Razvoj digitalno upravljanog uređaja za ispitivanje ... - Infoteh

INFOTEH-JAHORINA Vol. 12, March 2013.Razvoj digitalno upravljanog uređaja za ispitivanjepunjenja benzinskih motora sa indirektnimubrizgavanjemIvan Dunđerski, Dalibor Vukić, Dejan Matijević, Vera PetrovićVisoka škola elektrotehnike i računarstva strukovnih studijaBeograd, Srbijaivand@viser.edu.rsdaliborv@viser.edu.rsdejanm@viser.edu.rsvera.petrovic@viser.edu.rsSadržaj – U ovom istraživanju prikazano je projektovanje,konstruisanje i izrada digitalno upravljanog uređaja za kontrolurada brizgaljki oto motora kod ubrizgavanja benzina. U razvojusu korišćena iskustva sa postojećim izvedenim rešenjima u ciljuunapređenja funkcionalnosti uređaja. Izvršena sueksperimentalna ispitivanja uređaja u laboratoriji za motore imotorna vozila Visoke škola elektrotehnike i računarstvastrukovnih studija u Beogradu i priloženi rezultati ispitivanja.Ključne reči – brizgaljke; emisija štetnih gasova; impulsnoširinska modulacija;homogenzacije smeše i temperaturnog polja smeše u radnomprostoru cilindra motora.Za neutralizaciju CO i HC, motori koji rade sa „idealnomsmešom“, λ=1, imaju u izduvnom sistemu tkzv. „trostepene“katalitičke konvertore, a motori koji mogu da rade sasiromačnom smešom, λ>1, imaju i dodatni konvertor zaneutralizaciju azotnih oksida. Na Sl. 1. prikazan je sastavtoksičnih komponenti i ugljen-dioksida u zavisnosti od sastavasmeše. λ.I. UVODMotori sa unutrašnjim sagorevanjem (SUS) uslednesavršenosti procesa sagorevanja imaju u izduvnim gasovimai komponente štetne po zdravlje čoveka i okolinu. Od oko 1%toksičnih komponenti, 70% čini ugljen-monoksid (CO), 20%nesagoreli ugljovodonici (HC) i 10% azotni osidi, uzročnicikiselih kiša. (Sadržaj čestica je zanemarljiv). [1]Pri idealnom (stehiometrijskom, λ=1) sagorevanju fosilnihgoriva dobija se vodena para (H 2 O) i ugljen-dioksid, (CO 2 ).Ugljen-dioksid nije štetan po ljudsko zdravlje, ali učestvuje usmeši gasova koji stvaraju efekat „staklene bašte“ i povećavaglobalno zagrevanje Zemlje.Za sagorevanje sa minimalnom količinom otrovnihkomponenti u izduvnim gasovima i minimumom produkcijeugljen-dioksida potrebno je ostvariti idealan sastav smeše iminimum potrošnje goriva, što postavlja težište kontroleprocesa sagorevanja na ispravan rad brizgaljki. [2]II. EMISIJA ŠTETNIH GASOVASavremen oto motor, upravljan motornim računarom, radi upromenljivim režimima momenta i snage. Veliki moment isnaga, potrebni za ubrzanje vozila i savladavanje velikih otporakretanju dobijaju se bogatom smešom, λ1, kada raste temperatura sagorevanja, usled čeg se stvarajuazotni oksidi. Idealno sagorevanje ne postoji ni sastehiometrijskom smešom, λ=1, zbog nepotpuneSlika 1.Sastav toksičnih komponenti i ugljen-dioksida u izduvnimgasovima u zavisnosti od sastava smeše, λOdređivanje sastava smeše, λ, zavisi, prema tome, odrežima rada motora, a ostvarivanje potrebnog sastava postiže semešanjem vazduha sa gorivom. Parametri sastava smeše sumasa usisanog vazduha i masa ubrizganog goriva po ciklusu.Masa usisanog vazduha (tačnije protok mase, Δm/Δt) merise protokomerom mase vazduha, a masa ubrizganog gorivaodmerava se vremenom ubrizgavanja goriva – „širinomimpulsa“ ubrizgavanja.Merenja i kod novog motora nisu tačna (ne mogu biti), a saeksploatacijom vozila menjaju se radne karakteristike- 1075 -

protokomera i brizgaljki, usled čega dolazi do odstupanja usastavu smeše. Kontrola sastava izduvnih gasova vrši selambda sondom (davač) i sondom za azotne okside. Signali saovih sondi vode se putem povratne sprege u sistemautomatskog upravljanja (SAU) radom motora. Na osnovu ovihsignala vrši se korekcija smeše promenom mase ubrizganoggoriva po ciklusu.Kiseonička sonda generiše signal na osnovu kog seodređuje sa kojim je sastavom smeše motor radio tokomprethodnih nekoliko radnih taktova. Integralna regulacija vodirad motora u prelascima između siromašne i bogate smeše uveoma uskim granicama (Sl. 2). (Iako ime sonde sugeriše dasonda može meriti samo prisutnost kiseonika u izduvnimgasovima, koga ima kod rada sa siromašnom smešom, λ>1,ipak sonda može meriti i nedostatak kiseonika u bogatoj smešisa λ

Laboratorijskim ispitivanjima firme ASNU iz Indijeutvrđeno je da talog od samo 5 mikrometara na površinamaventila i sedišta ventila brizgaljke može da izazove smanjenjeprotoka goriva kroz brizgaljku i do 25%.Za ispitivanje rada brizgaljki razvijen je uređaj kojim sevrši ispitivanje u uslovima sličnim radnim uslovima na motorui utvrđuje ispravnost njihovog rada. Upravljačka komponentauređaja ima mogućnost zadavanja širine (veličina punjenja) iučestanosti (broj obrtaja motora) impulsa ubrizgavanja, kao imogućnost promene pritiska ubrizgavanja.III. UPRAVLJANJE BRIZGALJKAMAUključenje brizgaljki na vozilu najčešće je realizovano takoda je elektromagnet koji otvara ventil brizgaljke jednim krajemvezan na stalni napon instalacije, dok vezu sa masom dobija izračunara. U samom računaru, snažan izlazni tranzistor vezan jena izlazni pin mikrokontrolera, koji tranzistorom upravlja. Priuključenju brizgaljki, tranzistor iz zakočenja prelazi u triodnuoblast pri čemu se modelira kao veoma mala otpornost (sveganekoliko desetina mOhm), pa je i pad napona na njemu mali.[3], [4]Upravljanje tranzistorom koje vrši mikrokontroler najčešćeje PWM – impulsno širinska modulacija. To je načinupravljanja digitalnim kontrolerom, takav, da se amplitudanapona ne menja, već se menja odnos vremena osnovneučestanosti i vremena uključenja izlaza (uređaja). Prilikomprovere ispravnosti brizgaljki na ispitnom stolu, uređaj samikroprocesorskim upravljanjem treba da simulira radbrizgaljki na vozilu, pa je najbolje realizovati upravljanje kao ikod motornog računara, preko PWM-a.Slika 4.Električna šema izlaznog stepena sistema za upravljanje radombrizgaljkiIzlazni stepen uređaja realizovan je pomoću MOStranzistora Q1, kao prekidača pomoću kog se uključujubrizgaljke. Tranzistor BC337 i otpornik R503 služe za davanjei skaliranje napona za uključenje MOS tranzistora (Sl. 4). [5],[6], [7]IV. REALIZOVANANJE PWM POMOĆU MIKROKONTROLERAVećina mikrokontrolera ima ugrađenu funkciju impulsnoširinskog modulatora, pa je izbor mikrokontrolera za zahtevanuprimenu dovoljno veliki. Zbog široke prisutnosti na tržištuodabran je Texas Instuments MSP430F2121 mikrokontroler.Impulsno širinski modulator je zasnovan na tajmer/brojačperiferiji i funkcioniše na istim principima, ali je za razliku odtajmer/brojač-a izlaz PWM funkcije izveden na nožicemikrokontrolera. Impulsno širinski modulator predstavljaunapređenje osnovne tajmer/brojač funkcije i realizuje sepomoću funkcije poređenja, pri čemu se koristi sedam registaraza poređenje (CCR0-CCR7).Primenom sedam registara za poređenje moguće je na šestizlaza generisati PWM signal sa jednom kontrolisanom ivicomili na tri izlaza PWM signal sa dve kontrolisane ivice. Prematome, istovremenu realizaciju većeg broja PWM signalaograničava veličina registra za poređenje, a zatim i brojraspoloživih nožica mikrokontrolera.Za primene u kojima je bitno samo trajanje aktivnogperioda (interval uključenja), a ne i položaj tog intervala unutarosnovne periode, primenjuje se režim rada impulsno širinskogmodulatora sa jednom kontrolisanom ivicom (single edgemode).Prilikom ispitivanja ispravnosti brizgaljki nije neophodnosimuliranje rada motora u pogledu redosleda uključenjabrizgaljki. Ispituje se samo saglasnost izmerenog protoka sadeklarisanim vrednostima u različitim režimima ubrizgavanja.To znači da je u simulaciji dozvoljeno istovremenouključivanje svih ispitivanih brizgaljki. Ovakvu simulacijumoguće je realizovati pomoću samo jednog PWM izlaza urežimu rada sa jednom kontrolisanom ivicom.Algoritam realizovanja zahtevanog PWM signala je sledeći.Koriste se dva registra za poređenje. Jedan registar, CCR0,određuje trajanje PWM ciklusa.U algoritmu realizovanja zahtevanog PWM signala koristese dva registra za poređenje. Kada brojač dostigne vrednostkoja se nalazi u prvom registru, CCR0, izlaz se postavlja nalogičku jedinicu, što odgovara rastućoj ivici PWM signala ibrojač se resetuje. Drugi registar, CCR1 treba da sadrživrednost kojom se određuje pozicija opadajuće ivice PWMsignala. Kada se vrednost brojača izjednači sa vrednošću CCR1na odgovarajući PWM izlaz postavlja se logička nula(opadajuća ivica PWM). U ovom slučaju brojač se ne resetuje,jer ne bi dostigao vrednost CCR0 i ne bi bilo uključenja izlaza.Više PWM izlaza bi u ovoj primeni imalo smisla koristitisamo ako bi uređaj posedovao podsistem za korekcijuubrizganih količina goriva. U tom slučaju bi bilo mogućeodrediti i kolika su odstupanja karakteristika brizgaljki uodnosu na deklarisanu, kao i jedne brizgaljke u odnosu nadrugu. Pri tom bi se koristili dodatni CCR registri zapodešavanje opadajuće ivice, odnosno trajanja uključenja svakebrizgaljke pojedinačno.V. MIKROKONTROLER I FUNKCIJE UPRAVLJANJAIzabrani mikrokontroler je 16-bitne RISC arhitekture.Poseduje 16-bitne registre, 16-bitni tajmer sa sedam registaraza hvatanje i poređenje, analogni komparator i 16 ulaznoizlaznihpinova. Nominalno napajanje je 3V, ali može da radisa naponima napajanja u intervalu od 1,8V do 3,6V. Potrošnjastruje je veoma mala. Maksimalna frekvencija je 16 MHz,radna memorija 4 KB i flash memorija 256 KB.Mikrokontroler se nalazi na zajedničkoj štampanoj ploči saizvodima za displej i tasterima, dok se izlazni stepen zaupravljanje brizgaljkama nalazi na ploči za napajanje. Na pločiza napajanje je i priključak za mrežni napon, kao i priključak- 1077 -

za brizgaljke. Dve ploče su povezane sa tri provodnika, pričemu dva provodnika služe za napajanje, a jedan je zaupravljački PWM signal iz mikrokontrolera, kojim se uključujei isključuje izlazni tranzistor. Na ploči sa mikrokontrolerompostavljena su četiri tastera. Na Sl. 5 je prikazana blokelektrična šema mikrokontrolera.Slika 5.Električna blok šema mikrokontroleraPo startovanju uređaja, na displeju je prikazan poslednjikorišćen režim rada, ako uređaj nije gubio napajanje, iliosnovni režim, ako je uređaj ostao bez napajanja nakonposlednjeg korišćenja. U glavnom meniju moguć je izborosnovne učestanosti upravljačkog signala, što odgovara brojuobrtaja pri radu brizgaljki na motoru. Učestanost je mogućemenjati tako da se dobije komplementarni interval broja obrtajaod 100 do 7000 o/min, sa koracima po 100 o/min. Širinaimpulsa (vreme trajanja ubrizgavanja) menja se u intervalu 0,5do 30 ms sa koracima od 0,5 ms. Vreme ispitivanja podešavase brojem ciklusa uključenja, deobom sa polovinom osnovneučestanosti, što daje trajanje ispitivanja min. [8]Vrednosti se menjaju za po jedan korak na manje ili višepritiskom na taster „+“ i „-“. Kroz meni se kreće „meni“tasterom, a izbor potvrđuje „potvrdi“ tasterom.Postoje i tri predefinisana moda koja simuliraju uobičajenerežime rada brizgaljki na motoru. Ovi režimi su sledeći:1) Prazan hod2) Veliko opterećenje na srednjem broju obrtaja3) Rad na visokim brojevima obrtajaPod režimom tri podrazumeva se funkcionalnost otvaranja izatvaranja brizgaljke u kratkim vremenskim intervalima štoodgovara visokom broju obrtaja.- 1078 -

VI. HIDRAULIČNA INSTALACIJANapajanje mikrokontrolera i izlaznog stepena za uključenjebrizgaljki izvedeno je tako da ima dovoljnu snagu da napaja ipumpu za gorivo.Spoljni izgled uređaja prikazan je na Sl. 6.VII. PRIMENA UREĐAJAU eksperimentu izvšeno je ispitivanje na brizgaljkama saputničkog vozila VW Polo sa trocilindričnim benzinskimmotorom zapremine 1.2 l i kodnom oznakom BME. Ispitivanjeje vršeno pri sledećim vrednostima radnih parametara:1) Pritisak goriva u instalaciji p=3,2 bar2) Broj obrtaja motora n=2500 o/min3) Vreme ispitivanja je t isp =60 s4) Širina impulsa t imp =15 msPrema tehničkoj dokumentaciji proizvođača, nominalnavrednost protoka goriva kroz brizgaljku, pri kontinualnomuključenju iznosi 300 ml/min.Proračunata vrednost protoka za režim ispitivanjabrizgaljke na osnovu nominalne vrednosti je 187 ml/min.Rezultati ispitivanja su prikazani u Tabeli 1.TABELA I.REZULTATI ISPITIVANJA RADA BRIZGALJKIIspitne vrednostiPre čišćenjaPosle čišćenjaPoložajugradnjebrizgaljkeZapreminagoriva [ml]Odstupanje odnom. vrednosti[%]OcenaispravnostiZapreminagoriva [ml]Odstupanje odnom. vrednosti[%]OcenaispravnostiCilindar 1Cilindar 2Cilindar 3163 ml148 ml157 ml-12,8%-20,9%-16,0%neisp. 192 ml 2,7 % isp.neisp. 189 ml 1,1 % isp.neisp. 185 ml -1,1 % isp.Slika 6.Uređaj za kontrolu rada brizgaljki benzinskih motoraZa napajanje brizgaljki gorivom usvojena je pumpa zagorivo Jetronic sistema sa nominalnim pritiskom 5 bar iprotokom 150 l/h. Energiju za rad pumpa dobija iz zajedničkognapajanja el. en. uređaja. Smeštena je u rezervoar sa tečnošćuza ispitivanje, koji se nalazi u kućištu uređaja. Pumpa gumenimcrevima sa oplatom isporučuje gorivo do razvodne cevi nakojoj se nalaze izvodi za svaku brizgaljku posebno, kao i izvodza ventil regulisanja pritiska goriva, jer pumpa nema sopstvenuregulaciju. Za regulisanje pritiska upotrebljen je mali ventil sazavojnim vretenom, koji obara pritisak ispuštanjem goriva izinstalacije. Pritisak se reguliše ručnim okretanjem vretena, aispušteno gorivo vraća u rezervoar. Za kontrolu pritiskaugrađen je u hidrauličnu instalaciju manometar.Neposredno ispred brizgaljki postavljeni su uključnoisključniventili, kojima se brizgaljke mogu pojedinačnouključivati u ispitivanje. Priključci za ispitivanje postavljeni suna zajednički nosač, pomerljiv po vertikalnim stubovima.Nosač ima otvore u koje se umeću brizgaljke i pričvršćujunavrtkama. Gorivo iz brizgaljke tokom ispitivanja se sliva ugraduisane menzure od 250 ml, kojima se ujedno i meri ukupnazapremina goriva koja prođe kroz brizgaljku tokom ispitivanja.Dijagnostičke indikacije.a) Na motoru visok sadržaj ugljen-monoksida iugljovodonika u sastavu izduvnih gasova posledica je lošehomogenizacije smeše u kojoj postoji mnogo lokalnih centarasa bogatom smešom gde je sagorevanje nepotpuno.b) Na brizgaljkama ispitivanje je ukazalo na umanjenprotok goriva kroz brizgaljke do koga dolazi zbog povećanihotpora kretanju goriva. S obzirom da je vozilo prešlo preko180.000km, a nije bilo intervencija na brizgaljkama sumnja jeda je do povećanih otpora došlo zbog taloženja nečistoća i težihfrakcija goriva na mestima unutar brizgaljke gde dolazi donagle promene režima strujanja goriva. Talog u zoni otvora zaubrizgavanje, loše zaptivanje igle brizgaljke i gubitak"odesčnog" otvaranja i zatvaranja otvora iglom prouzrokovaloje loše raspršivanje goriva. Posledica je nedovoljna isparljivostgoriva ubrizganog u cilindar, time i loša homogenizacijasmeše.Izvršeno je čišćenje brizgaljki u ultrazvučnoj kadici.Čišćenjem su otklonjeni talozi nečistoća i brizgaljke vraćene unormalnu funkciju što je na motoru rezultovalo dobromhomogenizacijom smeše, a u brizgaljkama smanjenimotporima kretanju goriva i ispravnom raspršivanju goriva kodubrizgavanja. Smanjenje otpora kretanju goriva kroz brizgaljke- 1079 -

potvrđeno je povećanim protokom goriva kroz brizgaljku zaistu širinu impulsa ubrizgavanja.Na Sl. 7 prikazan je sastav izduvnih gasova pre i posleintervencije na brizgaljkama za motor u praznom hodu,zagrejan na radnu temperaturu. Merenja su izvršena uređajemza analizu izduvnih gasova Bosch BEA350. Sastav izduvnihgasova je meren u izduvnoj cevi ispred katalitičkog konvertora.VIII. ZAKLJUČAKRazvojem novog uređaja opisanog u radu ostvarena jemogućnost aktivne edukacije studenata sa postupkomispitivanja karakteristika rada brizgaljki benzinskih motora.Istovremeno, studenti se upoznaju sa osnovnim principimadigitalnog upravljanja i primenom PWM signala i izmenama(„on-line“) programskog koda mikrokontrolera.Na laboratorijskim vežbama na predmetu „Elektronskisistemi paljenja i ubrizgavanja“ u okviru studijskog programa„Automatika i sistemi upravljanja vozilima“ prilikomkorišćenja uređaja vršena su merenja sastava izduvnih gasovapre i posle intervencije – otklanjanja neispravnosti nabrizgaljkama. Na taj način su direktno dovođene u vezurazličite neispravnosti u radu brizgaljki sa odstupanjem emisiještetnih komponenti izduvnih gasova od nominalnih vrednosti.Slika 7.Sastav izduvnih gasova pre i posle izvršene intervencije nabrizgaljkamaLITERATURA[1] “Bosch Handbook for Gasoline Engine Management”, 2006.[2] “Bosch Automotive Handbook”, 7th Edition, 2007.[3] “Bosch Handbook for Automotive Electrics - Automotive Electronics”,5th Edition, 2007.[4] Ronald K. Jurgen, “Automotive Electronics Handbook”, 2nd Edition,McGraw Hill Professional, 1999.[5] Robert Ericson, Dragan Maksimović, “Fundamentals of powerelectronics”, 2nd Edition, Norwell, Mass: Kluwer Academic, 2001.[6] Dragan Vasiljević, Spasoje Tešić, “Osnovi elektronike”, šesto izdanje,Građevinska knjiga, Beograd, 2008.[7] Slavoljub Marjanović, “Elektronika 1”, Akademska misao, drugoizdanje, 2004.[8] Dalibor Vukić, “Mikroprocesorsko upravljanje sistemom za ispitivanjebrizgača benzinskih motora”, završni rad Visoka škola elektrotehnike iračunarstva strukovnih studija, Beograd, 2011.ABSTRACTThis study presents the design, development andconstruction of digitally controlled device for testing the petrolengine injectors. The experiences from the existing solutionswere used in the development in order to improve functionalityof the device. The device is tested in the Laboratory for enginesand vehicles at the School of electrical engineering andcomputer science applied studies and the accompanying testresults are submitted.Development of a digitally controlled device for testingmanifold injection petrol engines chargeIvan DunđerskiDalibor VukićDejan MatijevićVera Petrović- 1080 -