Determination of cylinder fill with the use of HFM-5 air-mass meter

The composition of air-fuel mixture in the spark ignition engine changes from cycle to cycle and differs in individual cylinders due to unrepeatability of filling with air resulting from complex gasodynamic phenomena in the engine inlet system as well as retardation in fuel injection. Fluctuation of air-fuel mixture composition lowers effectiveness of a three-way catalytic converter, what affects exhaust gas toxicity increase and vehicle dynamics and engine work deterioration resulting from higher revolution irregularity. It should be believed in the near future, air-fuel mixture composition control will be realised automatically in individual cylinders, at the level of single working cycle. This problem was emphasized in the report entitled “Combustion problems in combustion engines” prepared by experts from the Combustion Section of the Committee on Thermodynamics and Combustion of Polish Academy of Sciences and Polish Combustion Institute (pp. 188 and 189). The idea of air-fuel mixture composition control realised at the level of single working cycle was the main subject of project No. 1785/T12/2001/20 entitled "New approach to air-fuel mixture composition control in the spark ignition engine, in transient conditions" commissioned by Polish Committee for Scientific Research and realised with participation of the authors of this paper in Technical University of Radom. The paper describes the method for cylinder fill determination, what is the basis for control. Cylinder fill determination is based on transitory air-mass flow measured, using HFM-5 thermoanemometer produced by BOSCH, in the precisely determined range of the cylinder fill phase. This range has an upper limit in order to make possible, in a given cycle, injection of such gasoline quantity that ensured required air-fuel mixture composition. Mass of air that fills the cylinder beyond this range may be estimated only by prediction. Therefore, cylinder fill is a sum of air mass calculated from the air- mass flow and estimated on the basis of other engine work parameters. The paper describes the method of angle range determination for air-mass flow measurement and of cylinder fill calculation in this range as well as a way of estimation of air mass that fills the cylinder beyond the measurement range. The investigation results for the whole load range of 1.61 engine and for engine speed limited to 3000 rpm were presented.

Skład mieszanki w silniku benzynowym zmienia się z cyklu na cykl i nie jest taki sam w poszczególnych cylindrach. Jest to wynikiem niepowtarzalności napełniania poszczególnych cylindrów powietrzem będącej skutkiem złożonych zjawisk gazodynamicznych w układzie dolotowym i opóźnienia w dozowaniu paliwa. Fluktuacja tego składu obniża efektywność pracy trójdrożnego katalizatora, co skutkuje wzrostem toksyczności spalin, pogarsza dynamikę samochodu oraz kulturę pracy silnika w wyniku zwiększonej nierównomierności obrotów. Należy sądzić, że w nieodległej perspektywie sterowanie składu mieszanki realizowane będzie autonomicznie w poszczególnych cylindrach na poziomie pojedynczego cyklu roboczego. Problem ten podkreślony został m.in. W ekspertyzie pt. „Problemy spalania w silnikach spalinowych" opracowanej przez wybranych specjalistów Działających w ramach Sekcji Spalania Komitetu Termodynamiki i Spalania PAN oraz Polskiego Instytutu Spalania (str. 188, 189). Idea sterowania składem mieszanki na poziomie pojedynczego cyklu roboczego silnika była przedmiotem projektu badawczego Nr 1785/T12/2001/20 pt. „Nowy sposób sterowania składem mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku benzynowym w stanach przejściowych" zleconego przez Komitet Badań Naukowych, realizowanego z udziałem autorów tej publikacji na Politechnice Radomskiej. Przedkładana publikacja zawiera opis metody wyznaczania napełnienia cylindra, stanowiącego podstawę takiego sterowania. Wyznaczanie napełnienia opiera się na pomiarze chwilowego masowego wydatku powietrza wykonywanego termoanemometrem HFM-5 firmy BOSCH, w ściśle określonym przedziale fazy napełniania cylindra. Przedział ten jest ograniczony od góry w taki sposób, aby możliwe było w danym cyklu wtryśnięcie benzyny w ilości zapewniającej wymagany skład mieszanki. Masa powietrza napełniającego cylinder poza tym przedziałem może być określona tylko metodą prognozowania (szacowania). Napełnienie cylindra jest więc sumą mas powietrza: obliczonej z przebiegu masowego wydatku i oszacowanej (prognozowanej) w oparciu o inne parametry pracy silnika. Publikacja zawiera opis sposobu wyznaczania kątowego przedziału dla pomiaru masowego wydatku powietrza i obliczania napełnienia cylindra w tym przedziale oraz sposobu wyznaczania (prognozowania) masy powietrza napełniającego cylinder poza przedziałem pomiaru napełniania. Przedstawiono wyniki badań dla pełnego zakresu obciążeń silnika 1.61 i prędkości obrotowej ograniczonej do 3000 obr./min.