Absztrakt 1 25,4 74,2 cm 3 lökettérfogatú kétütemű belső égésű motorok benzinbefecskendezőinek tervezése, valamint vezérlése digitális jelprocesszorral Dr. GÁRDUS Zoltán Ph. D. egyetemi adjunktus Miskolci Egyetem Automatizálási Tanszék, Miskolc Egyetemváros (46) - 565-111/17-76 gardus@mazsola.iit.uni-miskolc.hu http://mazsola.iit.uni-miskolc.hu/~gardus A kétütemű belső égésű motorok üzemanyag adagolásának (hideg-melegindítás, hatékonyabb és jobb működés) kutatására, megoldási alternatíváira, valamint a cikk megírására az inspirált, hogy a hagyományos felépítésű karburátorok csak korlátozott pontossággal képesek a motorok különböző üzemállapotaihoz optimálisan szükséges összetételű benzin-levegő keveréket előállítani. A jó hatásfokú energiatakarékos működés, a keverék összetétel pontos szabályozását igényli, viszont ilyen pontosság karburátorokkal nem érhető el. Az üzemanyag pontosabb adagolását benzinbefecskendező alkalmazásával célszerű megoldani. 1. ÜZEMANYAGELLÁTÓ BERENDEZÉSEK ALAPELVEI A benzinmotorok teljesítménye, fajlagos fogyasztása, a kipufogó gázok összetétele jelentősen változik a keverék összetételétől függően. A teljesítmény és a fajlagos fogyasztás változásának jellegét az 1. ábra szemlélteti. Az ábrából az látható, hogy a legnagyobb teljesítmény eléréséhez kissé benzinben dús (α ~ 0,9) keverék szükséges, míg a legkedvezőbb fogyasztást a benzinszegény keverék esetében (α = 1,1 1,3, a motortól és a gyújtóberendezéstől is függően) kapjuk. E két jellemző változásból az a konklúzió vonható le, hogy ha a motor teljes teljesítményére (részterhelési tartomány) nincs szükség, akkor a kedvező fogyasztás érdekében benzinszegény keverékre van igény. Ellenkező esetben, amikor a legnagyobb teljesítményt akarjuk elérni a motornál, akkor a keveréket dúsítani kell. 1. ábra A belsőégésű motor P teljesítményének és a b fajlagos fogyasztásának változása az α légviszony függvényében
2 Az 1. ábra szerinti görbe közelítő számítására, modellezésére, szimulációjára, szukcesszív approximációs eljárással, a belsőégésű motor P teljesítményének és a b fajlagos fogyasztásának, α légviszony függvénykapcsolatának megvalósítására, DELPHI programnyelven szoftvert készítettem, az alábbi bemenő és számított változók esetére [1, 2, 4]: { Bemenő változók megnevezése: v: lökettérfogat; w2: levegősebesség; fordsz: maximális fordulatszám; cp: üzemanyag fajlagos hőkapacitása, állandó nyomáson; uzho: üzemanyag hőmérséklet; uzny: az üzemanyag üzemi nyomása; munkakny: a munkaközeg légköri nyomása; uzsur: üzemanyag sűrűsége; levsur: levegő sűrűsége; levmeny: a fajlagos levegő mennyisége (m 3 /kg); fajllevmeny: a fajlagos levegő mennyisége (kglevegő/kgtüzelőanyag); alfa: üzemanyag fúvóka kiömlési félszög; eta: üzemanyag dinamikai viszkozitása; atomlt: üzemanyag fúvóka átömlési tényezője. Számított változók megnevezése: m: egy ciklusban a hengerben lévő munkaközeg tömege (kg-ban); m1: egy ciklusban a hengerben lévő munkaközeg tömege (g-ban); mb: egy ciklusban a hengerben lévő benzin tömege (kg-ban); vbenzin: egy fordulathoz szukseges benzin terfogat (m 3 -ben); mb1: egy ciklusban a hengerben lévő, benzin tömege (g-ban); f1: üzemanyag fúvóka kiömlő keresztmetszete; f2: égési levegő cső keresztmetszete; fpillango: a levegő cső aktuális keresztmetszete; b: pillangószelep kisebb magasságának fele; szogelf: pillangószelep szögelfordulása, radiánban; szogelffok: pillangószelep szogelfordulasa, fok-ban; vuz: fajlagos üzemanyagmennyiség; vlevego: levegőmennyiség; vlev: fajlagos levegőmennyiség; w1: üzemanyag kilépési sebessége a fúvókán; d1: üzemanyag fúvóka átmérője; nu: kinematikai viszkozitas; Re: Reynolds szám; d2: égési levegő cső átmérője; cv: üzemanyag hőkapacitása, állandó térfogaton; l: üzemanyag fúvóka kiömlő nyílás hossz; c: hőkapacitás. }
3 * Uzemanyag befecskendezo fo mereteinek meghatarozasa! * Maximalis fordulatszam, ford/min :? 6000 Loketterfogat, cm 3 :? 74.2 Uzemanyag homerseklete, K :? 293.15 Az uzemanyag uzemi nyomasa, Pa (N/m 2 ) :? 450000 A munkakozeg legkori nyomasa, Pa (N/m 2 ) :? 100000 Uzemanyag surusege, kg/m 3 :? 760 Uzemanyag dinamikai viszkozitasa, Ns/m 2 :? 0.000261 {373.15 K-en} Az atomlesi tenyezo lehetseges ertekei: 0.94, 0.93, 0.84 Az uzemanyag fuvoka kiomlesi felszog: 40 fok, 33 fok, 55 fok Az uzemanyag fuvoka l/d viszony: 1, 0.8, 3.5 Az uzemanyag atomlesi tenyezoje a fuvokan :? 0.84 Az uzemanyag fufuvoka kiomlesi felszoge :? 55 Fajlagos levego mennyiseg, m 3 /kg :? 11.6 Fajlagos levego mennyiseg, kglevego/kgtuzeloanyag :? 15.137 Levego surusege 293,15 K-en, kg/m 3 :? 1.293 Levego sebessege, m/s :? 5 Uzemanyag fajlagos hokapacitasa, J/kgK :? 2093 * A benzinbefecskendezo fo parameterei! * 1 ciklusban a munkakozeg tomege a hengerben m1 = 4.232 x 10-2 g 1 ciklusban a benzin tomege a hengerben mb = 2.796 x 10-3 g 1 ciklusban a benzin terfogata a hengerben vbenzin = 3.6792 x 10-9 m 3 1 ciklusban a levego terfogata a hengerben vlevego = 3.243 x 10-5 m 3 Uzemanyag mennyiseg vuz = 1.324 x 10-3 m 3 /h Levegomennyiseg vlev = 11.67 m 3 /h Az egesi levego cso maximalis keresztmetszete f2 = 6.487 x 10-4 m 2 Az egesi levego cso maximalis atmeroje d2 = 2.873 x 10-2 m Az uzemanyag fuvokan kilepo sebessege w1 = 29.94 m/sec Az uzemanyag fuvoka keresztmetszte f1 = 1.228 x 10-8 m 2 Az uzemanyag fuvoka atmeroje d1 = 1.250 x 10-4 m Reynolds szam az uzemanyagra vonatkoztatva Re = 1.090 x 10 4 Az uzemanyag fuvoka kiomlo nyilasanak hossza l = 4.377 x 10-4 m
4 *Az uzemanyag es a levego mennyisege kulonbozo fordulatszamokon! * Példaként 4800 ford/min mért értéken számított paraméterek: Fordulatszam fordsz = 4800 ford/min Uzemanyag mennyiseg vuz = 1.059 x 10-3 m 3 /h Levego mennyiseg vlev = 9.341 m 3 /h Aktualis levego cso keresztmetszet, faktualis = 5.189 x 10-4 m 2 A pillangoszelep szogelfordulasa, szogelffok = 36.86 fok 2500 ford/min mért alapjárati fordulatszámon számított paraméterek: Fordulatszam fordsz = 2500 ford/min Uzemanyag mennyiseg vuz = 5.518 x 10-4 m 3 /h Levego mennyiseg vlev = 4.865 m 3 /h Aktualis levego keresztmetszet, faktualis = 2.703 x 10-4 m 2 A pillangoszelep szogelfordulasa, szogelffok = 65.37 fok A fentiekből az következik, hogy az indítás pillanatában a pillangószelep állása a vízszintes síkhoz képest 65,37 fok. A porlasztók kialakításuk szerint nyitott és zárt kivitelűek lehetnek, ami azt jelenti, hogy a fúvókának nincs, ill. van szeleptűje. Én az egyszerű és a biztonságos üzem érdekében, valamint a nyomócső légtelenítési problémáinak kiküszöbölésére, a nyitott fúvóka kivitelt választottam. A fúvóka kialakításokat a 2. és a 3. ábrák szemléltetik [4].
5 2-3. ábra Az üzemanyag fúvóka kialakításának lehetséges alternatívái 2. VEZÉRELT FUNKCIÓK ÉS ÉRZÉKELT JELLEMZŐK A különböző befecskendező rendszerek vezérlési követelményeiből adódik az, hogy az alábbi jeladókra van szükség: 1. a beszívott levegő mennyisége; 2. üzemanyag mennyisége; 3. a levegő ágban elhelyezett fojtószelep helyzete; 4. a motor fordulatszáma. A motor fordulatszámának függvényében, az 1. fejezetben említett szoftver kiszámítja, az üzemanyag és a hozzá tartozó levegő mennyiségét. Tehát a megoldáshoz elegendő a fordulatszám érzékelésére és meghatározására egy inkrementális jeladót felszerelni a motor főtengelyére. A pillanatnyi fordulatszám függvényében, ami a gázkar állásától függ, számítani kell az üzemanyag és a levegő mennyiségét. Ezt egy TEXAS INSTRUMENTS MSP 430 FG-439 típusú digitális jelprocesszor végzi [3]. A vezérlés blokkvázlata a 4. ábrán, a befecskendezés folyamatábrája pedig az 5. ábrákon láthatók.
6 1 Tank 2 Filter 3 Szivattyú 4 Befecskendező szelep 5 Gázkar 8 Levegőszűrő 9 Levegő pillangó szelep 6 Belső égésű kétütemű motor 16 Kipufogó gáz elvezetés 10 Szervo motor 7 Inkrementális jeladó Fordulatszám számláló 13 Kiegészítő hardver UC3770A 11 TEXAS INSTRUMENTS DSP MSP 430-FG439 Microcontroller 15 Tápegység 12 Program Memória Vezérlő Algoritmus 14 MSP 430 IAR Assembler, vagy C Fejlesztői környezet Pillanatnyi fordulatszámhoz tartozó: 1. üzemanyag mennyiség számítása; 2. levegőmennyiség számítása; 3. pillangószelep aktuális helyzetének számítása; 4. korrekció; 5. léptetőmotor aktiválása. 4. ábra A vezérlés blokkvázlata
7 START Input: fordsz Gázkar pozíció jeladó által számlált impulzusszám IF fordsz < 2500 OR fordsz >60000 ford /min Output: fordsz, ford/min Számítás: vuz:=60*fordsz*vbenzin vlev:=60*fordsz*vlevego Számítás: Levegő pillangószelep aktuális helyzetének meghatározása Számítás: Assembly, C vagy DELPHI nyelveken vbenzin, m 3 /h vlevego, m 3 /h Korrekció: Léptetőmotor működtetése Levegő pillangószelep állítása 5. ábra A befecskendezés folyamatábrája
2.1. UC3770A léptető motort vezérlő IC gyári specifikációja Paraméterek: 1. logikai tápfeszültség, VCC: 7 V; 2. kimeneti tápfeszültség, Vm: 50 V; 3. logikai bemenetek (7, 8, 9 Pins): 6V; 4. analóg bemenet (10 Pin): 7 V (VCC); 5. referencia bemenet (11 Pin): 15 V; 6. kimeneti áramok (1, 5 Pins): 1.2 A. 2.2. A/D konverter, a fordulatszám számláló ( inkrementális jeladó ) impulzusainak fogadására 8 A mikrokontroller öt bemenete, 12 + 2 bites A/D konvertert tartalmaz, amik a konverzió végén az Interrupt bitet állítják. A fenti feladat megoldására, az aktuális fordulatszám meghatározására egy A/D konverter bemenetet használok fel. 2.3. Az MSP 430 FG-439 mikrokontroller legfontosabb jellemzői Technikai paraméterek: tápfeszültség tartomány 1,8 3,6 V; áramfelvétel működés közben 250 µa, 1 MHz frekvencián, 3 V tápfeszültség esetében; ortogonális felépítés, 16 bites RISC architektúra, 300 ns utasítás végrehajtási idő; belső frekvencia 100 khz 40 MHz, digitálisan vezérelt Frekvency Locked Loop rendszer; integrált 12+2 bites A/D konverter, 12 csatorna bemenettel, 4 konverziós üzemmóddal; integrált 12 bites Duál D/A konverter. 2.4. Szimulációs eredmények A 6. ábra szemlélteti, a pillanatnyi (üzemi) fordulatszámhoz tartozó aktuális levegőmennyiség számításának jelleggörbéjét. Példaként az ábrán látható 4800 ford/min-hez, 9.3 m 3 /h levegőmennyiség határozható meg számítás útján. 2.5. A levegő pillangószelep korrekciójának számítási algoritmusa Méretezés: V levegő max = w levegő (állandó). A levegő, m 3 /sec; A levegő = d 2 levegő π/4, m 2 ; A pillangószelep = d 2 levegő π cos α / 4, m 2, α: a levegő pillangószelep szögelfordulása; A levegő aktuális = A levegő - A pillangószelep, m 2 ; cos α = 2.b / d levegő ; α = arc cos 2.b / d levegő, a levegő pillangószelep aktuális szögelfordulása.
9 6. ábra A mérési és a számítási eredmények szimulációja 3. ÜZEMANYAG ELLÁTÓ RENDSZER Az üzemanyag ellátó rendszer elemei: 1. üzemanyagtartály; 2. üzemanyag tápszivattyú; 3. üzemanyagszűrő; 4. befecskendező szelep. Az üzemanyagtartály megfelelő az eredeti kiépítésben. Az üzemanyagszűrő (papírszűrő, kereskedelemben kapható) ~ 10 µm finomságú, ami a befecskendező szelep kifogástalan működéséhez tökéletes. Az üzemanyag tápszivattyú felépítését a 7. ábra szemlélteti.
10 A tápszivattyú felépítése [1]: 7. ábra A villamos motorral egybeépített tápszivattyú kialakítása 1. szívóoldal; 2. nyomáshatároló biztonsági szelep; 3. tápszivattyú; 4. a villamos motor forgórésze; 5. visszacsapó szelep; 6. nyomóoldal; 7. a szivattyú forgórésze; 8. görgők. 4. MEGOLDÁSI ALTERNATÍVÁK Jelenlegi és újabb kutatási lehetőségek.: 1. a Single Point központi, szívócsőbe befecskendező rendszert választottam, mivel kutatásaimban kizárólag egy hengeres kétütemű belsőégésű motorok üzemanyag adagolási rendszereivel foglalkozom; 2. ebben a kialakításban a befecskendezés a motor egy forgási ciklusa alatt zajlik le; 3. a befecskendezés elvi vázlatát a 8. ábra szemlélteti; 5 8. ábra 1 levegő; 2 fojtószelep; 3 szívócső; 4 befecskendező szelep; 5 motor; 6 benzin
4. újabb kutatási lehetőségeket kínál a motor kenési rendszerének tervezése, kialakítása; 5. üzemanyag-kenőolaj keveréket fecskendezünk be; 6. benzint fecskendezünk be, ebben az esetben a forgattyús házat félig olajjal töltjük fel és a forgattyús ház legmélyebb pontján olajleeresztő nyílást alakítunk ki; 7. a 6. pontban említett módszer: a forgattyús tengely és a hajtókar közötti siklócsapágy; a dugattyú csapszeg és a hajtókar közötti siklócsapágy; a dugattyú külső palástjának és a henger falának kenését oldja meg; 8. az egyre szigorodó környezetvédelmi és üzemanyag fogyasztási követelmények megkövetelik a a benzinbefecskendezők alkalmazását, melyekkel ~ 10 20 - os fogyasztás megtakarítás érhető el. 5. KONKLÚZIÓK 11 a fentiekben közölt kutatási, számítási, szimulációs és vizsgálati eredményeim egyértelműen bizonyítják azt a tényt, hogy az MSP 430 FG-439 típusú TEXAS INSTRUMENTS gyártmányú digitális jelprocesszor alkalmas az eddigi széles körben felhasznált alkalmazásokon kívül, pl. belsőégésű motorok üzemanyag adagolási rendszereit megvalósító vezérlési/szabályozási feladatok ellátására; a kétütemű motorok karburátorainak problémái (hideg/melegindítás) kiküszöbölhetőek automatizált működésű befecskendező szeleprendszer (üzemanyag/levegő) együttes alkalmazásával. 6. IRODALOMJEGYZÉK [1] Dr. Hodvogner László: Autó-villamosság Autóelektronika benzinbefecskendezők, elektronikus gyújtás, Katalizátorok, Szolgáltatások Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1993. [2] Dipl.-Ing. Christian Müller Doz. Dr. sc. techn. Friedrich Müller: Kraftfahrzeugvergasser und Benzineinspritzung 4., stark bearbeitete Auflage VEB VERLAGTECHNIK BERLIN, 1989.- 296 S: 299 Bilder ISBN 3-341-00280-4 NE: Müller, Friedrich [3] www.ti.com//texas cég honlapja [4] Dr: Farkas Ottóné: Ipari kemencék tüzeléstani számításai ISBN 963 18 2614 7 Tankönyvkiadó, Budapest 1990