuje většinu objemu i hmotnosti směsi. Dále lze zanedbat proměnné hodnoty plynových a tepelných konstant. Po dalších zjednodušeních lze provést výpočet ideálního P-V diagramu a jeho srovnání se skutečným průběhem viz [15].
Pro zhodnocení činnosti reálného motoru je jediným vyhovujícím řešením provést měření reálných průběhů. Ty pak lze použít pro výpočet konstant umožňujících provést jeho srovnání s ideálním P-V diagramem a pro tvorbu dostatečně vyhovujícího modelu. Po ověření a vyhodnocení experimentálních měření se předpokládají další práce v této oblasti.
Pro správnou funkci motoru je třeba přesně určit okamžik, kdy dojde k zapálení směsi. Při určení okamžiku působí dvě protikladná kritéria. Dojde-li k zážehu příliš brzy, působí hoření zvýšení tlaku proti pohybu pístu nahoru a tím dochází ke snížení kinetické energie motoru a ztrátám. Je-li však směs zapálena příliš pozdě, je v počáteční fázi pohybu pístu dolu tlak ve válci nízký a není využita veškerá energie dodaná v palivu. V krajním případě může dojít k vyfouknutí neúplně spálené směsi do výfuku. Pro určení okamžiku zážehu je nutné znát polohu pístu ve válci. Tato poloha je svázána s polohou klikového hřídele motoru a měří se v úhlu otočení hřídele od horní úvratě pístu. Pro správnou funkci motoru je nutné pro všechny režimy motoru nalézt optimální úhel, při kterém se provede zažehnutí nasáté směsi. Protože obecně platí, že se zážeh směsi inicializuje před dosažením horní úvratě pístu, označuje se úhlový rozdíl mezi polohou zážehu a horní úvratí za úhlový předstih zážehu, zkráceně předstih. Režimem motoru je nazýván vektor hodnot některých podstatných stavových veličin motoru. Jedná se především o frekvenci otáčení motoru, tlak nasávané směsi a teplotu motoru. Kritérií pro určení optimální polohy lze nalézt mnoho a dále jsou uvedena jen nejčastěji uvažovaná kritéria. Optimalizovat lze například kritérium minimální spotřeby paliva při konstantním odebíraném výkonu, nebo maximálního výkonu při konstantním množství palivové směsi. Pro ekologii provozu je podstatné minimalizovat koncentraci oxidů dusíku NO x , oxidu uhelnatého CO a nespálených uhlovodíkových zbytků. V praxi se volí kombinace těchto kritérií.
V současné době je jedním z nejdůležitějších kritérií množství zplodin vzniklých při ujetí referenční vzdálenosti. Množství zplodin ve výfukových plynech je možné ovlivňovat směšovacím poměrem l a předstihem zážehu. Směšovací poměr l odpovídá relativnímu poměru množství vzduchu k množství paliva v palivové směsi. Poměr l = 1 odpovídá ideálnímu stechiometrickému slučování uhlovodíků paliva s kyslíkem za vzniku H 2 O a CO 2 .
Závislot momentu na směšovacím poměru
Závislost zplodin na směšovacím poměru
Závislost množství zplodin a měrné spotřeby na předstihu zážehu
Směšovací poměr l a předstih ovlivňují také moment motoru při konstantních otáčkách a množství palivové směsi. Tím je také ovlivněna účinnost motoru, množství paliva a množství zplodin vzniklých po ujetí referenční vzdálenosti. Proto je výběr kritéria minimalizujícího množství zplodin značně komplikovaný. Jako příklad jsou na obrázku 2 uvedeny grafy typických závislostí momentu a množství zplodin na směšovacím poměru a předstihu zážehu. Z grafů je patrné, že pro snížení množství zplodin vznikajících při spalování směsi, je potřeba dodržet velmi přesně jak směšovací poměr paliva a vzduchu, tak i předstih zážehu. Protože množství NO x ve výfukových plynech velmi prudce roste v okolí optimální účinnosti motoru, volí se v praxi obvykle předstih mírně menší, než by byl předstih optimální pro využití paliva na maximální moment a tím i účinnost.
Pro přesné řízení okamžiku zážehu v závislosti na otáčkách motoru, podtlaku v sacím potrubí a teplotě motoru byla navržena dále popsaná řídící jednotka. Jednotka je určena především pro motory, ke kterým není k dispozici velkosériově dodávaná řídící jednotka. Jedná se především o na plyn přestavěné vznětové motory a o motory užívané v generátorech a kogenerátorech. Protože byla předpokládána nutnost naladění jednotky pro každou aplikaci, jsou všechny parametry konfigurovatelné a jednotka je doplněna o možnost komunikace s počítačem. Při návrhu bylo zohledněno i předpokládané využití jednotky pro experimentální a vývojové účely.
Obrázek 3 ukazuje schematický nákres zážehového motoru a propojení částí navrženého mikroprocesorového systému. Informaci o poloze klikového hřídele lze získat jedním snímačem, který vyšle při průchodu značky jednou za otáčku impulz. Poloha je potom při rovnoměrném otáčení pevně svázána s časem. Toto řešení vykazuje velké chyby pro nerovnoměrné otáčení klikového hřídele. Proto je výhodnější přidat druhý snímač, který vysílá impulzy po řádově menším úhlu než je celá otáčka. Jako optimální zdroj těchto impulzů se jeví zuby na setrvačníku motoru, které jsou využívány pro pastorek startéru při roztáčení motoru. Těchto zubů bývá od 80 do 380, což postačuje ke sledování polohy i při nerovnoměrném otáčení. Jako snímačů lze použít aktivních prvků s halovou sondou nebo levnějšího řešení s indukčními snímači. V návrhu bylo počítáno s oběma možnostmi s důrazem na využití indukčních snímačů z Brisku Tábor. Signály ze snímačů jsou přes konektor přivedeny do řídící jednotky, kde jsou zpracovány komparátory. Nevýhodou indukčních snímačů je závislost velikosti výstupního signálu na rychlosti průchodu značky. Pro zaručení funkce snímače otáčky bylo navrženo řešení s komparátorem se řízenou hysterezí. Výsledné číslicové signály jsou zpracovány jednotkou záchytů v procesoru.
Pro měření teploty se počítá s využitím signálu z termistoru používaného k indikaci teploty motoru na palubní desce. Signál je upraven a přiveden na vstup AD převodníku. Informace o tlaku v sání motoru je měřena tenzometrickým snímačem firmy Honeywell, který je osazen přímo do plošného spoje řídícího systému. Signál z můstkového snímače je zesílen zesilovačem v rozdílovém zapojení a přiveden na AD převodník procesoru.
Procesor využívá pro svojí činnost paměť RAM a EPROM, které jsou připojeny přes paralelní sběrnici. Sériově vyráběnou verzi systému lze realizovat i s procesorem 87C552, který obsahuje 8 kB paměti OTP EPROM na čipu. Tato minimalizovaná verze nemusí obsahovat vývojové funkce a funkce pro sběr dat. Nemusí mít možnost nahrávání software a řídících map předstihu přes síť mLan. Potom nemusí být paměť RAM ani EPROM osazena. Přes sériovou sběrnici I 2 C je k procesoru připojena paměť EEPROM sloužící k uložení kalibrací čidel a úhlového posunu předstihu. Procesor podle mapy předstihu, režimu motoru a přednastavených hodnot vypočítá předstih zážehu. Podle informací z čidel polohy určí okamžik, ve kterém je potřeba vyslat signály do výstupů. Signály jsou vedeny přes galvanické oddělení na výstupní konektor. Vlastního zážehu se docílí jiskrovým výbojem. Průrazné napětí je ve stlačené směsi velmi vysoké (15 a 30 kV). Pro získání takto vysokého napětí se používá dvou principů. První induktivní spočívá v akumulaci energie v cívce při průchodu proudu. Po rychlém rozpojení dochází k velkému nárůstu napětí a tím k výboji. Nevýhodou tohoto principu je velké napěťové namáhání spínacího prvku.
Pro navrhovaný systém řízení byl zvolen druhý postup. Ten získává vysoké napětí dvojstupňově. Nejdříve je impulzním měničem nabit kondenzátor na napětí okolo 400V. Při požadavku na zapálení směsi je tento kondenzátor vybit přes primární vinutí transformátoru. Na sekundární straně se indukuje vysoké napětí a to způsobí vznik jiskrového výboje na svíčce a tím i zapálení směsi. Proud je na primární straně transformátoru spínán tyristorovým spínačem, který je umístěn v bloku cívek. Zdroj napětí 350V je umístěn v řídící jednotce zapalování. Protože je proud spínán tyristorem, dochází k vypnutí tyristoru až při nulovém proudu jeho anodou. Tento okamžik nastane až po vybití veškeré energie z kondenzátoru. Pro zaručení jistého vypnutí tyristoru i po jeho zahřátí je vhodné, aby nebyla po tuto dobu dodávána energie do kondenzátoru zdrojem vysokého napětí a proud tyristorem klesl na nulu. Proto je po dobu přesahující spínání výboje blokována činnost VN zdroje.
Veškeré řídící obvody jsou řešeny pro napájení ą5 V a jsou od výkonové části galvanicky odděleny. Vysokonapěťový zdroj vyžaduje ke svojí činnosti +12 V. Konstantní napětí je též potřeba pro výstupy řídící tyristory. Všechna tato napětí jsou generována DC/DC měničem.
Podrobný popis lze nalézt v [13] a [14].
Popis se bude opírat o obrázek 4 zobrazující průběhy signálů a činnosti jednotky během jedné otáčky. Vstupem informace o poloze a rychlosti otáčení je senzor polohy informující o počátku otáčky a senzor průchodu zubu setrvačníku. Signál ze senzoru polohy má proměnnou amplitudu závislou na frekvenci otáčení, proto je prahován zesilovačem s proměnou hysterezí. Signál ze senzoru průchodu zubu je symetrický a dostatečně rychlý, proto může být komparován bez hystereze.
Průchod signálu ze senzoru polohy nulou po dostatečně velkém kladném impulzu informuje o počátku otáčky (viz bod A). Protože se však jeho poloha může mírně měnit proti signálu od zubů, je pro zpřesnění považován za začátek otáčky příchod prvního zubu (Bod B). Od bodu B je přesně změřen čas prvních několika zubů (do bodu C), který je použit k výpočtu frekvence otáčení a doby průchodu jednoho zubu. Nyní je třeba odměřit počet zubů do vybuzení první jiskry, který určuje předstih prvního zážehu. Protože navržené řešení umožňuje pracovat i s necelým počtem zubů, je nejdříve odpočítán celý počet zubů (do bodu D) a poté je vlastní spuštění jiskry zpožděno o dobu odpovídající zlomkové části počtu zubů do sepnutí tyristoru (bod E). Konec impulzu je určen časovou prodlevou mezi body E a F. Další prodlevou je určen okamžik konce blokování zdroje vysokého napětí. Další jiskra bude následovat po odpočítání známého konstantního počtu zubů určeného úhlovým posunem úvratí jednotlivých pístů. Tento počet se počítá od bodu D do bodu G. Další průběh zpoždění vybuzení jiskry je shodný s prvním válcem.
Protože k přerušení a přípravě jiskry nedojde okamžitě, ale s určitým zpožděním, které procesor potřebuje na zpracování přerušení a provedení obslužné rutiny, musí být požadovaná doba mezi vyvoláním přerušení ( bod D ) a sepnutím tyristoru ( bod E ) delší než toto zpoždění. V navržené jednotce se proto pracuje se zpožděním v časovém intervalu odpovídajícímu průchodu jednoho až dvou zubů.
Pro vyhodnocení účinnosti motoru a kvality řízení je potřeba kromě znalosti režimu motoru znát i motorem odevzdaný výkon. Pro motor popsaný přesným modelem by bylo možné z režimu motoru, nastaveného předstihu zážehu a složení směsi odevzdaný výkon spočítat. Jak však bylo uvedeno dříve, přesný model se zahrnutím všech vlivů sestrojit nelze. Proto je potřeba měřit skutečný výkon motoru.
Nejvhodnějším způsobem je měřit přímo odevzdanou práci dynamometrem nebo moment na výstupním hřídeli motoru. Protože naším cílem bylo měření za normálního provozu po silnici, bylo by nutné vyřešit měření momentu zkrutu hřídele nebo spojky na výstupu motoru. Takové měřidlo lze realizovat zbroušením hřídele a přidáním tenzometrického snímače na rotující hřídel. Energii zesilovači a modulátoru měřeného signálu rotujícímu s hřídelem lze pak dodávat přes soustředná vinutí. Jedno rotuje s hřídelem, druhé je připevněno s některou ze stojících součástí. Energii lze pak přenést ve formě střídavého elekromagnetického pole buzeného střídavým proudem. Měřený signál z tenzometru lze přenést z rotujícího vysílače namodulovaný na nosnou frekvenci.
Výše uvedený postup je pravděpodobně nejpřesnější způsob měření motorem generovaného výkonu, avšak neumožňuje provést rekonstrukci dějů ve vysokotlaké části oběhu a rozhodnout přímo o směru ve kterém je potřeba provést korekci řízení motoru. Zároveň realizace tohoto měřidla by byla velmi obtížná.
Proto byl zvolen postup, kdy je výkon motoru vypočítán z průběhu objemu a tlaku ve válci po dobu pracovního cyklu motoru. Takto vypočítaný výkon sice nebere v úvahu mechanické ztráty způsobené třením v motoru, ovšem tyto ztráty nelze řízením příliš ovlivňovat, a proto jejich zanedbání není na závadu. Zároveň z průběhu tlaku a objemu lze vyhodnotit po určitém zjednodušení teplotu a rychlost hoření směsi. Z těchto údajů lze přímo určit, ve kterém směru je potřeba měnit parametry pro daný režim motoru, aby výkonová účinnost motoru vzrostla.
Pro provedení měření bylo potřeba motor vybavit senzorem tlaku ve válci a ukládat naměřená data s informací o poloze klikového hřídele tak, aby bylo z geometrie motoru možné vypočítat objem prostoru ve válci nad pístem. Poloha klikového hřídele je výše popsanou řídící jednotkou již měřena pro určení okamžiku generování jiskry. Jednotka obsahuje i volné vstupy pro přidání měření dalších analogových veličin k měření podtlaku v sání a teploty motoru. Pro měření tlaku ve válci byl využit převodník ADC4. K vlastnímu měření tedy zbývalo pouze získat tlakové čidlo, které by bylo dostatečně rychlé ( časová konstanta << 1 ms ), pracovalo v rozsahu tlaků minimálně do 4 MPa ( 40 atmosfér ) a bylo dostatečně necitlivé k nečistotám a agresivnímu prostředí.
V době zvažování možností realizace informace nasvědčovaly tomu, že čidlo požadovaných vlastností lze koupit pouze v cenové relaci přes 100,000 Kč a elektronika zesilovače k čidlu obnáší částku ještě o něco vyšší. Proto bylo rozhodnuto pokusit se vyvinout a vyrobit čidlo vlastní. Je možné že lze v současné době získat i komerční čidlo levněji například od firmy PCB Piezotronics, Inc. viz [35].
Pro rychlá měření velkých tlaků se většinou využívá piezoelektrických nebo piezorezistivních vlastností krystalických nebo polykrystalických materiálů. Tyto materiály mohou při stlačení generovat elektrický náboj nebo se mění jejich elektrický odpor.
Piezorezistivní snímače mají výhodu že umožňují měřit absolutní hodnotu tlaku, jsou ovšem více ovlivňovány změnami teploty a výsledné systémy jsou většinou méně vhodné pro měření rychlých dějů.
Piezoelektrické snímače tlaku jsou velmi rychlé, vyžadují však velmi kvalitní zesilovač převádějící nepatrný stlačením generovaný náboj na napětí nebo proud a neumožňují měřit absolutní nebo statickou hodnotu tlaku. Jejich výhodou je i vysoká tepelná stabilita a možnost pracovat i ve vysokých teplotách. Protože pro hodnocení činnosti motoru je důležitá především plocha oběhu v P-V diagramu, která není na absolutní hodnotě závislá, není dynamické měření tlaku příliš na závadu. Navíc tlak po naplnění válce, který rozhoduje o množství nasáté směsi nebo vzduchu, je možné přibližně určit z tlaku měřeného v sacím potrubí motoru senzorem s vhodnějším rozsahem pro měření malých tlaků. Proto byl zvolen princip piezoelektrický snímač.
Piezoelektrické materiály lze rozdělit na krystaly ( většinou křemenné ) a polykrystalické keramiky.
Vlastní piezoelektrická čidla mohou být citlivá na tlak, ohyb a smyk. Po vhodném upevnění lze z čidla vytvořit senzor tlaku, síly, zvuku nebo zrychlení.
Z dostupných piezoelektrických předmětů byla vybrána piezoelektrická membrána citlivá na ohyb. Protože citlivost membrány by byla příliš vysoká a chemická odolnost nízká byla membrána přitlačena k ocelové kalené membráně. Tloušťka ocelové membrány určuje měřící rozsah tlakového čidla a zároveň slouží k oddělení prostoru čidla od chemicky agresivních látek v prostoru válce.
Na obrázku 5 je sestava navrženého a později realizovaného čidla tlaku. Do hlavy válce byl navrtán otvor a do vnější stěny byl zavařen díl se závitem M10 ×1. Do tohoto dílu lze po dobu měření zašroubovat vlastní čidlo. To se skládá z mosazného tělesa a do něho zašroubované ocelového vstupního dílu. Mezi tělesem a vstupním dílem je přes osazený hliníkový kroužek pevně stažena ocelová membrána. K ocelové membráně je přímo přitisknuta piezoelektrická membrána. Piezoelektrická membrána je přitisknuta z prostoru tělesa výplní ze silikonové pružné gumy, do které jsou zality i výstupní vodiče.
Výstupní nábojový signál musí být v blízkosti čidla zesílen. Toho bylo docíleno zapojením podle obrázku 6. Nábojový zesilovač převádí slabý nábojový signál na napěťový. Ten je dále galvanicky oddělen analogovým optočlenem se sigma-delta modulací z důvodů rozdílů potenciálů na kostře vozidla. Rozdíly mezi jednotlivými částmi kostry a bloku motoru jsou způsobenými přenosy velkých proudů mezi alternátorem, jednotkou cívek a dalšími spotřebiči. Do řídící jednotky je signál veden diferenčně pro potlačení indukce rušivých signálů. Ve vlastní řídící jednotce je tlakový signál upraven a přiveden na vstup AD převodníku řídícího mikrokontroléru. Protože čidlo slouží pouze pro měření dynamických změn tlaku a protože by vlivem svodů a rušení v integračním členu ( operační zesilovač E1 a kondenzátor C1 ) docházelo k nekontrolovatelným posunům stejnosměrné složky, musí být kondenzátor C1 pomalu nulován odporem R1. Časová konstanta tohoto členu je natolik veliká, že ovlivnění dynamických měření od 10 Hz výše je zanedbatelné.
Výše popsaný snímač tlaku byl realizován a úspěšně odzkoušen na vozidle. Po delší době však došlo k destrukci ocelové membrány a bude nutné provést jeho opravu. Linearita snímače byla kontrolována kvazistaticky po odpojení odporu R1 tlakováním snímače kapalinou z vysokotlakého čerpadla v rozsahu 0 až 3 MPa a byla shledána vyhovující..
Navržené tlakové čidlo bylo zkušebně namontováno na vozidlo WARTBURG 353, jehož hlava byla upravena pro měření tlaku ve válci. Výhodou hlavy motoru vozidla WARTBURG je, že neobsahuje ventily ani rozvodový mechanismus a proto nebyly úpravy příliš nákladné. Dvoutaktní motor je ovšem z jiných hledisek nevýhodný, protože uzavírání sacího kanálu je pomalejší než zavírání veltilů a výfukový kanál se zavírá až po uzavření sacího kanálu, viz obrázek 7. Proto je mnohem problematičtější určit absolutní tlak ve válci po uzavření směsi v prostoru válce. Obecně není dvoutaktní motor se sáním přes karter moderní a produkuje velké množství škodlivých splodin. Přesto vozidlo velmi dobře posloužilo pro otestování funkčnosti navrženého systému.
Do programu řídící jednotky byly přidány funkce umožňující uložení měřené hodnoty tlaku ve válci po dobu několika po sobě jdoucích pracovních cyklů motoru. Systém vždy po odstartování uloží 2048 hodnot měřeného tlaku ve válci spolu s počtem zubů setrvačníku, které prošly od posledního měření tlaku. Zároveň je s každým vzorkem uložena informace zda bylo dokončeno měření rychlosti nebo provedeno generování jiskry. Při průchodu značky otáčky motoru se nuluje čítač zubů a při příštím ukládání informace o tlaku se uloží počet prošlých zubů od značky otáčky a příznak průchodu značky otáčky. Existují dva režimy měření, v prvním proběhne všech 2048 měření tlaku s nejvyšší možnou rychlostí po sobě. Ve druhém se po odstartování měření spustí vlastní měření až po následujícím průchodu značky otáčky motoru. Tlak se měří stále s maximální možnou rychlostí, ale změřená data jsou uložena pouze po změně hodnoty čítače prošlých zubů setrvačníku. Tím je ve druhém režimu dosaženo měření tlaku po shodný počet otáček při různých rychlostech otáčení motoru. Maximální frekvence měření tlaku je asi 4 kHz. Dále byl připraven program pro přenosný počítač umožňující spuštění jednoho z režimů měření tlaku a načtení dat z paměti řídící jednotky.
Po namontování čidla bylo provedeno několik testovacích měření. Další měření byla prováděna za běžné jízdy. Uložená data byla dále zpracována v prostředí programu Matlab. Pro uložená data je potřeba spočítat z přírůstků polohy a značek počátku otáčky absolutní úhlovou polohu a. Jako referenční nulová poloha byl zvolen úhel odpovídající horní úvrati pohybu pístu. Data jednoho z naměřených průběhů tlaku ještě před přepočtem polohy z počtu zubů na úhel od horní úvrati jsou zobrazena v horním grafu na obrázku 10. Průběhy tlaku po přepočtu polohy na úhel ve stupních od horní úvrati jsou vyneseny v grafu na obrázku 8. V grafu jsou dále přerušovanou čárou vyneseny polohy měření rychlosti otáčení motoru a generování jiskry pro první, druhý a třetí válec. Dále jsou světlými čárami vyneseny úhly zavření sacího kanálu a otevření sacího a výfukového kanálu.
Z naměřených průběhů byl jako příklad uveden relativně zajímavý průběh tlaku, ve kterém během prvních sedmi cyklů dochází k nárůstu generovaného výkonu motoru a po té prudce výkon klesá při přechodu do volnoběžného stavu. Při pohledu na průběhy jednotlivých cyklů vynesené do grafu podle úhlu je možné pozorovat rozdíly jednotlivých přes sebe vykreslených průběhů. Nejníže jsou vykresleny průběhy cyklů odpovídajících zpomalení motoru. Při těchto cyklech nedocházelo k téměř žádnému generování tepla a proto průběh odpovídá pouze adiabatické kompresi a expanzi. Cykly s hořením chudé směsi v začátku zrychlování jsou specifické pomalým hořením a pozdním nárůstem tlaku. V cyklech odpovídajících velkému výkonu při bohatší směsi dochází k rychlému až téměř detonačnímu hoření s maximem tlaku nedlouho po horní úvrati pístu.
Při první zde prezentované sérii měření se projevila chyba v programu řídící jednotky, která způsobuje v některých případech uložení přírůstků prošlých zubů snížení o jedničku. Tato chyba je již v současné verzi software opravena.
Pro další výpočty je nutné vypočítat z geometrie motoru objem nad pístem ve válci odpovídající naměřené úhlové poloze. Pro výpočet objemu ve válci je nutné znát reziduální nebo také kompresní objem VK válce pro píst v horní úvrati, celkový zdvihový objem VZ1 odpovídající pohybu pístu z dolní úvrati do horní a poměr koe délky ojnice d ku velikosti excentricity klikového hřídele e . Pro mezivýpočty je vhodné zavést vzdálenost mezi osou otáčení klikového hřídele a polohou čepu pístu l pro kterou platí po použití cosinové věty následující vzorec
| (7) |
| (8) |
| (9) |
| (10) |
| (11) |
Po přepočtu úhlové polohy na objem prostoru ve válci je možné vynést P-V diagramy pro naměřená data. Pro již výše uvažovaná data je výsledný P-V diagram na obrázku 9. Z vypočtené plochy jednotlivých cyklů lze podle vztahu 6 vypočítat i množství mechanické energie generované motorem v jednotlivých cyklech. Vypočítané hodnoty mechanické práce jednotlivých cyklů jsou vyneseny ve spodním grafu v obrázku 10.
Pro výpočet množství generovaného tepla a teploty ve válci je potřeba znát vlastnosti plynné směsi. Protože množství paliva je mnohem menší než množství vzduchu ve směsi, lze pro zjednodušení uvažovat, že vlastnosti směsi se shodují s vlastnostmi vzduchu. Potřebné konstanty pro suchý vzduch jsou uvedeny v následující tabulce.
|
|
|
| (12) |
|
|
| (13) |
| (14) |
Pro výpočet je nutné dále určit množství ( hmotnost ) směsi v okamžiku uzavírání sacího ventilu. To je možné při znalosti absolutního tlaku a teploty směsi ve válci po proběhnutí sání. Při zanedbání dynamiky proudění směsi v sacím ventilu lze předpokládat, že absolutní tlak bude přibližně odpovídat tlaku v sacím potrubí motoru, a že sání proběhne dostatečně rychle a nestačí před uzavřením sacího ventilu dojít k většímu ohřátí směsi. Tyto předpoklady jsou v dostačující míře splněny. Absolutní tlak v sání lze určit z měřeného podtlaku v sání po jeho odečtení od atmosferického tlaku.
Vypočtené průběhy teploty, generovaného tepla a práce jsou vyneseny v grafech na obrázku 11. Protože u dvoutaktního motoru bez ventilů dochází k zavření sacího kanálu před zavřením výfukového kanálu je výpočet možno považovat za odpovídající realitě pouze po dobu od uzavření výfukového kanálu do jeho opětného otevření. V případě měřeného motoru dochází k zavření i otevření výfukového kanálu ą102° od horní úvrati. Proto pokračování grafů za tuto hodnotu úhlu je již zkreslené a není do grafů vykresleno. Další chyby se přidávají únikem části směsi kolem pístních kroužků do karteru. Upozornění : Tyto chyby sice ovlivňují orientační výpočty tepelné bilance a dodaného tepla, ale v žádném případě nemohou ovlivnit tvary a plochy P-V diagramů, takže celkový odhad generované práce není těmito chybami ovlivněn.
V předchozích kapitolách byla popsána činnost motoru a možnosti sledování a měření výkonu a pracovních cyklů motoru. Tyto informace mohou být použity k zlepšení vlastností a účinnosti motoru.
Pro optimalizaci je nutné rozhodnout, která kritéria budou sledována. Požadavkem může být
Většinou se nevolí pouze jedno z uvedených kritérií, ale určitá jejich kombinace. Vlastnosti motoru lze zlepšovat konstrukčními a mechanickými úpravami, jako jsou
Tyto úpravy jsou většinou nákladné, je nutné je provádět na specializovaných pracovištích a jsou především důležité pro vývoj a konstrukci nových motorů.
Pro další zlepšení vlastností motoru je potřeba dosáhnout optimálního seřízení a řízení již vyrobeného motoru ve všech režimech, ve kterých bude provozován. Pro zážehové motory se především jedná o optimalizaci časování zážehu a bohatosti palivové směsi. Bohatost směsi lze ovlivňovat buď mechanickým seřízením karburátoru nebo směšovacího zařízení u plynových motorů, případně doplněním karburátoru o elektricky ovládané prvky. Dalším výrazným zlepšením je náhrada karburátoru vstřikováním, které umožňuje nezávislou optimalizaci bohatosti směsi pro všechny režimy motoru.
Dále budou popsány možnosti provádění online optimalizací za provozu motoru ( vozidla ). Při provozu vozidla v reálných podmínkách je možné motor vybavit pouze omezeným množstvím senzorů, dále nelze předpokládat, že motor bude po delší dobu setrvávat v ustáleném režimu. Také zatížení motoru bude proměnlivé a nelze ho dopředu odhadnout.
Parametrem, který nejvíce mění vlastnosti zážehových motorů a je snadno ovlivňovatelný, je časování ( úhlový předstih před horní úvratí ) okamžiku zážehu. Jedním z prvních systémů zpětnovazebního řízení předstihu je postup popsaný v [4]. Tento systém se snaží maximalizovat otáčky motoru řízením předstihu zážehu. Systém musí nejdříve určit směr změny předstihu, který povede k zvýšení otáček. Toho se dociluje periodickými změnami předstihu mezi dvěmi blízkými hodnotami. Po vyhodnocení směru, ve kterém došlo k zlepšení, je provedena změna předstihu o jeden krok. Tento systém nebere do úvahy potřebu rychlé změny předstihu při změně režimu motoru. Zároveň je systém ovlivňován zpětnou vazbou způsobenou řidičem vozidla. Systém může dobře pracovat pouze při zkouškách motoru ve zkušebně.
V dnešní době je velmi často používaná zpětnovazební korekce předstihu a vstřikování podle množství nespáleného kyslíku ve výfukových plynech ( většinou měřeným l-sondou ). Tento systém je výhodný v kombinaci s katalyzátorem pro minimalizaci množství škodlivin vypouštěných do prostředí. Základní hodnota předstihu a časování vstřikování pro každý režim motoru je uložena v tabulce ( mapě ) zapsané do řídící jednotky výrobcem motoru. Tato tabulka se většinou získává měřením a optimalizací motoru ve zkušebně.
S využitím výše popsané možnosti měřit průběh P-V diagramu při různých režimech motoru je možné výrazně urychlit a zkvalitnit seřizování motoru. Již při pouhé vizualizaci P-V diagramů je technik schopný odhadnout, nedochází-li v daném režimu ke špatnému využití nárůstu tlaku. Je-li příliš velké množství směsi spáleno před horní úvratí pístu, dochází k působení tlaku proti směru otáčení klikového hřídele motoru. Pozdní zážeh nebo příliš chudá směs vedou ke špatnému využití získaného nárůstu tlaku a k velkému úniku energie do výfuku.
Názornost informací získaných měřením tlaku se ještě zvýší provedením výpočtu tepelné bilance pracovního cyklu motoru. Zároveň je vypočítán průběh palivem dodávaného tepla a tím i rychlosti hoření směsi. Bude-li uvažována korekce časování zážehu prováděna opakovaně po malých krocích, lze předpokládat, že se celý průběh hoření směsi přibližně posune ve shodě se změnou předstihu zážehu. ( Rozdíly budou způsobeny zapálením a hořením směsi při jiném tlaku a objemu, tyto rozdíly budou pro malou změnu předstihu zanedbatelné ) Za předpokladu známého průběhu hoření směsi lze z rovnic 12, 13 a 14 vypočítat průběh tlaku a objemu v cyklech s posunutým okamžikem zážehu
| (15) |
| (16) |
| (17) |
Tento systém na rozdíl od jiných ( např. [4] ) nemá žádné nároky na délku setrvání motoru v jednom režimu. Stačí pouze uložit informaci o režimu ( otáčkách, podtlaku v sání a popřípadě i teplotě a požadavku na výkon motoru ), při kterém byl změřen průběh tlaku. Pak při použití obvyklé mapy předstihu zážehu v závislosti na režimu motoru stačí upravit hodnotu buňky odpovídající režimu při kterém byl průběh změřen. Mapa se pak použije pro další řízení předstihu a cyklus měření a korekce se může opakovat. Tento systém bude pracovat i při rychlých změnách režimu motoru a i při relativně pomalém zpracování dat. Ideální by bylo provádět výpočet pro každý pracovní cyklus motoru, ale i při zpracování jen některých cyklů ( například uvažovaná řídící jednotka ve spojení s počítačem je dostatečně rychlá asi pro 1 měření za 5 s ) nedojde ke změně průběhu výsledné optimální mapy, pouze doba adaptace se prodlouží. K optimálnímu vyladění celé mapy je potřeba, aby motor procházel všemi uvažovanými režimy. To nemusí být splněno. Pak je nutné pro málo četné režimy provést interpolaci mapy z okolních více pravděpodobných buněk mapy. Tento nedostatek však není natolik závažný, protože optimalizace může probíhat za reálného provozu vozidla po dlouhou dobu. Nedokonalá optimalizace činnosti motoru pro velmi málo pravděpodobné režimy pak ve výsledku příliš celkovou účinnost a výkon neovlivní. Četností výskytu motoru v jednotlivých režimech se zabývá kapitola 4.
Seřízení motoru provedené výše uvažovaným způsobem bude nutné zkontrolovat na zkušebně, kde mohou být provedeny korekce z pohledu jiných kritérií, například množství emisí škodlivých látek.
Seřízení motoru pro optimální činnost ve všech možných režimech činnosti je velice nákladné a většinou i nemožné. V současnosti se nejedná pouze o seřízení motoru pro optimální výkon, ale i o dodržení limitů a minimalizaci množství škodlivých emisí. Protože je reálné optimalizovat vlastnosti motoru pouze pro konečné množství režimů, je nutné znát četnosti výskytů jednotlivých režimů. Tyto statistiky jsou potřeba jak pro výrobce automobilů, tak pro zkušebny a instituce rozhodující o způsobech měření a limitech škodlivých emisí.
V současné době existuje několik standardních testů množství emisí, které se snaží podchytit typický provoz vozidla ve městech, na silnicích a na dálnicích. Tyto testy se již neskládají jen z informace o režimu motoru a době po kterou má být v tomto režimu provozován, ale obsahují předepsaný průběh zkušební jízdy odpovídající určité kombinaci provozů vozidla.
Z těchto důvodů byl navržen systém sběru údajů za provozu vozidla, ze kterého byly vypočítány četnosti provozu motoru v jednotlivých režimech. V budoucnosti se uvažuje i o vyhodnocení pravděpodobností přechodů mezi jednotlivými režimy.
Pro určení režimu motoru jsou nejdůležitějšími informacemi otáčky motoru a podtlak v sacím potrubí. Dále je vhodné ukládat informace o nastaveném předstihu, požadavku řidiče na výkon motoru a teplotě motoru. Toto množství informací již může posloužit i k hrubému odhadu dynamických vlastností motoru.
Navržená řídící jednotka je schopná všechny výše uvedené informace měřit a s využitím přenosného počítače i zaznamenávat pro budoucí vyhodnocení. Podle požadovaného časového rozlišení lze ukládat až 3 datové záznamy za sekundu.
Na obrázku 12 je zobrazen asi 3 minuty dlouhý úsek z půlhodinového záznamu. Zobrazeny jsou otáčky motoru, poloha plynového pedálu ( škrtící klapky ) a podtlak v sacím potrubí. K dokonalému obrazu o pohybu automobilu by bylo třeba ještě přidat zařazený rychlostní stupeň a zátěžový moment motoru. Výkon motoru a tím i moment by bylo možné vypočítat z průběžně měřených P-V diagramů, jak bylo ukázáno v odstavci 3.1 .
Během provozu vozidla a testování navrženého systému bylo nasbíráno velké množství dat. Z těchto dat bylo možné vyhodnotit četnosti jednotlivých režimů motoru potřebné pro určení nejdůležitějších oblastí optimalizace motoru. Z dat získaných za různých druhů provozu je také možno získat porovnání četností režimů motoru v závislosti na druhu provozu.
Jako demonstrační příklad bylo provedeno porovnání statistik získaných při jízdě na dálnici a na okresní silnici. Srovnání histogramů otáček je vyneseno v grafu na obrázku 13. Ze srovnání je patrné, že na dálnici docházelo pouze k malým změnám otáček motoru a i stavy odpovídající vyřazení rychlostního stupně a volnoběžným otáčkám byly málo pravděpodobné. Na silnici dochází k častějšímu výskytu volnoběžných otáček a celkově dochází k posunu histogramu do oblasti nižších otáček. Na histogramech v obrázku 14 je provedeno obdobné srovnání pro velikost podtlaku v sacím potrubí motoru. Zde je opět možné pozorovat nárůst četnosti volnoběžného režimu na silnici odpovídající podtlaku 0.5 atmosféry. Zároveň je vidět, že odebíraný výkon z motoru na silnici mírně poklesl, protože se celý histogram posunul do oblasti vyššího podtlaku ( menšího plnění ).
Protože histogramy podle jednotlivých měřených parametrů nedávají ucelenou představu o četnosti jednotlivých režimů motoru definovaných současnými hodnotami více parametrů bylo provedeno i vyhodnocení vícerozměrných histogramů. Konkrétně se jedná o vyhodnocení četností režimů definovaných otáčkami motoru podtlakem v sání. Tyto histogramy jsou vyneseny jako 3-D plochy pro jízdu na dálnici a na silnici v grafech na obrázku 15.
při jízdě po dálnici
při jízdě po silnici
Vynesení těchto vzájemných histogramů je již velmi dobrou pomůckou pro vyhledávání nejdůležitějších oblastí pro optimalizaci motoru, protože nejčastěji užívaná mapa předstihu hodnotí režim motoru také podle otáček a velikosti podtlaku. Potom četnosti jednotlivých režimů motoru mohou přímo odpovídat důležitosti jednotlivých buněk mapy předstihu zážehu.
V předchozích kapitolách byly předvedeny teoreticky i prakticky možnosti měření činnosti zážehového motoru. Jak bylo ukázáno mohou získané informace sloužit jak k manuální optimalizaci činnosti motoru tak k automatickému provádění optimalizace na zkušebně nebo i přímo za jízdy vozidla.
Námi navržená a používaná řídící jednotka je schopná sledovat a měřit činnost motoru za provozu. Výkon použitého hardware však neumožňuje automatickou optimalizaci P-V diagramu přímo v jednotce. Jednotka je však vybavena komunikací a ve spojení s přenosným počítačem bude možné dosáhnout automatické optimalizace mapy předstihu z průběžně měřených P-V diagramů a dalších měřených údajů. Dále by bylo možné uvažovat o měření informace z l-sondy a korekci předstihu provádět přímo v jednotce. Do budoucna by systém měl být doplněn i o možnost řízení vstřikování nebo korekci nastavení směšovacího ventilu pro plynové motory.
Ze statistiky provozních režimů motoru lze určit oblasti map předstihu, jejichž optimalizace je pro reálný provoz vozidla nejdůležitější. Pro tyto režimy je pak možné provést důkladnou analýzu a minimalizaci množství produkovaných škodlivin ve zkušebně.
Do budoucna lze uvažovat o použití měřícího systému pro optimalizaci řízení přestavěných autobusových motorů ve zkušebně motorů v Liberci.
Kdyby byl o projekt vážný zájem a bylo by vyřešeno jeho financování, bylo by možné navrhnout výkonnější řídící systém například s mikrokontrolérem 68332 používaným pro řízení motorů v projektu EFI332 viz [21] nebo použít modernější varianty 68376 viz [16]. Pro ještě náročnější aplikace by bylo možné uvažovat o mikrokontrolérech založených na architektuře PowerPC nebo o použití signálového procesoru.
V neposlední řadě bych chtěl poděkovat všem, kteří mi pomohli při návrhu a realizaci experimentů a vývoji řídící jednotky. Zvláště bych chtěl poděkovat
Děkuji mu také za jeho odvahu a pomoc při úpravě hlavy motoru, přípravě a osazování řídící jednotky a čidel na vozidlo a při vlasním provádění experimentů a měření.