Měření a analýza spalovacích tlaků

Transkript

1 Měření a analýza spalovacích tlaků Zpracoval: Josef Blažek Pracoviště: Katedra vozidel a motorů, TUL Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

2 In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu:

3 Obecný rozbor problematiky analýzy pracovního oběhu spalovacího motoru Základem pro vývoj a optimalizaci pístových spalovacích motorů je znalost dějů ve válci. Teprve měření a analýza průběhu tlaku ve válci poskytuje potřebná data k optimalizaci účinnosti, výkonu motoru, emisí a v neposlední řadě také životnosti motoru. Pístové spalovací motory se řadí do skupiny tepelných strojů, u kterých dochází spalováním k přeměně chemické energie obsažené ve směsi paliva a vzduchu na mechanickou energii a teplo. Spalovací proces ve válci spalovacího motoru je možné sledovat především podle jeho důsledků na stav náplně válce. Přívod tepla hořením směsi se projeví změnou tlaku, který lze dnešní měřicí technikou zaznamenat s potřebnou přesností a s využitím dalších měřených veličin ze změřeného průběhu tlaku výpočtem stanoví průběh přívodu tepla. Další informace o povaze spalovacího procesu můžeme získat pohledem do válce motoru pomocí vizualizační techniky, která je dnes pro motorářský výzkum k dispozici.

4 Obecný rozbor problematiky analýzy pracovního oběhu spalovacího motoru Průběh tlaku je representativní ukazatel spalovacího procesu, a tím pádem také způsobu jak dochází k přeměně energie v motoru (chemické energie obsažené ve směsi paliva a vzduchu na mechanickou energii a teplo). Z průběhu tlaku a změny objemu válce se následně určí celková mechanická práce pístu připadající a na jeden pracovní cyklus. Na základě toho využili již Nikolaus Otto a Rudolf Diesel k indikaci tlaku jednoduché ukazatele tlaku ve válci a polohy klikového hřídele. Indikátorový diagram (Nikolaus August Otto) /Sass, F.: Geschichte des deutschen Verbrennungsmotorenbaus von /

5 Obecný rozbor problematiky analýzy pracovního oběhu spalovacího motoru Vysokotlaká a nízkotlaká indikace se stala v posledních letech vlivem vývoje měřící techniky důležitým analytickým nástrojem využívaným k optimalizaci spalovacího procesu. Vývoj v oblasti měřící ale také výpočetní techniky umožnil dosažení potřebné technické vybavenosti, dostupnosti a zároveň také dostatečné přesnosti zařízení. Benzín rpm, max. load válec [bar] sání [bar] výfuk [bar] 70 2,8 60 2,4 Tlak ve válci [bar] ,6 1,2 0,8 tlak v sání, výfuku [bar] 10 0, pootočení klik. hřídele [ KH]

6 Obecný rozbor problematiky analýzy pracovního oběhu spalovacího motoru Průběhy tlaků ve spalovacím prostoru zážehového motoru v režimu středního zatížení (pi = 6,25 bar, VAR pi = 4,14%, pmax = 19,67 bar, VARpmax = 13,225%).

7 Piezoelektrické snímače - teorie Vměřící technice se pro měření tlaků nejčastěji využívá křemen (SiO 2 ), který má velmi dobré vlastnosti. Křemen krystalizuje v šesterečné soustavě, přičemž elementárním prvkem je šestiboký hranol, který má tři základní osy, jež jsou z hlediska vzniku piezoelektrického jevu velmi důležité (optická, elektrická a neutrální viz. další text). Pro měření tlaku ve válci motoru se u snímačů využívá piezoelektrického jevu, jehož principem je, že uvnitř některých polykrystalických dielektrik vzniká vlivem působení síly (mechanická deformace piezoelementu) elektrická polarizace. V důsledku této změny se na povrchu tvoří zdánlivé náboje, které mohou na přiložených elektrodách vázat nebo uvolňovat náboje skutečné. Slovo je odvozeno z řečtiny piezein, což znamená "stisknout" nebo "tlačit".

8 Piezoelektrické snímače - teorie Vytvoříme-li řezem z krystalu SiO2 destičku tak, aby její hrany byly rovnoběžné s jednotlivými osami, působením sil kolmo na optickou osu hranolu se krystal zelektrizuje, přičemž vektor polarizace P bude směřovat podél elektrické osy. Na plochách kolmých na elektrickou osu se objeví náboje. Pokud působí síly Fz ve směru optické osy (rovnoběžně s optickou osou) krystal se nezelektrizuje. Obecná teorie piezoelektrického jevu předpokládá, že existují lineární vztahy mezi složkami vektoru elektrické polarizace a složkami tenzoru mechanické deformace. Označení os: Podélná osa z se nazývá optická Osa x protínající hrany kolmo na optickou osu je elektrická Osa y, která je kolmá k ose x a ose z se označuje jako mechanická nebo neutrální.

9 Piezoelektrické snímače - teorie Velikost elektrického náboje:... podélný piezoelektrický jev... příčný piezoelektrický jev kde K p je piezoelektrická konstanta, a, b, jsou rozměry destičky.

10 Piezoelektrické snímače - teorie Snímač se při působení neelektrické veličiny chová jako generátor náboje. Představuje zdroj napětí s velkým vnitřním odporem, protože dielektrikum má značný izolační odpor. Náboj, vznikající při působení měřené veličiny, se převádí na napětí: U = Q C kde je U výstupní napětí snímače, C kapacita čidla včetně přívodů. = Pro získání informace se mezi měřicí přístroj a snímač umisťuje zesilovač náboje s velkým vstupním odporem, jehož hlavním úkolem je impedanční přizpůsobení, méně již vlastní zesílení signálu. K p. C F x

11 Piezoelektrické snímače - teorie V nábojovém zesilovači dochází k transformaci vstupního náboje od snímače na napěťový signál. Samotný zesilovač se skládá z jádra zesilovače s velkým vnitřním napěťovým zesílením a z kondenzátoru. Pokud snímač PT vytvoří náboj, vytvoří se na vstupu zesilovače malé napětí. Toto napětí se zobrazí silně zesílené na výstupu zesilovače s opačnou polaritou. Takto záporně nabitý kondenzátor odebere náboj na vstupu zesilovače a tímto způsobem se udržuje malý nárůst napětí na vstupu zesilovače. Jelikož dosahuje zesilovací faktor nábojového zesilovače vysoké hodnoty, je vstupní napětí na zesilovači U 1 v porovnání s výstupním napětím U 2 prakticky nulové. Výstupní napětí zesilovače U 2 je přímo úměrné el. náboji na snímači. Schéma zapojení nábojového zesilovače Zdroj: AVL.: Engine Indicating. User Handbook

12 Piezoelektrické snímače - teorie V praxi se nejčastěji využívá vlastností SiO 2 a GAPO 4 Další materiály: Turmalín, Langasit, lithium niobate (LiNbO 3 ) a lithium tantalate (LiTaO 3 ), piezokeramika (baryum, titaničitan, atd.) / /

13 Měření tlaku ve válci motoru Piezoelektrické snímače Piezoelektrické snímače nejsou vhodné pro měření statických tlaků. Základní typy piezoelektrických snímačů: 1) Chlazený 2) Nechlazený Pozn.: Hlavní oblastí použití je měření tlakových rázů a impulzů. Rezonančí frekvence dosahují se až k několika set khz a max. tlaky až 500Mpa. Možnosti zabudování snímačů ve výfukovém a sacím potrubí /Kistler.: Pressure sensors. Catalogue/

14 Měření tlaku ve válci motoru Piezoelektrické snímače - konstrukce Snímače bez nuceného chlazení mohou pracovat v rozmezí teplot C, nad teplotu 240 C se musí použít přídavné adaptéry pro chlazení nebo chlazené snímače. Maximální teplota může být 400 C v závislosti na typu snímače. Podélný jev Příčný jev Zdroj: AVL.: Engine Indicating. User Handbook

15 Měření tlaku ve válci motoru Piezoelektrické snímače - instalace Důležitým kritériem je správná instalace snímače na zkušebním motoru, protože umístění definuje provozní podmínky během měření (proudění tepla, teplotní zatížení, akcelerace a podob.). Při instalaci je nutno uvažovat především vliv teploty (mění se citlivost piezoelektrického snímače), elektromagnetické rušení a délky přívodního kanálu, pokud měříme rychle se měnící tlak, je nutno volit délku přívodního kanálku tak, aby maximální měřená frekvence (n-tá harmonická základní frekvence) byla podstatně nižší než rezonanční kmitočet kanálku: Snímač tlaku f a = π S V l 2 κ R T r π f = 2 2π V l Objem před snímačem Kanálek(r, l) kde a je rychlost zvuku v daném prostředí, S plocha kanálku, V objem prostoru před membránou a l délka kanálku. Takovéto uspořádání považovat za jednoduchý Helmholtzův rezonátor

16 Měření tlaku ve válci motoru Piezoelektrické snímače - instalace Frekvenci kmitání v propojovacím kanálku ovlivňuje i stav (teplota) média v kanálku: Obrázek ukazuje frekvenci kmitání v indikačním kanálku v závislosti na teplotě měřeného plynu (500, 1000 a 2000 K) a délce indikačního kanálku (průběhy jsou pro kanálek 3 mm a objemu pod snímačem cca 12 mm 3, což odpovídá miniaturnímu snímači tlaku s upevňovacím závitem M5x0,5). Frekvence oscilací v kanálku závislosti na délce kanálku a teplotě Vliv délky indikačního kanálku (L kanálku) na tvar křivky průběhu tlaku Zdroj: AVL.: Engine Indicating. User Handbook

17 Měření tlaku ve válci motoru Piezoelektrické snímače - instalace Zdroj:

18 Měření tlaku ve válci motoru Piezoelektrické snímače - instalace Zdroj: AVL.: Engine Indicating. User Handbook

19 Měření tlaku ve válci motoru zařízení pro měření Na katedře vozidel a motorů slouží pro měření tlaku ve válci motoru nebo v sacím resp. výfukovém traktu motoru zařízení INDIMETER 619

20 Měření tlaku ve válci motoru zařízení pro měření Na katedře vozidel a motorů slouží pro měření tlaku ve válci motoru nebo v sacím resp. výfukovém traktu motoru zařízení INDIMETER 619. K čemu slouží Indimeter 619 a SW Indiwin nebo Indicom? monitorování tlaku ve válci a analýza spalování vysokotlaká indikace monitorování tlaku v sací (výfukovém) potrubí nízkotlaká indikace možnost použití jak pro benzínové, tak i dieselové motory Porovnání záznamů s různými druhy motoru a časovým rozdělením. Statistické vyhodnocení a off-line prohlížení výsledků. Indikační systém: Pro přímé měření tlaků na jakémkoliv spalovacím motoru.

21 Měření tlaku ve válci motoru zařízení pro měření

22 Měření tlaku ve válci motoru zařízení pro měření Schéma zapojení zařízení pro analýzu spalovacích tlaků -Indimeter619

23 Měření tlaku ve válci motoru měření a analýza Indikátorový diagram ( V p - diagram) zobrazuje průběh tlaku ve válci v závislosti na velikosti objemu válce. Udává indikovanou práci jako velikost plochy: W i = p. dv Střední indikovaný tlak p i : p Wi 1 = = p dv V V i. z z Indikátorový diagram

24 Měření tlaku ve válci motoru měření a analýza

25 Měření tlaku ve válci motoru měření a analýza Piezoelektrickými senzory nelze měřit absolutní tlak ale pouze změnu tlaku ve válci. Měřený průběh tlaku je nutné upravit o korekci tlaku. V literatuře existuje celá řada způsobů k určení korekce tlaku, které se od sebe odlišují zejména jejich přesností. Jelikož je přesný průběh tlaku základem pro výpočet průběhu hoření je přikládána velikosti absolutního tlaku patřičná důležitost. Stanovení absolutního tlaku Referenční metoda Polytropická metoda

26 Polytropická metoda Měření a analýza spalovacích tlaků Měření tlaku ve válci motoru měření a analýza Stanovení absolutního tlaku Referenční metoda Měřením získaná hodnota tlaku ve válci se v určité poloze klikového hřídele upravuje o hodnotu referenčního tlaku. Referenční tlak se určuje empiricky nebo měřením. U empirické metody se používá odhadnutá velikost tlaku v sacím potrubí, např. atmosférický tlak u nepřeplňovaných motorů, nebo plnící tlak u přeplňovaných motorů. K určení referenčního tlaku měřením se používá měření tlaku v sacím potrubí pomocí piezoresistivních senzorů. Tato metoda nevyžaduje žádná další měření, je založena na skutečnosti, že komprese u pístových motorů v oblasti stup ňů před horní úvratí probíhá takřka s konstantním polytropickým exponentem. Zde platí rovnice: n n p1 V = p V p 2 = n V V 1 ( p2 p1 ) n n V 1 2 Polytropický exponent doporučuje AVL pro: Benzin = 1,32 Benzin DI = 1,35 Diesel = 1,37

27 Měření tlaku ve válci motoru měření a analýza Použitá indikační aparatura je vybavena plně automatizovaným systémem sběru dat, která jsou zaznamenávána jako soubor z určitého počtu pracovních cyklů (zpravidla 150 cyklů) a on line způsobem je pro každý pracovní oběh provedena termodynamická analýza s určením základních parametrů hoření a parametrů pracovního procesu včetně statistické analýzy. Při zjednodušeném termodynamickém výpočtu, který je probíhá v režimu on-line lze vycházet z následujících předpokladů: První zákon termodynamiky kde se uvažuje, že uvolňované teplo v cyklu dq je rovno teplu přivedeného palivem dq pal zmenšené o teplo odvedené do stěn dq odv. To nám umožňuje provedení zjednodušeného výpočtu v reálném čase, ovšem za cenu neznalosti velikosti tepla odvedeného do stěn. Také není možná zpětná kontrola z tepla přivedeného palivem. Po úpravách dostaneme: dq dα dq = = du + p dv 1 dv κ p + κ 1 dα dp V dα

28 Měření tlaku ve válci motoru měření a analýza Indikační aparatura AVL potom kalkuluje přívod tepla v hodnoceném elementu objemové změny (výpočtovém kroku) vztahem Q i konst = κ κ 1 [ p ( V V ) + V ( p p )] i i+ n i n i i+ n i n kde i je poloha hodnoceného elementu objemové změny (poloha KH), n je velikost elementu objemové změny (krok výpočtu zpravidla 10KH). Výpočet uvolněného tepla je kalkulován od - 30 KH do + 90 KH vzhledem k horní úvrati pístu.

29 Měření tlaku ve válci motoru měření a analýza Z vypočteného průběhu přívodu tepla do oběhu se určují významné parametry průběhu hoření: vzhledem k problematickému určení počátku a konce hoření se určují polohy KH, při kterých je oběhu přivedeno 5% a 90% tepla z energie paliva v náplni válce (nebo z celkově přivedeného tepla do oběhu Qp) a pro vyjádření průběhu přívodu tepla do oběhu se určuje i poloha KH, ve které je přivedeno 10% a 50% tepla z energie paliva v náplni válce (nebo z celkově přivedeného tepla do oběhu) vzhledem k horní úvrati.

30 Měření tlaku ve válci motoru faktory ovlivňující výsledek Faktory ovlivňující výsledek měření tlaku ve válci spalovacího motoru Základní vlivy mající účinek na získání korektních výsledků z měření tlaku ve válci motoru: 1. Velikost propojovacího kanálku mezi měřeným objektem a snímačem - bylo již popsáno. 2. Správné určení polohy horní úvrati pístu určuje se pomocí kompresní křivky bez spalování nebo pomocí snímače polohy pístu. 3. Offset signálu tlaku posun křivky pomocí měřeného referenčního tlaku v sacím potrubí nebo pomocí termodynamického výpočtu z kompresní křivky. 4. Krátkodobý teplotní drift senzoru minimální u chlazených snímačů, lze provést korekci tlaku pomocí výpočtu, snížení je možné pomocí vhodné instalační pozice snímače. 5. Citlivost a linearita snímače určuje se kalibrací snímače. 6. Vlastní frekvence snímačů hodnotu udává výrobce chyba je zanedbatelná. 7. Izolační odpor senzoru a přívodních kabelů nutné správné uskladnění snímačů a přívodních kabelů (suché a bezprašné prostředí).

31 Měření tlaku ve válci motoru faktory ovlivňující výsledek Citlivost a linearita snímače Teplotní drift snímače Zdroj: AVL.: Engine Indicating. User Handbook

32 Měření tlaku ve válci motoru použitý SW Ukázka pracovní plochy SW INDICOM při měření tlaků ve válci motoru, v sacím a výfukovém potrubí

33 Měření tlaku ve válci motoru použitý SW Ukázka pracovní plochy SW Concerto off-line vyhodnocování naměřených dat

34 Měření tlaku ve válci motoru použitý SW Pracovní prostředí programu INDICOM s měřením hluku spalování a Calcgrafu s nastavením výpočtu hluku spalování a křivky polytropického exponentu z měřeného tlaku.

35 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA Pro kompletní termodynamickou analýzu je možné využít SW INDICOM s nadstavbou GCA (Gas exchange and Combustion Analysis) Výpočetní jádro model, geometrie, koeficienty proudění Výsledky Křivky Zařízení pro indikaci Data Data Zkušební stanoviště Výsledky

36 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA Gas exchange and Combustion Analysis pro výpočet potřebujeme znát geometrii sacího (výfukového) potrubí, válce motoru, zdvihové charakteristiky ventilů, průtokové součinitele, údaje o teplotě v sání (výfuku), o tlaku v sání (výfuku) a válci motoru, a další potřebné údaje. p sání, T sání ,5 p válec Tlak ve válci [bar] ,5 1 Tlak v sání, výfuku [bar] 10 0,5 p výfuk výfuk, T výfuk Geometrie spalovacího prostoru, potrubí Poloha klikového hřídele [ KH] Zdvihy ventilů, průtokov tokové součinitele

37 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA pracovní prostředí Úprava signálu a přiřazení parametrů hoření v CalcGrafu

38 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA - snímače Inkrementální snímač otáček AVL-365C Parametry snímače: Počet pulsů : 1800 Rozsah otáček: min-1 Teplotní rozsah: C

39 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA - snímače Snímače v sacím traktu motoru - piezoelektrický a piezorestivní snímač tlaku Snímač tlaku GU21D a piezoresistivní snímač tlaku typu DMP 331 Snímač tlaku Kistler 4007BA5F Parametry snímače GU21D: Měřící rozsah : 0 25 MPa Oblast přetížení: 30 MPa Citlivost: 350 pc/mpa, 35 pc/bar Vlastní frekvence: 85 khz Teplotní rozsah: do 400 C Parametry snímače DPM 331: Měřící rozsah : kpa Časová odezva: < 5ms Parametry snímače Kistler: Měřící rozsah : 0 5 bar Oblast přetížení: 15 bar Teplotní rozsah: C Vlastní frekvence: >100 khz Teplotní chyba: C <±1.5%

40 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA - snímače Kombinace snímačů ve výfukovém traktu motoru - piezoelektrický a piezorestivní snímač tlaku snímač tlaku PMP 4070 Parametry snímače PMP 4070: Měřící rozsah : 0-5 bar Snímač tlaku GU21D a piezoresistivní snímač tlaku typu DMP 331 vodou chlazený adapter snímače tlaku GU21C

41 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA - vyhodnocení

42 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA - vyhodnocení Hmotnostní náplň válce a rychlost proudění Hmotnostní tok a rychlost proudění

43 Měření tlaku ve válci motoru SW GCA - vyhodnocení n=2500 1/ min

44 Měření tlaku ve válci motoru měření v laboratoři Prostor pro případné dotazy Nyní se přesuneme do laboratoře KVM, kde se seznámíte s praktickou instalací snímačů na spalovacím motoru. Poté bude následovat ukázka nastavení zařízení před měřením s vysvětlením zadávaných hodnot citlivostí snímačů, zesílení, rozsahem měření, nastavením snímače polohy a otáček klikového hřídele, stanovením horní úvrati pístu pomocí SW IndiCom termodynamická poloha horní úvrati pístu. Po instalaci potřebných snímačů a nastavení měřícího řetězce se změří parametry spalovacího motoru v několika pracovních režimech spalovacího motoru s následným vyhodnocením. Hodnoty získané z měření vyhodnoťte a odevzdejte jako semestrální práci.