Методы исследования и оптимизации процессов горения топливно-воздушной смеси в двигателях внутреннего сгорания Будко Артем Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Аналитический обзор методов исследования и оптимизации процессов сгорания топливно-воздушной смеси в цилиндрах ДВС 12

1.1 Особенности процесса горения в цилиндрах ДВС 12

1.2 Этапы формирования методов исследования и оптимизации горения топливно-воздушной смеси 13

1.3 Оптические методы исследования и оптимизации горения топливно-воздушной смеси 14

1.4 Измерение давления сгорания ТВС 17

1.5 Методы оценки неравномерности работы двигателя 21

1.6 Методы исследования процессов сгорания, основанные на

интерпретации ионных токов 23

1.6.1 Обзор математических моделей ионизации ТВС 23

1.6.2 Определение работы газов по сигналу ионного тока 28

1.6.3 Методы обнаружения детонационного сгорания по сигналу ионного тока 32

1.6.4 Методы определения углового положения пика давления по сигналу ионного тока 36

1.7 Выводы по главе 41

Глава 2. Разработка метода регистрации и оценки энергетических характеристик детонационного сгорания топливно–воздушной смеси по сигналу ионного тока 42

2.1 Рабочая гипотеза 42

2.2 Разработка метода регистрации детонационного сгорания топливно-воздушной смеси по сигналу ионного тока 43

2.3 Экспериментальная часть 48

2.3.1 Описание экспериментальной установки

2.3.2 Эксперимент 51

2.3.3 Обработка результатов эксперимента 52

2.4 Выводы по главе 57

Глава 3. Разработка метода оценки неравномерности работы двигателя по сигналу ионного тока 60

3.1 Получение данных для анализа 60

3.2 Аппроксимация сигнала статистических выборок ионного тока 62

3.3 Оценка параметров работы ДВС по полученной при аппроксимации статистических выборок сигнала модельной кривой 68

3.4 Анализ причин неоптимальной работы двигателя и их устранение 70

3.5 Экспериментальная часть 73

3.6 Выводы по главе 76

Глава 4. Разработка метода определения углового положения пика давления по сигналу ионного тока 78

4.1 Исследование влияния положения пика давления на эксплу атационные параметры двигателя 78

4.2 Рабочая гипотеза 90

4.3 Введение понятия интегральной характеристики сигнала ионного тока как нового объекта исследования 92

4.4 Метод определения углового положения пика давления по сигналу ионного тока 98

4.5 Анализ согласованности получаемых при расчете по предлагаемому методу результатов с результатами сторонних исследований 101

4.6 Экспериментальная часть 1 4.6.1 Эксперимент на базе стендового двигателя HYUNDAI 116

4.6.2 Датчик давления интегрированный со свечей зажигания 117

4.6.3 Постановка эксперимента 119

4.6.4 Обработка результатов эксперимента 121

4.7 Апробация метода на экспериментальных данных, полученных на

исследовательской установке УИТ-85 127 4.8 Выводы по главе 129

Заключение 131

Список сокращений 134

Список литературы 135

• Оптические методы исследования и оптимизации горения топливно-воздушной смеси
• Разработка метода регистрации детонационного сгорания топливно-воздушной смеси по сигналу ионного тока
• Аппроксимация сигнала статистических выборок ионного тока
• Введение понятия интегральной характеристики сигнала ионного тока как нового объекта исследования

Введение к работе

Актуальность работы. Широкое распространение двигателей внутреннего сгорания (ДВС) делает актуальными научные исследования, направленные на повышение мощности, экономичности и КПД двигателей. Возможности улучшения характеристик ДВС в результате усовершенствования конструкции двигателя на сегодняшний день практически исчерпаны, поэтому на первый план выдвигаются задачи оптимизации рабочего процесса.

Ведущие производители и исследовательские институты, такие как SAAB, MECEL, Bosch, BMW, Лундский технологический институт, Delphi, Mitsubishi Electric Corp.и др. работают над исследованием возможностей использования сигнала ионного тока (ИТ), регистрируемого в камере сгорания ДВС, как инструмента для измерения и исследования процессов сгорания, а также применения сигнала ИТ в качестве обратной связи в электронных системах управления двигателей (ЭСУД). Высокий интерес к данным вопросам обусловлен тем, что сигнал ИТ несет в себе информацию о множестве параметров сгорания топливно-воздушной смеси (ТВС). Это позволяет создавать на основе датчиков ИТ интегрированные датчики различных параметров сгорания ТВС. L. Eriksson, H. F. Calcote, S. Yoshiyama, E. Tomita, Э.Х. Черняевым, Y. Hamamoto, , A. Saitzkof, R. Reinmann, T. Berglind, M. Glavmo, А. Шайкиным, I. Andersson, L. Nielsen, D. Claesson, L. Eriksson, P. Einewall, S. Byttner, U. Holmberg, A. Franke, K. Gustafsson, F. Jones, C. Jezek, Y. Huang, П.В. Ивашиным на сегодняшний день достигнуты значительные результаты в данной области, в том числе нашедшие практическое применение в ЭСУД. Однако многие вопросы, в том числе фундаментальные, остаются открытыми. Поэтому актуальной задачей является разработка методов, методик и способов исследования процессов сгорания и управления ДВС по сигналу ионного тока.

Цель работы заключается в разработке и исследовании методов измерения и оптимизации процессов сгорания и работы ДВС как технической системы в целом на основе анализа сигнала ИТ, позволяющих рассчитывать практически значимые параметры сгорания ТВС и работы двигателя, а также оптимизировать работу ДВС обеспечивая увеличение мощности, крутящего момента и КПД двигателя.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить процессы, возникающие при детонационном сгорании в цилиндрах ДВС и исследовать спектральный состав ИТ.

2. Разработать метод анализа сигнала ИТ, позволяющий идентифицировать детонационное сгорание в камере сгорания и оценить интенсивности детонации.

3. Разработать метод анализа сигнала ИТ, позволяющий оценить среднестатистические параметры эффективности работы цилиндров.

4. Разработать методики оптимизации ДВС как технической системы в целом по данным, полученным в результате анализа сигналов ИТ всех рабочих цилиндров ДВС.

5. Исследовать зависимости параметров сигнала ИТ от показателей рабочего процесса ДВС.

6. Разработать метод расчета углового положения пика давления (УППД) в цилиндрах ДВС по сигналу ИТ, обеспечивающий нечувствительность к форме и возмущениям сигнала.

7. Провести экспериментальную проверку разработанных методов и методик на стендовых и серийных двигателях.

Область исследования соответствует п.6 «методы идентификации систем управления на основе ретроспективной, текущей и экспертной информации», п. 11 «методы и алгоритмы прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности

сложных систем» специальности 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации».

Объект исследования – двигатель внутреннего сгорания.

Предмет исследования – методы и алгоритмы обработки и анализа сигнала ионного тока, регистрируемого в камере сгорания ДВС.

Методы исследования – базируются на применении методов интерполяции и аппроксимации, статистической обработки экспериментальных данных, обработки сигналов, акустической физики и численного интегрирования, математического, цифрового и имитационного моделирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием корректного математического аппарата, совпадением результатов экспериментальных исследований с результатами теоретических исследований и согласованностью с результатами сторонних исследований.

Научная новизна выполненных исследований заключается в следующем:

8. Разработан метод идентификации детонационного сгорания на основе анализа сигнала ИТ, обеспечивающий повышенную на 8% достоверность обнаружения детонационного сгорания, отличающийся учетом энергии высших гармоник ударной волны (стр. 42-47).

9. Разработан метод, позволяющий оценивать среднестатистическую эффективность работы цилиндров и параметры неравномерности работы двигателя и производить его оптимизацию, отличающийся тем, что для анализа работы цилиндров и двигателя используется математическая модель, описывающая статистические выборки сигнала ИТ, регистрируемого во всех цилиндрах двигателя (стр. 60-70).

10. Разработан метод оценки углового положения пика давления (УППД), основанный на анализе сигнала ионного тока, обеспечивающий снижение параметрических и режимных ограничений, повышение точности оценки УППД на 1,5 град. (30% в сравнении с методами структурного анализа), и отличающийся использованием интегральной характеристики сигнала ионного тока (стр. 92-100).

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

11. Изучен частотный состав сигнала ИТ при сгорании ТВС.

12. Изучена зависимость сигнала ИТ от параметров неравномерности работы двигателя и эффективности работы цилиндров.

13. Получены зависимости параметров сигнала ИТ и показателей ДВС от углового положения пика давления.

Практическая значимость работы заключается в реализации алгоритмов, соответствующим предлагаемым методам и подходам, в виде:

– программы на скриптовом языке Matlab, реализующей метод оценки интенсивности детонации по сигналу ионного тока;

– программы на скриптовом языке Matlab, реализующей метод расчета параметров неравномерности работы ДВС;

– программы на скриптовом языке Matlab, реализующей метод оценки углового положения пика давления;

Внедрение результатов. Теоретические и практические результаты диссертационной работы внедрены в образовательный процесс кафедры электротехники и мехатроники Южного федерального университета в соответствии с актом о внедрении Института радиотехнических систем и управления Южного федерального университета от 13 августа 2014г.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: Шестой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», г. Таганрог, 2011г; Седьмой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», п.Домбай, 2012г.; Восьмой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», п. Домбай, 2013г.; Пятой молодежной школе-семинаре «Управление и обработка информации в технических системах» в рамках Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», п. Красная Поляна г. Сочи, 2014г., Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления», п. Домбай, 2015г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в т. ч. 1 – монография, 1 – учебное пособие, 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов научных исследований, 2 статьи в изданиях, индексируемых в базах данных «Scopus» и «Web of Science», 2 – свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментально показано, что сигнал ИТ имеет отклик на высшие гармоники
ударных волн, возникающих при детонации в цилиндре ДВС. Учет энергии, несомой
высшими гармониками ударных волн позволяет с большей разрешающей способностью и
точностью оценить энергетические показатели детонационного пакета волн и увеличить
достоверность обнаружения детонации.

2. Метод анализа эффективности работы ДВС на основе модели,
аппроксимирующей статистические выборки сигнала ИТ, регистрируемого во всех
цилиндрах двигателя. Данные о работе двигателя, полученные в ходе такого анализа могут
быть использованы для диагностики и оптимизации ДВС.

3. Интегральная характеристика сигнала ИТ. Такая характеристика несет в себе
информацию об энергетических параметрах процесса сгорания. Ее использование при
анализе работы ДВС позволяет снять ограничения на форму и параметры обрабатываемого
сигнала, а также оценивать УППД.

Основные результаты, выносимые на защиту:

14. Метод идентификации детонационного сгорания по сигналу ИТ.

15. Метод оценки неравномерности работы двигателя по сигналу ИТ.

16. Метод обнаружения УППД по сигналу ИТ. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав,

приложений, списка использованных источников, насчитывающего 99 наименований. Основная часть работы изложена на 134 страницах печатного текста, содержит 81 рисунков и 12 таблиц.

Оптические методы исследования и оптимизации горения топливно-воздушной смеси

Методы исследования и оптимизации горения топливно-воздушной смеси формировались и развивались одновременно с технологической базой, доступной исследователям и инженерам. В соответствии с этим процесс формирования можно условно разбить на несколько этапов.

Первый этап начинается с момента изобретения ДВС Жаном Этьеном Ленуаром в 1860 году и продолжается до середины прошлого столетия. На данном этапе, одновременно во многих развитых странах мира, происходят фундаментальные исследования процессов сгорания ТВС. Появляются первые методы прямого и косвенного измерения параметров процессов сгорания, основанные на использовании механических измерительных приборов и фотографии. С помощью этих методов Н.А. Отто, Г.Даймлером, В.Майбахом, Р.Дизелем были выявлены основные физические особенности протекания процесса сгорания топлива в цилиндрах ДВС.

Следующий этап является следствием научно-технологической революции 40-50-ых годов прошлого столетия, обусловленной бурным развитием технологической базы электроники. На этом этапе совершенствование методов исследования процесса сгорания происходит в основном в результате развития технологий и методов средств измерения. Появление электрических датчиков давления, работа которых основана на пьезоэффекте, явилось причиной развития методов исследования, направленных на изучение динамики процесса сгорания, поскольку такие датчики обладают большим быстродействием и точностью по сравнению с механическими приборами. Совершенствование методов фотографии привело к появлению двух-зонной теории сгорания рабочего заряда. Разработка химически чувствительных датчиков привела к появлению методов компонентного анализа газового состава отработавших газов, позволяющих улучшать экологические показатели ДВС. В этот период работы И.И. Вибе, Д.Д. Брозе, А.С. Соколика и др. позволили выявить основные физико-химические особенности протекания процесса сгорания топлива в цилиндрах ДВС, в том числе для различных режимов работы двигателя [1-4]. Работы этого периода являются наиболее значимыми фундаментальными исследованиями методов исследования сгорания ТВС и теории тепловых двигателей в целом.

Начало следующего за технологическим развитием электронной базы этапа, определено резким ростом возможностей вычислительной техники в 80-90-ых годах ХХ века. С этого момента начинают формироваться различные методы обработки сигналов, позволяющие получить посредством уже известных датчиков новую, недоступную ранее исследователю информацию. Примерами таких методов являются методы цифровой фильтрации, спектрального анализа и другие алгоритмические методы обработки сигнала и вычислительного анализа. Для решения задач оптимизации сгорания ТВС начинают использовать электронные и микропроцессорные блоки управления двигателем. Данный этап развития методов исследования горения ТВС продолжается по сегодняшний день.

Оптические методы исследований исторически являются одними их первых методов исследования процесса сгорания топлива в ДВС. Со времен первых исследований ДВС инженеры начали встраивать в детали двигателя элементы из огнеупорных прозрачных материалов, например таких, как кварцевое стекло [5, 6]. Изменяя конфигурацию камеры сгорания, состав ТВС и другие параметры исследователь непосредственно наблюдал за характером изменения процесса сгорания. В настоящее время в качестве огнеупорного прозрачного материала чаще используется специальное органическое стекло, а в качестве приемников излучения применяются фотоэлектрические датчики [6]. Примеры конструкции таких исследовательских стендов приведены на рисунке 1.1.

Спектральный состав излучения испускаемого, поглощаемого или рассеиваемого в пламени несет информацию о протекающих химических реакциях, позволяет определить состав и количество промежуточных и конечных продуктов горения, их температуру, давление и пространственное распределение [7-9].

Для исследования процессов горения в цилиндрах ДВС применяются следующие оптические методы: высокоскоростная фото-регистрация, методы основанные на просвечивании пламен [10-17], методы основанные на рассеивании излучения при прохождении через пламя [18-25], спектроскопия пламен (УФ-спектроскопия, ИК-спектроскопия пламен) [26-39], пирометрия, теневой метод, метод Теплера (шлирен-метод), интерференционный метод, методы зондирования с применением лазерных анемометров, методы измерения скоростей основанные на использовании эффекта Доплера. Наибольшее распространение получили пирометрические методы. В них используется закон Стефана - Больцмана для энергии полного излучения нагретого тела (1.1): ET=SeT(rT\ (1.1) где є - коэффициент черноты тела, а также формула Вина для монохроматической энергии излучения нагретого до температуры Т твердого тела (1.2):

Разработка метода регистрации детонационного сгорания топливно-воздушной смеси по сигналу ионного тока

Предлагаемый метод регистрации детонации состоит из этапов: 1. Расчет частот основной и высших гармоник ударных волн. 2. Расчет спектральной плотности мощности регистрируемого сигнала ионного тока. 3. Расчет функции спектральной плотности мощности, соответствующей нормальному сгоранию. 4. Оценка энергии ударных волн на основной и высших гармониках, и суммарной энергии ударных волн. 5. Оценка интенсивности детонации.

При расчетах принято допущение, что возникающая волна является плоской, что допустимо в случаях исследования детонационных волн в условиях камеры сгорания ДВС [12], поэтому частоты основной и высших гармоник волн могут быть рассчитаны по формулам (2.1): частоты основной и высших гармоник соответственно, А1Д2Д3,... Дп _ длины волн основной и высших гармоник соответственно, V -скорость волны, d - диаметр цилиндра. Расчет спектральной плотности мощности регистрируемого сигнала ионного тока производится по алгоритму быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ) по формуле (2.2) при к=0, 1,..., (N-1). P(k) = 101g( X(k)2), (2.2) где Fs - частота дискретизации, N - размерность ДПФ, Х(к) - N- точечное ДПФ N- точечной последовательности х(п), к - дискретная нормированная частота, Р(к) - спектральная плотность мощности (СПМ). регистрируем Г1,г2,г3,-Л Расчет функции СПМ, соответствующей нормальному сгоранию, производится методом аппроксимации огибающей функции СПМ регистрируемого сигнала кривой для участков, лежащих между частотами

Данная методика основана на анализе спектрограмм, полученных при обработке сигнала ионного тока, регистрируемого при нормальном сгорании ТВС (рисунок 3 (а)), который показал, что огибающая функции СПМ имеет гладкий характер без выраженных пиков, в том числе на полосах частот, соответствующих частотам волн, возникающих при детонации.

В данной работе приведен пример учета энергии двух первых гармоник ударной волны и первой гармоники ретонационной волны, в этом случае критериям качества аппроксимации функции СПМ удовлетворяет кривая, описываемая полиномом второй степени по формуле (2.3): s(f) = Pif2 + p2f+p3, (2.3) где s - амплитуда огибающей сигнала; р1; р2, Рз _ коэффициенты полинома; f -частота. Для нахождения значений функции s(f) рассчитываются средние значения амплитуды функции СПМ на участках, лежащих между частотами f1; f2,f3 в соответствии с выражениями (2.4): S =

Функция СПМ сигнала ионного тока: при детонации (а); расчетное значение для нормального сгорания (б) Энергии ударных волн оцениваются как разность между интегральными значениями функции СПМ регистрируемого сигнала и рассчитанной для нормального сгорания в окрестностях частот ГіДгДз в соответствии с выражениями (2.6): где PSf - интегральные значения расчетной функции спектральной плотности мощности для нормального сгорания, стоящие в правой части выражения (2.6).

На рисунке 2.2 (а) представлены результаты выполнения расчетов по выражениям (2.1)...(2.7) для основной гармоники ударной волны. Для второй гармоники ударной волны и первой гармоники ретонационной волны расчеты ведутся аналогично. В графическом представлении, энергия ударных волн равна разности площадей под экспериментальной и расчетной функциями СПМ, рассчитанных для в целевой полосы частот. Суммарная энергия волн соответственно равна сумме площадей рассчитанных для всех целевых диапазонах, определяемых частотами fi, ґг f3 и доверительным интервалом fdov. На рисунке 2.2 (б) представлен примеры графиков функции СПМ регистрируемого сигнала и рассчитанного по выражению (3) для случая нормального сгорания. Р, дБВт/Гц ЗО

В качестве стендового двигателя использовался двигатель HYUNDAI. В качестве ионизационного зонда использовалась стандартная свеча зажигания. Для оцифровки сигнала применен аналого-цифровой преобразователь линейного входа звуковой платы ЭВМ со встроенным НЧ фильтром. Частота дискретизации 44 100 Гц при разрядности 16 бит.

Устройство регистрации ионного тока было разработано для обеспечения совместимости с линейным входом звуковой платы и возможности подавления сигнала ионного тока во время пробоя искрового промежутка, поскольку параметры сигнала в этой фазе не несут полезной информации и приводят к зашумлению сигнала. Принципиальная схема устройства регистрации приведена на рисунке 2.4 Рисунок 2.4 – Принципиальная схема устройства регистрации сигнала ионного тока

Принципиальная схема устройства обработки приведена на рисунке 2.5. Рисунок 2.5 – Принципиальная схема обработки и записи сигнала ионного тока

На транзисторах VT1-VT3 реализовано токовое зеркало, запитанное от преобразователя 12-370В. На транзисторах VT4-VT6 реализована функция подавление сигнала в период искрения, управляемая импульсами зажигания с ЭБУ. Цепочки высоковольтных диодов VD3-VD4 подключены к свечам первого и второго цилиндров, выводы катушек фазированы так, что бы на этих свечах был положительный потенциал. Для записи сигнала ионного тока нужен ноутбук с открытым линейным входом и выходом. Так как на открытом входе присутствует напряжение порядка 2,3-2,5В, на DA1 собран усилитель для смещения нулевого уровня сигнала в диапазон входного напряжения линейного входа, регулируется переменным резистором R16. Усилитель инвертирующий, поскольку звуковая карта при воспроизведении инвертирует сигнал обратно. Усилитель воспроизведения также реализован на операционном усилителе DA1, его задача, усилить сигнал до уровня, с которым можно работать и привязать нулевой уровень выходного сигнала к нулю. Регулируется переменными резисторами R5 и R11 в каждом канале отдельно. 2.3.2 Эксперимент

В процессе эксперимента производилась запись сигналов ионного тока, регистрируемого при нормальном режиме работы двигателя и детонационном сгорании различной интенсивности. Запись производилась посредством аналого-цифрового преобразователя линейного входа звуковой платы ЭВМ. Частота дискретизации сигнала составляла 44 100Гц при разрядности 16 бит. Сигнал сохранялся на жесткий диск ЭВМ. Эксперимент производился на автомобиле HYUNDAI, оборудованном DIS системой зажигания.

Запись производилась средствами свободно распространяемой программы Audacity2.0.3. Сигнал записывался фрагментами для получения статистических выборок порядка 7000 осциллограмм ионного тока для изучения спектра сигнала в нормальном режиме двигателя. Фрагмент записанного сигнала приведен на рисунке 2.6

Аппроксимация сигнала статистических выборок ионного тока

Для нахождения значений угловых скоростей Dj, соответствующих ускорениям, придаваемым коленчатому валу в результате работ Lt каждого из цилиндра двигателя, определятся средний период Tt следования сигналов ионного тока этих цилиндров как время между глобальными максимумами функции (3.1) в соответствии с рисунком 3.4. После определения Ти угловые скорости О)І рассчитываются в соответствии с выражением (3.6):

После расчета a)t производится выбор а)тах и o)min, и определяется степени неравномерности вращения S в соответствии с выражением (3.4).

Для рассмотренного случая рассчитанная степень неравномерности вращения S составила 0,02 , что находится на границе допустимых значений 0,01 ...0,02 для автомобильных двигателей [51, 52]. Для расчета среднестатистической работы газов в каждом цилиндре двигателя производится интегрирование полученной в результате аппроксимации функции, пример результатов расчета представлен на рисунке 3.7. Анализ данных таблицы 3.1 позволяет сделать вывод о значительной неравномерности работы, производимой цилиндрами испытуемого двигателя. Так, четвертый цилиндр производит в 2,7 раза меньшую работу, чем третий, что говорит о необходимости оптимизации его работы.

Неоптимальная работа четвертого цилиндра может быть вызвана худшими условиями его наполнения [91], поскольку все прочие параметры равны для всех цилиндров.

Для проверки предположения о причине неоптимальной работы четвертого цилиндра производится расчет массового расхода воздуха по раннерам для впускного коллектора испытуемого двигателя и сравнивается с данными полученными, в результате анализа сигнала ионного тока. Результаты расчета впускного тракта представлены на рисунке 3.8 в программе SolidWorks. (а) (б)

Рисунок 3.8 – Моделирование работы впускного коллектора: (а) – модель впускного коллектора в программе SolidWorks, (б) – диаграмма рассчитанного массового расхода воздуха по раннерам для заданного режима работы двигателя

Сопоставление данных газодинамического расчета представленных на рисунке 3.8 (б) с данными анализа ионного тока представленными на рисунке 3.9, указывает на верность определенной причины пониженной эффективности работы 4-го цилиндра.

После определения причины пониженной эффективности работы принимаются меры к ее устранению. На рисунке 3.10 представлен газодинамический расчет впускного коллектора более оптимальной формы. Рисунок 3.10 – Моделирование работы впускного коллектора оптимальной формы: (а) – модель впускного коллектора в программе SolidWorks, (б) – диаграмма рассчитанного массового расхода воздуха по раннерам для заданного режима работы двигателя (а) После устранения предполагаемой причины неоптимальной работы процесс производится повторное исследование сигнала ионного тока. Сигналы ионного тока всех рабочих цилиндров двигателя до и после устранения причины неравномерной работы для сравнения приведены на рисунке 3.11 (а) и (б)

Экспериментальную часть работы, произведенной для проверки теоретических положений, представленных в данной главе, можно разделить на две части. В ходе первой части экспериментального исследования производилась проверка предположения о том, что интегральное значение (как площадь под сигналом ионного тока), действительно зависит от работы, производимой газами в цилиндре за цикл. Для этого была поставлена цель – проверить наличие, и в случае положительного результата, изучить характер зависимости интегрального значения ионного тока от работы газов в цилиндре двигателя. Для этого производилась одновременная запись сигналов датчиков ИТ и ДДС в одном из цилиндров двигателя на различных мощностных режимах. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке

Данные каждого цикла были проинтегрированы, таким образом были рассчитаны значения площадей под осциллограммами сигналов. При этом площадь под кривой сигнала ДДС позволяет оценить работу газов за цикл. По найденным значения цикловой работы газов и степени ионизации рабочей смеси, были рассчитаны средние значения этих показателей для различных мощностных режимов работы двигателя.

Для проверки характера зависимости были также рассчитаны показатели для случайных последовательных циклов на переходных режимах двигателя. Пример осциллограмм сигналов ИТ и ДДС для такого случая приведен на рисунке 3.14.

В главе представлен метод оценки неравномерности работы двигателя по сигналу ионного тока. Метод заключается в анализе параметров математической модели, аппроксимирующей статистические выборки сигнала ионного тока, регистрируемого во всех цилиндрах двигателя. Такой анализ позволяет оценивать энергетические параметры работы каждого из цилиндров по отдельности, а также всего двигателя как сложной технической системы в целом.

Оценка производится на основании исследования интегральных показателей сигнала ионного тока, регистрируемого во всех рабочих цилиндрах двигателя на статических режимах работы. В главе представлен пример использования метода для получения данных о работе газов, производимой в каждом из цилиндров, а также определение такого интегрального показателя работы ДВС как степень неравномерности вращения коленчатого вала.

Предлагаемый метод оптимизации рабочего процесса двигателя по сигналу ионного тока показал высокую эффективность при апробации на автомобиле ВАЗ 2110.

В результате расчета для исследуемого двигателя была выявлена значительная неравномерность вращения коленчатого вала и разница в производимой газами работе для различных цилиндров. После процедуры оптимизации степень неравномерности вращения коленчатого вала была снижена на 25% , получена прибавка мощности в диапазоне 1800-3000 об/мин порядка 6 лошадиных сил и крутящего момента - IS 10/м, а в диапазоне 3000-5000 об/мин около 9 лошадиных сил и крутящего момента - 11 Н/м.

Введение понятия интегральной характеристики сигнала ионного тока как нового объекта исследования

Применение для исследования интегральной характеристики предполагает использование таких параметров как полное интегральное значение сигнала (энергетический параметр), и угловые положения значений интегральной характеристики относительно ее полного интегрального значения (позволяет учитывать динамику процесса выгорания топлива).

Интегральные характеристики для сигналов, приведенных на рисунке 4.8 Началу горения смеси соответствует начало интегральной характеристики. Искровой пробой приводит к высокой ионизации ТВС в области электродов ионизационного зонда, которым является свеча зажигания. Также в непосредственной близости от электродов зонда происходит формирование начального очага горения, фактически электроды зонда оказываются в области интенсивных химических реакций и высокой ионизации. Вследствие этого в начальной фазе интегральная характеристика нарастает наиболее интенсивно. После завершения процесса формирования начального очага горения удаление фронта пламени от электродов зонда при его распространении по камере сгорания приводит к замедлению роста интегральной характеристики.

После сгорания 80 процентов топливно-воздушной смеси процесс сгорания переходит в стадию пристеночного догорания заряда. При этом интегральная характеристика принимает пологий характер, которому соответствует правая часть графиков.

Таким образом, наиболее интенсивный рост интегральной характеристики происходит во время формирования начального очага сгорания и сгорания основной части топливно-воздушного заряда. После сгорания основной части заряда рост значений интегральной характеристики замедляется вплоть до полного прекращения после догорания смеси.

Использование при исследовании интегральной характеристики сигнала ионного тока позволяет повысить нечувствительность методов исследования процессов сгорания к разбросу параметров сигнала ионного тока, вызванному как меж цикловыми вариациями, так и накладываем различных фаз сигнала друг на друга. На рисунке 4.10 приведены примеры сигналов ионного тока, его интегральных характеристик и угловые положения рассчитанных значений интегральной характеристики для окончания основной фазы сгорания топлива, а именно 80 процентов интегральной характеристики. Рисунок 4.10 – Примеры сигналов ионного тока, его интегральных характеристик и угловые положения рассчитанных значений интегральной характеристики для окончания основной фазы сгорания топлива

При наличии ярко выраженного второго пика (красный, зеленый графики) наблюдается высокая корреляция между его положением и угловым положением 80 процентов полного значения интегральной характеристики. В тоже время при искаженной форме сигнала без выраженных пиков время достижения 80 % интегральной характеристики соответствует теоретическому положению пика давления (серый, фиолетовый графики, не имеющие выраженного второго пика).

Площадь под кривой сигнала ионного тока (далее СИТ) является параметром, вычисление которого не накладывает на форму сигнала никаких ограничений. В литературе имеются сообщения о возможности использования этого параметра для оценки показателей работы и управления ДВС. При этом площадь рассчитывается как определенный интеграл СИТ. Отличие данной работы состоит в анализе кривой интегральной характеристики сигнала ионного тока (ИХСИТ), с учетом ее промежуточных расчетных значений, соответствующих различным УПКВ и фазам сгорания топливного заряда.

На рисунке 4.12 Imax – максимальное значение интегральной характеристики соответствует площади под привой СИТ. С этим параметром, характеризующим площадь под кривой СИТ и полный ток на зонд за цикл, исследователи связывают понятие «интеграл ионного тока». Как будет показано далее, это важный параметр, жестко связанный со многими показателями процесса сгорания, однако значительный интерес с точки зрения анализа представляет также характер развития кривой ИХСИТ. Длительность ion=2–1 СИТ соответствует длительности процесса сгорания, а Imax характеризует энергетику процесса сгорания. Тогда комплексный анализ изменения промежуточных значений Iion ИХСИТ в функции времени или УПКВ, относительно Imax, позволяет определить характерные фазы развития процесса сгорания. Например, по предварительным результатам теоретических и экспериментальных исследований авторов, момент Ip достижения 80-90 % Imax соответствует окончанию основной фазы сгорания и достижению максимального значения давления в цилиндре

Основнм преимуществом использования ИХСИТ является отсутствие ограничений на форму и параметры регистрируемого СИТ. Это обеспечивает уменьшение режимных ограничений при анализе СИТ. Другим важным преимуществом анализа ИХСИТ является устойчивость точности результатов расчетов к изменениям параметров электродов зонда в процессе эксплуатации ДВС, что иллюстрируется рисунком 4.12, на котором представлены результаты расчета ИХСИТ по выражению (1) для данных, приведенных в статье [94]. Авторы производили регистрацию СИТ для зондов различной площади на стационарных режимах работы ДВС при прочих равных условиях.