Wpływ wybranych parametrów mieszanki w silniku benzynowym na przebieg wyładowania zapłonowego

• Autorzy: Nita J. , Stępniewski M.

Warianty tytułu

EN

Influence of selected air-fuel mixture parameters in a spark ignition engine on the course of ignition discharge

• Konferencja: Kongres Silników Spalinowych (20-23.05.2007; Kraków, Poland)
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Prezentowana praca wpisuje się w tematykę poszukiwania efektywniejszych sposobów sterowania składem mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku benzynowym. Uzasadniając podjęcie tematu wskazano na istotne wady procesu sterowania składem mieszanki wykorzystującym dwustanową sondę λ pracującą w układzie sprzężenia zwrotnego systemu sterującego. System ten ma za zadanie przygotować mieszankę zapewniającą największą sprawność konwersji toksycznych składników w spalinach przy zastosowaniu katalizatora trójfunkcyjnego. Wskazano na dwie zasadnicze wady tego systemu: - uśrednianie, w wyniku umiejscowienia tej sondy w części zbiorczej kolektora wydechowego, sygnału będącego miarą składu mieszanki we wszystkich cylindrach silnika, co może mieć również miejsce w przypadku istotnie różnych wartości tego współczynnika w poszczególnych cylindrach, - strukturalną wadę układu ze sprzężeniem zwrotnym, polegającą na opóźnianiu procesu przygotowania mieszanki o pożądanym składzie w stosunku do pomiaru tego składu, co przy stosunkowo dużej szybkości procesu roboczego w silniku powoduje różnice między składem oczekiwanym a rzeczywistym, zwłaszcza w stanach przejściowych. W oparciu o własne doświadczenia w zakresie konstrukcji i badania systemów zapłonowych silnika benzynowego przyjęto założenie, że "obserwatorem" różnych procesów w cylindrze mogłaby być świeca zapłonowa jako czujnik indywidualny dla każdego z cylindrów. Analiza literaturowa przedmiotu, wykazała zainteresowanie badaczy zjawiskiem jonizacji w procesie przygotowania i spalania mieszanki. Analiza procesu jonizacji i napięciowego przebijania dielektryków wskazała na prawdopodobieństwo występowania analogii wyładowania w powietrzu i mieszance paliwowo-powietrznej. Dla zjawiska wyładowania w powietrzu jego przebieg przedstawia wykres Paschena, który obrazuje zaleSność napięcia, przy którym rozpoczyna się wyładowanie od iloczynu odległości elektrod, między którymi zachodzi wyładowanie i ciśnienia gazu zawartego w przestrzeni międzyelektrodowej. Analiza tej zależności stanowiła inspirację dla zbadania tego zjawiska w procesie wyładowania zapłonowego w mieszance paliwowo-powietrznej. Na tej podstawie sformułowano hipotezę o istnieniu związku między wybranymi właściwościami fizyko-chemicznymi mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku benzynowym a wybranymi wskaźnikami przebiegu wyładowania elektrycznego w przestrzeni międzyelektrodowej świecy zapłonowej, otoczonej tą mieszanką. Stąd wyniknął główny cel badań, którym była weryfikacja charakterystyki Paschena dla wyładowania zapłonowego w mieszance paliwowo-powietrznej w silniku benzynowym dla różnych składów mieszanki i różnej wilgotności zasysanego przez silnik powietrza. Na podstawie wykonanych badań uznano za szczególnie interesującą ostatnią fazę całego cyklu zapłonu, tj. fazę tuż przed przebiciem przestrzeni międzyelektrodowej, którą nazwano fazą inicjacji zapłonu IZ, a której czas trwania wynosi średnio 0,01ms i w konwencjonalnych pomiarach wyładowania jest ona niezauważalna. Zdefiniowano wskaźniki wyładowania zapłonowego: - napięcie przebicia UP, - energię zapłonu Ez, - szybkość narastania napięcia dUII w fazie IZ, - czas trwania TII fazy IZ. Dla weryfikacji sformułowanej hipotezy i zrealizowania celów naukowego i praktycznego, zaplanowano eksperyment badawczy, który miał dostarczyć wyników w celu wykazania związku między sformułowanymi wskaźnikami wyładowania a składem mieszanki, jej ciśnieniem i stopniem "zawilgocenia" w wyniku zasilania silnika powietrzem o różnej wilgotności. Wykonano we własnym zakresie specjalną świecę, która oprócz funkcji generowania iskry zapłonowej, służyła do pomiaru (rejestracji) prądu i napięcia wyładowania zapłonowego oraz ciśnienia w cylindrze. Opracowano wnioski wynikające z badań. Szczególnie interesujący ze względów praktycznych jest związek składu mieszanki z jednym ze wskaźników procesu wyładowania, tj. napięciem przebicia przestrzeni międzyelektrodowej świecy zapłonowej. Dla poprawy dokładności tego przyporządkowania poprzez kompensację niewielkiego wpływu ciśnienia zapłonu na przebieg tej zależności można wykorzystać, na co wskazano w pracy, jego prostą miarę jaką jest szybkość przyrostu napięcia zapłonu w fazie inicjowania zapłonu.

EN

The paper concerns problems regarding search of more effective system for the control of the composition of the air-fuel mixture of spark ignition engine. The main reason that justifies such investigation is substantial shortcoming of the control of air-fuel mixture composition using two-state lambda sensor working in the feedback control steering system. The task of this system is to prepare such air-fuel mixture that ensures greatest reduction of toxic components emissions by a three-way catalyst. There are two main shortcomings of such system: - averaging of the signal being a measure of air-fuel mixture composition in all engine cylinders due to placing the sensor in the collective part of the exhaust collector, what may happen also when values of this coefficient substantially differ for individual cylinders, - structural shortcoming of the feedback system that delays the preparation process of desired air-fuel mixture composition with relation to the measuring of this composition what, at relative high rate of the working process in the engine, causes differences between expected and real compositions, mainly in transient conditions. Basing on the proper experience in the field of design and investigation on ignition systems of spark ignition engines, Authors assumed that as "an observer" of various processes in the cylinder may be used the ignition plug as an individual sensor for each cylinder. Literature analysis from this field shoved interest of researchers in the phenomenon of ionization during air-fuel mixture preparation and combustion. Analysis of the ionization and dielectric breakdown processes indicated the probability of the occurrence of analogy between discharge in the air and in the air-fuel mixture. The course of discharge in the air presents Paschen diagram that shows voltage of discharge initiation versus product of distance of electrodes, between which the discharge occurs, and pressure of the gas in the electrodes area. Analysis of this dependence was an inspiration to investigation on this phenomenon in the ignition discharge process of air-fuel mixture. On this basis, Authors formulated hypothesis on relationship between selected physico-chemical properties of air-fuel mixture in a spark ignition engine and selected indicators of electric discharge course in the electrodes area of the ignition plug surrounded with this mixture. The main goal of these investigations was verification of Paschen characterisctics for ignition discharge in the air-fuel mixture in a spark ignition engine for various mixture compositions and various humidity values of the air sucked by the engine. On the basis of the carried out investigations, the most interesting phase was recognize the last phase of the whole ignition cycle, i.e. just before breakdown of the electrodes area, called a phase of ignition initiation (IZ) that lasts 0.01 ms on average and in conventional discharge measurements is unnoticeable. The following indicators of ignition discharge were defined: - breakdown voltage UP, - ignition energy Ez, - rate of valtage rise dUII in the IZ phase, - duration TII of the IZ phase. In order to verify the hypothesis and realize scientific and utility aims, an experiment was planed which should provide results confirming relationship between the established indicators of ignition discharge and air-fuel mixture composition, its pressure and rate of "humidity". The investigations were carried out using a special plug that, apart from the function of spark ignition generation, measured (registered) also current and voltage of discharge and cylinder pressure. Conclusions form the carried out investigations were formulated. The most interesting from practical point of view is dependence between air-fuel mixture composition and breakdown voltage of the electrodes area of the ignition plug. The rate of ignition voltage in the phase of ignition initiation may be used in order to improve precision of this assignment by compensation of small ignition pressure influence on the course of this dependence.

Słowa kluczowe

PL

wyładowanie zapłonowe; jonizacja; napięcie zapłonu; faza jonizacji

EN

ignition discharge; ionization; ignition voltage; ionization phase

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2007
• Tom: R. 46, nr SC2
• Strony: 192--202
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz.

Twórcy

autor

Nita J.

autor

Stępniewski M.

• Radom Technical University, Poland

Bibliografia

• [1]. Bosch R. Gmbh; Automotive Electric/Electronic Systems
• [2]. Cichy M., Kropiwnicki J., Makowski S. : Aproksymacja Wielowymiarowych Charakterystyk Silnikowych, 4 Sympozium Ekodiesel 98, Instytut Lotnictwa Warszawa 22-24 kwiecień 1998
• [3]. Cichy M., Wojciechowski S. : Interpolacja Charakterystyk Silnikowych za Pomocą Wielomianów , Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Nr 189, Mechanika XVI, 1972
• [4]. Demidowicz R.: Zapłon. WKiŁ, Warszawa 1993.
• [5]. Eriksson L., Nielsen L., Glavenius M.: Closed loop ignition control by ionization current interpretation. SAE paper No. 970854, 1997.
• [6]. Eriksson L., Nielsen L., Nytomt J.: Ignition control by ionization current interpretation. SAE paper No. 960045, 1996.
• [7]. Flisowski Z.: Technika wysokich napięć. WNT, Warszawa 1992.
• [8]. Konopiński M.: Elektronika w technice motoryzacyjnej. WKiŁ, Warszawa 1987.
• [9]. Lidmanowski W.: Zarys teorii wyładowań w dielektrykach. WNT, Warszawa 1988.
• [10]. Maćkowski J., Wilk K.: Modelowanie procesu spalania w silniku o zapłonie iskrowym. Skrypt Politechniki Śląskiej, Gliwice 1992.
• [11]. Nielsen L., Eriksson L.: An ion-sense engine-fine-tuner. IEEE control systems, Vol. 18(5), 1998.
• [12]. Zhao H., Ladommatos N.: Engine performance monitoring using spark plug voltage analysis. Proc. Instn Mech. Engrs, Vol.211, Part D, 1997.