Możliwości pomiarowe współczesnego systemu rejestracji parametrów szybkozmiennych

Transkrypt

1 SKRZEK Tomasz 1 Możliwości pomiarowe współczesnego systemu rejestracji parametrów szybkozmiennych WSTĘP Współczesne systemy do analizy parametrów szybkozmiennych pozwalają na wnikliwą analizę szeregu parametrów już w trakcie badań, co staje się bardzo użytecznym narzędziem wykorzystywanym podczas badań tłokowych silników spalinowych. Narzędzia tego typu odgrywają istotną rolę w przygotowaniu procesu spalania i pozwalają na szybką weryfikację wcześniejszych symulacji, co przekłada się na znaczne skrócenie czasu potrzebnego na wnikliwą analizę ogromnej ilości danych. Połączenie aparatury rejestrującej i technik obliczeniowych pozwala na dokładne przeprowadzenia analizy procesu spalania oraz śledzenia przebiegu wymiany ładunku bezpośrednio na stanowisku badawczym. 1 WSPÓŁCZESNY SYSTEM REJESTRACJI PARAMETRÓW SZYBKOZMIENNYCH Stopień skomplikowania współczesnych silników, w których szereg parametrów podlega regulacji, sprawia, że proces przygotowania ładunku oraz wymiany gazowej musi być przeprowadzany i weryfikowany w czasie rzeczywistym. Podczas analizy procesu spalania standardem jest wykorzystanie przebiegu mierzonych ciśnień w cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Dużo bardziej wnikliwą analizę można przeprowadzić wykorzystując rejestrację ciśnień i temperatur w kolektorach silnika. Istnieje wówczas możliwość wykorzystania szeregu danych, które nie mogą zostać zmierzone w sposób bezpośredni. Przykład rozmieszczenia czujników w jednocylindrowym silniku badawczym przedstawia Rys. 1. Rys. 1. Rozmieszczenia czujników ciśnień i temperatur [2] Dla szczegółowego zaplanowania przebiegu procesu spalania konieczne jest uzyskanie szeregu informacji dotyczących napełnienia cylindra. Tendencje rozwojowe współczesnych silników benzynowych zmierzają w kierunku podwyższania wartości ciśnień użytecznych przy jednoczesnej redukcji prędkości obrotowej, co w konsekwencji przekłada się na ograniczenie zużycia paliwa. Odpowiedzią na tego typu zapotrzebowanie stają się silniki doładowane z wtryskiem bezpośrednim gdzie fazy rozrządu podlegają regulacji. W tego typu konstrukcjach zachodzą zjawiska, które 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Mechaniczny; Radom; ul. Malczewskiego 29 Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn ul. Chrobrego

2 w istotny sposób wpływają na proces przygotowania mieszaniny paliwowo-powietrznej. Szczególnie istotne jest to w przypadku silników o zapłonie iskrowym gdzie skład mieszaniny musi zostać bardzo precyzyjnie dobrany zarówno dla zapewnienia prawidłowego przebiegu procesu spalania, ale także dla poprawności działania układu oczyszczania spalin. Aby możliwe było zapewnienie odpowiednich proporcji paliwa i powietrza bez względu na strategię przygotowania mieszaniny paliwowopowietrznej pomiar zużycia powietrza staje się niewystarczający. Dzieje się tak głównie z powodu braku możliwości zmierzenia pozostałości spalin w cylindrze jak również braku możliwości oszacowania współczynnika przepłukania cylindra. Zjawiska te silnie zależą od siebie i w sposób istotny podlegają zmianom głównie na skutek regulacji faz rozrządu. Zmiany te stają się możliwe do oszacowania wówczas, gdy wprowadzony zostaje pomiar wartości ciśnień i temperatur w obu kolektorach a uzyskane dane wykorzystane zostają do wygenerowania masy powietrza w cylindrze. Rys. 2. Przebiegi: ciśnień w cylindrze oraz kolektorach, wzniosów zaworów dolotowych i wylotowych, masy powietrza [2] Na rysunku 2 widoczna jest wyraźna zależność pomiędzy regulacją faz rozrządu (wartością przedmuchu w fazie przekrycia zaworów) a wartością masy powietrza opuszczającego cylinder tuż pod koniec suwu wydechu. Dzieje się tak na skutek przekrycia zaworów jak również z tytułu wyższych ciśnień w kolektorze ssącym. W tej sytuacji informacja o masie powietrza zassanego przez silnik nie może stanowić o przygotowaniu żądanego składu mieszaniny paliwowopowietrznej. Ponadto wyraźnej zmianie ulegnie skład spalin a w związku z tym współczynnik nadmiaru powietrza kontrolowany przez sondę lambda nie może zostać uwzględniony podczas przygotowania mieszaniny palnej. a) b) Rys. 3. Zależność przebiegu ciśnień użytecznych oraz zawartości tlenu w spalinach od przekrycia zaworów a) charakterystyka prędkościowa, b) obszar przekrycia zaworów [2] Kolejny przedstawiony powyżej Rys. 3 wyjaśnia efekt gwałtownego wzrostu zawartości tlenu w spalinach na skutek przekrycia zaworów. Porównano tu przebiegi narastania ciśnienia użytecznego dla zerowego przekrycia zaworów (linia w kolorze niebieskim) oraz dla pełnego przekrycia zaworów (linia w kolorze czerwonym). Kolorem zielonym zaznaczono obszar, w którym występuje 9639

3 przepłukanie komory spalania. Wzrost zawartości tlenu w spalinach sygnalizuje intensywność przepłukania. Jak wynika z powyższych wykresów wzrost intensywności przepłukania przekłada się na wzrost ciśnienia użytecznego. Z powyższej analizy zjawisko przepłukania bardzo korzystnie wpływa na osiągi silnika głównie poprzez zwiększenie współczynnika napełnienia. Aby jednak możliwe było zastosowanie tego typu metody konieczne jest rozpoznanie szeregu zjawisk towarzyszących oraz uwzględnienie ich na etapie projektowania procesu spalania. Możliwości takie dają jedynie nowoczesne systemy do rejestracji i analizy procesów szybkozmiennych. Program do analizy procesu spalania i wymiany ładunku wykorzystuje kombinację mierzonych i symulowanych wartości i na tej podstawie dostarcza szereg dodatkowych danych istotnych dla przeprowadzenia wnikliwej analizy. Proces przetwarzania danych przebiega dwutorowo. Po pierwsze wykorzystany zostaje przebieg ciśnienia w cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego, oraz model symulacyjny. Do określenia przebiegu i szybkości wywiązywania się ciepła wykorzystany zostaje standardowy wykres indykatorowy. Do określenia wymiany gazowej (dynamiki procesu napełniania i opróżniania cylindra) wykorzystuje się informacje z czujników ciśnień zarówno w kolektorze ssącym i wydechowym oraz wyliczone przebiegi wywiązywania się ciepła na podstawie przebiegu ciśnienia w cylindrze. 1.1 Metodyka Pierwszy etap analizy procesu spalania, który polega na wyznaczeniu przebiegu wywiązywania ciepła przeprowadza się w oparciu o fragment wykresu indykatorowego tj. od chwili zamknięcia zaworów dolotowych (IVC) do chwili otwierania się zaworów wylotowych (EVO) Rys. 4. Rys. 4. Sposób przetwarzania energii wewnętrznej w cylindrze [1] Ponadto do wyznaczenia bilansu energetycznego wykorzystana zostaje pierwsza zasada termodynamiki; gdzie: (energia wewnętrzna zawarta w ładunku)=-(praca indykowana)+(ciepło spalania)-(ciepło oddane do ścianek)-(przedmuchy do skrzyni korbowej)-(ciepło parowania paliwa) Straty energii powstałe podczas procesu spalania, na które składa się odprowadzenie pewnej ilości energii do czynnika chłodzącego mogą zostać wyliczone na podstawie jednego z trzech modeli obliczeniowych autorstwa Woschni, Hohenberg, Bargende. Natomiast przebieg wywiązywania się ciepła określony na podstawie wykresu indykatorowego z uwzględnieniem jedynie wyliczonych ilości paliwa i powietrza będzie charakteryzował się nieco innym przebiegiem od tego, w którym uwzględniona zostanie ich rzeczywista wielkość. Dlatego też połączenie obu metod pozwoli na dokładniejsze wyznaczenie przebiegu wywiązywania się ciepła. 9640

4 Analiza procesu spalania wykorzystująca wymianę gazową przebiega w oparciu o modelowanie przepływu w warunkach dynamicznych. Modelowanie takie wymaga uwzględnienia szeregu parametrów głównie dotyczących geometrii kanałów dolotowych i wylotowych. Metoda jakiej użyto do modelowania przepływów działa w oparciu o rozwiązywanie równań różniczkowych. Warunki brzegowe ustalane są na podstawie sygnałów z czujników ciśnień w obu kolektorach. Połączenie możliwości układu pomiarowego oraz metody obliczeniowej przy jednoczesnym wprowadzeniu szeregu danych dotyczących kształtu i wielkości kanałów dolotowych i wylotowych pozwala na wyliczenie masy ładunku biorącego udział w procesie spalania. Bardzo istotna jest możliwość przeprowadzenia takiej analizy dla pojedynczego cyklu pracy, co sprawia, że jesteśmy w stanie określić stopień przepłukania cylindra oraz określić stopień wypalenia dawki paliwa. Wprowadzone dane przy użyciu prostego równania pozwolą na wyliczenie masy ładunku (mieszaniny paliwowopowietrznej), która trafia do cylindra i istotnie bierze udział w procesie spalania. gdzie: (masa ładunku wewnątrz cylindra)=(masa powietrza zassanego)-(masa powietrza przechodząca do układy wydechowego)+(masa paliwa). Aby możliwe był przeprowadzenie symulacji konieczne jest wprowadzenie szeregu danych wejściowych takich jak: przebieg ciśnienia w cylindrze przebiegi ciśnień w kolektorze ssącym i wydechowym średnie wartości ciśnień i temperatur w obu kolektorach prędkość obrotowa silnika masę paliwa i powietrza dostarczanego do silnika średnie wartości ciśnienia efektywnego stosunek masy powietrza uwięzionego cylindrze do masy powietrza zassanego przez silnik pozostałość spalin (wewnętrzny EGR) recyrkulacja spalin temperatura i ciśnienie powietrza atmosferycznego dane konstrukcyjne silnika: ilość suwów rodzaj wtrysku paliwa (wtrysk pośredni, bezpośredni) ilość cylindrów stopień sprężania skok tłoka średnica cylindra długość korbowodu przesunięcie osi sworznia tłokowego względem osi cylindra (ofset) przebiegi wzniosów zaworów ssących i wylotowych w funkcji kąta obrotu wału korbowego ilość zaworów ssących i wylotowych przypadająca na cylinder średnica kanałów dolotowych i wylotowych powierzchnia kanałów dolotowych i wylotowych temperatura ścianek kanałów dolotowych i wylotowych średnica gniazd zaworowych luz zaworowy współczynnik przepływu (wyliczony na podstawie ciśnienia i wzniosu zaworów) pole powierzchni gniazd zaworowych odległość pomiędzy czujnikiem ciśnienia a zaworem przedmuchy do skrzyni korbowej rodzaj paliwa wartość opałowa paliwa 9641

5 stosunek powietrza do paliwa dla mieszanki stechiometrycznej Wymagane dane dotyczące parametrów konstrukcyjnych silnika zostają wprowadzane i zapamiętane, dzięki czemu mogą zostać wykorzystane w trakcie kolejnych kalkulacji. Natomiast pozostałe dane wprowadzane są do programu w czasie rzeczywistym, dzięki czemu już w trakcie badań możliwa jest pełna analiza procesu spalania. Poniżej przedstawiono okno programu, w którym przyporządkowane zostają adresy z danymi pomiarowymi. Rys. 5. Okno programu [4] Wyniki kalkulacji prezentowane mogą być zarówno w formie tabelarycznej jak i graficznej (Tab. 1,2 Rys.6,7). Tab. 1. Wyniki analizy procesu spalania uzyskane na podstawie wymiany gazowej [4] Stosunek powietrze/paliwo Powietrze dostarczone g/s Przedmuchy do skrzyni korbowej g Średnie ciśnienie użyteczne bar Średnie ciśnienie indykowane bar Kąt zamknięcia zaworów wylotowych Kąt otwarcia zaworów wylotowych O OWK O OWK Średnie ciśnienie tarcia bar Energia dostarczona w paliwie kj Masa paliwa g Praca indykowana kj Jednostkowe zużycie energii g/kwh Kąt zamknięcia zaworów ssących Kąt otwarcia zaworów ssących O OWK O OWK Wartość opałowa paliwa kj/kg Masa ładunku dostarczonego do cylindra g Max otwarcie zaworów wylotowych mm Max otwarcia zaworów ssących mm Współczynnik pozostałości spalin Prędkość obrotowa 1/min Ciepło oddane do głowicy kj Ciepło oddane do cylindra kj

6 Ciepło oddane do tłoka kj Suna ciepła oddanego kj Różnica pomiędzy wyliczoną i zmierzona wartością powietrza Różnica pomiędzy wyliczoną i zmierzona wartością paliwa - -0 Tab. 2. Wyniki analizy procesu spalania uzyskane na podstawie przebiegu ciśnienia w cylindrze [4] Bilans energii Wypalenie dawki w 5% Wypalenie dawki w 50% Wypalenie dawki w 90% Vibe Wypalenie dawki w 5% Vibe Wypalenie dawki w 50% Vibe Wypalenie dawki w 90% Vibe początek spalania O OWK O OWK O OWK O OWK O OWK O OWK O OWK Średnie ciśnienie indykowane bar Masa ładunku dostarczonego do cylindra g Ciśnienie po zamknięciu zaworów dolotowych bar Analiza uzyskanych wyników z obu metod pozwala nie tylko śledzić szereg zależności zachodzących podczas procesu spalania nawet w pojedynczym cyklu pracy, ale także weryfikować wyniki, dzięki czemu możliwe jest wykluczenie istotnych błędów pomiarowych. Wyniki uzyskane w drodze obliczeń wymagające wprowadzenia szeregu danych jak i te uzyskane na podstawie przebiegu ciśnień w cylindrze nie powinny od siebie odbiegać. Różnice na poziomie jednego procenta świadczą o dobrej korelacji pomiędzy obiema metodami i wskazują na prawidłowość przeprowadzonych pomiarów jak również na poprawne sparametryzowanie danych wejściowych takich jak przebiegi wzniosów zaworów czy kształt kanałów dolotowych i wylotowych. Istotne jest, aby bilans energii był możliwie najbliższy jedności (tabela nr 2 w pozycja pierwsza). Świadczy to o równowadze pomiędzy energią dostarczoną w paliwie a poszczególnymi składnikami bilansu jak energia zamieniona na pracę czy utracona ze spalinami i na skutek chłodzenia. Ponadto wprowadzone dane dotyczące powierzchni denka tłoka, komory spalania głowicy, cylindra pozwolą na wyliczenie strat ciepła oraz ich przebieg w funkcji kąta obrotu wału korbowego, co przedstawia Rys. 6. Rys. 6. Przebieg temperatury w cylindrze oraz strat ciepła do poszczególnych elementów silnika [4] Kolejnym przykładem potwierdzającym poprawność przeprowadzonej symulacji jest bardzo dobra korelacja pomiędzy przebiegiem ciśnienia w cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego uzyskanym na podstawie pomiaru ciśnienia w cylindrze a przebiegiem wyliczonym powstałym w procesie symulacji. Przykład tego typu przedstawia Rys

7 Rys. 7. Przebieg ciśnienia w cylindrze w funkcji kąta obrotu wału karbowego [4] WNIOSKI Wyraźny rozwój w dziedzinie tłokowych silników spalinowych skoncentrowany na poprawie osiągów przy jednoczesnym ograniczaniu zużycia energii oraz emisji zarówno związków toksycznych, ale również dwutlenku węgla sprawia, że wprowadzanych jest szereg zmian konstrukcyjnych mających istotny wpływ na przebieg procesu spalania. Wymaga to zastosowania odpowiednich narzędzi, które pozwolą na pełną analizę szeregu procesów zachodzących zarówno w samym cylindrze jak i poza nim. Jak pokazuje powyższy materiał konieczne jest zastosowanie bardziej zawansowanych narzędzi szczególnie tam gdzie masa ładunku uwięzionego w cylindrze (od chwili zamknięcia zaworów dolotowych do chwili otwarcia zaworów wylotowych) nie jest tożsama z masą doprowadzoną i zmierzoną w układzie dolotowym silnika. Zasadność tego typu postępowania podczas przygotowania ładunku sprawia, że koniecznym staje się wprowadzenie dodatkowych wielkości wykorzystanych w późniejszym procesie analizy danych. Streszczenie W artykule omówiony został system do rejestracji i analizy parametrów szybkozmiennych w tłokowych silnikach spalinowych. Zaprezentowany system autorstwa firmy AVL występujący pod nazwą GCA (Gas Exchange and Combustion Analysis) stanowi doskonałe narzędzie wykorzystywane na etapie przygotowania i analizy procesów związanych ze spalaniem i wymianą ładunku we współczesnych silnikach. Uzasadniono potrzebę stosowania systemu działającego zarówno w oparciu o standardowy pomiar ciśnień w cylindrze jak i o pomiar ciśnień i temperatur w kolektorach silnika. Ponadto przedstawiono wyniki tego typu analizy, która stanowi zaledwie część możliwości omawianego systemu. W artykule zwrócono uwagę na szereg zjawisk mających istotny wpływ na przebieg procesu spalania z punktu widzenia zarówno osiągów silnika jak również emisji, stanowiących jednocześnie wyzwanie dla współczesnych narzędzi wykorzystywanych do bardziej zaawansowanej analizy parametrów szybkozmiennych. Measurement capabilities of the modern system for registration quick changes parameter Abstract The article discussed a system for recording and analyzing the parameters in reciprocating internal combustion engines. Presented by AVL system to be known as GCA (Gas Exchange and Combustion Analysis) is an excellent tool used for the preparation and analysis of processes associated with combustion and gas exchange in modern engines. Justified the need for a system running either on a standard measurement of the pressure in the cylinder and about measuring the pressure and temperature in the engine manifolds. In addition, the results of this type of analysis that is only part of the capabilities of the system. The article draws attention to a number of phenomena that have a significant effect on the combustion process from the point of view of both engine performance and emissions that are a challenge for today's tools for more advanced 9644

8 analysis of the parameters of fast changes parameter. BIBLIOGRAFIA 1. Fairbrother R., Gande R., Krammer J., Leifert T., Salentinig G., GCA Online-supporting the engine calibration process by fast gas exchange and combustion analysis directly at the test bed. Blucher Engineering Proceedings Krammer J., Fairbrother R., Leifert T., Gande R., Salentinig G., On-line simulation support for gas exchange and combustion analysis at test bed. Virtual Powertrain Conferences 3. Podręcznik użytkownika program GCA 4. Program GCA firmy AVL 9645