THE INFLUENCE OF LOAD PARAMETERS ON UNREPEATABILITY OF WORKING CYCLES AT LOW SI ENGINE SPEED

Transkrypt

1 Journal of KONS Powertrain and Transort, Vol.14, No TH INFLUNC OF LOD PRMTRS ON UNRPTILITY OF WORKING CYCLS T LOW SI NGIN SPD Grzegorz Przybya, Stefan Postrzednik Silesian University of Technology Institute of Thermal ngineering Konarskiego 18, Gliwice, Poland tel.: , fax: s: rzybyla@itc.olsl.l, ostrzed@itc.olsl.l bstract During investigation concerning internal rocesses taking lace in internal combustion engine, the basic measurement is in cylinder ressure signal. Obtained results were used as inut data for calculating basic arameters of working cycle (e. g. function of fuel combustion, function of reach of torque, the temerature function during combustion). The main roblem during the interretation of obtained results, are minor differences between the functions of ressures existing in following working cycles of the engine. The arameters of following working cycle (e.g. stability of working oint, engine seed r 0, torque M o,e ) deend on rocesses taking lace in combustion chamber and stability of set oint values. The one of the most imortant arameter deciding about differences between following working cycles are the loss of the air-fuel mixture. Mentioned rocesses cause roblems with roer creating of reference cycle. In this aer results concerning indication researches of combustion engine with sark ignition have been resented. The indicator functions of following cycles were analyzed. Obtained results were used to determination define the influence of the engine arameters on the imum ressure in collected ressure functions. Over 200 following working cycles were analyzed. The low engine seed ( r 0 =1000 rm) was constant. The torque was changed from idle run u to imum value. ll results were analyzed statistically. The function of density and distribution of imal ressure in cylinder of engine were determined. esides an index of imum indication ressure unreeatability was determined on the basis of measurement data. Keywords: in cylinder ressure, combustion engine, ideal cycle, density function, distribution function WPYW PRMTRÓW OCINI N NIPOWTRZLNO CYKLI PRCY PRZY NISKIJ PRDKOCI OROTOWJ SILNIK SPLINOWGO ZI Streszczenie W badaniach rocesów wewntrznych (metoda indykacji) zachodzcych w silnikach salinowych, odstawowym sygnaem mierzonym jest chwilowa warto cinienia w cylindrze silnika. Zasadniczy roblem odczas interretacji uzyskanych wyników stanowi znaczne rónice rzebiegów cinie, w nastujcych o sobie cyklach racy silnika salinowego (gównie w silniku ZI). Nieowtarzalno cykli owoduje istotne trudnoci z wyznaczaniem tzw. obiegu rerezentatywnego. W artykule zarezentowano wyniki bada indykacyjnych silnika salinowego z zaonem iskrowym, racujcego rzy niskiej rdkoci obrotowej. Szczegóowej analizie oddano wykresy indykatorowe w kolejnych nastujcych o sobie cyklach racy. Uzyskane wyniki omiarowe zostay wykorzystane do okrelenia wywu arametrów obcienia silnika salinowego (M o, r 0 ), na warto cinienia maksymalnego w zebranych wykresach indykatorowych. nalizie oddano 240 nastujcych o sobie, cykli roboczych w wybranych unktach racy silnika. Wykorzystano wskanik

2 G. Przybya, S. Postrzednik nieowtarzalnoci cykli, oarty o warto cinienia maksymalnego w danym cyklu, rzy uwzgldnieniu take jego wartoci redniej. Cao wyników oddano niezbdnej obróbce statystycznej; wyznaczone zostay funkcje gstoci oraz funkcje rozkadu cinienia maksymalnego w cylindrze silnika. Ponadto na odstawie zebranych danych omiarowych wyznaczono wskanik nieowtarzalnoci maksymalnego cinienia indykowanego. Zarezentowane wyniki stanowi rezultaty drugiego etau bada w odniesieniu do racy [6]. Sowa kluczowe: silnik salinowy, indykacja, cinienie maksymalne, nieowtarzalno cykli, funkcja gstoci, funkcja rozkadu, obieg rerezentatywny 1. Wst Podczas bada rocesów wewntrznych zachodzcych w silnikach salinowych, odstawowym sygnaem mierzonym (metoda indykacji) jest chwilowa warto cinienia w cylindrze silnika. Otrzymywane wyniki omiarowe stanowi najczciej dane wejciowe do oblicze charakterystycznych arametrów cyklu roboczego (n. rzebiegu wyalania aliwa, ozyskiwania momentu obrotowego, rzebiegu temeratury odczas salania). Podstawowym roblemem odczas interretacji uzyskanych wyników omiarowych, s znaczne rónice rejestrowanych rzebiegów cinienia, w nastujcych o sobie cyklach racy silnika salinowego (gównie w silniku ZI). Przedstawione zjawisko owoduje ewne trudnoci z wyznaczaniem tzw. obiegu rerezentatywnego. Istotny wyw na ksztat kolejnego obiegu ma charakter zjawisk zachodzcych w komorze roboczej (roces naeniania, inicjacja zaonu, jednorodno mieszanki alnej). Podczas bada silnika na stanowisku hamownianym, dodatkowym czynnikiem decydujcym o ksztacie obiegu rzeczywistego jest stabilno arametrów zadanego unktu racy (rdkoci obrotowej r 0, momentu obrotowego M o,e, stabilizacja temeratury oleju oraz ynu chodzcego). Jednym z waniejszych czynników decydujcych o nierównomiernoci kolejnych cykli, jest brak zaonu mieszaniny alnej w cylindrze. Jest to zjawisko wysoce niekorzystne, wywajce bezorednio na efekty energetyczne, ekonomiczne, jak i na jako salin emitowanych rzez silnik. W obecnie rodukowanych ojazdach samochodowych, stosowane s silniki salinowe, wyosaone w zaawansowane ukady diagnostyki okadowej (system OD II) [5], [4]. Jednym z elementów diagnostyki, jest identyfikacja wyadania zaonu w kolejnym cylindrze silnika salinowego. Systematyczne udoskonalanie algorytmów sterowania silnikiem, rowadzi do coraz wikszej eliminacji tego zjawiska. Ograniczona owtarzalno kolejnych cykli roboczych silnika, wystuje zawsze, nawet rzy cakowitym wyeliminowaniu wyadania zaonu. Rerezentatywny obieg dla okrelonego unktu racy silnika salinowego wymaga wrowadzenia do analizy metod statystycznych. Jako kryterium rerezentatywnoci rzyjmuje si zwykle warto maksymalnego cinienia w cylindrze. Zmienne losowe stanowi w tym rzyadku wartoci maksymalnego cinienia z kolejnych wykresów indykatorowych. 2. Nieowtarzalno cykli racy silnika salinowego Obserwujc rzebiegi wykresów indykatorowych w nastujcych o sobie cyklach racy, wyranie zauwaalne s rónice w wartociach maksymalnego cinienia w kolejnych obiegach. Sytuacja ta wystuje nawet rzy wysokiej stabilizacji arametrów obcienia (M o,e, r 0 ). Jednym ze kryteriów okrelania nieowtarzalnoci cykli racy silnika, jest analiza oarta na wartociach cinie maksymalnych. Ocen stonia nieowtarzalnoci cinienia maksymalnego w cylindrze silnika salinowego, rzerowadzono orzez analiz 240 nastujcych o sobie, cykli racy silnika ZI. Uzyskany zbiór cinie maksymalnych odzielono na 12 równych klas k, z rzedziau: 366

3 The Influence of Load Parameters on Unreeatability of Working Cycles at Low SI ngine Seed k, (1),,, gdzie:, najmniejsza warto cinienia maksymalnego w zarejestrowanych cyklach,, najwiksza warto cinienia maksymalnego w zarejestrowanych cyklach. W ierwszej kolejnoci okrelano redni warto cinienia maksymalnego z otrzymanego zbioru (1), na odstawie zalenoci:, 1 N 0, i, (2) N 0 i1 gdzie: N 0 liczba analizowanych cinie maksymalnych (liczba zarejestrowanych cykli, N 0 =240),,i warto cinienia maksymalnego w i tym obiegu. Dla rzyjtego odziau k = 12 klas, funkcja gstoci rozkadu, wystowania cinienia maksymalnego o wartociach z rzedziau (1), wynosi: df d N N j 0, 1 j k, (3) gdzie: N j liczba cinie maksymalnych,i, mieszczcych si w kolejnej j tej klasie 1 j k. Cakujc równanie (3) uzyskuje funkcj rozkadu F, okrelajc rawdoodobiestwo wystowania w zarejestrowanych cyklach N 0, wartoci cinie z wybranego rzedziau: df F, d, (4) d, rzy czym: natomiast dla:, 1 F.,, (5), W badaniach silników salinowych, charakterystyka kolejnych cykli racy, okrelana jest najczciej na odstawie tzw. wskanika nieowtarzalnoci cinienia maksymalnego w kolejnym obiegu [1], który wyznacza si z zalenoci: i N0 1 2, i N 0 i1. (6) W niektórych ublikacjach [2], [3], roonuje si wykorzysta odobnie zdefiniowane wskaniki nieowtarzalnoci, lecz odnoszone do redniego cinienia indykowanego (jednostkowej racy wewntrznej). 367

4 3. naliza wyników obliczeniowych G. Przybya, S. Postrzednik Na odstawie rzytoczonych zalenoci (3), (4), wyznaczono funkcje gstoci oraz funkcje rozkadu cinienia maksymalnego w cylindrze silnika (rysunki od Rys. 1 do Rys 7). W nastnej kolejnoci zbadano ksztatowanie si wskanika nieowtarzalnoci cinienia maksymalnego w zalenoci od obcienia silnika salinowego (Rys. 8). Silnik ZI, ty r M o,e = 3 Nm/rad = idem df /d, = 6,03 bar 6,23 bar F, = 5,6 bar, = 9 bar 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 cinienie maksymalne, bar Rys. 1. Funkcja gstoci (df /d ) oraz rozkadu F cinienia w cylindrze silnika ZI (bieg luzem) Fig. 1. Density (df /d ) and distribution function of ressure in cylinder SI engine (idling) ,8 bar, = 8,8 bar, = 15,6 bar df /d F , = 12,1 bar Silnik ZI, ty r M o,e = 10 Nm/rad = idem cinienie maksymalne, bar Rys. 2. Funkcja gstoci (df /d ) oraz rozkadu F cinienia w cylindrze silnika ZI (niskie obcienie) Fig. 2. Density (df /d ) and distribution function of ressure in cylinder SI engine (low load) 368

5 df /d The Influence of Load Parameters on Unreeatability of Working Cycles at Low SI ngine Seed 20 bar , = 2 bar Silnik ZI, ty r M o,e = 20 Nm/rad = idem F cinienie maksymalne, bar, = 16,9 bar, = 23,4 bar Rys. 3. Funkcja gstoci (df /d ) oraz rozkadu F cinienia w cylindrze silnika ZI (M o,e = 20 Nm/rad) Fig. 3. Density (df /d ) and distribution function of ressure in cylinder SI engine (M o,e = 20 Nm/rad) ,2 bar, = 29,1 bar, = 24 bar, = 31,9 bar df /d 5 F Silnik ZI, ty r M o,e = 30 Nm/rad = idem cinienie maksymalne, bar Rys. 4. Funkcja gstoci (df /d ) oraz rozkadu F cinienia w cylindrze silnika ZI (M o,e = 30 Nm/rad) Fig. 4. Density (df /d ) and distribution function of ressure in cylinder SI engine (M o,e = 30 Nm/rad) 369

6 G. Przybya, S. Postrzednik ,2 bar, = 32,5 bar, = 26,5 bar, = 36,8 bar df /d 5 F Silnik ZI, ty r M o,e = 40 Nm/rad = idem cinienie maksymalne, bar Rys. 5. Funkcja Funkcja gstoci (df /d ) oraz rozkadu F cinienia w cylindrze silnika ZI (M o,e = 40 Nm/rad) Fig. 5. Density (df /d ) and distribution function of ressure in cylinder SI engine (M o,e = 40 Nm/rad) ,9 bar, = 36,1 bar, = 28,2 bar, = 42 bar df /d 6 2 F 8 4 Silnik ZI, ty r M o,e = 50 Nm/rad = idem cinienie maksymalne, bar Rys. 6. Funkcja gstoci (df /d ) oraz rozkadu F cinienia w cylindrze silnika ZI (M o,e = 50 Nm/rad) Fig. 6. Density (df /d ) and distribution function of ressure in cylinder SI engine (M o,e = 50 Nm/rad) 370

7 The Influence of Load Parameters on Unreeatability of Working Cycles at Low SI ngine Seed df /d ,05 bar F, = 34,5 bar, = 48,2 bar F,50 = 42 bar Nieowtarzalno cykli racy silnika, , = 42,5 bar Silnik ZI, ty r M o,e = 55 Nm/rad = idem cinienie maksymalne, bar Rys. 7. Funkcja gstoci (df /d ) oraz rozkadu F cinienia w cylindrze silnika ZI (ene obcienie) Fig. 7. Density (df /d ) and distribution function of ressure in cylinder SI engine (full load) wyniki dla r obr / min dane obl. wg. racy [6] Moment obrotowy M o,e, Nm/rad D Silnik ZI, ty r M o,e = var min,d = 58 Rys. 8. Nieowtarzalno kolejnych cykli racy silnika salinowego ZI w zalenoci od jego obcienia Fig. 8. The working cycles unreeatability of SI engine deending on his load nalizujc wyniki rzedstawione na rysunkach od Rys. 1 do Rys. 7, wyranie zauwaalne s rónice w rzebiegu funkcji gstoci oraz rozkadu, dla zaoonych wartoci obcienia silnika. Szczególnie interesujcy jest rzebieg tych funkcji, odowiadajcy racy silnika na biegu luzem (Rys. 1). Dla tego stanu racy silnika, funkcja gstoci nie osiada wyranego ekstremum (okrywa si ono z ocztkiem rzedziau = ). Nieowtarzalno cykli w tym unkcie 371

8 G. Przybya, S. Postrzednik racy silnika jest take najwiksza (rys. 8). Podczas racy silnika rzy wyszych obcieniach, funkcje gstoci osiadaj zbliony do siebie ksztat, dotyczy to równie funkcji gstoci (rysunki od Rys. 2 do Rys. 7). W wikszoci rzyadków, maksimum funkcji gstoci, wystuje w obliu redniej wartoci cinienia maksymalnego. Najnisze wartoci nieowtarzalnoci cykli, maj miejsce odczas racy silnika rzy obcieniach czciowych, wyw rdkoci okazuje si mniejszy orównujc wyniki z rezultatami rezentowanymi w racy [6] (Rys. 8). 4. Wnioski Zarezentowane wyniki stanowi rezultaty kolejnego etau bada zjawiska nieowtarzalnoci cykli racy silnika salinowego. Celem rzerowadzonej analizy byo okrelenie funkcji gstoci oraz rozkadu cinienia maksymalnego, odczas kolejnych cykli roboczych silnika racujcego rzy niskiej rdkoci obrotowej ( r obr min idem ). Znajomo funkcji gstoci cinienia maksymalnego, ozwoli wyeliminowa nieodowiednie cykle racy z zarejestrowanej serii omiarowej. Uwzgldnienie wartoci cinienia jako zmiennej losowej, ma umoliwi dokadniejsze wyznaczenie rerezentatywnego cyklu racy silnika, urednionego z wybranych danych omiarowych. Do okrelenia wywu arametrów obcienia silnika salinowego na warto cinienia maksymalnego w zebranych wykresach indykatorowych, badano wybrany fragment ola racy (M o = var, r 1000obr min idem ) silnika Literatura 0 [1] Kowalewicz,., Róycki,., Nieowtarzalno kolejnych cykli racy silnika o ZI zasilanego ubog mieszank aliwowo owietrzn, Interkonmot 98, Teka Komisji Naukowo Problemowej Motoryzacji PN, Kraków [2] Longwic, R., Metodyka okrelania stonia nieowtarzalnoci rocesu salania w silniku o zaonie samoczynnym w warunkach nieustalonych, KONMOT, Teka Komisji Motoryzacji PN, Kraków [3] Markowski, M., Pauga, T., Stochastyczny ois cinienia w rzestrzeni roboczej silnika salinowego, Interkonmot 98, Teka Komisji Naukowo Problemowej Motoryzacji PN, Kraków [4] Merkisz, J., Grzeszczak, R., ogu, P., Wykrywanie zjawiska wyadania zaonów na odstawie chwilowej wartoci rzysieszenia ktowego wau silnika dla otrzeb systemów OD i ich homologacji, 28 th International Scientific Conference on Combustion ngines, KONS 22, Jurata [5] Piernikarski, D., Hunicz, J., Ocena oziomu wyadania zaonów w silniku benzynowym na odstawie sygnau otycznego z komory salania, 25 th International Scientific Conference on Combustion ngines, KONS 99, Zakoane [6] Przybya, G., Postrzednik, S., Wyw arametrów obcienia silnika salinowego ZI na nieowtarzalno realizowanych cykli XIX. International Congress on Combustion ngines. PTNSS KONGRS Kraków, Silniki Salinowe wydanie secjalne. 372