DIAGNOZOWANIE LUZU ZAWOROWEGO SILNIKA NA PODSTAWIE ZMIAN ENERGETYCZNYCH SYGNAŁU DRGANIOWEGO

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 75 Tomasz FIGLUS Wydział Transportu, Politechnika Śląska, Katowice DIAGNOZOWANIE LUZU ZAWOROWEGO SILNIKA NA PODSTAWIE ZMIAN ENERGETYCZNYCH SYGNAŁU DRGANIOWEGO Słowa kluczowe Diagnostyka, silniki spalinowe, wibroakustyka. Streszczenie Celem badań jest diagnozowanie zwiększonego luzu zaworowego silnika spalinowego, który może być spowodowany uszkodzeniem hydraulicznych automatycznych kasowników luzu zaworowego lub nadmiernym zużyciem elementów głowicy. Do diagnozowania luzu zaworowego zaproponowano zastosowanie metody pomiaru i analizy drgań. W celu wykazania jej użyteczności przeprowadzono badania stanowiskowe, w których symulowano powiększony luz zaworowy silników z zapłonem iskrowym i samoczynnym. Następnie przeprowadzono przetwarzanie i analizę przyśpieszenia drgań silników, obliczając energię sygnału w oknie kroczącym i jego rozkłady czasowo-częstotliwościowe Wignera- -Ville a. Wprowadzenie Powszechne zastosowanie silników spalinowych w układach napędowych pojazdów samochodowych powoduje, że stale prowadzone są prace nad rozwojem metod diagnozowania ich stanu. Główny kierunek tych prac to analiza informacji rejestrowanych przez układy diagnostyczne pojazdów oraz zastosowa-

2 76 PROBLEMY EKSPLOATACJI nie innych metod pomiarowych, np. analiz drgań i hałasu. Pierwsze z tych metod umożliwiają diagnozowanie przede wszystkim podzespołów elektronicznych silnika, co zaprezentowano m.in. w [1, 6, 7], a w drugim przypadku możliwość diagnozowania podzespołów mechanicznych. Wyniki tych badań zamieszczono np. w [2 6, 8 11]. Jednym z problemów przy określaniu stanu technicznego silników spalinowych jest bezdemontażowe i bezkontaktowe diagnozowanie zwiększonego luzu zaworowego. Tradycyjne metody diagnozowania tego uszkodzenia silnika spalinowego, polegające na pomiarach z zastosowaniem pokładowych urządzeń diagnostycznych oraz badaniach warsztatowych opartych m.in. na obsłuchiwaniu poszczególnych jego elementów, okazują się nie zawsze wystarczające do szybkiego wskazania wadliwego elementu. Istotnym problemem, który wpływa na zwiększenie zawodności tych badań, jest transmisja drgań pomiędzy elementami głowicy i kadłuba silnika oraz ograniczona informacja o chwilowym położeniu wału korbowego. Przedstawione kwestie powodują, że autor pracy proponuje zastosowanie do tych badań metod pomiaru i analizy sygnału drganiowego. W pracy zamieszczono wybrane wyniki pomiarów i analizy przyśpieszenia drgań silników spalinowych, których celem było diagnozowanie zwiększonego luzu zaworowego, który może być spowodowany uszkodzeniem hydraulicznego, automatycznego kasownika luzu zaworowego. 1. Metoda badań Badania wykonano na dwóch silnikach spalinowych samochodów osobowych, z zapłonem iskrowym (ZI) i samoczynnym (ZS). Każdy z silników wyposażony był w głowice 8-zaworowe. Uszkodzenie automatycznego hydraulicznego kasownika luzu zaworowego objawia się charakterystycznym symptomem w postaci stuku dochodzącego z komory silnika, który jest bardzo trudny do zlokalizowania w warunkach warsztatowych. Pierwsze fazy tego uszkodzenia obserwuje się przy starcie zimnego silnika, a zaawansowane uszkodzenie już podczas normalnej pracy. Zjawisko to symulowano więc poprzez znaczące, 2-krotne zwiększenie nominalnego luzu zaworowego przewidzianego dla badanych silników. W silniku z zapłonem iskrowym uszkodzenie modelowano na zaworach drugiego cylindra silnika, natomiast w silniku z zapłonem samoczynnym na zaworach czwartego cylindra. W celu prawidłowej interpretacji zmian występujących w sygnałach drganiowych wymagana jest znajomość kątów faz rozrządu dla badanych silników. Wartości te zamieszczono w tabeli 1, a na rysunku 1 zaprezentowano zmianę tych kątów w zależności od zwrotu zewnętrznego (ZZ) i wewnętrznego (ZW) tłoka.

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI 77 Tabela 1. Kąty faz rozrządu badanych silników Silnik ZI α d 7 α w 41 β d 43 β w 5 Silnik ZS α d 6 α w 48 β d 44 β w 2 Rys. 1. Fazy rozrządu silnika, gdzie: α d kąt wyprzedzenia otwarcia zaworu dolotowego, β d kąt opóźnienia zamknięcia zaworu dolotowego, α w kąt wyprzedzenia otwarcia zaworu wylotowego, β w kąt opóźnienia zamknięcia zaworu wylotowego, OWK kierunek obrotu wału korbowego silnika Do diagnozowania uszkodzeń zaworów stosowano układ pomiarowy składający się z: przetwornika piezoelektrycznego, którym mierzono przyśpieszenie drgań elementów silnika zgodnie z kierunkiem osi ruchu tłoka (rys. 2), czujnika laserowego, którym określano pozycje wału korbowego, analizatora sygnałów DSPT SigLab, komputera do rejestracji sygnałów. Sygnały drganiowe rejestrowano z częstotliwości 25,6 khz. Do obróbki sygnałów stosowano oprogramowanie Matlab-Simulink [12].

4 78 PROBLEMY EKSPLOATACJI a) b) Rys. 2. Przykładowy punkt pomiaru przyśpieszenia drgań silnika ZI a) oraz silnika ZS b) 2. Metoda analizy sygnałów W związku z faktem, że sygnał drganiowy silnika spalinowego zawiera wiele informacji na temat przebiegu procesu spalania i pracy jego podzespołów, analiza widma jego drgań może nie uwydatnić istotnych informacji o krótkoczasowych (nawet wysokoenergetycznych) zmianach jego amplitudy. Wyniki analizy zamieszczone w [3, 4] wykazały, że utrudnione jest diagnozowanie rozpatrywanego w pracy uszkodzenia, z wykorzystaniem widma obliczonego na podstawie szybkiej transformaty Fouriera. W pracy proponuje się więc wykonanie analizy zmian energetycznych sygnału drganiowego w dziedzinie czasu oraz czasu i częstotliwości. Na podstawie badań wstępnych przyjęto następujący algorytm przetwarzania zarejestrowanych sygnałów: uśrednianie sygnału zgodnie z sygnałem referencyjnym, filtracja górnoprzepustowa, obliczanie energii przetworzonego sygnału E syg. w oknie kroczącym, na podstawie zależności: gdzie: E j = + k 2 syg. n i) i= j i dyskretna próbka sygnału drganiowego, j = 1,..., l, l ilość próbek przetwarzanego sygnału, k szerokość okna kroczącego. ( (1) obliczanie rozkładu czasowo-częstotliwościowego Wignera-Ville a przetworzonego sygnału, na podstawie zależności:

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI 79 gdzie: WV(t,f ) τ τ = + x(t + )x * (t )w( τ)e 2 2 x*(t) sygnał urojony sprzężony z x(t), w(t) funkcja wagi. j 2πfτ dτ (2) Analizy sygnału drganiowego wykonano stosując filtrację górnoprzepustową w zakresie pasma Hz. Wybór pasma przeprowadzony w badaniach wstępnych, ukierunkowany był na wykrywanie w całym paśmie częstotliwości drgań takich jego zakresów, które zawierają informację o procesie spalania i uszkodzeniu zaworów. Krok ten umożliwił odrzucenie informacji będących w tych badaniach zakłóceniem. 3. Wyniki analizy drgań silników Stosując zaprezentowany w punkcie 2 publikacji algorytm przetwarzania sygnałów, w pierwszym przypadku poddano analizie sygnał przyśpieszenia drgań silnika z zapłonem iskrowym. Na rysunkach 3 i 4 zamieszczono obliczoną w oknie kroczącym energię sygnału drganiowego oraz jego rozkłady czasowo- -częstotliwościowe Wignera-Ville a, w zależności od stanu technicznego silnika. a) w 1 cylindrze w 3 cylindrze w 4 cylindrze w 2 cylindrze b) wylotowego c) dolotowego Rys. 3. Sygnały energii drgań silnika ZI zarejestrowane dla: a) silnika w stanie dobrym, b) silnika z modelowanym uszkodzeniem zaworu wylotowego, c) silnika z modelowanym uszkodzeniem zaworu dolotowego

6 80 PROBLEMY EKSPLOATACJI a) b) wylotowego c) d) dolotowego Rys. 4. Rozkłady czasowo-częstotliwościowe sygnału przyśpieszenia drgań silnika ZI zarejestrowane dla: a) i c) silnika w stanie dobrym (rozkłady odniesienia), b) silnika z modelowanym uszkodzeniem zaworu wylotowego, d) silnika z modelowanym uszkodzeniem zaworu dolotowego W sygnale drganiowym zarejestrowanym dla silnika, w którym nie występowało uszkodzenie, występuje lokalny wzrost amplitudy energii towarzyszący procesowi spalania. Wzrost ten jest nierównomierny, co spowodowane jest różną transmisją drgań elementów silnika i wyborem punktu pomiarowego. W przypadku sygnału drganiowego zarejestrowanego, gdy w silniku symulowano zwiększony luz zaworowy (rys. 3b c, 4b, 4d), obserwuje się lokalny wzrost amplitudy energii drgań, w zakresie zamykania uszkodzonych zaworów. Wzrost ten jest znacznie większy w porównaniu ze wzrostem amplitudy spowodowanego procesem spalania (rys. 3a, 4a, 4c). Zmiana przyśpieszenia drgań w zakresie zamykania uszkodzonych zaworów powoduje pobudzenie drgań

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI 81 w całym zakresie częstotliwości z wartościami maksymalnymi w zakresie pasma 3,5 5 khz oraz 6 6,4 khz. W drugim przypadku prowadzono analizy sygnału drganiowego silnika ZS. Jak wynika z zaprezentowanych na rysunkach 5 i 6 zmian energetycznych, wzrost amplitudy sygnału towarzyszący procesowi spalania przybiera znacząco większe wartości, niż te, które obserwowano dla silnika ZI (rys. 3 4). a) w 4 cylindrze w 2 cylindrze w 1 cylindrze w 3 cylindrze b) wylotowego c) dolotowego Rys. 5. Sygnały energii drgań silnika ZS zarejestrowane dla: a) silnika w stanie dobrym, b) silnika z modelowanym uszkodzeniem zaworu wylotowego, c) silnika z modelowanym uszkodzeniem zaworu dolotowego W przypadku sygnałów zarejestrowanych, gdy symulowano w silniku uszkodzenie kasowników luzu zaworowego, obserwuje się szerokopasmowy przyrost energii drgań w zakresie kąta obrotu wału korbowego, odpowiadającego zamykaniu uszkodzonych zaworów. Wartość amplitudy energii sygnałów przyjmuje w tym przypadku zbliżone wartości do tych, które towarzyszą procesowi spalania. W rozkładach czasowo-częstotliwościowych przetworzonych sygnałów drganiowych możliwe jest wyznaczenie pasm częstotliwości, w których występuje proces spalania zakres 1,5 3,0 khz oraz lokalny wzrost amplitudy towarzyszący uszkodzeniu zaworów (maksymalne zmiany w zakresie częstotliwości powyżej 2,5 khz).

8 82 PROBLEMY EKSPLOATACJI a) b) wylotowego c) d) dolotowego w 3 cylindrze Rys. 6. Rozkłady czasowo-częstotliwościowe sygnału przyśpieszenia drgań silnika ZS zarejestrowane dla: a) i c) silnika w stanie dobrym (rozkłady odniesienia), b) silnika z modelowanym uszkodzeniem zaworu wylotowego, d) silnika z modelowanym uszkodzeniem zaworu dolotowego Podsumowanie Diagnozowanie silników spalinowych samochodów osobowych jest ciągle rozwijającą się dziedziną badań. Dzięki rozwojowi techniki komputerowej do ich diagnozowania można obecnie stosować dodatkowe badania, wykorzystujące pomiary i analizy sygnałów drganiowych.

9 PROBLEMY EKSPLOATACJI 83 Przedstawione w pracy eksperymenty, których celem było diagnozowanie uszkodzeń hydraulicznych automatycznych kasowników luzu zaworowego, modelowanych przez zwiększenie luzu zaworów, wskazują na przydatność zaproponowanej w pracy metody badań. Wyniki pomiarów i analiz sygnałów drganiowych silnika jednoznacznie wskazują na występujący znaczny luz zaworów. Powiązanie zmian jakościowych amplitudy sygnałów drganiowych w zakresie otwierania i zamykania uszkodzonych zaworów z informacją na temat faz rozrządu dla danego silnika umożliwia wskazanie uszkodzonego hydraulicznego kasownika zaworu. Bibliografia 1. Bocheński C., Janiszewski T.: Diagnostyka silników wysokoprężnych. WKŁ, Warszawa Dąbrowski Z., Madej H.: O użyteczności symptomów wibroakustycznych w nowoczesnej diagnostyce silników spalinowych, Przegląd Mechaniczny 1/ Figlus T.: Diagnozowanie luzów zaworowych silników spalinowych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Seria: Transport, Gliwice 2007 Nr 61, s Figlus T.: Ocena stanu kasowników luzu zaworowego silników spalinowych metodą analizy drgań, VII International Technical Systems Degradation Seminar, Liptowski Mikulasz Figlus T.: Diagnozowanie luzów zaworowych silnika z zapłonem samoczynnym, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej Seria: Transport, Gliwice 2008 (w druku). 6. Instrukcja napraw samochodu VW Golf, Bora, Volkswagen AG Lehmann W.: Reparatur und Einstelltabelen. Kfz-betrieb. Vogel Wurzburg Ausgabe 1998/ Madej H., Czech P.: Application of the histogram of the vibration spectrum of an engine block for setting up the clearance model of the piston-cylinder assembly for PNN neural classifier, Zag. Ekspl. Masz vol. 43 z. 2, s Madej H., Flekiewicz M.: Recovery of impact signatures in diesel engine using wavelet packet transform (WPT), Diagnostyka 2007 nr 4, s Madej H., Łazarz B., Peruń G.: Application Of The Wavelet Transform In SI Engine Valve Fault Diagnostis, Diagnostyka 4 (48) / 2008, s Madej H.: Diagnozowanie uszkodzeń mechanicznych silników spalinowych metodami wibroakustycznymi, Przegląd Mechaniczny, 2008 r. 67 nr 1, s Signal Processing Toolbox for Use with Matlab, User s Guide Version 4.2. The MathWorks,

10 84 PROBLEMY EKSPLOATACJI Ubysz A., Figlus T.: Ćwiczenia laboratoryjne z silników spalinowych i ochrony środowiska, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Recenzent: Antoni ISKRA Diagnosing the engine valve clearance, on the basis of the energy changes of the vibratory signal Keywords Diagnostics, Internal combustion engine, Vibroacoustic. Summary The aim of the research is to diagnose the clearence of the valves in an internal combustion engine. The clearence may be caused by the damage of the hydraulic automatic reduction of the valve clearence or the excessive wear of the head elements. The measurement methods and the vibration analysis were proposed. In order to indicate their utility, workstand research was carried out. During the test, the enlarged clearence of the valve engine, both spark ignition and diesel was simulated. Afterwards, the transformation and the analysis of the engine vibration acceleration were carried out, calculating, in this way, the energy of the signal and its time-frequency Wigner-Ville decomposition.