Paul Korsgaard

Mit første speciale på universitetet:

Microprocessor based automatic control system for the combustion process in a high speed, four stoke Otto combustion engine based on the exhaust components oxygen and carbonmonooxyde. Click for video

Mikroprocessor baseret reguleringssystem til regulering af forbrændingsprocessen i en hurtiggående 4 takts ottomotor baseret på udstødningskomponenterne ilt og kulmonooxyd Klik for dansk video

 Tilbage

Jeg har været interesseret i forbrændingsmotorer siden jeg var tretten. I første omgang to takts uden ventil (længdeskylning), men i stedet tværskylning 2 stroke tuningog vendeskylning, med krumtap huset som lade pumpe. Dette jo grundet det var princippet for knallerter, hvilket jo i høj grad stadig gælder. Omkring 1971 kom Honda dog med en firtakter, hvis motorkonstruktion jo stadig bruges i rigtig mange sammenhænge. Sådanne reparerede og tunede jeg nu også. Den havde overliggende kædetrukket knast og skråtstillede ventiler, fantastisk!

 

Lidt senere blev det til 2-takts motorcykler, hvilket jeg stadig er til. Da jeg begyndte som mekaniker blev det for alvor hurtiggående 4 taktsmotorer, men jeg nyder stadig kæmpe 30.000 hk langsomtgående 2 takts skibsmotorer. Med typisk mellem 15 og 20 cylindre i række, længdeskylning og et omløbstal på under 100 [omløb/minut]. Som brændstof heavy fuel.

 

Jeg interesserede mig dengang inderligt for tuning af totaktere, og havde en god læremester i Herluf Larsen, der var Haderslevs tuningsekspert.

 

Under mit første ingeniørstudie, interesserede jeg mig derfor for termodynamik, som noget helt naturligt, i forlængelse af min brændende interesse for forbrændingsmotorer. Jeg havde, som altid, rigtig svært ved det i starten, men mener i dag at have en rigtig god teoretisk, såvel som praktisk, forståelse af forbrændingsmotorers termodynamik. Termodynamikken er en væsentlig grund at jeg gerne, med stor iver, inderlighed, seriøsitet og realisme, deltager i energidebatten herhjemme. Jeg har her i 2011, beskæftiget med energi via termodynamikken i 34 år.

 

Under studiet, kom jeg efter godt et år til at interessere mig for datalogi, som jeg jo har haft mere end 90% af min indtægt fra gennem livet. Samtidig har jeg aldrig arbejdet med termodynamik, bortset fra nogle datalogiske afstikkere, som f.eks. Energistyring for Vejle Amtskommune og styring af tanklagre for Haar Petroleum i Vejle.

 

Som afslutning af mit første ingeniørstudie, dengang teknikum ingeniør, der i dag hedder diplomingeniør, lavede jeg et speciale der hed:

 

Microprocessor based automatic control system for the combustion process in a high speed, four stoke Otto combustion engine based on the exhaust components oxygen and carbonmonooxyde.

 

Projektet gik hen og blev den første forbrændingsmotor i Danmark, der kørte efter dette dengang totalt ukendte princip med en mikroprocessor. Jeg er jo jyde, men skal da gerne indrømme, at jeg i dag er ”lidt” stolt af at være den første herhjemme, der både har konstrueret og fået en sådan til at køre. I dag kører ALLE nye benzindrevne biler efter dette princip, og har faktisk gjort det siden 1990, da der blev indført lov om katalysatorer, hvorfor man er nødt til at bruge regulering via lambda sonde som feedback parameter for forbrændingsprocessen. De første der kom, var ikke så avancerede endnu, og brugte monoindsprøjtning, i stedet for mit quartro princip, hvor benzin indsprøjtes mod indsugningsventilen i hver enkelt cylinder. Der produceres dog stadig forbrændingsmotorer med monoindsprøjtning. Det giver den ulempe at de yderste cylindre går med et mere magert luftoverskudstal end de midterste, der kan dog i høj grad kompenseres for dette af fysisk vej. Det skyldes at benzinmolekyler (alkanerne: oktan og nonan), er væsentligt tungere end luften og derfor har inerti mod at blive accelereret ud i de yderste indsugningsrør. Med quartro princippet er man i sagens natur ude over dette, vel at mærke her på en firecylindret.

 

Projektet blev et meget teoretisk Benzin indsprøjtningprojekt og samtidig et virkelig godt realiseret projekt. Regulering er én af de svære discipliner der ikke er forundt særlig mange maskiningeniører at forstå, praktisk som teoretisk, dette gjaldt også ham jeg lavede specialet under. Jeg har altid været ”hooked” på svære fagdiscipliner, og det blev da dengang, som nu, regulering og svingningsteori. Der er senere kommet andre svære emner til som f.eks. atomfysik, parallelprogrammering, filosofi og teologi. Atomfysik det eneste fag jeg har læst to gange, og stadig ikke forstår ret meget af, men er meget interesseret i. Parallelprogrammering er et andet eksempel, som nok heller ej ”alle” programmører forstår sig på, specielt den teoretiske side som f.eks. invarianter, deadlock, liveness, bevisføring (induktionsbeviser) og så meget andet herfra. Jeg bør for god ordens skyld nævne, at jeg har mødt, og har haft ansat, en del dataloger der kan det.

 

Dengang var mikroprocessorer totalt ukendt.MC6800 De første var kommet året før. Processorerne var Intel 4040, senere Intel 8080, men også Motorolla MC6800. De to sidste har 8 bits ordlængde og kan som det absolut maksimale adressere 64 kB i internt lager, jeg brugte 4 kB, hvilket var alt rigeligt og eksternt lager var et ukendt begreb for mikroprocessorer. Vi havde dog PROM brændere med 8” floppydiske, der kunne lagre fantastiske 160 kB. Til projektet brugte jeg en MC6800. Den vi i dag kender som MC68000, rettere 680xx der bruges i UNIX bokse og i Apple computere. MC6800 er vist her, den så nærmest ud som enhver anden kreds.

 

I dag (2011), er en harddisk til under 1.000 kroner jo typisk 1 TB (1012), hvilket vil sige 6.250 gange større. Internt lager i en god PC er typisk 4GB altså 1.000.000 gange større. Havde jeg sagt det den gang, ville folk mene at jeg var nærmest åndssvag. Ligeså at vi i dag har en ordlængde på 64 bit i mikroprocessorer, i stedet for 8. Hvilket betyder at ”opløsningen” er gået fra 256 til 1.8446.744.073.709.551.616 ≈ 1,8 x 1018

 

Mikroprocessorerne dengang kunne ikke regne, så vi måtte selv implementere de fire regningsarter for både heltal (skalarer) og flydende tal (ikke skalære).

 

Min interesse, og dermed projektet, blev derfor en kombination af min viden om:

 

·       Forbrændingsmotorer (teoretisk såvel som praktisk)

·       Datalogi (programmering)

·       Termodynamik

·       Reguleringsteknik

·       Kemi  

 

Jeg har nok brugt 600 – 800 timer på projektet, heraf nok mindst 100 timer til at realisere det. Rapporten blev på ca. 400 maskinskrevne sider, tekstbehandling var slet ikke opfundet endnu, Philips var dog i gang. Få år efter kom den første tekstbehandler til Danmark (Wordstar, i første omgang en CP/M version baseret på Ziloc processoren (8 bit ordlængde)), og ligesom DDE udviklede en dansk tekstbehandler (Word Work) baseret på Intel 8085.

 

Jeg nåede under projektet at brænde to US barrel benzin af, dette svarer til godt 210 liter. Det fortæller lidt om hvilken stabilitet motoren kørte med.

 

Motoren Paul forbrændingsmotorvar en BMC 4 cylindres R4, på knap1.600 cc og ca. 35 hK, med sideliggende knastaksel og topventiler. Motoren var ombygget til at have en faldstrømskaburator, i stedet for den klassiske SU med klokke alle ”englændere” jo kørte med på det tidspunkt. Motoren var fra først i tresserne. Prøvebænken var bestykket med en hvirvelstrømsbremse og køletårn ude i gården. Både til køling af hvirvelstrømsbremsen og af motorens kølevand. Momentmåleren ses til højre i billedet. Den lille tank er ekspansionsbeholderen for kølevand. Den langhårede fyr til venstre er mig.

 

Hvirvelstrømsbremsen kunne justeres hvad belastningsmomentet angår, dog noget besværligt. Momentet blev udlæst i pundfod, i stedet for som i dag newtonmeter. Volumenstrømmen at indsuget luft kunne aflæses på et barometer lignende glas, idet luften blev ført igennem en standart blænde og ind i en stabiliseringstank. Dimensionen var gallon/minut. Udstødningsgassen volumenstrøm kunne ikke aflæses, men i stedet beregnet med baggrund i dens temperatur, massestrømluft og volumenstrømbenzin . I udstødningsgassen målte jeg kontinuert Oxygen og Kulmonooxyd, der jo var tilbageføringssløjfernes parametre i reguleringssystemet (feed back parameters).

 

Reguleringssystemets sætpunkt var luftoverskudstallet lamda, der kunne sættes fra ca. 0,8 til knap 1,2. Luftoverskudstallet fortæller om det støkiometriske blandingsforhold ved at dividere aktuelt tilført luft med det støkiometriske korrekte. Luftoverskudstallet er lidt et dilemma i latinsk forstand (to regler/hjælpesætninger (mat.)). Ved lambda = 0,85 ca., har motoren højest effekt og ved lambda =1,1 har motoren bedst brændselsøkonomi. Noget jeg havde vist siden jeg var teenager, og som ingen ansatte på Teknikum (nu Syddansk Universitetscenter) var opmærksom på, hvordan blev anvendt i praksis.

 

Motorens top blev totalt ombygget. Der blev monteret elektrisk aktiverede indsprøjtningsdyser i topstykket, gennem topstykkets vandkammer. Motoren blev monteret med ramrør til trykbølge ladning af indsugningsluften, baseret på rørenes resonansfrekvens (naturligvis). Der blev lavet udtag fra knastakslen til styring af indsprøjtningstidspunktet. Og der blev monteret flere lignende ”hjemmelavede” sensorer, f.eks. til at måle gasspjældets stilling.

 

Hele denne rekonstruktion blev så bestykket med en mikroprocessor til styring og regulering af ”hele svineriet”. Der var mange udfordringer omkring reguleringssystemet. Motoren er nødt til at have en lynhurtig responce i transientperioden, specielt når der gives gas. Det havde hidtil været løst ved at bruge en accelerationspumpe i karburatorer, og for tværstrømskaburatorerne en hydraulisk dæmper i klokken. Problemet her var at der både var en tidskonstant af 2. orden i gasmålingstransducerne, men også en dødtid i røret fra udstødningsmanifolden og til transducerne. Her kom én af de mange styrker der ligger i at lave regulering som ren software. På gasspjældet kunne jeg detektere hvor åben det stod uden tidskonstant af nogen art, og derfor også når det blev givet gas og når gassen bliver taget af. Jeg lod derfor reguleringen øjeblikkelig gå over i en styring, der styrede temporært i transientperioden, for så igen at skifte til regulering bag efter. Der var nok kun én af lærerne på Syddansk Universitet (dengang Sønderborg Teknikum), der forstod hvad jeg i bund og grund var i gang med. Han hjalp mig moralsk/menneskeligt og sandelig også fagligt. Jeg skylder Sørensen en stor stor tak for at jeg overhovedet blev ingeniør, men dette grundet hans tidlige udstrakte hånd.

 

For at håndtere transientperioden måtte jeg lave noget matematik og numerisk analyse. Man kan beskrive motorens benzinbehov 3 dimensionalt, som funktion af omløbstallet og spjældstillingen. F(n,Θ). Jeg lavede derfor et hav af målinger, at disse sammenhørende parametre, på tredimensionel punktform. Jeg udviklede da en algoritme, der ved hjælp af regressionsanalyse, kunne levere rækkeudviklinger på polynomieform, til bestemmelse af indsprøjtningsmængden. Har man først polynomier, men ethvert polynomium jo evalueres ved hjælp de af 3 regningsarter addition, subtraktion og multiplikation, man behøver ikke potensopløftning ved at lave en simpel omskrivning (naturligvis). Reelt kan man jo i sagens natur, nøjes med de to første, ja, reelt den første, når man så i stedet har unært minus, også kaldt monadisk minus, til sin rådighed, hvilket man har i den binære repræsentation af tal, MSB (B=bit) præsenterer fortegnet. Så jeg kunne nøjes med en additionsprocedure i processoren, ved at anvende unært minus og addition hvilket jeg gjorde.

 

Algoritmen solgte jeg senere til Control Data, der anvendte den til CAD/CAM.

 

Hjælpen søgte jeg primært i DTUudenlandsk litteratur, ligesom Laboratoriet for energiteknik, bygning 404 på Danmarks Tekniske Universitet (Dengang DTH), kunne hjælpe på nogle områder og var meget interesseret i hvad jeg lavede, på trods at jeg kom fra det ”lavere rangerende” teknikum. Jeg fandt senere ud af, at én af grundende også var at lektorerne ikke var til mekanikersvende, da de havde langt større praktisk erfaring end lektorerne selv, dog med et par undtagelser. Jeg tog senere revanche på DTH, hvor hovedbygningen (101), er vist her til venstre.

Jeg har hundredevis af billeder fra projektet og der findes også video fra dengang, jeg skal bare have det fundet frem.

 

Der må i sagens natur have været bilproducenter der har gjort det samme allerede da mikroprocessorerne kom frem. Men på det tidspunkt kunne jeg ej finde noget som helst om det. Naturligvis ville det være en fabrikshemmelighed.

 Tilbage