ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Zdzisław Chłopek 1, Tomasz Szczepański 2 BADANIE WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH W STANACH DYNAMICZNYCH 1. Wstęp Wobec rosnących wymagań eksploatacyjnych stawianych współczesnym silnikom spalinowym, warto zwrócić uwagę na możliwość prowadzenia badań coraz dokładniej zorientowanych na ich wybrane właściwości użytkowe. Jednym z kierunków rozwoju w tym zakresie jest prowadzenie badań w dynamicznych stanach pracy silnika. Stan pracy silnika spalinowego jest zdefiniowany przez zbiór parametrów opisujących efekty jego pracy. Mogą to być na przykład: prędkość obrotowa wału korbowego, jego moment obrotowy, a także wiele innych, jak choćby natężenie emisji wybranych substancji w spalinach. Zbiór parametrów opisujących stan pracy silnika może być więc bardzo różny w zależności od potrzeb wynikających z prowadzonych badań. [1] Każdy parametr pracy silnika odniesiony do czasu tworzy proces danego parametru. Z kolei stan pracy silnika (określony tymi parametrami) odniesiony do czasu tworzy proces stanu. W sytuacji statycznej proces stanu jest niezmienny w czasie, a więc wszystkie parametry opisujące stan pracy silnika są stałe w czasie [1]. Jeśli natomiast przynajmniej jeden parametr stanu zmienia się w czasie, mamy do czynienia z sytuacją dynamiczną. Mówimy wówczas, o procesie dynamicznym stanu pracy silnika. W pewnym uproszczeniu jednak przyjmuje się zazwyczaj określenie stanu dynamicznego. Istnieją liczne prace naukowe, stwierdzające, że praca silnika w stanach dynamicznych znacząco różni się od pracy w odpowiadających im 3 stanach statycznych [2, 3]. Istnieją również badania wykazujące, że silnik w warunkach rzeczywistego użytkowania pracuje głównie w stanach dynamicznych [4, 5]. Powyższe dwa stwierdzenia prowadzą jednoznacznie do wniosku, że rozwój badań użytkowych właściwości silników spalinowych w stanach dynamicznych jest nie tylko celowy, ale wręcz konieczny. Pewnym przykładem ilustrującym ten wniosek może być analiza jednej realizacji laboratoryjnej testu HDDTT (Heavy Duty Diesel Transient Test) dla silnika Detroit Diesel Series 50. Wyniki tej analizy przedstawiono w tabeli. W tabeli są przedstawione udziały stanów statycznych i dynamicznych w teście oraz wartości średnie względnych natężeń emisji: tlenku węgla E COr, węglowodorów E HCr, tlenków azotu E NOxr, cząstek stałych E PM r i dwutlenku węgla E CO2r. 1 Prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów. 2 Mgr inż. Tomasz Szczepański, Instytut Transportu Samochodowego w Warszawie, Zakład Procesów Diagnostyczno Obsługowych. 3 Kryterium podobieństwa jest zazwyczaj równość wybranych parametrów opisujących stan pracy silnika. 47

2 Tab. Wartość względna emisji wybranych substancji zanieczyszczających w teście jezdnym HDDTT Stany statyczne Test HDDTT Udział stanu w teście Wartość względna średniego natężenia emisji E COr E HCr E NOxr E PMr E CO2r Bieg jałowy 0,32 0,45 0,02 0,07 0,03 0,07 Bieg niejałowy 0,18 0,13 0,34 0,30 0,34 0,30 Suma 0,50 0,58 0,36 0,37 0,37 0,37 Stany dynamiczne 0,50 0,43 0,42 0,64 0,63 0,63 Jak widać, połowa stanów pracy w rozpatrywanej realizacji testu HDDTT należy do zbioru stanów dynamicznych. W tych stanach emitowana jest większość 4 substancji zanieczyszczających. Warto również zauważyć, że większość spośród stanów statycznych jest tworzona przez stany pracy odpowiadające pracy silnika na biegu jałowym. Można się więc spodziewać, że w warunkach pracy silnika, w których bieg jałowy występuje rzadziej, udział stanów dynamicznych w emisji substancji zanieczyszczających będzie znacznie większy. 2. Problemy związane z badaniami silników w stanach dynamicznych Oczywiście zarówno samo prowadzenie badań w stanach dynamicznych, jak również analiza i interpretacja wyników bywa bardzo trudna [6, 7]. Warto zwrócić szczególną uwagę na trzy grupy problemów, które w głównym stopniu stanowią ograniczenie dla rozwoju badań silników spalinowych w tym zakresie Operatorowe zależności 5 pomiędzy poszczególnymi parametrami opisującymi pracę silnika Rozpatrując silnik jako układ automatyki, oznaczmy przez x i wybrany parametr wejściowy modelu, a przez y j wybrany parametr wyjściowy. Dla modelu dyskretnego, gdzie poszczególne chwile czasu będą oznaczane przez k, możemy zapisać następującą zależność: y j = F j [x 1 (k: 1 n), x 2 (k: 1 n)... x m (k: 1 n)] (1) gdzie F i jest operatorem, n całkowitą liczbą próbek od chwili początkowej do chwili bieżącej, a m liczbą parametrów wejściowych do modelu. Tak ogólna postać zależności operatorowej w praktyce nie nadaje się do analizy tym bardziej, że modele matematyczne silników cechują się silną nieliniowością Badania prowadzone w przestrzeni wielowymiarowej [1] Prowadząc badania w stanach statycznych można doprowadzić do uproszczenia niektórych zależności na zasadzie ich tożsamości na przykład dla stałej prędkości obrotowej moment obrotowy silnika jest tożsamy z momentem oporów zewnętrznych. 4 Trudno jest porównywać ilości wszystkich substancji zanieczyszczających łącznie w stanach statycznych i dynamicznych ponieważ każda z substancji charakteryzuje się inną szkodliwością. W stwierdzeniu, że większość substancji zanieczyszczających została wyemitowana w stanach dynamicznych zauważono głównie fakt, że cztery z sześciu rozpatrywanych substancji zostały wyemitowane w większej ilości w stanach dynamicznych w stosunku do stanów statycznych. 5 W zależności operatorowej (w odróżnieniu od zależności funkcyjnej) argumentami zależności nie są wartości, ale funkcje. 48

3 W przypadku badań prowadzonych w stanach dynamicznych tego typu uproszczenia nie mogą mieć miejsca. Ponadto w stanach dynamicznych często istnieje konieczność wprowadzenia dodatkowych parametrów opisujących pracę silnika, które definiowałyby rodzaj i stopień zmienności (dynamiki) danego stanu. Powoduje to, że badania silnika w stanach dynamicznych odbywają się w przestrzeni opisanej przez większą liczbę wielkości fizycznych. Ten fakt znacznie utrudnia analizę wyników z takich badań Duża niepowtarzalność wyników pomiarów 6 [8] Niepowtarzalność wyników pomiarów w badaniach wynika z dwóch głównych przyczyn: ze zjawisk przypadkowych wpływających na rozbieżności pomiarów, z ograniczonych możliwości klasyfikacji tych zjawisk, a przez to również analizy wyników. W przypadku badań silników spalinowych w stanach dynamicznych obydwie przyczyny wpływają na niepowtarzalność w większym stopniu, niż w stanach statycznych. Z jednej strony zwiększa się liczba zjawisk fizycznych wpływających na wyniki pomiarów, a z drugiej strony zmniejsza się możliwość klasyfikacji tych zjawisk, co rzutuje na ograniczenie możliwości analizy wyników. 3. Zwyczajowe rozwiązania powyższych problemów Przedstawione problemy związane z badaniem użytkowych właściwości silników spalinowych w stanach dynamicznych mają duży wpływ na charakter prowadzonych prac w tym zakresie. Zazwyczaj spotyka się prace naukowe, które można przyporządkować do jednej z pięciu kategorii: opracowania omawiające teoretyczne podstawy pracy silników w stanach dynamicznych [9, 10], porównanie parametrów pracy silnika w stanach dynamicznych i w odpowiadającym im stanach statycznych [2, 3], opracowanie testów dynamicznych uśredniających wybrane właściwości użytkowe silników w dziedzinie całego testu [11, 12], modelowanie pracy silnika lub jego części w wybranych stanach dynamicznych [13, 14], szczegółowa analiza jednego, wybranego stanu dynamicznego lub grupy stanów występujących w wybranym procesie (na przykład podczas swobodnego przyspieszania silnika) [15, 16]. Tego typu podejścia pozwalają wyeliminować wpływ wspomnianych w poprzednim punkcie problemów na prowadzone badania. Trzeba jednak zauważyć, że w takim układzie brak jest opracowań opisujących kompleksowo zagadnienie dynamicznej pracy silnika, dokonujących systematycznego przeglądu stanów dynamicznych, omawiających właściwości silnika w poszczególnych stanach, czy próbujących opisać ogólne zależności zauważalne w całościowym spojrzeniu na różne stany dynamiczne. Istnieje więc potrzeba dalszego rozwoju prac naukowych prowadzonych w tym zakresie. 6 Pod pojęciem współczynnika niepowtarzalności wyników pomiarów rozumie się w tym przypadku stosunek odchylenia standardowego i wartości średniej dla zbioru wyników pomiarów otrzymanych dla wybranego stanu pracy silnika. 49

4 4. Proponowane rozwiązania przedstawionych problemów W prezentowanych rozważaniach proponuje się przyjęcie kilku metod, które mogą doprowadzić do rozwiązania powyższych problemów. Umożliwi to nieco bardziej całościowe spojrzenie na problematykę pracy silnika w stanach dynamicznych Zamiana zależności operatorowych na zależności funkcyjne Dla zależności operatorowych, które w ogólnej postaci reprezentuje wzór (1), możliwe jest narzucenie pewnych więzów, które sprowadzą je do tożsamości z zależnościami funkcyjnymi. Więzami tymi może być ograniczenie dziedziny czasowej przebiegów parametrów wejściowych modelu. W szczególnym przypadku wzór (1) może przyjąć następującą postać: y j = F j [x 1 (k: (n 1) n), x 2 (k: (n 1) n)... x m (k: (n 1) n)] (2) Jest to równoznaczne z zapisem w następującej postaci: y j = f j [x 1 (n 1), x 1 (n), x 2 (n 1), x 2 (n) x m (n 1), x m (n)] (3) Jak widać we wzorze (3) zależność operatorowa F j została zastąpiona przez zależność funkcyjną f j, ponieważ przyporządkowuje ona wartości y j poszczególnym wartościom x i, a nie ich przebiegom. Przedstawiony zapis jest tożsamy z następującym: y j = f j [x 1 (n), x 1 (n), x 2 (n), x 2 (n) x m (n), x m (n)] (4) Taka forma zależności funkcyjnej może być bardziej użyteczna w praktyce, ponieważ uzależnia wartości wyjściowe modelu od bieżących wartości wejściowych oraz od ich pochodnych, które mogą być traktowane jako niezależne parametry opisujące warunki pracy silnika. Oczywiście narzucenie takich więzów wymaga sprawdzenia ich zasadności. Problem ten nie będzie szeroko omawiany w tej pracy. W pewnym skrócie warto jednak przedstawić propozycję weryfikacji słuszności narzuconych więzów za pomocą analizy funkcji korelacji wzajemnych 7 przebiegów poszczególnych parametrów wejściowych i wyjściowych. W ogólności proponuje się przyjęcie metody weryfikacji, według której narzucenie opisanych więzów jest uzasadnione wtedy i tylko wtedy, gdy wartości bieżące wszystkich parametrów wyjściowych są silnie skorelowane z wartościami bieżącymi wszystkich rozpatrywanych parametrów wejściowych i jednocześnie słabo skorelowane z wartościami poprzednimi parametrów wejściowych. Przykładowy wykres funkcji korelacji wzajemnej pomiędzy przebiegiem momentu obrotowego i przebiegiem natężeniem emisji dwutlenku węgla przedstawiono na rysunku 1. Jest to przypadek, dla którego warunki weryfikacji są spełnione. Istnieje wiele czynników, na które warto zwrócić uwagę podczas procedury weryfikacji więzów, ale nie będą one tutaj szczegółowo omawiane. 7 Funkcją korelacji wzajemnej przebiegów poszczególnych parametrów nazywa się funkcję, której wartości są równe sumie iloczynów kolejnych wartości rozpatrywanych przebiegów dla kolejnych wartości przesunięcia względnego tych przebiegów. [18] Dziedziną funkcji korelacji jest więc przesunięcie względne, a jej wartości stanowią odpowiednie wartości wskaźnika korelacji. Tak sporządzona funkcja pozwala na ocenę stopnia powiązania pomiędzy kolejnymi wartościami rozpatrywanego parametru wejściowego, a wartością bieżącą rozpatrywanego parametru wyjściowego. 50

5 Rys. 1. Wykres korelacji wzajemnej K momentu obrotowego M i natężenia emisji dwutlenku węgla E CO2 w dziedzinie czasu t Trzeba również podkreślić, że ewentualna możliwość narzucenia omówionych więzów nie jest cechą ogólną silników spalinowych, ani nawet jednego, konkretnego egzemplarza silnika. Jest to cecha, którą przypisuje się każdorazowo do przeprowadzonych badań. Tak więc należy ją przeprowadzać oddzielnie dla każdego testu Zmiana przestrzeni prowadzonych badań Jak wspomniano w punkcie 2.2, wielość parametrów opisujących pracę silnika w stanach dynamicznych prowadzi często do analizy wyników w przestrzeni wielowymiarowej, co jest bardzo trudne, a niekiedy wręcz niemożliwe do wykonania. Proponowane rozwiązanie problemu zależności operatorowych jeszcze bardziej nasila to zjawisko, ponieważ wprowadza znacznie więcej parametrów opisujących pracę silnika. Jest to zilustrowane na rysunku 2, na którym przedstawiono różnicę w stopniu złożoności modelu do badań statycznych i odpowiadającemu mu modelu do badań dynamicznych, stworzonemu na podstawie przedstawionej propozycji zamiany zależności operatorowych na funkcyjne. 51

6 Rys. 2. Przykładowe modele silnika spalinowego do badań w stanach: a) statycznych, b) dynamicznych Jako rozwiązanie tego problemu proponuje się zmianę przestrzeni opisanej przez parametry pracy silnika na przestrzeń, której dziedziną są stany pracy silnika. Stany pracy silnika są zdefiniowane za pomocą określonych parametrów jego pracy. Istnieje możliwość podziału zakresu wartości każdego parametru na pewne przedziały. Przynależność parametrów do poszczególnych kombinacji tych przedziałów będzie jednoznacznie definiowała poszczególne zbiory stanów pracy silnika. Wówczas będzie możliwe wybranie tylko tych zbiorów stanów, które faktycznie występują w rzeczywistych warunkach użytkowania silnika spalinowego 8. W ten sposób przestrzeń badań będzie zdefiniowana przez wybrane zbiory stanów pracy silnika. Sam zabieg podziału parametrów pracy na przedziały jest możliwy do realizacji również w przestrzeni opisanej przez poszczególne parametry, ale tylko po przejściu do przestrzeni opisanej przez stany pracy możliwa jest eliminacja tych stanów, które w praktyce nie występują. Ze wstępnych badań wynika, że jedynie nieliczne teoretycznie możliwe stany pracy występują w rzeczywistych warunkach użytkowania, a więc uproszczenie będzie znaczące Eliminacja części niepowtarzalności wyników pomiarów wynikającej z niedoskonałości analizy wyników Zaproponowane w punkcie 4.2. rozwiązanie będzie jednak sprzyjać nasilaniu zjawiska niepowtarzalności wyników pomiarów. Jak wspomniano w punkcie 2.3. niepowtarzalność ta zależy nie tylko od zjawisk przypadkowych zachodzących w trakcie badań, ale jest również spowodowana niedoskonałością analizy wyników. Definiowanie zbiorów stanów pracy silnika za pomocą kombinacji przynależności do przedziałów wartości poszczególnych parametrów jest przykładem takiej niedoskonałości tym bardziej, im większe są rozpatrywane przedziały. Z kolei zmniejszanie wielkości tych przedziałów skutkowałoby zwiększaniem liczby zbiorów stanów pracy do liczb nie nadających się w praktyce do analizy. W związku z tym proponuje się metodę eliminacji tej części zjawiska niepowtarzalności, która wynika z niedoskonałości klasyfikacji stanów pracy silnika. Zakłada ona de- 8 Występujące stany pracy silnika zależą nie tylko od samego silnika, ale przede wszystkim od zbioru zadań realizowanych za jego pomocą w trakcie testu. W związku z tym powstały zestaw zbiorów stanów pracy silnika będzie charakterystyczny dla danego testu. 52

7 finiowanie przedziałów parametrów pracy jako przedziałów rozmytych 9. Takie rozwiązanie pozwoli wprowadzić zmienne w sposób płynny kryteria przyporządkowania poszczególnych stanów pracy silnika do zbiorów stanów, a następnie optymalizację tych kryteriów pod kątem minimalizacji zjawiska niepowtarzalności wyników. Szczegóły tej procedury również nie będą w tym miejscu dokładnie omawiane. Jednak dla zilustrowania możliwości proponowanej metody, na rysunku 3. przedstawiono zależność wskaźnika niepowtarzalności od wartości progowej funkcji charakterystycznej zbiorów rozmytych, która w tym przypadku reprezentuje wspomniane kryteria przyporządkowania stanów pracy silnika do wybranego zbioru stanów. Na potrzeby prezentowanych rozważań można tę wartość progową interpretować jako wyznacznik podobieństwa stanów pracy silnika kwalifikowanych do jednego zbioru stanów. Rys. 3. Wykres współczynnika niepowtarzalności w, zależnego od kryteriów przyporządkowania stanów pracy silnika do zbioru stanów, reprezentowanych przez wartość progową funkcji charakterystycznej P Jak widać, stosując odpowiednie kryteria definiowanych zbiorów stanów pracy silnika możliwe było w tym przypadku zmniejszenie wartości wskaźnika niepowtarzalności. Nie udało się jednak całkowicie wyeliminować zjawiska niepowtarzalności. Ten przypadek dość dobrze ilustruje ogólną prawidłowość, według której możliwa jest minimalizacja niepowtarzalności wynikającej z niedoskonałości analizy wyników, jednak nie ma to wpływu na niepowtarzalność wynikającą ze zjawisk przypadkowych występujących w trakcie wykonywania badań. 5. Podsumowanie Prezentowane metody rozwiązania kilku podstawowych problemów związanych z badaniem użytkowych właściwości silników w stanach dynamicznych wymagają jeszcze wielu badań zanim będzie można dokonać pełniejszej oceny ich przydatności. Jed- 9 Pojęcie to pochodzi z teorii liczb rozmytych, nazywanej niekiedy teorią zbiorów rozmytych [17]. 53

8 nak na podstawie prowadzonych rozważań oraz badań wstępnych istnieje uzasadnione przypuszczenie, że mogą one pozwolić na dość kompleksowe spojrzenie na zagadnienie dynamicznej pracy silników spalinowych. Literatura: [1] Chłopek Z.: Uwagi do badań silników spalinowych w stanach dynamicznych. Silniki spalinowe nr 4/2010. [2] Chłopek Z.: Analiza emisji zanieczyszczeń z trakcyjnego silnika spalinowego, Mechanics and Mechanical Engineering 1/2005. Volume 9. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej. Łódź [3] Black J., Eastwood P. i inni: Diesel engine transient control and emissions response during a European extra urban drive cycle (EUDC), Paper No SAE [4] Longwic R.: Analiza procesu ciśnienia indykowanego silnika o zapłonie samoczynnym w warunkach nieustalonych, Monografia. Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej. Lublin [5] Rakopoulos C., Giakoumis E.: Availability analysis of a turbocharged diesel engine operating under transient load conditions. Wydawnictwo Elsevier. Energy vol. 29, [6] Cichy M.: Nowe metody badawcze silników spalinowych i środki techniczne ich realizacji KBN [7] Chłopek Z., Pawlicki M., Sypowicz R.: Analiza statystyczna natężeń emisji zanieczyszczeń z silnika spalinowego w warunkach symulujących użytkowanie dynamiczne. Archiwum Motoryzacji [8] Longwic R.: Charakterystyka działania silnika o zapłonie samoczynnym w warunkach swobodnego rozpędzania. Politechnika Lubelska. Lublin [9] Chłopek Z.: Metody badań właściwości silników spalinowych w warunkach przypadkowych modelujących użytkowanie. Archiwum Motoryzacji 4/ [10] Wang J., Storey J., Domingo N., Huff S., Thomas J., West B.: Studies of diesel engine particle emissions during transient operations using an engine exhaust particle szer., Aerosol Science and Technology. Volume 40, Issue 11. November [11] Ogawa H., Miyamoto N., Reksowardojo I.: Cycle to cycle transient characteristics of exhaust gas emissions from a diesel engine with different increasing and decreasing load patterns. Paper No SAE [12] Chłopek Z., Rostkowski J.: Analiza emisji zanieczyszczeń z silników o zapłonie samoczynnym w warunkach dynamicznych. Archiwum Motoryzacji 3/2003. [13] Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria Mechanika z. 173, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa [14] Mamala J., Jantos J.: Charakterystyki eksploatacyjne silnika samochodowego, Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12. [15] Lotko W., Longwic R., Górski K.: Analiza wybranych parametrów procesu spalania oleju napędowego w stanach nieustalonych pracy silnika spalinowego, Journal o KONES, Internal Combustion Engines, Vol. 7, No 1 2, 2000, [16] Serrano J. et Al.: Cycle to cycle diesel combustion characterization during engine transient operation, Paper No , SAE

9 [17] Gajewski R.: Sieci neuronowe, algorytmy genetyczne, zbiory rozmyte. Studio BEL [18] Zieliński T.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. WKŁ. Warszawa Streszczenie Praca dotyczy problemów związanych z analizą stanów pracy silnika tworzących proces dynamiczny. Wskazuje na dużą wagę tego zagadnienia i komentuje istniejący stan wiedzy oraz prowadzone badania w tym zakresie. Poruszane są trzy najpoważniejsze problemy, napotykane w praktyce: operatorowe zależności pomiędzy parametrami pracy silnika, wielowymiarowość przestrzeni istniejących zależności oraz duża niepowtarzalność wyników pomiarów. W dalszej części przedstawiane są metody postępowania, stanowiące propozycje rozwiązania powyższych trudności. Zależności operatorowe można przy pewnych założeniach zastąpić zależnościami funkcyjnymi. Analizę zależności w przestrzeni wielowymiarowej można zastąpić analizą w przestrzeni stanów. Z kolei niepowtarzalność wyników pomiarów można minimalizować na poziomie analizy wyników stosując przyporządkowanie stanów pracy silnika do rozmytych zbiorów stanów. Na podstawie przedstawionych metod omawiana jest możliwość kompleksowego spojrzenia na użytkowe właściwości silników spalinowych w stanach dynamicznych. Słowa kluczowe: dynamika, operator, funkcja, niepowtarzalność, silnik spalinowy RESEARCH OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE USEFUL QUALITIES IN DYNAMIC STATES Abstract The article regards some problems affect to analysis of engine transient work states which create dynamic process. It point on large importance of this problems and comment existing state of knowledge and conducted researches on this matter. It touch three central problems that we identify in practice: operator relations between parameters of engine work, multidimensional space of existing relations and big unrepeatability of measurement results. The next part of article shows methods which pose propositions of previous problems solutions. The operator relations are able to transform into functional relations when we put some assumptions. The relations analysis in multidimensional space we can replace by analysis in space of engine work states. There is also possibility to minimize the unrepeatability of measurement results in analysis results level using assigning the engine work states into fuzzy sets of conditions. On the basis on this methods the article discussed possibility of full scale view on combustion engine useful qualities in dynamic conditions. Keywords: dynamic, operator, function, unrepeatability, internal combustion engine 55