PL 215773 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 215773 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 381892 (51) Int.Cl. G07C 5/00 (2006.01) B60R 16/02 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 04.03.2007 (54) Układ do monitoringu pracy ciągnika (43) Zgłoszenie ogłoszono: 15.09.2008 BUP 19/08 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.01.2014 WUP 01/14 (73) Uprawniony z patentu: ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ADAM KONIUSZY, Szczecin, PL ROMAN NADOLNY, Szczecin, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Renata Zawadzka
2 PL 215 773 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ do monitoringu pracy ciągnika. Nadrzędnym celem monitoringu silnika jest stworzenie charakterystyki obciążeń roboczych w odniesieniu do czasu. Jest to tak zwana charakterystyka gęstości czasowej. która wiąże własności silnika ze sposobem jego eksploatacji. Charakterystyka gęstości czasowej stanowi zapis czasów trwania poszczególnych obciążeń silnika, które np. w pojazdach drogowych są odzwierciedleniem profilu prędkości jazdy realizowanego na hamowni podwoziowej. W specyficznych grupach pojazdów, w tym ciągnikach rolniczych, niemożliwe jest odzwierciedlenie profilu prędkości jazdy gdyż pojazdy te użytkowane są nie tylko w transporcie drogowym ale także w pracach: budowlanych, uprawowych oraz napędach stacjonarnych poprzez wałek odbioru mocy. W pojazdach samochodowych instalowane są urządzenia tachometryczne rejestrujące szereg informacji o pracy pojazdu. Dodatkowo niektóre samochody wyposażane są w systemy GPS umożliwiające lokalizację pojazdów. Umożliwia to dokładną analizę wykorzystania pojazdu, określenia prawidłowości ich eksploatacji. Do tej pory nie stosuje się podobnych metod monitoringu w innych pojazdach. Co prawda znane są w literaturze patentowej rozwiązania, które częściowo pozwalają zbierać i analizować informacje potrzebne do określenia optymalnej eksploatacji pojazdu. Polski opis patentowy PL 190797 przedstawia rozwiązanie układu do pomiaru czasu pracy silnika spalinowego lokomotywy na poszczególnych pozycjach jazdy. Niestety podobny układ można stosować tylko w pojazdach napędzanych układami typu: silnik spalinowy-generator prądu. Poza tym układ umożliwia tylko pomiar czasu pracy bez innych parametrów (zużycia paliwa, prędkości, mocy itp.). Podobnie jest w rozwiązaniu przedstawionym w japońskim zgłoszeniu patentowym JP 2006088820 przedstawiającym system pozwalający oszczędzać paliwo w pojazdach samochodowych. Bazuje on jednak na wcześniej zebranych danych z innych pojazdów, dotyczących statystyki obciążeń silnika. W systemie tym monitorowane są: prędkość obrotowa silnika, dawka podawanego do silnika paliwa, prędkość jazdy. Nie są monitorowane ani moment obrotowy ani moc silnika. Rozwiązanie przedstawione w zgłoszeniu patentowym US 006601442B1 pozwala wprawdzie na stały monitoring pracy silnika jednak identyfikacja obciążeń silnika momentem obrotowym ogranicza sic jedynie do kilku stałych zakresów, co w przypadku tworzenia charakterystyki obciążeń nie jest wystarczająco dokładne. Moment obrotowy jest tu identyfikowany tylko w siedmiu zakresach za pomocą sensorów umieszczonych na wale napędowym przekazującym moc z silnika do tylnego mostu. W ciągniku rolniczym takie rozwiązanie jest niemożliwe do zastosowania ze względów konstrukcyjnych, ponieważ brak jest dostępu do zainstalowania sensorów (wał napędowy w ciągniku jest bardzo krótki i w całości zabudowany, umieszczony W kadłubie ciągnika). Poza tym to rozwiązanie jest bardzo drogie ze względu na wysoką cenę sensorów momentu obrotowego. Brak jest także możliwości monitorowania mocy silnika. Sposób pomiaru wielkości potrzebnych do sporządzenia charakterystyki gęstości czasowej, szczególnie momentu obrotowego, wymusza instalację momentomierza w układzie napędowym. Ze względu na zwartą budowę podwozia ciągnika rolniczego, instalacja momentomierza powoduje znaczną ingerencję w konstrukcję całego pojazdu a niekiedy jest praktycznie niemożliwa. Dlatego też w urządzeniu zastosowano pośrednią metodę pomiaru momentu obrotowego. Wyznaczenie zależności godzinowego zużycia paliwa w funkcji prędkości obrotowej wału korbowego silnika, pozwala na obliczenie wartości momentu obrotowego jaki rozwija on w danej chwili. Metoda ta wymaga jedynie zainstalowania przepływomierza w układzie zasilania paliwem oraz czujnika prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Układ do monitoringu pracy ciągnika, według wynalazku, wyposażony w układ do pomiaru godzinowego zużycia paliwa, układ do pomiaru prędkości obrotowej wału silnika, charakteryzuje się tym, że ma moduł rejestratora z mikroprocesorem, pamięcią zewnętrzna, wyświetlaczem i programatorem oraz wewnętrznym źródłem zasilania. Moduł rejestratora połączony jest z układem do pomiaru prędkości obrotowej wału korbowego silnika, który to układ wyposażony jest w reluktancyjny czujnik obrotów. Moduł rejestratora połączony jest również z akumulatorem ciągnika, układem do pomiaru położenia geograficznego ciągnika i układem do pomiaru godzinowego zużycia paliwa. Układ do pomiaru godzinowego zużycia paliwa jest połączony z instalacja paliwową ciągnika. Układ do pomiaru położenia geograficznego umożliwia zastosowanie różnych typów urządzeń GPS.
PL 215 773 B1 3 Układ do monitoringu pracy ciągnika ma w układzie do pomiaru zużycia paliwa objętościową miernicę tłoczkową. Układ według wynalazku pozwała na pomiary wielkości chwilowych, np. przepływu paliwa wymagają zastosowania urządzeń o bardzo dużej dokładności pomiaru. Natomiast zastosowanie metody zliczania i uśredniania wielkości w dłuższych okresach pozwala na zastosowanie urządzeń pomiarowych o mniejszej rozdzielczości a przez to również tańszych. Zgodnie z wynalazkiem istnieje możliwość przesyłania danych w czasie rzeczywistym do komputera stacjonarnego z więcej niż jednego urządzenia do monitoringu TRS jednocześnie. Wymagane jest wtedy dodatkowe oprogramowanie oraz stale włączony komputer bazowy. Przy transmisji danych do komputera bazowego czas pracy urządzenia jest nieograniczony. Możliwa jest również rejestracja i monitoring wielkości mierzonych z kilku urządzeń jednocześnie, co ma istotne znaczenie w przypadku gospodarstw wielkoobszarowych. Moduł rejestratora może współdziałać z różnymi czujnikami prędkości obrotowej wykorzystującymi efekt Halla do generowania impulsów obrotowych. Czujnik prędkości obrotowej wału korbowego silnika zainstalowany jest na wprost wieńca zębatego koła zamachowego. W module rejestratora można zaprogramować liczbę impulsów, równą liczbie zębów wieńca zębatego koła zamachowego, odpowiadających jednemu pełnemu obrotowi wału korbowego. Umożliwia to zastosowanie układu TRS do różnych typów silników spalinowych niezależnie od ich wielkości czy też mocy. Podobnie, możliwe jest także zaprogramowanie układu do pomiaru ilości zużywanego paliwa. Po wprowadzeniu do pamięci modułu rejestratora liczby impulsów przypadających na jednostkę objętości paliwa możliwy jest pomiar jego zużycia w szerokim zakresie przepustowości zastosowanych miernie. Wynalazek jest bliżej przedstawiony w poniższym przykładzie wykonania na rysunku, na którym przedstawiono schemat blokowy urządzenia pomiarowo-rejestrującego. Ciągnik z silnikiem Z 8401.12 wyposażono w układ do monitoringu pracy ciągnika TRS (Tractor Recording System). Układ do monitoringu wyposażone jest w moduł rejestratora 1 z mikroprocesorem, pamięcią zewnętrzna, wyświetlaczem i programatorem oraz wewnętrznym źródłem zasilania. Moduł rejestratora 1 połączony jest z układem 2 do pomiaru prędkości obrotowej wału korbowego silnika, który to układ wyposażony jest w reluktancyjny czujnik obrotów. Moduł rejestratora 1 połączony jest również z akumulatorem 3 ciągnika, układem 4 do pomiaru położenia geograficznego ciągnika i układem 5 do pomiaru godzinowego zużycia paliwa, który jest połączony z instalacja 6 paliwową ciągnika. Układ 2 do pomiaru prędkości obrotowej wału korbowego silnika jest połączony z wieńcem 7 zębatym koła zamachowego silnika. W układzie 5 do pomiaru godzinowego zużycia paliwa zastosowano objętościową miernicę tłoczkową. Moduł rejestratora 1 jest zasilany ze źródła prądu w pojeździe oraz dodatkowo wyposażony w akumulator wewnętrzny, zapewniający niezawodne działanie urządzenia przy odłączeniu akumulatora pojazdu, np. podczas jego wymiany. Zasilanie awaryjne wystarczy na działanie urządzenia TRS przez około 10 godzin. Urządzenie TRS nie wymaga obsługi ze strony użytkownika pojazdu. Działa niezależnie od kierowcy. Moduł rejestratora 1 aktywuje się samoczynnie po uruchomieniu silnika i wyłącza natychmiast po jego zatrzymaniu. Dane gromadzone są tylko przy uruchomionym silniku niezależnie od tego czy ciągnik stoi czy jedzie. Zapis danych odbywa się na wymiennym nośniku, na przykład karcie pamięci typu MMC, w postaci pliku tekstowego. Przy kolejnych uruchomieniach silnika dane są dopisywane do istniejącego pliku. Plik ten w dowolny sposób można przetwarzać i analizować w' arkuszu kalkulacyjnym. Na wypadek utraty danych, na bieżąco tworzony jest również plik kopii zapasowej, np. przy niekontrolowanym zaniku napięcia w układzie zasilania. Rejestruje się w 30 sekundowych odstępach czasowych liczbę obrotów wału korbowego, objętość zużytego paliwa, położenie ciągnika według danych geograficznych. Następnie dane uśredniane dla każdego przedziału czasowego. Następnie sporządza się charakterystykę gęstości czasowej, na podstawie poniższych wzorów. Niezbędny do stworzenia charakterystyki gęstości czasowej moment obrotowy oblicza się metodą pośrednią wg zależności (1): M s = a g 3 1000 + b g 2 1000 + c g 1000 + d (1) W której wielkość g 1000 jest opisana równaniem (2): gdzie: (2)
4 PL 215 773 B1 a, b, c, d - współczynniki charakterystyczne dla danego typu silnika. g 1000 - zużycie paliwa na 1000 obrotów wału korbowego silnika [dm 3 /1000 obr], - objętościowe natężenie przepływu paliwa [dm 3 /min], n s - prędkość obrotowa wału korbowego silnika [obr/min]. Współczynniki a, b, c, d wyznacza się wg poniższego toku działań matematycznych. Podstawą obliczeń jest układ równań (3): gdzie; g e - jednostkowe zużycie paliwa [g/kwh], G e - godzinowe zużycie paliwa [kg/h], którego rozwiązanie stanowi zależność (4): Zakładając, że pomiar ilości zużywanego paliwa w warunkach polowych możliwy jest wyłącznie metodą objętościową można zapisać równanie (5): gdzie: P pal - gęstość paliwa [kg/dm 3 ]. Po podstawieniu do zależności (4) i przekształceniu otrzymuje się wyrażenie (6): (4) (5) (6) Następnie, po podstawieniu równania (2) do równania (6) otrzymuje się zależność (7): Na charakterystyce ogólnej danego typu silnika przelicza się wartości jednostkowego zużycia paliwa na wielkość g 1000 wg zależności (7). Powstaje wtedy, dla każdej prędkości obrotowej wału korbowego silnika, uszeregowany ciąg liczb tworzący funkcję postaci (1). Wyznaczone wartości współczynników a, b, c, d silnika Z 8401.12 dla trzech zakresów prędkości obrotowych silnika przedstawiono w tabeli 1. T a b e l a 1. (7) Zakres prędkości obrotowych wału korbowego silnika, n s [obr/min] Współczynniki a b C d do 550-2 10-5 0,0113 0,7329 5,3038 550-850 -2 10-5 0,0111 0,7375 5,3835 850-1150 3 10-5 0,0031 1,0981 1,8143 1150-1450 1 10-5 0,0081 0,8222 5,2349 1450-1750 -7 10-5 0,0234 0,0169 1,4687 1750-2050 1 10-5 0,0081 0,8222 5,2349 powyżej 2050 3 10-5 0,0031 1,0981 1,8143 Obliczony moment obrotowy silnika zapisuje się w pamięci modułu rejestratora. Układ do monitoringu pracy ciągnika TRS może znaleźć zastosowanie praktyczne w następujących obszarach: ewidencjonowanie czasu pracy ciągnika oraz zużycia paliw płynnych, precyzyjne określanie terminów przeglądów technicznych i napraw ciągnika, określanie stanu technicznego ciągnika na podstawie
PL 215 773 B1 5 zmian zużycia paliwa przy takich samych zabiegach agrotechnicznych lub poprzez porównanie kilku ciągników, planowanie przejazdów w uprawach polowych pozwalających uniknąć wielokrotnego ugniatania gleby, określanie stopnia wykorzystania mocy ciągnika w gospodarstwie, możliwość optymalizacji pracy ciągnika poprzez odpowiedni wybór przełożeń dzięki wizualizacji i sygnalizacji mierzonych wielkości w kabinie operatora, możliwość określenia emisji szkodliwych składników spalin z ciągników rolniczych na podstawie przebiegowego zużycia paliwa w funkcji rozwijanej mocy. Rozwiązanie może znaleźć podobne zastosowanie w pozostałych grupach pojazdów wyposażonych w silniki spalinowe. Zastrzeżenia patentowe 1. Układ do monitoringu pracy ciągnika wyposażony w układ do pomiaru godzinowego zużycia paliwa, układ do pomiaru prędkości obrotowej wału silnika, znamienny tym, że ma moduł rejestratora (1) z mikroprocesorem, pamięcią zewnętrzna, wyświetlaczem i programatorem oraz wewnętrznym źródłem zasilania. przy czym moduł (1) połączony jest z układem (2) do pomiaru prędkości obrotowej wału korbowego silnika. który to układ wyposażony jest w reluktancyjny czujnik obrotów, oraz moduł rejestratora (1) połączony jest również z akumulatorem (3) ciągnika, układem (4) do pomiaru położenia geograficznego ciągnika i układem (5) do pomiaru godzinowego zużycia paliwa, który jest połączony z instalacja (6) paliwową ciągnika. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w układzie do pomiaru zużycia paliwa ma objętościową miernicę tłoczkową. Rysunek
6 PL 215 773 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)