LIJEWSKI Piotr 1 FUĆ Paweł 2 GRZESZCZYK Rafał 3 MOLIK Piotr 4 RYMANIAK Łukasz 5 ZIÓŁKOWSKI Andrzej 6 Zastosowanie zintegrowanych czujników ciśnienia do indykowania silników spalinowych WSTĘP Obecnie produkowane silniki spalinowe muszą charakteryzować się wysokimi wskaźnikami ekologicznymi i parametrami użytkowymi, co obliguje producentów do ciągłego udoskonalania jednostek napędowych. Wskazane jest więc rozwijanie i udoskonalanie technik pomiarowych, które pozwolą uzyskiwać niezbędne informacje do prowadzenia prac badawczych [1, 2]. Ze względu na rozwój aparatury pomiarowej możliwa jest dokładniejsza identyfikacja procesów zachodzących w komorze spalania, mających wpływ na emisję związków szkodliwych gazów wylotowych. 1. PRZEDSTAWIENIE PROBLEMU Istotą pracy tłokowego silnika spalinowego jest zamiana energii chemicznej dostarczonej w paliwie na energię cieplną, a następnie na pracę mechaniczną. Przemiana ta następuje w cylindrach silnika spalinowego i odbywa się w czasie procesów fizykochemicznych i termodynamicznych. Właściwa diagnostyka przebiegu zachodzących procesów ma fundamentalne znaczenie dla poprawy parametrów pracy silnika. Rozwój konstrukcji systemu spalania w silnikach spalinowych zwiększenie ich sprawności, a także ograniczenie emisji związków szkodliwych [3]. Wykres indykatorowy wyznacza się za pomocą zestawu aparatury do indykowania, składającego się z czujnika ciśnienia umieszczonego w komorze spalania, wzmacniacza sygnału, czujnika położenia kątowego wału korbowego silnika i rejestratora. Otwarty wykres indykatorowy jest to przebieg ciśnienia w funkcji kąta obrotu wału lub czasu dla jednego cyklu roboczego (rys. 1). Jeżeli jest prawidłowo wykonany, umożliwia rzetelną ocenę parametrów pracy silnika. Pozwala na wyznaczenie punktu początku spalania, maksymalną wartość narastania ciśnienia, punkty wystąpienia maksymalnego ciśnienia. Otwarty wykres indykatorowy uzupełnia się krzywą wzniosu iglicy oraz krzywą ciśnienia paliwa przed wtryskiwaczem. Pomiary takie umożliwiają, ocenę maksymalnych wartości ciśnienia w cylindrze, prędkości jego narastania, nierównomierności pracy oraz wynikających stąd obciążeń mechanicznych. Celem badań było zweryfikowanie przydatności zintegrowanych czujników ciśnienia PSG (Pressure Sensor Glow Plug) do budowy aparatury umożliwiającej wykonywanie badań procesów szybkozmiennych zachodzących wewnątrz komory spalania (rys. 4). Przeprowadzone badania miały charakter porównawczy umożliwiające ocenę poprawności otrzymanego sygnału z zintegrowanego czujnika ciśnienia. 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 665 20 45, Fax: + 48 61 665 2204, E-mail: piotr.lijewski@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 665 20 45, Fax: + 48 61 665 2204, E-mail: paweł.fuc@put.poznan.pl 3 AUTOMEX 80-557 Gdańsk; ul. Marynarki Polskiej 55d. Tel. +48 585 22 06 20, E-mail: rafal.grzeszczyk@automex.eu 4 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 647 59 95, Fax: + 48 61 665 2204, E-mail: piotr.c.molik@doctorate.put.poznan.pl 5 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 647 59 59, Fax: + 48 61 665 2204, E-mail: łukasz.m.rymaniak@doctorate.put.poznan.pl 6 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 665 20 04, Fax: + 48 61 665 2204, E-mail: andrzej.wo.ziolkowski@doctorate.put.poznan.pl 3765
Rys. 1. Przykład otwartego wykresu indykatorowego 2. METODYKA BADAŃ Przed przystąpieniem do badań zostały przeprowadzone badania metrologiczne, weryfikujące możliwość zamontowania badanych czujników w głowicy. Dokonano porównania rozmiarów użytej obsady umożliwiającej montaż piezoelektrycznego czujnika ciśnienia oraz zintegrowanego czujnika ciśnienia. Komora spalania nie zmieniła swojej objętości, ponieważ zastosowana obsada w pełni odpowiada wymiarom świecy żarowej i była adekwatna do porównywanego zintegrowanego czujnika ciśnienia. W badaniach wykorzystano czujnik piezoelektryczny AVL GH13P oraz aparaturę rejestrującą firmy AVL IndiMicro 602, z której pozyskano sygnał referencyjny. Do otrzymanego przebiegu odniesiono sygnał odczytany z czujnika PSG. AVL IndiMicro 602 jest zestawem pomiarowym z wbudowanym wzmacniaczem sygnału współpracującym z czterema analogowymi kanałami wejściowymi oraz dwoma wejściami cyfrowymi. Rejestrator pozwala na bezpośredni pomiar sygnału z czujników piezoelektrycznych. Dodatkowo istnieje możliwość zapisu oraz korelacji sygnału ciśnienia dla poszczególnych cylindrów z parametrami zapisanymi za pośrednictwem magistrali CAN. Zapis przebiegu ciśnienia może być realizowany w funkcji czasu oraz położenia wału korbowego. W tabeli 1 przedstawiono dane techniczne zastosowanej aparatury. Badania przeprowadzono na silniku o zapłonie samoczynnym Fiat 1.3 JTD o pojemności 1,248 dm 3 i mocy 51kW, spełniającym normy emisji Euro 4, zamontowanym na stacjonarnym stanowisku hamownianym (rys. 3). Pomiary podzielono na dwa etapy. W pierwszym etapie przeprowadzono pomiary aparaturą AVL. Drugim etapem dotyczył realizacji badań z wykorzystaniem zintegrowanego czujnika ciśnienia PSG. Pomiary zostały wykonane dla pierwszego cylindra dla tych samych punktów pracy silnika. Odczyt sygnału oraz zapis dokonywany był za pośrednictwem oscyloskopu cyfrowego firmy RIGOL. Za pomocą oscyloskopu rejestrowano zmianę napięcia elektrycznego ściśle powiązaną z ciśnieniem w komorze spalania generowaną przez czujnik w funkcji czasu. 3766
Tab. 1. Parametry techniczne AVL IndiMicro 602 [4] Analogowe kanały wejściowe Częstotliwość próbkowania ADC rozdzielczość Analogowy sygnał wejściowy Wejście kąta obrotu wału korbowego Cyfrowy kanał wejściowy Cyfrowy kanał wyjściowy 2 Interfejs CAN Zakres wejściowy (piezoelektryczny) Liniowość Filtry Połączenie z PC Oprogramowanie 4 kanały, dla czujników piezoelektrycznych lub jako wejścia napięciowe 1MHz na kanał 16 Bit +/- 10V 2x TTL dla CDM, TRG oraz 2x LVDS dla CDM, TRG 2 cyfrowe kanały dla sygnałów zapłonu lub wtrysku Tak Do 14.400 pc +/- 0.01% FS 2, 5, 10, 20, 50, 100 khz GigaBit Ethernet IndiCom Mobile Rys. 2. AVL IndiMicro 602 [4] Rys. 3. Stanowisko badawcze 3767
Rys. 4. Budowa zintegrowanego czujnika ciśnienia BERU: 1 łącze, 2 płytka drukowana z elektroniką, 3 korpus świecy żarowej, 4 trzpień grzejny do świec żarowych, 5 przyłącze prądowe o dużym natężeniu, 6 membrana pomiarowa, 7 uszczelka [5] Rys. 5. Wykorzystywane czujniki podczas badań; a) piezoelektryczny czujnik ciśnienia AVL GH13P z adapterem, b) zintegrowany czujnik ciśnienia BERU PSG 3. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Analiza wyników badań dotyczyła porównania przebiegu ciśnienia panującego w komorze spalania w funkcji czasu dla dwóch rodzajów czujników. Istotą podjętych prac było wyznaczenie referencyjnego wykresu indykatorowego z użyciem piezoelektrycznego czujnika ciśnienia, a następnie porównanie przebiegu ciśnienia wyznaczonego ze zintegrowanego czujnika ciśnienia. Poniżej przedstawiono przykładowe porównania przebiegów ciśnień wewnątrz komory spalania dla biegu jałowego oraz prędkości obrotowej 2200 obr / min i obciążenia 100 Nm, a także dla prędkości obrotowej 3500 obr / min i obciążenia 50 Nm w funkcji czasu. Rys. 6. Porównanie przebiegu sygnału dla biegu jałowego: a) piezoelektryczny czujnik ciśnienia AVL GH13P, b) zintegrowany czujnik ciśnienia 3768
Rys. 7. Porównanie przebiegu sygnału dla 2200 obr/min, 100Nm: a) piezoelektryczny czujnik ciśnienia AVL GH13P, b) zintegrowany czujnik ciśnienia Rys. 7. Porównanie przebiegu sygnału dla 3500 obr/min,50nm: a) piezoelektryczny czujnik ciśnienia AVL GH13P, b) zintegrowany czujnik ciśnienia Do otwartych wykresów indykatorowych wyznaczonych za pośrednictwem piezoelektrycznego czujnika ciśnienia porównano uzyskane przebiegi napięcia w funkcji czasu zarejestrowane z zintegrowanych czujników ciśnienia. Mimo zakłóceń w odczytanym sygnale przebiegi są zbliżone. WNIOSKI W artykule przedstawiono porównanie otrzymanych przebiegów ciśnień dla zintegrowanego czujnika ciśnienia na tle referencyjnego sygnału zapisanego za pośrednictwem obecnie wykorzystywanej aparatury badawczej. Badany przebieg pokrywa się z przebiegiem referencyjnym mimo dużych zakłóceń w odczytywanym zapisie. Na podstawie otrzymanych wyników można wnioskować, że istnieje realna możliwość budowy aparatury do pomiaru ciśnień wewnątrz komory spalania wykorzystując zintegrowane czujniki ciśnienia. W dalszej kolejności zostaną zdefiniowane wytyczne dotyczących systemu oraz propozycja algorytmu. Prace sfinansowano z funduszy Narodowego Centrum Badań i Rozwoju projekt badawczy w ramach programu Innotech (umowa nr INNOTECH-K2/IN2/61/182935/NCBR/12). The research was funded by the National Centre for Research and Development (Narodowe Centrum Badań i Rozwoju) research project within the Innotech Programme (contract No. INNOTECH- K2/IN2/61/182935/NCBR/12). Streszczenie W artykule omówiono możliwości wykorzystania zintegrowanego czujnika ciśnienia (PSG) do budowy aparatury umożliwiającej pomiar ciśnienia w cylindrze. Aparatura ta będzie wykorzystywana podczas badań przeprowadzanych na dynamicznym stanowisku hamownianym z możliwością kontrolowania procesów 3769
zachodzących wewnątrz komory spalania. Przedstawiono również badania przeprowadzone dla dwóch czujników ciśnienia, czujnika piezoelektrycznego AVL GH13P i zintegrowanego czujnika ciśnienia PSG. Przeprowadzone badania i ich analiza doprowadziła do sformułowania wniosków związanych z wykorzystaniem czujników PSG dla procesu sterowania silnika. The use of an integrated combustion chamber sensor for engine cylinder pressure measurement Abstract The paper discusses the issue of using a Pressure Sensor Glow Plug (PSG) for cylinder pressure measurement equipment. This equipment will be used for engine control on engine test bed with active dynamometer. The test were carried out for two cylinder pressure sensors, AVL GH13P (standard for cylinder measurement on engine test bed) and PSG. The performed tests and their analysis led to a formulation of conclusions related to the using the PSG sensors for engine control process. BIBLIOGRAFIA 1. Jinghong Yu, Hosni E., Haskell J.: Application of Fuel and Cost Efficient Steering Technology Variable Displacement Pump to SUV/SUTS. World Automotive Congress Fisita, F2010-A-032, Budapest 2010. 2. Seger J.P.: Vehicle Integration for US EPA 2010 Emissions and Lowest Cost of Ownership. SAE Technical Paper Series 2010-01-1956, 2010 3. Serdecki W. red.: Badania silników spalinowych: laboratorium, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2001. 4. https://www.avl.com 5. http://beru.federalmogul.com/products/diesel-cold-start-technology/pressure-sensor-glow-plug-psg 3770