Modeliranje Ottovog motora

Motor s unutarnjim izgaranjem, kao još uvijek gotovo isključivi "generator gibanja" automobila, vrlo značajno utječe na mnoga njegova svojstva, poput voznih karakteristika, udobnosti vožnje, potrošnje goriva i emisije štetnih plinova.

Tržišno natjecanje proizvođača automobila, te sve stroža zakonska regulativa, nameću kontinuirani napredak i poboljšanja navedenih svojstava motora. Kvalitetno i ekonomično rješenje navedenih zahtjeva je često u primjeni novijih i boljih upravljačkih metoda i uređaja. Upravljačke metode uglavnom se oslanjaju na dobro poznavanje dinamičkog ponašanja motora, koje se opisuje vjernim ali uz to i kompaktnim modelom motora.

Naša istraživačka grupa je do sada bila orijentirana na razvoj upravljački orijentiranih modela Ottovog motora. Takvi modeli mogu biti korišteni za razvoj sustava upravljanja ubrizgavanjem goriva (upravljanje omjerom zraka i goriva), sustava regulacije brzine vrtnje motora (npr. regulacija brzine u praznom hodu), on-line estimatora momenta motora, ili naprosto u preciznoj i numerički efikasnoj simulaciji dinamičkog ponašanja motora.

Dinamičko ponašanje Ottovog motora velikim je dijelom određeno toplinskim prijelaznim pojavama nastalim prolazom zraka kroz usisni kolektor. Stoga je poseban naglasak dan na modeliranje dinamike usisnog kolektora. Standardni modeli usisnog kolektora zanemaruju promjene temperature zraka u kolektoru za vrijeme raznih dinamičkih stanja motora (izotermna pretpostavka). Međutim, novija istraživanja ukazuju na značajnije promjene temperature zraka usisnog kolektora, te se predlaže adijabatski model (pretpostavka je da nema izmjene topline između zraka i stijenki kolektora). Obje pretpostavke, izotermna i adijabatska predstavljaju krajnje slučajeve, te bi realnija pretpostavka svakako bila tzv. politropska pretpostavka promjene stanja zraka u usisnom kolektoru.

Naša istraživačka grupa razvija matematičke modele motora s koncentriranim parametrima, zasnovane na politropskoj pretpostavci promjena stanja zraka u usisnom kolektoru. Osnovna verzija razvijenog politropskog modela sadrži dva stanja (pritisak i temperatura zraka u usisnom kolektoru) i varijabilan koeficijent izmjene topline. Ovaj model je proširen u točniji model s tri stanja, kako bi se obuhvatile moguće razlike u svojstvima izmjene topline u plenumu i usisnim granama. Učinak povratnih vrućih plinove iz cilindara motora također je uključen u model. Istraživanje je obuhvatilo i usporednu algebarsku analizu dinamičkog ponašanja usisne grane za razne pretpostavke o izmjeni topline.

Razvijeni modeli motora provjereni su s obzirom na mjerne rezultate dobivene na eksperimentalnom postavu Ottovog motora. Neki od rezultata provjere prikazani su na sljedećoj slici.

Jedna od osnovnih primjena razvijenog modela bila bi estimacija i predikcija izlaznog masenog protoka zraka iz manifolda u svrhu efikasne regulacije omjera zraka i goriva. Podrobna simulacijska analiza je pokazala da pogreške modeliranja toplinskih prijelaznih pojava u usisnom kolektoru imaju značajan utjecaj na točnost estimacije i predikcije masenog protoka zraka u slučaju da se u tu svrhu koristi senzor pritiska zraka u usisnom kolektoru.

Sl. 1. Rezultati eksperimentalne validacije politropskog modela s dva interna stanja.

 

PUBLICATIONS