3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych
3.3. Wykorzystanie analizy wykresu indykatorowego silnika
Wyznaczanie ciśnienia bezwzględnego wykresu indykatorowego
Pomiaru ciśnienia w cylindrze silnika spalinowego dokonuje się za pomocy czujników piezokwarcowych. Ze względu na skończoną wartość rezystancji izolatorów drogi pomiaro-wej, wyznaczenie ciśnienia bezwzględnego przez dodanie ciśnienia otoczenia do nadciśnienia mierzonego przez tego typu czujnik jest obarczone błędem (rys. 3.5). Podczas gdy dla pierw-szego skoku ciśnienia obliczona wartość bezwzględna jest prawidłowa, to z upływem czasu zaczyna ona coraz bardziej odbiegać od ciśnienia wzorcowego. Przyczyną takiego zachowa-nia czujnika jest stopniowa zmiana ładunku drogi pomiarowej, wywołująca przesunięcie linii zerowej. Należy przy tym zauważyć, że mierzona różnica ciśnień jest prawidłowa dla każdego cyklu obciążania. Aby wyznaczyć ciśnienie bezwzględne dla każdego cyklu, należy skorygo-wać mierzone przez czujnik nadciśnienie o odpowiednią wartość odchyłki od linii zerowej na początku każdego z cykli obciążania.
Rys. 3.5. Błąd wyznaczania ciśnienia bezwzględnego – dodanie ciśnienia otoczenia do nadciśnienia mierzonego przez czujnik piezokwarcowy [73]
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0 2 4 6 8 10 12
Nr cyklu pomiaru
Pabs pn + po
Dryft sygnału pomiarowego
Pabs = pn + po
pabs = pn + po
Pabs = pn + po
Nadciśnienie wzorcowe [bar]Nadciśnienie mierzone [bar]
Wyznaczenie ciśnienia bezwzględnego w przypadku pomiarów na silniku spalinowym ulega znacznemu skomplikowaniu. Dzieje się tak, ponieważ nawet w fazie wymiany ładunku na czujnik działa ciśnienie, które po pierwsze nie jest stałe, a po drugie jest różne od ciśnienia otoczenia.
Najczęściej stosowaną metodą wyznaczania ciśnienia bezwzględnego jest metoda termo-dynamiczna [41]. Wykorzystuje ona właściwości równania politropy, zakładając, że wykład-nik politropy jest znany. Możliwe jest wtedy wyznaczenie ciśnienia bezwzględnego z różnicy ciśnień podczas sprężania (rys. 3.6):
1
Rys. 3.6. Termodynamiczne wyznaczanie ciśnienia bezwzględnego
Głównym problemem w tej metodzie jest przyjęcie właściwego wykładnika politropy, któ-ry nie jest stały w okresie sprężania, a poza tym jest silnie zależny od aktualnego punktu pra-cy silnika.
Wyznaczanie średniej temperatury obiegu
Średnia temperatura jest najczęściej wyznaczana z równania stanu dla gazu idealnego:
R
R − indywidualna stała gazowa dla powietrza.
Błąd związany ze zmianą indywidualnej stałej gazowej w czasie spalania jest pomijalnie mały. Dlatego wystarczająco dokładne jest stosowanie indywidualnej stałej gazowej dla po-wietrza. Jeżeli jednak w przypadku starszych silników odchyłki gazu rzeczywistego od stanu idealnego były niewielkie, to dla nowoczesnych silników należy się spodziewać większego błędu, z powodu znacznie większej wartości ciśnienia. Uzyskane wartości w pracy [73] wska-zują na odchyłki rzędu 3% w stosunku do obliczeń zakładających gaz idealny (rys. 3.7).
Rys. 3.7. Wartość współczynnika poprawkowego (przykład)
Analiza wskaźników procesu spalania
Analizę nierównomierności wskaźników procesu spalania określa się na podstawie:
współczynnika zmienności danej wielkości X, zdefiniowanego jako:
– jest odchyleniem standardowym wielkości X,
– wartością średnią X z pomiarów procesów szybkozmiennych:
[°OWK]
1) ciśnienia w cylindrze,
2) szybkości wywiązywania ciepła na podstawie znajomości geometrii układu:
indeksy oraz + oznaczają bieżącą i następną wartość ciśnienia P w cylindrze lub odpowiadającą jej objętość cylindra; obliczenia te prowadzono podczas w zakre-sie od rozpoczęcia sprężania do rozpoczęcia rozprężania,
3) wartości ciśnienia indykowanego wyznaczono na podstawie równania:
Vs, p(), dV()/d oraz oznaczają objętość cylindra, ciśnienie w cylindrze przy kącie , pochodną objętości cylindra oraz kąt położenia wału korbowego,
powtarzalność procesu spalania oceniana na podstawie powtarzalności wartości:
1) maksymalnego ciśnienia w cylindrze – pmax, kąta tego ciśnienia Pmax, 2) ciśnienia indykowanego,
3) kąty (czasy) wywiązywania ciepła – 5% oraz 90%,
4) szybkości wywiązywania ciepła dQmax i kąta tej wielkości dQmax, 5) pola powierzchni płomienia Amax,
6) czasu wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia t(Amax) oraz czas ten skorygowany o czas zapłonu,
7) maksymalnej szybkości przyrostu pola powierzchni płomienia dA/dt.
Parametrem, wykorzystywanym w analizie procesu spalania jest wypalenie 50% dawki pa-liwa – MBF50 (mass burnt fuel) [13]. Wskaźnik ten pozwala na porównawcze określenie fazy procesu spalania, gdyż wskazuje kątowe położenie 50% wydzielonego ciepła i jest określany jako kąt centrum spalania (center of combustion). Wielkość ta jest często wykorzystywana do sterowania procesem spalania ze względu na możliwość ograniczania emisji składników tok-sycznych oraz zużycia paliwa.
Wartość MBF50 (lub AI90) jest obliczana na postawie wzoru:
SOC – początek spalania (start of combustion), EOC – koniec spalania (end of combustion).
4.1. Wykorzystane obiekty badawcze
W pracy przyjęto, że badania parametrów ekologicznych oraz szybkozmiennych prowa-dzone będą podczas rzeczywistej eksploatacji oraz na stacjonarnym stanowisku hamownia-nym z wykorzystaniem mobilnego układu do pomiaru ciśnienia i emisji zanieczyszczeń. Sys-tem taki umożliwia rejestrację dostępnych parametrów pracy silnika i pojazdu za pośrednic-twem magistrali CAN. Do określenia obciążenia, prędkości obrotowej silnika, prędkości jaz-dy pojazdu, natężenia przepływu paliwa i temperatury czynnika chłodzącego, wykorzystywa-ne są dawykorzystywa-ne ze sterownika pojazdu. Należy zasygnalizować, że wyniki badań emisji zanie-czyszczeń pozyskiwane podczas badań drogowych są wartościami rzeczywistymi dla danego typu pojazdów i dotyczą konkretnych warunków drogowych. Warunki takie pozwalają osza-cować stopień ekologiczności badanych pojazdów i ich silników podczas typowej eksploata-cji. Badania przeprowadzone na stacjonarnym stanowisku hamownianym podyktowane będą koniecznością modyfikacji układu wylotowego silnika.
Badania drogowe przeprowadzono na samochodzie wyposażonym w doładowany silnik o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim (rys. 4.1), spełniający normę toksyczności spa-lin Euro 5 (charakterystykę silnika przedstawiono na rys. 4.2). Celem badań było wyznacze-nie emisji drogowej związków zawartych w gazach wylotowych pojazdów według wymagań normy oraz zdefiniowanie pola pracy silnika umożliwiającego dalsze badania na stacjonar-nym stanowisku hamowniastacjonar-nym.
Rys. 4.1. Obiekty badań
Dane techniczne obiektu badawczego były następujące [3, 86]:
produkowany od 2015 r.
typ silnika benzynowy
kod silnika CBZA
objętość skokowa 1197 cm3
skok tłoka 75,6 mm
średnica cylindra 71 mm
kolejność zapłonu 1-3-4-2
stopień sprężania 10
maksymalna moc silnika 63 kW przy 5000 obr/min
maksymalny moment obrotowy 160 Nm przy 1500–3500 obr/min
masa silnika 89,5 kg
doładowanie turbosprężarkowe
umiejscowienie wałka rozrządu DOHC
liczba cylindrów 4
układ cylindrów rzędowy
liczba zaworów 2 zawory na cylinder
typ wtrysku bezpośredni
Rys. 4.2. Charakterystyka zewnętrzna silnika wykorzystanego do badań [3]
4.2. Aparatura badawcza
4.2.1. Systemy pomiarowe emisji spalin
Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analiza-tor Semtech DS firmy Sensors, którego charakterystykę podano w tabl. 4.1. Umożliwiał on pomiar stężenia związków szkodliwych – CO, HC, NOx oraz CO2. Do jednostki centralnej analizatora doprowadzone są dane bezpośrednio z systemu diagnostycznego pojazdu oraz sygnał lokalizacji GPS. Informacje zawarte w publikacjach z zakresu wykorzystania mobil-nych analizatorów spalin [10, 46, 47] w powiązaniu z danymi rejestrowanymi z pokładowych systemów diagnostycznych [74] potwierdzają celowość podjęcia oceny emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu z wykorzystaniem wymienionej konfiguracji aparatury pomiarowej.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Ne[kW]
Mo[Nm]
n [obr/min]
Mo
Ne
Tablica 4.1. Charakterystyka mobilnego analizatora Semtech DS z odczytem systemu transmisji da-nych w pojeździe [85]
Parametr Metoda pomiaru Dokładność
Stężenie związków w spalinach CO
HC
NOx = (NO + NO2) CO2
O2
NDIR, zakres pomiarowy 0–10%
FID, zakres 0–10 000 ppm NDUV, zakres 0–3000 ppm
NDIR, zakres 0–20%
elektrochemiczna, zakres 0–20%
±3% zakresu pomiaru
±2,5% zakresu pomiaru
±3% zakresu pomiaru
±3% zakresu pomiaru
±1% zakresu pomiaru Przepływ spalin masowe natężenie przepływu ±2,5% zakresu pomiaru
Czas nagrzewania 900 s
Czas odpowiedzi T90 < 1 s Obsługiwane systemy
diagnostyczne CAN
OBD: ISO, CAN, VPW, PWM
Analizator Semtech DS jest przeznaczony głównie do pomiaru stężenia związków szko-dliwych w spalinach pojazdów osobowych, ciężarowych rolniczych i budowlanych. W wersji DS umożliwia pomiar emisji zarówno z silników zasilanych benzyną, jak i gazem ziemnym.
Wszystkie podzespoły analizatora Semtech DS zaprojektowano tak, aby jak najbardziej od-powiadały klasie laboratoryjnej urządzeń pomiarowych, a jednocześnie mogły sprostać spe-cjalnym wymaganiom stawianym urządzeniom monitorującym emisję w pojazdach. Spełnie-nie tych założeń wymagało maksymalnego zmSpełnie-niejszenia masy, wielkości i zużycia energii przez urządzenie przy jednoczesnym zredukowaniu podatności na drgania, wibracje zmiany temperatury i inne czynniki zewnętrze mogące zniekształcić wyniki. Może być on używany do monitorowania emisji z różnych pojazdów będących w ruchu [6, 68], jak również podczas testów silników na hamowni. Analizator spełnia wymagania normy 1065 [11] w zakresie po-miarów emisji spalin systemami PEMS. W skład mobilnego analizatora Semtech DS wchodzą następujące moduły pomiarowe:
analizatora płomieniowo-jonizacyjnego FID (flame ionization detector) stosowanego do oznaczania w spalinach sumarycznego stężenia węglowodorów określanych jako HC,
analizatora typu NDUV (non-dispersive ultraviolet) – niedyspersyjnego na promienio-wanie ultrafioletowe, przeznaczonego do stężenia pomiaru tlenku azotu oraz dwutlenku azotu,
analizatora typu NIDR (non-dispersive infrared) – niedyspersyjnego na promieniowanie podczerwone, przeznaczonego do pomiaru stężenia tlenku węgla oraz dwutlenku węgla,
analizatora elektrochemicznego do określania stężenia tlenu w spalinach.
Oprócz pomiaru stężenia szkodliwych składników spalin analizator ten umożliwia również pomiar masowego natężenia przepływu spalin. Gazy spalinowe wprowadzane są do analizato-ra za pomocą sondy pomiarowej utrzymującej tempeanalizato-raturę 191°C, potem filtrowane są z
czą-stek stałych, a w kolejnym kroku następuje pomiar stężenia węglowodorów w analizatorze płomieniowo-jonizacyjnym. W kolejnym kroku spaliny schładzane są do temperatury 4°C i następuje pomiar stężenia tlenków azotu (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promie-niowania ultrafioletowego, umożliwiając jednoczesny pomiar stężenia: tlenku azotu i dwu-tlenku azotu), dwu-tlenku węgla, dwudwu-tlenku węgla (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego) oraz tlenu (analizatorem elektrochemicznym). Pomiar natę-żenia przepływu spalin jest realizowany z wykorzystaniem sond pomiarowych 2”, 2,5”, 3”, 4”
i 5” [49]. Bardzo ważne jest prawidłowe zamocowanie sondy pomiarowej (tzw. rurki Pitot) ze względu na konieczność trwałego jej zamocowania w warunkach ruchu drogowego i zapew-nienie szczelności połączeń z układem wylotowym pojazdu. Ważnym jest też stan cieplny przyrządu, czas rozgrzewania wynosi 60 min dla zapewnienia stabilnych wskazań (m.in. dla nagrzania sondy poboru próbki spalin do wymaganej temperatury 191ºC). W tablicy 4.2 przedstawiono wartości niepewności wskazań poszczególnych analizatorów przyrządu Sem-tech DS oraz przepływomierzy SemSem-tech EFM (exhaust flow meter).
Tablica 4.2. Niepewności wskazań poszczególnych analizatorów przyrządu Semtech DS oraz prze-pływomierzy Semtech EFM [37, 101]
Niepewność wskazań analizatora FID
Składnik THC
Zakres pomiarowy 0–100 ppmC 0–1000 ppmC 0–10 000 ppmC 0–40 000 ppmC Rozszerzona
niepewność pomiarowa
±2% odczytu lub
±5 ppmC
±2% odczytu lub ±5 ppmC
±2% odczytu lub ±25 ppmC
±2% odczytu lub ±100 ppmC zależnie od tego, która wartość jest większa
Niepewność wskazań analizatora NDIR
Składnik CO CO2
Zakres pomiarowy 0–8% 0–20%
Rozszerzona niepewność pomiarowa
±3% odczytu lub 50 ppm ±3% odczytu lub ±0,1%
zależnie od tego, która wartość jest większa Niepewność wskazań analizatora NDUV
Składnik NO NO2
Zakres pomiarowy od 0 do 2500 ppm od 0 do 500 ppm
Rozszerzona niepewność pomiarowa
±3% odczytu lub 15 ppm ±3% odczytu lub 10 ppm zależnie od tego, która wartość jest większa
Analizator TSI 3090 EEPS™ (Engine Exhaust Particle Sizer™ Spectometer) służy do określenia wymiarowego rozkładu cząstek stałych (tabl. 4.3). Umożliwia on pomiar dyskret-nego zakresu średnic cząstek (w zakresie od 5,6 do 560 nm) emitowanych w gazach wyloto-wych na podstawie ich zróżnicowanej prędkości (rys. 4.3). Dzięki możliwości rejestracji po-miaru z częstotliwością 10 Hz analizator można wykorzystać podczas pomiarów emisji czą-stek stałych przy nieustalonych stanów silnika [31].
Tablica 4.3. Dane techniczne analizatora TSI 3090 EPSS™ [75]
Parametr Wartość
Rozmiar mierzonych cząstek 5,6–560 nm
Liczba kanałów pomiarowych 16 kanałów na dekadę (całkowicie 32)
Liczba kanałów elektrod 22
Rozdzielczość 10 rozmiarów kanałów/sekundę
Przepływ próbki spalin 10 dm3/min
Przypływ sprężonego powietrza 40 dm3/min
Temperatura próbki wejściowej 10–52°C
Temperatura pracy urządzenia 0–40°C
Masa całego urządzenia 32 kg
Rys. 4.3. Metoda pomiaru rozkładu wymiarowego cząstek stałych przez spektrometr masowy firmy TSI EEPS; Vx, Vy – składowe prędkości PM poruszającej się między elektrodami, L1…Ln – elektrody
segregujące [75]
Analizator AVL MSS służy do pomiaru stężenia cząstek stałych w gazach wylotowych w sposób ciągły. Analizator charakteryzuje się bardzo dużą dokładnością pomiarową, dzięki czemu istnieje możliwość wykonywania pomiarów stężenia cząstek stałych również dla silni-ków o zapłonie iskrowym (tabl. 4.4).
Tablica 4.4. Dane techniczne analizatora AVL MSS [37]
Parametr Wartość
Zakres pomiaru 0–50 mg/m3
Rozdzielczość 0,001 mg/m3
Stopień rozcieńczenia 5000
Pobór próbki spalin 0,12 m3/h
Warunki pracy 0–45°C, 0–95% wilgotności
Zasada działania analizatora opiera się na fotoakustycznej zasadzie pomiaru (rys. 4.4).
Cząstki stałe znajdujące się w gazach wylotowych poddaje się promieniowaniu światłem mo-dulowanym, w skutek czego podlegają naprzemiennie chłodzeniu i ogrzewaniu co powoduje okresową zmienność objętości badanej próbki. W wyniku tego procesu generowane są drga-nia ośrodka. Zainstalowane w analizatorze bardzo czułe mikrofony o ściśle określonej ampli-tudzie i częstotliwości pracy rejestrują fale dźwiękowe badanej próbki. Jeżeli próbka zawiera niezanieczyszczone powietrze, analizator nie rejestruje żadnego sygnału. Sygnał jest wykry-walny dopiero po pojawieniu się cząstek stałych w mieszaninie gazowej. Impuls generowany przez analizator jest wprost proporcjonalny do stężenia cząstek stałych w badanej próbce.
Spaliny poddawane badaniu muszą być uprzednio rozcieńczone w celu zapobiegnięcia kon-densowaniu się sadzy oraz uzyskania odpowiedniej temperatury. Temperatura spalin wcho-dzących do komory pomiarowej nie może przekraczać 60°C oraz wartość ich ciśnienia po-winna oscylować w granicach ciśnienia atmosferycznego. Wyniki analizy stężenia cząstek stałych w badanej próbce przekazywane są w sposób ciągły z urządzenia pomiarowego do komputera sterującego z szybkością sięgającą 100 Hz.
Rys. 4.4. Zasada działania analizatora AVL MSS [84]
Schemat połączeń przedstawionych wcześniej urządzeń pokazano na rys. 4.5, a zdjęcia przykładowego obiektu badawczego przygotowanego do badań – na rys. 4.6.
Rys. 4.5. Schemat połączeniowy urządzeń pomiarowych wykorzystanych do badań
Rys. 4.6. Zamontowany przenośny analizator spalin do pomiaru związków gazowych (Semtech DS), analizator do pomiaru stężenia masowego (AVL MSS) i liczbowego cząstek stałych (TSI EEPS)
w pojeździe przygotowanym do badań drogowych spaliny
Semtech DS Pomiar
CO, CO2, HC, NOx
AVL 483 MSS Pomiar PM = f(t)
Pomiar PN = f(t, D) TSI 3090 EEPS
przepływomierz
rozcieńczanie spalin
T, H GPS OBD
4.2.2. Systemy pomiarowe temperatury i ciśnienia
Do pomiaru temperatury i ciśnienia gazów wylotowych wykorzystano układ pomiarowy zbudowany z elementów (rys. 4.7, tab. 4.5):
do pomiaru temperatury – czujniki termoelektryczne (termopary) firmy Czaki o ozna-czeniach TP-204 (K),
do pomiaru ciśnienia – czujniki firmy Keller serii PR-21Y,
przetwornika sygnałów Iotech Personal DAQ 3000.
Przetwornik sygnału Iotech Personal DAQ 3000 zawiera interfejs USB oraz przetwornik A/C (1 MHz/16 bit). Znajduje się w nim 16 wejść analogowych typu single-ended (8 wejść różnicowych), 4 wyjścia analogowe, 24 cyfrowe linie wejścia/wyjścia, a także istnieje możli-wość programowania urządzenia w 7 zakresach od ±100 mV do ±10 V. Informacje z czujnika przekazywane są do komputera, który rejestruje dane według zadanej częstotliwości.
a) b) c)
Rys. 4.7. Elementy układu pomiarowego: a) czujnik temperatury firmy Czaki, b) czujnik ciśnienia firmy Keller, c) przetwornik sygnału Iotech Personal DAQ 3000 [76, 81, 100]
Tablica 4.5. Charakterystyka aparatury do pomiary temperatury i ciśnienia gazów wylotowych [81, 100]
Parametr Pomiar temperatury
Pomiar ciśnienia
Iotech Personal DAQ 3000
Napięcie Termopara
Zakres –40oC–1100oC 0–0,4 MPa –10 V–10 V –200oC–1200oC (typ K)
Dokładność ±0,5% ±0,25% zakresu ±0,031% ±1,8oC
4.2.3. Systemy pomiarowe procesów szybkozmiennych
Do rejestracji procesów szybkozmiennych badanych silników wykorzystano specjalny sys-tem rejestrujący, który w czasie rzeczywistym może wykonywać obliczenia i analizy z reje-stracji w postaci graficznej [27, 28, 56]. Procesy szybkozmienne takie jak: ciśnienie wewnątrz cylindra oraz sygnał z czujnika położenia wału korbowego rejestrowano z częstotliwością 1 MHz. Do badań procesów szybkozmiennych wykorzystano aparaturę rejestrującą procesy zachodzące wewnątrz komory spalania AVL IndiMicro 602 [5] (tabl. 4.6, rys. 4.8). Niezbęd-ną informacją do prawidłowego działania systemu zapisu ciśnień wewNiezbęd-nątrz cylindra jest poło-żenie wału korbowego. Sygnał informujący o położeniu wału korbowego pozyskano z czujni-ka indukcyjnego współpracującego z zębatym kołem pasowym za pośrednictwem
przetwor-nika analogowo-cyfrowego AVL Uniwersal Pulse Conditioner 389Z01 [4]. Sygnał otrzymany z przetwornika analogowo-cyfrowego umożliwił zapis zmiany ciśnienia w cylindrze w funk-cji położenia wału korbowego badanego silnika ZI.
Tablica 4.6. Dane techniczne analizatora AVL IndiMicro 602 [5]
Parametr Wartość
Analogowe kanały wejściowe 4 kanały dla czujników piezoelektrycznych
Częstotliwość próbkowania 1 MHz na kanał
Rozdzielczość ADC 16 bit
Analogowy sygnał wejściowy ±10 V
Wejście kąta obrotu wału korbowego 2 × TTL dla CDM, TRG i 2 × LVDS dla CDM, TRG
Cyfrowy kanał wejściowy 2 kanały
Interfejs CAN tak
Zakres wejściowy (piezoelektryczny) do 14 400 pC
Liniowość ±0,01% zakresu
Filtry 2, 5, 10, 20, 50, 100 kHz
System IndiCom Mobile
Rys. 4.8. Moduł pomiarowy AVL IndiMicro 602 [5]
Sygnał ciśnienia doprowadzany jest do komputera rejestrującego z czujnika ciśnienia (rys.
4.9) współpracującego z odpowiednim torem pomiarowym. Do rejestracji ciśnień szybko-zmiennych w cylindrze silnika stosuje się zazwyczaj piezoelektryczne czujniki ciśnienia (rys.
4.10), w których wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny, polegający na generowaniu ładunku elektrycznego przez kryształ kwarcu pod wpływem przyłożonej do niego siły. Prze-twornik tego typu musi współpracować z wzmacniaczem ładunku, który przetwarza wytwo-rzony przez kryształ ładunek na napięcie elektryczne. Napięcie to rejestrowane jest przez kar-tę pomiarową zainstalowaną w komputerze. Uzyskane w ten sposób dane są zapisywane na dysku i mogą być w dalszej kolejności poddane analizie. Widok zintegrowanego czujnika zamontowanego w głowicy badanego silnika przedstawiono na rys. 4.11.
Rys. 4.9. Schemat podłączenia AVL Pulse Universal Conditioner 389Z01
a) b)
Rys. 4.10. Piezoelektryczny czujnik ciśnienia zintegrowany ze świecą zapłonową: a) przekrój, b) widok
Rys. 4.11.Wkręcony zintegrowany czujnik ciśnienia ze świecą zapłonową w głowię badanego silnika
4.3. Silnikowe stanowisko hamulcowe
Do badań wykorzystano silnikowe stanowisko hamulcowe firmy Automex (tabl. 4.7). Na stanowisku tym zainstalowano doładowany silnik (1.2 TSI) o zapłonie iskrowym z bezpo-średnim wtryskiem benzyny o objętości skokowej 1,2 dm3 (rys. 4.12). Generuje on maksy-malny moment obrotowy 175 Nm przy 1550–4100 obr/min i moc maksymalną 77 kW przy 5000 obr/min. Silnik spełnia normę Euro 5 i w układzie wylotowym ma trójfunkcyjny reaktor katalityczny TWC (three way catalyst). Był to taki sam obiekt badawczy jaki wykorzystano w badaniach drogowych.
Tablica 4.7. Charakterystyka statycznego silnikowego stanowiska hamulcowego Automex
Parametr Jednostka Wartość
Typ hamulca – AMX-210/100
Max. moc pochłaniana kW 100
Max. prędkość obrotowa obr/min 10 000
Max. moment obrotowy Nm 240
Masa hamulca kg 200
Kierunek obrotów – dowolny
Rys. 4.12. Statyczne silnikowe stanowisko hamulcowe z silnikiem 1.2 TSI
4.4. Metodyka oceny zakresów pracy silnika
W celu ustalenia zakresów pracy silnika spalinowego o największym udziale czasu pracy i natężeniu emisji związków szkodliwych dokonano również rejestracji parametrów pracy po-jazdu i silnika. Podczas przepo-jazdu rejestrowano parametry związane z pojazdem (m.in. pręd-kość pojazdu, przyspieszenie), a także parametry związane z pracą silnika (m.in. prędpręd-kość obrotową, obciążenie, temperaturę cieczy chłodzącej) – z częstotliwością 1 Hz. Do rejestracji parametrów wykorzystano rejestrator OBD LOG firmy TEXA (rys. 4.13, tabl. 4.8). Pozyska-ne daPozyska-ne zapisywaPozyska-ne są w wewnętrzPozyska-nej pamięci urządzenia umożliwiające dalszą analizę i wyznaczenie pola pracy silnika spalinowego badanego pojazdu.
Rys. 4.13. Rejestrator OBD Log TEXA [71]
Tablica 4.8. Parametry techniczne rejestratora OBD Log TEXA [71]
Parametr Wartość
Elementy konstrukcyjne mikrokontroler CORTEX M3, pamięć danych 2 MB
Interfejs pojazdu standardowe złącze OBD
Złącze połączeniowe
z komputerem PC mini USB 2.0
Maksymalna częstotliwość
próbkowania 1 Hz
Czas zapisu 90 h z zapisem 8 parametrów i próbkowaniem 1 Hz Obsługiwane protokoły
transmisji danych
K, L (z zabezpieczeniem prądowym 60 mA), ISO9141-2, ISO14230, CAN ISO11898, ISO11519-2, SAE J1850 PWM, SAE J1850 VPW, EOBD (wszystkie protokoły): SAE1979, ISO15031-5 i ISO15765-4 Zgodność EOBD Całkowita zgodność elektryczna i mechaniczna ze standardem EOBD
Temperatura pracy 40–85°C
Napięcie zasilania
podczas rejestracji 12V
Wymiary urządzenia 23 × 45,5 × 28,2 mm (wys. × szer. × gł.)
Masa urządzenia 21,5 g
Zarejestrowane czasowe zmiany prędkości obrotowej n = f(t) i obciążenia silnika Z = f(t) pozwalają na tworzenie dwuwymiarowych charakterystyk pracy silnika podczas testów. Cha-rakterystyki takie wykonuje się dla pojazdów, a następnie przeprowadza się analizę możliwo-ści uogólnienia zagadnienia dla wszystkich rozpatrywanych jednostek napędowych. W celu uzyskania możliwie ogólnych charakterystyk dla pojazdów, przyjmuje się, są one przedsta-wione jako zależności udziału obciążenia silnika dla danej prędkości obrotowej (zapisywanej jako Z przy danej prędkości obrotowej) oraz prędkości obrotowej silnika n.
Pole pracy silnika w układzie n–Z dzieli się na prostokątne elementy o wymiarach (rys.
4.14):
n = nmax/N (4.1)
= Zmax/K (4.2)
Rys. 4.14. Podział pola pracy silnika na elementy
Dla elementu o numerach (i, j) udział czasu pracy zdefiniowano następująco:
u(i, j) = t(i, j)/t
gdzie t(i, j) oznacza czas pracy silnika, w którym rozpatrywane parametry (prędkość obrotowa i obciążenie) należą do pola ΔL oznaczonego numerami i, j.
Spełnione muszą być przy tym związki:
Spełnione muszą być przy tym związki: