Датчик давления в цилиндре

Для анализа процессов, происходящих в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, требуются датчики давления с высокими техническими характеристиками по линейности, частотной характеристике, стойкости к тепловому воздействию. Сравнительные исследования датчиков давления в цилиндре, доступные в конце 60-х годов ХХ века, показали, что те из них, в которых в качестве измерительных элементов использовались пьезоэлектрические кристаллы, обеспечивали лучшую стойкость к тепловым воздействиям, чем те, в которых использовались тензодатчики. В итоге, пьезоэлектрические датчики стали использоваться для измерения давления внутри цилиндров, а тензодатчики (с металлическими или пьезорезистивными элементами) - по большей части при измерениях с умеренными требованиями по стойкости к тепловому воздействию, например, в топливопроводах высокого давления и во впускных коллекторах.

Пьезоэлектрические датчики способны удовлетворить высокие требования по частотной характеристике и линейности в широком диапазоне давлений. В то же время, основным недостатком их использования является нестабильность точки отсчета и малый уровень выходного сигнала.

Принцип работы пьезоэлектрического датчика давления в цилиндре

Принцип работы пьезоэлектрического датчика давления в цилиндре показан на рисунке 1. Скорость изменения давления (dP/dt) на диафрагме датчика через промежуточные элементы передается на пьезоэлектрический кристалл, вызывая его деформацию со скоростью dε/dt. Вследствие пьезоэлектрического эффекта, эта деформация поляризует заряд q в электроде датчика, что приводит к возникновению электрического тока i, создающего выходной сигнал датчика:

где Gs - чувствительность датчика (усиление).

При измерениях давления внутри цилиндра, датчик подвергается воздействию нестационарных тепловых потоков, обуславливающих непрерывное изменение температуры. Эти изменения температуры изменяют чувствительность пьезоэлектрического элемента и приводят к тепловым ударам (термошокам), воздействующим на диафрагму и корпус датчика. Термошоки создают импульсы силы, воздействующие на элемент датчика и вносят дополнительные искажения в сигнал, обеспечиваемый датчиком. Погрешность, обусловленная этими эффектами, получила название дрейфа температуры.

Обычно дрейф температуры разделяют на две компоненты. Первая компонента, соответствующая изменениям теплового потока, происходящим в каждом цикле, получила название кратковременного дрейфа или термошока. Вторая компонента, соответствующая медленным изменениям температуры датчика вследствие изменения условий работы двигателя, получила название дрейфа изменения нагрузки или долговременного дрейфа.

Обычно для сигнала датчика долговременный дрейф обуславливает только медленную нестабильность точки отсчета. Степень влияния долговременного дрейфа и контроль в этом случае зависят от выбранной схемы поляризации датчика.

Рисунок 1. Пьезоэлектрический датчик давления в цилиндре.

Влияние кратковременного дрейфа, в свою очередь, определяется частотой возникновения соответствующего явления. Резкие кратковременные дрейфы, возникающие, например, в условиях работы, в которых датчик может получить неустранимые повреждения, могут создавать значения давления ниже атмосферного в конце процесса расширения. При более умеренных уровнях, однако, присутствие кратковременного дрейфа не может быть идентифицировано по показаниям. Это приводит к тому, что показания давления будут выше реального давления в цилиндре в течение сгорания, и ниже реального давления на протяжении остальной фазы расширения. Хотя современные пьезоэлектрические датчики давления в цилиндре сконструированы так, что эффекты кратковременного дрейфа сведены к минимуму, необходимо учитывать, что их интенсивность сильно зависит от тепловой нагрузки в месте расположения датчика. На эту тепловую нагрузку оказывает влияние интенсивность потоков в течение процесса газообмена, характеризуемая аппроксимацией струи топлива (жиклера) в дизельном двигателе или аппроксимацией передней границы пламени в двигателе с искровым зажиганием. Итак, оценка частоты появления термошоков в месте расположения датчика в каждом конкретном случае – это хороший метод получения точных измерений.

Выбор места монтажа датчика давления в цилиндре

При выборе места, в котором будет смонтирован датчик, приоритет следует отдать хорошо охлаждаемым областям головки и избегать термошоков, которые могут привести к деформации корпуса датчика. Диафрагма датчика должна быть позиционирована в соответствии с рекомендациями изготовителя (обычно с зазором от 1,5 до 3,0 мм от внутренней поверхности головки). Датчик давления в цилиндре с функцией водяного охлаждения обеспечивают великолепное усиление (повышенное отношение сигнал/шум), линейность и термостойкость (в сравнении с неохлаждаемыми малогабаритными датчиками) и должны выбираться в первую очередь, когда в головке достаточно места для их размещения. Каналы, соединяющие камеру сгорания с полостью, в которой находится диафрагма датчика, могут переходить в режим акустического резонанса, генерируя колебания давления, приводящие к погрешностям измерения, которые, в свою очередь, делают неверными индицируемые оценки термодинамических параметров и энергии, освобождаемой при сгорании. Поэтому использование этих параметров (в типичном случае, когда датчик встроен в свечу зажигания) рекомендуется только для идентификации аномального сгорания в двигателях с искровым зажиганием.

Измерения давления внутри цилиндра дизельных двигателей с прямым впрыском топлива (direct injection, DI) требуют более тщательного подхода вследствие большего коэффициента сжатия и особой формы камеры сгорания. В таких двигателях, когда поршень находится вблизи ВМТ, приблизительно 90% массы рабочей жидкости находится внутри чашки цилиндра, в области над полостью. Давление этой порции массы определяется средним давлением цилиндра. Остальная часть массы заполняет зазоры между поршнем и головкой, а также между поршнем и гильзой цилиндра; ее давление может создавать колебания амплитудой до 10 бар, обусловленные турбулентностью потока внутри цилиндра и акустическими явлениями при сгорании. Итак, датчик должен быть размещен в точке, из которой может быть доступно давление массы над чашкой цилиндра. И наконец, важно отметить, что при выборе точки монтажа датчика, необходимо избегать ударов струи топлива в диафрагму датчика.

Подтверждение правильности выбора места монтажа датчика давления в цилиндре

Чтобы проиллюстрировать процедуру подтверждения правильности выбора места монтажа датчика, рассмотрим в качестве примера случай быстрого прямого впрыска топлива в дизельном двигателе с тремя клапанами в каждом цилиндре, в котором индицируемые измерения проводились с помощью неохлаждаемого датчика, смонтированного выше чашки цилиндра в месте расположения свечи зажигания (см. рисунок 2).

Метод позволяет проверить наличие кратковременного дрейфа путем поциклового сравнения изменений показаний давления внутри цилиндра в заданные моменты рабочего цикла. Наличие некоторого количества изменений является нормальным явлением и обусловлено случайной природой процесса сгорания, при котором все циклы немного отличаются друг от друга (в одних и тех же условиях работы). Эти изменения от цикла к циклу приводят к изменениям тепловой нагрузки, действующей на датчик и, когда случается кратковременный дрейф, то он также приводит к изменениям чувствительности датчика, увеличивающим разброс показаний давления.

Чтобы применить метод рассмотрим две точки на протяжении цикла, обозначенные как C1 и B2. Первая точка находится в начале процесса всасывания, она характеризует момент, когда датчик давления в цилиндре находится под влиянием тепловых нагрузок сгорания. Вторая точка находится на ходе сжатия, то есть выбрана сразу после газообмена, в течение которого датчик охлаждается. Таким образом, если происходит кратковременный дрейф, он создает в точке C1 больший разброс показаний, чем в точке B2. На рисунке 4 показаны девиации давления от среднего значения выборки для 56 последовательных циклов. В соответствии с описанным выше, кратковременные дрейфы приведут к большему разбросу точек вдоль оси х, чем вдоль оси у. Однако, точки на этом рисунке распределены равномерно относительно осей; это свидетельствует о том, что кратковременный дрейф в данном примере тривиален. Разброс точек относительно диагонали графика позволяет судить о повторяемости эксперимента. Режим, показанный на рисунке 4, характеризуется хорошей повторяемостью.

Рисунок 2. Место монтажа датчика давления 

Рисунок 3. Девиация показаний давления относительно среднего значения выборки. Точка C1: 145 градусов c.a. после компрессии TDC. Точка B2: 80 градусов c.a. перед компрессией TDC.

В случаях с большим кратковременным дрейфом рекомендуется монтировать датчик через адаптер, устраняющий прямой контакт датчика с газами цилиндра во избежание локального нагрева компонентов датчика, главным образом, его диафрагмы. Другое решение состоит в установке датчика в углублении с помощью измерительного канала. Однако, использование такой процедуры монтажа может привести к погрешностям, обусловленным колебаниями потока в канале. 

Специалисты БЛМ Синержи имеют большой опыт в подборе датчиков давления в цилиндре под различные виды двигателей и измерений, и всегда будут рады провести консультацию и подбор датчиков под задачи Заказчика.