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Banegas, Maximiliano; Receloglu, Gabriel; Liendo, Sergio; Piaggio, Exequiel; Caputo, Diego Universidad de la Marina Mercante – Facultad de Ingeniería. dcaputo@udemm.edu.ar Resumen Para registrar las variaciones de presión y temperatura en el interior de un motor de combustión interna se requiere sensores de alta velocidad, resistencia estructural y muy baja inercia térmica. El presente trabajo tiene por objeto completar los estudios del ciclo previsto aplicado a motores de encendido por compresión. Se muestra una experiencia en la que se utilizó una bujía de encendido tradicional con electrodo de acero al níquel como conductor de una corriente ionizante para medir la duración de la inyección en un motor Diesel. El circuito es alimentado con una fuente de tensión continua de 300V con aislación galvánica. El fenómeno de ionización del gas debido a las altas temperaturas desarrolladas durante la combustión, permite circular una pequeña corriente proporcional a la temperatura. La misma se determina midiendo la caída de tensión en la resistencia interna del instrumento que se utiliza como voltímetro. El registro se logra con la ayuda un osciloscopio digital que tiene la posibilidad de exportar a planilla de cálculo las variaciones de tensión ocurridas sobre la resistencia de medición cuando la corriente de ionización se produce. Los resultados se comparan contra la filmación en cámara ultra lenta, en un análisis cuadro a cuadro del momento de la inyección. La experiencia realizada permite concluir que es posible utilizar en motores alternativos, las corrientes ionizantes como medio sin inercia térmica para registrar y analizar procesos de combustión, su duración, el tiempo de ignición y su relación con la temperatura y el calor desarrollado. Abstract To record pressure and temperature variations inside an internal combustion engine, high-speed sensors, structural resistance and very low thermal inertia are required. The purpose of this work is to complete the studies of the planned cycle applied to compression ignition engines. This paper shows an experience in which a traditional spark plug with a nickel steel electrode was used as a conductor of an ionizing current to measure the injection duration in a Diesel engine. The circuit is powered by a 300V direct voltage source with galvanic isolation. The gas ionization phenomenon due to the high temperatures developed during combustion allows a small current to circulate proportional to the temperature. It is determined by measuring the voltage drop in the internal resistance of the instrument used as a voltmeter. The recording is achieved with the help of a digital oscilloscope that has the possibility of exporting to a spreadsheet the voltage variations that occur on the measurement resistance when the ionization current is produced. The results are compared against ultra-slow motion filming, in a frame-by-frame analysis of the moment of injection. The experience carried out allows us to conclude that it is possible to use ionizing currents in reciprocating engines as a means without thermal inertia to record and analyze combustion processes, their duration, ignition time and their relationship with the temperature and heat developed. Palabras clave : Sensor por ionización, ensayo de motores, inyección Diesel, duración de la inyección.
“Determinación del tiempo de inyección en motores Diesel utilizando
sensores de temperatura por ionización.”
INTRODUCCIÓN.
El objetivo del presente trabajo consiste en el desarrollo de sensores de bajo costo que puedan ser utilizados en MCI (motores de combustión interna) para observar los eventos de presión y temperatura que ocurren durante su funcionamiento en el interior del cilindro. La posibilidad de obtención de estas herramientas resulta fundamental al momento de evaluar la prestación de los nuevos diseños, para que éstos puedan acompañar los actuales paradigmas que la industria y el medio ambiente requieren. Será necesario, entonces, constantes adaptaciones para que los motores puedan continuar prestando servicio utilizando los nuevos biocombustibles, celdas de hidrógeno, combustibles híbridos y otras fuentes de energía. En este artículo se informa sobre los resultados obtenidos para determinar la duración de la inyección y el retardo de la ignición, utilizando sensores pasivos de dos hilos, de muy bajo costo, que permiten obtener una corriente proporcional a la temperatura desarrollada en el interior del cilindro. Para ello, se propone utilizar el fenómeno de ionización de la mezcla combustible a las altas temperaturas producidas por la combustión. Se evalúan diversas posibilidades de materiales para la construcción de sensores, y dispositivos comerciales, pensándolos para un nuevo uso. Adicionalmente se proponen ensayos y circuitos eléctricos que permiten adquirir y graficar los datos obtenidos del proceso de inyección con el motor en funcionamiento. ENCUADRE TEÓRICO CONCEPTUAL. El motor de encendido por compresión de cuatro tiempos aspira aire durante la carrera de admisión. El aire es comprimido en la carrea siguiente, y es al final de ésta cuando se inyecta una cantidad de combustible. La temperatura desarrollada por el proceso de compresión provoca que el combustible se inflame en la medida que penetra en el cilindro, desarrollando una muy alta temperatura, que puede alcanzar 2200°C y presiones superiores a 50 atm. Medir los eventos de presión y temperatura en el interior del cilindro conlleva varias dificultades: Resolver las mediciones en tiempos muy breves, del orden de 1ms. Soportar condiciones extremas que combinan muy altas temperaturas y presiones. A un régimen de rotaciones de 2000 rpm, cada carrera dura 15ms. Hacia el final de la carrera de compresión y el inicio de la expansión, en una pequeña fracción de este tiempo, se desarrolla la inyección que provoca la energía térmica necesaria para sostener el movimiento. Para trazar curvas que permitan el estudio del proceso de inyección como el de combustión, se necesita registrar varios valores de temperatura en concordancia con la posición del pistón en el interior del cilindro, o la posición angular del cigüeñal. Cualquier sensor convencional de temperatura que se desee utilizar para este fin se verá afectado por la inercia térmica, viéndose impedido así de registrar valores instantáneos confiables. Por otro lado, el agregado de cuerpos extraños en la cámara de combustión, pueden afectar el pequeño volumen disponible alterando así la relación de compresión del motor. La selección del sensor adecuado, requiere bajísima inercia térmica, tamaño reducido y capacidad para soportar las condiciones de presión y temperatura combinadas. El aire es un gas que a presión y temperatura ambiente se comporta casi como un dieléctrico. A presión atmosférica su rigidez dieléctrica alcanza 32kV/cm, aumentando a medida que crece la presión. A 10 atm aumenta a 160kV/cm y a 30 atm alcanza valores del orden de 500kV/cm. Sin embargo, a altas temperaturas, en estado de plasma, y bajo la acción de un campo eléctrico adecuado, puede convertirse en un medio portador de cargas eléctricas, producto de la formación de iones, que dicho campo permite orientar. El CO 2 , gas presente mayoritariamente en los productos de combustión, tiene un comportamiento similar al del aire, aunque con una rigidez dieléctrica algo menor. Se sabe que el estado de plasma del aire se puede lograr mediante descargas eléctricas de alta tensión, o bien, como producto de muy altas temperaturas como las desarrolladas durante la combustión. En estas condiciones la corriente eléctrica disponible es proporcional a la temperatura desarrollada. Por tratarse del movimiento de cargas eléctricas en un gas ionizado el fenómeno de conducción proporcional a la temperatura, carece de inercia. Para materializar el electrodo que funcionará como ánodo se requiere de un material conductor, de resistividad aproximadamente invariable en el rango de temperatura de trabajo y que soporte las condiciones internas durante la operación del motor.
electrodo central construido con aleación de acero al níquel. El níquel aporta al acero dureza, resistencia mecánica, alta resistencia a la corrosión, es un estabilizador de las estructuras austeníticas y eleva el punto de fusión. Al ser sometida al ensayo completo a diferentes temperaturas, las distintas corrientes de ionización obtenidas a presión atmosférica son las que se muestran en la tabla 2: Tabla 2: corriente de ionización a distintas temperaturas y presión atmosférica. N° Med. Temp. [°C] Tensión Fuente [V] Ri voltím. [MΩ] VRsh [V] IRsh [A] 1 23,20 29,9 1 0 0 2 659,90 29,9 1 1,44 1,44x10-^6 3 669,20 29,9 1 2,33 2,33x10-^6 4 677,80^ 29,9^1 2,78^ 2,78x10-^6 5 680,90 29,9 1 3,38 3,38x10-^6 6 692,80 29,9 1 3,74 3,74x10-^6 7 708,60^ 29,9^1 3,99^ 3,99x10-^6 8 728,60 29,9 1 4,59 4,59x10-^6 9 730,10 29,9 1 5,17 5,17x10-^6 10 731,70 29,9 1 5,87 5,87x10-^6 11 741,80 29,9 1 8,89 8,89x10-^6 12 795,70 29,9 1 12,21 1,221x10-^5 Los resultados experimentales analizados con el coeficiente r de la relación de Pearson, en este caso también tienden a 1. Se demuestra así, la tendencia a correlacionar directamente los parámetros de temperatura - tensión, y temperatura – corriente. Así como la temperatura ayuda a la ionización del aire, la presión desarrollada durante la fase de compresión, y luego durante la deflagración del combustible, perjudica la circulación de la corriente a través del gas ionizado. Para ello resulta necesario aumentar la tensión del campo eléctrico. Esto conlleva dos dificultades: La escasa luz entre los electrodos debido al reducido espacio de la cámara de combustión puede generar arcos indeseados durante las pruebas en funcionamiento a plena carga. Estas descargas pueden interpretarse como presencia de llama, cuando en realidad no la hay. Se deberá analizar la inclusión de una fuente con neutro aislado de la red para evitar que la medición sea contaminada por corrientes parásitas provenientes de la línea.
DESARROLLO.
Todo el trabajo experimental se dividió en dos etapas, y se llevó a cabo sobre un motor de encendido por compresión, ciclo Diesel semi-rápido, monocilindro, refrigerado por aire, cuyos datos se listan a continuación: Tabla 3: datos técnicos del motor. Parámetros Datos Fabricante Datos Medidos Marca: American Marc. Modelo: AC1SB^ (n° serie: A- 16599 ). Diámetro cilindro: 88,9 mm 88.41 mm Carrera: 92,075 mm 92,43 mm Relación compresión: 21 ,5:1 20 ,5: Cilindrada: 571,525 cm^3 567,46cm^3 Potencia: 6CV (1800 rpm). 5,5CV (205 9 rpm). Volumen cámara combustión: 27,879 cm^3 29,06 cm^3 Volumen total cilindro: 599.398 cm^3 596,52 cm^3 Presión admisión: 0,953^ (kg/cm^2 abs.) Presión máxima compresión: 28 (kg/cm^2 , abs.) En la figura 2 se aprecia el motor montado sobre su banco de ensayo acoplado al freno dinamométrico, el mismo permite medir las prestaciones de potencia, par motor, presión media efectiva y consumo específico. Figura 2: motor de prueba American Marc en el banco dinamómetro hidráulico.
1. Medición directa del tiempo de inyección: En esta primera etapa se intentó registrar el inicio, fin y duración de la inyección del motor mediante una filmación en cámara ultra lenta. Para filmar la duración de la inyección se dispuso un goniómetro graduado sobre el bloque de cilindros del motor, enfrentado al volante. El transportador permite medir posiciones angulares que van desde - 3 0° APMS (antes del punto muerto superior), hasta + 3 0° DPMS (después del punto muerto superior), con una apreciación de 1°. Sobre el volante del motor se pintó una franja con pintura blanca refractante que indica la posición del pistón para cada posición angular del volante. Luego se retiró el inyector de la cámara de combustión, y se lo colocó en una posición donde la cámara pueda captar el momento de la inyección junto a la marca en el volante pasando frente al medidor angular. La Figura 3 muestra el montaje previo a la grabación. Figura 3: montaje del goniómetro en el bloque de cilindros, marca que indica el PMS e inyector con el recipiente que colecta el combustible inyectado. Para virar el motor se utilizó el motor eléctrico de arranque con la cámara de combustión descomprimida por el retiro del inyector, y con el comando de la bomba a plena inyección (condición equivalente a plena carga). Utilizando un teléfono celular con posibilidad de filmar en modo de cámara ultra lenta, se obtuvo un registro cuya duración real fue de 1m54s. El registro fue luego procesado con un software para edición de videos (VivaVideo2024), que permite hacer capturas de imagen cuadro a cuadro. Como resultado de esta intervención se obtuvo 54 imágenes que permitieron reconstruir todo el proceso de inyección. Dos de ellas fueron descartadas por su baja resolución. Con las 52 fotos restantes, se logró apreciar 31 posiciones angulares diferentes del volante durante la inyección. A modo de muestra se seleccionan algunas en el mosaico de imágenes que se observan en la Figura 4. Debajo de cada una de ellas se puede apreciar a que posición angular del pistón corresponde. Una observación detenida permite ver como en el inicio y fin de la inyección el caudal vertido es mínimo, mientras que en la zona central del intervalo el haz proyectado de combustible es apreciablemente mayor. Figura 4: Registro cuadro a cuadro de la inyección. Como resultado del procedimiento se logra establecer que la inyección comienza 14°APMS y finaliza 19°DPMS, con una duración de 33° a plena carga, lo cual supuso en la prueba de banco una potencia de 5,49CV a 2059 rpm. 2. Medición de la corriente de ionización en el interior del cilindro: Para la segunda etapa experimental se modificó la cámara de combustión del motor con el objeto de
Figura 8: Circuito de medición de la corriente de ionización. El cociente entre la tensión observada en el osciloscopio (10,2V) y la Rsh, da por resultado la corriente iónica I 0 = 10,2μA, y con esta corriente se puede obtener la resistencia que presenta el gas ionizado R 0 = 28,41MΩ. La señal obtenida en el osciloscopio puede observarse en la Figura 9. La línea de trazo corresponde a la señal de PMS, y la línea llena, al sensor de ionización. Figura 9: señal del osciloscopio superpuesta. CH1: PMS y CH2: sensor ionización. RESULTADOS. Procesada la señal del osciloscopio, se cambia la base de tiempo del eje de abscisas por grados de giro del cigüeñal. Tomando la misma escala para tensión en voltios, y alzada de las válvulas en mm para el eje de ordenadas, se superpone el grafico del osciloscopio correspondiente a un ciclo operativo, con el diagrama de alzada de la válvula del motor. Esto permite visualizar mejor las distintas fases operativas. Se acota la posición de los puntos muertos y la duración de la inyección observada en la filmación cuadro a cuadro. De esta manera se logra apreciar toda la información obtenida en un único gráfico que se muestra en la Figura 10. Figura 10: señal del sensor de ionización superpuesta con la señal de PMS y las fases operativas. CONCLUSIONES Las condiciones de presión y temperatura en el cilindro permiten ionizar el gas en su interior en los instantes previos a la ignición y posterior a ella. Se presentaron estudios que permiten verificar la utilidad de algunos materiales comerciales, como el Kanthal A- 1 , para la construcción de sensores por ionización. Así mismo se presentan los circuitos de alimentación y medición para obtener registro de dicha corriente. Se utilizaron con relativo éxito bujías de encendido comerciales con electrodos de acero al níquel para detectar la corriente ionizante en los instantes posteriores a la combustión. La tensión que la fuente aplica a los terminales del sensor, su separación y la temperatura alcanzada son factores que determinan la permeabilidad de la rigidez dieléctrica de la atmósfera reinante en el cilindro. Perforado dicho umbral se produce la conducción de la corriente ionizante. Esto permite registrar el momento en el que la deflagración experimenta su mayor temperatura, así como también el tiempo que tarda el combustible en arder. Se verifican los valores experimentales propuestos por diversos autores [1] y [3] para los órdenes de magnitud de la corriente ionizante y la resistencia que el gas presenta a la conducción. REFERENCIAS
[1] T. Badawy, N. Rai, J. Singh, W. Bryzik, N. Henein (2011). Effect of design and operating parameters on the ion current in a single-cylinder diesel engine. Wayne State University, Detroit, MI, USA. [2] Z. Song, Ch. Liu, Z. Wang, C. Zhang, M. Geng (2022). Ion Current Simulation Model Design for a Spark-Ignited Engine. College of Mechanical Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou, China. [3] L. Fiedkiewicz, I. Pielecha, K. Wisłocki (2017). Use of the gas ionization signal for combustion process diagnostics in the cylinder of a spark ignition engine. Faculty of Machines and Transport at Poznan University of Technology. Poznan, Polonia.
