Główne założenia systemu

Standardowe systemy sterowania układem wtryskowym stosowanym w silnikach wysokoprężnych bazują na różnego rodzaju czujnikach podających informacje o istotnych z punktu widzenia celów sterowania wskaźnikach pracy silnika. Określenie niektórych warunków pracy silnika odbywa się w sposób bezpośredni, dzięki informacji przesyłanej do sterownika zawartymi w sygnałach elektrycznych z czujników np. temperatury, ciśnienia, przepływu gazów (powietrza, spalin), składu spalin (sonda λ, czujnik NOx). Niektóre czuj-niki pozwalają na określenie położenia elementów silnika (wału korbowego, wałka rozrządu), bądź zmian położenia w czasie (prędkość obrotowa). Wiele istotnych wskaźników pracy silnika jest jednak określanych w sposób pośredni z wykorzystaniem sygnałów zamontowanych sensorów. Zachodzi to dzięki zastosowaniu odpowiednich algorytmów uwzględniających zależności pomię-dzy wybranymi parametrami pracy silnika, a interesującymi ze względu na oce-nę pracy silnika i sterowanie silnikiem parametrami czy wskaźnikami. Wymie-nione parametry pracy silnika są najczęściej określane poza najistotniejszym miejscem, jakim jest komora spalania.

Istotnym ze względu na analizę pracy silnika jest przebieg ciśnienia we-wnątrz cylindra, którego odpowiednie kształtowanie wpływa na szereg ważnych aspektów pracy silnika

 wskaźniki ekologiczne – emisja substancji gazowych i cząstek stałych,  wskaźniki ekonomiczne – zużycie paliwa, trwałość, niezawodność,  wskaźniki związane z komfortem użytkowania – emisja hałasu oraz drgań.

Ze względu więc na bezpośredni wpływ przebiegu procesu spalania, na wiele istotnych aspektów jego pracy korzystne jest monitorowanie procesów zachodzących w cylindrze [3, 13, 22, 24, 31, 54, 61, 71].

Pomiar i analiza przebiegu ciśnienia w cylindrze jest bardzo istotna ze względu na znaczną liczbę czynników wpływających na proces spalania. Spo-śród nich największy wpływ wywierają:

 masa, kąt wyprzedzenia i podział dawki paliwa na fazy,

 własności wtryskiwanego paliwa (sposób rozpylenia, wielość kropel paliwa),  własności powietrza docierającego do cylindra (ciśnienie, temperatura,

wil-gotność),

Analiza wpływu wybranych czynników na przebieg ciśnienia w cylindrze została przeprowadzona przez wielu badaczy [3, 13, 22, 24, 31, 54, 60, 61]. Przykładowy wpływ wielkości dawki paliwa oraz stopnia recyrkulacji spalin przedstawiono na rys. 8.1 oraz 8.2

Rys. 8.1. Wpływ wielkości dawki paliwa na przebieg ciśnienia indykowania [22]

Rys. 8.2. Wpływ stopnia recyrkulacji spalin na przebieg ciśnienia indykowania [22]

Zarejestrowane różnice w przebiegu ciśnienia w cylindrze są istotne dla różnych stopni recyrkulacji spalin (rys. 8.2), ale największe znaczenie wykazuje sterowanie wtryskiem dawki paliwa (rys. 8.1). Istotna jest tutaj nie tylko wiel-kość dawki paliwa, ale także jej podział na fazy [11, 13, 22, 28, 48, 61].

Ocena jakości procesu spalania może następować dzięki obserwacji prze-biegu ciśnienia w cylindrze bądź też analizie obrazu procesów zachodzących w cylindrze. Analizowanie obrazu procesów spalania wiąże się jednak ze znacz-nym skomplikowaniem i zwiększeniem kosztów całego systemu sterowania. Dodatkowo dochodzą tutaj wątpliwości co do wystarczającej trwałości elemen-tów takiego systemu (głównie czujników obrazu/kamer). Z tego względu przy współczesnym zaawansowaniu techniki pomiarowej oraz możliwości jej eko-nomicznego zaaplikowania do seryjnych zastosowań, najkorzystniejszym roz-wiązaniem pozwalającym na śledzenie zmian zachodzących w komorze spalania jest uzupełnienie systemu sterowania o czujnik ciśnienia wewnątrz cylindra [36, 39, 38, 55, 72].

Koncepcja otwartego systemu sterowania umożliwiającego realizację zaa-wansowanych funkcji sterowania opartych na analizie wybranych dodatkowych sygnałów pomiarowych pozwala na etapie projektowania systemu sterowania wyłonienie najkorzystniejszych konfiguracji systemu oraz ewentualne jego póź-niejsze modyfikacje.

Monitorowanie procesu spalania w każdym z cylindrów wielocylindrowego silnika spalinowego jest możliwe i korzystne ze względu na możliwość wystę-powania odmiennych warunków w każdym z cylindrów. Wiąże się to jednak ze znacznym skomplikowaniem i podniesieniem kosztów całego systemu sterowa-nia. W celu uzyskania systemu zwiększonych możliwości odnośnie sterowania przy niewielkim wzroście kosztów całego systemu sensowne wydaje się być zastosowanie jednego czujnika ciśnienia P (rys. 8.3) umieszczonego w wybra-nym cylindrze wielocylindrowego silnika.

Rys. 8.3. Koncepcja otwartego systemu sterowania wtryskiem paliwa

Różnice pomiędzy przebiegiem procesu spalania w poszczególnych cylin-drach mogą wynikać z wielu czynników. Jednym z istotnych aspektów jest funkcjonowanie poszczególnych elementów układu wtrysku paliwa związane z charakterystyką poszczególnych sekcji tłoczących i wtryskiwaczy wynikają-cym z tolerancji wykonania bądź też czynników eksploatacyjnych. W rezultacie możliwe jest wystąpienie sytuacji znacznej różnicy pomiędzy sposobem daw-kowania paliwa do poszczególnych cylindrów. Optymalne działanie wszystkich elementów układu wtryskowego pozwala na uzyskanie stabilnej pracy silnika na biegu jałowym oraz ograniczenie emisji substancji gazowych i cząstek stałych, ale równocześnie umożliwia również uzyskanie wysokich wartości maksymal-nej mocy i momentu obrotowego silnika. W celu monitorowania

równomierno-silnik ECU P S W pompa wtryskowa I 1 I 2 I 3 I 4 CPAMM czujniki aktuatory SFA

ści i powtarzalności pracy silnika postanowiono wyposażyć układ sterowania silnika w dodatkowy czujnik. Uzupełnieniem całego systemu jest czujnik pręd-kości obrotowej silnika o wysokiej rozdzielczości. Zastosowanie czujnika o wy-sokiej rozdzielczości zapewni możliwość monitorowania fluktuacji prędkości obrotowej silnika podczas jego pracy w warunkach quasi-stacjonarnych.

Analiza sygnałów z czujnika ciśnienia spalania wybranego cylindra jest możliwa dzięki modułowi CPA (Combustion Process Analysis), zaś zmiany prędkości obrotowej silnika monitoruje inny moduł SFC (Speed Fluctuation Analysis). Oba rozważane dodatkowe moduły komunikują się ze sterownikiem silnika ECU (Electronic Control Unit), umożliwiając realizowanie zadanej stra-tegii sterowania dzięki regulacji poszczególnych aktuatorów, a w szczególności sterowania układem wtryskowym wyposażonym w elementy układu wtrysko-wego I1- I4 odpowiedzialne za dawkowanie paliwa do cylindrów.