Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No. 3 008 THE CHARACTERISTIC OF IONIZATION SIGNAL IN CYLINDER OF COMBUSTION ENGINE THE SI Przemysaw Filipek Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Nadbystrzycka Street 36, 0-614 Lublin, Poland tel.: +48 81 5381499 e-mail: p.filipek@pollub.pl Tomasz Kamiski Motor Transport Institute Jagielloska Street 80, 03-301 Warszawa, Poland tel.: +48 811331 ext. 19, fax: +48 8110906 e-mail: tomasz.kaminski@its.waw.pl, tk4@o.pl Abstract During work, in cylinder of combustion engine the sparkle ignition get chemical and thermal processes. They initiate the production the ionized gas in combustion chamber. Ion sensing is one of the cheapest and most simple methods for monitoring the combustion event in a spark ignited engine. The characteristic of ionization signal in cylinder of engine the SI contains many helpful information in controlling the work of engine. This contributes to reducing emission of fumes and lengthen the viability of catalyst. For spark ignited engines the spark plug is used as sensor together with some measurement electronics added to the ignition system.it is a relatively cheap method for combustion monitoring and other sensors can be replaced. The use of ion sensing in modern EMS is restricted to knock and misfire detection but engine developers start to see a need for other combustion information, such as air-fuel ratio, torque, combustion stability and location of peak pressure. The ionization current has a characteristic shape. One proposal divides the ion current in three parts, the ignition phase, the flame front phase and the post-flame phase. Despite the considerable uncertainty the ionization signal, characterizes very short time of reaction on change of parameters combustion in relation to traditional lambda probe. Keywords: combustion engines, ionization current, fuel injection, spark plug, combustion processes CHARAKTERYSTYKA SYGNAU JONIZACJI W CYLINDRZE SILNIKA SPALINOWEGO ZI Streszczenie Podczas pracy w cylindrze silnika spalinowego o zaponie iskrowym zachodz zarówno procesy chemiczne, jak i termiczne. Inicjuj one wytwarzanie zjonizowanego gazu w komorze spalania. Pomiar jonizacji jest jednym z najprostszych i najtaszych metod monitorowania procesów zachodzcychw silnikach o zaponie iskrowym. Przebieg charakterystyki sygnau jonizacji w cylindrze silnika ZI zawiera wiele informacji pomocnych w sterowaniu prac silnika. Przyczynia si to midzy innymi do zmniejszania iloci emisji spalin oraz wyduania ywotnoci katalizatora. Dla silników ZI czujnikiem jonizacji jest wieca zaponowa wraz z dodanym do systemu zaponowego ukadem rejestrujcym. Jest to stosunkowo tania metoda mogca zastpi inne czujniki. Uycie metody wykrywania jonów w nowoczesnych systemach EMS ogranicza wykrywanie braku zaponu i spalania stukowego, ale producenci samochodowi zwracaj uwag na inne informacje o spalaniu takie jak, moment obrotowy, stabilno spalania i lokalizacja szczytowej wartoci cinienia w cylindrze. Prd jonizacji ma charakterystyczn krzyw. Jedna z propozycji dzieli prd na trzy czci, faz zaponu, faz frontu pomienia i faz popomienn. Sygna jonizacji mimo znacznej niepewnoci, charakteryzuje si bardzo krótkim czasem reakcji na zmian parametrów spalania w stosunku do tradycyjnej sondy lambda. Sowa kluczowe: silniki spalinowe, prd jonizacji, wtrysk benzyny, wieca zaponowa, procesy spalania
P. Filipek, T. Kamiski 1. Wstp Wspóczesne pojazdy wyposaone s w zamontowany w ukadzie wydechowym czujnik tlenu w spalinach, który szacuje skad spalin na podstawie stenia tlenu. Sygna pomiarowy z czujnika tlenu charakteryzuje si duym opónieniem czasowym w stosunku do sygnau wtrysku paliwa. Opónienie to moe osiga wartoci nawet kilkudziesiciu kolejnych wtrysków benzyny. W przypadku niewaciwej wartoci dawki wtrysku benzyny (wskutek oddziaywania niemierzalnych zakóce, obecnoci bdów modelowania w sterowniku lub permanentnych zmian charakterystyki silnika) informacja korygujca wystpi z duym przesuniciem czasowym. Utrzymujcy si stan niewaciwych wartoci stenia tlenu w spalinach spowoduje zmniejszenie sprawnoci katalizy toksycznych skadników spalin i pogorszenie ekologicznych waciwoci pojazdu. Wielko czasu opónienia czujnika tlenu, pomidzy zmian skadu mieszanki po wtrysku benzyny a reakcj czujnika na ten fakt, zalena jest od kierunku zmiany mieszanki z bogatej na ubog (lub odwrotnie) oraz od temperatury czujnika, co przedstawiaj Rys. 1- []. Rys. 1. Odpowied czujnika tlenu na zmian skadu mieszanki [3] Fig. 1. The answer of oxygen sensor on change of mixture composition [3] Rys.. Zaleno opónienia dziaania czujnika tlenu od jego temperatury [3] Fig.. Dependence delay of the oxygen sensor of his temperature [3] W warunkach biegu jaowego opónienie reakcji czujnika tlenu przekracza jedn sekund, co oznacza przesunicie czasowe pomidzy wtryskiem benzyny a reakcj czujnika tlenu w silniku czterocylindrowym na poziomie okoo 30 kolejnych wtrysków silnikowych. Opónienie reakcji czujnika tlenu zmniejsza si w przypadku wikszej prdkoci obrotowej. 6
The Characteristic of Ionization Signal in Cylinder of Combustion Engine The SI Pragnc zmniejszy bd regulacji skadu mieszanki paliwowo-powietrznej naley dokonywa wczeniejszej i dokadniejszej oceny wspóczynnika nadmiaru powietrza. Jedn z metod okrelajcych skad mieszanki z mniejszym opónieniem czasowym jest metoda pomiaru stopnia jonizacji gazu roboczego w cylindrze. W literaturze przedmiotu potwierdzone s istotne zalenoci sygnau jonizacji od skadu mieszanki. Du wad poredniego pomiaru skadu mieszanki na podstawie przebiegu jonizacji w cylindrze jest duy rozrzut takiego sygnau oraz jego lokalny charakter w sensie umieszczenia czujnika, jakim jest wieca zaponowa, w komorze spalania.. Zasada dziaania ukadu pomiaru prdu jonizacji w komorze spalania silnika o ZI Idea pomiaru prdu jonizacji w komorze spalania silnika spalinowego o ZI przy wykorzystaniu wiecy zaponowej jako czujnika, polega na utworzeniu obwodu prdowego z wymuszeniem w postaci róda napicia staego (Rys. 3.). Rys. 3. Obwód pomiaru prdu jonizacji w komorze spalania silnika ZI [] Fig. 3. The circuit of measurement of ionization current in a combustion chamber of SI engi ne [] Obwód skada si z elektrod wiecy zaponowej (pomidzy którymi znajduje si zjonizowany gaz), róda napicia staego U Z (które wymusza przepyw prdu I I w obwodzie) oraz rezystora pomiarowego R P. Prd przepywa od (+) róda zasilania U Z, poprzez elektrody wiecy zaponowej i zjonizowany gaz (zgodnie z zaznaczonym kierunkiem na rysunku), przez rezystor pomiarowy R P (na którym odkada si spadek napicia U R rejestrowany póniej kart pomiarow) do (-) róda zasilania. Zgodnie z prawem Ohma napicie U R odkadajce si na rezystorze pomiarowym R P (o staej wartoci rezystancji) jest proporcjonalne do pyncego w obwodzie prdu jonizacji I I. U I R, (1) R Mierzc spadek napicia na rezystorze pomiarowym R P otrzymujemy sygna wprost proporcjonalny do natenia prdu pyncego poprzez zjonizowany gaz, co jest równie proporcjonalne do iloci jonów zjonizowanego gazu znajdujcego si pomidzy elektrodami wiecy zaponowej, bdcej czujnikiem jonizacji. Na wyjciu obwodu pomiarowego stosuje si wzmacniacz napiciowy dopasowujcy amplitud sygnau do zakresu karty pomiarowej. 3. Charakterystyka prdu jonizacji Poniszy rysunek przedstawia charakterystyk mierzonego prdu jonizacji w komorze spalania silnika spalinowego o ZI w czwartym cylindrze, w pojedynczym cyklu silnikowym. Analizowany fragment sygnau jonizacji skada si z dwóch czci ( garbów ). S to chemia i termojonizacja. I P 63
P. Filipek, T. Kamiski Rys. 4. Przebieg sygnau jonizacji w cylindrze nr 4 w pojedynczym cyklu silnikowym [] Fig. 4. The characteristics of ion signal in the 4th engine cylinder in single cycle [] 4. Zjawisko chemi i termojonizacji Przebieg prdu jonizacji, wedug prac Ericssona [4, 5], mona podzieli na trzy fazy (Rys. 5.): a) faz zaponu - trwa ona od pocztku wyadowania do momentu rozadowania cewki, b) faz frontu pomienia - obejmuje ona okres rozwoju jdra pomienia do chwili opuszczenia frontu pomienia obszaru wiecy zaponowej. W fazie tej dominuje chemijonizacja, c) faz popomienn - obejmuje ona pozostay okres spalania wewntrz cylindra, a rejestrowany sygna pochodzi gównie z termojonizacji. Faza zaponu jest pomijana w analizie prdu jonizacji, gdy na jej przebieg oprócz przebiegu tworzenia jdra pomienia maj wpyw zjawiska zachodzce w ukadzie zaponowym. 8 Faza zaponu Faza frontu pomienia (chemi-jonizacja) Faza popomienna (termo-jonizacja) 6 U jon [V] I jon. [V] 4 0 1.736 1.74 1.744 1.748 t[s] czas [s] Rys. 5. Przykadowy przebieg prdu jonizacji [] Fig. 5. The example - course of ionization current [] 4.1. Chemijonizacja Z uzyskanych wyników pomiarów oraz rozwaa teoretycznych na temat kinematyki chemicznej wynika, e najwicej jonów w strefie reakcji wglowodorowych w pomieniu stanowi jony CHO +, utworzone podczas reakcji: CH O CHO + e, () oraz idcej za ni reakcji rozbicia CHO na jon H 3 O + zachodzcej poprzez reakcj transferu protonu: CHO 3 H O H O CO, (3) 64
The Characteristic of Ionization Signal in Cylinder of Combustion Engine The SI Trzecim rodzajem jonów czsto zauwaalnym w pomieniu wglowodorowym jest C 3H 3, który zostaje utworzony w wyniku reakcji [6]: CH * C H C3H3 e (4) Te trzy reakcje razem z reakcj rekombinacji: H3O e H O H, (5) z ostay przedstawione przez Reinmanna [7] w opisie modelu przepywu prdu w szczelinie wiecy zaponowej podczas wczesnej fazy spalania. 4.. Termojonizacja Do opisania jonizacji termicznej w gazie mona si oprze na reakcji czstki A podczas jonizacji [8]. A A e, (6) Pocztkowe tempo reakcji (stopie jonizacji) jest proporcjonalne do koncentracji czstek [A], podczas gdy kocowe tempo (stopie rekombinacji) jest proporcjonalne do [A+][e]. Zatem tempo reakcji czstek, mona zapisa jako: [ A] k ( T )[ A], (7) t t[ A ] kr ( T )[ A ][e], (8) gdzie k i (T) i k r (T) s staymi szybkoci reakcji zalenymi od temperatury. W przypadku równowagi, oba tempa reakcji s sobie równe: t A t A, (9) Stenie równowagi czstek opisuje zaleno: [ A ][ e] ki( T ) K( T ), (10) [ A] kr ( T ) Poziom równowagi K(T) tej reakcji moe by obliczony za pomoc równania Saha'sa opartego na lokalnej równowadze termicznej. Poniszy rysunek przedstawia przykadowy pomiar prdu jonizacji w cylindrze dla rónych wartoci wspóczynnika nadmiaru powietrza z zaznaczeniem przedziaów analizy sygnau dla chemii i termojonizacji []. i Rys. 6. Sygna jonizacji w jednym cylindrze dla rónych wartoci wspóczynnika nadmiaru powietrza ( I1 - przedzia analizy sygnau chemijonizacji, I - przedzia analizy sygnau termojonizacji) [] Fig. 6. Ionization signal for different excess-air factor (lambda) in single cylinder ( I1 - chemionization, I - thermal ionization) [] 65
P. Filipek, T. Kamiski 5. Parametry charakterystyczne sygnau jonizacji W ramach prowadzonych przez autora bada [1, ], jako parametry charakterystyczne suce do identyfikacji modelu sygnau jonizacji, przyjto parametr bdcy redni wartoci sygnau chemijonizacji I 1 oraz parametr I opisujcy redni warto sygnau termojonizacji. Kady z opracowywanych poniej modeli by nastpnie weryfikowany dziewicioma metodami badania: istotnoci korelacji, wyrazistoci modelu, istotnoci parametrów, symetrii skadnika losowego, losowoci skadnika losowego, stacjonarnoci skadnika losowego, wartoci oczekiwanej skadnika losowego, autokorelacji skadnika losowego oraz normalnoci skadnika losowego. Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów opracowano liniowy, regresyjny model zalenoci []: Dla: I 1 5.999 6.835, (11) Uzyskujc wspóczynnik korelacji aproksymacji wielomianem pierwszego stopnia wynoszcy 0.9351. Dla: I 4.764 5.564. (1) Wspóczynnik korelacji aproksymacji wielomianem pierwszego stopnia wynosi 0.971. Przeprowadzono nastpn aproksymacj wyników bada i jako model przyjto wielomian drugiego stopnia: Dla: I 15.96 6.31 9.48, (13) 1 Rys. 7. Aproksymacja sygnau I 1 wielomianem drugiego stopnia [] Fig. 7. The model of signal I in function of excess-air factor [] uzyskujc wspóczynnik korelacji aproksymacji wielomianem drugiego stopnia równy 0.9764. Dla: I 1.37 0.9 1 7.09, (14) Rys. 8. Aproksymacja sygnau I wielomianem drugiego stopnia [] Fig. 8. The model of signal I in function of excess-air factor [] 66
The Characteristic of Ionization Signal in Cylinder of Combustion Engine The SI uzyskano wspóczynnik korelacji 0.995. Poniewa najwiksz korelacj do wspóczynnika nadmiaru powietrza wykaza parametr I aproksymowany wielomianem drugiego stopnia (opisujcy redni warto sygnau termojonizacji), pozwolio to autorowi na wykorzystanie parametru I do dalszych prac nad analiz sygnau jonizacji i regulacji skadu mieszanki. Literatura [1] Filipek, P., Badania jonizacji pomidzy elektrodami wiecy zaponowej silnika ZI w aspekcie obserwacji procesu spalania, Raport kocowy z projektu badawczego KBN Nr PB-8T 1D 0-0, Politechnika Lubelska, Lublin 001. [] Filipek, P., Sterowanie wtryskiem benzyny w silniku o zaponie iskrowym z wykorzystaniem sygnau jonizacji w komorze spalania, Rozprawa doktorska, Politechnika Lubelska, Lublin 006. [3] Wendeker, M., Sterowanie wtryskiem w silniku samochodowym, Lubelskie Towarzystwo Naukowe, Lublin 1999. [4] Eriksson, L., Nielsen, L., Closed Loop Ignition Control by Ionization Current Interpretation, SAE Technical Paper Nr 970854, 1997. [5] Eriksson, L., Spark Advance for Optimal Efficiency, SAE Technical Paper No. 1999-01-0548, 1999. [6] Fialkov, A., Investigations on ions in flames, Prog. Energy Combust. Sci., 3 (5-6): pp. 399-58, 1997. [7] Reinmann, R., Saitzko, A., Mauss, F., Local air-fuel ratio measurements using the spark plug as an ionization sensor, SAE Technical Paper No. 970856, 1997. [8] Martinsson, L., Studies of Spark Plasmas. PhD thesis, Lund Institute of Technology, Lund Reports on Atomic Physics, LRAP-66, 1986 67