Analiza wpływu zmian napięcia akumulatora pojazdów samochodowych w aspekcie ochrony środowiska

Transkrypt

1 RÓŻOWICZ Sebastian 1 Analiza wpływu zmian napięcia akumulatora pojazdów samochodowych w aspekcie ochrony środowiska WSTĘP Praca silnika spalinowego uzależniona jest od poprawnej pracy układu zapłonowego, bowiem proces spalania w silniku a w konsekwencji moc, moment obrotowy, zużycie paliwa i toksyczność spalin zależą od energii wyładowania iskrowego oraz kąta wyprzedzenia zapłonu. Prowadzone badania mają na celu optymalizację parametrów wyładowania iskrowego, dla uzyskania założonych efektów pracy silnika. W wyniku przeprowadzonych w tym zakresie prac konstrukcyjnych powstało wiele rozwiązań układów zapłonowych z wykorzystaniem elementów elektronicznych, jak również sterowników jako centralnej jednostki komputerowej nadzorującej i sterującej procesem spalania mieszanki paliwowo powietrznej. Badania prowadzone w wielu ośrodkach na świecie zmierzają do optymalizacji pracy układu zapłonowego przez wyeliminowanie elementów mechanicznych. Choć zastąpienie mechanicznego przerywacza przez różnego typu układy bezstykowe z czujnikami magnetoindukcyjnymi, hallotronowymi lub optycznymi nie stwarza większych problemów, to próby wyeliminowania mechanicznego rozdzielacza zapłonu napotykają na poważne trudności. Przeszkodę tę można ominąć przez stosowanie oddzielnej cewki zapłonowej dla każdej świecy funkcję rozdzielacza przejmują wtedy urządzenia elektroniczne pracujące po stronie uzwojenia pierwotnego cewki. Poprawę parametrów układu zapłonowego można uzyskać poprzez zmianę parametrów cewki zapłonowej obniżając straty w rdzeniu. W warunkach wyidealizowanych, gdy między elektrodami świecy znajduje się jednorodna mieszanka o składzie stechiometrycznym (λ=1), do zapoczątkowania spalania wystarczy iskra o energii 0,1 1mJ trwająca przez 1µs, a więc składowa pojemnościowa wyładowania. W warunkach rzeczywistych, gdy w cylindrach znajduje się mieszanka niejednorodna, często źle rozpylona i rozcieńczona spalinami, do zapłonu potrzebna jest energia 20mJ. Przy zasilaniu mieszanką zubożoną (λ=1,2 1,5) należy wydłużyć fazę wyładowania. Wydzielanie ciepła w dłuższym czasie przyspiesza reakcje chemiczne w fazie inicjacji, co sprzyja zmniejszeniu nierównomierności cykli roboczych. Dłuższa składowa indukcyjna umożliwia odparowanie mieszanki, co powoduje odczuwalną poprawę rozruchu i skrócenie czasu nagrzewania silnika. W konsekwencji, wydłużenie czasu trwania wyładowania iskrowego powoduje zwiększenie mocy, zmniejszenie zużycia paliwa i zmniejszenie toksyczności spalin. Napięcie przeskoku między elektrodami świecy zapłonowej zależy od wielu czynników m.in. od odstępu między elektrodami, kształtu, materiału i stanu powierzchni elektrod, od ciśnienia, temperatury i składu mieszanki oraz od polaryzacji napięcia. Zależność napięcia przeskoku od ciśnienia, temperatury, rodzaju elektrod i odległości między elektrodami opisuje prawo Paschena. gdzie: U 2 p k a p T k- współczynnik charakteryzujący pracę wyjścia elektronu zależy od rodzaju i kształtu elektrod, a- odległość między elektrodami, (1.1) 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki; Kielce; al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Tel: , , s.rozowicz@tu.kielce.pl 5462

2 p - ciśnienie w komorze spalania, T- temperatura w komorze silnika, Często dla układów silnikowych korzystamy ze wzoru uproszczonego: gdzie: v - stopień sprężania silnika, U2p=4700*a*v0,718 (1.2) Proces spalania mieszanki paliwowo powietrznej jest procesem, którego efektem końcowym są składniki przedostające się do atmosfery. Składniki spalin można podzielić na toksyczne (CO, HC, NOx, pyły, dioksyny, metale ciężkie i ozon) oraz na nietoksyczne (CO2, O2, N2, H2O). Badania zawartości składników toksycznych i nietoksycznych w spalinach dla różnych wartości napięcia zasilającego układ zapłonowy przeprowadzono na pojazdach samochodowych Opel Vectra o pojemności 1800cm 3 z roku 1995 oraz Volkswagen Bora o pojemności 1600cm 3 z roku 2005 przy różnych prędkościach obrotowych silnika. 1. OBWÓD ZASILANIA W ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ Zadaniem obwodu zasilania jest dostarczenie energii elektrycznej do wszystkich odbiorników elektrycznych oraz do rozruchu silnika i do obwodu zapłonowego. W skład obwodu zasilania w energię elektryczną wchodzą: akumulator; generator; regulator napięcia; Rys. 1. Schemat blokowy elektrycznego systemu zasilania samochodu[4]. Akumulator jest statycznym odwracalnym źródłem energii elektrycznej, która jest w nim magazynowana w postaci energii chemicznej. Jego zadaniem jest zapewnienie odpowiedniej ilości energii elektrycznej potrzebnej do uruchomienia silnika i stabilizowanie jego parametrów podczas pracy. Napięcie znamionowe akumulatora wynosi w stanie spoczynku 12,5 V natomiast w czasie rozruchu zawiera się w przedziale 8-12,5 V. Po uruchomieniu silnika i załączeniu się alternatora zakres napięcia na zaciskach akumulatora mieści się w granicach 13,5-14,4 V. Inne wartości tego napięcia świadczą o uszkodzeniu lub niewłaściwej pracy akumulatora, co może być wywołane uszkodzeniem elementu w układzie zasilania. Rolę generatora w starszych rozwiązaniach pojazdów samochodowych spełniała prądnica prądu stałego zastąpiona we współczesnych pojazdach alternatorem. Alternator wraz z regulatorem napięcia jest dynamicznym źródłem energii elektrycznej, który w pojeździe współpracuje z akumulatorem. Napięcie na wyjściu alternatora powinno mieścić się w przedziale 13,8-14,4 V. Jego wartość jest stabilizowana za pomocą regulatora napięcia. Regulacja napięcia alternatora odbywa się poprzez zmianę prądu wzbudzenia w zależności od jego prędkości obrotowej. Wartość prądu na wyjściu z 5463

3 regulatora napięcia mieści się w przedziale 0,5-3A. Inne wartości tego sygnału świadczą o uszkodzeniu regulatora napięcia. Regulator napięcia spełnia w układzie trzy funkcje: utrzymuje napięcie na stałym poziomie; ogranicza prąd pobierany z alternatora (prądnicy), zabezpieczając go przed przeciążeniem; włącza generator do równoległej współpracy z akumulatorem; Regulator w obwodzie alternatora służy tylko do regulacji napięcia, ponieważ zaworowe działanie diod prostowniczych alternatora eliminuje konieczność stosowania wyłącznika samoczynnego, a wewnętrzna samoregulacja prądu obciążenia alternatora sprawia, że ogranicznik prądu staje się zbędny. 2. ANALIZA WPŁYWU ZMIANY WARTOŚCI ENERGII WYŁADOWANIA ISKROWEGO NA TOKSYCZNOŚĆ SPALIN W POJEZDZIE OPEL VECTRA. Grupa węglowodorów HC obejmuje związki chemiczne o różnych własnościach, które szkodliwie oddziaływają na drogi oddechowe i układ krwionośny człowieka. Dla wartości energii wyładowania równej 24mJ przy napięciu zasilania 12V w pojeździe Opel Vectra zawartość węglowodorów wynosi 72[ppm] - jest to najmniejsza osiągnięta wartość dla biegu jałowego silnika. Wraz ze zmniejszeniem wartości napięcia zasilania czyli zmniejszając energię wyładowania iskrowego zawartość węglowodorów wzrasta do 180[ppm]. Wraz ze zwiększeniem prędkości obrotowej zawartość węglowodorów w spalinach spada. Obowiązujące przepisy stanowią, iż zawartość HC w spalinach nie powinna przekroczyć [100ppm]. Wyniki badania zawartości wybranych związków w spalinach pojazdu Opel przedstawiono na rysunkach 2 i 3. Rys. 2. Zawartość węglowodorów i tlenku węgla w spalinach funkcji napięcia oraz obrotów silnika. Rys. 3. Zawartość tlenu i dwutlenku węgla w spalinach funkcji napięcia oraz obrotów silnika. 5464

4 Dla wartości energii wyładowania równej 24mJ przy napięciu zasilania 12V w pojeździe Opel Vectra zawartość CO 0,2[vol%] natomiast O2 wynosi 1,65 [vol%] dla biegu jałowego silnika. Wraz ze zmniejszeniem wartości napięcia zasilania i zwiększeniem prędkości obrotowej silnika zawartość CO i O2 wzrasta ponad dopuszczalną normę. Przy obniżonym napięciu akumulatora i podniesionej prędkości obrotowej silnika do obrotów eksploatacyjnych ( obr/min) zawartość tych związków w spalinach gwałtownie wzrasta. Im mniejsza energia wyładowania iskrowego, tym zapłon mieszanki paliwowo powietrznej jest trudniejszy, a przede wszystkim wydłuża się coraz bardziej czas jej spalania. 3. ANALIZA WPŁYWU ZMIANY WARTOŚCI ENERGII WYŁADOWANIA ISKROWEGO NA TOKSYCZNOŚĆ SPALIN W POJEZDZIE VOLKSWAGEN BORA. Badania zawartości składników toksycznych i nietoksycznych w spalinach dla różnych wartości napięcia zasilającego układ zapłonowy przeprowadzono w pojeździe samochodowym Volkswagen Bora przy różnych prędkościach obrotowych silnika. Wyniki badania zawartości wybranych związków w spalinach przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Rys. 4. Zawartość węglowodorów i tlenku węgla w spalinach funkcji napięcia oraz obrotów silnika. Rys. 5. Zawartość tlenu i dwutlenku węgla w spalinach funkcji napięcia oraz obrotów silnika. Dla wartości energii wyładowania równej 24mJ przy napięciu zasilania 12V w pojeździe Volkswagen Bora zawartość CO 0,55[vol%] natomiast O2 wynosi 1,80 [vol%] dla biegu jałowego silnika. Wraz ze zmniejszeniem wartości napięcia zasilania czyli zmniejszając energię wyładowania iskrowego zawartość CO i O2 wzrasta ponad dopuszczalną normę. Wraz ze zwiększeniem prędkości obrotowej zawartość tych związków w spalinach spada. WNIOSKI Uzyskane wyniki badań świadczą o istotnym wpływie stanu naładowania akumulatora na zawartość toksycznych związków w spalinach samochodowych. Dla pracy silnika spalinowego na biegu jałowym obr/min zawartość toksycznych związków w spalinach pojazdu Volkswagen 5465

5 Bora jest nieznaczna w porównaniu do zanieczyszczeń produkowanych przez pojazd Opel Vectra marki przy tej samej prędkości obrotowej. Prędkość obrotowa obr/min jest prędkością eksploatacyjną pojazdów mechanicznych, dla której określone zawartości toksycznych związków w obu samochodach mają bardzo różne stężenie. Układ zapłonowy starszej generacji przy obniżonym napięciu akumulatora wprowadza do środowiska toksyczne związki znacznie przekraczając dopuszczalne normy. Układ zapłonowy zastosowany w Volkswagen Bora jest układem z panelową cewką zapłonową, który przy wyższych prędkościach obrotowych silnika w mniejszym stopniu zanieczyszcza środowisko. Zmiana napięcia zasilania nie ma istotnego wpływu na wartość napięcia przeskoku, które określane jest wzorem Paschena. Należy dbać o poprawny stan naładowania akumulatora oraz niezawodną pracę układu zasilania (akumulator, generator, regulator napięcia), ponieważ one mają istotny wpływ na wartość maksymalnego napięcia indukowanego w cewce zapłonowej. Streszczenie W pracy przedstawiono krótką charakterystykę i rozwiązania bateryjnych układów zapłonowych współpracujących z silnikami spalinowymi. Dokonano badań wpływu parametrów konstrukcyjnych układów zapłonowych na wartość napięcia przeskoku, natężenia prądu wyładowania oraz poprawność pracy świecy zapłonowej. W artykule przedstawiono weryfikację parametrów układu zapłonowego w aspekcie toksyczności spalin. Badania eksperymentalne przeprowadzono na różnych typach bateryjnych układów zapłonowych. Analizę układu przeprowadzono na podstawie badań w pojazdach marki opel Vectra oraz na klasycznym układzie rozdzielaczowym. Dokonano porównania i weryfikacji wyników zdjętych z obiektów rzeczywistych. Analysis of the impact of battery voltage changes in terms of environmental protection Abstract Laboratory researches results of battery contactless ignition system co-operating with combustion engines has been presented in the paper. The proposed model has been used for analysis of influence of battery voltage changes on value of spark discharge energy. Analysis of influence of construction parameters on value of spark discharge current and voltage and operation of the spark plug properity is showed. Aanalysis of ignition systems work is showed in terms of exhaust emissions. The analysis was performed on battery contactless ignition system used in Opel Vectra vehicles and on classic ignition system. Comparation and verification of real object results is showed. BIBLIOGRAFIA 1. Yastrebov A. I., Gad S., Slon G., Zawadzki A., Analysis of computer intelligent diagnostic models In automotive vehicle s electrical equipment. Proc. of the 15 th international Conference on Systems Science, Systems ScienceXV. Wrocław 2004 pp , Vol. III 2. Gad S., Yastriebov A., Grzywaczewski M. Methods and Algorithms of Diagnostic Identification of Car Electrical Systems MMAR 97. Międzyzdroje 3. Herner A., Riehl H.J. Elektrotechnika i elektronika w pojazdach samochodowych, Warszawa Ocioszyński J. Elektrotechnika i elektronika pojazdów samochodowych WSP Warszawa Gad S.: Metody diagnozowania samochodowych urządzeń elektrycznych Materiały sympozjum naukowego. Warszawa Szulborski A.: Sterowanie silników o zapłonie samoczynnym. WKŁ Warszawa