Metody badań właściwości elektrycznych izolatorów świec zapłonowych funkcjonujących w warunkach zabrudzeniowych

Metody badań właściwości elektrycznych izolatorów świec zapłonowych funkcjonujących w warunkach zabrudzeniowych

rok wydania: 2021, wydanie pierwsze
ISBN: 978-83-8156-213-3
ilość stron: 246
format: B5

Opis

W monografii zaprezentowano rzadko poruszany w literaturze naukowej temat funkcjonowania świec zapłonowych w warunkach bocznikowania elektrod wskutek zanieczyszczenia zewnętrznej powierzchni górnej części izolatora, znajdującej się poza komorą spalania.

Treść monografii została podzielona na sześć rozdziałów, spośród których rozdziały trzeci, czwarty i piąty zawierają opracowane modele matematyczne, metody pomiarowe oraz wyniki analiz i badań stanowiące oryginalny dorobek autora.

Rozdział pierwszy jest wprowadzeniem, w którym wyszczególniono przedmiot i cel pracy oraz jej strukturę. W oparciu o treść analiz zawartych w dokumentach będących rezultatem aktualnych prac organów administracji rządowej uzasadniono celowość prowadzenia badań w zakresie konstrukcji świec zapłonowych jako elementów mających bezpośredni wpływ na działanie, parametry eksploatacyjne i niezawodność silników o zapłonie iskrowym.

W rozdziale drugim omówiono zagadnienie rozwoju technologii produkcji izolatorów świec zapłonowych i dokonano przeglądu literatury wraz z charakterystyką obecnego stanu wiedzy na temat właściwości, metod wytwarzania i badań izolatorów świec zapłonowych. Zawarto też wiadomości dotyczące materiałów ceramicznych wykorzystywanych w procesie produkcji izolatorów oraz opis powszechnie stosowanych sposobów ich kształtowania i obróbki. Podano również przykłady nowoczesnych rozwiązań w zakresie technologii wytwarzania izolatorów, objętych niejednokrotnie ochroną patentową, oraz opisano charakterystyki warunków pracy izolatorów świec zapłonowych, metody kontroli ich jakości na etapie produkcji i problemy diagnozowania uszkodzeń występujących w trakcie eksploatacji.

Przedmiotem rozdziału trzeciego są procedury modelowania matematycznego rozkładu pola elektrycznego w izolatorach świec zapłonowych działających w warunkach zabrudzeniowych. Przedstawiono wykorzystane w pracy analityczne i numeryczne metody rozwiązania równań Laplace’a i Poissona, stanowiących podstawową formę matematycznego opisu rozkładu potencjału i natężenia pola elektrycznego wewnątrz i w najbliższym otoczeniu ceramicznego izolatora świecy zapłonowej zainstalowanej w cylindrze silnika. Rozpatrzono przypadki braku zanieczyszczeń i ich obecności na zewnętrznej powierzchni izolatora. Rozważania przeprowadzono dla dwóch typów obecnie produkowanych izolatorów świec zapłonowych – o gładkiej powierzchni zewnętrznej oraz mających ukształtowane bariery dla prądu upływu. W dalszej części przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych oraz omówienie przykładów prezentujących rozkład pola elektrycznego izolatorów świec zapłonowych otrzymany dzięki symulacji komputerowej.

W rozdziale czwartym zawarto rozważania dotyczące właściwości elektrycznych izolatorów świec zapłonowych. Zwrócono uwagę na fakt mniejszej wytrzymałości powierzchniowej izolatora w stosunku do wytrzymałości skrośnej, przy założeniu jednorodności materiału ceramicznego i braku wtrącin. Przedstawiono także modele rezystancji skrośnej, powierzchniowej i zabrudzeniowej, na podstawie których przeprowadzono obliczenia natężenia prądu upływu wynikającego z obecności zanieczyszczeń przewodzących na zewnętrznej powierzchni ceramicznego izolatora świecy zapłonowej. Zaprezentowano również rezultaty badań rezystancji skrośnej, powierzchniowej i zabrudzeniowej przeprowadzonych dla świec zapłonowych nowych (nieużywanych) i zanieczyszczonych. Na ich podstawie dokonano weryfikacji wyników otrzymanych na drodze modelowania.

Przedmiotem rozważań zawartych w treści rozdziału piątego jest pojemność świec zapłonowych i jej wpływ na działanie układu zapłonowego. Przedstawiono wyniki modelowania i obliczeń pojemności świec zapłonowych, które poddano weryfikacji na podstawie rezultatów badań doświadczalnych. Wprowadzono nowe pojęcie pojemności powierzchniowej pozwalające scharakteryzować w sposób ilościowy stopień zanieczyszczenia powierzchni izolatora świecy. Zaproponowano metodę pomiaru pojemności świec zapłonowych, w tym pojemności powierzchniowej, za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego sigma-delta. Wykazano również przydatność tej metody w pomiarach przenikalności elektrycznej materiału ceramicznego izolatora.

Wnioski końcowe i podsumowanie zamieszczono w rozdziale szóstym. W uzupełnieniu podano wykaz literatury cytowanej w treści pracy.

Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń / 7

1. WPROWADZENIE / 9
1.1. Przedmiot i cel pracy / 12
1.2. Struktura pracy / 15

2. ŚWIECE ZAPŁONOWE Z IZOLATORAMI CERAMICZNYMI – AKTUALNY STAN WIEDZY / 18
2.1. Budowa, właściwości i zadania świec zapłonowych / 18
2.2. Technologia wytwarzania i metody badań izolatorów świec zapłonowych / 29
2.3. Uszkodzenia izolatorów świec zapłonowych / 43
2.4. Wnioski / 49

3. BADANIE ROZKŁADU POLA ELEKTRYCZNEGO W IZOLATORACH ŚWIEC ZAPŁONOWYCH Z WYKORZYSTANIEM MODELI SYMULACYJNYCH / 51
3.1. Znaczenie i cel badań pola elektrycznego izolatorów świec zapłonowych / 51
3.2. Przegląd metod modelowania rozkładu pola elektrycznego w materiałach izolacyjnych / 53
3.3. Opis matematyczny rozkładu pola elektrycznego w izolatorach świec zapłonowych / 58
3.4. Wyznaczanie rozkładu pola elektrycznego izolatora metodą analityczną / 62
3.5. Wyznaczanie rozkładu pola elektrycznego izolatora za pomocą obliczeń numerycznych / 71
3.5.1. Struktura modelu i procedura obliczeń numerycznych rozkładu pola elektrycznego / 71
3.5.2. Weryfikacja modelu i ocena dokładności obliczeń numerycznych rozkładu pola elektrycznego / 74
3.6. Wyniki badań symulacyjnych rozkładu pola elektrycznego świec zapłonowych / 78
3.6.1. Modelowanie rozkładu potencjału świecy zapłonowej / 80
3.6.2. Modelowanie rozkładu natężenia pola elektrycznego świecy zapłonowej / 85
3.7. Modelowanie rozkładu pola elektrycznego świecy zapłonowej funkcjonującej w warunkach zabrudzeniowych / 91
3.7.1. Symulacja wpływu zanieczyszczeń olejowych zewnętrznej powierzchni izolatora na rozkład pola elektrycznego / 91
3.7.2. Symulacja wpływu zanieczyszczeń osłony izolacyjnej na rozkład pola elektrycznego / 101
3.8. Wnioski / 108

4. BADANIE I SYMULACJA REZYSTANCJI SKROŚNEJ, POWIERZCHNIOWEJ I ZABRUDZENIOWEJ IZOLATORÓW ŚWIEC ZAPŁONOWYCH / 110
4.1. Mechanizm przepływu prądu w materiałach izolacyjnych świec zapłonowych / 110
4.2. Modelowanie rezystancji skrośnej izolatorów świec zapłonowych / 117
4.3. Modele rezystancji powierzchniowej i zabrudzeniowej izolatorów / 127
4.3.1. Opis matematyczny rezystancji powierzchniowej i zabrudzeniowej izolatorów świec zapłonowych za pomocą funkcji ciągłych / 136
4.3.2. Sieciowy model rezystancji powierzchniowej i zabrudzeniowej izolatorów świec zapłonowych / 138
4.3.2.1. Zastosowanie modelu sieciowego rezystancji powierzchniowej i zabrudzeniowej w obliczeniach rozkładu pola elektrycznego na powierzchni izolatora świecy zapłonowej / 151
4.3.3. Modelowanie rezystancji powierzchniowej i zabrudzeniowej izolatorów świec zapłonowych z uwzględnieniem współczynnika kształtu / 165
4.4. Eksperymentalne badania rezystancji skrośnej, powierzchniowej i zabrudzeniowej izolatorów świec zapłonowych / 171
4.4.1. Narzędzia badawcze / 172
4.4.2. Ocena dokładności pomiarów natężenia prądu upływu izolatorów świec zapłonowych / 175
4.4.3. Wyniki badań eksperymentalnych i weryfikacja rezultatów badań symulacyjnych / 178
4.4.3.1. Wyniki pomiaru natężenia skrośnego prądu upływu i rezystancji skrośnej izolatorów / 179
4.4.3.2. Wyniki pomiaru natężenia powierzchniowego prądu upływu i rezystancji powierzchniowej izolatorów / 180
4.4.4. Wpływ rezystancji bocznikującej świecę na działanie układu zapłonowego / 183
4.5. Wnioski / 186

5. BADANIE I SYMULACJA POJEMNOŚCI POWIERZCHNIOWEJ IZOLATORÓW ŚWIEC ZAPŁONOWYCH / 192
5.1. Problem wpływu pojemności na działanie układu zapłonowego / 192
5.2. Modelowanie i obliczenia pojemności świec zapłonowych / 195
5.3. Metoda badań pojemności powierzchniowej izolatorów świec zapłonowych za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego sigma-delta / 207
5.3.1. Narzędzia badawcze / 207
5.3.2. Pomiar pojemności powierzchniowej izolatorów świec zapłonowych / 210
5.3.3. Pomiar przenikalności elektrycznej materiału ceramicznego izolatora / 215
5.4. Badania wpływu pojemności świec na działanie układu zapłonowego / 219
5.5. Wnioski / 222

6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI KOŃCOWE / 224

Bibliografia / 227
Streszczenie / 243
Summary / 245