Jste zde

Použití NI Engine Control pro analýzu běhu motoru s alternativním palivem

Reed Hanson - University of Wisconsin-Madison, 28. Listopad 2014 - 0:00

S pomocí NI Engine Control System (NI ECS) byla na univerzitě ve Winsconsinu vytvořena řídicí jednotka pro výzkum nového motoru používající dva typy paliva a možností spalování při nízkých teplotách.

Výzkumné centrum motorů na University of Wisconsin-Madison, špičkové výzkumné univerzitě, pracuje na snižování emisí a zvyšování účinnosti motorů s vnitřním spalováním už od poloviny 40. let minulého století. Mezi aktuálně zkoumaná témata patří pokročilé režimy spalování, jako je například spalování při nízkých teplotách (low-temperature combustion – LTC).

Zvyšování teplotní účinnosti motoru a snižování emisí

Cílem našeho současného projektu je prozkoumat chování spalování LTC v ustáleném i přechodovém stavu se sledováním výsledných výfukových emisí a teplotní účinnosti. LTC může být metodou pro omezení škodlivých výfukových zplodin z dieselových motorů a udržení teplotní účinnosti.

Spalování RCCI

Existuje mnoho typů LTC, ale aktuálně zkoumaným režimem je reaktivně řízené kompresní vznícení (reactivity controlled compression ignition – RCCI). Výzkumníci ve výzkumném centru motorů vyvinuli RCCI, nový režim spalování s dvojím druhem paliva. RCCI umožňuje dosáhnout nízkých emisí NOx a PM v široké části provozního rozsahu motoru a zároveň zvýšit jeho teplotní účinnost. Předchozí výzkum probíhal při stavech s konstantní rychlostí či zátěží motoru, ale cílem aktuálního výzkumu je ukázat chování RCCI při přechodech mezi těmito stavy.

Specifické potřeby RCCI

Potřebovali jsme plně flexibilní řídicí jednotku ECU, která by dokázala fungovat s více vstřikovacími systémy a v mnoha nestandardních konfiguracích, abychom mohli na výzkumném testovacím stanovišti motorů využívat neobvyklé spalovací režimy, jako je například RCCI. Výzkumné aplikace v minulosti typicky používaly standardní či modifikované ECU, to bylo ale pro náš projekt nepřijatelné. RCCI je způsob spalování s dvojím druhem paliva, proto jsme do standardního dieselového motoru se vstřikováním common rail potřebovali přidat nepřímé vstřikování (PFI) benzínu.

Kromě toho, protože je testovací motor založený na sériově vyráběném víceválcovém motoru, bylo potřeba také ovládat širokou škálu teplotních a tlakových senzorů. Žádný jiný komerčně dostupný software nedokáže ovládat víceválcový motor a zároveň řídit elektromagnetické vstřikování s vysokými proudy v moderním dieselovém motoru s common rail. Protože způsoby spalování LTC a RCCI mohou být méně stabilní, než tradiční spalovací režimy, potřebovali jsme řídit jednotlivé fáze spalování na úrovni jednotlivých cyklů, což pro současný komerčně dostupný software představovalo další omezení.

Konfigurace motoru

Experimenty jsme prováděli na vznětovém motoru s objemem 1,9 litrů vybaveném turbínou s proměnnou geometrií, recirkulací spalin s chlazením (EGR) a s proměnným vírovým číslem. Podrobné specifikace jsou na obr. 1. Použili jsme standardně vyráběný hardware, s výjimkou mezichladiče a ECU jednotky, a s přidáním systému nepřímého vstřikování PFI. Obr. 2 ukazuje upravené sací potrubí.

Typ motoru	Euro 4 Diesel
Průměr válce	82 mm
Zdvih	90,4 mm
Objem	1,9 l
Konfigurace válců	4 v řadě 4 ventily na válec
Vírové číslo tečné rotace	proměnné (2,2 až 5,6)
Kompresní poměr	17,5:1
Turbo	VGT
EGR	Hybridní vysoký/nízký tlak, s chlazením
Vstřikování common rail	148°, 7 otvorů, průtokové číslo 440
Nepřímé vstřiky	Stabilní průtok 2,27 g/s tlak paliva 400 kPa

Obr. 1: Specifikace motoru

Obr. 2: Upravené sací potrubí s přidaným nepřímým vstřikováním

Obr. 3: Schéma 1,9 l víceválcového motoru

NI Engine Control System

Kvůli režimu RCCI jsme nahradili standardní jednotku ECU jednotkou NI ECS. Tuto změnu jsme provedli, abychom získali plný přístup ke všem akčním členům v motoru, zároveň mohli řídit přídavné nepřímé vstřiky, a aby tak motor fungoval v režimu RCCI. Na rozdíl od většiny standardních ECU jednotek umožňuje NI ECS přístup ke všem mapám motoru a dalším řídicím parametrům a jejich modifikaci v reálném čase.

NI ECS zahrnuje kontrolér na bázi PXI, který umožňuje plné řízení časování a tlaku vstřikování, otevírání ventilu EGR, pozice VGT a dalších parametrů, které musejí být upravovány při aplikaci různých způsobů spalování či řízení. Prováděli jsme záznam těchto parametrů, stejně jako dalších příkazů a naměřených hodnot používaných v ECU jednou při každé otáčce hřídele. Získali jsme tak přehled o stavu řídicího systému a doplnili data získávaná z dalších externích čidel. Dodatečné laboratorní parametry jsme zaznamenávali s pomocí sběru dat na bázi systému NI SCXI.

Obr. 4: Laboratorní sestava pro sběr dat

Výsledky

S použitím jednotky NI ECS jsme mohli zkoumat RCCI spalování při různých rychlostech a různém zatížení motoru, s fosilními i s bio palivy. Systém NI ECS nám pomohl prozkoumat spalování RCCI s takovou přesností, která je nesrovnatelná s žádnou jinou řídicí jednotkou, kterou jsme našli, a to díky své schopnosti ovládat oba vstřikovací systémy a všechny akční členy v motoru a implementovat tak řízení následujícího cyklu.

Kromě funkce pro řízení následujícího cyklu v systému nám NI ECS umožnila ještě přesnější řízení spalovacího procesu za ztížených podmínek, jako je zahřívání motoru a změna rychlosti a zatížení. Dokázali jsme dokonce přepínat spalovací režimy v reálném čase.

Výhody systému NI ECS nám pomohly ukázat, že teplotní efektivita motoru vzrostla o 15 procent a škodlivé emise NOx a PM se snížily průměrně o více než 90 procent pro většinu provozních podmínek.

Budoucí aplikace

Na testovacím stanovišti motoru jsme měli s používáním softwaru od NI takový úspěch, že vyvíjíme podobný kontrolér založený na PXI, který by byl používán v sériově vyráběném hybridním voze se spalováním RCCI. Laboratorní kontrolér NI ECS s řízením následujícího cyklu nám pomůže implementovat spalování RCCI od laboratorních zkoušek až po nasazení do vozidla rychleji a snadněji.