Autor
Tomasz Kącki
Mail: tkacki@hotmail.com
Profil zawodowy: http://www.linkedin.com/in/tomaszkacki
Tel. 502 188 323
Wersja dokumentu: 2.4 z dn. 26.10.2006.
Cel projektu
Teoria
Przepływomierz mechaniczny AFM.Przepływomierz masowy z gorącym filmem - MAF.Konwersja AFM do MAF.Badania
Układ pomiarowy.LaboratoriumPomiaryKonstrukcja prototypu. Testy. Podsumowanie.
Cel projektu
Jednym z najsłabszych punktów silnika 924S/944 jest przepływomierz. Rozwiązanie pochodzi z początku lat 80-tych, kiedy do pomiaru przepływu powietrza dla elektronicznie sterowanego systemu wtryskowego stosowano przepływomierze mechaniczne (AFM). Celem projektu jest stworzenie zamiennika dla AFM opartego na przepływomierzu MAF wykonanym w technologii gorącego filmu i pozbycie się "klapki ze sprężyną" z dolotu.
Założenia:
- Rozwiązanie ma być kilkakrotnie tańsze od dostępnych na rynku zestawów (np: Promax, ok 500 GPB). Przewidywany koszt ok. 1000 zł.
- Przepływomierz ma być zamiennikiem "drop-in", nie wymagającym dodatkowych sterowników, zmiany chip'a DME, zmian w dolocie, itp.
- Nowe rozwiązanie nie powinno posiadać żadnego negatywnego wpływu na silnik.
- Projekt nie jest tuningiem - nie planuje się podwyższania mocy poprzez zmianę charakterystyk przepływomierza. Jedyny uzysk polegać ma na wyeliminowaniu dociskanej sprężyną przesłony (AFM).
Teoria
Przepływomierz
mechaniczny AFM.
W przepływomierzu AFM, sygnał wyjściowy zależy od objętości przepływającego
powietrza. AFM nie ma kompensacji temperaturowej, więc nie mierzy ilości
tlenu w powietrzu lecz objętość powietrza. Aby dobrać optymalnie skład mieszanki,
komputer sterujący silnikiem (DME) potrzebuje informacji o temperaturze
zasysanego do silnika powietrza aby obliczyć stechiometryczną dawkę paliwa
i odpowiednio wysterować wtryskiwacze. W tym celu w korpusie AFM umieszczono
czujnik temperatury w postaci termistora NTC (Negative Thermal Conductivity).
AFM przekształca dwie wielkości
fizyczne:
- objętość powietrza - Vp .
- temperaturę powietrza - Tp .
w wielkości elektryczne:
- napięcie proporcjonalne do przepływu - Up.
- rezystancję odwrotnie proporcjonalną do temp. - Rt.
Mamy więc dwie funkcje: f1 i
f2, których interpretacja jest zapisana w programie DME.
Konstrukcja przepływomierza
mechanicznego:
Przepływomierz
masowy z gorącym filmem - MAF.
W przepływomierzu MAF pomiar odbywa się na zasadzie pomiaru spadku temperatury
sztucznie podgrzewanej płytki (film) w wyniku chłodzenia jej przez opływające
powietrze. Jak nietrudno się domyśleć, szybkość chłodzenia przekładająca
się na sygnał wyjściowy przepływomierza zależy nie tylko od ilości przepompowanego
powietrza, ale także od jego temperatury i wilgotności (co praktycznie nie
zachodzi w przypadku AFM). Pomiar masy zasysanego powietrza jest tu częściowo
skompensowany temperaturowo (zimniejsze powietrze zawiera więcej tlenu,
szybciej chłodzi film - większy sygnał wyjściowy). Dodatkowo, w korpusie
umieszczono NTC aby sterownik mógł dokładniej obliczać dawki stosując poprawki
do wstępnie skompensowanych temperaturowo wartości sygnału masy.
MAF przekształca dwie wielkości
fizyczne:
- masę powietrza - Mp .
- temperaturę powietrza - Tp .
w wielkości elektryczne:
- napięcie proporcjonalne do masy i odwrotnie do temp. - Um .
- rezystancję odwrotnie proporcjonalną do temp. - Rtt.
Mamy więc następne dwie funkcje: f3 i f4, których interpretacja jest zapisana
w programie DME, dla sterowników współpracujących z takim rodzajem przepływomierza.
Konwersja AFM do MAF.
Sprawa wydaje się banalnie prosta. Należy zastosować MAF zamiast AFM i wykonać
elektroniczny układ dopasowujący tak, aby wielkości fizyczne mierzone przez
MAF przedstawić w formie sygnałów elektrycznych AFM, które "umie"
zinterpretować DME w samochodzie.
Up = fx(
Mp, Tp )
Rt = fy( Tp )
Należy znaleźć fx i fy.
Pamiętajmy, że MAF na wyjściu daje Um i Rtt, a tylko to możemy
mierzyć naszym układem dopasowującym. Mamy więc:
Up = fx(
Mp, Tp ) = ftx ( f3(Mp,Tp) ) = ftx ( Um )
Rt = fy( Tp ) = fty ( f4(Tp) ) = fty ( Rtt )
Urządzenie dopasowujące sygnały
musi więc implementować funkcje transferujące dla sygnałów elektrycznych:
ftx i fty. Ponieważ sygnały napięciowe są w zakresie 0 ..5V
idealnie do tego celu nadaje się układ mikroprocesorowy.
Schemat blokowy układu
dopasowującego wygląda następująco:
A/D - przetwornik analogowo-cyfrowy
D/A - przetwornik cyfrowy-analogowy
CPU - mikroprocesor z programem implementującym funkcje ftx i fty.
Do wykonania układu posłużył
12-bitowy mikroprocesor jednoukładowy taktowany zegarem 20MHz wyposażony
w multipleksowany 8-mio kanałowy szybki przetwornik A/D o rozdzielczości
10bit. Oprócz dokładności przetwarzania sygnału, układ musi wytrzymać temp.
-50...+80 st C. Potrzebna jest więc "wojskowa" wersja układu,
która pracuje w temp poniżej 0 st. C.
Wszytko wydaje się w miarę
jasne, tylko jak znaleźć ftx i fty ? Odpowiedź jest prosta:
trzeba wykonać badania.
Badania
Układ pomiarowy.
Aby zbadać charakterystyki przepływomierzy, w celu wyznaczenia ich funkcji
przetwarzania wielkości fizycznych w elektryczne, co pozwoliłoby na matematyczne
wyznaczenie ftx i fty należałoby posłużyć się specjalistycznym
sprzętem - skalibrowanym przepływomierzem powietrza. Sprzęt ten jest trudno
dostępny i drogi. Jest
jednak możliwe obejście tego problemu: zastosowanie badania różnicy wielkości
elektrycznych na obu przepływomierzach w celu wyznaczenia od razu ftx
i fty bez badania charakterystyk przepływu. Interesuje nas to, aby
MAF + konwerter dawał sygnał taki jak AFM przy tym samym przepływie i jednakowej
temperaturze - znajomość nominalnego przepływu w jego wnętrzu jest w gruncie
rzeczy mało istotna.
Schemat układu pomiarowego
do wyznaczania funkcji transferowych wygląda następująco:
Laboratorium
Tak wygląda układ pomiarowy w rzeczywistości:
Pomiary
Stosując wymuszony
przepływ powietrza zmierzono wartości Um i Up dla temp. otoczenia
20 st C.
Włączenie przepływu nastąpiło
w okolicach próbek 100 oraz 360. Wyłączenie w okolicy próbek 200 i 450.
W zakresie próbek 200-260 oraz 430-490 przepływ powietrza powoli wygasał.
Widać różnice w czułości przepływomierzy oraz napięcia spoczynkowe (dla
braku przepływu w zakresie próbek 1 - 100). Ujawnia się nieliniowość sygnału
Um (przepływomierz MAF) i dobra liniowość oraz stabilność Up w nasyceniu
(AFM).
Zależność pomiędzy Um
a Up dla temperatury otoczenia 20 st C wygląda więc następująco:
Podobne pomiary należało wykonać
dla różnych temperatur otoczenia oraz znacznie większej liczby próbek (kilkanaście
tysięcy), aby pozbyć się wpływu zakłóceń na proces wyznaczania funkcji.
Do analizy danych spływających
z systemu mikroprocesorowego wykonano aplikację, która:
- gromadzi dane z pomiarów w bazie danych próbek (odczyt przez RS-232,
specjalnie opracowany protokół), - wykonuje czyszczenie danych:
- eliminuje powtarzające się próbki,
- uśrednia rozrzuty danych (niedokładność przepływomierzy i samego
pomiaru), - uzupełnia nieciągłości w danych (aproksymuje brakujące wartości
w próbkach po dyskretyzacji przy użyciu przetworników),
- wylicza tablice przejścia (mapy) dla algorytmów implementujących funkcje
ftx i fty, - generuje pliki z zawartością map oraz fragmentami kodu źródłowego
dla programu procesora pracującego w układzie dopasowującym sygnały
(konwerter).
Prezentacja próbek i czyszczenie
danych:
Wyznaczanie progu czułości AFM
funkcji dla aproksymacji wielomianowej pełnego zakresu napięć:
Generacja mapy bitowej (przykład
dla mapy konwersji napięć Um->Up):
Konstrukcja
prototypu. Testy. Podsumowanie.
Już wkrótce......:)