Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 1

OPTICAL KNOCK COMBUSTION DETECTION IN SI ENGINE Dariusz Piernikarski Lublin University of Technology ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland tel: +48 81 5381284, fax: +48 81 5250808 e-mail: [email protected]

Abstract Optical combustion sensor was used as a signal source to detect knocking combustion in a single cylinder SI engine. Intensity of optical emission from the combustion chamber was compared with reference signal of indicated pressure. It was found, that good correlations exist between the optical signal and the cylinder pressure in terms of crank angle and maximum values of both signals, especially during normal combustion. Higher ignition advance leading to knocking resulted in weaker strength of correlation. Described preliminary research confirmed, that optical emission signal can be used to detect and evaluate knock intensity in the similar way as it is done on the basis of the cylinder pressure signal. Measurements were realized on the Honda GX390 one-cylinder air-cooled engine of spark-ignition of the 9.5 kW maximum power with properly prepared for testing. Pressure measurements and optical emission intensity from combustion were released basing on the signal TDC generated by the sensor of crankshaft angle. Keywords: combustion engine, knock combustions, detection sensors of knock combustion, optical sensor

OPTYCZNA DETEKCJA SPALANIA STUKOWEGO W SILNIKU O ZI Streszczenie Artykuá dotyczy optycznego czujnika zapáonu, który byá uĪywany jak Ĩródáo sygnaáu do wykrywania spalania stukowego jednocylindrowego silnika z zapáonem iskrowym. IntensywnoĞü optycznej emisji z komory spalania byáa porównana w odniesieniu do urządzeniem sygnalizacyjnego wskazania ciĞnienia. Ustalono, Īe wystĊpują dobre korelacje miĊdzy wskazaniami sygnalizacyjnymi z urządzenia optycznego a ciĞnieniem w cylindrze, jeĪeli chodzi o kąt poáoĪenia waáu korbowego, jak równieĪ w odniesieniu do maksymalnych wartoĞci obu sygnaáów, zwáaszcza podczas prawidáowego zapáonu. WyĪsze przyspieszenie zapáonu prowadzące do spalania stukowego charakteryzowaáo siĊ sáabszą korelacją. Opisane badania wstĊpne potwierdziáy, Īe urządzenie optyczne moĪe byü uĪywane dla detekcji i oceny intensywnoĞü spalania stukowego w podobny sposób jak jest to realizowane bazie urządzenia pomiarowego ciĞnienia w cylindrze. Pomiary zrealizowano na jednocylindrowym, cháodzonym powietrzem silniku o zapáonie iskrowym Honda GX390 o mocy maksymalnej 9,5 kW, który zostaá odpowiednio przygotowany do badaĔ. Pomiary ciĞnienia i natĊĪenia emisji optycznej z komory spalania wyzwalano w oparciu o sygnaá GMP generowany przez czujnik poáoĪenia waáu kątowego. Sáowa kluczowe: silnik spalinowy, spalania stukowe, czujniki detekcji spalania stukowego, czujnik optyczny

1. Wprowadzenie Zjawisko spalania stukowego w silnikach o zapáonie iskrowym áączone jest ze spontanicznym samozapáonem w przyĞciennych rejonach niespalonej mieszanki jeszcze przed dotarciem tam normalnego frontu páomienia. Powoduje to gwaátowne i przestrzennie

D. Piernikarski

niejednolite uwalnianie energii i wzrost ciĞnienia. Czynniki te w rezultacie generują fale ciĞnienia lub fale uderzeniowe, które rozchodzą siĊ po komorze spalania, wielokrotnie odbijając siĊ od jej Ğcianek i wzbudzają akustyczne czĊstotliwoĞci rezonansowe komory. Spalanie stukowe jest zatem jedną z gáównych barier ograniczających osiągniĊcie wyĪszych sprawnoĞci cieplnych silnika, limitując jego stopieĔ sprĊĪania, ogranicza takĪe maksymalne wartoĞci Ğredniego ciĞnienia indykowanego. Podnoszenie sprawnoĞci cieplnej oraz zastosowanie systemów sterowania monitorujących wystĊpowanie spalania stukowego powodują, Īe konieczna staje siĊ kalibracja silników zbliĪająca siĊ do granic dopuszczalnej granicy stuku i konsekwentnie – zmniejszająca margines bezpieczeĔstwa. Z tych to powodów naleĪy eliminowaü spalanie stukowe lub kontrolowaü je w caáym zakresie pracy silnika. To z kolei rodzi potrzebĊ podnoszenia dokáadnoĞci i powtarzalnoĞci gromadzonych danych o spalaniu stukowym. W literaturze znaleĨü moĪna wiele prac poĞwiĊconych zagadnieniu spalania stukowego, opisujących zagadnienia takie jak: pomiar i analiza sygnaáu spalania stukowego, zastosowanie róĪnych algorytmów detekcji spalania stukowego, klasyfikacja efektów związanych z chemią spalania, komputerowa symulacja stuku, czy analiza fal ciĞnienia towarzyszących temu zjawisku [1]. Nowoczesne silniki o zapáonie iskrowym, zwáaszcza te, w których zastosowano systemy spalania mieszanek uwarstwionych pozwalające na znaczące obniĪenie zuĪycia paliwa, charakteryzują siĊ podwyĪszonym stopniem sprĊĪania (H > 11). DuĪe gradienty ciĞnienia wystĊpujące po zapáonie mieszanki wiąĪą siĊ z koniecznoĞcią niezawodnego rozpoznawania spalania stukowego. Obecnie najpowszechniej stosowane metody zapobiegania spalaniu stukowemu to: poprawa jakoĞci paliwa, optymalizacja konstrukcji silnika i jego parametrów roboczych oraz opóĨnianie kąta wyprzedzenia zapáonu po detekcji stuku przez akcelerometry. Akcelerometry montowane na bloku silnika są wykorzystywane w wielu silnikach produkowanych seryjnie i doskonale sprawdzają siĊ przy niewielkich prĊdkoĞciach obrotowych. JednakĪe jakoĞü uzyskiwanego sygnaáu pogarsza siĊ gwaátownie wraz ze wzrostem prĊdkoĞci obrotowej ze wzglĊdu na zakáócenia mechaniczne nakáadające siĊ na sygnaá przyspieszenia. W wyniku tego ukáad sterujący ignoruje ten sygnaá sprzĊĪenia zwrotnego i stosowany jest zapáon opóĨniony, co powoduje obniĪenie sprawnoĞci i mocy silnika. PrzyszáoĞü czujników spalania stukowego wiąĪe siĊ z koniecznoĞcią obniĪenia ich báĊdu pomiarowego i uproszczenia konstrukcji tak wiĊc, metody pomiaru w cylindrze są niezwykle poĪądane, poniewaĪ bezpoĞrednio mierzą zjawiska spalania odpowiadające stukowi. NajczĊĞciej stosowane są w tym celu poniĪsze metody [5]: – ocena przebiegu ciĞnienia w komorze spalania, – ocena przebiegu emisji Ğwietlnej w komorze spalania, – ocena przebiegu prądu jonizacji w komorze spalania. Ocena przebiegu ciĞnienia w komorze spalania jest jak dotąd najdokáadniejszą metodą wykrywania i oceny zjawiska stuku. Wysokie nakáady związane z montaĪem czujników ciĞnienia na silniku oraz ich wysoki koszt powodują ograniczenia w powszechnym zastosowaniu w silnikach seryjnych. Sygnaá ciĞnienia jest jednak najczĊĞciej wykorzystywany jako Ĩródáo referencyjne do oceny jakoĞci wykrywania stuku przy pomocy innych metod. W przypadku detekcji spalania stukowego na podstawie przebiegu emisji Ğwietlnej z komory spalania praktyczne zastosowanie znajdują dwa podejĞcia badawcze: pomiar natĊĪenia emisji optycznej z komory spalania przy pomocy czujników optycznych i wáókien Ğwiatáowodowych oraz rejestracja metodami wideo i metodami tomografii optycznej. Zastosowanie optycznych czujników spalania zlokalizowanych w cylindrze do detekcji spalania stukowego zostaáo juĪ zaproponowane przez kilku badaczy [2, 3, 4]. Czujniki te nie są wraĪliwe na zakáócenia mechaniczne i elektryczne, co stanowi istotną przewagĊ w zakresie 316

OPTICAL KNOCK COMBUSTION DETECTION IN SI ENGINE

dokáadnoĞci detekcji w porównaniu do najczĊĞciej wykorzystywanych czujników opartych o akcelerometry. 2. Badania eksperymentalne W niniejszej pracy wykorzystano praktyczny i tani system do optycznego badania spalania pod kątem detekcji spalania stukowego. Termin „optyczne badanie spalania” oznacza w tym przypadku pomiar Ğwiatáa emitowanego w trakcie reakcji spalania i przetwarzanie tego sygnaáu ze wzglĊdu na intensywnoĞü Ğwiecenia, kolor i charakterystykĊ czasową. Prezentowane wyniki badaĔ dotyczą fazy wstĊpnej pomiarów polegającej na ocenie moĪliwoĞci wykorzystania sygnaáu natĊĪenia emisji optycznej do detekcji i oceny intensywnoĞci spalania stukowego poprzez porównanie go z referencyjnym sygnaáem ciĞnienia indykowanego. Pomiary zrealizowano w obszarze widzialnym ale rejestrowany sygnaá w kolejnych fazach badaĔ byá poddany analizie widmowej dziĊki wykorzystaniu monochromatorów i filtrów optycznych. Pomiary zrealizowano na jednocylindrowym, cháodzonym powietrzem silniku Honda GX390 o zapáonie iskrowym (tabela 1). Silnik zostaá poddany modyfikacjom polegającym na zastosowaniu elektronicznego ukáadu wtryskowego oraz ukáadu zapáonowego. Zaprojektowano system sterowania zapáonem i wtryskiem, dziaáający w pĊtli otwartej, pozwalający na precyzyjne sterowanie kątem wyprzedzenia zapáonu i iloĞcią wtryskiwanego paliwa. Silnik zostaá wyposaĪony w optyczne czujniki spalania oraz czujniki ciĞnienia idykowanego. Dokáadny opis silnika badawczego znajduje siĊ w pracy [6]. Tab. 1. Podstawowe dane silnika Honda GX390 Tab. 1. Basic technical data of Honda GX390 engine

PojemnoĞü skokowa

Vs = 390 cm3

ĝrednica cylindra x skok táoka

D x S = 88 x 64 mm

StopieĔ sprĊĪania

İ=8

Maksymalna moc

Ne = 9,5 kW (12,9 KM) / 3600 obr/min

Maksymalny moment obrotowy

Mo = 26,5 Nm / 2500 obr/min

Zadaniem systemu optycznego jest transmisja promieniowania elektromagnetycznego z komory spalania silnika, filtrowanie i przetwarzanie na sygnaá elektryczny. System do optycznych badaĔ procesu spalania oparto o zespóá czujników spalania rejestrujących natĊĪenie promieniowania emitowanego w komorze spalania. MoĪliwe jest wykorzystanie czujnika umieszczonego w Ğwiecy zapáonowej silnika lub czujników zamontowanych bezpoĞrednio w gáowicy. Pozwala to na obserwacjĊ róĪnych obszarów komory spalania (rys. 1). W opisywanych badaniach, do detekcji spalania stukowego wykorzystano sygnaáy pochodzące z czujników G2, G4. Wykorzystano czujniki jednopunktowe róĪniące siĊ Ğrednicami rdzenia. Przykáadowy optyczny czujnik spalania do montaĪu w gáowicy (G4) przedstawia rysunek 2. Sygnaá optyczny z czujnika transmitowany jest za pomocą elastycznego Ğwiatáowodu do elementów filtrujących i fotodetektorów. System pomiarowy posiada dwa kanaáy pozwalające na jednoczesną rejestracjĊ sygnaáu w dwóch dáugoĞciach fali. Sygnaá optyczny moĪe byü filtrowany za poĞrednictwem filtrów interferencyjnych lub zamiennie monochromatorów, a nastĊpnie jest przeksztaácany przez fotodetektory w sygnaá napiĊciowy i za poĞrednictwem karty pomiarowej, rejestrowany przez system akwizycji danych. Schemat systemu pomiarowego przedstawiono na rysunku 3 [7, 8]. 317

D. Piernikarski Rys. 1. Gáowica silnika GX390 z zaznaczonymi miejscami montaĪu czujników spalania: G1 – czujnik zintegrowany ze Ğwiecą zapáonową, G2, G3, G4 – czujniki gáowicowe, P – czujnik ciĞnienia indykowanego

G3

G1

Fig. 1. Cylinder head of the GX390 engine with mounting positions of optical combustion sensors: G1 – sensor integrated with the spark plug; G2, G3, G4 – sensors located directly in the engine head, P – pressure sensor

G2

G4

P

3

2

5

4

6

8

7

8

14

1

M8

10 60

a4000

Rys. 2. Przekrój gáowicowego czujnika optycznego: 1 – prĊt ze szkáa kwarcowego, 2 – tuleja stalowa 3 – nakrĊtka, 4 – tuleja mocująca, 5 – pĊk Ğwiatáowodów, 6 – zakoĔczenie Ğwiatáowodu, 7 – páaszcz stalowy, 8 – zakoĔczenie rozwidlone Fig. 2. Section view of the optical sensor: 1 – quartz rod, 2- steel sleeve, 3 – nut, 4 – jointing sleeve 5- transmission lightguide, 6 – lightguide mounting, 7 – steel coat, 8 – beam splitter

ĝwiatáowody transmisyjne

Komora spalania

Czujnik optyczny

Monochromatory lub Fotodetektory filtry interferencyjne

Karta pomiarowa Komputer do rejestracji i analizy danych

Sygnaá optyczny

Sygnaá elektryczny

Rys. 3. Schemat systemu pomiarowego emisji optycznej z komory spalania silnika [8] Fig. 3. Layout of the measurement system of optical emission from the combustion chamber [8]

Pomiary ciĞnienia i natĊĪenia emisji optycznej z komory spalania wyzwalano w oparciu o sygnaá GMP generowany przez czujnik poáoĪenia waáu kątowego i próbkowano z dokáadnoĞcią 0,1 °owk. Badania zrealizowano dla trzech prĊdkoĞci obrotowych silnika (1600, 2500 i 3500 obr/min) i róĪnych obciąĪeĔ okreĞlanych przez poáoĪenie przepustnicy (30%, 60% i 90%). W zaleĪnoĞci od aktualnej prĊdkoĞci obrotowej kąt wyprzedzenia zapáonu zmieniano w zakresie od 25 do 65 °owk przed GMP. Dla kaĪdego z punktów pomiarowych wielkoĞü dawki wtryskiwanego paliwa dobierano tak, aby spalana mieszanka miaáa skáad stechiometryczny (O = 1,0). 318

OPTICAL KNOCK COMBUSTION DETECTION IN SI ENGINE

3. Wyniki i dyskusja Aby dokonaü ogólnej oceny przebiegów ciĞnienia indykowanego pi oraz natĊĪenia emisji optycznej Iopt, dla kaĪdego z punktów pomiarowych dokonano uĞrednienia zarejestrowanych danych, otrzymując przebiegi bĊdące Ğrednią ze 100 kolejnych cykli pracy silnika. Na rysunku 4 zaprezentowano Ğrednie przebiegi ciĞnienia oraz Ğrednie przebiegi natĊĪenia emisji optycznej dla przykáadowych punktów pracy silnika. a1)

a2) 0,6

4,5

kwz25

n = 1600 [obr/min]; ap = 30%

kwz50

3,5

kwz35 kwz40 kwz45

0,4

2,5 2 1,5

kwz25

0,5

Iopt [V]

3 pi [MPa]

n = 1600 [obr/min]; ap = 30%

kwz35 kwz40 kwz45 kwz50

4

kwz50

kwz50

0,3

0,2

kwz25

1 0,1

kwz25

0,5 0 270

360

450

0 270

540

360

b1)

b2) n = 3500 [obr/min]; ap = 90%

kwz40 kwz50 kwz55

n = 3500 [obr/min]; ap = 90% 6

kwz40 kwz50 kwz55

2

kwz60 kwz65

kwz60 kwz65

kwz65

1,5

4

Iopt [V]

pi [MPa]

540

2,5

7

5

450 D [°owk]

D [°owk]

3

kwz65

1

2

kwz40

0,5

kwz40

1 0 270

360

450

0 270

540

360

450

540

D [°owk]

D [°owk]

Rys. 4. UĞrednione ciĞnienie indykowane pi (a1, b1) oraz natĊĪenie emisji optycznej Iopt (a2, b2) dla róĪnych warunków pracy silnika; ap – poáoĪenie przepustnicy, kwz – kąt wyprzedzenia zapáonu Fig. 4. Averaged courses of indicated pressure pi (index 1) and intensity of optical emission Iopt (index 2) for different conditions of engine operation; ap – throttle position; kwz – ignition advance

Przebiegi ciĞnienia i natĊĪenia emisji optycznej zmieniają siĊ w podobny sposób wraz ze zmianą warunków pracy silnika okreĞlonych przez prĊdkoĞü obrotową, poáoĪenie przepustnicy oraz kąt wyprzedzenia zapáonu. NaleĪy przy tym zauwaĪyü, iĪ sygnaá emisji optycznej charakteryzuje siĊ wiĊkszą wraĪliwoĞcią na zmianĊ warunków pracy w porównaniu do sygnaáu ciĞnienia, zwáaszcza w przypadku wiĊkszych obciąĪeĔ i zmian kąta wyprzedzenia zapáonu. Na rys. 4b1 oraz rys. 4b2, odpowiadających warunkom pracy silnika sprzyjającym pojawieniu siĊ spalania stukowego, widoczny jest gwaátowny wzrost poziomu sygnaáu optycznego towarzyszący wiĊkszym kątom wyprzedzenia zapáonu. Aby potwierdziü powyĪsze spostrzeĪenia i w peániejszy sposób porównaü przebiegi ciĞnienia indykowanego i natĊĪenia emisji optycznej sporządzono takĪe charakterystyki regulacyjne wartoĞci maksymalnych pmax oraz Imax (rys. 5). Na wykresach naniesiono takĪe Ğrednie odchylenia standardowe. ZauwaĪamy, Īe wraz ze zmianą kąta wyprzedzenia zapáonu zmiany ciĞnienia maksymalnego i maksymalnego natĊĪenia emisji optycznej mają podobny przebieg. 319

D. Piernikarski

Wystąpienie spalania stukowego (np. dla 3500 obr/min, ap = 90%, kwz = 65 °owk – rys. 5b1, rys. 5b2) wiąĪe siĊ ze wzrostem wartoĞci maksymalnych oraz niepowtarzalnoĞci procesu (wzrost odchylenia standardowego) – zjawisko to jest szczególnie zauwaĪalne dla sygnaáu optycznego (rys. 5b2). a1)

a2) 2,5

7

n = 1600 [obr/min]

n = 1600 [obr/min] 2

30%

30% 60%

60%

5

Imax [V]

pmax [MPa]

6

90% 4

1,5

90%

1

3 0,5

2 0

1 20

30

40

50

20

60

30

40

50

60

kwz [°owk]

kwz [°owk]

b1)

b2) 2,5

7

n = 3500 [obr/min]

n = 3500 [obr/min]

30%

2

30%

60%

60%

5

90%

Imax [V]

pmax [MPa]

6

4

90%

1,5

1

3 0,5

2 1

0

20

30

40

50

60

70

20

kw z [°ow k]

30

40 50 kwz [°owk]

60

70

Rys. 5. Charakterystyki regulacyjne wartoĞci maksymalnych pmax (a1, b1) oraz Imax (a2, b2) Fig. 5. Control characteristics of maximum values of pmax (a1, b1) and Imax (a2, b2)

Kolejnym etapem analizy wyników byáa ocena korelacji pomiĊdzy ciĞnieniem maksymalnym w kaĪdym z zarejestrowanych cykli oraz maksymalną wartoĞcią natĊĪenia emisji optycznej (pmax–Imax) oraz miĊdzy odpowiadającymi im kątami poáoĪenia waáu korbowego (apmax–aImax). w warunkach spalania prawidáowego, jak i przy wystĊpowaniu spalania stukowego. Przed przystąpieniem do analizy korelacji potwierdzono zgodnoĞü rozkáadu zarejestrowanych sygnaáów z rozkáadem normalnym. W analizie korelacji przeprowadzonej dla uzyskanych wyników badaĔ posáugiwano siĊ zarówno liniowymi, jak i nieliniowymi modelami regresji. O wyborze modelu decydowaáa wiĊksza wartoĞü uzyskanego wspóáczynnika korelacji. Na rys. 6 oraz 7 przedstawiono przykáadowe wykresy ilustrujące otrzymane zaleĪnoĞci korelacyjne. NaleĪy zauwaĪyü, Īe wraz ze wzrostem kąta wyprzedzenia zapáonu malaáa siáa wzajemnej korelacji okreĞlana przez wspóáczynnik determinacji r2, zwáaszcza dla wartoĞci maksymalnych ciĞnienia indykowanego pi i odpowiadających im wartoĞci maksymalnego natĊĪenia emisji optycznej Imax (rys. 8, rys. 9), a przy silnym spalaniu stukowym korelacje stawaáy siĊ nieistotne statystycznie. W wypadku poszukiwania zaleĪnoĞci korelacyjnych pomiĊdzy maksymalnymi wartoĞciami ciĞnienia indykowanego pmax i odpowiadających im wartoĞci maksymalnego natĊĪenia emisji optycznej Imax, mimo istotnych statystycznie korelacji liniowych zdecydowano siĊ na poszukiwanie modelu, który pozwoliáby na lepsze skorelowanie tych dwóch wielkoĞci, niĪ liniowy model regresji. Przeprowadzona analiza statystyczna wykazaáa, Īe najlepsze dopasowanie uzyskuje siĊ wykorzystując linearyzowaną regresje nieliniową i dopasowanie modelem wykáadniczym (rys. 10). 320

OPTICAL KNOCK COMBUSTION DETECTION IN SI ENGINE

b)

Imax [V]

DImax [º owk]

a)

Dpmax [º owk]

pmax [MPa]

Rys. 6. Spalanie normalne: a) wartoĞci maksymalne ciĞnienia i natĊĪenia emisji optycznej (pmax–Imax) b) odpowiadające poáoĪenia waáu korbowego (Dpmax–DImax); n = 3500 obr/min, ap = 60 %, kwz = 25 °owk Fig. 6. Normal combustion: a) maximum values of indicated pressure and intensity of optical emission (pmax–Imax); b) adequate crankshaft positions (Dpmax–DImax); n = 3500 rpm, ap = 60 %, kwz = 25 °ca

a)

Imax [V]

DImax [º owk]

b)

pmax [MPa]

Dpmax [º owk]

Ğr. wsp. determinacji r

0,823

0,774

0,773 0,704

0,8

0,660

0,6 0,4 0,110

0,2

0,030

0,0 25

35

40

45

50

1,0 0,815

2

0,813

Ğr. wsp. determinacji r [-]

1,0

2

[-]

Rys. 7. Spalanie stukowe: a) wartoĞci maksymalne ciĞnienia i natĊĪenia emisji optycznej (pmax–Imax b) odpowiadające poáoĪenia waáu korbowego (Dpmax–D,max); n = 3500 obr/min, ap = 90 %, kwz = 65 °owk Fig. 7. Knocking combustion: a) maximum values of indicated pressure and intensity of optical emission (pmax–Imax); b) adequate crankshaft positions (Dpmax–DImax); n = 3500 rpm, ap = 90 %, kwz = 65 °ca

55

60

0,8

0,699

0,6

0,535 0,478

0,4

0,310

0,2

25

65

0,000

0,000

0,010

55

60

65

0,0 35

40

45

50

kwz [°owk]

kwz [°owk]

Rys. 8. ĝrednie wspóáczynniki determinacji dla kątów Dpmax – DImax Fig. 8 Mean coefficients of determination for angles Dpmax – DImax

Rys. 9. ĝrednie wspóáczynniki determinacji dla wartoĞci maksymalnych pmax – Imax Fig. 9. Mean coefficients of determination for maximum values pmax – Imax

321

D. Piernikarski

3,5

Wykres rozrzutu: pmax - Imax - n = 4176 - wsp. korelacji R = 0,952 - wsp. determinacji R2 = 0,906 - wsp. determinacji skorygowany R2 = 0,906 - báąd standardowy estymacji = 0,201

3,0

Imax [V]

2,5

Rys. 10. Dopasowanie korelacji ciĞnienia maksymalnego oraz maksymalnego natĊĪenia emisji optycznej (pmax– wykáadniczym modelem Imax) regresji

Równanie regresji: Y = 0,0724*exp(0,511*X)

2,0

1,5

1,0

Fig. 10. Matching correlation of maximum pressure and optical emission with exponential (pmax–Imax) regression model

0,5

0,0

-0,5 0

1

2

3

4

5

6

7

pmax [MPa]

PoniewaĪ czujnik ciĞnienia indykowanego jest najbardziej wiarygodnym detektorem stuku, przebiegi ciĞnienia zarejestrowane dla spalania stukowego zostaáy wykorzystane w dalszej czĊĞci analizy wyników jako Ĩródáo referencyjne do identyfikacji spalania stukowego. Wraz z pojawieniem siĊ spalania stukowego (rys. 11, rys. 12) widoczny jest gwaátowny wzrost intensywnoĞci Ğwiecenia, po którym natĊĪenia emisji optycznej zmienia siĊ zgodnie z ciĞnieniem w cylindrze. Zmiany w poziomie emisji optycznej przypisaü moĪna fali ciĞnienia odbijającej siĊ wewnątrz komory spalania – fale ciĞnienia o wysokiej czĊstotliwoĞci wystĊpujące podczas spalania stukowego powodują ponowne wymuszenie Ğwiecenia spalonych gazów wskutek adiabatycznego ogrzewania. Obserwowane zjawisko zostaáo potwierdzone takĪe przez innych badaczy [1, 2, 3]. 6

2.5

5 2

4

I opt [V]

pi [MPa]

1.5

3

1

2

0.5

1

0

0 350

360

370

380

390

400

350

410

[º owk]

360

370

380

390

400

410

[º owk]

Rys. 11. CiĞnienie indykowane w warunkach spalania stukowego dla 5 kolejnych cykli n = 3500 obr/min, ap = 90%, kwz = 65 °owk Fig. 12. Indicated pressure during knocking combustion for 5 consecutive engine cycles n = 3500 rpm, ap = 90%, kwz = 65 °ca

Rys. 12. NatĊĪenie emisji optycznej w warunkach spalania stukowego dla 5 kolejnych cykli n = 3500 obr/min, ap = 90%, kwz = 65 °owk Fig 12. Intensity of optical emission during knocking combustion for 5 consecutive engine cycles n = 3500 rpm, ap = 90%, kwz = 65 °ca

Przebiegi ciĞnienia i natĊĪenia emisji optycznej w 5 kolejnych cyklach pracy silnika zarejestrowane w warunkach spalania stukowego przedstawiono na rys. 11 oraz rys. 12. Widoczna jest znacznie wiĊksza nierównomiernoĞü przebiegów sygnaáu optycznego w 322

OPTICAL KNOCK COMBUSTION DETECTION IN SI ENGINE

porównaniu do sygnaáu ciĞnienia, zarówno pod wzglĊdem amplitudy, jak i poáoĪenia kątowego wartoĞci maksymalnej. ĝwiadczy to o wiĊkszej czuáoĞci sygnaáu optycznego na zjawiska nieprawidáowego spalania. 4. SpostrzeĪenia i wnioski 1. Stwierdzono istnienie wysokich, istotnych statystycznie korelacji miĊdzy maksymalnymi wartoĞciami natĊĪenia emisji optycznej mierzonymi w paĞmie widzialnym i maksymalnymi wartoĞciami ciĞnienia w komorze spalania dla cykli ze spalaniem normalnym. Najlepsze dopasowanie uzyskano wykorzystując wykáadniczy model regresji. 2. Podobnie dobrą korelacjĊ uzyskano miĊdzy kątami poáoĪenia waáu korbowego odpowiadającymi poáoĪeniu wartoĞci maksymalnych. W tym przypadku najlepsze dopasowanie daá model liniowy. 3. Wraz ze wzrostem kąta wyprzedzenia zapáonu siáa tych korelacji malaáa. W warunkach intensywnego spalania stukowego korelacje stawaáy siĊ nieistotne statystycznie. 4. WiĊkszy zakres zmian intensywnoĞci Ğwiecenia zarejestrowanego w warunkach spalania stukowego w porównaniu do sygnaáu ciĞnienia wskazuje na wiĊkszą czuáoĞü sygnaáu optycznego na zjawiska nieprawidáowego spalania. 5. Badania wstĊpne potwierdziáy, Īe sygnaáy optyczne mogą zostaü wykorzystane do wykrywania spalania stukowego w podobny sposób, jak sygnaá ciĞnienia. Literatura [1] Brunt, M., Pond, C., Biundo, J., Gasoline Engine Knock Analysis Using Cylinder Pressure Data. SAE Pap. 980896, 1998. [2] Ohyama,Y., Ohsuga, M., Kuroiwa, H., Study on Mixture Formation and Ignition Process in Spark Ignition Engine Using Optical Combustion Sensor. SAE Pap. 901712, 1990. [3] Nutton, D., Pinnock, R,.A., Closed Loop Ignition and Fueling Control Using Optical Combustion Sensor, SAE Pap 900486, 1990. [4] Sun, Z., Blackshear, P.,L., Kittelson, D., Spark Ignition Engine Knock Detection Using In-Cylinder Optical Probes. SAE Pap. 962103, 1996. [5] Fischer, M., Günther, M., Röpke, K., Lindemann, M., Placzek, R., Klopferkennung im Ottomotoren. Neue Tools und Methoden in der Serienentwicklung. MTZ 3/2003, 2003. [6] Piernikarski, D., Hunicz, J., Kordos, P., JakliĔski, P., Silnikowe stanowisko badawcze do optycznej diagnostyki procesu spalania. Materiaáy konferencyjne Kongresu PTNSS, Szczyrk 2005. PTNSS P05-C055. [7] Hunicz, J., Piernikarski, D., Transient In-Cylinder AFR Management Based on Optical Emission Signals. SAE Technical Paper 2004-01-0516, 2004. [8] Piernikarski, D., Integrated optical system for investigation and diagnostics of abnormal combustion in an automotive engine. Lightguides and their Applications II. Proc. of SPIE, vol. 5576, 2004, pp. 284-289. PracĊ wykonano w ramach projektu badawczego PB 1419/T12/2003/25

323