Измерительный комплекс для индицирования дизельного двигателя в условиях эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.113

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИНДИЦИРОВАНИЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

_ л о

© С.Н. Кривцов1, Т.И. Кривцова2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Индикаторная диаграмма дизельного двигателя, получаемая в условиях лабораторных испытаний, отражает основную информацию о протекании рабочего процесса дизеля и может быть использована в целях диагностирования. В статье представлена разработка измерительного комплекса для индицирования дизеля в условиях эксплуатации, а также приведены некоторые результаты, полученные с помощью разработанного комплекса. Ил. 7. Табл. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: дизель; индикаторная диаграмма; измерительный комплекс.

MEASURING COMPLEX FOR INDICATING A DIESEL ENGINE IN OPERATION S.N. Krivtsov, T.I. Krivtsova

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The indicator diagram of a diesel engine obtained in laboratory conditions contains the main information about the operation of the diesel engine and can be used for diagnosing. The article introduces the development of a measuring complex for diesel engine indication under operation conditions and provides some results received by means of the developed complex.

7 figures. 1 table. 6 sources.

Key words: diesel engine; indicator diagram; measuring complex.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания сегодня используются практически во всех отраслях народного хозяйства. В настоящее время повышение эксплуатационной надежности, ресурса и технико-экономических показателей дизелей стало одной из первостепенных технических проблем.

Решение этой проблемы в значительной степени зависит от своевременного определения технического состояния узлов и деталей дизеля. Использование средств технической диагностики дизелей направлено на увеличение ресурсных характеристик и продление межремонтного периода их эксплуатации. Качественная и своевременная диагностика позволит избежать внеплановых ремонтов двигателей и перейти от планово-предупредительной системы ремонта к ремонту по техническому состоянию. Введение этой системы позволит уменьшить эксплуатационные расходы и сократить количество неплановых ремонтов. Качество функционирования дизельного двигателя, его технико-экономические показатели и надежность в значительной степени определяются характером протекания процесса сгорания топлива в цилиндрах. Практически любые отклонения процесса сгорания от нормального приводят либо к механическим и тепловым перегрузкам цилиндров, либо к снижению экономических показателей, нарушению условий смазки, образованию

отложений на деталях двигателя и т.д. Процесс сгорания также определяет одну из существенных сторон функционирования дизеля. Характер процесса сгорания зависит от качества функционирования топливной аппаратуры, систем воздухоснабжения, состояния деталей цилиндропоршневой группы и др.

Диагностирование дизеля по параметрам рабочего процесса и последующая регулировка позволяют обеспечить необходимую мощность и надежность дизеля. Имеющиеся технические средства для получения информации о рабочих процессах в цилиндрах дизеля либо очень дороги, либо сложны и громоздки для применения на практике, либо морально устарели [4]. Получить же данную информацию можно различными методами, например, посредством анализа индикаторных диаграмм. Индикаторная диаграмма, несущая в себе значительное количество информации, является основным показателем, который позволяет анализировать рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания [2]. Поскольку разработкам по индициро-ванию автомобильных двигателей в эксплуатации уделяется недостаточно внимания, авторами данной статьи предпринята попытка решить данную задачу.

Структурная схема прибора для индицирования автомобильного двигателя представлена на рис. 1. Передача данных на персональный компьютер осу-

1 Кривцов Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, тел.: 89086619729, e-mail: krivcov_sergei@mail.ru

Krivtsov Sergei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Automobile Transport Department, tel.: 89086619729, e-mail: krivcov_sergei@mail.ru

2Кривцова Татьяна Игоревна, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, тел.: 89501116407, e-mail: tatyana_krivcova1985@mail.ru

Krivtsova Tatiana, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Automobile Transport Department, tel.: 89501116407, e-mail: tatyana_krivcova1985@mail.ru

ществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (ЦАП) Zet 210 производства ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы».

В качестве первичного преобразователя был использован индуктивный датчик давления ДДИ-21 (рис. 2). Выбор обусловлен благоприятными характеристиками для измерения быстропеременных давлений в пневматических и гидравлических системах, в том числе при высоких температурах, благодаря охлаждению. Основным достоинством этого преобразователя является работоспособность при воздействии на него механических вибраций, ударных нагрузок с ускорением, а также его работа в прямом контакте не только с «чистыми» средами, неагрессивными по отношению к

нержавеющей стали, но и содержащими твердые частицы (пульпы, смеси с песком и т.д.). Анализ частотной характеристики датчика подтвердил возможность его использования для получения индикаторной диаграммы.

Принцип работы датчика состоит в следующем: под влиянием измеряемого давления рабочая мембрана прогибается, что приводит к изменению комплексного сопротивления рабочей обмотки и, соответственно, к разбалансу мостовой схемы, питаемой переменным током от ЦАП платы Zet 210. Характеристики применяемого преобразователя давления приведены в таблице.

усилитель сигналов гЕТ-410

---Сигнал разбаланса моста

Питание моста

Питание 2ЕТ-210 и передача сигнала на ПК (УББ)

Усиленный сигнал разбаланса моста

Рис. 1. Общая схема подключения измерительного оборудования

Рис. 2. Датчик давления ДДИ-21: 1 - чувствительный элемент (мембрана); 2 - магнитопровод; 3 - измерительная и эталонная катушки Основные технические характеристики первичного преобразователя ДДИ-21

Показатель Значение

Контрольное давление, МПа 16

Диапазон измеряемых давлений, МПа:

максимальный 0 < Ризм < 2Рк

минимальный 0 < Ризм < Рк

Частотный диапазон измеряемых давлений, Гц от 0 до 10000

Собственная частота мембраны (расчетная), Гц более 20000

Основная погрешность, % 2,0

Диапазон рабочих температур, °С от -50 до +500

Виброчувствительность при 100д, % не более 0,5

Датчик устанавливается в отверстие для свечи накаливания, что обеспечивает прямой доступ внутрь камеры сгорания (рис. 3). При этом необходимо обеспечить наименьшее искажение как полезного сигнала, так и рабочего процесса, что требует оптимизации геометрических характеристик индикатора.

Параметры индикаторного канала выбраны благодаря анализу зависимости, позволяющей определить погрешность индицирования за цикл:

п l

АР =--—- • • Р , (1)

u 1,25•ÎO5 dUK 2 ( )

где и« - длина индикаторного канала, мм; daк - диаметр измерительного канала, мм; Pz - максимальное давление сгорания, МПа.

Анализ формулы (1) показывает, что величина погрешности прямо пропорционально зависит от длины индикаторного канала и обратно пропорциональна диаметру канала.

Питание охлаждаемого индуктивного датчика ДДИ 21 (эталонной или компенсирующей катушки) осуществляется напряжением переменного тока частотой 5-20 кГц. Это напряжение сгенерировано ЦАП прибора Zet 210. Сигнал с измерительной (рабочей) катушки

поступает на вход усилителя Zet 410, после чего подвергается фильтрации для устранения помех.

В зависимости от давления на входе на измерительной катушке изменяется амплитуда и фаза напряжения, причем для тарировки по переменному току используется среднеквадратическое значение. Интерфейс программы для обработки данных представлен на рис. 4. В правой части интерфейса отображено: в первом окне - сигнал с измерительной катушки, во втором окне - отфильтрованный сигнал, в третьем - сигнал давления в виде параметров измеряемой физической величины (МПа).

Привязка зависимости давления от угла поворота осуществлена путем подачи сигнала с датчиков угловых меток на второй канал АЦП с последующим преобразованием ОД Y(t) ^ Y(X).

Для тарировки датчика использовался стенд для проверки и регулировки форсунок КИ-3333, оснащенный образцовым манометром (рис. 5). На данный стенд был установлен датчик ДДИ-21 на специальный переходник. На рис. 6 представлен график тарировки датчика ДДИ-21.

Рис. 3. Датчик давления ДДИ-21, установленный на двигатель TD27

Рис. 4. Интерфейс программы для снятия индикаторной диаграммы с помощью датчика давления ДДИ-21

Рис. 5. Стенд для тарировки датчика ДДИ-21

▼

3 -0,041"/ U ( 16,16 6

R2 0,9946

0 5 о 1С 10 Ii ,0 2( Ю 21 >0 зс Ю 3! i0 4С >0 45

Показания датчика, мВ Рис. 6. График тарировки датчика ДДИ-21

Метрологические характеристики средств измерений предлагаемого компьютерного комплекса определяются погрешностями первичных преобразователей (давления, частоты вращения), а также погрешностями аналого-цифрового преобразования. В качестве основных погрешностей измерений исследуемых параметров, выполненных на основе аналого-цифрового преобразования Аст, мы выделили: погрешность, связанную со смещением нуля; погрешность, связанную с нелинейностью квантования; погрешность коэффициента усиления; погрешность квантования; температурную погрешность. Кроме этого необходимо учитывать и динамические погрешности Адин, связанные с частотой опроса (дискретизации) измеряемых сигналов и погрешность, связанную с временной неопределенностью момента начала отсчета.

Суммарная погрешность аналого-цифрового преобразования может быть найдена как [4]

Дг = Аст + Адин, (2)

где Аст - статистическая погрешность; Адин - динамическая погрешность.

Суммарная дисперсионная погрешность рассчитывается как сумма дисперсий статической о2ст и динамической о2дин погрешностей [4]:

о2! = Ост + о2дин . (3)

Зная число разрядов АЦП, максимальную и минимальную амплитуды измеряемых сигналов, можно определить шаг квантования:

(А - А )

_ у макс_мин '

= 2

(4)

где Атах - максимальная амплитуда измеряемых сигналов; Амин - минимальная амплитуда измеряемых сигналов; п - число разрядов АЦП.

При равномерном шаге квантования h погрешность квантования равна его половине:

Н (5)

Ah =

2

Спектр шума входного сигнала в диапазоне частот его изменения 0<!<!1 при известной частоте дискретизации ^ определялся как

. w=

h2 12/,

(6)

Результирующая статическая погрешность имеет низкочастотную и высокочастотную составляющие. Низкочастотной составляющей является математическое ожидание результирующей погрешности с высокой степенью корреляции ее значений между собой [1; 7]. Высокочастотной является центрированная составляющая результирующей погрешности, характеризующаяся взаимно не коррелированными значениями.

Среднее значение низкочастотной погрешности входного сигнала и внешних возмущений w находится как среднее этой погрешности по всем /-м точкам:

A = XA,,

(7)

где п - количество /-х точек.

Высокочастотная погрешность характеризуется только величиной своего среднеквадратического отклонения а [5]:

Т Ж-A)

1 j=1

(8)

где У] - выборка значений выходной координаты при входном сигнале А при ] = 1,2т; т - объем выборки.

Среднеквадратическое значение оценки погрешности находится из выражения [4]:

^ (9)

•Jn

В свою очередь

■f

(10)

где ст02 - дисперсия образцового сигнала; т - объем выборки.

Для каждого типа аналого-цифрового преобразователя существующими государственными стандартами и нормативно-технической документацией устанавливаются численные значения параметров дисперсии образцового сигнала, объема выборки, а также погрешности установки 5х.

Приведенное значение дисперсии результирующей погрешности АЦП с равномерным квантованием для случайного сигнала с нормальным законом распределения спектра при д = о, определялось по формуле [5; 7]

i 1 .

3 22'

(11)

где

2--и, (J1+V2); ом

- максимальная частота

изменения входного сигнала.

Значение дисперсии динамической погрешности для случайного входного сигнала с равномерным распределением определялось по следующей зависимости [4]:

(Амакс - Амин )2 - (2- - имакс ' Тпр )

36

(12)

Максимальная величина погрешности с временной неопределенностью задержки момента начала отсчета находилось по формуле [5]

д = А -и ^ , (13)

пт макс макс пт ' V '

где 1пт - временная задержка начала отсчета.

Вычисление дисперсии результирующей погрешности аналого-цифрового преобразования производилось в следующем порядке [1; 4; 7]:

1. По технической документации, прилагающейся к АЦП, устанавливались его характеристики: число разрядов п; максимальная Амакс и минимальная Амин амплитуды измеряемых сигналов.

2. Определялся шаг h и погрешность Дh квантования по выражениям (4)-(5).

3. Находилась максимальная величина погрешности временной неопределенности задержки начала отсчета Дпт (выражение (13)).

4. Определялся коэффициент ат в формуле (11).

5. Определялось приведенное значение дисперсии результирующей погрешности (13).

Выполненные расчеты показали, что приведенная результирующая погрешность аналого-цифрового преобразования не превышает 0,17%.

1

а =

m

t =

д

i=1

aj x x

aj ^

ш ro

ci

Рис. 7. Индикаторная диаграмма двигателя TD-27 при работе на холостом ходу: - с подачей топлива; - без подачи топлива

Разработанный приборный комплекс позволяет исследовать внутрицилиндровые давления в различных режимах работы дизеля. В то же время режимы, полученные в стендовых условиях, зачастую отличаются от таковых в случае, когда индицирование проводится непосредственно на автомобиле без снятия двигателя с шасси. Поэтому при отсутствии стендов тяговых качеств пригодными режимами для измерения внутрицилиндровых давлений являются режим прокручивания дизеля стартером или другим внешним устройством, режим холостого хода, режим разгона-выбега и режим перераспределения цилиндровых нагрузок на основе выключения цилиндров. Мобильность разработанного комплекса позволяет индицировать дизель и при движении автомобиля в различных дорожных условиях, однако здесь имеется трудность в создании постоянного определенного скоростного и нагрузочного режимов.

В качестве примера представлены зависимости, полученные на режиме холостого хода с подачей топ-

лива и без нее, когда цилиндр выключен из работы (рис. 7).

Таким образом, разработанный комплекс:

- позволяет получить индикаторное давление в любой точке внешней скоростной характеристики дизельного двигателя (суммарная погрешность измерительного комплекса с учетом аналого-цифрового преобразования составляет 2,7%);

- позволяет исследовать внутрицилиндровые давления автомобильных дизелей при установке первичного преобразователя в отверстие для свечи накаливания при различных скоростных и нагрузочных режимах как в лабораторных, так и в стендовых условиях;

- обладает метрологическими характеристиками, пригодными для исследования внутрицилиндровых процессов дизеля в диапазоне частот до 10 кГц при применении индуктивного охлаждаемого датчика давления.

Статья поступила 10.09.2014 г.

Библиографический список

1. Маркелов А.А. Диагностирование дизеля по результатам расчетно-экспериментального исследования индикаторной диаграммы в условиях эксплуатации: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02. Хабаровск, 2007. 175 с.

2. Райков И.Я. Испытание двигателей внутреннего сгорания. М.: Высш. шк., 1975. 72 с.

3. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 320 с.

4. Статистические методы обработки эмпирических данных.

Рекомендации ВШИИНМАШ. М.: Изд-во станд-ов, 1978. 232 с.

5. Техника измерений и обеспечения качества. Справочная книга / пер. с нем. под ред. Л.М. Закса, С.С. Кивилиса. М.: Энергоатомиздат, 1983. 472 с.

6. Федотов А.И. Диагностика пневматического тормозного привода автомобилей на основе компьютерных технологий: дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.03. Иркутск, 1999. 445 с.