ANALIZA PORÓWNAWCZA ZASTOSOWANIA ZBIORÓW ROZMYTYCH W DIAGNOZOWANIU SILNIKÓW O ZAPŁONIE ISKROWYM I SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM

Transkrypt

1 ANALIZA PORÓWNAWCZA ZASTOSOWANIA ZBIORÓW ROZMYTYCH W DIAGNOZOWANIU SILNIKÓW O ZAPŁONIE ISKROWYM I SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM TOMASZ KAŁACZYSKI, GABRIEL GAJDZISKI, BOGDAN ÓŁTOWSKI Streszczenie Artykuł ukazuje zastosowanie teorii zbiorów rozmytych w diagnozowaniu silników o zapłonie iskrowym, jak i równie silników o zapłonie samoczynnym. Artykuł ukazuje równie porównanie zastosowania modelu rozmytego powyszych silników, ze wzgldu na otrzymywane uszkodzenia danego silnika. Słowa kluczowe: diagnostyka, model rozmyty, silnik o zapłonie iskrowym, silnik o zapłonie samoczynnym 1. Wprowadzenie W procesie eksploatacji maszyn obiekty techniczne czsto podlegaj diagnozowaniu, czyli procesowi majcym na celu okrelenie aktualnego stanu maszyny poprzez podanie odpowiednich wartoci parametrów diagnostycznych. Takimi parametrami mona okreli jedynie wielkoci mierzalne. W kadej maszynie bdcej w stanie eksploatacji z upływajcym czasem dochodzi do stanu niezdatnoci, na skutek uszkodze jej zespołów i podzespołów [6]. W silniku o zapłonie iskrowym bd o zapłonie samoczynnym, wraz z okresem eksploatacji obiektu dochodzi do zwikszonego zuycia paliwa, równie ma miejsce utrata mocy silnika, niewłaciwy proces spalania mieszanki paliwowo powietrznej, nierównomierna praca jednostki, czy take brak moliwo uruchomienia obiektu.

2 120 Tomasz Kałaczyski, Gabriel Gajdziski, Bogdan ółtowski Analiza porównawcza zastosowania zbiorów rozmytych w diagnozowaniu silników o zapłonie iskrowym i silników o zapłonie samoczynnym Rysunek 1. Ilustracja graficzna dwuwymiarowej oceny stanu obiektu: xp, xd, xo cechy stanu: pocztkowa, dopuszczalna i graniczna; tp, td, to czas eksploatacji obiektu: pocztkowy, dopuszczalny, graniczny [6] Powysze uszkodzenia powoduj zwikszone nakłady finansowe ponoszone przez uytkownika maszyny, a take nadmiern ilo substancji toksycznych wydostajcych si z rury wylotowej pojazdu do rodowiska. W dzisiejszym wiecie, gdzie ekologia odgrywa istotna rol, nie mona pozwoli do degradacji atmosfery. Jednake przy zastosowaniu modelu rozmytego mona szybko zdiagnozowa uszkodzenie. Przy zastosowanie modelu do rozpoznawania stanu obiektu odwzorowuje si przestrze sygnałów diagnostycznych w przestrze stanu maszyny. 2. Model rozmyty Logika rozmyta w porównaniu z logik klasyczn róni si wartociami, jakie to mona otrzyma. W logice klasycznej dostpne s tylko dwie wartoci: 0 lub 1. Natomiast logika rozmyta umoliwia zwikszenie wartoci w granicach od 0 do 1 (np. 0,3; 0,65; itd.). Powysze rozmycie granic znalazło zastosowanie przy modelowaniu rozmytym. Logika rozmyta znalazła zastosowanie w modelowaniu obiektów nieliniowych. Informacja uzyskana podczas badania diagnostycznego zawiera w sobie sygnały i zakłócenia, wywołane m.in. drganiami. Czsto równie zdefiniowany model diagnostyczny nie odzwierciedla stanu obiektu rzeczywistego, gdy takie sprecyzowanie jego własnoci fizycznych, mechanicznych nie zostanie spełnione przez konstruktora z powodu jego niepełnej wiedzy o obiekcie. Przy modelowaniu stanu maszyny z zastosowaniem logiki rozmytej niezbdne jest połczenie wiedzy eksperta z danej dziedziny wiedzy oraz wykorzystanie danych pomiarowych nominalnych. Rol eksperta przy modelowaniu stanu maszyny jest okrelenie struktury wraz z pocztkowymi wartociami parametrów modelu. Za wartoci parametrów nominalnych maj za zadanie pomóc konstruktorowi odpowiednio zamodelowa [3].

3 121 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 46, 2011 Rysunek 2. Przykładowa struktura modelu rozmytego ródło: [3]. 3. Struktura modelu rozmytego rozmywanie (fuzzification) wnioskowanie (interferencja) wyostrzenie (deffuzification) W etapie rozmywania na wejcia modelu rozmytego s wprowadzane wartocix 1 *,x 2 *,które s reprezentowane przez liczby rzeczywiste. Okrela si je jako wartoci ostre. W bloku fuzyfikacji dokonuje si operacji rozmywania czyli obliczania stopnia przynalenoci wej (wartoci ostrych x 1 *, x 2 *)do poszczególnych zbiorów rozmytych A i,b i. W celu stworzenia prawidłowych zbiorów rozmytych, funkcje przynalenoci Ai (x 1 *), Bi (x 2 *)musz by precyzyjnie zdefiniowane jakociowo (zastosowanie odpowiedniej funkcji) oraz ilociowo (zastosowanie współczynnika funkcji). Zarówno parametry, jak i kształt funkcji przynalenoci maj duy wpływ na dokładno modelu. oblicza na podstawie wejciowych stopni przynalenoci dla Ai (x 1 *), Bi (x 2 *)tzw. wynikow funkcj przynalenoci wyn (y) wyjcia modelu. Funkcja ta ma czsto złoony kształt. Jej wyznaczanie odbywa si poprzez inferencj (wnioskowanie), która moe

4 122 Tomasz Kałaczyski, Gabriel Gajdziski, Bogdan ółtowski Analiza porównawcza zastosowania zbiorów rozmytych w diagnozowaniu silników o zapłonie iskrowym i silników o zapłonie samoczynnym by matematycznie zrealizowana na wiele sposobów.aby przeprowadzi obliczenia inferencyjne naley zdefiniowa: baz reguł, mechanizm (funkcj) inferencji, funkcje przynalenoci wyjcia y modelu. Baza reguł zawiera reguły logiczne okrelajce zalenoci przyczynowo skutkowe istniejce wsystemie pomidzy zbiorami rozmytymi wej i wyj. Przykładowo, baza reguł moe mie posta: Jeli (x i = A 1 ) i (x 2 = B 1 ) to (y = C 1 ) (1) Jeli (x i = A 1 ) i (x 2 = B 2 ) to (y = C 2 ) Jeli (x i = A 2 ) i (x 2 = B 1 ) to (y = C 3 ) Jeli (x i = A 2 ) i (x 2 = B 2 ) to (y = C 4 ) gdzie: A 1, A 2 B 1, B 2 zbiory rozmyte wej, C i, C 2, C 3 zbiory rozmyte wyjcia. Wnioskowanie rozmyte wymaga oceny stopnia spełnienia (prawdziwoci) przesłanek poszczególnych reguł. Im wyszy jest stopie spełnienia przesłanki, tym wyszy jest udział danej reguły w okreleniu wynikowego wniosku bazy reguł. W operacji wyostrzania podczas przeprowadzenia procesu wnioskowania otrzymuje si pewien zbiór rozmyty. Zbiorowi temu mona nada pewne znaczenie lingwistyczne. Jednak w pewnych sytuacjach podane jest uzyskanie w wyniku wnioskowania wartoci numerycznej. 4. Zastosowanie zbiorów rozmytych w diagnozowaniu stanu technicznego silnika o zapłonie iskrowym Przy zamodelowaniu stanu technicznego silnika o zapłonie iskrowym posłuono si aplikacj FuzzyLogicToolbox rodowiska Matlab. Powysza aplikacja posiada w swych zasobach logik rozmyt wspomagajc prac konstruktora modelu przy wnioskowaniu kocowym. Do diagnozowania przyjto silnik o zapłonie iskrowym, który wyposaony jest w układ wtryskowy, reaktor katalityczny oraz sond lambda. Natomiast badania były prowadzone na kilku pojazdach mechanicznych w wyej wymienione układy. Parametry biorce udział we wnioskowaniu rozmytym zostały zaczerpnite z uzyskanych wartoci pomiaru analizy spalin. Powysze parametry zostały odpowiednio zdefiniowane wzmiennych lingwistycznych. Z kolei zmienne lingwistyczne były nastpnie wykorzystane przy budowie bazy reguł modelu rozmytego. Do zastosowania modelu rozmytego przy wnioskowaniu diagnostycznym niezbdne s nastpujce parametry: warto tlenku wgla CO w spalinach, zawarto dwutlenku wgla CO 2 wspalinach, warto wglowodorów CH w spalinach, poziom tlenu O 2 w spalinach, oraz współczynnik nadmiaru powietrza. Wszystkie wartoci parametrów oprócz współczynnika

5 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 46, nadmiaru powietrza wyraane s w zawartoci procentowej objtociowej spalin. Powysze wartoci uzyskuje si z wydruku z analizatora spalin, a nastpnie wprowadza si do modelu rozmytego. Kady parametr zmiennej lingwistycznej został rozdzielony na poszczególne przedziały wartoci, dziki czemu moliwe jest zamodelowanie kilku moliwych stanów obiektu technicznego, w które nastpnie obiekt moe przechodzi powodujc uszkodzenia. Rysunek 3. Wygld monitora działania systemu rozmytego dla przypadku 1 ródło: Opracowanie własne. Na rysunku powyej przedstawiony jest schemat wnioskowania rozmytego. W kolumnach przedstawione s poszczególne zmienne lingwistyczne (zaznaczone kolorem ółtym), wraz zodpowiednimi dla nich przedziałami wartoci danych parametrów. Ostatnia kolumn (kolor niebieski) stanowi konkretne uszkodzenie, która zapisana jest jako wynikowa funkcja przynalenoci struktury modelu rozmytego. Poszczególne wiersze ( kolejno od 1 do 16) przedstawiaj zapisan w programie baz reguł modelu rozmytego, a take odnosz si do konkretnego uszkodzenia obiektu technicznego. Im wicej moliwych jest stworzenia reguł stanów diagnostycznych, tym model rozmyty bdzie charakteryzował si wikszym prawdo podobiestwem we wskazaniu konkretnego uszkodzenia zespołu bd elementu. Kocowym etapem jest wnioskowanie rozmyte. Na powyszym rysunku otrzymuje si warto wyostrzon. Okno monitora pozwala przeledzi działanie mechanizmu rozmywania zmiennych wejciowych, rodzaj zastosowanej implikacji, działanie operacji agregacji rozmytych wyj oraz działanie wybranej metody wyostrzania zmiennych wyjciowych. Za pomoc czerwonych linii mona zmienia połoenie, reprezentujce ostre wartoci zmiennych wejciowych i obserwowa zarówno wartoci funkcji przynalenoci zdefiniowanych dla dane zmiennej wejciowej, jak iwpływ takiej zmiany na rozmyte wartoci wyjcia (wynikajce z funkcji przynalenoci, zdefiniowanych dla zmiennych wyjciowych) oraz na ostr warto wyj systemu.

6 124 Tomasz Kałaczyski, Gabriel Gajdziski, Bogdan ółtowski Analiza porównawcza zastosowania zbiorów rozmytych w diagnozowaniu silników o zapłonie iskrowym i silników o zapłonie samoczynnym Na rysunku 3 ukazane jest wnioskowanie diagnostyczne dla konkretnego przypadku. Charakter stanu po wyostrzeniu wnioskowania przyjł siódm reguł bazy wiedzy, co odpowiada obnionej sprawnoci reaktora katalitycznego. Przyczyn tego moe by zmniejszona skuteczno utleniania czstek toksycznych przez reaktor katalityczny, spowodowany utrat własnoci czynnika aktywnego znajdujcego si na powierzchni reaktora katalitycznego. Na rysunku poniej przedstawiona jest dziewita reguła z bazy wiedzy modelu rozmytego. Charakter stanu po wyostrzeniu wnioskowania odpowiada dziewitemu stanu uszkodzenia, co odpowiada niewłaciwej pracy jednego z wtryskiwacza. Pomimo współczynnika = 1 i mieszanki stechiometrycznej, paliwo nie zostało dokładnie rozpylone a take nie zostało dokładnie wymieszane w powietrzem, co po spaleniu mieszanki paliwowo-powietrznej spowodowało pozostawienie nadmiernej iloci czsteczek CO oraz zwikszon liczb nieutlenionych wglowodorów CH. Rysunek 4. Wygld monitora działania systemu rozmytego dla przypadku 2 ródło: Opracowanie własne.

7 125 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 46, Zastosowanie zbiorów rozmytych w diagnozowaniu stanu technicznego silnika o zapłonie samoczynnym Silniki o zapłonie samoczynnym róni si, w porównaniu z silnikami o zapłonie iskrowym, sposobem przygotowania mieszanki, jej spalania oraz rodzajem stosowanego paliwa. Konsekwencj tych rónic s: inne wartoci parametrów charakteryzujcych proces spalania oraz inny skład i koncentracja głównych składników spalin. Na emisj składników spalin silnika ZS w pocztkowej fazie pracy ma wpływ stan cieplny silnika, reprezentowany przez temperatur oleju i cieczy chłodzcej. Czynniki majce wpływ na warunki termiczne przepływu ładunku, tworzenia mieszaniny palnej, spalania i wylotu spalin, odgrywaj istotn rol dla emisji substancji zawartych w spalinach[1]. Do zainicjowania samozapłonu wtrynitego paliwa jest niezbdne wytworzenie w cylindrze wkocu suwu sprania odpowiedniej temperatury. Obnienie temperatury otoczenia wpływa bezporednio i porednio na wiele czynników, od których zale parametry ładunku spronego wcylindrze, m.in. wzrost lepkoci oleju smarujcego. Spadek pojemnoci akumulatora zwiksza momenty oporowe silnika, zmniejsza prdko obrotow wału korbowego wymuszon rozrusznikiem elektrycznym; zmniejszenie tej prdkoci oznacza wydłuenie czasu trwania suwu sprania, co zwiksza straty przedmuchów i straty ciepła oraz doprowadza do zmniejszenia temperatury i cinienia koca suwu sprania. Niekorzystne warunki samozapłonu paliwa potguj fakt jego gorszego rozpylenia i odparowania, powizanego ze spadkiem prdkoci obrotowej pompy wtryskowej i wzrostem lepkoci paliwa. Ze wzgldu na zmienn warto prdkoci obrotowej podczas rozruchu kt wyprzedzenia wtrysku na ogół jest nieodpowiedni. Powoduje to istotne zakłócenia w organizacji procesu spalania paliwa, czego konsekwencj s bardzo due wartoci p max. Rozruch silnika ZS nastpuje przy wzrocie prdkoci obrotowej wału korbowego napdzanego przez rozrusznik przy jednoczesnym doprowadzaniu paliwa do cylindrów silnika. Dostarczanie paliwa odbywa si przez wtrysk hydrauliczny, polegajcy na wymuszonym rónic cinie wypływie paliwa z otworów rozpylacza do otoczenia wypełnionego spronym powietrzem. Od momentu rozpoczcia wtrysku w cylindrze wytwarza si mieszanina palna, która w odpowiednich warunkach ulega samozapłonowi. Skład i struktura powstałej mieszaniny decyduj o przebiegu procesu spalania, a co za tym idzie, maj wpływ na charakter emisji zwizków toksycznych spalin (rys. 5) [1].

8 126 Tomasz Kałaczyski, Gabriel Gajdziski, Bogdan ółtowski Analiza porównawcza zastosowania zbiorów rozmytych w diagnozowaniu silników o zapłonie iskrowym i silników o zapłonie samoczynnym ródło: [1]. Rysunek 5. Wzajemne zalenoci czynników fizycznych i chemicznych na powstawanie zwizków szkodliwych Do zamodelowania uszkodze w pracy silnika o zapłonie samoczynnym niezbdne s zmienne lingwistyczne, które bd odpowiada za wskazanie na konkretne uszkodzenie elementu silnika. Na zmienne lingwistyczne składaj si takie parametry, które zawarte s w spalinach powyszego silnika, czyli zawarto tlenków azotu NO x w spalinach, zawarto tlenku wgla CO w spalinach, zawarto niespalonych wglowodorów CH w spalinach. Wymienione wczeniej składniki zadymienia spalin podane musz w jednostkach ppm (Parts Per Milion). Poniej podano zalenoci pomidzy procentow objtoci zadymienia spalin, a wartoci ppm: 0,01% objtoci 100 ppm 1% objtoci ppm 100% objtoci ppm Równie do wnioskowania diagnostycznego modelu rozmytego niezbdny stopie zadymienia spalin k, który podawany jest w (m -1 ). Poszczególne parametry zostały równie odpowiednio podzielone na przedziały, dziki czemu moliwe jest wygenerowanie bazy reguł, przy wykorzystaniu konkretnych przedziałów parametrów. Powysza baza reguł, składajca si z reguł odpowiadajcym stanom obiektu, poprzez wnioskowanie diagnostyczne wskazuje na konkretne uszkodzenie obiektu. Poniej podano przykładowe uszkodzenie, które zostało wygenerowane przy wnioskowaniu diagnostycznym.

9 127 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 46, 2011 Rysunek 6. Wygld monitora działania systemu rozmytego dla przykładu 3 ródło: Opracowanie własne. Na powyszym rysunku pokazane sa trzy moliwe uszkodzenia układu zasilania w paliwo. Oprócz 7. stanu obiektu ukazane s równie stany 3. oraz 11. Jednake warto wyostrzona pokrywa si ze stanem nr 7., wyróniajc go sporód pozostałych stanów.powyszy stan uszkodzenia w odniesieniu do bazy reguł wskazuje na zmniejszenie luzu zaworowego. Pojazd był uruchamiany przy temperaturze eksploatacyjnej silnika.

10 128 Tomasz Kałaczyski, Gabriel Gajdziski, Bogdan ółtowski Analiza porównawcza zastosowania zbiorów rozmytych w diagnozowaniu silników o zapłonie iskrowym i silników o zapłonie samoczynnym Rysunek 7. Wygld monitora działania systemu rozmytego dla przykładu 4 ródło: Opracowanie własne. Na powyszym rysunku model rozmyty wskazał na wiele stanów obiektu. Przeprowadzajc wnioskowanie kocowe sporód zapisanych stanów w bazie reguł na skutek wartoci parametrów spalin, model rozmyty ukazuje wieloznaczne moliwe stany obiektu. Jednake wnioskowanie kocowe przy wykorzystaniu funkcji przynalenoci wyjcia wskazuje na stan 10. Powyszy stan wskazuje na zwikszenie wartoci luzu zaworowego. Silnik uruchamiany był w temperaturze otoczenia. 6. Podsumowanie i wnioski Po przeprowadzeniu bada na pojazdach z silnikami o zapłonie samoczynnymuzyskano róne wartoci składników emisji spalin. Trudno było stwierdzi, co jest przyczyn uzyskania takich wyników. Natomiast po przeniesieniu tych wartoci do programu uzyskano jednoznaczn odpowied, e wartoci parametrów emisji spalin pojazdu odpowiadaj konkretnemu charakterowi stanu pojazdu wraz z konkretnym uszkodzeniem. Przeprowadzajc badania silników o zapłonie samoczynnym, dla zamodelowanych uszkodze, otrzymano wyniki, które zaimplementowano do modelu rozmytego. Analiza uszkodze przy uyciu modelu rozmytego, wykorzystujca wartoci uzyskane parametrów analizy spalin, pozwala na wskazanie konkretnego uszkodzenia z prawdopodobiestwem bliskim jednoci. Przy wnioskowaniu diagnostycznym program wygenerował kilka uszkodze, natomiast dziki zapisanej bazie reguł został wskazany konkretny stan silnika wraz z uszkodzeniem jemu odpowiadajcym. Porównanie wyników silnika o zapłonie samoczynnym z silnikiem o zapłonie iskrowym potwierdza słuszno zastosowania zbiorów rozmytych dla silników ZS. Dlatego te zbiory

11 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 46, rozmyte naley uwaa jako dedykowane do analizy uszkodze silnika o zapłonie samoczynnym, bazujcej na wartociach jakociowych oraz ilociowych analizy spalin Bibliografia 1. Bielaczyc P., Merkisz J., Pielecha J.: Stan cieplny silnika spalinowego a emisja zwizków szkodliwych, Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna, Cholewa W.: Metoda diagnozowania maszyn z zastosowaniem zbiorów rozmytych, Gliwice Praca zbiorowa pod redakcj Korbicza J.: Diagnostyka procesów, WNT, Warszawa Mrozek B.: Matlab i Simulink. Poradnik uytkownika, Wydawnictwo Helion, Gliwice Sitek K.: Analiza spalin silnika ZI. Pomiar zadymienia spalin silnika ZS, Poradnik serwisowy 3/2010, Instalator Polski, Warszawa, ółtowski B., Niziski S.: Modelowanie procesów eksploatacji maszyn, ATR, Bydgoszcz, Prac zrealizowano w ramach projektu Techniki wirtualne w badaniach stanu, zagroe bezpieczestwa i rodowiska eksploatowanych maszyn. Numer projektu: WND-POIG /09.

12 130 Tomasz Kałaczyski, Gabriel Gajdziski, Bogdan ółtowski Analiza porównawcza zastosowania zbiorów rozmytych w diagnozowaniu silników o zapłonie iskrowym i silników o zapłonie samoczynnym COMPARATIVE ANALYSIS OF THE USE OF FUZZY SETS IN THE DIAGNOSIS OF SPARK IGNITION ENGINES AND COMPRESSION IGNITION ENGINES Summary Article shows the application of the theory of fuzzy sets in the diagnosis of spark ignition engines, as well as diesel engines. Article also shows the comparison of the use of fuzzy model, these engines due to damage to the engine receives. Publication of the project "Virtual Technology in clinical status, safety and environmental hazards operated machines," co-financed by the European Union from the European Regional Development Fund. Keywords: diagnostics, fuzzy model, petrol engine, diesel engine Publikacja w ramach projektu Techniki wirtualne w badaniach stanu, zagroe bezpieczestwa i rodowiska eksploatowanych maszyn współfinansowany przez Uni Europejsk ze rodków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Numer projektu: WND-POIG /09 Tomasz Kałaczyski Gabriel Gajdziski Bogdan ółtowski Zakład Pojazdów i Diagnostyki Wydział Inynierii Mechanicznej Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy kalaczynskit@utp.edu.pl gabgaj1@wp.pl bogzol@utp.edu.pl