Komputerowo wspomagane stanowisko do wyznaczania parametrów wtrysku paliwa

Transkrypt

1 BOROWSKI Przemysław 1 PIELECHA Ireneusz 2 CIEŚLIK Wojciech 3 BUESCHKE Wojciech 4 SKOWRON Maciej 5 Komputerowo wspomagane stanowisko do wyznaczania parametrów wtrysku paliwa WSTĘP Współczesne normy dotyczące produkowanych pojazdów nastawione są na zwiększenie bezpieczeństwa oraz zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin. Poprawa składu oraz ilości emitowanych spalin zależy od wielu systemów stosowanych we współczesnych układach napędowych. Istotnym pod względem zarówno ekologicznym oraz energetycznym jest sposób pracy silnika. Aby osiągnąć optymalne parametry jego pracy należy precyzyjnie sterować dawką paliwa oraz kątem wyprzedzenia zapłonu. W tym celu wymagana jest dokładna analiza procesu wtrysku [2, 8] umożliwiająca określenie jego parametrów oraz sposobu tworzenia mieszanki. Współczesne silniki spalinowe mają rozwinięte algorytmy podziału dawki paliwa [1, 4] oraz rozbudowane układy wtryskowe [5, 6] utrudniające oszacowanie dawki paliwa przypadającej w całym cyklu. Wynika to ze złożoności procesu zasilania silnika. Badania optyczne [5, 6, 8] umożliwiają określenie podstawowych parametrów wtrysku, takich jak kąt i zasięg strugi, obszar wypełnienia przez rozpylone paliwo, a także prędkość strugi w zależności od ciśnienia, czasu wtrysku i przeciwciśnienia ośrodka. Badania takie nie mogą jednak określić ilości wtryśniętego paliwa dla dowolnego punktu pomiarowego. W tym celu wymagane jest wykonanie charakterystyki badanego wtryskiwacza. Charakterystyka taka jest wyznaczana dla konkretnego wtryskiwacza przy zastosowaniu określonego paliwa przy stałej temperaturze. Parametrami zmiennymi podczas wyznaczania charakterystyki są: ciśnienie paliwa oraz czas wtrysku. Aby wyznaczyć charakterystykę wtryskiwacza należy zmierzyć masę paliwa wtryśniętego przez określoną liczbę dawek paliwa przy zadanych parametrach wtrysku. Precyzyjne określenie masy dawki paliwa dla pojedynczego wtrysku wymaga przyrządów o dużej dokładności, a mimo to obarczona jest dużą niepewnością pomiaru. Aby dokładnie wyznaczać charakterki wtryskiwaczy produkowane są dedykowane stanowiska badawcze. Jednym z rozwiązań jest model 0602 stanowiska produkowanego przez firmę Starex [9]. Innym przykładem jest Stanowisko Testowania Pomp i Wtryskiwaczy (STPiW) [10] produkowane prze firmę Autoelektronika Kędzia będącym na wyposażeniu Instytutu Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej. 1. STANOWISKO POMIAROWE Stanowisko Testowania Pomp i Wtryskiwaczy jest mobilnym stanowiskiem zaprojektowanym i wykonanym przez firmę Autoelektronika Kędzia. Daje ono duże możliwości testowania elementów układów wtryskowych silników o ZS. Głównym zamierzeniem budowy stanowiska jest możliwość wyznaczania charakterystyk wtryskiwaczy. Mocowania, przewody zasilające oraz sterownik umożliwiają montaż i test dowolnego wtryskiwacza elektromagnetycznego i piezoelektrycznego 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań, ul. Piotrowo 3, tel , fax , Przemyslaw.T.Borowski@doctorate.put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań, ul. Piotrowo 3, tel , fax , Ireneusz.Pielecha@.put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań, ul. Piotrowo 3, tel , fax , Wojciech.M.Cieslik@doctorate.put.poznan.pl 4 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań, ul. Piotrowo 3, tel , fax , Wojciech.E.Bueschke@doctorate.put.poznan.pl 5 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań, ul. Piotrowo 3, tel , fax , Maciej.M.Skowron@doctorate.put.poznan.pl 541

2 układu common rail oraz układów z rozdzielaczową pompą wtryskową. Przedstawione w instrukcji obsługi [9] funkcje stanowiska umożliwiają: sterowanie napędem pomp, sterowanie zasilaniem paliwa, zliczanie obrotów pomp, pomiar prędkości obrotowej pomp, pomiar ciśnień paliwa, pomiar wielkości dawki paliwa, pomiar wydatku pompy, pomiar wielkości temperatury paliwa, stabilizację obrotów pompy możliwość sterowania za pomocą komputera. STPiW jest stanowiskiem wykonanym w postaci mobilnego stelażu, na którym zamontowano niezbędne elementy. Budowa stanowiska została przedstawiona na rysunku 1. Układ ma trzy niezależne zbiorniki na paliwo, dzięki którym możliwa jest zmiana paliwa pomiarowego w krótkim czasie. Dzięki możliwości ustawienia temperatury w zakresie 20 60ºC paliwo podgrzewane jest za pomocą grzałki o mocy 900 W lub chłodzone za pomocą wbudowanej w stanowisko chłodnicy doposażonej w wentylatory. Paliwo dostarczane za pomocą pompy niskiego ciśnienia doprowadzane jest do pompy wysokiego ciśnienia Bosch CP4. Jest to pompa stosowana w układach zasilania silników pojazdów samochodowych. Dzięki jej użyciu jest możliwe przeprowadzenie testów w warunkach panujących w układach common rail III generacji, w których ciśnienie wtrysku paliwa przekracza 180 MPa. Pompa napędzana jest za pomocą silnika elektrycznego o mocy 4 kw, którego nastawny zakres prędkości obrotowej wynosi obr/min z dokładnością do 1 obr/min. Paliwo przekazywane jest przez przewody wysokiego ciśnienia do wtryskiwacza umieszczonego w uniwersalnym uchwycie. Podczas pomiaru wykonuje się od kilkuset do kilku tysięcy wtrysków do menzurki pomiarowej, dzięki której dokonuje się pomiaru Rys. 1. Stanowisko Testowania Pomp i Wtryskiwaczy: 1 menzurki pomiarowe, 2 wtryskiwacz, 3 zbiorniki paliwa, 4 sterowniki ręczne stanowiska, 5 przenośny komputer sterujący stanowiskiem, 6 silnik elektryczny napedzający pompę, 7 wyłącznik awaryjny 542

3 Stanowisko umożliwia ręczne zadanie parametrów wtrysku. Panel sterowania stanowiskiem został przedstawiony na rysunku 2. Umożliwia on regulację takich parametrów jak prędkość obrotową pompy, regulującę ciśnienia wtrysku paliwa oraz liczbę wtrysków. Dzięki wskaźnikom możliwy jest bieżący podgląd analizowanych wielkości: prędkości obrotowej, ciśnienia paliwa, liczby wtrysków zrealizowanych podczas pomiarów oraz temperatury paliwa Rys. 2. Widok układu sterującego: 1 komputer z oprogramowaniem STPiW, 2 układ ręcznego sterowania wydatkiem pompy, 3 układ ręcznego sterowania wtryskiwaczem Stanowisko badawcze umożliwia wyznaczanie charakterystyk za pomocą ręcznego układu sterowania lub oprogramowania komputerowego. Odbiornik bluetooth umieszczony w stanowisku umożliwia bezprzewodową komunikację z komputerem. Opracowane przez producenta oprogramowanie pozwala na pełną kontrolę nad stanowiskiem z użyciem komputera. Oprogramowanie stanowiska zwiększa możliwości badawcze przez dodanie opcji niedostępnych w trybie manualnym. Ma ono bazę wtryskiwaczy, która daje możliwość dostosowania parametrów testu do konkretnego wtryskiwacza. Kolejnym bardzo ważnym atutem stanowiska jest możliwość wyznaczania charakterystyki przez wybór dowolnych parametrów testów. Przed dokonaniem pomiarów należy skalibrować układ w celu prawidłowego wyznaczenia gęstości badanego paliwa. Następnie, aby wyznaczyć charakterystykę podawane są odpowiednio parametry ciśnienia paliwa oraz czasy wtrysków dla poszczególnych punktów pomiarowych. Zadane parametry niezmienne podczas wyznaczania charakterystyki dotyczą temperatury paliwa, częstotliwości wtrysków, maksymalnej liczby wtrysków lub maksymalnej objętości wtryśniętego paliwa, której osiągnięcie zakończy pomiar. Parametry wykorzystane w wyznaczaniu charakterystyki wtryskiwacza ustawiane są w jednym oknie programu sterującego. Rysunek 3 przedstawia przykładowy ekran otwartej aplikacji. 543

4 Dawka paliwa [mm 3 /wtr] Dawka paliwa [mm 3 /wtr] Rys. 3. Widok okna służącego do wyznaczania charakterystyki wtryskiwacza 2. WPŁYW PARAMETRÓW POMIAROWYCH NA WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK WTRYSKIWACZY Wyznaczanie charakterystyki wtryskiwacza wymaga wykonania serii pomiarów przy różnych ciśnieniach wtrysku oraz czasach otwarcia wtryskiwacza. Aby określić powtarzalność wykonano kilka serii pomiarów. Badania przeprowadzono dla jednego paliwa o stałej temperaturze wynoszącej 40ºC. Użyto siedmiootworkowego wtryskiwacza piezoelektrycznego firmy Bosch dedykowanego do układów common rail oraz paliwa badawczego o parametrach zbliżonych do oleju napędowego. Prędkość obrotowa pompy była stała i wynosiła 1200 obr/min, a regulacja odbywała się przez upust paliwa za pomocą zaworu. Częstotliwość wtrysku dla wszystkich punktów wynosiła 6 Hz. Badania przeprowadzono dla kilku punktów różniących się od siebie zadanym ciśnieniem i czasem wtrysku. Próby powtórzono pięciokrotnie w celu określenia powtarzalności pomiaru. Wyniki przedstawiono w sposób graficzny na rysunku 4. Wskazują one na większy rozrzut wyników dla pomiarów wykorzystujących duże ciśnienie wtrysku niż dla pomiarów o mniejszej wartości ciśnienia MPa 12 MPa 10 MPa 8 MPa 6 MPa Nr serii pomiarów Ciśnienie wtrysku [MPa] Rys. 4. Wartości pomiarów dla pięciu punktów pomiarowych (z lewej) oraz zależność dawki od ciśnienia na podstawie wartości średniej z serii pięciu pomiarów (z prawej strony) 544

5 W celu określenia możliwości poprawy powtarzalności wyników, przeprowadzono drugi etap badań dla jednego punktu pomiarowego, w którym zmieniane były parametry wcześniej uznane za stałe. W badaniach zastosowano ciśnienie wtrysku wynoszące 80 MPa i czas wtrysku wynoszący 400 µs. Parametrami zmiennymi były prędkość obrotowa pompy, która wynosiła odpowiednio 800 obr/min, 1200 obr/min oraz 1600 obr/min i częstotliwość wtrysku wynosząca 2 Hz, 6 Hz oraz 10 Hz. W celu określenia podstawowych zależności statystycznych określono odchylenie standardowe (1), niepewność standardową (2) oraz dokładność pomiaru (3): gdzie: x i wartość otrzymana w i-tym pomiarze, n liczba wykonanych pomiarów, t zmienna losowa w rozkładzie Studenta, α poziom istotności przyjęto α = 0,05, k liczba stopni swobody, równa liczbie pomiarów n pomniejszonej o 1 (n 1). Pomiary powtórzono pięciokrotnie, a wyniki zamieszczono w tablicy 1. Do każdej serii danych sporządzono obliczenia średniej arytmetycznej, odchylenia standardowego s(x), niepewności standardowej u(x) oraz zakres niepewności pomiarowej X±x. Tab. 1. Wyniki pomiarów oraz obliczeń n [obr/min] f [Hz] s(x) u(x) ±x X±x ,1 15,9 16,1 16,0 16,2 16,06 0,114 0,051 0,142 16,06±0, ,6 15,7 16,0 15,6 15,7 15,72 0,164 0,073 0,204 15,72±0, ,7 16,2 15,8 15,9 15,9 15,90 0,187 0,084 0,232 15,90±0, ,7 15,5 15,5 15,9 15,7 15,66 0,167 0,075 0,208 15,66±0, ,0 15,1 15,1 15,1 15,2 15,10 0,071 0,032 0,088 15,10±0, ,4 16,1 15,4 15,0 15,2 15,42 0,415 0,185 0,515 15,42±0, ,6 16,6 16,3 15,5 16,3 16,26 0,451 0,201 0,559 16,26±0, ,2 16,5 16,0 16,5 16,3 16,30 0,212 0,095 0,263 16,30±0, ,6 16,1 16,1 16,0 16,6 16,08 0,356 0,159 0,442 16,08±0,44 Wyniki badań zostały przedstawione w sposób graficzny na rysunku 5. Kolor niebieski dotyczy pomiarów przy prędkości obrotowej 800 obr/min, czerwony 1200 obr/min, a kolor zielony pomiarów przy prędkości obrotowej 1600 obr/min. Obliczono średnie dla wszystkich serii pomiarów, które różnią się od siebie, mimo zastosowania takiego samego ciśnienia wtrysku oraz czasów otwarcia wtryskiwacza. Średnia z serii pomiarowej przy częstotliwości wtrysku wynoszącej 2 Hz jest o 1,8% większa od średniej serii wykonanej przy częstotliwości 6 Hz która była najmniejsza. Największe odchylenie wyniku pomiaru od średniej z danej serii pomiarów wynosi 4,7% (czarna strzałka) przy częstotliwości 2 Hz. Dzięki zastosowaniu większej częstotliwości wtrysku wynoszącej 6 Hz uzyskano mniejszą maksymalną odchyłkę od średniej wynoszącą 1,8%. Obliczono średnie dla wszystkich serii pomiarów (czara linia), która różni się od średnich dla każdej z serii pomiarowych. Wyniki pomiarów przy częstotliwości 2 Hz są najbardziej zbliżone do średniej z wszystkich pomiarów, natomiast dla 6 Hz odnotowano największą rozbieżność wynoszącą 0,73% (biała strzałka). (1) (2) (3) 545

6 Dawka paliwa [mm 3 /wtr] -1,8% -4,7% 0,73% +4,4% Rys. 5. Wyniki pomiarów dawki paliwa przy zastosowaniu różnych częstotliwości wtrysku Obliczono odchylenie standardowe dla różnych częstotliwości. Najmniejszą wartość 0,067 uzyskano przy częstotliwości wtrysku wynoszącej 6 Hz. Największą jej wartość 0,143 odnotowano przy częstotliwości 10 Hz. Odchylenie standardowe przekłada się bezpośrednio na wartość niepewności pomiaru przedstawionej na rysunku 6. Kolory linii odpowiadają kolejno częstotliwościom 2 Hz niebieski, 6 Hz czerwony, 10 Hz zielony. Najmniejszą średnia wartość niepewności pomiaru uzyskano przy częstotliwości wtrysku wynoszącej 6 Hz. Wynosi ona 0,185 i stanowi 1,2% średniej dawki przypadającej na wtrysk przy tej częstotliwości. Największa wartość przypada przy największej częstotliwości 10 Hz i wynosi 0,397, co stanowi 2,5% średniej wartości pomiaru dla tej częstotliwości. Niepewność pomiaru przy częstotliwości 2 Hz wynosi 0,303 i jest zbliżona do niepewności pomiarowej dla wszystkich pomiarów. 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 2,5% 2 Hz 6 Hz 10 Hz 0,1 1,9% 0, Rys. 6. Wyniki obliczeń niepewności pomiarowej przy różnych częstotliwościach wtrysku paliwa Kolejnym etapem określenia powtarzalności pomiarów od sposobu jego wykonania jest zależność wynikająca z ustawionej prędkości obrotowej pompy paliwa. Porównano trzy parametr pomiarowe, w których zastosowano prędkości obrotowe pompy wynoszące odpowiednio: 800 obr/min, 1200 obr/min oraz 1600 obr/min. Wyniki przedstawiono w sposób graficzny na rysunku 7. Podobnie jak na poprzednich rysunkach linie ciągłe łączą wyniki serii pomiarowych, a przerywane określają wartości średnie ich pomiarów. W tym przypadku kolory odnoszą się odpowiednio do zastosowanej częstotliwości wtrysku i oznaczają: niebieski 2 Hz, czerwony 6 Hz, zielony 10 Hz. Średnia z serii pomiarowej przy prędkości obrotowej wynoszącej 1600 obr/min jest o 5,3% większa od średniej serii wykonanej dla prędkości obrotowej 1200 obr/min która była najmniejsza. Największe odchylenie wyniku pomiaru od średniej z danej serii pomiarów wynosi 4,4%.(czarna strzałka) przy prędkości 1200 obr/min. Zastosowanie najmniejszej prędkości obrotowej umożliwiło uzyskanie najmniejszych odchyłek od średniej wynoszących do 1,9%. Największa odchyłka przypada przy prędkości obrotowej wynoszącej 1200 obr/min i 10 Hz, która wynosi 4,4%. Obliczono średnie dla wszystkich serii pomiarów (czara linia), która różni się od średnich dla każdej z serii pomiarowych. 1,2% 546

7 Dawka paliwa [mm 3 /wtr] Wyniki pomiarów przy prędkości obrotowej pompy 800 obr/min są najbardziej zbliżone do średniej z wszystkich pomiarów, natomiast przy n = 1200 obr/min odnotowano największy rozrzut wyników wynoszący 1,9% (biała strzałka). +4,4% -1,9% -1,9% -3,2% Rys. 7. Wyniki pomiarów dawki paliwa przy zastosowaniu różnych częstotliwości wtrysku. W odniesieniu do prędkości obrotowej pompy obliczono odchylenie standardowe, której najmniejsza wartość wynosi 0,069 przy prędkości obrotowej 800 obr/min. Największą wartość odnotowano przy prędkości 1600 obr/min i wynosi 0,152. Tak jak podczas poprzedniej analizy niepewność pomiarowa przedstawiona na rysunku 8 wynika z odchylenia standardowego. Kolory linii odpowiadają prędkościom obrotowym: 800 obr/min niebieski, 1200 obr/min czerwony, 1600 obr/min zielony. Najmniejszą średnią wartość niepewności pomiarowej uzyskano przy prędkości obrotowej wynoszącej 800 obr/min. Wynosi ona 0,193 i stanowi 1,2% średniej dawki przypadającej na wtrysk przy tej prędkości obrotowej. Największa wartość przypada przy największej prędkości obrotowej i wynosi 0,422, co stanowi 2,6% średniej wartości pomiaru przy tej prędkości obrotowej. Niepewność pomiaru przy n = 1200 obr/min wynosi 0,270 i jest zbliżona do niepewności dla wszystkich pomiarów. 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 2,6% 1,8% 1,2% Rys. 8. Wyniki obliczeń niepewności pomiarowej przy różnych częstotliwościach wtrysku paliwa WNIOSKI Stanowisko testowania wtryskiwaczy ułatwia w znacznym stopniu wykonanie charakterystyki wtryskiwaczy. Nieporównywalnie krótszy czas jej wykonania w stosunku do niezautomatyzowanych metod jest dużym osiągnięciem. Wszystkie pomiary mieszczą się w granicy dopuszczalnej niepewności pomiarowej. W artykule omówiono próby poprawy powtarzalności pomiarów przez zmianę parametrów pracy stanowiska. Osiągnięto zmniejszenie maksymalnego odchylenia od średniej w odniesieniu zarówno do prędkości obrotowej pompy oraz częstotliwość wtrysku. Nie wykazano jednoznacznej tendencji pomiarów. Wyniki badań zestawiono w sposób graficzny na rysunku

8 Niepewność pomiaru [mm 3 /wtr] Analiza porównawcza wskazuje na największe wartości niepewności pomiarowych przy największych prędkościach obrotowych oraz największych częstotliwościach wtrysku. Najmniejszą niepewność pomiarową wykazano dla punktu, w którym wykorzystano częstotliwość wtrysku 6 Hz przy prędkości obrotowej 1200 obr/min: wyniósł on 0,088 co stanowi 0,58% średniej wartości dla tej serii pomiarowej. Analiza niepewności pomiarowych wykazała możliwość zwiększenia powtarzalności pomiarów oraz uzyskanie jej wartości poniżej 1%. Zaleca się wykonywanie badań przy częstotliwości ok. 6 Hz i prędkości obrotowej ok 1200 obr./min. Następnym etapem badań może być dokładniejsza analiza wykorzystująca ±1 Hz oraz ±200 obr/min w stosunku do najbardziej optymalnego punktu. 0,6 0,4 0,2 10 0, f [Hz] n [obr/min] 800 Rys. 9. Wyniki obliczeń niepewności pomiarowych dla wszystkich pomiarów 0,4-0,6 0,2-0,4 0,0-0,2 Streszczenie Optymalizacja spalania jest podstawowym kierunkiem rozwoju silników spalinowych. Aby to osiągnąć należy precyzyjnie sterować układem wtryskowym i procesem spalania. Wyznaczanie charakterystyk wtryskiwaczy umożliwia określenie ilości wtryskiwanego paliwa przypadającej na wtrysk. Aby wyznaczyć taką charakterystykę wykorzystuje się specjalistyczne stanowiska pomiarowe. Praca zawiera omówienie wyników serii pomiarów masowego natężenia przepływu paliwa przeprowadzonych za pomocą stanowiska testowania wtryskiwaczy. Omówiono możliwości uzyskania powtarzalności pomiarów. Zwrócono uwagę na zależność wyniki pomiarów od parametrów pracy stanowiska. Omówiono podstawowe wartości statystyczne oraz określono kierunki następnych badań. Computer aided stand determining the parameters of the fuel injection Abstract The optimization of combustion processes is the main direction in development of combustion engines. The precise control of injection system and combustion processes is needed to achieve that. The determination of characteristic of injectors makes it possible to specify the amount of injected fuel attributed to injection. Specialist measurement stands are used to determinate the characteristics of injectors. The paper contains a discussion of the results of series of measurements of injectors mass flow conducted by described injector test stand. The possibility of obtaining the repeatability of measured results is discussed. The possibility of influence of basic parameters of stand on measured results is shown. The basic statistical values and direction of the next research are presented. BIBLIOGRAFIA 1. Drake M.C., Fansler T.D., Peterson K.H., Stratified ignition processes in spray-guided SIDI engines. 9th International Symposium on Combustion Diagnostic, Baden-Baden Kobayashi Y., Ishima T., Obokata T., Spray characteristics of a high-pressure swirl injector for DISI engines under high ambient temperature and pressure conditions. SAE Technical Paper ,

9 3. Pielecha I., Borowski P., Cieslik W., Investigations into high-pressure diesel spray wall interaction on reduction of exhaust emission from DI diesel engine, SAE Technical Paper , Pielecha I., Borowski P., Czajka J., Wisłocki K., Kaźmierowski J., Combustion process shaping by use of different strategies of multiple fuel injection in a CI model engine, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. Vol. 119, No. 1, 2015, , ISSN Pielecha I., Borowski P., Czajka J., Wisłocki K., Spray analysis carried out with the use of two angularly arranged outward-opening injectors. ILASS Americas 25th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, Pittsburgh, PA, May 5 8, Pielecha I., Borowski P., Investigations of the multiple fuel injection and atomization with the use of two outward-opening injectors, SAE Technical Paper , Pielecha, I., Modeling of gasoline fuel spray penetration in SIDI engines. International Journal of Automotive Technology. 2014, 15(1), 47-55, Raimann J., Arndt S., Grzeszik R., Ruthenberg I. i in., Optical investigations in stratified gasoline combustion systems with central injector position leading to optimized spark locations for different injector designs. SAE Technical Paper , Stanowisko do testowania wtryskiwaczy Common Rail Stardex 0601 Instrukcja obsługi, z dnia Stanowisko testowania pomp i wtryskiwaczy STPiW3 Opis techniczny, Autoelektronika Kędzia Nr kat: