ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 3(99)/2014 Krzysztof Szczurowski 1, Damian Walczak 2, Łukasz Zieliński 3 WYKORZYSTANIE CZUJNIKA CIŚNIENIA ŚWIECY ŻAROWEJ DO KONTROLI PROCESU SPALANIA 1. Wstęp Nieustannie rosnące ceny paliw i coraz ostrzejsze normy dotyczące emisji szkodliwych substancji wymuszają rozwój techniki systemów mechatronicznych w pojazdach samochodowych. Systemy te umożliwiają kontrolę i pomiar parametrów mających wpływ na proces spalania w silnikach spalinowych, jak również na redukcję szkodliwych substancji powstałych w wyniku spalania. Konstruktorzy, jak również badacze silników coraz bardziej skupiają się na możliwości kontrolowania procesu spalania. Jednym z kroków jaki dał szanse na sprostanie wymaganiom norm emisji spalin jest wprowadzenie świec żarowych zintegrowanych z czujnikiem rejestrującym wartość ciśnienia w komorze spalania, typu PSG (Pressure Sensor Glow Plug), produkcji firmy Beru AG. Możliwości kontroli procesu spalania za sprawą ciągłego monitorowania skutkują mniejszym zużyciem paliwa oraz niższym poziomem emisji spalin, zwłaszcza tlenków azotu. 2. Budowa i zasada działania świecy PSG Firma BERU w swoich świecach żarowych do pomiaru ciśnienia stosuje czujnik piezorezystancyjny. Wykorzystywane jest tutaj zjawisko zmian rezystancji półprzewodnika pod wpływem nacisku. W tych świecach element grzejny może w niewielkim zakresie przemieszczać się osiowo. Siła przemieszczająca ten element pochodzi od ciśnienia panującego w cylindrze. Pręt grzewczy jest uszczelniony w korpusie za pomocą sprężystego elementu umożliwiającego ruch, a jednocześnie separującego od gazów spalinowych wnętrze świecy i układ elektroniczny znajdujący się w górnej części obudowy (rys.1). W wyniku ciśnienia panującego w cylindrze na powierzchnię pręta grzewczego świecy żarowej działają siły, których wypadkowa F1 powoduje jego przemieszczenie wzdłuż osi korpusu. Pod wpływem nacisku trzpienia na piezorezystancyjny element zmienia się jego oporność. Zmiana ta jest przetwarzana przez elektroniczny układ pomiarowy wytwarzający odpowiedni sygnał wyjściowy przekazywany do sterownika silnika (rys.2.) Gdy ciśnienie w cylindrze spada to na powierzchnię pręta grzewczego świecy żarowej zaczynają oddziaływać mniejsze siły. Ich wypadkowa działająca wzdłuż osi świecy też się zmniejszy. Siła pochodząca od elementu sprężystego wewnątrz świecy jest większa. Pod wpływem działania siły F2 element grzewczy przemieści się w stronę komory spalania (cofnie się) (rys. 3.). Zmniejszenie nacisku na element piezorezystancyjny spowoduje zmianę oporności elektrycznej w kierunku przeciwnym do sytuacji podczas wzrostu ciśnienia. 1 Dr inż. Krzysztof Szczurowski, adiunkt na Wydziale SiMR PW 2 Inż. Damian Walczak, student na Wydziale SiMR PW 3 Mgr inż. Łukasz Zieliński, doktorant na Wydziale SiMR PW 139
Sygnał odzwierciedlający ciśnienie wewnątrz cylindra zostanie przekazany do sterownika silnika po przetworzeniu przez elektroniczny układ czujnika. Rys. 1. Sposób montażu i przekrój poprzeczny świecy z wyznaczeniem istotnych elementów (1-Złącze; 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) [1] Rys. 2. Schemat zasady działania świecy żarowej z czujnikiem w przypadku wzrostu ciśnienia w cylindrze [2] Rys. 3. Schemat zasady działania świecy żarowej z czujnikiem w przypadku wzrostu ciśnienia w cylindrze [2] 140
3. Wyznaczenie rzeczywistej charakterystyki świecy żarowej W materiałach folderowych firmy beru, udostępnione są przybliżone charakterystyki czujnika zainstalowanego w świecy żarowej. Charakterystyka ta nie pozwala jednak na wykorzystanie jej do celów badawczych. W tym celu sporządzono stanowisko, które pozwoliło wyznaczyć rzeczywistą charakterystykę czujnika. Pomiar sygnału napięciowego z czujnika piezorezystancyjnego, polegał na wykorzystaniu układu hydraulicznego (rys. 4.), który umożliwiał uzyskanie wysokiego ciśnienia i płynnej regulacji w granicach 0 [bar] -200 [bar]. W układzie tym zainstalowano omawianą świece zasilaną napięciem stałym. Do montażu jej użyto specjalnie dedykowanej tulei, która była w stanie wytrzymać panujące ciśnienie, jak również ochronić świece przed niekorzystnym wpływem czynnika roboczego. Rys.4. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego Rys. 5. Charakterystyka pracy czujnika ciśnienia w świecy żarowej, uzyskana na podstawie przeprowadzonych pomiarów 141
Równolegle ze świecą połączony jest zestaw pomiarowy manometrów, dzięki nim możliwe było uzyskanie informacji na temat ciśnienia panującego w układzie. Na podstawie wskazań manometrów wyznaczono zależność, zmian sygnału napięciowego z czujnika ciśnienia (0-5 [V]) mierzonego za pomocą miernika cyfrowego od zmian ciśnienia w tulei (rys. 5). 4. Wykorzystanie świecy PSG do celów badawczych W ramach weryfikacji działania świecy w rzeczywistych warunkach badawczych zainstalowano ją w głowicy silnika Yanmar L70 (rys. 6), który jest głównym komponentem stanowiska badawczego. Stanowisko to wykorzystywane jest do badań zasilania dwupaliwowego diesel LPG. Poniżej przedstawiony jest pierwszy wykres, które przedstawia uśrednione z około 150 cykli przebiegi ciśnienia spalania dla różnych kątów wyprzedzenia wtrysku przy zasilaniu wyłącznie olejem napędowym (rys. 7). Rys. 6. Montaż świecy PSG w głowicy silnika Kolejnym wykresem jest uśredniony przebieg ciśnienia spalania dla różnych paliw, a dokładniej dla różnych udziałów poszczególnych paliw. W badaniu tym mieszano olej napędowy, olej estrowy z lnianki siewnej oraz propan-butan. Wyniki pokazują, że dodatek LPG, który zastępuje część oleju napędowego, powoduje wzrost ciśnienia spalania (rys.8). Zjawisko to nie zmienia się w przypadku dodaniu estrów z lnianki siewnej. Poniżej wykres potwierdzający, że wzrost udziału gazu z 10 do 20 procent, również powoduje niewielki wzrost ciśnienia spalania. W badaniu tym, zmieniono również kąt wyprzedzenia wtrysku oleju napędowego, co spowodowało znaczenie korzystniejszy przebieg ciśnienia spalania (rys.9). 142
Rys. 7. Porównanie przebiegu ciśnienia spalania dla różnych KWW Rys. 8. Porównanie przebiegu ciśnienia spalania dla różnych udziałów paliw Rys. 9. Porównanie przebiegu ciśnienia spalania dla różnego udziału LPG 143
5. Wnioski Dzięki wykorzystaniu świecy PSG możliwe jest badanie efektywności procesu spalania. Wyznaczone przebiegi potwierdzają zasadność stosowania tej świecy do celów badawczych, szczególnie biorąc pod uwagę cenę dedykowanych do tego czujników indykatorowych. Badania przeprowadzone z wykorzystaniem tej świecy znacznie ułatwiają wszelkie procesy optymalizacji sterowania wtryskiem oleju napędowego. Literatura: [1] Świeca żarowa z czujnikiem ciśnienia do silników wysokoprężnych. [dostęp: 10-06-2014]. Dostępne w Internecie: www.beru.com/bw/pl/produkty/swiece-zarowez-czujnikiem-cisnienia-psg [2] Świece żarowe zmiany konstrukcyjne Inter Cars SA.[ dostęp: 10-06-2014] Dostępne w Internecie: www.intercars.com.pl/.../swiece_zarowe zmiany_konstrukcyjne Streszczenie W pracy przedstawiono możliwości kontroli procesu spalania z wykorzystanie czujnika ciśnienia wbudowanego w najnowocześniejsze świece typu PSG (ang. Pressure Sensor Glow Plug). Świece te stosowane są w silnikach wysokoprężnych spełniających normy emisji spalin Euro 5 i Euro 6. Czujnik wbudowany w świecę, pozwala na kontrolę procesu spalania, poprzez bieżące monitorowanie ciśnienia panującego w komorze spalania. Ciśnienie to może być porównywane z ciśnieniem w innych cylindrach i odpowiednio korygowane poprzez zmianę dawki lub kąta wyprzedzenie wtrysku. Świeca ta może zastępować czujnik indykatorowy, używany powszechnie w badaniach silnikowych. Przedstawione wykresy pozwalają ocenić jakość i rozdzielczość. Słowa kluczowe: PSG, silnik dwupaliwowy, czujnik ciśnienia USE OF PRESSURE SENSOR GLOW PLUG FOR THE CONTROL OF COMBUSTION PROCESS Abstract The paper presents the ability to control the combustion process with the use of a pressure sensor built into most modern type glow plug PSG (ang. Pressure Sensor Glow Plug). These glow plugs are used in diesel engines that meet emissions standards Euro 5 and Euro 6 sensor built into the glow plug, allows control the combustion process by monitoring the pressure in the combustion chamber. This pressure can be compared with the pressure in the other cylinders and adjusted by changing the dosage or the angle advance. This type of glow plug can replace an indicator sensor, commonly used in studies of internal combustion engines. The graphs allows to evaluate the quality and resolution. Keywords: PSG engine, dual, pressure sensor 144