DERESZEWSKI Mirosław 1 CHARCHALIS Adam 2

DERESZEWSKI Mirosław 1 CHARCHALIS Adam 2 Zastosowanie momentomierza optycznego do monitorowania zmian wielkości siły gazowej w cylindrze silnika wysokoprężnego na podstawie obserwacji fluktuacji momentu i chwilowej prędkości kątowej wału korbowego WSTĘP Zakłada się, że elementy systemu oczyszczania spalin stanowią dławienie na wylocie spalin i mogą oddziaływać niekorzystnie na przebieg procesów przemiany energii paliwa na energię mechaniczną. Monitorowanie tego wpływu jest możliwe za pomocą pomiarów ciśnienia w cylindrze z użyciem indykatora elektronicznego. Niestety ze względu na ograniczoną odporność przetworników ciśnienia na działanie wysokich temperatur oraz zanieczyszczeń w spalinach nie jest możliwe prowadzenie rejestracji w długich okresach czasu. Zastosowanie urządzenia do pomiaru chwilowej wartości momentu i prędkości kątowej wału napędowego pozwoli kontrolować pracę silnika bez ograniczeń, należy jednak mieć na uwadze fakt iż metoda oceny procesów spalania na podstawie fluktuacji momentu jest metodą pośrednią i nie gwarantuje pozytywnych wyników przy niskim poziomie zakłóceń przebiegu ciśnienia wewnątrz cylindra. Energia zawarta w paliwie, uwalniana w procesie spalania, zamieniana jest na energię kinetyczną w postaci ruchu obrotowego wału korbowego. Podczas suwu pracy, zmienne w czasie ciśnienie gazów spalinowych w cylindrze wytwarza siłę gazową P g, której wartość zależy od chwilowego ciśnienia p i oraz powierzchni denka tłoka i jest określona wzorem (1) gdzie p i chwilowa wartość ciśnienia gazów w cylindrze. Działanie siły gazowej w czasie suwu pracy powoduje ruch elementów układu korbowo tłokowego. Wzdłuż osi cylindra działa siła P stanowiąca sumę algebraiczną siły gazowej P g powstającej podczas suwu pracy oraz sprężania oraz siły bezwładności elementów będących w ruchu posuwisto zwrotnym B a oraz siły tarcia R spowodowanej naciskiem tłoka na ścianę tulei. Siłę P można rozłożyć na siłę N działającą prostopadle do osi cylindra i równoważoną przez reakcję tulei cylindrowej oraz siłę S działającą wzdłuż korbowodu [3]. Siłę S możemy rozłożyć na dwie składowe: siłę K działającą wzdłuż ramienia wykorbienia oraz siłę T działającą prostopadle do ramienia wykorbienia. Siła styczna T powoduje zmienny moment M T, którego wartość obliczamy z zależności (2): α, β, kąty wynikające z geometrii układu korbowego silnika r długość wykorbienia wału korbowego. 1 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; 81-225 Gdynia; ul. Morska 81-87, deresz1@o2.pl 2 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; 81-225 Gdynia; ul. Morska 81-87, achar@am.gdynia.pl 3071

Z powyższych rozważań wynika, że zmiany wartości chwilowej siły stycznej T, spowodowane zmianami przebiegu ciśnienia spalania w cylindrze powodują zakłócenie równowagi układu a w konsekwencji zmiany wartości chwilowej prędkości kątowej ω i oraz mocy chwilowej N i. Znając parametry silnika i obciążenia można modelować odpowiedz układu na zmiany przebiegu ciśnienia gazów w cylindrze w postaci przebiegu chwilowej prędkości kątowej wału korbowego a porównanie przebiegów krzywej momentu i chwilowej prędkości kątowej wału pozwala wnioskować o charakterze zmian przebiegu ciśnienia spalania w cylindrze [2]. 1 ZASADA DZIAŁANIA MOMENTOMIERZA W warunkach obciążenia moment rozwijany przez silnik jest zmienny i oscyluje wokół wartości średniej zwanej momentem obrotowym silnika. Moment obrotowy możemy zmierzyć hamulcem wodnym, jednak wartość uśredniona momentu nie jest wystarczająca do wnioskowania na temat zakłóceń narastania ciśnienia w cylindrze. Do tego celu niezbędne jest zamontowanie momentomierza z układem pomiarowym kąta skręcenia wału o określonej rozdzielczości, jednoczesnym pomiarem wartości chwilowej prędkości kątowej wału oraz układem rejestracji i magazynowania danych [1]. Zasada działania momentomierza polega na pomiarze kąta skręcenia wału φ powstającego pod wpływem momentu skręcającego. Kąt skręcenia jest proporcjonalny do wartości momentu skręcającego i jest wyrażona wzorem: M s moment skręcający [Nm] l - długość odcinka na którym następuje skręcenie [m] G moduł sprężystości poprzecznej materiału wału (moduł Kirchhoffa) [Pa] I o biegunowy moment bezwładności przekroju skręcanego [m 4 ] (3) Jeżeli w dokumentacji technicznej wału nie jest podany moduł G a moduł Younga E, to korzystamy z zależności υ współczynnik Poissona Jeżeli wał nie jest wykonaniem specjalnym, wystarczającą dokładność pomiaru uzyskamy przyjmując wartość G dla stali równą 80 GPa. W układzie opartym na pomiarze kąta skręcenia, na wale montuje się dwa koła zębate lub dwie tarcze perforowane na obwodzie, przy krawędzi zewnętrznej tarczy. Otwory muszą mieć kształt prostokątny ze względu na dokładność pomiaru. Na rysunku 1 przedstawiono zasadę określania wielkości przesunięcia wzajemnego okien tarczy perforowanej pod wpływem skręcenia. W spoczynku tarcze znajdują się w takim położeniu, że środki przeciwległych okien leżą na tej samej osi. Wskutek skręcenia wału o kąt φ następuje zmiana wzajemnego położenia pierwotnie przeciwległych okien. Tarcze zamontowane są w pewnej odległości od siebie. Odstęp między tarczami ma wpływ na bezwzględną wielkość przemieszczenia a wynika to z zależności trygonometrycznych. Wartość przemieszczenia liniowego okna B tarczy 1 w stosunku do przeciwległego okna A tarczy 2, wskutek skręcenia o kąt φ i wynosi: (4), (5) tak więc zwiększenie odległości pomiędzy tarczami powoduje zwiększenie dokładności pomiaru. 3072

Rys.1. Przemieszczenie przeciwległych punktów na wale wskutek skręcenia pod wpływem momentu skręcającego 2 ZASADA POMIARU KĄTA SKRĘCENIA Z ZASTOSOWANIEM METODY OPTYCZNEJ Metoda optyczna pomiaru przemieszczenia opiera się na rejestracji liczby impulsów promienia laserowego przechodzącego przez szczeliny utworzone przez przeciwległe okna tarcz oraz liczby impulsów zatrzymanych przez przestrzenie pomiędzy kolejnymi oknami. Ogólną zasadę pomiaru przedstawiono na rysunku2. W stanie spoczynku szerokość prześwitów po lewej i prawej stronie zęba jest taka sama i wynosi: S szerokość szczeliny Z szerokość zęba. W wyniku skręcenia następuje wzajemne przesunięcie zębów tarczy A i B powodując zmianę szerokości prześwitu z lewej i prawej strony zęba. Wielkość przesunięcia określamy obliczając różnicę liczby zarejestrowanych impulsów z prawej i lewej strony zęba.jeżeli przyjmiemy symbol X l dla liczby impulsów szczeliny z lewej strony zęba, X p dla liczby impulsów szczeliny z prawej strony to zęba oraz Y z jako liczbę impulsów przypadających na szerokość zęba to całkowita szerokość S szczeliny wynosi: (7) X p liczba impulsów szczeliny prawej strony zęba X l liczba impulsów szczeliny lewej strony zęba. Dla założonej liczby N zębów i szczelin na obwodzie tarczy, można wyrazić miarę kątową za pomocą liczby impulsów, (8) N liczba zębów jednej tarczy Ostatecznie otrzymujemy wzór na skręcenie wału w postaci: zależność momentu skręcającego od skręcenia wyrażonego różnicą liczby impulsów lewej i prawej strony szczeliny określa wzór: (6) (9) (10) 3073

Rys.2. Zasada pomiaru skręcenia wału za pomocą metody optycznej Konstrukcja oparta na tarczach z szczelinami pozwala również na precyzyjne określenie prędkości kątowej i obrotowej wału. Dla założonej częstotliwości emisji impulsów laserowych ψ [Hz]czas jednego obrotu wyrażony jest wzorem:, (11) a prędkość kątowa: (12) Znając szerokość kątową zęba i szczeliny można również określać prędkość kątową chwilową, zmienną w czasie jednego obrotu. W tym wypadku częstotliwość próbkowania zależy od liczby szczelin i zębów umieszczonych na tarczy. Liczba szczelin jest ograniczona zarówno poprzez technologiczne możliwości maszyny wykonującej tarczę oraz rozdzielczości układu pomiarowego (charakterystyka diody światłoczułej). Szerokość szczeliny i zęba musi być na tyle duża aby układ rozpoznawał szczelinę przy zadanej prędkości kątowej wału. Problem szerokości szczelin i zębów można rozwiązać poprzez zwiększenie obwodu tarczy, wiąże się to jednak ze wzrostem jej średnicy i jest ograniczone możliwościami zamontowania tarczy na wale oraz, w przypadku dużych prędkości obrotowych zwiększeniem siły odśrodkowej. 3 ZAGADNIENIE MINIMALNEJ SZEROKOŚCI SZCZELINY Problem szerokości szczeliny nabiera znaczenia w przypadku pomiarów momentu i prędkości silników o dużej prędkości obrotowej oraz gdy konstrukcja ogranicza średnicę zewnętrzną tarczy. Czas jaki potrzebuje szczelina na przejście przez promień lasera zależy od prędkości liniowej tarczy na promieniu określonym przez środek szczeliny. Prędkość liniowa tarczy określony jest wzorem: (13) n prędkość obrotowa [obr/s] r odległość od środka tarczy do geometrycznego środka szczeliny. Oznaczając szerokość szczeliny jako h otrzymujemy wzór na czas przejścia przez promień lasera:. (14) Czas przejścia szczeliny przez promień lasera wyznacza liczbę impulsów zarejestrowanych przez diodę światłoczułą. Liczba impulsów zależy od czasu przejścia t p oraz częstotliwości nadajnika ψ. Zakładając częstotliwość nadajnika 16 MHz, dokładność odbiornika +/- 10 impulsów można określić minimalny czas przejścia przy poziomie dokładności 0.995. Czas ten dla 10 x 999 impulsów wynosi 1.25 x 10-4 sekundy. Znając dopuszczalny czas możemy określić funkcję zależności szerokości szczeliny od prędkości obrotowej przy założonym promieniu r oraz wpływ zmiany promienia na minimalną szerokość szczeliny przy założonej prędkości obrotowej.na rysunku 3 przedstawiono 3074

przebieg zależności pomiędzy minimalną szerokością szczeliny a prędkością obrotową i promieniem tarczy. Rys.3. Wyznaczanie minimalnej szerokości szczeliny w zależności od prędkości obrotowej. r10 prędkość 10 obr/s; r15 prędkość 15 obr/s; r20 prędkość 20 obr/s Minimalna szerokość szczeliny determinuje również ilość szczelin które mogą być wykonane na krawędzi tarczy. Teoretycznie maksymalna liczba szczelin nie zależy od promienia tarczy, w praktyce minimalna szerokość szczeliny określana jest przez wymiary narzędzia do wykrawania szczelin tak więc zmniejszanie średnicy powoduje zmniejszenie liczby szczelin możliwych do wykonania na obwodzie. 4 WPŁYW DOKŁADNOŚCI WYKONANIA TARCZY NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU W zależności od technologii wykonania tarczy mogą występować różnice w szerokości zębów i szczelin. Wielkość błędu zależy od wartości odchyłki od wartości średniej szerokości zęba oraz od liczby zębów. Większa liczba zębów z jednej strony zwiększa dokładność pomiaru wartości chwilowych, z drugiej strony, przy dostępnej tolerancji wykonania, powoduje procentowy wzrost odchylenia. Odchylenia wyników pomiaru spowodowane wykonaniem szczelin są niwelowane za pomocą obróbki matematycznej. Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych powoduje odrzucenie skrajnych wartości odchyleń losowych. Na rysunku 4 przedstawiono przykład wygładzania wykresu za pomocą filtru Savitzky ego Golaya. Rys. 4. Przebieg momentu obrotowego po dwukrotnym wygładzeniu za pomocą filtru dolnoprzepustowego 3075

Rys.5. Momentomierz optyczny zamontowany na wale napędowym statku towarowego Niedokładność wykonania zębów można również skompensować poprzez zastosowanie specjalnego programu komputerowego, metoda ta wymaga jednak posiadania stanowiska testowego umożliwiającego obracanie tarczy ze stałą prędkością kątową. Zasada działania takiego programu polega na tworzeniu tak zwanej mapy zębów. Układ rejestruje szerokości poszczególnych zębów przy stałej prędkości kątowej a następnie określa szerokość średnią zębów tarczy. Procentowa wartość odchylenia szerokości zęba od wartości średniej stanowi poprawkę która jest dodawana lub odejmowana od wartości rzeczywistej szerokości zęba. W ten sposób zarejestrowane pomiary zostają programowo odszumione, w zakresie zakłóceń powodowanych tolerancją wykonania zębów. 5 WPŁYW CZĘSTOTLIWOŚCI EMISJI PROMIENIA LASEROWEGO NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU Diody światłoczułe posiadają charakterystyki które określają czas narastania impulsu prądu fotoelektrycznego t r i czas opadania prądu fotoelektrycznego t f co przedstawia rysunek 6. Ze względu na tą właściwość elementów światłoczułych częstotliwość emisji impulsu świetlnego wpływa na dokładność pomiaru. Rys.6. Przykładowa odpowiedź detektora na impuls fotoelektryczny Wysoka częstotliwość nadajnika umożliwia zastosowanie tarczy o dużej liczbie szczelin na obwodzie, czyli wysokiej częstości próbkowania. Ma to szczególne znaczenie dla pomiarów momentu i prędkości silników szybkoobrotowych ( powyżej 1200 obr/min). Liczba rejestrowanych impulsów odpowiadających szerokości zęba lub szczeliny maleje wraz ze wzrostem prędkości obrotowej tarczy i zmniejszaniem szerokości szczeliny (zęba). Dla obiektów rzeczywistych istnieje również zależność związana z konstrukcją silnika. Silniki szybkoobrotowe charakteryzują się mniejszymi wymiarami oraz mniejszą ilością miejsca pomiędzy wałem a fundamentem oraz pomiędzy kołem zamachowym a odbiornikiem. Powoduje to znaczne ograniczenia co do średnicy tarcz pomiarowych a w konsekwencji ogranicza to liczbę szczelin możliwych do wykonania na obwodzie tarczy. Wysoka częstotliwość zapewnia: możliwość pomiaru przy dużych prędkościach obrotowych 3076

zastosowanie dużej liczby szczelin o małej szerokości możliwość odfiltrowania zakłóceń spowodowanych niedokładnością wykonania szczelin. 6 ANALIZA WYNIKÓW POMIARÓW Wyniki pomiarów momentu skręcającego i prędkości kątowej wału otrzymujemy w postaci liczby impulsów przypadających na jedną próbkę w postaci zęba lub szczeliny. W celu uzyskania podstawy czasu należy podzielić sumę impulsów wszystkich par ząb-szczelina przypadających na obwód tarczy przez częstotliwość nadajnika. Otrzymujemy w ten sposób czas jednego obrotu wału. Chwilową prędkość kątową wału określamy dzieląc miarę kątową przypadającą na ząb lub szczelinę przez czas odpowiadający liczbie impulsów przypadających na ząb lub szczelinę. [rad/s] (15) α z szerokość kątowa zęba (szczeliny) [rad] Xi - liczba impulsów przypadająca na ząb (szczelinę) ψ częstotliwość nadajnika impulsów świetlnych Na rysunku 7 przedstawiono przykładowy zapis zarejestrowanych zmian kąta skręcenia wału dla dwóch ustawień przesłony dławiącej w kanale wylotowym silnika. Pomiar został wykonany na jednocylindrowym laboratoryjnym silniku dwusuwowym i obejmuje osiem obrotów wału korbowego. Rys.7. Przebieg sygnału surowego pomierzonego na wale układu napędzanego 6. cylindrowym wysokoprężnym silnikiem czterosuwowym Widoczne zmiany wartości skręcenia wału następują pod wpływem siły gazowej z poszczególnych cylindrów. Analiza przebiegów nr1 i 2 pozwala stwierdzić wpływ zwiększenia oporów wydechu na przebieg zmiennego momentu skręcającego. WNIOSKI Wykrywanie zakłóceń przebiegu spalania polega na porównaniu z przebiegiem wzorcowym, niezbędne więc jest dokonanie pomiarów na poszczególnych obciążeniach, na silniku którego stan techniczny uważany jest jako poprawny. Odchylenia od przebiegu wzorcowego są wskaźnikiem występowania usterki. Ze względu na złożoność procesów zachodzących w cylindrze podczas spalania oraz maskujące działanie koła zamachowego silnika wysokoprężnego, zakłócenia o niskim poziomie sygnału mogą być trudne do identyfikacji. Poprawna i dokładna kalibracja momentomierza oraz utworzenie sprawdzonej bazy sygnałów wzorcowych pozwala na wykrywanie zakłóceń sił gazowych działających na tłok podczas suwu pracy i suwu przepłukania a spowodowanych: zakłóceniami dawki wtryskiwanego paliwa nieprawidłowym procesem spalania spowodowanym zmianą kąta wyprzedzenia wtrysku lub uszkodzeniem zaworu paliwowego (wtryskiwacza) 3077

wzrostem oporów w kanałach wylotowych spalin. Prace badawcze stanowią część projektu badawczego PBS 2/B4/9/2014 realizowanego w latach 2014-2017 przy wsparciu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Streszczenie W artykule przedstawiono propozycję pośredniego monitorowania wpływu instalacji oczyszczania spalin na parametry wyjściowe silnika wysokoprężnego w postaci momentu obrotowego oraz mocy, za pomocą czujnik opartego na zasadzie optycznej. Zastosowany układ pomiarowy pozwala na precyzyjny pomiar oraz rejestrację chwilowych wartości kąta skręcenia wału napędowego oraz jego prędkości kątowej. Metoda określania skręcenia wału za pomocą pomiaru przesunięcia dwóch tarcz referencyjnych zamontowanych w pewnym odstępie na wale jest stosowana w okrętownictwie od wielu lat, jednakże postęp jaki nastąpił w dziedzinie elektroniki oraz technice komputerowej pozwolił na osiągnięcie wymaganej dokładności pomiarów. Skuteczność metody potwierdziły badania wstępne przeprowadzone na silniku laboratoryjnym L 22, z wykorzystaniem urządzenia pomiarowego ENAMOR ETNP-10 oraz układu przesłon pozwalających na kontrolowane zmiany przeciwciśnienia w kanale wydechowym silnika. Utilization of optical torque meter for monitoring of gas force changes in cylinder of diesel engine based on fluctuation of instantaneous torque and angular speed of the crankshaft Abstract The paper presents a proposal of indirect monitoring of impact of exhaust gases purifying installation at outcoming parameters diesel engine as torque and revolutionary speed, using optical measurement system. Implemented system enables pretty accurate measurement and registration of instantaneous values of torque deriving torsions of the shaft and angular speed. The method of shaft torsion determination based on two reference discs mounted at a shaft is well known in marine industry, nevertheless technological progress done last years made that method much more accurate and reliable. Effectiveness of implemented system ETNP-10 was proved during experiment carried out at laboratory stand equipped with one-cylinder diesel engine and exhaust duct with adjustable slopes enabling controlled changes of gas counter pressure. BIBLIOGRAFIA 1. Charchalis A, Dereszewski M., Processing of instantaneous angular speed signal for detection of a diesel engine failure, Hindawi Publishing 2013 2. Dereszewski M., Wykorzystanie modelu dynamicznego silnika Sulzer 3Al25/30 do symulacji wpływu zmian obciążenia i uszkodzeń na fluktuację prędkości kątowej, zeszyty Naukowe AM Gdynia nr 81/2013 3. Piotrowski I. Witkowski K., Okrętowe silniki spalinowe, Trademar Gdynia 2003 3078