WPŁYW STEROWANIA POŁOŻENIEM
PRZEPUSTNICY NA EMISJĘ SUBSTANCJI SZKODLIWYCH
Szymon Kołodziej
1a, Krystian Hennek
1b, Jarosław Mamala
1c1Katedra Pojazdów, Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska
as.kolodziej@po.opole.pl, bk.hennek@po.opole.pl, cj.mamala@po.opole.pl
Streszczenie
Podstawowe parametry silnika pracującego w fazach przyspieszania i zwalniania różnią się od tych wyznaczanych podczas jazdy ze stałą prędkością. Nieregularna wartość podciśnienia generowanego przez wolnossący silnik o zapło- nie iskrowym wymaga stałego korygowania kąta uchylenia przepustnicy w celu zapewnienia żądanej masy powietrza dostarczanego do silnika. Zbyt gwałtowne zmiany podczas regulacji wskutek zmiennych stanów pracy niekorzystnie wpływają na emisje szkodliwych substancji. Nieodpowiednia reakcja układu elektronicznie sterowanej przepustnicy może znacząco pogorszyć parametry emisji spalin silnika. Realizując badania, przeprowadzono symulację nume- ryczną realizacji różnych profili prędkości różnymi sposobami sterowania przepustnicą. Podczas badań skupiono się na analizie emisji substancji szkodliwych.
Słowa kluczowe: elektronicznie sterowana przepustnica, emisja szkodliwych substancji, prędkość uchylenia prze- pustnicy, stany nieustalone
THE EFFECT OF THROTTLE POSITION CONTROL ON SI ENGINE EMISSION EXHAUST POLLUTION
Summary
Basic engine operating parameters are significantly different at steady and non-steady states. Irregular value of vacuum generated by the engine necessitates constant corrections of throttle position to ensure delivery of correct mass of air delivered to the engine. Overtly rapid changes during regulation in non-steady states negatively affect harmful substance emissions. Incorrect response of electronic throttle control system can significantly degrade engine emission parameters. Research regarding realization of different velocity profiles and drivetrain types was conducted in this work by means of numerical simulations. Research was conducted for different throttle control strategies.
During the research, the authors have focused on harmful substance emissions.
Keywords: electronic throttle control, harmful substance emission, throttle velocity, non-steady states
1. WSTĘP
Popularnym wśród producentów sposobem określania pa- rametrów silnika spalinowego jest osiągana przez niego moc maksymalna. Chwilowa moc silnika zależna jest od masy powietrza dostarczanego do cylindrów – tak zwa- nego stopnia napełnienia. Budowa układu dolotowego ogranicza jednak swobodę przepływu, a elementy takie jak filtr powietrza, kanały o określonym przekroju i kie- runku, a także kształt zaworów dolotowych w znacznym stopniu zmniejszają maksymalny możliwy przepływ.
współczynnik napełnienia cylindrów, który możemy wy- razić stosunkiem masy ładunku dostarczonego do cylindra silnika do masy teoretycznej, która mogłaby przy zacho- waniu takiego samego ciśnienia wypełnić całą objętość ko- mory spalania.
Przedział maksymalnej wartości mocy nie jest jednak ob- szarem często wykorzystywanym podczas realizacji złożo- nych profili prędkości, a używa się go jedynie podczas in- tensywnego przyspieszania lub jazdy z dużą prędkością.
stanowiskowych w tzw. syntetycznych cyklach jezdnych, wykorzystywana jest jedynie część mocy silnika. Dlatego w obszarach charakterystyki pracy silnika, gdzie nie za- chodzi potrzeba wykorzystania mocy w pełnym zakresie, ogranicza się jej wartość za pomocą zmniejszenia stopnia napełnienia cylindrów. Elementem klasycznego układu dolotowego powodującym największe dławienie prze- pływu jest przepustnica w kolektorze dolotowym, która poprzez kątowe ustawianie przegrody względem kierunku ruchu powietrza zwiększa opór jego przepływu, co widać na rys. 1.
Rys. 1. Współczynnik napełnienia cylindra w zależności od kąta uchylenia przepustnicy i prędkości obrotowej [10]
Na rys. 1 przedstawiono zależność współczynnika napeł- nienia w zależności od kąta uchylenia przepustnicy i pręd- kości obrotowej. Zauważa się wyraźną zależność współ- czynnika napełnienia od prędkości obrotowej przy stałym uchyleniu przepustnicy. Szczególnie dla wyższego zakresu prędkości obrotowej wału korbowego zaobserwować można znaczne zmniejszenie współczynnika napełnienia cylindra, a także dla uchyleń przepustnicy w zakresie od 0% ÷ 50% różnice współczynnika napełnienia zmieniają się bardzo znacząco. Duże rozbieżności współczynnika na- pełnienia cylindra w dolnym zakresie uchylenia przepust- nicy mają szczególne znaczenie w sterowaniu mocą silnika z uwagi na fakt, że ten zakres jest najczęściej wykorzysty- wany podczas realizacji jazdy swobodnej samochodem.
Rys. 2. Czasowy przebieg uchylenia przepustnicy podczas jazdy:
a) ekonomicznej, b) dynamicznej
Na rys. 2 przedstawiono zakresy procentowych zmian uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym podczas realizacji dwóch odmiennych stylów jazdy samochodem.
W stylu jazdy ekonomicznej wyraźnie zaobserwować można, że przebiegają one w zakresie małych wartości uchylenia przepustnicy. Jednocześnie przepustnica jest najmniej używana w zakresie uchylenia od 50% ÷ 100%.
W przypadku realizacji stylu jazdy dynamicznej pełne uchylenie przepustnicy (100%) jest zrealizowane w ponad 15% czasu jazdy samochodem analizowanego odcinka drogi. Pozostałe zakresy uchylenia przepustnicy w anali- zowanych stylach jazdy są zmienne, a ich wartości pre- zentowane na wykresach są uwarunkowane zmiennymi sytuacjami w ruchu drogowym, takimi jak infrastruktura drogowa czy inni użytkownicy ruchu, do których należy dostosować prędkość poruszającego się samochodu.
Najstarszymi konstrukcjami sterującymi ilością powietrza są gaźniki, posiadające suwakową przepustnicę.
Rys. 3. Gaźnik z suwakową przepustnicą
Gaźniki obok regulacji ilości zasysanego powietrza daw- kują także paliwo potrzebne do stworzenia mieszanki pal- nej. Zwężka w części przelotowej gaźnika powoduje zmniejszenie ciśnienia zasysanego powietrza, co skutkuje zassaniem paliwa przez dyszę o średnicy dopasowanej do ilości paliwa potrzebnego do zasilenia silnika.
W konstrukcjach układów zasilania, w których paliwo jest dozowane przez układ wtryskowy (jednopunktowy lub wielopunktowy), urządzeniem dozującym powietrze jest przepustnica z tzw. klapą motylkową. Duża wrażliwość zmian współczynnika napełnienia dla małej wartości uchylenia przepustnicy skłoniła konstruktorów do zasto- sowania rozwiązania dwuprzepustnicowego, w którym po- czątkowo uchyla się jedna przepustnica (często o mniej- szej średnicy), a druga dopiero przy częściowym odsłonię- ciu kanału dolotowego pierwszej przepustnicy.
Rys. 4. Dwukanałowa przepustnica sterowana mechanicznie Rozwiązanie przedstawione na rys. 4. ułatwiało sterowanie mocą silnika w układach mających mechaniczne połączenie przepustnicy z pedałem przyspieszenia. Stosowanie dwóch różnych przepustnic przestało być konieczne, gdy zastosowano elektryczny na- pęd przepustnicy, początkowo w zakresie niewielkich uchyleń, regulując jedynie bieg jałowy, a następnie w całym zakresie uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym silnika. Zastosowanie napędu elektrycznego umożliwiło powtarzalne i prezyzyjne sterowanie uchy- leniem nawet w małym zakresie pracy przepustnicy.
Rys. 5. Elektronicznie sterowana przepustnica
Obecne możliwości technologiczne pozwalają na całkowite wyeliminowanie przepustnicy nawet w silnikach o zapłonie iskrowym. Silniki wyposażone w układ roz- rządu, mający niezależne sterowanie zaworów np. EMV [2,7], mają możliwość sterowania masą powietrza bez two- rzenia niekorzystnych oporów przepływu w układzie do- lotowym. Jednakże pomimo takich rozwiązań przepust- nica jest nadal dominującym rozwiązaniem i ciągle jest wykorzystywana do regulacji mocy silnika [4].
Na stopień napełnienia świeżym ładunkiem powietrza do cylindra silnika, obok wspomnianych powyżej czynników takich jak np. prędkość obrotowa i otwarcie przepustnicy, mają wpływ jeszcze inne czynniki, a mianowicie:
• systemy doładowania,
• dopływ dodatkowego powietrza doprowadzonego po- przez systemy stabilizacji biegu jałowego,
• faza otwarcia zaworów,
• długość rezonansowa kolektora dolotowego,
• stopień recyrkulacji spalin,
• system doprowadzenia par paliwa do filtra z węglem aktywnym,
• system odprowadzenia gazów i par z układu odpowie- trzenia skrzyni korbowej.
W budowie starszych układów zasilania silników prze- pustnica w kolektorze dolotowym jest mechanicznie połą- czona z pedałem przyspieszenia, dzięki czemu to kierowca pojazdu w pełni decyduje o stopniu jej uchylenia. Podczas jazdy ze stałą prędkością, gdy warunki pracy zbliżone są do stanu ustalonego, nie wpływa to w znaczącym stopniu na parametry pracy silnika. Praca w stanach nieustalo- nych (np. rozpędzanie pojazdu) w znaczący sposób zależy od sposobu sterowania pedałem przyspieszenia przez kie- rowcę, szczególnie w zakresie częściowych obciążeń.
W nowoczesnych układach zasilania, w których zastoso- wano elektryczny napęd przepustnicy, sygnał z pedału przyspieszenia przekazywany jest przez ECU silnika na układ wykonawczy elektronicznej przepustnicy. Jednak ECU silnika, po uwzględnieniu informacji z innych czujników, może wysterować inne wychylenie przepustnicy niż wynika ono z położenia pedału przyspie- szenia.
2. ELEKTRONICZNIE STEROWANA PRZEPUSTNICA
Praca silnika w stanach nieustalonych sprawia znacznie większe problemy w sterowaniu ilością doprowadzonego powietrza niż podczas pracy przy ustalonych parame- trach. Powszechny jest fakt, że kierowca pojazdu w celu uzyskania możliwie największego przyspieszenia ustawia pedał przyspieszenia w maksymalnym położeniu, jednak rozwiązanie takie nie wpływa korzystnie na ilość ładunku doprowadzonego do cylindrów [6]. Korzystniej- szym rozwiązaniem, szczególnie dla mniejszych wartości prędkości obrotowej, jest ograniczenie w pewnym stopniu uchylenia przepustnicy, powodując tym samym polepsze- nie osiągów silnika. O ile większość kierowców nie przy- kłada do tego większej uwagi, o tyle układy sterowane elektronicznie dobierają precyzyjnie stopień napełnienia cylindrów w zależności od zapotrzebowania dla danego stanu pracy silnika.
Ruch elektronicznie sterowanej przepustnicy realizowany jest za pomocą elektrycznego silnika krokowego bądź sil- nika prądu stałego wraz z przekładnią mechaniczną. Do prawidłowego działania przepustnicy niezbędny jest nad- miar siły napędowej, który obok pokonania oporów sprę- żyny zwrotnej, czy też oporów aerodynamicznych związa- nych z przepływem powietrza przez częściowo uchyloną przepustnicę, musi zapewnić wystarczające przyspieszenie i opóźnienie ruchu przepustnicy. Zastosowanie takiego układu pozwala na kształtowanie dowolnej zależności po- między kątem uchylenia przepustnicy a położeniem pe-
poprawnych parametrów pracy przepustnicy przez ste- rownik, obok informacji o położeniu pedału przyspiesze- nia, który stanowi informację o tym, z jaką intensywno- ścią chce przyspieszać kierowca, niezbędne są informacje o pracy wszystkich podzespołów silnika. Wartości takie jak temperatura, ciśnienie lub strumień powietrza w ukła- dzie dolotowym, wartość współczynnika lambda w spali- nach czy prędkość obrotowa silnika determinują dobie- rany przez sterownik kąt uchylenia przepustnicy [5].
Podczas eksploatacji samochodu w cyklach miejskich sil- nik bardzo często pracuje z częściowym obciążeniem lub na biegu jałowym przy przymkniętej przepustnicy [8]. Za- stosowanie elektronicznego sterowania pozwala na wyeli- minowanie dodatkowego układu utrzymywania biegu ja- łowego silnika. Elektroniczne sterowanie pozwala bowiem regulować prędkość obrotową biegu jałowego za pomocą zmian uchylenia przepustnicy bez potrzeby uciekania się do zaworu obejściowego. Zbyt mała prędkość obrotowa biegu jałowego obok nierównomierności pracy silnika po- woduje także trudne warunki spalania, co negatywnie wpływa na emisję szkodliwych substancji w spalinach do środowiska. Ilość mieszanki paliwowo-powietrznej po- trzebna do zasilenia silnika podczas pracy na biegu jało- wym uzależniona jest od wielu czynników. Temperatura silnika i doprowadzonego powietrza, stan silnika oraz jego obciążenie generowane przez urządzenia pomocnicze (al- ternator, wspomaganie kierownicy, klimatyzacja itp.) mogą mieć wyraźny wpływ na pracę na biegu jałowym.
Sterujący przepustnicą ECU silnika uwzględnia wszystkie wyżej wymienione parametry i wprowadza odpowiednie korekty, będące kompromisem pomiędzy małą wartością zużycia paliwa a poprawną pracą silnika.
Elektronicznie sterowana przepustnica realizuje polecenia z układu ECU silnika, wykonując ruch roboczy przepust- nicy, zwiększając jej uchylenie. Jednocześnie dzięki ścież- kom rezystancyjnym, w które jest ona wyposażona, wy- syła sygnał zwrotny z informacją o swoim aktualnym po- łożeniu. W celu zapewnienia większej dokładności po- miaru oraz zapobiegania negatywnym skutkom awarii stosuje się dwie ścieżki rezystancyjne, a przez sterownik analizowany jest sygnał różnicowy [1]. Długotrwała praca czujnika położenia przepustnicy powoduje zużywanie się jego ścieżek, z czego wynika zmiana ich rezystancji. Aby zapobiec związanymi z tym faktem niedokładnościami w działaniu układu, stosowane są tzw. „zderzaki”, o które opiera się mechanizm przepustnicy przy każdym unieru- chomieniu silnika, ustalając tym skrajne położenia.
3. WYNIKI BADAŃ
Badania opisane w niniejszej publikacji zostały wykonane metodą symulacji stanowiskowej z zastosowaniem metod numerycznych. Jednak dane opisujące silnik spalinowy o zapłonie iskrowym, w postaci jego charakterystyk pręd- kościowych, pochodzą z pomiarów stanowiskowych silnika
o objętości skokowej 1600cm3 z pośrednim wtryskiem pa- liwa, wyznaczonych za pomocą hamowni silnikowej w ustalonych warunkach pracy. Zebrane wyniki pomia- rów na hamowni silnikowej umożliwiły stworzenie pełnej i częściowej charakterystyki mocy silnika, która po prze- kształceniu i zapisaniu jej w formie macierzy posłużyła do stworzenia wirtualnego silnika w pamięci symulatora [5].
Pomimo, że jest to charakterystyka statyczna mocy, skła- dająca się z 121 punktów węzłowych w zakresie prędkości obrotowej od 800 do 6000 obr/min z mechanizmem za- gęszczenia pomiędzy punktami węzłowymi, to nie od- zwierciedla ona warunków zmiennego obciążenia silnika i chwilowych zmian jego stanu. W ten sposób wygenero- wano charakterystyki ogólne oraz emisyjne silnika obej- mujące emisję substancji szkodliwych badanego silnika.
Zaletą tak określonego zestawu charakterystyk silnika jest posiadanie jego wzorca, który umożliwia jego wielokrotne i powtarzalne wykorzystanie do badań symulacyjnych przy użyciu technik numerycznych. W ten sposób moż- liwe jest badanie wirtualnego pojazdu w określonych pro- filach prędkości liniowej pojazdu. Takiej możliwości nie ma w badaniach eksperymentalnych, ponieważ dużą trud- ność sprawia utrzymanie przez badacza identycznego spo- sobu sterowania pedałem przyspieszenia oraz przełoże- niami układu napędowego w każdej próbie drogowej. Błąd ten eliminuje się częściowo przez zastosowanie badań sta- nowiskowych na hamowni podwoziowej. Wówczas badacz ma możliwość skupienia się na śledzeniu powtarzalnego profilu prędkości linowej pojazdu i stosowania powtarzal- nych manewrów sterujących układem napędowym po- jazdu. Jednak podczas wcześniejszego etapu prób badaw- czych jest możliwość wykorzystania metody symulacji stanowiskowej, w której zarówno wirtualny kierowca, wir- tualny silnik, jak i układ przeniesienia napędu umożli- wiają za każdym razem śledzenie założonego profilu pręd- kości i uzyskanie zwiększonej powtarzalności prób. Zasto- sowanie takiej metody badawczej pozwala na wprowadza- nie modyfikacji w układzie sterowania silnikiem jeszcze w fazie koncepcji bez potrzeby budowania kosztownych prototypów. W przedstawionych badaniach symulacyj- nych skupiono się na programowaniu prędkości uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym niezależnie od wci- śniętego pedału przyspieszenia. W celu utrzymania zada- nego profilu prędkości liniowej samochodu dla różnych wariantów sterowania przepustnicą, wirtualny kierowca wymusza wychylenie pedału przyspieszenia, które po przeliczeniu w układzie sterowania układu napędowego przekłada się na różne wartości uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym. Skutkuje to między innymi zmianą wartości zużytego paliwa, a także emisji szkodli- wych substancji.
Aby lepiej zaobserwować przyczynę różnic w wartości emisji szkodliwych substancji, należy szczególną uwagę zwrócić na to, jak kształtuje się ona w procesie przyspie- szania wymuszonego przez gwałtowne wychylenie pedału
przyspieszenia, kiedy to obserwuje się największą emisję substancji szkodliwych. Na poniższych rysunkach zapre- zentowano profil przedstawiający kąt uchylenia przepust- nicy podczas początkowego ruszania pojazdu z miejsca.
Wariant pierwszy (W1) obrazuje najwolniejszy sposób sterowania, natomiast wariant czwarty (W4) jest sposo- bem najszybszym.
Rys. 6. Kąt uchylenia przepustnicy w zależności od sposobu ste- rowania jej prędkością
Wykresy przedstawione na rys. 6 obrazują różnice w prędkości uchylania przepustnicy w zależności od bada- nego wariantu. Zauważono, że przy większej prędkości pracy przepustnicy następuje szybszy wzrost kąta uchy- lenia i nie występuje tak duże przesterowanie sygnału, ja- kie obserwuje się przy mniejszych wartościach prędkości.
Wtedy algorytm sterujący, aby nadążyć za zadanym pro- filem, nie mając możliwości przyspieszenia przepustnicy, kontynuuje sygnał najdłużej po przekroczeniu zadanej wartości.
Na kolejnych wykresach przedstawiono wartości emisji toksycznych składników spalin określonych na podstawie zapisanej w pamięci komputera charakterystyki silnika.
Analizowano stężenie tlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu, dotyczących pracy silnika przy różnych wartościach prędkości uchylenia przepustnicy, opisanych na rys. 6, podczas realizacji takiego samego wymuszenia.
Rys. 7. Emisja tlenku węgla w czasie w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy
Zauważono, że na rys. 7, na którym przedstawiono prze- bieg wartości emisji tlenku węgla, początkowo jej wartość zmienia się w sposób porównywalny z przebiegiem kąta uchylenia przepustnicy dla każdego wariantu modyfikacji.
Tlenek węgla jest produktem niezupełnego procesu spala- nia węgla w cylindrze silnika przy ograniczonej ilości po-
W kolejnej fazie natomiast większa prędkość uchylania przepustnicy powoduje szybsze zmniejszenie emisji tlenku węgla. W ostatniej części analizowanego fragmentu przy- spieszania pojazdu następuje ustabilizowanie się wszyst- kich krzywych na zbliżonym poziomie.
Rys. 8. Emisja węglowodorów w zależności od prędkości uchyle- nia przepustnicy
Węglowodory zawarte w spalinach silnikowych to niespa- lone lub częściowo spalone cząsteczki paliwa oraz cząstki oleju smarującego. Wartość emisji węglowodorów, (rys. 8) pokazuje, że większa prędkość uchylania przepustnicy w pierwszej fazie przyspieszania powoduje szybkie zmniej- szenie emisji węglowodorów w spalinach oraz szybsze ustabilizowanie wartości w kolejnym etapie.
Rys. 9. Emisja tlenków azotu w zależności od prędkości uchyle- nia przepustnicy
Tlenki azotu są szczególnie toksyczną substancją, która powstaje w reakcji azotu z tlenem zależnie od ciśnienia i temperatury procesu spalania [9]. Najmniejsza wartość prędkości uchylania powoduje największe chwilowe zwięk- szenie emisji tlenków azotu oraz najdłuższe utrzymywanie się emisji o wartości większej niż przy pozostałych bada- nych wariantach.
W celu numerycznego porównania badanych modyfikacji obliczono całkę z wyżej przedstawionych krzywych. Wy- niki obliczeń przedstawiono graficznie na rys. 10.
0 2 4 6 8 10 12
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
czas, s
Kąt otwarcia przepustnicy, °
W 1 W 2 W 3 W 4
0 2 4 6 8 10 12
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Czas, s
Emisja CO, g/h
W 1 W 2 W 3 W 4
0 2 4 6 8 10 12
6 8 10 12 14 16 18 20 22
Czas, s
Emisja HC, g/h
W 1 W 2 W 3 W 4
0 2 4 6 8 10 12
0 1 2 3 4 5 6 7
Czas, s
Emisja NOx, g/h
W 1 W 2 W 3 W 4 Czas, s
Kąt uchylenia przepustnicy,o
Rys. 10. Emisja szkodliwych substancji w zależności od prędko- ści uchylenia przepustnicy
Analizując wartości przedstawione na rys. 10, zauważono, że zarówno emisja tlenku węgla jak i węglowodorów pod- czas realizacji tego samego profilu prędkości charaktery- zuje się większą emisją w razie najkrótszego czasu uchy- lania przepustnicy. Wykresy emisji tlenku węgla i węglo- wodorów, z pominięciem wariantu 3. wykazują tendencję zwiększenia wartości emisji wraz ze zwiększeniem prędko- ści ruchu przepustnicy. Zauważyć należy, iż badany frag- ment profilu prędkości związany był z wymuszeniem do- tyczącym ruszania pojazdu z miejsca. W celu określenia wpływu prędkości uchylenia przepustnicy na analizowane wskaźniki pracy silnika przeprowadzono symulacje prze- jazdu pełnego cyklu miejskiego realizowanego w stylu jazdy dynamicznej. Na poniższych wykresach (rys. 11, 13, 15) przedstawiono wzrost ilości produkowanych substan- cji szkodliwych podczas realizacji pełnego cyklu. Końcowe wartości każdego z badanych wariantów świadczą o su- marycznej emisji, a ich dokładne wartości zestawiono na wykresach 12,14 i 16.
Rys. 11. Przebieg emisji tlenku węgla w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy podczas realizacji pełnego cyklu jezdnego
Rys. 12. Sumaryczna emisja tlenków węgla w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy, podczas realizacji cyklu jezd- nego
Wyniki zaprezentowane na rys. 11 przedstawiają przebieg przyrostu masy emitowanego tlenku węgla. Zauważa się wyraźnie, że najmniejsza emisja powstaje przy sterowaniu zrealizowanym według trzeciego wariantu. W pozostałych wariantach uzyskano wartości zbliżone do siebie. Podobne porównanie przeprowadzono dla emisji węglowodorów, a jego wyniki przedstawiono na wykresach 13 i 14.
Rys. 13. Przebieg emisji węglowodorów w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy podczas realizacji pełnego cyklu jezdnego
Rys. 14. Sumaryczna emisja węglowodorów w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy, podczas realizacji cyklu jezd- nego
Dokonując analizy wyników pomiaru węglowodorów, za- uważono wzrost emisji wraz ze wzrostem prędkości pracy przepustnicy. Wyjątkiem jest wariant trzeci, który na tle domniemanej wartości wynikającej z rosnącej tendencji uzyskuje wartość znacząco niższą. Sumaryczna wartość emisji węglowodorów wydalanych do środowiska podczas całego cyklu jezdnego (podobnie jak podczas emisji tlenku węgla) przedstawia się w podobny sposób, jak to miało miejsce w analizowanym fragmencie rozpędzania pojazdu (rys. 7 i 8).
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 20 40 60 80 100 120
Czas, s
Emisja CO, g
W 1 W 2 W 3 W 4
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
Czas, s
Emisja HC, g
W 1 W 2 W 3 W 4
W1 W2 W3 W4 0
1 2 3
x 104
W1 W2 W3 W4 0
100 200 300 400
W1 W2 W3 W4 0
200 400 600
Emisja CO, g Emisja HC, g
Emisja NOx, g
Sumaryczną emisję rejestrowano także dla tlenków azotu, a wyniki przedstawiono na rysunkach 15 i 16.
Rys. 15. Przebieg emisji tlenków azotu w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy podczas realizacji pełnego cyklu jezdnego Emisja tlenków azotu, jak wynika z rys. 16, jest wyraźnie największa przy najmniejszej prędkości uchylenia prze- pustnicy. Pozostałe warianty zachowują tendencję do zmniejszania emisji wraz ze wzrostem prędkości uchylenia przepustnicy.
Rys. 16. Sumaryczna emisja tlenków azotu w zależności od pręd- kości uchylenia przepustnicy, podczas realizacji cyklu jezdnego
4. PODSUMOWANIE
Przepływ mieszanki paliwowo-powietrznej jest głównym czynnikiem determinującym moc silnika spalinowego.
Precyzyjne sterowanie strumieniem mieszanki nie tylko pozytywnie wpływa na sposób sterowania prędkością po- jazdu, ale także może zmniejszyć ilość szkodliwych sub- stancji emitowanych do środowiska. Jak wykazano
w pracy, istotny, a zarazem wymagający największej do- kładności sterowania, jest zakres niewielkich kątów uchy- lenia przepustnicy. Na przestrzeni lat zmieniały się spo- soby sterowania ilością powietrza, jednak najdokładniej- szym z nich i obecnie powszechnie stosowanym sposobem jest przepustnica sterowana elektronicznie. Praca prze- pustnicy może się odbywać na wiele sposobów, nawet przy zachowaniu niezmiennego profilu prędkości. Różnice w sterowaniu mogą się jednak odbijać na poprawności procesu spalania.
Badania przedstawione w pracy pozwoliły zauważyć, że ilość wytwarzanych przez silnik substancji szkodliwych uzależniona jest od prędkości pracy przepustnicy, ta zaś uwarunkowana jest współczynnikiem wpisanym w sterownik wirtualnego bądź rzeczywistego silnika.
W badaniach symulacyjnych wykazano, że wraz ze zmianą tego współczynnika znacząco zmienia się sposób pracy przepustnicy, a zarazem ilość emitowanych sub- stancji toksycznych. Analizując wszystkie badane mody- fikacje, można stwierdzić, że najkorzystniejszym z nich jest trzeci wariant współczynnika sterującego prędkością uchylania przepustnicy. Cechuje się on najniższą wzglę- dem pozostałych wariantów emisją tlenku węgla oraz ograniczoną, lecz nie najniższą, emisją węglowodorów oraz tlenków azotu. Największą ilością wytwarzanych wę- glowodorów charakteryzował się najszybszy wariant ste- rowania, natomiast wykazywał on najniższą emisję tlen- ków azotu. Odwrotna sytuacja ma miejsce dla najwol- niejszego wariantu, który największą wartość osiągnął w przypadku tlenków azotu, a najmniejszą dla węglowo- dorów. Najmniejsze różnice pomiędzy wariantami obser- wowano dla emisji tlenku węgla. Zauważono także dużą zbieżność wyników rejestrowanych podczas krótkiego przyspieszania pojazdu z tymi uzyskanymi dla pełnego cyklu jezdnego.
Literatura
1. Dziubiński M.: Elektroniczne układy pojazdów samochodowych. Lublin: Wyd. Nauk. Gabriel Borowski, 2003.
ISBN 83-98263-05-X
2. Hoyer U., Rahnavardi P.: Untersuchung mit Ventilen aus Leichtbau-Werkstoffen. “Motortechnische Zeitschrift”
1999, Nr 9,
3. Jantos J., Mamala J.: Stanowisko dynamiczne do badań układu pojazd silnik techniką symulacji stanowiskowej.
W: Konf. nauk. „6 Międzynarodowa Konferencja Naukowo – Techniczna – Autoprogres: Pojazdy samochodowe”.
Jachranka 05, 1998, s. 19-27.
4. Kneba Z., Makowski S.: Zasilanie i sterowanie silników. Warszawa: WKŁ, 2004. ISBN: 978-83-206-1865-5 5. Mamala J., Siłka W.: Programowanie zakresu i prędkości ruchu przepustnicy w silniku ZI. „Journal of KONES”
Internal Combustion Engines 2002 No. 1-2, s. 181-187
6. Mamala J.: Sztuczna inteligencja w technice samochodowej. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Mecha- nika, 2005, 87, 309, s. 81-96.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Czas, s
Emisja NOx, g
W 1 W 2 W 3 W 4
7. Mitianiec W. Bac G.: Bezkrzywkowy hydrauliczny system sterowania zaworów w silnikach spalinowych. „Com- bustion Engines” 2011, No. 3 (146), s. 28-37
8. Paszkowski J.: Diagnostyka silnika spalinowego gaźnikowego. Warszawa: Pol. Warsz., Instytut Maszyn Elek- trycznych, 2003.
9. Rymaszewski E.: Analiza spalin w silniku z zapłonem iskrowym. „Auto Moto Serwis” 2008, nr 2.
10. Zając P.: Silniki pojazdów samochodowych: podstawy budowy, diagnozowania i naprawy. Warszawa: WKŁ, 2015. ISBN: 978-83-206-1941-6
Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.
http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl
