Analiza sygnału drga silnika o zapłonie iskrowym w warunkach drogowych

ARCHIWUM MOTORYZACJI 3, pp. 181-190 (2009) Analiza sygnału drga silnika o zapłonie iskrowym w warunkach drogowych IWONA KOMORSKA Politechnika Radomska Sygnał wibroakustyczny silnika spalinowego jest obecnie wykorzystywany do oceny spalania w silnikach o zapłonie iskrowym. Tymczasem jest on bogatym ródłem wiedzy nie tylko o procesie spalania, lecz równiewiadczy o rónych uszkodzeniach mechanicznych majcych miejsce w zespole napdowym, dotyczcych zaworów, sprzgła, skrzyni biegów. W artykule opisano badania wykonane na silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, obejmujce pomiar drga bloku silnika oraz pomiary dodatkowych sygnałów z czujników, umoliwiajce ustalenie parametrów pracy silnika i faz rozrzdu. Badania wykonano podczas testów drogowych, a ich celem było oszacowanie wpływu prdkoci obrotowej, obcienia i warunków nawierzchni drogowej na drgania bloku silnika. Sygnał poddano przetworzeniu metod filtracji, analizy widmowej oraz krótkookresowej transformaty Fouriera. Wykonane pomiary s podstaw opracowania wibroakustycznego modelu diagnostycznego słucego do oceny stanu elementów mechanicznych silnika, tj. zaworów, tłoków itp. 1. Wprowadzenie Proces generowania drga i hałasu w silniku spalinowym jest bardzo złoony. Mierzone drgania s złoeniem fal okresowych zwizanych z prac elementów wirujcych i odpowiedzi na wymuszenia impulsowe zwizane z ruchem posuwisto-zwrotnym, a take wymusze powodowanych przez cinienie gazów. Silne stany przejciowe w sygnale wibroakustycznym pochodz od pracy zaworów dolotowych i wylotowych, wtryskiwaczy, procesu spalania, uderze tłoka o tulej cylindra. Dla celów diagnostycznych konieczna jest separacja z sygnału odpowiedzi pochodzcych od rónych wymusze i ich indywidualna analiza. W celu identyfikacji ródeł wymusze konieczne jest przejcie z dziedziny czasu do dziedziny kta obrotu wału korbowego. Wówczas wikszo składowych sygnału wibroakustycznego mona rozpatrywa jako cyklostacjonarne. Szczególn trudno stanowi analiza tego sygnału on-line ze wzgldu na zmienno parametrów pracy w warunkach drogowych. Naley uwzgldni zmienne obcienie, prdko oraz dodatkowe wymuszenia pochodzce od drogi. Niektóre wymuszenia wystpuj okresowo, np. uderzenia tłoka o tulej cylindra, otwieranie i zamykanie zaworów (dla silników ze stałymi fazami rozrzdu), inne natomiast cechuje zmienno kata wystpowania (wtrysk, zapłon). Dlatego

182 I. Komorska podczas pomiaru drga konieczna jest równie rejestracja dodatkowych sygnałów informacyjnych i synchronizujcych. Uzyskana baza danych ma słuy utworzeniu wibroakustycznego modelu diagnostycznego, na podstawie którego moliwa byłaby identyfikacja uszkodze elementów mechanicznych silnika, takich jak zawory (wypalenie, zmiana luzów), tłoki itp. Próby modelowania tego złoonego sygnału pod ktem diagnostyki elementów przedstawiono w pracach [1, 2]. Wymienione uszkodzenia mechaniczne nie s wykrywane przez system OBD, natomiast sygnał wibroakustyczny wydaje si by na nie wraliwy [3, 4]. 2. Opis bada i metod przetwarzania sygnału Badania przeprowadzono podczas prób drogowych na silniku 4-cylindrowym o zapłonie iskrowym Renault 1400 K7J, wyposaonym w system ECU Siemens EMS3132. Przeprowadzono seri pomiarów drga silnika dla rónych prdkoci obrotowych, obcie oraz nierównoci nawierzchni. Główny tor pomiarowy obejmował czujnik drga B&K DeltaTron typ 4519-002, o zakresie czstotliwoci 1 Hz 20 khz i temperaturach pracy od -51 do +121 o C, zamocowany przy pomocy kleju do bloku silnika przy 1. cylindrze, oraz kart akwizycji sygnałów dynamicznych DBK04 wyposaon w zestaw filtrów antyaliasingowych, współpracujc z głównym modułem akwizycji DaqBook 2005 firmy IOtech, który przesyła dane za pomoc złcza Ethernet do notebooka. Poza sygnałem drga silnika rejestrowano równie sygnał połoenia wału korbowego silnika, sygnał połoenia przepustnicy, sygnały sterujce wtryskiwaczami i cewkami zapłonowymi. Schemat systemu pomiarowego przedstawiono na rysunku 1. Notebook PC Ethernet Daq Book 2005 DBK 213 + DBK 4 rotational speed throttle position ignition injection vibration Rys. 1. System pomiarowy. Fig. 1. Measurement system.

Analiza sygnału drga silnika o zapłonie iskrowym w warunkach drogowych 183 Sygnały dodatkowe umoliwiły identyfikacj cykli pracy silnika, momentów wtrysku, zapłonu oraz faz rozrzdu. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy sygnał przyspieszenia drga silnika dla pojedynczego cyklu pracy wraz z zaznaczonymi fazami rozrzdu. Rys. 2. Sygnał przyspieszenia drga w czasie trwania cyklu pracy silnika z zaznaczonymi fazami rozrzdu dla 1. cylindra (ZZW zamknicie zaworu wylotowego, ZZD zamknicie zaworu dolotowego, owk sygnał obrotu wału korbowego silnika, zapłon sygnał sterowania cewkami zapłonowymi 1. i 4. cylindra). Fig. 2. Signal of vibration acceleration during one cycle of engine operation with timing for 1. cylinder (ZZW outlet valve closing, ZZD inlet valve closing, owk signal of crankshaft revolution, zapłon signal of ignition coil control for 1. and 4. cylinder). Podczas cyklu pracy w zarejestrowanym sygnale drganiowym dominuj procesy przejciowe bdce odpowiedzi na zamykanie zaworów. Ze wzgldu na zamocowanie czujnika drga przy 1. cylindrze, drgania zwizane z jego prac charakteryzuj si najwiksz amplitud. Zarejestrowany sygnał poddano analizie widmowej. Na rysunku 3a przedstawiono widmo amplitudowe wyznaczone dla pojedynczego cyklu pracy, natomiast na rysunku 3b - urednione widmo dla 10 cykli pracy silnika w warunkach ustalonych. W widmie dominuje wyranie składowa około 7500 Hz oraz składowe wysze z zakresu 10-13 khz. Jednak na podstawie tych wykresów trudno jest okreli, w którym momencie cyklu jakie składowe wystpuj.

184 I. Komorska a) b) Rys. 3. Analiza widmowa drga silnika: a) widmo amplitudowe dla pojedynczego cyklu pracy, b) widmo urednione dla 10 cykli pracy. Fig. 3. Spectrum analysis of the engine vibration: a) spectrum magnitude for the single operation cycle, b) average spectrum magnitude for 10 operation cycles. Dlatego w nastpnym kroku sygnał poddano analizie metod krótkookresowej transformaty Fouriera STFT (short-time Fourier transform). Jest ona zdefiniowana jako transformata Fouriera sygnału okienkowanego w czasie, podczas gdy okno czasowe przesuwa si w czasie. Mona to zapisa dla sygnałów cigłych i dyskretnych odpowiednio w postaci [5]: y( t) = x( t) w( t) (1)

Analiza sygnału drga silnika o zapłonie iskrowym w warunkach drogowych 185 X y( n) = x( n) w( n) (2) + j 2πft ( τ f ) = [ x( t) w( t τ) ] e dt, (3) m = + ( n λ) = [ x( n + m w( m) ] X ) jλm, e (4) m = gdzie: x(t), x(n) - analizowany sygnał odpowiednio cigły i dyskretny τ - parametr czasu λ - parametr czstotliwoci w(t), w(n) - funkcja okna odpowiednio cigła i dyskretna. W wyniku przekształcenia otrzymano obraz chwilowego modułu amplitudy drga w funkcji kta obrotu wału korbowego i czstotliwoci, który został przedstawiony na rysunku 4. Rys. 4. Analiza czstotliwociowo-amplitudowa sygnału drga podczas cyklu pracy silnika. Fig. 4. Time-frequency analysis of vibration signal during one cycle of engine operation. Z analizy cyklu wynika, e widoczne na rysunku 3 drgania o czstotliwoci 7,5 khz s widoczne niemal podczas całego cyklu pracy silnika i najprawdopodobniej zwizane s z rezonansem. Wystpuj one równie podczas zamykania zaworu wylotowego. Wysze składowe (10-13 khz) widoczne w widmie s natomiast zwizane z zamykaniem zaworów wylotowych. Odpowied drganiowa układu na zamykanie zaworu dolotowego charakteryzuje si szerokim spektrum, które jest charakterystyczne dla odpowiedzi na bardzo krótki impuls. Charakterystyki czasowo-czstotliwociowe coraz czciej wykorzystywane s przy analizie wymusze impulsowych

186 I. Komorska generowanych przez układy silnika spalinowego tj. zawory, wtryskiwacze w celach diagnostycznych [6, 7]. W celu dalszej analizy sygnał z akcelerometru poddano filtracji cyfrowej przy pomocy oprogramowania Matlab. Na rysunku 5a przedstawiono sygnał przetworzony filtrem górnoprzepustowym (pasmo przepustowe 5 18 khz), a na rysunku 5b-filtrem dolnoprzepustowym (pasmo przepustowe 0 200 Hz). Przedstawione metody preprocessingu sygnału drganiowego mog słuy rónym celom diagnostycznym. Wysokie czstotliwoci charakteryzuj procesy przejciowe w silniku, tj. działanie zaworów, prac tłok-cylinder, proces spalania, natomiast niskie czstotliwoci mog słuy do oceny równomiernoci pracy cylindrów [8]. Rys. 5. Sygnał drganiowy z rys. 2 przetworzony przy pomocy a) filtru górnoprzepustowego, b) filtru dolnoprzepustowego. Fig. 5. Vibration signal presented in Fig. 2 processed with a) highpass filter, b) lowpass filter. 3. Analiza wpływu parametrów pracy na drgania silnika Chcc wnioskowa na podstawie drga o stanie silnika on-line w rónych warunkach eksploatacji naley zbada wpływ parametrów pracy silnika na sygnał drganiowy. Najwiksze znaczenie ma niewtpliwie prdko obrotowa. Wraz z jej wzrostem ronie te amplituda sygnału drga, zwłaszcza składowych bdcych odpowiedzi na zamykanie zaworów, co jest zwizane ze wzrostem energii kinetycznej zaworów. Na rysunku 6 pokazano wartoci kwadratów amplitudy drga, które s miar proporcjonaln do chwilowej energii drga bloku silnika podczas rozbiegu. Wraz ze wzrostem prdkoci obrotowej rosn amplitudy drga zwizane z procesami przej- ciowymi.

Analiza sygnału drga silnika o zapłonie iskrowym w warunkach drogowych 187 Rys. 6. Chwilowa amplituda drga podniesiona do kwadratu w funkcji kta obrotu wału korbowego i prdkoci obrotowej. Fig. 6. Instantaneous squared vibration amplitude versus crankshaft position and rotational speed. Nastpnie obliczono warto skuteczn przyspieszenia drga w kadym cyklu pracy silnika podczas rozbiegu według wzoru: A = 1 N N [ ( ϕ) ] a RMS i i = 1 gdzie: ϕ - kt obrotu wału korbowego a - chwilowa amplituda drga [g] N - liczba próbek w cyklu pracy silnika 2 (5) 1.6 1.4 1.2 1.0 A RMS [ g ] 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 n [ obr/min ] Rys. 7. Warto skuteczna przyspieszenia drga podczas cyklu pracy silnika w funkcji prdkoci obrotowej. Fig. 7. Rms vibration amplitude during one cycle of operation versus rotational speed.

188 I. Komorska Na rysunku 7 przedstawiono wykres zmian miary opisanej wzorem (5) w funkcji prdkoci obrotowej silnika. Na rysunku 8 zestawiono przebiegi przyspieszenia drga podczas cyklu pracy dla rónych prdkoci obrotowych i jednakowych obcie. Rysunek 8a porównuje drgania w zakresie wysokich czstotliwoci (5-18 khz), natomiast rysunek 8b w zakresie niskich czstotliwoci (1-200 Hz). Najwikszy udział we wzrocie energii maj składowe wysokoczstotliwociowe. Mona równie zauway zmiany ilociowe sygnału w zakresie niskich czstotliwoci. a) b) Rys. 8. Sygnał przyspieszenia drga bloku silnika podczas cyklu pracy dla obcienia 70% i prdkoci obrotowych 1828 obr/min i 3756 obr/min: a) w zakresie wysokich czstotliwoci (5 18 khz), b) w zakresie niskich czstotliwoci (1 200 Hz). Fig. 8. Signal of engine vibration during one cycle of operation with 70% load and rotational speed 1828 rpm and 3756 rpm: a) high frequency range (5 18 khz), b) low frequency range (1 200 Hz).

Analiza sygnału drga silnika o zapłonie iskrowym w warunkach drogowych 189 Znacznie mniejszy wpływ na amplitudy drga ma obcienie silnika mierzone ktem otwarcia przepustnicy. Na rysunku 9 zestawiono przebiegi drga podczas cyklu pracy dla jednakowych prdkoci obrotowych silnika i rónych obcie w całym zakresie czstotliwoci. Dokładne badanie wpływu obcienia przy stałej prdkoci obrotowej silnika było trudne do przeprowadzenia w warunkach drogowych i naley wykona je na hamowni podwoziowej. Rys. 9. Sygnał przyspieszenia drga bloku silnika podczas cyklu pracy dla prdkoci obrotowej 2590 obr/min oraz obcie 0 % (hamowanie silnikiem) i około 50 % Fig. 9. Signal of engine vibration during one cycle of operation with rotational speed 2590 rpm and load 0% and 50%. Pomiary drga silnika wykonano równie dla rónych nierównoci nawierzchni drogowych. Ze wzgldu na tłumienie, wpływ wymusze pochodzcych od nierówno- ci drogi był nieporównywalnie mniejszy od wymusze wewntrznych silnika. Rozrzut miar drga z cyklu na cykl na równej drodze był wikszy od odchyłek spowodowanych nierówn nawierzchni. 4. Podsumowanie W artykule dokonano analizy drga bloku silnika podczas jazdy samochodem w rónych warunkach drogowych. Podczas analizy widmowej ustalono główne składowe czstotliwociowe obecne w sygnale. Wykonano równie analiz czasowoczstotliwociow sygnału, na podstawie której mona wyróni podczas cyklu pracy silnika odpowiedzi układu na zamykanie zaworów. Poniewa praca zaworów jest głównym ródłem drga mona przypuszcza, e sygnał drganiowy jest wraliwy na uszkodzenia zaworów, takie jak wypalenie. Wyznaczono dokładnie wpływ prdkoci obrotowej na warto skuteczn drga bloku silnika. Porównano te sygnały dla rónych obcie przy tej samej prdkoci obrotowej. Dalsze badania wpływu obcienia kontynuowane bd na hamowni podwoziowej. Wykonane badania i analizy maj prowadzi do powstania wibroakustycznego modelu diagnostycznego silnika spalinowego, który bdzie baz do porównania

190 I. Komorska sygnału biecego, a na podstawie sygnału resztkowego mona bdzie wnioskowa o uszkodzeniach, takich jak np. wypalenie zaworów lub zmiana luzów. Literatura [1] KOMORSKA I.: Poszukiwania modelu wibroakustycznego silnika spalinowego. Przegld Mechaniczny 11 07, 2007, s.11-13. [2] KOMORSKA I.: The diagnostic model proposition of the engine vibration signal. Journal of KONES, Vol.15, No.2, 2008. [3] DBROWSKI Z., MADEJ H.: Maskowanie uszkodze mechanicznych przez nowoczesne systemy sterowania silników spalinowych. Journal of KONES 2006, Vol.13, No 1, 2006. [4] ŁAZARZ B., MADEJ H., PERU G., STANIK Z.: Diagnozowanie uszkodze zaworów silnika spalinowego na podstawie analizy drga. 4-th International Congress on Technical Diagnostics, Olsztyn 09-12.09.2008. [5] SUH IN-SOO: Application of time-frequency representation techniques to the impact-induced noise and vibration from engines. SAE Paper 2002-01-0453. [6] KOMORSKA I.: Modeling of vibration signal for reciprocating engine diagnostics. Diagnostyka 2(50)/2009, s. 23-26. [7] RANACHOWSKI Z., BEJGER A.: Application of wavelet transform for monitoring of operation of high power Diesel Engine. Molecular and Quantum Acoustics, 27, Gliwice, 2006. [8] RANACHOWSKI Z., BEJGER A.: Fault diagnostics of the fuel injection system of a medium power maritime diesel engine with application of acoustic signal. Archives of Acoustics, 30, 4, s.465-472. Analysis of vibration signal of SI engine during the road test S u m m a r y The vibroacoustic signal is used currently in engine diagnostics only to evaluate knock combustion in spark ignition engines. Meanwhile it is a rich source of knowledge not only about the process of combustion, but also about various mechanical defects which happen in driving unit and which concern valves, clutch and gearbox. The paper describes measurements of vibration and additional signals from engine sensors that enable evaluation of work parameters and engine timing control. Investigations were conducted on the road and their purpose was evaluation of influence of rotational speed, load and road surface on engine vibration. The vibration signal was filtered and analyzed with Fourier transform and short-time Fourier transform. Conducted measurements are the base of vibroacoustic diagnostic model that should be worked out for detecting of mechanical defects of valves, pistons etc. in a reciprocating engine. Praca naukowa finansowana ze rodków na nauk w latach 2008-2010 jako projekt badawczy N N509 349834