przeskocz menu
tlo

Stan projektu

Testowanie

VARAN

inż. Patryk Krzysztof Sielski

Wprowadzenie

VARAN (akronim od VARiable ANgle) jest roboczą nazwą przystawki pośredniczącej pomiędzy impulsatorem (przerywaczem) a elektronicznym układem zapłonowym. VARAN realizuje zmienne wyprzedzenie zapłonu w funkcji prędkości obrotowej wału korbowego. Dodatkowo może też zmieniać wyprzedzenie w zależności od dodatkowego czynnika takiego jak podciśnienie w kolektorze dolotowym, bądź uchylenie przepustnicy.

Zobacz podobne rozwiązanie w Jawie wykonane przez insane. http://izi.republika.pl

Wstęp

W całym poniższym tekście używane są następujące skróty:

  • [OWK]obrót (obrotu) wału korbowego,
  • [GMP]górny martwy punkt -- jest to miejsce, w którym tłok znajduje się najbliżej głowicy,
  • [DMP]dolny martwy punkt.
Zamiast pisać obrotów wału korbowego na minutę używane jest -- może nieprecyzyjne, lecz zdecydowanie krótsze określenie -- obroty.

Cechy urządzenia

  • Realizacja zmiennego wyprzedzenia zapłonu w zakresie od 0 do 180 stopni od 400 do 12000 obrotów.
  • Wpisywanie mapy zapłonu z komputera.
  • Zmiana map i regulacja wyprzedzenia zapłonu w czasie jazdy.
  • Odcięcie zapłonu powyżej pewnych obrotów.
  • Odłączanie cewki zapłonowej przy niepracującym silniku.
  • Funkcja snopu iskier. Podczas rozruchu świeca podaje nie jedną, a kilkanaście iskier w celu pewniejszego zapłonu mieszanki.
  • Funkcja immobilisera.
  • Wbudowany miniaturowy stroboskop do kontroli poprawności działania.
  • Zarówno dla instalacji 6 i 12 V.

Istota zagadnienia

Bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na poprawną pracę silnika jest moment zapłonu mieszanki. Wydawać by się mogło, że idealnym momentem na zapłon mieszanki powinien być GMP. Tak jednak nie jest z powodu dość długiego czasu spalania mieszanki. Gdyby zapalać mieszankę w GMP, maksymalne ciśnienie uzyskalibyśmy, gdy tłok byłby już dość daleko od głowicy. Aby maksymalne ciśnienie spalanej mieszanki uzyskać bliżej GMP należy więc wyprzedzić zapłon. O ile należy go wyprzedzić? Ha! Oto jest pytanie. Przyjmuje się, że zapłon należy wyprzedzić tak, aby maksymalne ciśnienie występowało tuż po GMP. Na ten temat spotkałem się z kilkoma opiniami, ale żadna ze stron nie przekonała mnie swoją argumentacją, pozostańmy więc przy stwierdzeniu ,,w okolicy GMP'' nie kłócąc się o te kilka stopni przed, czy po :-). Jest jeszcze jeden niezwykle istotny powód dla którego zapłon powinien występować we właściwym momencie -- jest to trwałość silnika. Zbyt wczesny zapłon może powodować tak zwane spalanie stukowe, zwane też spalaniem detonacyjnym. Podczas prawidłowego spalanie się mieszanki w silniku czoło fali ognia przwsuwa się ,,płynnie'' od świecy zapłonowej w kierunku tłoka, tym samym ciśnienie, a zatem i siły działające na tłok rosną płynnie. Podczas spalania stukowego następuje ono gwałtownie, w sposób wybuchowy, detonacyjny, czoło fali ognia przekracza prędkość dźwieku. Z tego powodu bardzo gwałtownie wzrasta ciśnienie, a na tłok działają bardzo duże siły powodujące skrócenie żywotności wszystkich elementów silnika, takich jak łożyska, czy zawory. Zbyt późny zapłon jest mniej groźny, bowiem powoduje ,,jedynie'' większą temperaturę spalin a tym samym szybsze wypalanie się gniazd zaworowych i zaworów.

Czy moment zapłony optymalny dla mocy silnika pokrywa się z momentem zapłonu optymalnym dla jego trwałości? Tego nie wiem. Znając złośliwość natury, podejrzewam, że nie :-).

Kiedy ten zapłon powinien być? W pierwszym przybliżeniu zakładamy, że czas spalania mieszanki jest stały -- na potrzeby rozważań przyjmijmy, że od momentu zapłonu do momentu uzyskania maksymalnego ciśnienia upływa 1 ms (jedna milisekunda). Musimy więc zapalić mieszankę 1 ms przed osiągnięciem przez tłok GMP. Problem polega na tym, miejsce, w którym tłok będzie na 1 ms przed GMP wypada w różnych miejscach w zależności od obrotów. Tradycyjnym rozwiązaniem jest tu tak zwany mechaniczny regulator odśrodkowy, który reguluje moment zapłonu w zależności od obrotów. Przy niskich obrotach zapłon będzie później, przy wysokich wcześniej.

W drugim przybliżeniu okazuje się, że czas spalania mieszanki NIE jest stały. Jest zależny głównie od jej gęstości (czyli ilości). Rzadka (nie mylić z ubogą) mieszanka -- czyli gdy jest jej mało w cylindrze, bo mamy przymkniętą przepustnicę -- spala się wolno. Gęsta mieszanka -- gdy przepustnica jest otwarta -- jest jej dużo -- spala się szybciej. Gęstość mieszanki trudno jest mierzyć, o wiele łatwiej mierzyć podciśnienie w kolektorze ssącym. Jeśli podciśnienie jest duże -- znaczy to, że przepustnicą blokujemy zasysanie mieszanki przez silnik -- jest więc jej mało. Małe podciśnienie oznacza, że mieszanki jest dużo. Przy małej ilości mieszanki musimy bardziej opóźnić zapłon, przy dużej ilości mieszanki -- mniej.

W kolejnych przybliżeniach okazuje się, że czas spalania mieszanki zależy od jej temperatury, składu, liczby oktanowej i wielu innych rzeczy. Najważniejsze są jednak obroty i podciśnienie.

Teraz conieco o wartościach. Wyprzedzenie zapłonu w zależności od obrotów zmienia się o około 20-30 stopni. W zależności od podciśnienia o około 20. Widać więc w jak nieoptymalnych warunkach pracuje silnik, gdy ma stały moment zapłonu...

Na temat zmiennego wyprzedzenia zapłonu napisano wiele książek, w internecie mało jest specjalistycznych informacji na ten temat, nawet po angielsku. Jeżeli coś jest napisane niejasno, bądź macie dalsze pytania -- mejlujcie, dopiszę więcej.

Montaż

VARAN został zaprojektowany docelowo do MZ ETZ z elektronicznym zapłonem, ale można go łatwo przystosować do większości motocykli. Główną ideą jest jak najmniejsza ingerencja w istniejącą instalację elektryczną, brak modyfikacji mechanicznych, oraz taki montaż, który w przypadku awarii urządzenia (odpukać) umożliwia szybki powrót do stanu poprzedniego. Ze względu na dużą ilość rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń zapłonowych podaję tu tylko ogólne wskazówki co do montażu. VARAN został pomyślany tak, aby go wpiąć pomiędzy nadajnik impulsów (przerywacz) a moduł zapłonowy (cewkę). Najprościej przeciąć jeden przewód i wpiąć się do zasilania i masy.... i już.

\resizebox*{0.45\columnwidth}{!}{\includegraphics{../../varan2/ibox1.eps}}

Oryginalna instalacja

\resizebox*{0.45\columnwidth}{!}{\includegraphics{../../varan2/ibox2.eps}}

Instalacja po montażu.

Postępowanie w przypadku awarii (odpukać): odłączamy VARAN, zwieramy zielone przewody i jedziemy dalej.

Tyle ogólnych wskazówek. Teraz rozpracujemy najczęstsze typy instalacji.

Rodzaje instalacji zapłonowych

Zapłon klasyczny

Samotny ;-) przerywacz i cewka. Trzeba tu użyć rozszerzonej wersji VARANa z wbudowaną końcówką mocy do sterowania cewką.

Zapłon elektroniczny sterowany hallotronem z wyjściem cyfrowym

Żeby przekonać się, czy VARAN może współpracować z zastosowanym czujnikiem należy dokonać prostego pomiaru:

  1. Zaopatrzyć się w jakikolwiek woltomierz (może być wskazówkowy) na zakres conajmniej 15V.
  2. Ujemną końcówkę miernika podłączyć do masy motocykla.
  3. Dodatnią końcówkę miernika podłączać kolejno do przewodów biegnących od nadajnika impulsów (czujnika).
  4. Włączyć zapłon.
  5. Powoli obracać wałem korbowym.
Jeżeli na którymś z przewodów podczas powolnego (!) kręcenia wałem napięcie zmienia się o kilka woltów w zależności od położenia tłoka (np. w suwie sprężania 5V, w suwie pracy 1V), to VARAN powinien współpracować bez problemów. VARAN podłącza się pomiędzy impulsator (nadajnik impulsów z wału korbowego) a moduł zapłonowy.

Zapłon elektroniczny sterowany hallotronem z wyjściem analogowym, czujnikiem indukcyjnym lub optoelektronicznym

Niestety, w tym wypadku trzeba zaprojektować specjalizowany obwód. Proszę mejlować.

Uruchomienie

Skąd wziąć mapę zapłonu do swojego motocykla? Jeżeli motocykl ma statyczny zapłon, to zwykle w instrukcji, ani w serwisówce takiej mapy nia ma. Niemniej jednak-można ją zdobyć. Mam taką mapę dla silnika EM250 (MZ ETZ 250 i 251). Zdobył ją Hihot (Marek Kowalski z Sopotu) po dość długiej wymianie maili z fabryką Kanuni w Turcji. Co ciekawe -- mapa jest po czesku :-). ,,Vykreslil: Vasicek" :-)

\resizebox*{0.9\columnwidth}{!}{\includegraphics{../../varan2/gnuplot/etka.eps}}

Co jednak, gdy takiej mapy nie ma? Ano trzeba ją doświadczalnie pozyskać. W tym celu wpisujemy płaską mapę o takiej wartości, jaka jest wpisana do instrukcji -- czyli na przykład 22 stponie od 0 do 8000 obrotów na minutę. Wsiadamy na moto, na trasę i łycha! Gdy osiągniemy prędkość maksymalną -- zaczynamy bawić się przełącznikiem zmieniając wyprzedzenie. Gdy już obczaimy przy jakim wyprzedzeniu nasze moto ma największą moc -- wracamy do domu. Modułem pamięci przenosimy dane do komputera i odczytujemy jakie ostatnio zadaliśmy wyprzedzenie. Znając to wyprzedzenie możemy od biedy wykreślić charakterystykę w całym zakresie obrotów. Pamiętajmy jednak, że już taka charakterystyka będzie lepsza niż jej brak! Co do zasad tworzenia charakterystyk na razie się nie wypowiadam, gdyż cały czas pozyskuję na ten temat wiedzę i nie czuję się jeszcze na siłach, żeby napisać coś więcej.

Zanim VARAN zacznie pracować w motocyklu, musimy wprowadzić do niego mapy zapłonu. VARAN jest w stanie spamiętać 4 16-punktowe mapy zapłonu. Przygotowanie map zapłonu: Posiadając (lub tworząc) mapę zapłonu musimy odczytać wyprzedzenie dla następujących RPM:

Odczytane wartości wyprzedzenia w stopniach wpisujemy do programu.

Oprócz mapy zapłonu musimy wpisać kilka innych wartości:

  • Offset, czyli wartość wyprzedzenia zapłonu, na którą ustawiony jest czujnik.
  • Wartości histerezy załączania mapy. Do prawidłowego działania mapy niezbędna jest stabilna prędkość OWK w ciągu całego suwu. Tak jednak nie jest, gdy silnik nie jest zesprzęglony z kołem, ponieważ podczas suwu pracy prędkość OWK jest większa niż podczas suwu sprężania. Ze powodu dość skompikowanych względów technicznych w takich sytuacjach nie można zmieniać punktu zapłonu, czyli musimy podawać go w tym momencie, gdy otrzymujemy sygnał z impulsatora. Aby możliwie zminimalizować niekorzystne efekty związane z przełączaniem się pomiędzy zapłonem sztywnym a mapą należy zastosować histerezę. Wartość maksymalna histerezy czyli moment włączenia mapy powinien być przy obrotach nieco niższych niż używanych zwykle do ruszania tak, aby mapa włączała się tuż przed ruszeniem. Wartość minimalna powinna być mniejsza niż minimalne obroty przy których można jechać. Wartości te nie są krytyczne lecz trzeba je dobrać doświadczalnie. Dla przykładu. Dla MZ ETZ 251e: obroty jałowe 800 RPM (katalogowo 1300), ruszanie odbywa się zwykle powyżej 3000 RPM, podczas jazdy zwykle nie schodzi się poniżej 2000, tak więc ustawiłem wartość maksymalną na 2000 i wartość minimalną na 1500 i to działa.
  • Wartości histerezy odłączania zapłonu. W celu ochrony silnika przed wykręceniem się na kosmiczne obroty (co się czasem zdarza) powyżej wartości maksymalnej zapłon zostanie odłączony a załączony ponownie, gdy prędkość OWK spadnie poniżej wartości minimalnej. Histereza ma za zadanie uniknięcie czkawki w momencie odłączenia zapłonu, dlatego też wartość minimalna powinna być nieco odległa od maksymalnej. Dla MZ ETZ 251e: Obroty dla maksymalnej mocy: 5500 RPM, czasami podczas jazdy przekręcam silnik do 6000-6200, tak więc ustawiłem wartość maksymalną na 6500 RPM a minimalną na 4000 RPM. W takim przypadku, gdy podczas nieprawidłowej zmiany biegów "wyłapie się jakiś lewy luz" na skrzyni biegów silnik wkręci się na 6500 RPM zacznie zwalniać a pracować zacznie dopiero wtedy, gdy zwolni do 4000 RPM.
  • Czas, po którym cewka zostanie odłączona przy stojącym silniku. Ma to za zadanie ochronę cewki przed przegrzaniem. Po takim odłączeniu załączenie cewki nastapi przy najbliższym suwie pracy.
Programowanie: VARAN posiada własną pamięć mogącą pomieścić kilka map zapłonu. Wpisywanie mapy zapłonu dokonywane jest przez programator podłączany do komputera PC. W tym celu należy:

  • Przygotować mapy zapłonu (jest specjalistyczny program).
  • Do programatora włożyć moduł pamięci.
  • Uruchomić programator.
  • Z programatora wyjąć moduł pamięci i włożyć do VARANa.
  • Włączyć zapłon.
  • Zaświecenie się czerwonej kontrolki oznacza skopiowanie map.
  • Wyłączyć zapłon.
  • Wyjąć moduł pamięci.
  • Wyłączyć zapłon.
Moduł pamięci jest więc rodzajem dyskietki do przenoszenia map z komputera do VARANa.

Ograniczenia

Aby poprawnie używać VARANa należy dokładnie poznać i zrozumieć zasadę działania VARANa. Dla każdych obrotów VARAN musi wiedzieć jakie powinien zastosować wyprzedzenie. Odczytuje to z zaprogramowanej charakterystyki. Tak więc dla każdej prędkości obrotowej wie dokładnie o ile stopni wyprzedzić zapłon. Gdy dostanie z impulsatora sygnał o tym, że tłok znajduje się w GMP nie może jednak podać zapłonu chwilę wcześniej, ponieważ nie potrafi jeszcze cofać się w czasie. Musi więc odczekać cały obrót, aby następny zapłon podać przed GMP. O ile? A to już sobie wyliczy znając aktualne obroty. I tak dla przykładu-jeżeli obroty wynoszą \( 6000\frac{obr}{min} \), czas jednego obrotu wynosi 10 ms. Jeśli chcemy wyprzedzić zapłon o \( 18^{o} \), to po otrzymaniu impulsu, że tłok znajduje się w GMP VARAN odczeka 9,5 ms i poda zapłon.

Prędkość obrotowa wału korbowego mierzona jest przez pomiar czasu pomiędzy kolejnymi sygnałami z impulsatora. Wynikają z tego trzy istotne cechy:

  1. Przy stojącym, lub wolno obracającym się wale korbowym (na przykład podczas uruchamiania) układ nie działa, czyli nie zmienia wyprzedzenia zapłonu, po prostu sygnał z impulsatora podaje bez zmian do modułu zapłonowego. Kąt wyprzedzenia zapłonu jest wtedy taki, jaki wynika z zamocowania impulsatora. Impulsator należy zamocować więc tak, aby statyczne wyprzedzenmie zapłonu było takie, jak dla obrotów jałowych, bądż mniejsze; najlepiej w GMP.
  2. Moment podania sygnału do modułu zapłonowego obliczany jest na podstawie czasu poprzedniego obrotu wału korbowego, tak więc kąt wyprzedzenia zapłonu zależy od obrotów w poprzednim suwie. Wynika z tego fakt, iż przy zwiększaniu prędkości obrotowej silnika wyprzedzenie zapłonu nieznacznie się zmniejsza, a przy zmniejszaniu prędkości obrotowej -- nieznacznie zwiększa. VARAN na bieżąco śledzi zmiany prędkości obrotowej silnika i niweluje ten efekt, dzięki temu nawet przy dynamicznym przyspieszaniu, czy też hamowaniu właściwie wyprzedza zapłon. Jednakże przy BARDZO gwałtownym zmniejszaniu prędkości obrotowej silnika (na przykład przy rozpędzeniu silnika i zahamowaniu przez gwałtowne puszczenie sprzęgła) zapłon może zostać tak bardzo wyprzedzony (na skutek bardzo gałtownej zmiany prędkośco obrotowej wału korbowego), iż strzeli w gaźnik w wyniku podania zapłonu przy otwartym zaworze/odsłoniętym kanale.
  3. Błąd podania zapłonu podwaja się, tak więc gdy przerywacz (bo to on jest najmnmiej precyzyjny) wykazuje luzy \( 2^{o} \), to całkowity błąd wyniesie \( 4^{o} \).
Programy: -Linux -konwert-zmienia plik z mapami zapłonu na plik dla programatora -prgm-programuje moduł pamięci z pliku

-Windows -konwert-zmienia plik z mapami zapłonu na plik dla programatora

-DOS -konwert-zmienia plik z mapami zapłonu na plik dla programatora -prgm-programuje moduł pamięci z pliku

-PalmOS -varan-przesyła mapy zapłonu bezpośrednio do VARANa

Znaczenie kontrolek.

  • zielona -- gotowość do pracy. Gaśnie przy odłączonej cewce po postoju.
  • zółta -- wyłączenie mapy (zapłon sztywny) w wyniku zbyt niskiej prędkości OWK
  • czerwona -- odłaczenie zapłonu w wyniku przekroczenia maksymalnych obrotów.

Od kuchni

Pierwsza wersja powstała na płytce prototypowej kilkanaście minut po pojawieniu się pomysłu w głowie. Po obiecujących wynikach zmontowałem układ na płytce uniwersalnej zaprezentowanej poniżej. Silnik symyluje tutaj pozbawiony łopatek wentylatorek od peceta, w którym znajduje się czujnik hallogtronowy, taki jak w elektronicznym zapłonie. Wirnik jest podświetlany przez dwie superjasne diody świecące działające jak stroboskop. Wirnik jest podświetlany na zielono w momencie otrzymania impulsu z silnika, na czerwono podczas planowanego zapłonu.

\resizebox*{0.9\columnwidth}{!}{\includegraphics{plytka.eps}}

Po obiecujących wynikach został wykonany układ prototypowy i zamontowany w motocyklu MZ ETZ 251e. W wyniku testów okazało się, że pewne rzeczy trzeba jeszcze poprawić. W międzyczasie zmieniono model procesora na nowszy, w programie dodano nowe procedury. Dane dotyczące obrotów, wyprzedzenia i innych parametrów są przesyłane przez łącze szeregowe do komputera do dalszej analizy. Tam, za pomocą pakietu MatLAB są opracowywane oraz analizowane. Liczona jest między innymi prezycja podania zapłonu.

\resizebox*{0.9\columnwidth}{!}{\includegraphics{../../../proj/z_etki.eps}}

\resizebox*{0.9\columnwidth}{!}{\includegraphics{../../../proj/z_etki_b.eps}}

Silnik wentylatora jest dobrym przybliżeniem impulsatora, ma jednak swoje ograniczenia, głównie jeżeli chodzi o szybkość przyspieszania. Dlatego też wykonałem układ rejestrujący parametry zapłonu w rzeczywistym pojeździe podczas jazdy. Dane są gromadzone w palmtopie, a potem przesyłane do komputera do analizy.

About this document ...

VARAN

This document was generated using the LaTeX2HTML translator Version 2K.1beta (1.48)

Copyright © 1993, 1994, 1995, 1996, Nikos Drakos, Computer Based Learning Unit, University of Leeds.
Copyright © 1997, 1998, 1999, Ross Moore, Mathematics Department, Macquarie University, Sydney.

The command line arguments were:
latex2html -no_subdir -split 0 -no_navigation info.tex

The translation was initiated by Patryk Sielski on 2004-01-11


Patryk Sielski 2004-01-11

 

Ostatnia aktualizacja: 9-02-2008 19:36 © usprawnienia.pl



 
>