ZESZY TY N A U K O W E PO L IT E C H N IK I ŚLĄSKIEJ Sena: TR A N SPO R T z. 48
2003 N r kol. 1604
M arek FLEK IEW ICZ, H enryk M A D EJ
OCENA PROCESU SPALANIA W SILNIKACH SPALINOWYCH METODAMI WIBROAKUSTYCZNYMI
Streszczenie. N iniejsze opracow anie dotyczy diagnozow ania procesu spalania w silniku ZI m etodam i w ibroakustycznym i. P rzedstaw iono w nim w yniki jed n eg o z etapów badań zw iązanych z rozpoznaniem obiektu, którym je s t czterocylindrow y silnik spalinow y o pojem ności 1,6 dcm 3. E ksperym ent identyfikacyjny polegał na im pulsow ym w ym uszeniu drgań kadłuba silnika przy jed n o cz esn y m pom iarze siły w ym uszającej i odpow iedzi układu.
N a podstaw ie badań dokonano estym acji charakterystyk dynam icznych obiektu.
IC ENGINES COM BUSTION PROCESS ESTIMATION BY YIBROACUSTIC METHODS
Sum m ary. This study refers to diagnostics o f spark engine com bustion process w ith use o f vibroacustic m ethods. R esults o f the first stage o f research p rogram m e concerning the recognition o f the tested object 1,6 liter four cylinders spark engine w ere presented in this paper. The experim ent w as based on m easurem ents o f cylinder im pulse and its response on engine body. A s a result o f tests the dynam ic characteristic o f object w ere obtained.
1. W PR O W A D ZEN IE
Z dotychczasow ych badań w ynika, że przebieg ciśnienia indykow anego je s t głów nym param etrem w ykorzystyw anym do oceny jakości procesu spalania w silnikach spalinow ych.
K ształt przebiegu ciśnienia pozw ala wykrywać charakterystyczne niepraw idłow ości w procesie spalania, takie ja k w ypadanie zapłonów , spalanie stukow e, zbyt w czesne lub zbyt późne rozpoczęcie procesu spalania, nieszczelności w kom orze spalania i niecałkow ite spalanie. Bardziej zaaw ansow ane m etody analizy ciśnienia u m o żliw iają nie tylko określenie wym iany ciepła p om iędzy czynnikiem a ściankam i kom ory w każdym z cylindrów , ale rów nież p o zw alają n a w yznaczenie form ujących się składników spalin. B ezpośredni pom iar w kom orze spalania je s t trudny i kosztow ny, poniew aż zw iązany je s t z kon ieczn o ścią dem ontażu lub n aw iercania w ybranych elem entów silnika, szczególnie w przypadku silników wysokoprężnych. D latego w ostatnich latach w zrasta zainteresow anie pośrednim i m etodam i
156 M. F lekiew icz, H. Madej
pom iaru ciśnienia w ew nątrz cylindra, które w ykorzystują m etody nieinw azyjne [4], W śród znanych m etod szeroko opisanych w literaturze najm niej zaaw ansow ane są m etody pom iaru drgań struktury silnika i rekonstrukcji na ich podstaw ie przebiegu ciśnienia [1,3].
W artykule przedstaw iono w yniki badań zw iązanych z identyfikacją struktury rezonansow ej kadłuba silnika. W ram ach badań rozpoznaw czych przeprow adzono eksperym entalną analizę m odalną kadłuba badanego silnika w celu określenia funkcji transm itancji w ybranych punktów pom iarow ych. S ilnik spalinow y je s t obiektem podlegającym oddziaływ aniu w ym uszeń w ew nętrznych i zew nętrznych. N ależą do nich przede w szystkim :
ciśnienie spalania,
- ruch układu tłokow o-korbow ego, - w ym uszenia ze strony układu rozrządu,
w ym uszenia w ynikające z pracy osprzętu silnika, tj. alternatora, sprężarki itp., - w ym uszenia przen o szo n e z nadw ozia oraz układu przeniesienia napędu.
Z asadnicze źródła w ym uszeń przedstaw iono na rysunku 1.
Rys. 1. Z asadnicze źródła w ym uszeń w silniku spalinow ym Fig. 1. M ain sources o f vibration in IC E
2. PRZEBIEG BA D AŃ
Jednym z istotnych w ym uszeń w ystępujących w trakcie pracy układu tłokow o korbow ego są uderzenia tłoka przy zm ianie je g o kierunku ruchu z D M P do G M P i n a odw rót.
W artość w ym uszenia zależy w istotny sposób od luzu p om iędzy tłokiem a ścian k ą cylindra [2], W artość siły je s t fu n k cją ciśnienia spalania oraz prędkości obrotow ej silnika. Siła ta stanowi jedno z głów nych źródeł d rgań k adłuba oraz generow anego hałasu.
Ocena procesu spalania w silnikach. 157
D R G A N IA Ś C IA N K I BLO KU S IL N IK A
Rys. 2. W pływ u derzenia tło k a w ścianki cylindra na proces w ibroakustyczny Fig. 2. T he im pact o f the ph en o m en a o f hitting cylinder w ali b y piston
N a podstaw ie pow yższych ro zw ażań przyjęto program badań polegający na identyfikacji obiektu, jak im je s t korpus silnika, za p om ocą w ym uszenia im pulsow ego. W badaniach zastosow ano m etodę w ym uszeń w w ielu punktach. D o tego celu w ykorzystano układ pom iarowy, przedstaw iony na rysunku 3, składający się z m łotka m odalnego, czujnika przyśpieszeń, dw ukanałow ego analizatora sygnałów firmy D SPT Siglab 50-21.
Rys. 3. Schem at układu pom iarow ego
Fig. 3. M easurem ent instrum entation used for experim ents
A nalizator w yposażono w standardow e złącze SCSI-2 um ożliw iające transm isję danych do kom putera w celu dalszej analizy. P odstaw ow ą operacją w ykonyw aną przez analizator je st przetw arzanie analogow o-cyfrow e, które um ożliw ia w ykorzystanie technik cyfrow ego przetw arzania sygnałów w celu w yznaczenia estym atorów charakterystyk m odalnych.
W badaniach w ykorzystano w ym uszenie im pulsow e w szerokim zakresie częstotliw ości.
Do w ym uszenia drgań w ykorzystano m łotek w yposażony w czujnik siły w ym uszającej z dodatkow ą m asą dla uzyskania w ym aganego zakresu częstotliw ości oraz w ym ienne
158 M. F lekiew icz, H. M adej
końców ki o różnej sztyw ności w celu zm iany w arunków lokalnych w ym uszenia.
N ależy podkreślić, że w ym uszenie im pulsow e uw aża się za przydatne w badaniach, jeżeli w ewnątrz pasm a, w którym przeprow adza się identyfikację, w idm o w ym uszenia m a plaski przebieg [5], D o badań w ybrano m łotek z końców ką zap ew niającą identyfikację charakterystyk w paśm ie od 0 do 8 kHz.
Na rysunku 4 przedstaw iono schem at rozm ieszczenia punktów pom iarow ych oraz punktów , w które uderzano m łotkiem m odalnym w ściankę cylindra.
Miejsce uderzenia
Rys. 4. Schem at rozm ieszczenia punktów pom iarow ych Fig. 4. Schem at asurem ent points localization
U w zględniając konieczność estym acji charakterystyk m odalnych w yniki pom iarów zarejestrow ano w plikach danych w form acie V N A i zaim portow ano do toolboxu V IO M A pracującego w środow isku M atlab.
3. A NA LIZA W Y N IK Ó W PO M IA R Ó W
N a podstaw ie zarejestrow anych sygnałów w ym uszeń i odpow iedzi przeprow adzono estym ację charakterystyk dynam icznych obiektu. A nalizę m o d aln ą w ykonano w dziedzinie częstotliw ości określając następujące funkcje:
- gęstość w id m o w ą m ocy sygnału
= * ( * > ) • * »
- gęstość w id m o w ą m ocy w zajem nej sygnałów G „ { a ,) = X \ ( o ) - n c o )
O cena procesu spalania w silnikach. 159
funkcję koherencji
- w idm ow ą funkcję p rzejścia (charakterystykę częstotliw ościow ą)
Przyjęto, że estym ator charakterystyki am plitudow o-częstotliw ościow ej m a następującą postać:
gdzie:
Gyy(co) - gęstość w idm ow a m ocy sygnału odpow iedzi (przyspieszenia drgań), Gxy(co) - w zajem na gęstość w idm ow a m ocy sygnału w ym uszenia (siły) i odpow iedzi (przyspieszenia drgań).
Przykładow e charakterystyki am plitudow o-częstotliw ościow e otrzym ane na podstaw ie przeprowadzonej analizy m odalnej przedstaw iono na rysunkach 5-4-8.
Rys. 5. Funkcja przejścia określona d la w ym uszenia w górnej części drugiego cylindra i odpo
w iedzi kadłuba silnika przy pierw szym cylindrze
Fig. 5. The transient function defined for im pact in upper part o f cylinder 2 w all and response o f engine body by cylinder 1
Channel 2:0: Channel 1:0:
25
5
0
-5:
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Hz
160 M. Flekiew icz, H. M adej
Channel 2:0: : Channel 1.0:
Rys. 6. Funkcja przejścia o kreślona dla w ym uszenia w górnej części trzeciego cylindra i odpow iedzi k adłuba silnika przy czw artym cylindrze
Fig. 6. The transient function defined for im pact in upper part o f cylinder 3 w all and response o f engine b o d y by cylinder 4
Channel 2:0: : Channel 1:0:
Hz
Rys. 7. F unkcja przejścia o k reślo n a dla w ym uszenia w dolnej części czw artego cylindra i o d pow iedzi k adłuba silnika p rzy pierw szym cylindrze
Fig. 7. The transient function defined for im pact in low er part o f cylinder 4 w all and response o f engine body by cylinder 1
Ocena procesu spalania w silnikach.. 161
Channel 2:0: : Channel 1:0:
Hz
Rys. 8. F unkcja przejścia określona d la w ym uszenia w dolnej części drugiego cylindra i od
pow iedzi kadłuba silnika przy pierw szym cylindrze
Fig. 8. The transient function defined for im pact in low er part o f cylinder 2 w all and response o f engine b o d y b y cylinder 1
4. PO D SU M O W A N IE
U zyskane w yniki pom iarów oraz ich analiza w dziedzinie częstotliw ości p o zw alają na określenie zm ian funkcji przejścia w zależności od:
chw ilow ego p o ło żen ia układu tłokow o-korbow ego badanego silnika, w zajem nego p o ło żen ia m iejsca w ym uszenia i pom iaru odpow iedzi,
- m iejsca w ym uszenia odpow iadającego górnem u lub dolnem u punktow i zw rotnem u tłoka,
konstrukcji kadłuba.
Przeprow adzone badania po zw alają n a w ybór punktu pom iarow ego, k tóry je s t najbardziej reprezentatyw ny w p om iarach drgań silnika w yw ołanych w ym uszeniam i w ew nętrznym i. D la praw idłowej interpretacji uzyskanych w yników konieczne je s t przeprow adzenie badań sym ulacyjnych na m odelu układu tłokow o-korbow ego poddanego obciążeniom od sił gazowych.
Literatura
1. A ntoni J., D aniere J., G uillet F.: E ffective V ibration A nalysis o f IC E ngines U sing C yclostationarity, P art II - N ew R esults o f the R econstruction o f the C ylinder Pressures. Journal o f Sound and V ibration, Vol. 257(5), s. 839 - 856, 2002.
2. C ho S. H., A hn S. T., K im Y. H.: A Sim ple M odel o f E stim ate the Im pact Force Inducted by P iston Slap. Journal o f Sound and V ibration, V ol. 255(2), s. 229 - 242, 2002.
162 M. Flekiew icz, H. M adej
3. Gao Y ., R andall R. B.: R econstruction o f D iesel C ylinder Pressure U sing a Tim e D om ain S m oothing T echnique. M echanical System and Signal Processing, Vol. 13(5), s. 709-722, 1999.
4. Trzeciak K.: D iagnostyka sam ochodów osobow ych. W K Ł, W arszaw a 1999.
5. Uhl T.: K om puterow o w spom agana identyfikacja m odeli konstrukcji m echanicznych.
W N T, W arszaw a 1997.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Zbigniew D ąbrow ski
A bstract
This study refers to diagnostics o f spark engine com bustion process w ith use o f vibroacustic m ethods. R esults o f the first stage o f research program m e concerning the recognition o f the tested object 1,6 liter four cylinders spark engine w ere presented in this paper. The experim ent w as based on m easurem ents o f cylinder im pulse and its response on engine body. A s a result o f tests the dynam ic characteristic o f object w ere obtained.
P ublikacja p o w stała w w yniku realizacji p ra c y BW -453/RT2/2003
