ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
OBSŁUGIWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ OKRĘTOWYCH O M i U O 2 0 0 5
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak
Możliwości eliminacji zakłóceń przy pomiarach ciśnień
w komorze spalania silników okrętowych
Słowa kluczowe: okrętowe silniki z zapłonem samoczynnym, indykowanie, proces spalania, czujniki ciśnienia, zakłócenia
Potrzeby wprowadzenia systemów monitoringu procesu spalania, wszystkich ukła-dów cylindrowych silników okrętowych przez cały okres eksploatacji stymulują rozwój techniki elektronicznego indykowania. Dane z systemów monitoringu mają służyć za-awansowanej diagnostyce pracy silnika. Złożone przetwarzanie sygnałów pomiarowych wymaga zastosowania precyzyjnych i efektywnych elementów przeciwzakłóceniowych. W artykule przedstawiono aspekty zastosowania filtrów elektronicznych w pomiarze ciśnień w komorze spalania.
Possibilities of Eliminating Inference at Pressure Measurements
in Marine Diesel Engine Combustion Chambers
Key words: marine diesel engines, firing diagrams, combustion process, pressure transducers, interference
In order to improve the reliability of the engine system, a new technology for engine control is needed. One of the methods used to meet this requirement is to develop a con-venient and real-time measuring system. The equipment can be used in order to evaluate engine performance. Conventional calculations based on the pressure-volume diagram require a high-speed central processing unit (CPU) and a high accuracy measurement instrument. This paper presents some interference problems with combustion pressure measurement and analysis.
Wstęp
Dokładność odwzorowania przebiegu ciśnienia zmieniającego się w bada-nej przestrzeni komory spalania determinuje przydatność pomiaru do dalszej analizy. Obecnie stosowane elektroniczne przetworniki ciśnień nie eliminują ryzyka powstawania zakłóceń wynikających z uwarunkowań konstrukcyjnych kanału łączącego czujnik z komorą spalania. W przypadku pomiarów przebiegu spalania w komorach silników okrętowych takie ryzyko jest bardzo realne, kana-ły połączeniowe zaworu indykatorowego i komory spalania są bardzo długie i maja często złożony kształt: załamania, zmiana przekrojów. Można założyć, że kanał stanowi dość pewne źródło błędów i zakłóceń takich jak [6]:
– zmiana wartości stopnia sprężania przez włączenie dodatkowej objęto-ści,
– opóźnienie impulsu ciśnienia jako rezultat wydłużenia czasu potrzebne-go do przemieszczenia się fali ciśnienia przez kanał,
– spadek ciśnienia rejestrowanego przez czujnik wywołany stratami kana-łu,
– drgania rezonansowe słupa gazów zawartych w kanale.
Rodzaj oraz intensywność występujących w tym zakresie zakłóceń są zmienne i zależne od wielu czynników trudnych do wyeliminowania. Czynniki te dodatkowo mogą ulegać ciągłym zmianom w czasie eksploatacji i mają z reguły związek z silnym zanieczyszczaniem się kanałów, prowadzącym często do zupełnego ich zablokowania. Jest to nieodłączny aspekt zasilania silników paliwami pozostałościowymi [2].
Drugą grupę zakłóceń stanowią błędy generowane w elektronicznym ukła-dzie pomiarowym. Współczesne przetworniki ciśnienia, karty analogowo-cyfrowe, wzmacniacze, komputery oraz inne elementy układów pomiarowych stanowią potencjalne źródło powstawania zakłóceń. Jako precyzyjne narzędzia pomiarowe podlegają także wpływowi otoczenia. W przypadku siłowni okręto-wych będzie to oznaczało obecność silnych zmiennych pól elektromagnetycz-nych, zmienne temperatury, drgania mechaniczne, wysoką wilgotność powietrza oraz silne zanieczyszczenie powietrza. Szczególnie ta druga grupa generowa-nych i rejestrowagenerowa-nych zakłóceń stanowi nierozpoznane i bardzo trudne do opisu zjawisko występujące w otoczeniu przemysłowym. Możliwości eliminowania tego typu zjawisk są również bardzo ograniczone ze względu na brak podstaw do ukierunkowanego działania.
Wymagania wynikające z potrzeby monitorowania procesu spalania w ko-morze silników, z wykorzystaniem nowoczesnych przetworników ciśnień sty-mulują poszukiwanie efektywnych sposobów likwidowania zakłóceń. Sposoby
te mogą dotyczyć drogi akwizycji sygnału w elektronicznym układzie pomiaro-wym lub możlipomiaro-wym jest też algorytmiczne jego przetwarzanie.
1. Opis badań – cel
Głównym zadaniem współczesnych systemów monitorowania i diagnostyki procesu spalania jest pewne i szybkie określenie podstawowych parametrów charakteryzujących tę istotną fazę cyklu roboczego silnika. Budowane obecnie układy charakteryzują się wysokimi częstościami próbkowania odniesionymi do parametrów pracy silnika – przede wszystkim prędkości obrotowej, w tym kąta pojedynczego obrotu wału korbowego. Zwiększenie szybkości akwizycji danych daje też dodatkowo możliwości określenia cech charakterystycznych zakłóceń – częstotliwości i amplitudy. Nie jest jednak w dalszym ciągu możliwym ustalenie przyczyny ich powstawania. Przykładowy pomierzony przebieg zmiennego ciśnienia w komorze spalania pokazuje rysunek 1. Zaznaczone widmo sygnału zakłóconego stanowi duże utrudnienie w dalszej analitycznej części obróbki i przetwarzania danych, której celem jest obliczanie właściwych cech procesu spalania: średniego ciśnienia indykowanego, faz oraz obszaru najwyższego ciśnienia spalania. czas 4 6 8 10 12 14 ci śn ie ni e [b ar] sygnał pomiarowy cyfrowy przypuszczalny przebieg ciśnienia
Rys. 1. Przebieg zmiennego ciśnienia z zakłóceniami
Fig. 1. Variable pressure with inference
Sposobów pozwalających na ustalenie przypuszczalnego przebiegu ciśnie-nia w komorze spalaciśnie-nia jest kilka. Głównym, jaki należałoby rozpatrywać, jest zastosowanie filtrów przeciwzakłóceniowych: elektronicznych lub cyfrowych. Celem pracy jest próba określenia możliwości zastosowania filtrów elektronicz-nych w części akwizycji sygnału analogowego. Filtr taki, złożony najczęściej z kondensatorów, dławików i rezystorów, działa przez eliminację niepożąda-nych części widma sygnałów pomiarowych – elektryczniepożąda-nych, które nie zawierają
informacji istotnych dla treści danego sygnału. Filtr jest scharakteryzowany przez stratę sygnału, na drodze którego się znajduje. Parametr ten, definiujący skuteczność filtrowania jest określany jako tłumienność wtrąceniowa. Z defini-cji jest to poziom sygnału pozostałego po włączeniu filtra, odniesiony do po-ziomu sygnału obserwowanego w tym samym punkcie bez filtra.
2. Opis stanowiska – przebieg pomiarów
Stanowisko wykorzystywane do badań opiera się w głównej części na sta-nowisku okrętowego silnika Sulzer 6AL20/24. Uproszczony schemat stanowiska silnika przedstawia rysunek 2.
Monitoring Safety system Propulsion Control Control panel Stored data Control Display
Rys. 2. Schemat stanowiska silnika okrętowego
Fig. 2. Engine test-bed layout
Przy jednym z układów cylindrowych silnika – głowicy – wbudowano kró-ciec ciśnieniowy przeznaczony do ciągłego monitoringu procesu spalania. Układ pomiaru ciśnienia pokazany na rysunku 3 zwiera elementy, których krótką cha-rakterystykę przedstawia tabela 1.
P u2 u3 u4 u5 un u1 x2 x1 u4 u4 komora spalania silnika optoelektroniczny przetwornik ciśnienia sygnał Vin1 Vin2 Vout1 Vout1 Vout2 Vout2 Terminal połączeniowy Komputer karta a/c dane driver sprzętowy driver programowy aplikacja akwizycyjna pamięć baza danych
Rys. 3. Schemat układu pomiarowego
Fig. 3. Measurement assembly diagram
Tabela 1 Zestawienie elementów układu pomiarowego
List of test modules arrangement
Lp. Element układu pomiarowego –
typ, oznaczenie Producent Charakterystyka
1 Czujnik ciśnienia – optoelektroniczny;
Auto PSI Dynamic Pressure Sensor HT Optrand
zakres pomiarowy; 5000 psi, sygnał analogowy 0 ÷ 5V, dokładność pomiaru 0,5%
2 Terminal połączeniowy –
PCLD 8115, Advantech 38 pin typu DB 37
3 Karta analogowo-cyfrowa –
PCMCIA – DAQP 308 Quatech
częstość próbkowania 100 kHz, 4 kanały różnicowe
4 Aplikacja akwizycyjna –
DaisyLab 7.0 Daisytec jednostanowiskowa [1]
W układzie pomiarowym, dokładniej w jego części akwizycyjnej, zastoso-wano filtrowanie elektroniczne sygnału. Filtr o zmiennych właściwościach (rys. 4) [5] zainstalowano na płycie terminalu połączeniowego. Parametry filtra
dolnoprzepustowego – tłumienność wtrąceniową (założone pasmo 3 dB) – usta-wiano według założonych wartości i obliczano z zależności [5]:
0 8
0 3 π 2 1 a a D R R C f [dB] (1) RD0 Ra0 Ra8 CH0H CHOL CD0 Łącznikwewnętrzny zewnętrznyŁącznik
Rys. 4. Schemat ogólny połączeń filtra na płycie PCLD – 8115
Fig. 4. Electronic filter connection on the wiring terminal board PCLD – 8115
W cyklu badawczym przyjęto RD0 = 0 oraz wykorzystano rezystory Ra0, Ra8
o podwyższonej tolerancji wykonania (1%), przygotowując siedem wersji filtra – dane zawarto w tabeli 2.
Tabela 2 Zestawienie własności wykorzystywanych filtrów
List of filter elements used
Typ filtra A B C D E F G
Częstość założona [Hz] 12000 6000 4000 2000 1000 800 600
CD0 [uF] 0,01 0,01 0,01 0,047 0,047 0,047 0,1
Ra0 + Ra8 obliczone [Ohm] 1326,3 2653 3979 1693 3386 4233 2653
Ra0, Ra8 663,15 1326 1989 846.6 1693 2116 1326
Ra0, Ra8 dobrane [Ohm] 665 1330 1960 845 1690 4220 1300
Rzeczywista częstość filtra
3. Wyniki pomiarów
Filtry przeciwzakłóceniowe testowano dokonując pomiarów indykowania (przebieg ciśnienia w komorze spalania) przy ustalonym częściowym obciążeniu użytecznym silnika. Przykładowy przebieg ciśnienia bez filtrowania – zapis cyfrowy pokazuje rysunek 5, natomiast przebieg filtrowany (jeden z badanych filtrów podanych w tabeli 2) przedstawiono na rysunku 6.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Czas [ms] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ci śn ie ni e [b ar]
Rys. 5. Przebieg ciśnienia w komorze spalania rejestrowany bez filtrowania
Fig. 5. Recorded combustion pressure history without filtering
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Czas [ms] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Ci śn ie ni e [b ar]
Rys. 6. Przebieg ciśnienia w komorze spalania rejestrowany z filtrowaniem
Fig. 6. Recorded combustion pressure history with filtering
Poza zapisem przebiegów ciśnienia spalania uzyskanych przy jednakowym obciążeniu silnika, dokonano analizy harmonicznej dla wszystkich siedmiu
rodzajów filtrów [4]. Analizę FFT* zrealizowano dla określenia
charaktery-stycznych składowych harmonicznych (o najwyższych wartościach amplitudy) we wszystkich przypadkach modyfikowanych filtrów (rys. 7).
0 I II III IV V Rząd harmonicznej 0 2 4 6 8 10 12 14 Am p lit u d a [ b a r] A B C D E F G
Rys. 7. Rozkład wartości amplitud dla wszystkich zastosowanych filtrów
Fig. 7. The amplitude distribution of the filters used
Wyniki analizy wskazują na zbliżone wartości amplitudy tego samego rzędu harmonicznej, lecz najmniejszą wartością charakteryzuje się filtr A przy wyż-szych rzędach harmonicznych. Wyjątkowo, pierwsza rzędna dla tego filtra osią-ga stosunkowo wysoką wartość. Dla pozostałych filtrów wyższe harmoniczne cechuje wyższa wartość amplitudy.
Wnioski
Przeprowadzone badania filtrów elektronicznych zabudowanych w termina-lu połączeniowym, mających na cetermina-lu likwidowanie zakłóceń sygnału pomiaru ciśnienia w komorze spalania wykazują różną skuteczność. Jest ona uwarunko-wana elementami składowymi filtra (rezystory, pojemność). Stratność zastoso-wanych filtrów wzrasta wraz ze spadkiem rzeczywistej częstości filtrów i zmniejszaniem się różnicy z częstotliwością główną sygnału. W konsekwencji występuje efektywny spadek wartości sygnału mierzonego, dając zmiany warto-ści mierzonych. Przykładem może być stały spadek wartowarto-ści maksymalnej ci-śnienia spalania – porównanie (z jednakowej liczby pomierzonych cykli robo-czych) pokazano na rysunku 8.
A B C D E F G Typ filtra 0 20 40 60 80 100 120 140 C iś ni en ie m ak sy m al ne [bar ]
Rys. 8. Rozkład wartość ciśnienia spalania przy pomiarze z filtrami
Fig. 8. The maximum combustion pressure distribution with filtered measurement Taki efekt wymaga wprowadzenia zasady szczególnej ostrożności w dobo-rze parametrów filtrów pdobo-rzeciwzakłóceniowych. Prawidłowy dobór może ozna-czać również indywidualne dopasowanie systemu kanału indykatorowego do określonego silnika i jego konstrukcyjnego rozwiązania. Ważnym czynnikiem wydaje się być prędkość obrotowa silnika, która z kolei narzuca zmiany często-ści próbkowania całego układu akwizycyjnego. Szczególnie trudnym będzie uzyskanie prawidłowych pomiarów przebiegu procesu spalania w okrętowych czterosuwowych silnikach średnioobrotowych. Rozważane jest również zasto-sowanie filtracji cyfrowej z zastozasto-sowaniem standardowych algorytmów.
Literatura
1. DATALOG GmbH, DasyLab Data Acquisition System Laboratory, user
guide, 2000.
2. Gałecki W., Tomczak L., Indykowanie okrętowych silników spalinowych, Akademia Morska w Gdyni, Gdynia 2002.
3. Honeywell, REFERENCE AND APPLICATION DATA, Pressure and Force
Sensors Selection Considerations, Bulletin MICRO SWITCH Sensing and
Control, 2001.
4. Nagashima K., Tsuchiya K., A calculation method for indicated mean
effec-tive pressure based on harmonic analysis of pressure waveform, Int. J.
En-gine Res. Vol. 4 No. 2, JER 03702, 2003.
5. National Instruments, Advantech Co., Ltd, PCLD-8115 Wiring Terminal
Board, Taiwan 1994.
6. Wajand J., Pomiary szybko zmiennych ciśnień w maszynach tłokowych, WNT, Warszawa 1974.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2005 r.
Recenzenci
dr hab. inż. Andrzej Piętak, prof. WAT dr hab. inż. Oleh Klyus, prof. AM
Adresy Autorów
dr inż. Tadeusz Borkowski mgr inż. Przemysław Kowalak Akademia Morska w Szczecinie
Instytut Technicznej Eksploatacji Siłowni Okrętowych Zakład Siłowni Okrętowych
