Autor
Tomasz K±cki
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
Przep³ywomierz mechaniczny AFM.Przep³ywomierz masowy z gor±cym filmem - MAF.Konwersja AFM do MAF.Badania
Uk³ad pomiarowy.LaboratoriumPomiaryKonstrukcja prototypu. Testy. Podsumowanie.
Cel projektu
Jednym z najs³abszych punktów silnika 924S/944 jest przep³ywomierz. Rozwi±zanie pochodzi z pocz±tku lat 80-tych, kiedy do pomiaru przep³ywu powietrza dla elektronicznie sterowanego systemu wtryskowego stosowano przep³ywomierze mechaniczne (AFM). Celem projektu jest stworzenie zamiennika dla AFM opartego na przep³ywomierzu MAF wykonanym w technologii gor±cego filmu i pozbycie siê "klapki ze sprê¿yn±" z dolotu.
Za³o¿enia:
- Rozwi±zanie ma byæ kilkakrotnie tañsze od dostêpnych na rynku zestawów (np: Promax, ok 500 GPB). Przewidywany koszt ok. 1000 z³.
- Przep³ywomierz ma byæ zamiennikiem "drop-in", nie wymagaj±cym dodatkowych sterowników, zmiany chip'a DME, zmian w dolocie, itp.
- Nowe rozwi±zanie nie powinno posiadaæ ¿adnego negatywnego wp³ywu na silnik.
- Projekt nie jest tuningiem - nie planuje siê podwy¿szania mocy poprzez zmianê charakterystyk przep³ywomierza. Jedyny uzysk polegaæ ma na wyeliminowaniu dociskanej sprê¿yn± przes³ony (AFM).
Teoria
Przep³ywomierz
mechaniczny AFM.
W przep³ywomierzu AFM, sygna³ wyj¶ciowy zale¿y od objêto¶ci przep³ywaj±cego
powietrza. AFM nie ma kompensacji temperaturowej, wiêc nie mierzy ilo¶ci
tlenu w powietrzu lecz objêto¶æ powietrza. Aby dobraæ optymalnie sk³ad mieszanki,
komputer steruj±cy silnikiem (DME) potrzebuje informacji o temperaturze
zasysanego do silnika powietrza aby obliczyæ stechiometryczn± dawkê paliwa
i odpowiednio wysterowaæ wtryskiwacze. W tym celu w korpusie AFM umieszczono
czujnik temperatury w postaci termistora NTC (Negative Thermal Conductivity).
AFM przekszta³ca dwie wielko¶ci
fizyczne:
- objêto¶æ powietrza - Vp .
- temperaturê powietrza - Tp .
w wielko¶ci elektryczne:
- napiêcie proporcjonalne do przep³ywu - Up.
- rezystancjê odwrotnie proporcjonaln± do temp. - Rt.
Mamy wiêc dwie funkcje: f1 i
f2, których interpretacja jest zapisana w programie DME.
Konstrukcja przep³ywomierza
mechanicznego:
Przep³ywomierz
masowy z gor±cym filmem - MAF.
W przep³ywomierzu MAF pomiar odbywa siê na zasadzie pomiaru spadku temperatury
sztucznie podgrzewanej p³ytki (film) w wyniku ch³odzenia jej przez op³ywaj±ce
powietrze. Jak nietrudno siê domy¶leæ, szybko¶æ ch³odzenia przek³adaj±ca
siê na sygna³ wyj¶ciowy przep³ywomierza zale¿y nie tylko od ilo¶ci przepompowanego
powietrza, ale tak¿e od jego temperatury i wilgotno¶ci (co praktycznie nie
zachodzi w przypadku AFM). Pomiar masy zasysanego powietrza jest tu czê¶ciowo
skompensowany temperaturowo (zimniejsze powietrze zawiera wiêcej tlenu,
szybciej ch³odzi film - wiêkszy sygna³ wyj¶ciowy). Dodatkowo, w korpusie
umieszczono NTC aby sterownik móg³ dok³adniej obliczaæ dawki stosuj±c poprawki
do wstêpnie skompensowanych temperaturowo warto¶ci sygna³u masy.
MAF przekszta³ca dwie wielko¶ci
fizyczne:
- masê powietrza - Mp .
- temperaturê powietrza - Tp .
w wielko¶ci elektryczne:
- napiêcie proporcjonalne do masy i odwrotnie do temp. - Um .
- rezystancjê odwrotnie proporcjonaln± do temp. - Rtt.
Mamy wiêc nastêpne dwie funkcje: f3 i f4, których interpretacja jest zapisana
w programie DME, dla sterowników wspó³pracuj±cych z takim rodzajem przep³ywomierza.
Konwersja AFM do MAF.
Sprawa wydaje siê banalnie prosta. Nale¿y zastosowaæ MAF zamiast AFM i wykonaæ
elektroniczny uk³ad dopasowuj±cy tak, aby wielko¶ci fizyczne mierzone przez
MAF przedstawiæ w formie sygna³ów elektrycznych AFM, które "umie"
zinterpretowaæ DME w samochodzie.
Up = fx(
Mp, Tp )
Rt = fy( Tp )
Nale¿y znale¼æ fx i fy.
Pamiêtajmy, ¿e MAF na wyj¶ciu daje Um i Rtt, a tylko to mo¿emy
mierzyæ naszym uk³adem dopasowuj±cym. Mamy wiêc:
Up = fx(
Mp, Tp ) = ftx ( f3(Mp,Tp) ) = ftx ( Um )
Rt = fy( Tp ) = fty ( f4(Tp) ) = fty ( Rtt )
Urz±dzenie dopasowuj±ce sygna³y
musi wiêc implementowaæ funkcje transferuj±ce dla sygna³ów elektrycznych:
ftx i fty. Poniewa¿ sygna³y napiêciowe s± w zakresie 0 ..5V
idealnie do tego celu nadaje siê uk³ad mikroprocesorowy.
Schemat blokowy uk³adu
dopasowuj±cego wygl±da nastêpuj±co:
A/D - przetwornik analogowo-cyfrowy
D/A - przetwornik cyfrowy-analogowy
CPU - mikroprocesor z programem implementuj±cym funkcje ftx i fty.
Do wykonania uk³adu pos³u¿y³
12-bitowy mikroprocesor jednouk³adowy taktowany zegarem 20MHz wyposa¿ony
w multipleksowany 8-mio kana³owy szybki przetwornik A/D o rozdzielczo¶ci
10bit. Oprócz dok³adno¶ci przetwarzania sygna³u, uk³ad musi wytrzymaæ temp.
-50...+80 st C. Potrzebna jest wiêc "wojskowa" wersja uk³adu,
która pracuje w temp poni¿ej 0 st. C.
Wszytko wydaje siê w miarê
jasne, tylko jak znale¼æ ftx i fty ? Odpowied¼ jest prosta:
trzeba wykonaæ badania.
Badania
Uk³ad pomiarowy.
Aby zbadaæ charakterystyki przep³ywomierzy, w celu wyznaczenia ich funkcji
przetwarzania wielko¶ci fizycznych w elektryczne, co pozwoli³oby na matematyczne
wyznaczenie ftx i fty nale¿a³oby pos³u¿yæ siê specjalistycznym
sprzêtem - skalibrowanym przep³ywomierzem powietrza. Sprzêt ten jest trudno
dostêpny i drogi. Jest
jednak mo¿liwe obej¶cie tego problemu: zastosowanie badania ró¿nicy wielko¶ci
elektrycznych na obu przep³ywomierzach w celu wyznaczenia od razu ftx
i fty bez badania charakterystyk przep³ywu. Interesuje nas to, aby
MAF + konwerter dawa³ sygna³ taki jak AFM przy tym samym przep³ywie i jednakowej
temperaturze - znajomo¶æ nominalnego przep³ywu w jego wnêtrzu jest w gruncie
rzeczy ma³o istotna.
Schemat uk³adu pomiarowego
do wyznaczania funkcji transferowych wygl±da nastêpuj±co:
Laboratorium
Tak wygl±da uk³ad pomiarowy w rzeczywisto¶ci:
Pomiary
Stosuj±c wymuszony
przep³yw powietrza zmierzono warto¶ci Um i Up dla temp. otoczenia
20 st C.
W³±czenie przep³ywu nast±pi³o
w okolicach próbek 100 oraz 360. Wy³±czenie w okolicy próbek 200 i 450.
W zakresie próbek 200-260 oraz 430-490 przep³yw powietrza powoli wygasa³.
Widaæ ró¿nice w czu³o¶ci przep³ywomierzy oraz napiêcia spoczynkowe (dla
braku przep³ywu w zakresie próbek 1 - 100). Ujawnia siê nieliniowo¶æ sygna³u
Um (przep³ywomierz MAF) i dobra liniowo¶æ oraz stabilno¶æ Up w nasyceniu
(AFM).
Zale¿no¶æ pomiêdzy Um
a Up dla temperatury otoczenia 20 st C wygl±da wiêc nastêpuj±co:
Podobne pomiary nale¿a³o wykonaæ
dla ró¿nych temperatur otoczenia oraz znacznie wiêkszej liczby próbek (kilkana¶cie
tysiêcy), aby pozbyæ siê wp³ywu zak³óceñ na proces wyznaczania funkcji.
Do analizy danych sp³ywaj±cych
z systemu mikroprocesorowego wykonano aplikacjê, która:
- gromadzi dane z pomiarów w bazie danych próbek (odczyt przez RS-232,
specjalnie opracowany protokó³), - wykonuje czyszczenie danych:
- eliminuje powtarzaj±ce siê próbki,
- u¶rednia rozrzuty danych (niedok³adno¶æ przep³ywomierzy i samego
pomiaru), - uzupe³nia nieci±g³o¶ci w danych (aproksymuje brakuj±ce warto¶ci
w próbkach po dyskretyzacji przy u¿yciu przetworników),
- wylicza tablice przej¶cia (mapy) dla algorytmów implementuj±cych funkcje
ftx i fty, - generuje pliki z zawarto¶ci± map oraz fragmentami kodu ¼ród³owego
dla programu procesora pracuj±cego w uk³adzie dopasowuj±cym sygna³y
(konwerter).
Prezentacja próbek i czyszczenie
danych:
Wyznaczanie progu czu³o¶ci AFM
funkcji dla aproksymacji wielomianowej pe³nego zakresu napiêæ:
Generacja mapy bitowej (przyk³ad
dla mapy konwersji napiêæ Um->Up):
Konstrukcja
prototypu. Testy. Podsumowanie.
Ju¿ wkrótce......:)