Produkty firmy MathWorks pomáhají při vývoji spalovacích motorů

Produkty firmy MathWorks pomáhají při vývoji spalovacích motorů

Britská společnost Ricardo Consulting Engineers se věnuje vývoji spalovacích motorů již více než osmdesát let a nyní je považována za jedno z nejprestižnějších vývojových pracovišť v této oblasti. První benzinový motor s přímým vstřikováním (G-DI) zkonstruovali technici firmy Ricardo pro letecký průmysl již v roce 1930. Od té doby prošla tato technologie rozsáhlým vývojem a v současné době je široce využívána i v automobilovém průmyslu.

Motory s přímým vícebodovým vstřikováním se od ostatních motorů se vstřikováním paliva liší v tom, že benzin je vstřikován přímo do válce motoru, kde vytváří vrstvenou nehomogenní směs se vzduchem. Tato technologie napomáhá zvýšit výkon motoru a snížit spotřebu při zachování tvrdých emisních standardů Evropské unie. Dosáhnout těchto výhod je však možné jen při dodržení přesně stanovených optimálních poměrů benzinu a vzduchu v palivové směsi.

Společnost Ricardo získala zajímavou zakázku od japonské automobilky Mitsubishi, která motory G-DI vyrábí a montuje do svých vozů. Úkolem společnosti Ricardo bylo navrhnout novou strategii řízení vstřikování tak, aby motor splňoval emisní limity Evropské unie. Evropské limity jsou podstatně přísnější než japonské a bez radikálního snížení emisí by automobilka Mitsubishi nesměla některé vozy na evropský trh dodávat. Silné konkurenční prostředí automobilového průmyslu nutí výrobce zkracovat dobu vývoje nových modelů na minimum, což je možné jen při použití špičkových vývojových nástrojů. Vývojoví pracovníci společnosti Ricardo při řešení tohoto úkolu použili výpočetní a simulační prostředí Matlab, Simulink a Stateflow firmy MathWorks, se kterým úspěšně vyřešili i mnoho předchozích zakázek.

Výkon a ekonomiku provozu motoru G-DI lze zvýšit optimalizací řízení přepínačů, které ovládají přechody mezi operačními režimy motoru. Každý přechod z jednoho režimu do následujícího vyžaduje změnit složení palivové směsi. Řídicí jednotka musí optimálně řídit nejen jednotlivé přechody mezi režimy motoru, ale i složení směsi v závislosti na stavových veličinách motoru. Navíc přepínání režimů není okamžitým dějem (v některých případech přechod trvá téměř čtyři sekundy), takže pro každý přechod je třeba vlastní regulace.

Vývojáři při návrhu řídicího systému pro Mitsubishi definovali šest hlavních operačních režimů: startování, běh s homogenní palivovou směsí, běh s vrstvenou nehomogenní palivovou směsí, regenerace z šoku NO_x, přetížení a zastavení motoru.

Při návrhu řídicího systému se vývojový tým musel vypořádat s mnoha protichůdnými požadavky. Například běh motoru s vrstvenou nehomogenní palivovou směsí vykazuje velmi nízkou spotřebu paliva, avšak v tomto režimu se mohou emise NOx hromadit uvnitř výfukového systému, což snižuje výkon motoru a především nepřípustně zvyšuje množství zplodin motoru. Nahromaděné emise lze spálit občasným obohacením palivové směsi. Při tomto obohacování je však nutné postupovat velmi opatrně, aby nevznikaly znatelné změny točivého momentu motoru, které by mohly být negativně vnímány řidičem. Jediným řešením této úlohy je použít komplexní počítačový model celého systému a testovat jednotlivé řídicí strategie.

Vývojáři firmy Ricardo vytvořili model všech šesti operačních fází motoru v programu Simulink a jeho nadstavbě Stateflow. Pro popis dynamických prvků systému použili bloková schémata Simulinku. Logické vazby přechodů mezi stavy motoru byly popsány stavovými diagramy programu Stateflow. Výsledný komplexní model sice obsahoval velký počet bloků, ale vzhledem k jeho hierarchické struktuře byl velmi dobře zvládnutelný z hlediska vývoje, údržby i použití. Na modelu současně pracovalo několik odborníků, každý na příslušné části a úrovni hierarchické struktury. Výsledný model systému pomohl detailně zhodnotit všechny řídicí strategie a vybrat optimální řešení.

„Velice se mi líbí způsob, jakým Stateflow dovoluje modelovat systém pracující v několika pracovních režimech. Vše lze jednoduše popsat v rámci jednoho modelu a při běhu simulace názorně sledovat nejen přechody mezi jednotlivými stavy v rámci jednoho režimu, ale i přechody mezi režimy samotnými – u složitého systému je to jediná cesta, jak pochopit, co se v něm opravdu děje,“ komentuje využití modelu Dr. Ray Heath, hlavní inženýr firmy Ricardo.

Výsledkem práce vývojového týmu je snížení emisí motorů G-DI Mitsubishi o zhruba 50 % při zachování ostatních parametrů motoru. Použití výpočetního a simulačního prostředí Matlab, Simulink a Stateflow podstatně urychlilo vývojový proces a tím značně snížilo náklady na zavedení nového motoru do výroby. Navíc práci vloženou do návrhu modelu je možné zúročit i na dalších zakázkách. Simulink podporuje modulární přístup k návrhu řídicích systémů, který je prosazován v laboratořích Ricardo. Simulink dovoluje modelovat různé motory jednoduchou modifikací základního modelu – stačí jen nahradit některé bloky schématu v Simulinku. Tento přístup nejen urychluje vývoj aplikací a pomáhá zachovávat jejich kvalitu na nadstandardní úrovni, ale také významným způsobem snižuje náklady na vývoj jak firmě Ricardo, tak jejím zákazníkům.

Distributorem produktů společnosti The MathWorks v ČR a SR je firma

HUMUSOFT s. r. o.
Novákových 6
180 00 Praha 8
tel.: 02/66 31 57 67
fax: 02/684 41 74
e-mail: info@humusoft.cz
http://www.humusoft.cz