ZASTOSOWANIE WYBRANYCH METOD ANALIZY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO DO OCENY PROCESU SPALANIA W SILNIKACH ZS POJAZDÓW O ZASTOSOWANIACH POZADROGOWYCH

Transkrypt

1 JERZY MERKISZ, MAREK WALIGÓRSKI ZASTOSOWANIE WYBRANYCH METOD ANALIZY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO DO OCENY PROCESU SPALANIA W SILNIKACH ZS POJAZDÓW O ZASTOSOWANIACH POZADROGOWYCH SELECTED METHODS OF ANALYZING VIBRO-ACOUSTIC SIGNAL APPLIED TO ESTIMATE THE COMBUSTION PROCESS IN DIESEL ENGINES FOR OFF-ROAD VEHICLES Streszczenie Niniejszy artykuł dotyczy możliwości zastosowania metod wibroakustycznych do oceny procesu spalania w silniku spalinowym o zapłonie samoczynnym. Zastosowaną metodę oceny braku spalania opartą na analizie sygnału drganiowego uzyskanego z silnika spalinowego poddano weryfikacji pod względem możliwości diagnostycznych i wykorzystania jej w diagnostyce pokładowej silników pojazdów ze szczególnym uwzględnieniem pojazdów o zastosowaniach pozadrogowych. Przedstawiono etapy metodyczne badań zrealizowanych na silniku ZS z bezpośrednim dostarczaniem paliwa do komory spalania lokomotywy spalinowej w warunkach jej eksploatacji. Wyznaczono punkty pomiarowe i kierunki najbardziej wrażliwe na zmianę sygnału pomiarowego. Określono parametry diagnostyczne procesu i możliwe analizy, jakie należy zastosować podczas realizacji badań i budowie systemu OBD dla pojazdów typu non-road oraz wrażliwość metody na brak zapłonu w silniku. Słowa kluczowe: silnik ZS, wypadanie zapłonu, diagnostyka wibroakustyczna, system OBD, ekologia, pojazd szynowy Abstract The paper concerns the possibility of vibroacoustic methods application in the combustion process assessment at compression-ignition engine. The method of the misfire events detection being used in a CI engine which bases on the vibration signal analysis taken from an internal combustion engine was verified in the point of view of diagnostics skills and its application in the on-board diagnostics of engines used in vehicles, especially for non- -road ones. Methodological stages of measurements done on the CI engine with the direct injection of a diesel locomotive at exploitation conditions have been presented. Measurement points and directions the most sensible for a signal change have been pointed out. Diagnostic parameters of processes and possible analyses that have to be used during research and design of the OBD system for non-road vehicles and also sensibility of the method for misfire occurrence have been stated as well. Keywords: CI engine, misfire, vibroacoustic diagnostics, OBD system, ecology, railway vehicle Prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz, dr inż. Marek Waligórski, Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Politechnika Poznańska.

2 Wstęp Ograniczanie emisji związków szkodliwych z pojazdów trakcyjnych i silników jest procesem ciągłym. Celem prac prowadzonych w krajach Unii Europejskiej jest poprawa jakości powietrza, szczególnie w wielkich europejskich aglomeracjach, przez przygotowanie kolejnych norm emisji Euro. Komisja Europejska wspólnie z organizacjami ACEA (Stowarzyszenie Europejskich Producentów Samochodów) i EuroPIA (Stowarzyszenie Handlowe Przemysłu Rafineryjnego) zamierzają doprowadzić do globalnego obniżenia emisji przez wprowadzanie nowych technologii i rozwiązań konstrukcyjnych w produkcji pojazdów oraz poprawę jakości paliw [1]. Zmieniają się też wymagania dotyczące metodologii badań i stosowanej aparatury. Równocześnie, wraz z powyższymi działaniami, ustawodawcy troszczą się o ciągłą kontrolę stanu technicznego silnika, aby pojazd spełniał aktualnie obowiązujące normy emisji w całym okresie jego eksploatacji. Bieżący nadzór nad poprawnością funkcjonowania poszczególnych podzespołów, elementów i przebiegu procesów zachodzących w silniku spalinowym pojazdu trakcyjnego gwarantuje spełnienie powyższych norm podczas eksploatacji i możliwie szybkie wykrycie powstałych nieprawidłowości. Uzyskanie takiej diagnostyki pojazdu oraz silnika spalinowego, jako głównego źródła emisji składników szkodliwych spalin, osiągnięto przez zastosowanie w nim wymagań i systemu diagnostyki pokładowej OBD (ang. On-Board Diagnostics). Wymagania diagnostyki pokładowej początkowo wprowadzono do silników o zapłonie iskrowym (ZI), by w kolejnych etapach rozszerzyć ten typ diagnostyki na silniki o zapłonie samoczynnym (ZS) samochodów osobowych i pojazdów typu LDV (ang. Light Duty Vehicles). Obszar jej obowiązywania obejmuje coraz większą grupę zastosowań silników w pojazdach. Rozpatrując zmiany norm emisji (w USA i Europie), można dostrzec tendencje do coraz szerszego wprowadzania wymagań diagnostyki OBD i takich systemów do pojazdów o zastosowaniach pozadrogowych [5, 6]. Należy się spodziewać, że w niedalekiej przyszłości diagnostyka pokładowa będzie stosowana w spalinowych pojazdach trakcji szynowej, co potwierdza słuszność podjęcia zagadnień dotyczących oceny możliwości zastosowania systemów OBD w tej grupie pojazdów trakcyjnych, do napędu których szeroko stosowane są silniki ZS. Artykuł dotyczy możliwości zastosowania metod wibroakustycznych do wykrywania zjawisk wypadania zapłonów w aspekcie realizacji systemów OBD, które będą wykorzystywały parametry sygnału drganiowego do diagnostycznej oceny stanu technicznego silnika i poprawności przebiegu procesów w nim zachodzących. Uzyskana przez autorów artykułu i opisana szerzej w [7] metodyka diagnozowania wypadania zapłonów oparta na powyższej metodzie (badania podstawowe zrealizowane na hamowni silnikowej na jednocylindrowym badawczym silniku ZS o bezpośrednim wtrysku paliwa do komory spalania) umożliwiła wyznaczenie kierunku rejestracji sygnału pomiarowego, miejsca mocowania przetworników drgań na silniku, parametru diagnostycznego i warunków pomiarowych. Powyższe dane stały się podstawą do dalszych badań autorów, które wykorzystano w pomiarach eksploatacyjnych zrealizowanych dla wybranej lokomotywy spalinowej.

3 2. Badania lokomotywy spalinowej Metodyka badań i stanowisko pomiarowe Badania przeprowadzono na dwunastocylindrowym silniku ZS z bezpośrednim dostarczaniem paliwa do cylindra lokomotywy spalinowej typu SU45 (rys. 1). Dane techniczne badanego silnika spalinowego lokomotywy opisano szerzej w [7 9]. Wybór warunków pracy silnika zrealizowano opierając się na użytecznym zakresie prędkości obrotowej i momencie obrotowym badanego silnika, odpowiadających warunkom jego eksploatacji. Pomiary podzielono na dwa etapy. W pierwszym z nich uwzględniono wszystkie cylindry jednego rzędu, w celu określenia możliwości zastosowania charakterystyk wibroakustycznych do oceny przebiegu procesu spalania w silniku stosowanym w pojazdach trakcyjnych. Powyższy etap zrealizowano dla określenia różnic we wrażliwości sygnału drganiowego w każdym z cylindrów. Powyższe działania umożliwiły wyznaczenie najbardziej i najmniej korzystnych warunków dla wykrywania braku spalania z zastosowaniem metod drganiowych. a) b) Rys. 1. Widok lokomotywy spalinowej typu SU45 (a) oraz zastosowanego w niej silnika spalinowego (b) Fig. 1. The view of the SU45 diesel locomotive (a) and its engine (b) Drugi etap badań przeprowadzono w celu wyznaczenia różnic między sygnałami dla procesu spalania i braku zapłonu dla różnych punktów pracy (zmian mocy użytecznej) i 3 cylindrów wybranych w pierwszym etapie. W pierwszym etapie uwzględniono następujące prędkości obrotowe silnika: 7, 9, 18, 13 i 15 obr./min. Badania przeprowadzono dla następujących wartości mocy użytecznej: ~ (bieg jałowy), 252, 46, 58, 667 kw. W drugim etapie badań uwzględniono wszystkie wartości prędkości obrotowej i momentu obrotowego określone daną pozycją nastawnika jazdy lokomotywy. Punkty pomiarowe zlokalizowano na głowicy silnika. Powyższe punkty wybrano zgodnie z zasadą, że przetwornik pomiarowy powinien być umieszczony jak najbliżej miejsca generacji sygnału drganiowego odnoszącego się do danego procesu (rys. 2). W badaniach zastosowano układ pomiarowy, w skład którego wchodziły (ryc. 3): przetworniki drgań w kierunku Z firmy Brüel & Kjær, typ 4391, kalibrator sygnałów drganiowych firmy Brüel & Kjær 4294, znacznik kąta obrotu wału korbowego firmy Wobit MOK, wzmacniacz ładunku NEXUS, typ 2692, karta do dynamicznej akwizycji danych firmy National Instruments, typ PCI-4472,

4 314 opornik wodny wraz z układem sterowania, układ do pomiaru temperatury cieczy chłodzącej i oleju silnikowego. Sposób pomiaru sygnałów był podobny do tego, który zastosowano w badaniach podstawowych na hamowni silnikowej. Moment obrotowy i moc użyteczna silnika były wyznaczane i kontrolowane na stanowisku z opornikiem wodnym. a) b) Przetwornik Z Głowica Kadłub Prądnica główna Rys. 2. Rozmieszczenie punktów pomiarowych na silniku: a) widok silnika wraz z przetwornikami, b) schemat rozmieszczenia przetworników Fig. 2. The placement of the measuring points on the engine: a) the view of the engine with accelerometers, b) the diagram of accelerometer placement Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego wraz z widokami wybranych jego elementów: 1 silnik spalinowy, 2 prądnice, 3 znacznik kąta obrotu wału korbowego, 4 przetwornik drgań, 5 wzmacniacz ładunku, 6 pompa wtryskowa, 7 karta pomiarowa, 8 komputer, 9 opornik wodny wraz z układem sterowania Fig. 3. The scheme of a measuring test stand: 1 the engine, 2 alternators, 3 the angle encoder, 4 the vibration transducer, 5 the charge amplifier, 6 the injection pump, 7 the data acquisition card, 8 the computer, 9 the water resistor with a control system

5 2.2. Wyniki badań i analiz 315 Pierwszy i drugi etap badań na lokomotywie spalinowej dowiodły, że sygnał drganiowy może być zastosowany do bieżącej oceny zjawisk wypadania zapłonu, które występują podczas pracy silnika. Zapłon powoduje impulsowe zmiany amplitud sygnału drganiowego, proces spalania ma swoje odzwierciedlenie w sygnale drganiowym. Sygnał drganiowy jest jednoznaczny w każdym cyklu pracy niezależnie od numeru cylindra, co potwierdza wiarygodność metody w odniesieniu do procedur detekcji stosowanych dla wielocylindrowych silników ZS (rys. 4). az1 [m/s 2 ] az2 [m/s 2 ] az3 [m/s 2 ] Cykl ze spalaniem (A) Cykl ze spalaniem (A) Przyspieszenie drgań Sygnał ze znacznika kąta Cykl ze spalaniem (A) ,6,7,8, ,1,12, ,,1,2,3,4,5,15,16,17,18 t [s] t [s] 3 15 A az4 [m/s 2 ] az5 [m/s 2 ] az6 [m/s 2 ] Cykl ze spalaniem(a) Cykl ze spalaniem(a) Cykl ze spalaniem(a) -25-5,,1,2,3,4,5 t [s] A ,5,6,7,8, ,15,16,17, ,1,11,12,13 t [s] Rys. 4. Przykładowy przebieg przyspieszeń drgań w kierunku Z (a z ) na głowicach cylindrów 1 6 silnika spalinowego typu 2112 SSF lokomotywy spalinowej (n = 9 obr./min i M o = 2674 N m) Fig. 4. Example vibration acceleration runs in the Z dimension (a z ) of the cylinder heads nr 1 6 of the 2112 SSF diesel locomotive engine (n = 9 rpm and M o = 2674 N m) Wszystkie zarejestrowane przebiegi czasowe sygnałów poddano procesowi selekcji czasowej, czyli każdy zarejestrowany sygnał podzielono na odcinki czasowe zawierające pojedyncze cykle pracy silnika. Podzielone sygnały pomiarowe umożliwiły autorom artykułu rozważenie wpływu pojedynczego procesu spalania na wybrane parametry sygnału drganiowego oraz jako rezultat, obliczenie różnic powyższych parametrów dla prawidłowego procesu spalania i cykli, w których zdarzyło się wypadanie zapłonu. Wybór kierunku pomiarowego, analizowanego parametru oraz parametru procesu wibroakustycznego, które są najbardziej wrażliwe na wystąpienie zjawisk wypadania zapłonu powinny być zrealizowane w sposób ilościowy. Ocenę ilościową sygnału drgań przeprowadzono za pomocą miar punktowych [2 4]. Powyższe miary wyznaczono na podstawie przebiegów czasowych mierzonych sygnałów. Wyznaczono wymiarowe i bezwymiarowe amplitudowe miary punktowe procesów wibroakustycznych. Pojedyncze cykle pracy silnika podzielono na cykle ze spalaniem i z brakiem zapłonu. Dla każdego z nich obliczono następnie wybrane miary punktowe dla przyspieszeń drgań w kierunku Z (równoległy do kierunku poruszania się tłoka w cylindrze). Porównano uzyskane wybrane charakterystyki sygnału ze spalaniem i z jego brakiem, dzięki czemu możliwe było obliczenie względnej zmiany miary punktowej, będącej wynikiem wystąpienia braku zapłonu w cylindrze.

6 316 Zmiany mocy użytecznej powodowały zmiany dynamiki estymatorów punktowych sygnału drganiowego. Oznacza to, że parametry sygnału drganiowego podążają za zmianami wartości mocy (momentu obrotowego i prędkości obrotowej). Wzrost mocy użytecznej powodował wzrost wartości szczytowej i międzyszczytowej w każdym z cylindrów. Miarę punktową dla każdego z punktów pracy silnika odniesiono do miary punktowej uzyskanej dla pracy silnika w warunkach biegu jałowego (rys. 5). a) b) 9, 8,52 9, 8, 8, 8,24 7, 7, 6, 6, 4,28 4,87 4,24 4,66 5, 5, 4,5 4, 4, 4, 3, 2, 1,55 3, 2, 2, 1,95 1,5 1, 1,,, Numer cylindra Numer cylindra 16, 14,2 16, 14,51 14, 14, 12, 12, 1, 1, 7,58 7,56 7,37 7,51 8, 8, 5,75 5,71 6, 6, 3,12 3,3 4, 4, 1,68 1,66 2, 2,, , Numer cylindra Numer cylindra δa sz (4/) [-] δa sz (7/) [-] Rys. 5. Względne zwiększenie wartości szczytowej (a) i międzyszczytowej (b) przyspieszeń drgań na głowicach wybranych cylindrów silnika 2112 SSF dla czwartej (n = 9 obr./min, M o = 2674 N m) i siódmej (n = 18 obr./min, M o = 467 N m) pozycji nastawnika jazdy odniesione do biegu jałowego silnika Fig. 5. The relative increase of the peak value (a) and peak-to-peak value (b) of the vibration acceleration of the chosen cylinder heads for the fourth (n = 9 rpm, M o = = 2674 N m) and seventh (n = 18 rpm, M o = 467 N m) driving controller position in relation to the idling run for the 2112 SSF engine Dla cylindra nr 4 odnotowano najmniejszą, a dla cylindra nr 6 największą zmianę miar punktowych w przypadku zmiany wartości mocy użytecznej silnika. Powyższe dwa cylindry reprezentują najgorsze i najlepsze warunki dla strategii wykrywania braku zapłonu w silniku. W dalszej części artykułu będzie brany pod uwagę cylinder nr 4. W przypadku wystąpienia zjawiska wypadania zapłonu (brak zapłonu był realizowany w silniku przez odcinanie dopływu paliwa do cylindra) następowało zmniejszenie wartości amplitudy sygnału drganiowego, odpowiednio, do numeru cylindra i warunków pracy silnika. Względne zmniejszenie wartości szczytowej i międzyszczytowej, uzyskane dla silnika δa rozst (4/) [-] δa rozst (7/) [-]

7 Rys. 6. Względne zmniejszenie wartości szczytowej (a) i międzyszczytowej (b) w wyniku wystąpienia braku zapłonu dla różnych punktów pracy silnika 2112 SSF Fig. 6. The relative decrease of the peak (a) and peak-to-peak (b) values as a result of the misfire events occurrence for different working point of the 2112 SSF engine 317 a) b) 35, 31,75 35, 32,44 3, 3, 25, 25, 2, 2, 15, 15, 1, 8,2 1, 9,15 5, 5,, , Numer pozycji nastawnika jazdy Numer pozycji nastawnika jazdy δ sz (a z ) [-] spalinowego lokomotywy, potwierdziło bardzo dużą precyzję i wiarygodność wykrywania zjawisk wypadania zapłonów za pomocą metod drganiowych. W przypadku cylindra nr 4 wystąpienie braku zapłonu powodowało zmniejszenie wartości szczytowej od 8 do 31 razy w odniesieniu do wartości uzyskanej dla prawidłowego procesu spalania. W przypadku wartości międzyszczytowej względne zmniejszenie powyższej miary wyniosło od 9 do 32 (rys. 6). δ rozst (a z ) [-] 3. Podsumowanie Badania przeprowadzone na silniku ZS lokomotywy spalinowej w warunkach jej eksploatacji potwierdziły dużą precyzję i jakość wykrycia wypadania zapłonu za pomocą przyspieszeń drgań. Uzyskane wyniki dowiodły dużą precyzję procesu diagnostycznego dla każdego z cylindrów oraz dynamikę zmian amplitudy sygnału pod wpływem zmiany stanu procesu, mimo różnej wrażliwości sygnału na brak zapłonu w poszczególnych cylindrach. Źródła powyższych różnic należy upatrywać w stochastycznym charakterze procesu spalania w sensie wielkości energii uwalnianej podczas inicjacji powyższego procesu wraz z zapłonem. Wpływ na to mają m.in. warunki termodynamiczne w przestrzeni roboczej każdego z cylindrów, procesy fizykochemiczne zachodzące w okresie opóźnienia zapłonu, jakość przebiegu procesu wtrysku paliwa i jego wymieszania z powietrzem, przebieg wywiązywania się ciepła w wyniku spalania oraz właściwości paliwa. Metoda oceny wypadania zapłonów w silniku spalinowym z użyciem metod drganiowych może być zastosowana do realizacji monitora wypadania zapłonów systemu OBD w silniku ZS. Zaletą takiego rozwiązania jest dodatkowo brak ingerencji w konstrukcję silnika i pewność diagnozy procesu. Obecny rozwój cyfrowej obróbki danych i możliwości analizy sygnałów wraz z istniejącymi narzędziami do bieżącej analizy procesów stwarzają przed wybranym rozwiązaniem wygodne i pewne narzędzie do szybkiej oceny poprawności procesów zachodzących w silniku.

8 318 Literatura [1] Arvon L.M., The Future Role of Portable Data Storage Technology in Environmental Protection Agency Office of Transportation and Air Quality, SAE Government, Industry Session, New Conversations on OBD, 25. [2] C e m p e l C., Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn, WNT, Warszawa [3] C e m p e l C., T o m a s z e w s k i F., Diagnostyka maszyn, Międzyresortowe Centrum Naukowe Eksploatacji Majątku Trwałego, Radom [4] Korbicz J., Diagnostyka procesów. Modele, metody sztucznej inteligencji, zastosowania, WNT, Warszawa 22. [5] M e r k i s z J., System OBD II jako narzędzie umożliwiające spełnienie norm toksyczności spalin podczas eksploatacji, V Konferencja Naukowo-Techniczna nt. Diagnostyka Pojazdów Samochodowych 2, Katowice 2. [6] Merkisz J., Mazurek S., Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych, WKiŁ, 22. [7] Merkisz J., Waligórski M., The Use of Vibration Parameters in the Research of Misfire Events in CI Engines in the Point of View of the OBD System Appliance in Diesel Locomotives, 27 SAE World Congress&Exhibition, Detroit, [8] Merkisz J., Waligórski M., Boguś P., Możliwości i warunki zastosowania systemów podobnych do OBD w silnikach lokomotyw spalinowych, the 29th International Conference on Internal Combustion Engines, KONES 23, Wisła [9] Merkisz J., Waligórski M., Boguś P., Grzeszczyk R., Diagnostyka pokładowa zjawiska wypadania zapłonów w silnikach lokomotyw spalinowych, Pojazdy Szynowe 4/22, Poznań 22.