Publicación: Monitoreo del Proceso de Combustión de un Motor de Encendido Provocado Usando Sensores de Corriente de Ionización
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Resumen en español
El presente trabajo de grado tuvo como objetivo implementar un mecanismo de monitoreo de combustión en tiempo real usando un sensor de corriente de ionización para el motor de encendido provocado que dispone el Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía (GASURE) en la Universidad de Antioquia. El grupo GASURE requiere de este sistema como una alternativa de análisis del proceso de combustión extrayendo información directamente del interior de un cilindro del motor. Para alcanzar los objetivos propuestos se analizó el funcionamiento y las etapas que conforman un ciclo termodinámico de un motor de combustión interna de encendido provocado, como se da el fenómeno de la combustión en este tipo de motores, los posibles problemas que se pueden presentar durante proceso de combustión como la dispersión cíclica y el knocking, la forma en que estos se manifiestan y cómo se pueden medir. También se estudiaron las propiedades eléctricas de la llama, el fenómeno de ionización, como este se presenta durante el proceso de combustión y como a partir de este se genera una corriente de iones al interior de la cámara de combustión llamada corriente de ionización. Posterior a esto se hizo el diseño del circuito del sensor de corriente de ionización cumpliendo con las necesidades del motor y del grupo de investigación, se calibró tanto el sistema de medición por presión en cámara como el de la lectura de la corriente de ionización y se desarrolló el software necesario para la adquisición de datos y el post-procesamiento de la corriente de ionización. Finalmente se tomaron varias muestras de ciclos de combustión a un régimen constante, en las cuales se varió la carga o potencia eléctrica y el avance de la chispa, donde se analizó el comportamiento del proceso de combustión en uno de los cilindros del motor a diferentes parámetros de funcionamiento. El método de corriente de ionización implementado detectó de manera efectiva la ionización de las diferentes etapas del proceso de combustión y los resultados obtenidos son comparables a los obtenidos en investigaciones previamente reportadas. Se pudo establecer un correlación entre la lectura de presión al interior de la cámara de combustión y la lectura de corriente de ionización, logrando observar de manera conveniente los fenómenos de dispersión cíclica y combustión detonante.
Resumen en inglés
The current project aimed to implement a real time combustion monitoring mechanism using an ionization current sensor in the spark ignition engine available in GASURE research group at University of Antioquia. This monitoring mechanism is an alternative analysis system for combustion process which uses information directly from the combustion chamber. The study was divided in several parts to achieve the objectives proposed. Firstly, an approximation to most important theoretical background was provided. The principle and stages of a thermodynamic cycle from an internal combustion engine were reviewed. Combustion phenomenon of spark ignited engines and abnormal combustion processes such as cycle to cycle variations and knocking were described. Further, electrical properties of the flame, the ionization phenomenon, how it occurs during combustion process, and how it develops inside the combustion chamber were introduced. After that, the design process of the ionization current sensor was described, meeting the engine and the research group needs. Then, calibration procedure for the pressure based system and the ionization current based system is shown, as well as the development of software needed for data acquisition and post-processing. Finally combustion cycles samples were taken at constant engine revolutions, five loads and several spark advances. The combustion process was analyzed using the pressure-based method and ion-current based method simultaneously. The ion-current monitoring system was able to measure ionization for the different stages of combustion and the results were similar to those reported at previous research. Cyclic variability and knocking combustion were also well detected by the ion-current based monitoring system.