Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3-4 SYNCHRONOUS RECORDING TDC DURING THE CYLINDER PRESSURE ACQUISITION Karol Cupiał, Adam Dużyński, Michał Gruca, Janusz Grzelka Politechnika Częstochowska Instytut Maszyn Tłokowych i Techniki Sterowania al. Armii Krajowej 21, 42-200 Częstochowa, tel. +48 34 3250555, e-mail: cupial@imc.pcz.czest.pl, duzynski@imc.pcz.czest.pl gruca@imc.pcz.czest.pl, grzelka@imc.pcz.czest.pl Abstract The authors present digital acquisition system, which enable one channel simultaneous recording of the cylinder pressure in internal combustion engine, pulse signal generated by electronic TDC detector and pulse signal initiated by spark discharge. One can record cylinder pressure with frequency of 20 MS/s in time domain (at 1000 RPM this respond measurement with resolution of 0,006 o CA) and analysis of expanded and closed indicator diagram. The obtained results were compared with standard indication system results, obtained by measurement with resolution of 1 o CA. SYNCHRONICZNA REJESTRACJA POŁOŻENIA ZZP W CZASIE INDYKOWANIA SILNIKA Streszczenie W pracy omówiono cyfrowy układ pomiarowy pozwalający zrealizować równoczesną jednokanałową rejestrację szybkozmiennego przebiegu ciśnienia w cylindrze silnika tłokowego i impulsowego sygnału wytwarzanego w elektronicznym detektorze położenia ZZP oraz impulsowego sygnału inicjującego wyładowanie iskrowe w instalacji zapłonowej. Układ ten pozwala rejestrować w funkcji czasu i analizować m.in. otwarte i zamknięte wykresy indykatorowe z częstotliwością próbkowania do 20MHz, co dla n=1000 obr/min odpowiada dyskretyzacji wykresu co 0,006 o OWK. W pracy zawarto także porównanie wyników indykowania uzyskanych przy pomocy tego systemu z wynikami uzyskanymi z wykorzystaniem klasycznego przetwornika kąta obrotu wału o rozdzielczości 1 o OWK. 1. Wstęp Indykowanie (łac. indico = obwieszczam), to uzyskiwanie wykresu indykatorowego pracy silnika tłokowego za pomocą indykatora. Postępowanie to jest podstawowym sposobem badania maszyn tłokowych i polega na rejestracji zmian ciśnienia wewnątrz cylindra silnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego lub w funkcji czasu. Ze względu na niejednostajność biegu silnika pierwszy sposób pozwala przypisać w sposób bezpośredni wartości kąta obrotu wału korbowego odpowiadająca mu wartość ciśnienia w cylindrze. Wymaga jednak dodatkowego urządzenia w systemie do rejestracji ciśnień szybkozmiennych a mianowicie tzw. nadajnika kąta obrotu wału korbowego. Współcześnie budowane nadajniki kąta obrotu pozwalają na uzyskiwanie na drodze elektronicznej rozdzielczości rzędu 0,1 o OWK. Często jest to rozdzielczość przekraczająca wartość kąta skręcenia wału korbowego na odcinku między indykowanym cylindrem a miejscem usytuowania nadajnika kąta obrotu wału korbowego. Rozdzielczość ta odpowiada indykowaniu w funkcji czasu cylindra silnika czterosuwowego pracującego przy prędkości obrotowej 1000 obr/min z częstotliwością ok. 60 khz. Współcześnie budowane karty przetworników A/D stosowane w nowoczesnych systemach pomiarowych pozwalają na rejestrację wielokanałową z częstotliwością nawet do 20 MHz (np.: czte-
rokanałowa, 12 bitowa, karta DAS4020 firmy ComputerBoards). Powstaje pytanie: czy warto system do indykowania wyposażać w dodatkowe urządzenie, jakim jest nadajnik kąta obrotu wału korbowego? Nadajnik ten może być wykorzystywany nie tylko jako znacznik kąta obrotu ale również do określenia punktu, w którym zaczyna się obieg pracy silnika. Punktem tym jest najczęściej ZZP między fazą wylotu i dolotu ładunku. Wyznaczenie jego położenia jest jednym z podstawowych problemów, z jakimi napotykamy się podczas indykowania silnika. Np. luzy mechaniczne układu korbowego rzędu 0,01 mm powodują zmiany położenia ZZP nawet do 1 o OWK (promień wykorbienia r=50 mm, λ=r/l=0,25). W pracy [1] podano wpływ błędu wyznaczenia ZZP na parametry obiegu silnika tłokowego. W sposób najbardziej znaczący wyznaczenie ZZP wpływa na określenie: pracy indykowanej, pracy wymiany ładunku, sprawności grzania medium, sprawności indykowanej, szybkości wydzielania ciepła i temperatur strefy spalania i świeżego ładunku. Na rys. 1 pokazano wpływ ilości analizowanych cykli i błędu określenia ZZP na przyrost pracy indykowanej cyklu. 6,00% 4,00% 2,00% 0,00% D L i [%] -2,00% -4,00% -6,00% Ilość cykli 5 15 25 38-1,00-0,80-0,60-0,40-0,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Błąd ZZP [ o ] Rys. 1. Wpływ błędu wyznaczenia ZZP i liczby analizowanych cykli na przyrost pracy indykowanej ( L i ) Fig.1. Effect of the TDC determination error and number of analyzed cycles on increase of indicated work ( L i ) Problem wyznaczenia ZZP oraz duża częstotliwość rejestracji ciśnień wewnątrz cylindra to dwa podstawowe problemy w czasie indykowania silnika. Oczywiście nie można zapomnieć, iż silnik spalinowy jest maszyną roboczą, która charakteryzuje się określoną niepowtarzalnością obiegu pracy. Z tego powodu, aby otrzymane wyniki jak najbardziej odzwierciedlały zjawiska zachodzące wewnątrz cylindra powstaje konieczność rejestracji dużej liczby kolejnych cykli pracy silnika i statystycznego ich opracowania. System, o którym mowa w rozdziale Układ pomiarowy pozwala na zarejestrowanie ok. 22 000 kolejnych cykli pracy silnika z rozdzielczością 1 o OWK. Liczba gromadzonych danych jest ograniczona możliwościami technicznymi (pojemność RAM układu rejestratora) a przede wszystkim możliwościami opracowania dużej liczby danych.
2. Układ pomiarowy Rys. 2. Schemat blokowy urządzenia do synchronicznej rejestracji ciśnień szybkozmiennych Fig.2. The block diagram of the synchronous recording cylinder pressure system W Instytucie Maszyn Tłokowych i Techniki Sterowania Politechniki Częstochowskiej opracowano system pozwalający na równoczesną jednokanałową rejestrację szybkozmiennego przebiegu ciśnienia w cylindrze silnika tłokowego i impulsowego sygnału wytwarzanego w elektronicznym detektorze położenia ZZP oraz impulsowego sygnału inicjującego wyładowanie iskrowe w instalacji zapłonowej. Schemat blokowy urządzenia przedstawiono na rys. 2 a na rys. 3 widok zbudowanego urządzenia. Rys.3. Widok systemu do synchronicznej rejestracji ciśnień szybkozmiennych Fig.3. The synchronous recording cylinder pressure system Urządzenie do synchronicznej rejestracji ciśnień szybkozmiennych zbudowane w oparciu profesjonalne elementy elektroniczne z izolacją galwaniczną poszczególnych obwodów działa w sposób następujący. Sygnał napięciowy z przewodu wysokiego napięcia, poprzez sondę
magnetyczną doprowadzany jest do pierwszego wzmacniacza pomiarowego o regulowanym współczynniku wzmocnienia napięciowego (1 lub 0,5 V/V). Wzmacniacz pozwala na doprowadzenie do jego wejścia sygnału napięciowego w zakresie ±200V. Dalej sygnał napięciowy jest doprowadzany do wzmacniacza napięciowego z izolacją galwaniczną o współczynniku wzmocnienia 1 V/V i napięciu wejściowym ±12,5 V, następnie poprzez Π-filtr o częstotliwości 500 khz - jego zastosowanie jest spowodowane sposobem pracy wzmacniacza z izolacją galwaniczną, może być wyprowadzony na zewnątrz urządzenia jako sygnał będący informacją o przebiegu zmian napięcia w obwodzie wtórnym układu zapłonowego lub poprzez komparator o regulowanym napięciu referencyjnym do układu generującego impuls prostokątny o stałym czasie trwania sygnału wysokiego (t=135 µs) rys. 4. Impuls jest wyprowadzany na zewnątrz urządzenia jak również może być sygnałem wejściowym do sumatora urządzenia. Z przedstawionego rysunku widać, że znacznik zapłonu dla poszczególnych cykli może być generowany z błędem ok. 0,07 o OWK. Jest to wartość bardzo mała i nie mają wpływu na Rys.4. Zmiany napięcia przebicia w układzie zapłonowym z zaznaczonym początkiem impulsu znacznika zapłonu Fig.4. The change breakdown voltage in ignition system with marked start of discharge pulse nią czasy przełączania elementów elektronicznych urządzenia (rzędu ns). Do urządzenia może być doprowadzany również sygnał ze znacznika kąta obrotu wału korbowego (znacznik ZZP), którego czas trwania jest równy ½ zadanej rozdzielczości nadajnika kąta obrotu wału i może być on również doprowadzony do sumatora urządzenia. Podstawowy sygnał rejestrowany w czasie indykowania to oczywiście sygnał napięciowy powstały we wzmacniaczu współpracującym z np. piezokwarcowym przetwornikiem pozwalającym na odwzorowanie zmian ciśnienia wewnątrz cylindra badanej maszyny. Sygnał ten jest doprowadzany do sumatora urządzenia poprzez programowalny wzmacniacz wejściowy o rezystancji wejściowej 10 GΩ, układ wzmacniacza z izolacją galwaniczną i Π-filtr o częstotliwości 500 khz. Na wyjściu oznaczonym na rys. 2 jako U o może, zatem pojawić się sygnał określony zależnością: gdzie: U ( t) = U ( t) U ( t) U ( t) o p ZAP + ZZP
U p (t) sygnał będący miarą rejestrowanego ciśnienia, U ZAP (t) sygnał znacznika zapłonu, U ZZP (t) sygnał znacznika ZZP. Przykładowy zarejestrowany tą metodą sygnał będący miarą rejestrowanego ciśnienia wewnątrz cylindra z nałożonym znacznikiem ZZP i zapłonu przedstawiono na rys. 5. znacznik ZZP znacznik zapłonu 0 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720 Kąt obrotu wału [deg] Rys.5. Przykładowy zarejestrowany przebieg ciśnienia z nałożonym znacznikiem zapłonu i znacznikami ZZP Fig.5. Example of cylinder pressure signal with discharge pulse and TDC pulse Do prawidłowej interpretacji otrzymanych wyników konieczna jest znajomość np. początku wyładowania iskrowego (patrz rys. 4). Przeprowadzone badania na silniku spalinowym wyposażonym w programowalny tyrystorowy układ zapłonowy pracujący przy zadanym kącie wyprzedzenia zapłonu 24 o OWK przed ZZP wykazały: opóźnienie zapłonu mierzone początkiem fazy pojemnościowej wyładowania iskrowego: 0,483±0,016 o OWK ; niestabilność początku fazy pojemnościowej wyładowania iskrowego: 0,0122±0,011 o OWK; opóźnienie pojawienia się znacznika zapłonu spowodowane ustawionym progiem napięcia referencyjnego (podano dla napięcia odpowiadającego napięciu przebicia 10 kv wartość liczona od początku fazy pojemnościowej wyładowania iskrowego): 0,097 o OWK; niestabilność momentu pojawienia się znacznika zapłonu (przy ustawionym progu 10 kv): 0,07 o OWK (rys. 4). Ponadto w czasie rejestracji w funkcji czasu z częstotliwością 1 MHZ obserwowano zmiany długości poszczególnych cykli pracy silnika na poziomie 23,673±14,16 µs co odpowiada zmianom kąta w zakresie 0,143±0,086 o OWK (rys. 6). Przedstawione błędy mają oczywiście wpływ na oszacowanie położenia ZZP dla poszczególnych cykli pracy silnika w czasie rejestracji synchronicznej, ale ich udział w stosunku do błędu spowodowanego poprawnym wyznaczeniem rzeczywistego kąta zapłonu jest mało istotny, a poprawne wyznaczenie rzeczywistego kąta wyprzedzenia zapłonu przy tej metodzie rejestracji nie przedstawia najmniejszych problemów. 3. Oprogramowanie i metodyka opracowania wykresów indykatorowych Rejestracja synchroniczna z wykorzystaniem omówionej metody może być prowadzona za pomocą oprogramowania opracowanego w IMTiTS Politechniki Częstochowskiej. Rejestrując w dziedzinie czasu z dużą częstotliwością można korzystać z programu o nazwie
DAS4020 [3] współpracującego z kartą przetwornika A/D typu DAS4020. Program ten pozwala zarejestrować z maksymalną częstotliwością 20MHz dowolną liczbę próbek (ograniczenie pojemnością pamięci RAM komputera sterującego). Na zarejestrowany przebieg ciśnienia można nałożyć impulsy będące znacznikiem ZZP i impulsy będące znacznikiem zapłonu. Przed dalszą obróbką numeryczną po wyznaczeniu zbiorowej lub indywidualnej poprawki kątowej dla poszczególnych cykli pracy silnika przebiegi te muszą zostać odfiltrowane (usunięcie znacznika ZZP i zapłonu) i ewentualnie zredukowane do zadanej liczby próbek w cyklu (przejście z rejestracji w funkcji czasu do rejestracji w funkcji kąta obrotu wału korbowego). Na rys. 7 pokazano okna pracy programu DAS4020 przed filtracją i po filtracji i redukcji do zadanej liczby próbek na cykl (w tym przypadku 7200 próbek na cykl jest to równoważne rejestracji, co 0,1 o OWK). Oczywiście w tym momencie wymagana jest znajomość dokładnej wartości rzeczywistego kąta wyprzedzenia zapłonu. m s] dt [ 40 0,500 20 0,400 0,300 0 0,200 0,100-20 -40 0,000-0,100-0,200-60 -0,300-0,400-80 -0,500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Numer cyklu Rys.6. Zmiany czasu trwania poszczególnych cykli pracy silnika 8-o cylindrowego Fig.6. The change of duration time separation cycle of 8 cylinder engine OWK] α[ o Rys.7. Zrzut ekranu ilustrujący pracę programu DAS4020 rysunek po lewej fragment surowego przebiegu ciśnienia, rysunek po prawej to nałożonych na siebie 30 cykli pracy po usunięciu znacznika ZZP i zapłonu Fig.7. Screenshot of DAS4020 program interface: left - cylinder pressure signal, right 30 put in place separate cylinder pressure cycles 4. Wnioski Zaproponowany system pozwala na szybkie przeprowadzenie indykowania silnika spalinowego bez konieczności montowania dodatkowego i drogiego urządzenia jakim jest nadajnik kąta obrotu wału korbowego. Mimo, iż rejestracja jest prowadzona w funkcji czasu to oprogramowanie powstałe w IMTiTS pozwala zredukować poszczególne zarejestrowane cykle do określonej liczby próbek a tym samym uzyskać przebieg ciśnienia w funkcji kąta obro-
tu wału korbowego. Błąd tej redukcji (rys. 6) nie przekracza 0,2 o OWK. Oczywiście obróbka numeryczna cykli zawierających ponad 100000 próbek może napotykać na trudności lecz po takiej redukcji obróbkę numeryczną można prowadzić z wykorzystaniem konwencjonalnych programów do obróbki numerycznej wykresów indykatorowych. Należy zauważyć, że system pozwala na indykowanie silnika spalinowego bez konieczności wymontowania go z samochodu np. na hamowni podwoziowej. Problemem jest oczywiście wyznaczenie kąta wyprzedzenia zapłonu, jednak współczesne techniki pomiarowe pozwalają go stosunkowo łatwo i szybko wyznaczyć. Sam system pozwala na rejestrację przebiegu wyładowania iskrowego w obwodzie wtórnym a tym samym możliwa jest korekcja ustawionego kąta wyprzedzenia zapłonu. Literatura [1] Cupiał K., Dużyński A., Gruca M., Grzelka J.: Wrażliwość parametrów obiegu silnika gazowego na błędy pomiaru. Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej 155, Mechanika 25, Częstochowa 2003. [2] Cupiał K.: Program SILNIK32 wersja z 2003r. [3] Gruca M.: Program DAS4020 wersja z 2003r.