Ocena jakości rozpylenia paliwa z wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym z wykorzystaniem procesów wibroakustycznych

Transkrypt

1 BOGUŚ Piotr 1 WRONA Adam 2 DEDO Mateusz 3 MARKOWSKI Jarosław 4 Ocena jakości rozpylenia paliwa z wtryskiwaczy silników o zapłonie samoczynnym z wykorzystaniem procesów wibroakustycznych WSTĘP Aktualne trendy w rozwoju motoryzacji skupiają się w głównej mierze wokół tematu ograniczenia emisji spalin oraz poprawy parametrów pracy silnika. Obecna sytuacja na rynku motoryzacji wzmacnia wspomniany trend przez nieustanne badania i testy zarówno obecnych jak i nowych elementów wchodzących w skład budowy pojazdu. Dokładność prowadzonych badań i testów jest ważna nie tylko w fazie projektowania elementu pojazdu, ale również podczas diagnozy sprawności już pracującego układu. Trafność diagnozy pozwala na wyeliminowanie nieprawidłowo pracujących układów, których działanie prowadzi do strat energii i zwiększenia emisji zanieczyszczeń. Należy również zwrócić uwagę, że nieprawidłowa diagnoza sprawnego elementu zwiększa koszty użytkowania pojazdu związane z wymianą sprawnej części. Poprawna diagnoza głównych elementów pojazdu ma bardzo duży wypływ na ekonomie pracy pojazdu. Jako jeden z najważniejszych elementów pojazdu można przyjąć układ wtrysku paliwa. W artykule opisano metodę pozwalającą na diagnozę wtryskiwacza paliwa, który jest jednym z elementów układu wtrysku paliwa najbardziej narażonym na uszkodzenia. Obecnie istnieją dwie główne metody diagnozy wtryskiwaczy. Pierwszą z nich jest metoda optyczną, której wysokie koszty zakupu stają się zaporą w jej użytkowaniu. Jednak uzyskane informacje w wyniku metody optycznej pozwalają na jednoznaczną ocenę pracy wtryskiwacza. Tańszą alternatywą wspomnianej metody pozwalającą na diagnozę wtryskiwaczy jest metoda przelewowa. Wadą metody jest brak informacji o rozkładzie przestrzennym strugi w cylindrze, która jest istotna dla uzyskania pełnej informacji o stanie wtryskiwacza. Metodą, która z założenia powinna zawrzeć zalety metody optycznej jak i przelewowej jest proponowana metoda wibroakustyczna. Jedną z najmocniejszych stron metody jest stosunkowo mały koszt aparatury. Wadą metody jest konieczność dysponowania bazą danych wtrysków wzorcowych, które stanowią odniesienie dla badanego obiektu. Podejście wibroakustyczne do diagnozy wtryskiwaczy pozwala na uzyskanie informacji o poprawności przestrzennego rozłożenia strug paliwa oraz ich poziomie odchylenia od normy, W przedstawionym artykule zawarto wyniki badań oraz wnioski z przeprowadzonych testów wtryskiwaczy metodą wibroakustyczną. W ramach badań wykonano prototyp stanowiska testowego oraz utworzono niezbędne oprogramowanie testowe. Opisane badania były wykonywane w ramach projektu "Tester Wtryskiwaczy Silników ZS". 1 PROTOTYP STANOWISKA TESTERA WTRYSKIWACZA Konstrukcja stanowiska badawczego "Tester wtryskiwaczy silników ZS" zrealizowana jest w obrębie trzech głównych elementów: układ paliwowy, część pomiarowa, interfejs użytkownika Gdański Uniwersytet Medyczny; Gdańsk; ul. M. Skłodowskiej-Curie 3a. Tel: piotr.bogus@gunmed.edu.pl Automex Sp. z o.o.; Gdańsk; ul. Marynarki Polskiej 55d. Tel: adam.wrona@automex.eu Automex Sp. z o.o.; Gdańsk; ul. Marynarki Polskiej 55d. Tel: mateusz.dedo@automex.eu Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań; ul. Piotrowo 3, Tel: , Fax: , jaroslaw.markowski@put.poznan.pl 2133

2 Układ paliwowy stanowi element odpowiedzialny za dostarczenie paliwa o odpowiednim ciśnieniu do wtryskiwacza oraz sterowanie momentem otworzenia cewki wtryskiwacza. W skład układu paliwowego wchodzą: pompa wysokiego ciśnienia, silnik indukcyjny, falownik, szyna common rail, układ sterowania wtryskiwaczem, układ sterowania pompą wysokiego ciśnienia, układ chłodzący, pompa paliwa, układ odpowiedzialny za komunikację z interfejsem użytkownika oraz liczne czujniki. Założenie płynnej regulacji ciśnienia wtrysku zostało zrealizowane poprzez wykorzystanie silnika indukcyjnego wysterowanego przez falownik oraz moduł sterowania ciśnieniem. Silnik napędza poprzez koło pasowe pompę HP do prędkości pozwalającej na otrzymanie pełnego zakresu ciśnień dostępnego w wykorzystanej pompie. Przełożenie napędu pomiędzy silnikiem, a pompą wysokiego ciśnienia zrealizowano poprzez koło pasowe. Informacja z czujników z aktualną prędkością pozwoliły na zrealizowanie algorytmu sterowania w pętli zamkniętej z parametrem wyjściowym określonym przez ciśnienie w szynie Common Rail (rys. 1). Rys. 1. Schemat ideowy układu paliwowego stanowiska "Tester wtryskiwaczy silników ZS" Część pomiarowa jest układem odpowiedzialnym za uzyskanie sygnału wibroakustycznego badanego wtryskiwacza. W trakcie prac zwrócono szczególną uwagę na odizolowanie mierzonego sygnału od zakłóceń zewnętrznych. Głównymi elementami części pomiarowej, są: akcelerometr piezoelektryczny, płytka reakcyjna, silnik krokowy, sterownik silnika krokowego, platforma ruchoma, tuleja zabezpieczająca. Elementem sterującym akwizycją danych pomiarowych oraz kontrolującym pracę sterownika silnika krokowego jest mikrokontroler LM3S9B96 umieszczony na specjalnie zaprojektowanej do tego zadania płytce sterującej (rys. 2). 2134

3 Rys. 2. Schemat ideowy części pomiarowej stanowiska "Tester wtryskiwaczy silników ZS" Zadanie części pomiarowej polegające na pomiarze sygnału wibroakustycznego realizowane jest przez akcelerometr umieszczony na płytce pomiarowej. Istotą pomiaru jest zebranie informacji o przestrzennym rozłożeniu strug wtryskiwacza. Założenie to jest realizowane przez ruch płytki po torze wyznaczonym przez okrąg wokół wtryskiwacza i zebranie pomiaru w odpowiednich punktach toru płytki. Interfejs użytkownika stanowi ostatni element wykonanego stanowiska. Pozwala on na sterowanie zarówno układem paliwowym jak i częścią pomiarową. 2 WIBROAKUSTYCZNA METODY DIAGNOZY STANU WTRYSKIWACZA Przegląd literatury oraz publikacji naukowych wykazał, że analiza sygnału wibroakustycznego wywołanego przez strugi rozpylacza jest tematem wielu badań. Znaczna część prowadzonych badań bazuje na pomiarze drgań otrzymywanych bezpośrednio z zamocowanego akcelerometru na silniku. Pomiar ten narażony jest na bardzo dużą liczbę zakłóceń, które gwałtownie podnoszą trudność efektywnego wykonania badania. Stopień wiarygodności otrzymanych rezultatów wspomnianego sposobu testowania waha się w granicach 60-80%. Autorzy badań często wskazują, że diagnoza postawiona na bazie pomiaru z jednego przetwornika jest niewystarczająca, dlatego wspierają go dodatkowym pomiarem innego typu np. pomiar charakterystyki prądowej wtryskiwacza. Należy zaznaczyć, że nie znaleziono informacji dotyczących zastosowania w szerokiej skali rozwiązania testowania wtryskiwaczy w oparciu o sygnał wibroakustyczny. Porównując założenia i wyniki badań bardzo trudno doszukać się prawidłowości m.in. dotyczących zakresu częstotliwości w jakim znajduje się informacja diagnostyczna. Dokonana analiza literatury pozwoliła na spojrzenie na tworzony algorytm diagnozy z perspektywy dotychczasowych badań prowadzonych przez innych specjalistów. Można stwierdzić, że podejście algorytmu bazującego na sygnale wibroakustycznym jest powszechnie znane. Elementem wyróżniającym przyjęte rozwiązanie na tle innych tego typu badań jest metoda uzyskania pomiaru z płytki reakcyjnej, której wykorzystania nie znaleziono podczas analizy innych badań. 2135

4 Koncepcję oceny procesu rozpylenia z wykorzystaniem zjawisk wibroakustycznych i płytki reakcyjnej przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Koncepcja oceny procesu rozpylenia z wykorzystaniem zjawisk wibroakustycznych: a) dynamika strugi paliwa, b) idea koncepcji, v prędkość chwiliowa strugi paliwa, p 1 ciśnienie paliwa w rozpylaczu, p 2 ciśnienie otoczenia, F siła wymuszająca Sygnał drganiowy w znacznym stopniu uzależniony jest od jakości rozpylanej strugi co stanowi istotę omawianej metody. Do testów metody wykorzystano 5-otworkowy wtryskiwacz firmy Bosch. Wstępne wyniki badań metody przedstawiono na rysunkach 4 6. Rys. 4. Pomiar sygnału sprawnego wtryskiwacza 2136

5 Rys. 5. Pomiar sygnału sprawnego wtryskiwacza z wprowadzonym zakłóceniem jednej ze strug Rys. 6. Pomiar sygnału sprawnego wtryskiwacza z wprowadzonym zakłóceniem Na aktualnym etapie prac algorytm testu wtryskiwacza opiera się o obliczenia wariancji poszczególnych etapów pomiaru. Nawet tak proste obliczenie jakim jest wariancja sygnału pozwala na uzyskanie zadowalających efektów. Wzór na wariancję sygnału według, którego obliczane były poszczególne etapy pomiaru przedstawiono poniżej: n 1 2 V x(i) m (1) n i 1 gdzie: x sygnał wibroakustyczny, v wariancja sygnału, x(i) i-ta próbka sygnału x, n liczba próbek sygnału x, m wartość średnia sygnału x. Dla sygnału pomiarowego podczas wtrysku uzyskiwanego ze sprawnego wtryskiwacza (rys. 4) obserwujemy obecność pięciu maksimów, które są ściśle powiązane z poszczególnymi strugami. Każde z maksimów wyznacza jedną ze strug wtryskiwacza. W przypadku wtryskiwacza zakłóconego (rys. 5 i rys. 6) otrzymana charakterystyka prezentuje brak jednej ze strug lub jej zniekształcenie. Różnice w przedstawionych charakterystykach pozwalają w łatwy sposób na postawienie prawidłowej diagnozy. 2137

6 WNIOSKI Przeprowadzone testy potwierdziły przydatność metody wibroakustycznej do diagnozowania stanu wtryskiwacza. Otrzymane wyniki na tym etapie prac nie pozwalają na określenie stopnia niezawodności metody. Przyczyną tego faktu jest zbyt mała liczba wykonanych testów przy obecnie dużej liczbie typów wtryskiwaczy na rynku. Różnicę pomiędzy poszczególnymi typami wtryskiwaczy będą wymagały dodatkowej pracy związanej z dopracowaniem algorytmu diagnozy w celu zapewniania jak największego zakresu jego działania. Przyszłość projektu przy pozytywnych wynikach metody może wpłynąć zasadniczo na sposób diagnozy wtryskiwaczy. Artykuł powstał w wyniku realizacji projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Umowa nr INNOTECH-K2/IN2/12/181861/NCBR/12. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań innowacyjnej metody diagnozowania wtryskiwaczy opartej o sygnał wibroakustyczny. Analiza dostępnych rozwiązań wykazała, że obecne na rynku motoryzacji metody diagnozowania wtryskiwaczy są niewystarczające. Celem badań jest uzyskanie niezawodnej i taniej metody pozwalającej na pełną diagnozę wtryskiwacza. W celu weryfikacji metody opracowano stanowisko testowe, którego projekt dostosowany jest do przyjętych założeń pomiaru. Przeprowadzone testy dowiodły, że algorytmy diagnozowania wtryskiwaczy umożliwiają określenie ich aktualnej wydajności. Wyniki badań poddano analizie i wykonano ich porównawczą ocenę, aby określić charakterystyczne różnice w wibroakustycznym śladzie wynikającym z nienormalnego rozpylenia paliwa. Podsumowanie pracy zawiera wnioski dotyczące wyników badań oraz plan przyszłych działań, metod walidacji i praktycznego etapu implementacji. The assessment of fuel quality of atomization of diesel injectors based on vibroacoustic processes Abstract In this paper we present results of the innovative method of injector diagnosis based on the vibroacoustic signal. The analysis of the available solutions showed that the methods of the injector diagnosis present on automotive market are insufficient. The aim of the study is to obtain a reliable and cheap method for a complete injector diagnosis. In order to verify the method a test stand has been developed which design is adapting measurement assumptions. The conducted tests proved that the injector diagnostic algorithms allow determination of their current performance. The results were analyzed and a comparative evaluation was executed to determine characteristic variations in the vibroacoustic footprint resulting from subnormal fuel atomization. The final part of the article contains conclusions related to the results of the investigations and a formulation of plans for further actions, validation of the method and practical implementation stage. BIBLIOGRAFIA 1. Boguś P., Merkisz J., Grzeszczyk, R., Mazurek, S., Nonlinear Analysis of Combustion Engine Vibroacoustic Signals for Misfire Detection, SAE Technical Paper , Grzeszczyk R., Hojka A., Merkisz J., Bajerlein M., Fuc P., Lijewski P., Boguś P., Estimation of In-Use Powertrain Parameters of Fully Electric Vehicle Using Advanced ARM Microcontrollers Merkisz J., Markowski J., Bajerlein M., Waligórski M., Mądry J., Ocena rozpylenia paliwa z wykorzystaniem procesów wibroakustycznych. IV Międzynarodowy Kongres Silników Spalinowych czerwca 2011, Radom. 4. Merkisz J., Boguś P., Grzeszczyk R., Overview of engine misfire detection methods used in on board diagnostics. Journal of Kones. Combustion Engines, Vol 8, No 1-2, Merkisz, J., Waligórski, M., Boguś P., Grzeszczyk R., Diagnostyka zjawiska wypadania zapłonów w silnikach lokomotyw spalinowych. Pojazdy Szynowe, 2002, nr. 4., Pages Mollenhauer K., Tschoeke H., Handbook of Diesel Engines. Springer-Verlag Berlin Heidelberg