article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
3(99)/2014
Krzysztof Szczurowski1, Damian Walczak2, 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
Inż. Damian Walczak, student na Wydziale SiMR PW
3
Mgr inż. Łukasz Zieliński, doktorant na Wydziale SiMR PW
2
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; 4Trzpień grzejny do świec żarowych; 5-Przyłącze prądowe o dużym natężeniu; 6Membrana 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: 1006-2014]. 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