Badania indykatorowe w warunkach statycznych i dynamicznych

Współczesny rozwój silników spalinowych jest wymuszony przez spełnienie wymagań do-tyczących – z jednej strony – ochrony środowiska przez minimalizację emisji związków tok-sycznych zawartych w spalinach oraz zmniejszenia zużycia paliwa, a z drugiej – uzyskiwania coraz większych, maksymalnych wskaźników pracy silnika spalinowego. Aby sprostać tak trudnym wymaganiom silnik poddawany jest nieustannej optymalizacji procesów spalania.

Strategia podziału dawki paliwa oraz określenie optymalnej zmiennej geometrii układu dolo-towego w określonych warunkach pracy silnika pozwala na poprawę osiągów oraz zwiększa sprawność jednostki napędowej. Dotychczasowa diagnostyka procesów spalania w silnikach tłokowych bazuje przede wszystkim na analizie wartości ciśnień szybkozmiennych w komo-rze spalania oraz ocenie szybkości wywiązywania się ciepła w warunkach ustalonych pracy silnika. Jednakże charakterystycznymi warunkami pracy silników spalinowych przeznaczo-nych do napędu pojazdów samochodowych jest ich losowa zmienność prędkości obrotowej oraz obciążenia. Rozkład zmian tych wielkości jest uzależniony od warunków użytkowania pojazdu i jego przeznaczenia. Analiza zapisu warunków pracy silników trakcyjnych wykaza-ła, że podstawowymi stanami w eksploatacji jest rozbieg (około 54% czasu pracy) i hamowanie (około 30%) [57, 98]. Również podczas ruchu pojazdu w warunkach pracy sil-nika zbliżonych do statycznych występują fluktuacje zmian tych wielkości. Efektem

dotych-czasowej diagnostyki jest brak pełnej analizy termodynamicznej przez niedostateczne rozpo-znanie procesów spalania podczas nieustalonych warunków pracy jednostek napędowych.

Pomiar szybkozmiennego ciśnienia dokonywany jest w sposób ciągły za pośrednictwem czujnika piezoelektrycznego (piezokwarcowego) wraz z odpowiednim osprzętem. Analogowy sygnał ciśnienia pochodzący z czujnika, jest próbkowany z wysoką częstotliwością przez kar-tę pomiarową. Znacznym utrudnieniem podczas badań maszyn tłokowych jest szybkość zmian ciśnienia w cylindrze. Dla przykładu, silniki spalinowe stosowane w komunikacji mogą pracować z prędkościami maksymalnymi rzędu 8000–13000 obr/min. Dokonanie pomiaru przy wspomnianych prędkościach z rozdzielczością np. Δα = 0,5 OWK^ο wymaga stosowania aparatury pomiarowej z czasem próbkowania rzędu 6–10 μs (na jednym kanale pomiarowym).

Współczesne karty pomiarowe dysponują bardzo dobrymi parametrami pracy przetwornika analogowo-cyfrowego, które umożliwiają przeprowadzenie dokładnych badań maszyn tłoko-wych w szerokim zakresie prędkości obrototłoko-wych wału korbowego. Jako najważniejsze należy wymienić: wysoką rozdzielczość pomiaru oraz częstotliwość próbkowania sygnału mierzone-go np. 16-bitowy przetwornik A/C, o zdolności próbkowania 600 kHz [97]. Współpraca karty pomiarowej z szybkimi komputerami umożliwia precyzyjne oraz dokładne indykowanie ma-szyn. Ponadto możliwa staje się archiwizacja uzyskanych wyników pomiarowych oraz wy-świetlanie zmierzonego sygnału na ekranie komputera bezpośrednio podczas pracy maszyny cieplnej.

Stosowany w układzie do indykacji, piezokwarcowy czujnik ciśnienia charakteryzuje się zdolnością pomiaru tylko zmian (przyrostów) ciśnienia. Oznacza to, że aby wyznaczyć aktu-alne bezwzględne ciśnienie panujące wewnątrz badanej maszyny, należy dysponować dodat-kowym pomiarem tej wielkości dla znanego położenia tłoka w cylindrze (tzw. detekcja linii zerowej). Dodatkowy pomiar (najczęściej podciśnienia) realizowany jest w kanale dolotowym badanego cylindra. Prawidłowa orientacja wykresu indykatorowego wymaga ponadto okre-ślenia położenia tłoka w cylindrze, zazwyczaj jest to górny martwy punkt (GMP).

Rodzaje pomiarów ciśnienia szybkozmiennego

W zależności od sposobu próbkowania sygnału z czujnika ciśnienia, rozróżnia się dwie podstawowe metody pomiaru ciśnienia szybkozmiennego. Rejestracja wyników pomiarowych może odbywać się względem następujących wielkości [36]:

 czasu, uzyskuje się funkcję p(t),

 kąta obrotu wału korbowego, uzyskuje się funkcję p(α).

Pierwsza z metod umożliwia zastosowanie uproszczonej wersji układu pomiarowego oraz łatwiejsze posługiwanie się narzędziem badawczym. Prowadzi to w zasadzie do krótszych czasów przygotowania samego pomiaru, jednak wykorzystanie uzyskanych wyników pomia-rowych do rozważania roboczego cyklu pracy maszyny tłokowej jest znaczenie ograniczone.

W metodzie tej występuje brak orientacji mierzonego ciśnienia względem pewnej wielkości geometrycznej (np. kąta obrotu wału korbowego, chwilowej objętości cylindra). Praktycznie uniemożliwia to uśrednianie wyników pomiarów wykonanych dla kilku czy kilkudziesięciu cykli pracy maszyny.

Druga metoda, dzięki zastosowaniu znacznika położenia, umożliwia pomiar ciśnienia względem kąta obrotu wału korbowego. Pomiary odbywają się zawsze przy tych samych po-łożeniach wału korbowego i kolejne punkty pomiarowe są zawsze przesunięte względem

sie-bie o określoną wartość Δα zależną od rozdzielczości przetwornika. Tak otrzymane wyniki z występujących po sobie cykli pracy maszyny tłokowej można wiarygodnie uśredniać.

Poszczególne elementy składowe układu pomiarowego muszą być dobrane do konkretnego obiektu badawczego oraz do planowanego przebiegu eksperymentu (rodzaje czujników, za-kresy pomiarowe itp.). Detale kompletnego systemu badawczego determinują sposób prowa-dzenia pomiarów, ich zakres oraz dokładność. W skład pełnej aparatury badawczej powinny wchodzić następujące podzespoły:

 czujnik piezoelektryczny do pomiaru szybkozmiennego ciśnienia,

 wzmacniacz ładunku generujący sygnał o wartości napięcia proporcjonalnej do wartości mierzonego ciśnienia,

 przewody pomiarowe do transmisji ładunku oraz sygnałów napięciowych o odpowied-nio wysokim poziomie izolacji,

 znacznik kąta obrotu wału korbowego (enkoder),

 karta pomiarowa wraz z komputerem PC,

 program do komunikacji karty pomiarowej z układem czujnika oraz archiwizacji da-nych,

 wakuometr do pomiaru średniego podciśnienia w kanale dolotowym lub piezorezy-stywny czujnik ciśnienia bezwzględnego.

Piezokwarcowy czujnik ciśnienia

W budowie przetworników do pomiaru szybkozmiennych ciśnień najbardziej rozpo-wszechnił się kwarc (SiO2) głównie z względu na dużą wytrzymałość mechaniczną, dobre własności izolacyjne oraz liniową charakterystykę w stosunkowo szerokim zakresie tempera-tur. Główną zaletą tego typu czujnika jest to, że umożliwia on dokonywanie dokładnych po-miarów dynamicznych, czyli takich, jakie występują w cylindrze silnika spalinowego (lub innej maszyny tłokowej). Powstające w nim zjawisko piezoelektryczne polega na pojawieniu się ładunków elektrycznych na powierzchniach ograniczających niektóre rodzaje kryształów.

Konstrukcja przetworników ciśnienia bazuje zazwyczaj na wykorzystaniu tzw. podłużnego zjawiska piezokwarcowego (rys. 3.3) powstającego podczas działania siły skierowanej wzdłuż osi elektrycznej kryształu.

Rys. 3.3. Schemat powstawania podłużnego zjawiska piezoelektrycznego

Płytki kwarcowe stanowiące element pomiarowy mają kształt walca, których wysokość jest mniejsza od średnicy. W celu zwiększenia czułości przetwornika buduje się je ze stosu płytek nakładanych jedna na drugą i połączonych równolegle.

Przetwornik ciśnienia dobiera się ze względu na przewidywany zakres pomiarowy, sposób oraz miejsce montażu, częstotliwość sygnału mierzonego. Ostatnie kryterium determinuje dokładność uzyskiwanych wyników pomiarowych. Częstotliwość własna przetwornika musi być odpowiednio większa od częstotliwości sygnału mierzonego, co wynika z teorii drgań [97]. W praktyce częstotliwość własna produkowanych czujników wynosi powyżej 80 kHz.

Przy tej wartości osiąga się zadowalająco dokładny pomiar ciśnienia z błędem poniżej 1%, także w okresie spalania stukowego, którego częstotliwość ocenia się na około 4–8 kHz.

Znacznik położenia wału korbowego

Precyzyjne przyporządkowanie sygnałów pomiarowych konkretnym położeniom tłoka w cylindrze, umożliwia zastosowanie znacznika kąta obrotu wału korbowego (enkodera). Zada-niem tego elementu jest generowanie pojedynczych sygnałów elektrycznych, co pewien kąt Δα, które następnie wyzwalają układ karty pomiarowej powodując pomiar ciśnienia. Najczę-ściej w układzie badawczym stosuje się enkoder fotoelektryczny o wymaganej rozdzielczości np. 1024 punkty (impulsy elektryczne) na jeden obrót. Oznacza to, że kolejny pomiar odbywa się, co określoną wartość kątową wynoszący Δα = 0,352 ^oOWK. Dodatkowo urządzenie to wyposażone jest w sygnał pojawiający się raz na jeden obrót wału korbowego. Sygnał ten wykorzystuje się do określania pojedynczych obrotów i lokalizacji tłoka w górnym martwym położeniu (GMP). Schemat działania oraz uproszczoną budowę fotoelektrycznego znacznika kąta przedstawia (rys. 3.4).

Rys. 3.4. Zasada działania znacznika położenia wału korbowego: 1 – układ nadajnika, 2 – układ od-biornika, 3 – okno przesłony nadajnika sygnału położenia tłoka (GMP), 4 – okno przesłony nadajnika

sygnału położenia wału, 5 – tarcza znacznikowa z tworzywa sztucznego

Zasada pomiaru w przedstawionym układzie oparta jest o blokowanie strumienia światła.

W zależności od konfiguracji wykorzystuje się metody refleksyjne lub z dodatkowym źró-dłem światła. Możliwości technologiczne dokładnego wykonania specjalnych tarcz znaczni-kowych (5) powodują, że optyczne dekodery położenia kątowego są urządzeniami o wysokiej dokładności pomiaru przy małych gabarytach. Ważną ich zaletą jest wysoka odporność na

zakłócenia elektromagnetyczne, co jest szczególnie istotne w badaniach silników spalinowych o zapłonie iskrowym.

Karta pomiarowa

Wzmocniony sygnał pomiarowy pochodzący z przetwornika ciśnienia jest zazwyczaj sy-gnałem napięciowym o wartości ±10 V, który można bezpośrednio podłączyć do karty pomia-rowej. Aby dokonać pomiaru ciśnienia w jednym cylindrze silnika spalinowego karta musi posiadać, co najmniej dwa kanały pomiarowe, służące do rejestracji: zmian ciśnienia oraz pojedynczego obrotu wału (umownego występowania GMP).