Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3-4 BADANIA WSKAŹNIKÓW JAKOŚCI PROCESU ROBOCZEGO SILNIKA ZI Z WYKORZYSTANIEM ŚWIATŁOWODOWEGO CZUJNIKA INTERFERENCYJNEGO Mirosław Wendeker Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Silników Spalinowych, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, tel. +48 (081) 5381272, fax. +48 (081) 5381258 e-mail: wendeker@archimedes.pol.lublin.pl Tomasz Kamiński Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Silników Spalinowych, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, tel. +48 (081) 5381499 lub 0 603 317 515, fax. +48 (081) 5381258 e-mail: tk42@interia.pl Marcin Krupa Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Silników Spalinowych, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, tel. +48 (081) 5381258 Abstract The hereby paper explains shortly the need for searching new information about the combustion process. A measuring head using light cord as a pressure sensitive element as well as the way to use the device is shown. The head s construction development was also described. The paper describes the research station and examples of research results. Successive runs of signal obtained with interferential light cord sensor compared with classical piezoquartz sensor are presented. Curves representing the signal of both sensors at three different angles of ignition precedence 10,20 and 30 before the head s turn are presented. The paper ends with conclusions. Streszczenie W pracy niniejszej uzasadniono pokrótce potrzebę poszukiwania nowych źródeł informacji o procesie spalania. Opisana została głowica pomiarowa wykorzystująca światłowód jako element czuły na ciśnienie. Opisany został sposób pomiaru z wykorzystaniem tej głowicy. Przedstawiono także rozwój konstrukcji głowicy. W artykule przedstawiono stanowisko badawcze oraz przekładowe wyniki przeprowadzonych badań. Zaprezentowane zostały, nałożone na siebie, kolejne przebiegi sygnału uzyskanego przy pomocy światłowodowego czujnika interferencyjnego oraz przebiegi z klasycznego czujnika piezokwarcowego. Zaprezentowane zostały krzywe reprezentujące sygnał obu czujników przy trzech różnych kątach wyprzedzenia zapłonu 10,20 i 30 przed zwrotem głowicowym. Całość artykułu wieńczą wnioski. 1. Wstęp. Coraz bardziej rygorystyczne normy związane z ekologią, dążenie do ograniczenia zużycia paliwa i poprawienia własności trakcyjnych silników powodują, że coraz częściej poszukuje się nowych rozwiązań konstrukcyjnych czujników i elementów wykonawczych silników. Przy zastosowaniu klasycznego układu korbowo-tłokowego konstruktorzy silników starają się wykorzystywać podzespoły polepszające pracę silnika takie jak: elektromagnetyczne zawory, elektronicznie sterowaną przepustnicę, indywidualne cewki zapłonowe, sprężarki doładowujące o zmiennej geometrii czy katalityczne układy magazynujące. Równolegle
prowadzone są prace badawcze zmierzające do polepszenia własności stosowanych obecnie czujników i elementów wykonawczych. Dąży się do podwyższenia poziomu integracji czujników w celu zmniejszenia ich awaryjności i obniżenia ceny. Znane są z literatury próby zastosowania czujnika jonizacji, czy też czujników wykorzystujących do swojego działania włókna światłowodowe. Zastosowanie dużej liczby czujników zwiększa ilość informacji dostarczanych do sterownika silnika. Zmniejsza się też ryzyko zaistnienia sytuacji awaryjnej, w której kontynuowanie jazdy samochodu nie było by możliwe. Niekorzystnym aspektem takiego stanu rzeczy jest wysoka cena zastosowanych podzespołów. Z tego powodu korzystne było by zastosowanie jednego, uniwersalnego czujnika, który pozwalałby na wyeliminowanie kilku stosowanych obecnie [1], [2]. Już dawno zwrócono uwagę na dużą zawartość informacyjną sygnału opisującego przebieg ciśnienia procesu roboczego silnika. Sygnał ciśnienia (lub sygnał o zbliżonym przebiegu) jest potencjalnym źródłem pozwalającym na określenie licznych wskaźników jakości procesu roboczego silnika. Najważniejsze z nich to: [1] moment użyteczny, [2] sprawność ogólna, [3] ogólnie pojęta toksyczność spalin, [4] równomierność pracy silnika, [5] zjawisko wypadania zapłonów oraz obecność spalania stukowego. Możliwe jest również estymowanie temperatury ścianek cylindra. Pomimo tych zalet nie istnieją obecnie, produkowane seryjnie, układy sterowania silników wykorzystujące do swojego działania przebieg sygnału ciśnienia z komory spalania. Jest to spowodowane brakiem taniego, niezawodnego i trwałego czujnika. 2. Głowica pomiarowa. Rys. 1. Oprawka światłowodu side-hole z zaznaczonym kierunkiem przepływu fali ciśnienia. Widoczne są nacięcia zwiększające efektywność chłodzenia. Fig. 1. Side-hole light cord frame with marked direction of pressure wave flow. Visible extrusions increase cooling efficiency Zespół badawczy działający w Katedrze Silników Spalinowych Politechniki Lubelskiej przy współpracy z Instytutem Fizyki Politechniki Wrocławskiej i Pracownią Technologii Światłowodów UMCS opracował światłowodowy czujnik pozwalający na szybkozmienny pomiar ciśnienia panującego w komorze spalania. Sprawdzona została możliwość pomiaru przy zastosowaniu głowicy pomiarowej, w której zainstalowany został odcinek pomiarowy światłowodu (rys. 1). Głowicy wykonana jest (wraz z tulejką doprowadzającą ciśnienie z komory spalania) z miedzi. Ma to na celu zwiększenie jej przewodności cieplnej a tym samym poprawę warunków pracy światłowodu przez ochłodzenie działających na niego
gazów. Czujnik, w czasie pracy chłodzony jest sprężonym powietrzem. Na powierzchni zewnętrznej głowicy wykonane zostały nacięcia polepszające warunki przekazywania ciepła. Włókno światłowodowe wykonane jest ze specjalnego światłowodu side-hole, o dużej czułości na ciśnienie. Odpowiednie połączenie dwóch odcinków tego włókna zapewnia kompensację wpływu temperatury. Na końcach ramion głowicy pomiarowej znajdują się uszczelnienia wykonane z podkładek miedzianych i gumy odpornej na podwyższoną temperaturę. Włókno pomiarowe znajduje się w kapilarze stalowej, co zabezpiecza je przed bezpośrednim działaniem wysokiej temperatury i falami ciśnienia. W kapilarze wykonane zostały otwory pozwalające na przepływ gazu. 3. Rozwój konstrukcji głowicy pomiarowej. Na rysunkach 2, 3 i 4 pokazany został rozwój konstrukcji głowicy pomiarowej światłowodowego czujnika ciśnienia. Przedstawione zostały dwa rozwiązania konstrukcyjne. Pierwsze z nich bazuje na wykorzystaniu świecy zapłonowej. W przedstawionym układzie zastosowano specjalną świecę zapłonową firmy Kistler wyposażoną w gniazdo, w którym zamontowana była oprawka światłowodu. Światłowód side-hole wystawiony był na działanie ciśnienia gazów roboczych przedostających się z komory spalania przez kanał o przekroju kołowym. Kanał ten ma małą średnicę (2mm) a jego całkowita objętość była mniejsza od 0,01 objętości komory spalania, co pozwala wnioskować, że jego obecność nie powinna zakłócać procesu spalania. Innym aspektem jest bezwładność pomiaru. W zakresie średnich prędkości obrotowych (tj. ok. 3000 obr/min.) spodziewane opóźnienie pomiaru powinno być mniejsze niż 3 OWK. Rys. 2. Schemat czujnika ciśnienia wykorzystującego świecę zapłonową Fig. 2. Scheme of pressure sensor mounting along with the spark plug Rys. 3. Schemat głowicy pomiarowej czujnika side-hole. Fig. 3. Scheme of side-hole measuring head.
Kolejnym rozwiązaniem jest umieszczenie głowicy pomiarowej, o zmienionej konstrukcji, bezpośrednio w głowicy silnika. Badania wykazały, że temperatura zewnętrznej powierzchni głowicy pomiarowej nie przekracza 300şC. Na rysunku 3 przedstawiony został rozwój konstrukcyjny głowicy pomiarowej oraz sposób umieszczenia głowicy w silniku. Głowica pomiarowa połączona jest z komorą spalania silnika przy użyciu specjalnej tulejki doprowadzającej, wkręcanej bezpośrednio w nagwintowany otwór, wykonany w głowicy silnika (rys. 4). Rys. 4. Sposób montażu czujnika side-hole w głowicy silnika Polonez 1500. Fig. 4. Mounting of side-hole sensor in engine head 4. Przykładowe wyniki przeprowadzonych badań. Badania docelowe przeprowadzone zostały na stanowisku hamownianym z wykorzystaniem silnika Holden 2.0 MPFI (rys. 5). Jest to silnik rzędowy o zapłonie iskrowym. Silnik zasilany jest wielopunktowym układem wtrysku benzyny. System sterowania, w który wyposażone jest stanowisko, pozwala na sterowanie wszystkimi istotnymi parametrami pracy silnika. Możliwe jest także rejestrowanie wszystkich parametrów jego pracy, w tym również pomiar współczynnika składu mieszanki przy użyciu szerokopasmowej sondy lambda. Rys. 5. Obiekt badawczy silnik Holden 2.0 MPFI (Hamownia Silnikowa Katedry Silników Spalinowych Politechniki Lubelskiej). Fig. 5. Research subject Holden 2.0 MPFI engine
Na wykresie 6 widoczne są krzywe reprezentujące 100 kolejnych cykli spalania przy współczynniku nadmiaru powietrza λ=1,0, kącie wyprzedzenia zapłonu wynoszącym 10 przed ZG oraz podciśnieniu w kanale dolotowym silnika 40 kpa co odpowiada niewielkiemu obciążeniu. Rys. 6. Wyniki pomiarów ciśnienia spalania z wykorzystaniem czujnika side-hole (przebiegi na górze wykresu) i czujnika piezokwarcowego (przebiegi poniżej) nałożone kolejne 100 cykli roboczych Fig. 6. Results of combustion pressure measurements using side-hole sensor (upper graph) and piezoquartz sensor (lower graph) 100 successive working cycles put on one another δ(p) 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5 α z =30 α z =20 α z =10 1.2 a) b) p [MPa] 0.8 0.4 0 α z =30 α z =20 α z =10 0-2.5 0 180 360 540 720 Kąt obrotu wału korbowego [ ] -0.4 0 180 360 540 720 Kąt obrotu wału korbowego [ ] Rys. 7. Przykładowe przebiegi sygnału czujnika side-hole (a) i klasycznego czujnika piezokwarcowego (b). Krzywe reprezentują przebiegi sygnałów dla trzech kątów wyprzedzenia zapłonu 10,20 i 30 przed zwrotem głowicowym. Fig 7. Example runs of side-hole sensor signals (a) and those of classical piezoquartz sensor (b). The curves represent runs of signals for 3 different angles of ignition precedence 10, 20 and 30 degrees before head s turn
Górne krzywe to przebiegi uzyskane na podstawie zarejestrowanych sygnałów pochodzących z czujnika ciśnienia side-hole, zaś krzywe umieszczone na dole wykresu do sygnały z czujnika piezokwarcowego. Widoczne są znaczne różnice w poziomie zarejestrowanych sygnałów w fazie spalania (kąty 360-540 ) co jest charakterystyczne dla małych obciążeń i prędkości obrotowych silnika. Można zauważyć także falowanie sygnału czujnika side-hole co jest spowodowane, w opinii autorów, wpływem kanału doprowadzającego ciśnienie do części pomiarowej światłowodu. Na uwagę zasługuje duża zgodność przebiegów obu sygnałów. Maksima i minima lokalne występują przy tych samych kątach obrotu wału korbowego. Na wykresie 7 przedstawione zostały przykładowe przebiegi sygnałów czujnika side-hole i czujnika piezokwarcowego. Krzywe uzyskane zostały przy trzech różnych kątach wyprzedzenia zapłonu: 10,20 i 30 przed zwrotem głowicowym. Widoczna jest zmiana poziomu sygnału czujnika światłowodowego analogiczna do zmiany poziomu sygnału czujnika piezokwarcowego, co pozwala przypuszczać, że występuje duża zgodność, a być może identyczność obu sygnałów. Dalsze analizy pozwolą na określenie stopnia tej zgodności w różnych warunkach pracy silnika. 5. Podsumowanie. Dalsze badania nad zastosowaniem interferencyjnego czujnika side-hole zmierzać będą do analizy możliwości jego zastosowania do oceny jakości procesu spalania. Ocenie podlegać będą takie wskaźniki jakości jak moment użyteczny, sprawność ogólna, powtarzalność procesu spalania, zjawisko spalania stukowego i wypadania zapłonów. Planowana jest także próba zastosowania interferencyjnego czujnika side-hole do estymacji szkodliwych składników spalin. Przewiduje się zastosowanie do tego celu sztucznych sieci neuronowych oraz metod analizy statystycznej. W celu zebrania dostatecznej ilości informacji dotyczącej pracy czujnika zaplanowane zostały badania stanowiskowe, które obejmować mają różne stany pracy silnika. Zmianie podlegać mają: współczynnik składu mieszanki, kąt wyprzedzenia zapłonu, obciążenie silnika i prędkość obrotowa wału korbowego silnika. Biorąc pod uwagę wyniki przeprowadzonych do tej pory badań, stwierdzić można, że prowadzenie dalszych prac nad jego wykorzystaniem do diagnozowania i sterowania procesem roboczym silnika spalinowego jest bardzo obiecujące. Zalety, jakie posiadają czujniki światłowodowe pozwalają przypuszczać, że prace związane z ich wykorzystaniem jako elementów pomiarowych silników samochodowych mogą doprowadzić do powstania ich nowej generacji. Literatura [1] Michael Fitzpatrick, Ralf Pechstedt Yicheng Lu A New Design of Optical In-Cylinder Pressure Sensor for Automotive Applications, SAE 2000. [2] R. A. Atkins, J. H. Gardner, W. N. Gibler, C. E. Lee, M. D. Oakland, M. 0. Spears, V. P. Swenson, H. F. Taylor, J. J. McCoy, and G. Beshouri Fiber-optic pressure sensors for internal combustion engines.