ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW (98)/4 Andrzej Bieniek, Mariusz Graba, Krzysztof Prażnowski 3 SYSTEM MONITOROWANIA NIERÓWNOMIERNOŚCI PRACY SILNIKA. Wstęp Silniki spalinowe mają zastosowanie w różnych maszynach i pojazdach, począwszy od silników stacjonarnych przez silniki pojazdów pozadrogowych i wreszcie drogowych. Mimo wad silniki spalinowe pozostaną głównymi jednostkami napędowymi do wielu zastosowań. Należy jednak zwrócić uwagę, że zaostrzające się przepisy zarówno odnośnie emisji substancji szkodliwych jak i regulacje dotyczące ograniczenia zużycia paliwa (redukcja emisji CO powiązanej bezpośrednio z zużyciem paliwa) powodują, że poszukuje się metod pozwalających spełnić te rosnące wymagania. Wykorzystanie potencjału tkwiącego w rozwiązaniach zarówno układów zasilania, napełniania jak i samej konstrukcji poszczególnych elementów silnika (np. komora spalania itd.) jest możliwe przez optymalizację sposobu sterowania jego pracą. Sterowanie pracą silnika spalinowego wymaga uwzględnienia wielu zjawisk zachodzących podczas jego pracy. Bardzo istotne jest zapewnienie dużej powtarzalności poszczególnych cykli pracy silnika zarówno w ujęciu krótkookresowym jak długookresowym. Zoptymalizowanie pracy silnika pod kątem uzyskania zarówno jego dużej efektywności działania, ograniczonej emisji substancji szkodliwych jak i osiągnięcia zadowalających innych aspektów pracy silnika (jak np. równomierna praca, niska hałaśliwość itp.), wymaga stosowania zaawansowanych metod sterowania i monitorowania pracy silnika. Bardzo istotne biorąc pod uwagę wymienione wcześniej aspekty pracy silnika jest zapewnienie możliwie niskiej wrażliwości na zmieniające się dynamicznie warunki pracy, własności otoczenia, tolerancje działania lub niesprawności poszczególnych elementów silnika bądź jego osprzętu oraz inne trudne do przewidzenia zakłócenia różnego rodzaju. Wymienione czynniki mogą mieć znaczący wpływ na przebieg zjawisk i procesów zachodzących podczas pracy silnika, a w rezultacie na osiągane przez niego wskaźniki. W rezultacie mimo przeprowadzonej optymalizacji działania poszczególnych układów silnika pod kątem najkorzystniejszych rozwiązań konstrukcyjnych może do chodzić do pracy silnika ze znacznie gorszymi wskaźnikami niż miałoby to miejsce w przypadku warunków zbliżonych do zakładanych w warunkach idealnych. Przyczyną mogą być trudne do przewidzenia zmiany warunków pracy oraz pojawienia się odchyłek działania poszczególnych elementów bądź wręcz powstania ich niesprawności. Zastosowanie sterowania nie uwzględniającego rozszerzonego monitoringu wskaźników pracy silnika może w efekcie końcowym prowadzić do braku powtarzalności poszczególnych cykli pracy silnika obserwowanych zarówno krótko jak i długookresowo [,, 4]. Z tego też względu należy stosować zaawansowane metody monitoringu poszczególnych wskaźników pracy silnika [4, ] a równocześnie opracować sposoby wykorzystania uzyskiwanych w ten sposób dr inż. Andrzej Bieniek, adiunkt w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Opolskiej mgr inż. Mariusz Graba, asystent w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Opolskiej 3 mgr inż. Krzysztof Prażnowski, doktorant na Wydziale Mechanicznym Politechniki Opolskiej 7
Ciśnienie [MPa] Ciśnienie [MPa] informacji do zmiany parametrów pracy poszczególnych układów, aby z jednej strony opierając się na wzorcowym przebiegu procesu spalania dążyć do jego odwzorowania, a z drugiej strony uzyskać najlepszą powtarzalność kolejnych cykli pracy silnika.. Monitorowanie wybranych wskaźników pracy silnika.. Przebieg ciśnienia w cylindrze Ze względu na trudności pomiaru z wykorzystaniem układów diagnostyki pokładowej niektórych bardzo istotnych wskaźników pracy silnika takich jak np. moment obrotowy, emisja poszczególnych związków szkodliwych, przebieg ciśnienia w cylindrze dokonuje się pomiaru parametrów pośrednich bądź powiązanych. Dzięki temu uzyskuje się co prawda informację o działaniu silnika, które są jednak niepełne i często nie uwzględniające wielu istotnych aspektów jego pracy. W celu pozyskania jak największej ilości informacji celowe jest doskonalenie metod monitorowania takich wielkości bezpośrednich mających wpływ na ocenę działania silnika takich jak ciśnienie w cylindrze, moment obrotowy czy emisja poszczególnych substancji. Ich pomiar z zastosowaniem elementów diagnostyki pokładowej jest bądź utrudniony bądź wiążący się ze znacznym skomplikowaniem i najczęściej równoczesnym wzrostem kosztów zarówno wytworzenia jak i późniejszej eksploatacji. Z wymienionych tu wskaźników zdaniem autorów najwięcej informacji można uzyskać analizując przebieg ciśnienia w cylindrze. Powszechne stosowanie silników wielocylindrowych utrudnia jednak realizację układu bezpośredniego monitorowania ciśnienia w każdym cylindrze silnika. Jest to związane z potrzebą zastosowania takiej liczby czujników ciśnienia, która koresponduje z liczbą cylindrów. Należy też zwrócić uwagę, że od czujników mierzących ciśnienie w cylindrze wymaga się bardzo dużej dokładności działania, ale równocześnie dużej odporności na wysokie ciśnienia i temperatury. Te wysokie wymagania korespondują z ich wysoką ceną. a) b) 6 4 Przebieg I Przebieg II Przebieg III Przebieg IV Przebieg V 4. 4 3. Przebieg I Przebieg II Przebieg III Przebieg IV Przebieg V 3 3.........3.3.4 Czas [s]......3.3.4 Czas [s] Rys.. Przebieg ciśnienia wewnątrz cylindra następujących po sobie cykli pracy: a) wtrysk jednofazowy, b) wtrysk dwufazowy [3,, ] Z tego też względu w niniejszym opracowaniu proponuje się zastosowanie jednego czujnika w wybranym cylindrze, a następnie z wykorzystaniem innych czujników (m.in. czujnika prędkości obrotowej) estymacja przebiegu ciśnienia w pozostałych cylindrach. W badaniach wstępnych zarejestrowano przebiegi ciśnienia w cylindrze kilku następujących po sobie cykli pracy silnika Jak pokazują dane literaturowe i przeprowadzone badania zarejestrowane różnice przebiegów są istotne dla różnych 8
rotational speed, rpm/min injection pump marker signal stopni recyrkulacji spalin [3,], ale największe znaczenie wykazuje sterowanie wtryskiem dawki paliwa (rys. ). Istotna jest tutaj nie tylko wielkość dawki paliwa, ale także jej podział na fazy [, 9, ]... Przebieg prędkości obrotowej W wielu współczesnych układach diagnostyki pokładowej stosuje się monitorowanie przebiegu prędkości obrotowej, w szczególności zaś określa się jej fluktuację: n nmax nmin, () n której szczegółowa analiza wykorzystująca dodatkowo czujnik faz pracy silnika pozwala na wskazanie wypadania zapłonów, bądź potrzeby korekty ilości wtryskiwanego paliwa. Wykorzystanie informacji o przebiegu prędkości obrotowej jest jednak ograniczone najczęściej ze względu na rozdzielczość zastosowanych czujników prędkości obrotowej wynoszącą bardzo często ok. 6- o OWK, co może utrudniać szczegółową ocenę pracy silnika (rys.). Zastosowanie czujnika o większej rozdzielczości powinno pozwolić na uzyskanie bardziej szczegółowej informacji oraz dodatkowo zwiększenie możliwości analizy takiego sygnału. 94. 9.. 9 88. rotational speed injection marker PPM PPM. 3 4 time, ms Rys.. Przebieg prędkości obrotowej przy standardowym czujniku prędkości obrotowej (rozdzielczość o OWK) i niesprawności układu wtryskowego cylindra nr 4 [] Przeprowadzone badania dla czujnika prędkości obrotowej o dwukrotnie wyższej rozdzielczości wynoszącej 3 o OWK pokazują, że analiza przebiegu prędkości obrotowej pozwala uzyskać w sposób pośredni informacje dotyczące przebiegu procesu spalania a w szczególności jego braku lub występujących nieprawidłowości. (rys. 3). 9
prędkość obrotowa silnika, obr/min sygnał czujnika faz pracy silnika, V 94 93 prędkość obrotowa sygnał czujnika faz pracy 3,, 9 9 9 89,,,, 88, 3 4 czas, ms Rys. 3. Fluktuacja prędkości obrotowej podczas braku wtrysku paliwa w cylindrze nr 4 przy zastosowaniu czujnika o rozdzielczości 3 o OWK [3] Szczegółowa analiza przebiegu prędkości obrotowej z wykorzystaniem czujnika faz pracy silnika pozwala również wskazać na charakter procesu spalania (sposób przyrostu ciśnienia podczas procesu spalania, równomierność pracy silnika, powtarzalność pracy dla poszczególnych cylindrów) oraz rozpoznawać cylinder, w którym proces spalania zachodzi w sposób nieprawidłowy. 3. Układ monitorowania nierównomierności pracy silnika 3.. Koncepcja Proponowany system monitorowania nierównomierności pracy silnika przedstawiono na rys. 4, którego elementy zamontowano na czterocylindrowym czterosuwowym silniku wysokoprężnym stosowanym w pojazdach pozadrogowych. System bazuje na złożeniu wykorzystania czujnika prędkości obrotowej o wysokiej rozdzielczości oraz czujnika ciśnienia zamontowanego w jednym wybranym cylindrze. CPAM P S W Diesel Engine Std. Sensors ECU SFA Std. Actuators Injection Unit I I I 3 I 4 Rys. 4. Schemat układu monitorowania nierównomierności pracy silnika [4, ]
Analiza sygnałów z zastosowanych w układzie monitorowania wymaga wypracowania zaawansowanych algorytmów analizy zawartych w proponowanych modułach: - analizy przebiegu ciśnienia w cylindrze CPAM [4, ] - analizy przebiegu prędkości obrotowej SFA [4, ] Szczegółowe algorytmy mogą bazować na analizie prędkości uwalniania ciepła podczas procesu spalania [7, 8], analizie fluktuacji prędkości obrotowej [6] bądź też analizie częstotliwościowej [6]. 3.. Elementy składowe Podstawowymi elementami składowymi systemu monitorowania nierównomierności pracy silnika są zastosowane czujniki oraz układ analizy ich sygnałów. Rys.. Enkoder inkrementalny zamontowany na wale korbowym silnika badawczego Do pomiaru przebiegu prędkości obrotowej silnika zastosowano optyczny enkoder inkrementalny zamontowany na wale korbowym silnika spalinowego. Wysoka rozdzielczość zastosowanego enkodera wynosząca,36 o OWK spełnia założenia wstępne koncepcyjnego systemu monitorowania nierównomierności pracy silnika. Uzupełnieniem opisywanego systemu jest czujnik ciśnienia AVL zamontowany w głowicy silnika w cylindrze nr 4 oraz czujnik faz pracy silnika zamontowany na wałku pompy wtryskowej w taki sposób, że faza pracy danego cylindra wskazywana jest z wyprzedzeniem 9 o OWK w stosunku do fizycznego położenia jego tłoka w GMP. Takie wyprzedzenie tego znacznika pozwala na przygotowanie a następnie wygenerowane sygnału sterującego przez sterownik układu wtryskowego i recyrkulacji spalin przed dojściem tłoka do GMP. Dzięki temu możliwa jest szybka reakcja i korekta parametrów wtrysku w przypadku stwierdzenia nieprawidłowości w działaniu układu wtryskowego.
Ciśnienie, MPa; Znacznik, V Obroty, obr/min X(f) 4. Badania wstępne W celu weryfikacji wstępnej poprawności koncepcji i działania systemu przeprowadzono badania testowe na stanowisku badawczym z wykorzystaniem silnika pojazdu pozadrogowego. Dokonano rejestracji przebiegu prędkości obrotowej z wykorzystaniem optycznego enkodera inkrementalnego zamontowanego na wale korbowym silnika oraz dodatkowo pomiaru przebiegu ciśnienia w cylindrze i sygnału czujnika faz pracy silnika. Pomiary przeprowadzono z częstotliwością khz oraz khz w celu wstępnego porównania jakości analizowanego sygnału prędkości obrotowej silnika. Sygnał enkodera poddano analizie częstotliwościowej za pomocą transformaty Fouriera. Wzrost częstotliwości próbkowania ze khz do khz spowodował widoczną poprawę jakości sygnału wynikowego prędkości obrotowej, co umożliwia bardziej wnikliwą ocenę przyczyn nierównomierności pracy (rys. 6a i 7a). W przypadku próbkowania z wyższą częstotliwością ( khz) można zauważyć, że zmiany wynikowego sygnału prędkości obrotowej dobrze korelują z charakterem zmian ciśnienia w cylindrze (rys 7a). W badanym przypadku można również zauważyć, że praca poszczególnych cylindrów generuje odmienne wahania prędkości obrotowej, co może sugerować nieprawidłowości procesu spalania w poszczególnych cylindrach i znacznych różnic w jego przebiegu pomiędzy poszczególnymi cylindrami. Analiza przebiegu prędkości obrotowej pozwala na wskazanie cylindra pracującego najbardziej efektywnie (w tym przypadku cylindra nr 4) (rys. 6a i 7a). Równocześnie analiza częstotliwościowa z wykorzystaniem Transformaty Fouriera pozwala dokładnie określić częstotliwość dominującą, a tym samym średnią wartość prędkości obrotowej przy uwzględnieniu częstotliwości próbkowania i rozdzielczości zastosowanego enkodera (rys. 6b i 7b). a) b) Nierównomierność pracy silnika ZS Transformata Fouriera sygnału czujnika prędkości obrotowej. x 4 X:.637e+4 Y:.47e+4 9. 9...3.3.4.4...6 Czas, s... 3 3. 4 4. Częstotliwość, Hz x 4 Rys. 6. Wyniki badań przy średniej prędkości obrotowej 98, obr/min oraz częstotliwości rejestracji khz: a) przebieg rejestrowanych sygnałów z czujników układu monitorowania b) Transformata Fouriera z sygnału enkodera
Ciśnienie, MPa; Znacznik, V Obroty, obr/min X(f) Ciśnienie, MPa; Znacznik, V Obroty, obr/min X(f) a) b) Nierównomierność pracy silnika ZS 6 x 4 Transformata Fouriera sygnału czujnika prędkości obrotowej X:.63e+4 Y:.76e+4 6 9 4 4 3 9....3.3.4.4 Czas, s 3 4 6 7 8 9 Częstotliwość, Hz x 4 Rys. 7. Wyniki badań przy średniej prędkości obrotowej 967,8 obr/min oraz częstotliwości rejestracji khz: a) przebieg rejestrowanych sygnałów z czujników układu monitorowania b) Transformata Fouriera z sygnału enkodera Zwiększenie prędkości obrotowej powoduje pogorszenie jakości sygnału wynikowego w szczególności widoczne jest to dla niższej częstotliwości próbkowania (rys. 8a), nie ma jednak istotnego wpływu na możliwość analizy częstotliwościowej z wykorzystaniem transformaty Fouriera (rys. 8b) a) b) Nierównomierność pracy silnika ZS 3 3. 4 x 4 Transformata Fouriera sygnału czujnika prędkości obrotowej X:.3e+4 Y: 3.877e+4 3....3.3.4.4...6 Czas, s... 3 3. 4 4. Częstotliwość, Hz x 4 Rys. 8. Wyniki badań przy średniej prędkości obrotowej 73,8 obr/min oraz częstotliwości rejestracji khz: a) przebieg rejestrowanych sygnałów z czujników układu monitorowania b) Transformata Fouriera z sygnału enkodera W ramach badań wstępnych przeprowadzono również próby dla niestacjonarnych warunków pracy silnika objawiających się dynamiczną zmianą wskaźników jego pracy (rys. 9 i ). Przebieg takiej próby przedstawiono na rys 9, zaś przebiegi z czujników układu monitorowania oraz wyniki analizy częstotliwościowej przedstawiono na rys.. 3
Ciśnienie, MPa; Znacznik, V Obroty, obr/min X(f) Ciśnienie, MPa; Znacznik, V Obroty, obr/min Nierównomierność pracy silnika ZS 3... 3 3. 4 9 Czas, s Rys. 9. Przebiegi sygnałów z czujników systemu monitorowania nierównomierności pracy silnika podczas dynamicznych zmian wskaźników pracy silnika a) b) Nierównomierność pracy silnika ZS x 4.8.6.4. Transformata Fouriera sygnału czujnika prędkości obrotowej X:.7e+4 Y:.887e+4 X:.e+4 Y:.7e+4.8.6 9.4..9.9......3 Czas, s... 3 3. 4 4. Częstotliwość, Hz x 4 Rys.. Wyniki badań podczas dynamicznej zmiany wskaźników pracy silnika i zmiany średniej prędkości obrotowej w przedziale 6 3 obr/min oraz częstotliwości rejestracji khz: a) przebieg rejestrowanych sygnałów z czujników układu monitorowania b) Transformata Fouriera z sygnału enkodera Analizując przebieg próby (rys. 9) można zauważyć, wyraźny wzrost maksymalnego ciśnienia w cylindrze, co koresponduje ze zwiększeniem amplitudy odchylenia przebiegu prędkości obrotowej od wartości średniej. Analiza z wykorzystaniem transformaty Fouriera dotycząca przebiegu całej próby (rys. b) pozwala na ocenę stabilności warunków pracy silnika (widoczne rozszerzenie widma częstotliwości sygnału enkodera dla zwiększonej amplitudzie), dając tym samym dodatkowe informacje dla zaawansowanej analizy nierównomierności pracy silnika. Zastosowanie większej częstotliwości próbkowania w stosunku do warunków przeprowadzonych pomiarów wstępnych powinno dodatkowo poprawić jakość sygnału wynikowego, a tym samym zwiększyć jakość informacji zawartych w tym sygnale. 4
. Podsumowanie Przeprowadzone badania wstępne układu monitorowania nierównomierności pracy silnika pokazują, że dalsze doskonalenie zaproponowanej koncepcji może dać realne możliwości zarówno zaawansowanej diagnostyki pracy silnika jak i wykorzystania sygnałów czujników prędkości obrotowej i ciśnienia w cylindrze dzięki ich zaawansowanej analizie również do sterowania i korygowania ustawień układów, w których wyposażony jest silnik spalinowy (układ wtrysku paliwa, układ recyrkulacji spalin itp.). Mając na uwadze wstępnie przeprowadzone testy układu monitorowania nierównomierności pracy silnika należy zauważyć potrzebę dalszego doskonalenia metod analizy otrzymanych sygnałów wynikowych jak i optymalizacji to jest określenia minimalnej rozdzielczości czujnika prędkości obrotowej oraz częstotliwości próbkowania, bądź też zaproponowania innych zaawansowanych rozwiązań związanych z pomiarem prędkości obrotowej z wykorzystaniem czujnika prędkości obrotowej o wysokiej rozdzielczości. Działanie zoptymalizowanego układu monitorującego pracą silnika sprzęgniętego z układem sterującym silnika powinno doprowadzić do poprawy jakości diagnostyki i zmniejszenia nierównomierności pracy silnika, które z kolei wpłynie na poprawę wielu wskaźników pracy silnika. Literatura: [] Beasley, M., i inni: Reducing Diesel Emissions Dispersion By Coordinated Combustion Feedbackcontrol, SAE Paper 6--86, 6, [] Bieniek A.: Advanced nonroad diesel engine control system Machine Design vol. 3 no. 3, (ISSN 8-9) s. 67 7 [3] Bieniek A.: Koncepcja pokładowego systemu monitorowania procesu spalania w silniku spalinowym, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej, (93)/3 s. 7-, 3 [4] Bieniek A.: Conception of cylinder based diesel injection control system, Journal of KONES, Powertrain and Transport, Vol. 8, No. 3,, s. 7-3. [] Bieniek A., Mamala J., Augustynowicz A., Graba M., Brol S., Lenc-Brol A., Lechowicz A.: Zasilanie silników wysokoprężnych pojazdów pozadrogowych, Monografia Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej. [6] Kowalski D., Bieniek A., Brol S.: Irregularity of rotational Speed of diesel engine with modified fuel injection system, Journal of KONES, Powertrain and Transport, Vol. 8, No. 4,, s. 99-4. [7] Brunt M., Et Al: The Calculation Of Heat Release Energy From Engine Cylinder Pressure Data, SAE Paper 98, 998 [8] De Ojeda W., Karkkainen A.: Multicylinder Diesel Engine Design For HCCI Operation, Presentation To The Diesel Engine Emissions Reduction (John Deer Conference), 6 [9] Gorij-Bandpy M., Soleimani S., Ganji D.: The Effect Of Diffrent Injection Strategies And Intake Conditions On The Emission Characteristics In A Diesel Engine, International Journal Of Vehicular Technology, 9, s. -, [] Graba M., Lechowicz A., Mamala J., Bieniek A.: Wielofazowy wtrysk paliwa dla silników z zapłonem samoczynnym wyposażonych w rzędową pompę wtryskową, Inżynieria Rolnicza, Komitet Techniki Rolniczej PAN, Kraków s. -7
[] Guezennec Y., Cannova M., Garzarella M., Et. Al.,: Control-Oriented Modeling for HCCI Combustion and Multi-Cylinder HCCI Experimental Activities, The Ohio State University, Center for Automobile Research, Rapport, s.. -9, [] Hasegawa M., Shimasaki, Y.: Study On Ignition Timing Control For Diesel Engines Using In-Cylinder Pressure Sensor, SAE Paper 6--8, 6 [3] Jantos J., Mamala J., Bieniek A., Kowalski D., Graba M:. Pojazdy typu Off Road w aspekcie przyszłościowych norm emisji spalin Journal of Kones 9, [4] Kessel J-A., Schmidt M., Isermann R.: Modelbasierte Motorsteuerung, Regelung Und Ueberwachung, MTZ Nr 9, 998, s. 4-46, [] Kuessel M., Bellmann H., Herden W.: Brennraum Drucksensor fuer den Einsatz in Serienmotoren, MTZ Nr 7, 996, s.6- [6] Longwic R., Litak G., Górski K. Lotko W. Sen A. K.: Cycle-to-cycle variation of the combustion process in a diesel engine powered by different fuels; Journal of Vibroengineering -, nr, vol. 3, s. -7 Streszczenie Publikacja zawiera koncepcję układu monitorowania nierównomierności pracy wielocylindrowego silnika spalinowego opartego na wykorzystaniu czujnika prędkości obrotowej o wysokiej rozdzielczości oraz czujnika ciśnienia w cylindrze montowanego w głowicy jednego z cylindrów silnika. Przedstawiono również wyniki badań wstępnych koncepcyjnego układu monitorowania nierównomierności pracy silnika przeprowadzone na stanowisku badawczym wyposażonym w czterocylindrowy czterosuwowy silnik pojazdu pozadrogowego. W silniku badawczym zamontowano na wale korbowym optyczny enkoder inkrementalny o rozdzielczości,36 o OWK. Analizowano również wpływ częstotliwości próbkowania sygnału czujnika prędkości obrotowej na jego jakość i rozdzielczość. Słowa kluczowe: silnik spalinowy, nierównomierność pracy, prędkość obrotowa IRREGULARITY ENGINE OPERATING MONITORING SYTEM Abstract The publication contain conceptions of monitoring system of engine operating irregularity for multicylinder combustion engine based on high resolution rotational speed sensor and pressure sensor mounted on engine cylinder head at one of cylinder. Publication presented also results of initial research of conception monitoring system of engine operating irregularity operated at test bench with mounted four cylinder, four stroke off-highway vehicle engine. At research engine on his crank shaft is optical incremental encoder with resolution of,36 o mounted. There are also influence of sampling frequency of rotational speed sensor signal at his quality analyzed Keywords: combustion engine, operating irregularity, rotational speed 6