CC BY
15
УДК 621-43
УСЕРЕДНЕННЯ 1НДИКАТОРНИХ Д1АГРАМ ДВЗ, ЗНЯТИХ СУЧАСНИМИ ЦИФРОВИМИ СИСТЕМАМИ РЕССТРАЦП
Д.В. Левченко, студ., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Запропоновано cnoci6 усереднення по^довно записаних тдикаторних д1аграм, знятих сучасними засобами реестрацИ'. Обгрунтовано необхiднiсть усереднення дiаграм для проведення подальшог гх обробки та отримання достовiрних даних щодо теплового циклу в цилiндрi. Приведено оцтку якостi результату усереднення. Показано переваги наведеного способу.
Ключов1 слова: ДВЗ, тдикаторна дiаграма, усереднення даних, випробування ДВЗ, тиск у цилiндрi ДВЗ.
УСРЕДНЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ ДВС, СНЯТЫХ ЦИФРОВЫМИ
СИСТЕМАМИ РЕГИСТРАЦИИ
Д.В. Левченко, студ., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Предложен способ усреднения последовательно записанных индикаторных диаграмм, снятых современными средствами регистрации. Обоснована необходимость усреднения диаграмм для проведения дальнейшей их обработки и получения достоверных данных о тепловом цикле в цилиндре. Приведена оценка качества результата усреднения. Показаны преимущества приведенного способа.
Ключевые слова: ДВС, индикаторная диаграмма, усреднение данных, испытание ДВС, давление в цилиндре ДВС.
AVERAGING IC ENGINE INDICATOR DIAGRAMS RECORDED BY THE DIGITAL REGISTRATION SYSTEM
D. Levchenko, Student, Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. In this paper the first stage of processing the indicator diagrams, namely, averaging of a large number of cycles of consistently taken real indicator-diagrams is considered. The method gives high accuracy of averaging by a key (meaningful) parameter of the average indicator pressure. The method meets requirements of modern diagnostic systems and can be easily implemented in the specialized test bench.
Key words: IC engine, indicator diagram, averaging data, testing IC engine, in-cylinder pressure, digital signal, preparing test data, sampling error, elimination of unevenness.
Вступ
1ндищювання e одним з найбшьш важливих i комплексних видiв випробування двигуна внутршнього згоряння. 1ндикаторш дiаграми являють собою функщональну залежнють миттевого тиску в цилiндрi вщ кута повороту
колшчастого вала та е основною характеристикою робочого циклу. Обробка шдикатор-них дiаграм дозволяе визначити Mrnr^i па-раметри робочого тша та комплексш шдика-торш показники циклу (pt, rfi, Nj, g). Сучасш системи реестраци тиску згоряння дозволяють аналiзувати процес згоряння
окремого циклу, однак для ефективно! й дос-товiрно! оцшки середшх параметрiв циклу двигуна необхiдно обробляти велику кшь-кiсть послiдовних циктв на стацiонарному режимi.
З метою усереднення велико! кшькосп ста-тистичних даних та наступного використан-ня отриманого результату для оцшки пара-метрiв робочого циклу двигуна безпосеред-ньо у процесi дiагностики використовують програмовану мiкропроцесорну технiку для безпосередньо! обробки на випробувальних стендах чи програмно! постобробки на пер-сональних комп'ютерах,
Аналiз публiкацiй
1ндикаторна дiаграма використовуеться для отримання залежностi, яка дозволяе розраху-вати середнiй шдикаторний тиск та шдика-торний ККД робочого циклу, яю характери-зують енергетичнi та екологiчнi показники двигуна [1, 4]. 1снуе багато методик обробки шдикаторних дiаграм. Це пов'язано iз великою кiлькiстю методiв випробувань рiзних теплових циклiв, використанням рiзних видiв палива i прагненням до збшьшення точностi розрахунку. Однак вихщш данi для обробки значення тиску мають найбiльший вплив на очшуваний результат.
Пiд час роботи двигуна умови формування сумш^ повноти згоряння, подачi палива i регулювання систем запалювання (впорску-вання), безумовно, впливають на його вихщ-ш параметри. Цикл вiд циклу параметри газу в цилiндрi змiнюються, i стае важко оцiнити середнi шдикаторш показники й порiвняти !х з результатами шших двигунiв.
Реальнi вимiрювання дають значення митте-вого локального тиску, яке може в^^знятися вщ середнього в цилiндрi. Турбулентнi потоки сумш^ вiбрацil частин камери згоряння i дiафрагми датчика, вплив тиску струменя палива (для дизелiв) призводять до коливань сигналу [1, 2]. Збурення, що генеруються ко-ливаннями стовпа газу у сполучному каналi датчика тиску, можуть сильно спотворювати сигнал i давати неприпустиму похибку [1, 3]. Наприклад, у використаних даних шдищю-вання вщ циклу до циклу максимальний тиск у цилiндрi змшювався в межах вщ 7,37 до 10,42 МПа (з урахуванням пропуску запалювання). Таким чином, при визначенш шдика-
торно! дiаграми для отримання адекватного результату необхщно усереднювати порiвня-но велику кшьюсть експериментальних даних тиску, записаних у рядi вимiрюваних циклiв, щоб врахувати якомога бшьше фак-торiв, що впливають на робочий процес у цилшдр^ Кшьюсть циклiв для усереднення не нормовано. Як правило, це кшька десят-кiв, мiж 50 [4] i 100 (останнiй дозволяе отри-мати довiрчу ймовiрнiсть 95 % [5]).
У лiтературi наведено кiлька найбшьш по-ширених методiв апроксимацп дiаграм. У [3], наприклад, розглянуто змшну середню, фiльтр Савiтського-Голлея, низькопропуск-ний фшьтр. Цi методи дозволяють зменшити похибки вимiрювання, але не можуть бути використаш для усереднення дiаграм велико! кiлькостi циклiв. Для цього може бути засто-сований метод кусково! апроксимацi!. У цьому випадку розрахунковий процес значно ускладнюеться i в кiнцевому пiдсумку при-зведе до збшьшення похибки через викорис-тання апроксимацшних полiномiв.
Мета i постановка завдання
Метою цього дослщження е створення методики розрахунку усереднено! iндикаторно! дiаграми, що з великою довiрчою ймовiрнiс-тю вщтворюе середнi показники за розрахун-ковим дiапазоном даних. Перед роботою було поставлено таю задача
- зниження впливу нерiвномiрностi роботи двигуна на процес оцшки його середшх параметрiв для отримання достовiрних даних при обробщ iндикаторних дiаграм ДВЗ;
- яюсна оцiнка точностi отриманого результату;
- розробка функцюнального програмного забезпечення, що реалiзуе запропоновану методику; визначення обмежень застосуван-ня методики та причин, що !х утворюють.
Опис методики усереднення
Вже на початковому етат методику було зорiентовано для реалiзацi! на ПК, бо в результат використання сучасних засобiв оци-фрування сигналiв частота реестрацп сигналу датчику тиску досягае 200 кГц i бiльше. Такi частоти вщповщають у середньому куту повороту колшчастого вала близько 0,1-1 град. п.к.в. Таким чином, для обробки поступае обсяг даних у розмiрi до кшькох мiльйонiв записаних точок.
Остаточний алгоритм було досягнуто вже у процес тестування готового продукту, проте головна щея усереднення залишилася не-змшною. Сутшсть методики полягае в усере-дненнi поля точок умовно накладених шди-каторних дiаграм, якi входять до обраного дiапазону, наприклад, один градус повороту колшчастого вала в кожному оброблюваному цикл^ як показано на рис. 1.
1.73 1.72 1.71 1.7 1.69 1.68 1.67 1.66
Рис. 1. Усереднення вщповщних значень ти-ску згщно з обраним кроком розрахунку
Усереднення полягае в розрахунку середньо-го арифметичного в обраному дiапазонi значень тиску. Це значення вважаеться середшм уздовж промiжку часу певного розрахунко-вого циклу ^ вiдповiдно, присвоюеться йому. Результатом розрахунку е ряд значень тиску, що вiдповiдае точкам усереднено! криво! з певним рiвномiрним кроком, який не може бути менше частоти опитування АЦП датчика тиску (зазвичай беруть 1° п.к.в.).
Найбшьшою проблемою точного усереднення шдикаторних дiаграм е нерiвномiрнiсть обертання колiнчастого вала пщ час роботи двигуна. Миттева швидисть колiнчастого вала мае раптовий характер, бо залежить як вiд неврiвноваженостi рухомих мас КШМ, так i вщ робочого процесу двигуна.
Пiд час роботи з даними шдицшвання ци-лiндра така нерiвномiрнiсть проявляеться у вщповщносп певному рiвному куту повороту КВ рiзноl кiлькостi записаних точок у рiз-них циклах. До того ж !х розташування вщ-носно початку кожного циклу також вiдрiз-няеться. Для виршення ще! проблеми перш за все треба пам'ятати, що ми працюемо iз дискретними даними. Через малiсть перiоду визначення тиску вносимо допущення, що в околi записаного значення тиск е постшним i вщповщае записаному, а змiна тиску вщбу-ваеться миттево в момент наступного опитування i також призначаеться постшною для наступного промiжку.
Для пщвищення точностi обробки дiаграм необхщним е використання датчика промiж-них положень колшчастого вала (датчик повороту КВ). Кшькють уточнюючих значень положення КВ мае задовольняти необхщнш точносл обробки iндикаторних дiаграм та наявнш величинi нерiвномiрностi швидкостi двигуна.
Сигнал датчика положення КВ дае шформа-цш про поточний кут повороту КВ, а в сумi з вщомим та рiвномiрним часом опитування датчика можна уточнити миттеву швидисть обертання КВ. Вщштовхуючись вiд положення початку ново! дщянки та часу, що во-на тривае, дщимо дiлянку на рiвнi частини, згщно з вщповщним 1'й кутом повороту. Дал^ користуючись прийнятим допущенням про сталiсть тиску мiж моментами запису, видь ляемо масив даних тиску, що вщповщае ви-значеному промiжку часу.
Розпаралеливши процес видщення даних тиску найменшо! дщянки (кроку усереднення 1Д) за вшма робочими циклами, у виборцi ми отримуемо масив даних для усереднення од-ше! точки шукано! дiаграми.
Сигнали датчика повороту КВ дозволяють перейти в розрахунках вiд шкали часу до ку-та повороту КВ без прямого перерахування, що значною мiрою спрощуе подальше сприйняття та використання результату усе-реднення.
Розроблена методика при визначенш кшько-ст уточнювальних сигналiв вимагае задово-льнити умову кратносл
360 х х т
де т - кшькють мiток на задавальному диску; - крок уточнюючих сигналiв повороту колшчастого вала, град. п.к.в; N т - ряд натуральних чисел.
Тобто ефективним використанням системи уточнення кута повороту колшчастого вала буде застосування задавального диска з рiв-номiрно розташованими мггками i кшькютю, кратною 360.
Таким чином, методику усереднення ряду iндикаторних дiаграм можна роздшити на три структурнi одинищ: визначення координат положення ВМТ для розбивання ряду на
Т48 149 150
Номер за порядком
окремi цикли, визначення положень, вщповь дних сигналам кута повороту, для компенса-цп нерiвномiрностi обертання колiнчастого вала та безпосередньо циклу усереднення експериментальних даних.
Також великий вплив на результат усеред-нення мають правильнють i рiвномiрнiсть визначення точок, найближчих до положень вiдповiдних мiток на задавальному диску, встановленому на колшчастому валу, вщпо-вiднiсть фаз сигналiв датчиюв ВМТ та кута п.к.в. Також значна похибка впливае вже на подальшу обробку шдикаторних дiаграм i власно визначення середнього шдикаторного тиску мае вщповщшсть мiтки ВМТ його фi-зичному положенню.
При запис даних датчика повороту колшча-стого вала та положення ВМТ iз великою частотою дискретизацi! отримують неостато-чнiсть визначення положення мггки сигналу датчика, бо на кожний окремий сплеск сигналу припадае до 10-20 точок. Таким чином, на початковому етат усереднення необхщно досягти тшьки рiвномiрностi визначення по-ложень точок, що вказують миттеве поло-ження колшчастого вала. Наступна корекцiя буде вже пов'язана з уточненням величини невiдповiдностi мггки ВМТ його фiзичному значенню.
Отримавши координати сигналiв датчика кута п.к.в. iз вiдповiдними зазначеними на них вщмпками ВМТ, приступаемо до безпо-середнього усереднення. Всерединi дiлянки мiж сигналами датчика кута п.к.в. приймаемо швидюсть колiнчастого вала постiйною. Таким чином, залежно вщ кшькосп експериме-нтальних точок кожного циклу, що потрапи-ли до дiапазону, вщповщного кроку усеред-нення, формуеться обсяг усереднення як показано на рис. 2.
— Щ дшсних цикл:в •+Осереднена д/аграма
Рис. 2. Розподш усереднених значень згiдно з кроком запису сигналiв датчикiв
В одному 6-градусному розрахунковому цик-л^ рiвномiрно подiленому за кроком розраху-нку в 1 градус, може бути задiяна рiзна кшь-юсть точок для усереднення.
Зручною властивютю запропонованого методу е перетворення координатно! осi часу на кут п.к.в. без безпосереднього перерахуван-ня, адже сигнал датчика кута повороту ко-лшчастого вала дае необхiдну для цього шформащю.
Оцiнка точностi методики
Як опробування наведено! методики було взято даш iндицiювання цилiндру газового двигуна 6ГЧН 13/14 з турбонаддувом, прототипом якого е дизель ЯМЗ-236, на номшаль-ному режимi та швидкосп 1600 1/хв. Аналого-цифровий перетворювач (АЦП): L-Card Е-140 з коефщентом дискретизацi!, що дозволяе рееструвати миттевий тиск бiльш нiж двiчi за градус повороту колшчастого вала для ще! швидкосп двигуна. Двигун випробовувався на найменшу допустиму енерпю iскри свiчки запалювання та нерiв-номiрнiсть робочих циклiв. Таким чином, у робой двигуна наявш пропуски запалювання робочо! сумiшi та цикли з незадовшьними умовами горшня, що утворюе значнi змiни у виглядi циклових iндикаторних дiаграм та рiвнi найвищого циклового тиску pz.
Такi умови робочого процесу, проте, дають наочний результат iз максимальними значен-нями похибки усереднення, за рахунок впли-ву значно! рiзницi в показниках циклу (до 3 % за шдикаторним тиском циктв) [3].
Програму для реалiзацi! наведено! методики усереднення та допомiжних функцiй ще! програми було побудовано у програмному комплексi MatLAB однойменною мовою програмування.
На рис. 3 наведено вигляд вихщних даних за один робочий цикл для проведення обробки шдикаторних дiаграм, що включае в себе 3 типи сигналiв: тиску в цилшдр^ положення ВМТ та кута повороту колшчастого вала. Причому датчик тиску був попередньо вщ-калiбрований i АЦП одразу ж перераховуе вхщний сигнал в одинищ вимiрювання тиску МПа. Для уточнення миттево! швидкостi ре-еструеться положення колiнчастого вала ко-жнi 6 град. п.к.в.
У нашому дослщженш було взято дiапазон розрахунку усереднено! дiаграми iз кроком в 1 градус п.к.в. i отримано 721 точку усереднено! криво!. Такий дiапазон е зручним для використання в подальшш обробцi й дае ви-соку точнють.
800 850 900 950 1000 Порядковий номер 1150
Рис. 3. Початковi данi для усереднення
У [6] наведено спосiб вибору шдикаторно! дiаграми для оцiнки усереднених параметрiв циклу за значенням середнього шдикаторно-го тиску серед ушх циклiв. Останнiй метод був застосований для дослщження процесу горiння i потребував обробки всiх окремих циктв, взятих для дослiдження. Це тривалий i трудомiсткий процес, який також не захи-щае вiд впливу помилок вимiрювання, але може бути найкращим способом оцiнки по-хибки методу усереднення. Порiвнюючи се-реднш iндикаторний тиск окремих циклiв за дiапазоном усереднених даних та розрахова-ний таким самим методом шдикаторний тиск усереднено! дiаграми, можна визначити вщ-носну похибку усереднення. Така ощнка точностi усереднено! дiаграми вщтворюе об'ективну похибку усереднення, адже спи-раеться на цiльовi результати усереднення i включае всi можливi на них впливи.
Тиск [МПа] V/ 1Д дШсних цикл:в —Осереднена д!аграма
.........IP m
"Ч у~ N
Рис. 4. Пор1вняння дiйсних i усереднено! iH-дикаторно! дiаграми
120
-0,21 б= 1^-100% = 0,175%
Рис. 5. Похибка дискретизацi! сигналу АЦП
З рисунка видно, що, розподiляючи шестиг-радусну дшянку задавального диска на 6 рiв-них промiжкiв дискретизацi!, !х положення не мають вiдповiдних за часом записаних даних. Таким чином, залишкова похибка пов'язана iз допущенням про рiвномiрнiсть обертання в межах отриманого сигналу уто-чнення миттевого кута п.к.в.
Порiвнюючи середне арифметичне серед ш-дикаторних тискiв вшх дiйсних циклiв, що використовувалися для усереднення, з шди-каторним тиском усередненого циклу (рис. 4), ми отримали похибки в межах 0,20,6 % в рiзних тдборках даних та кiлькостях циктв вiд 10 до 20. Таку похибку можна вважати гранично малою для дано! частоти дискретизацп АЦП i режиму роботи двигуна, адже вона майже повнютю складаеться з похибки, введено! у процес оцифрування. Похибку дискретизацп можна пояснити графiч-ним вщтворенням процесу запису сигналу. На рисунку 5 приведено схематичний фрагмент задавального диска мiж двома сусщш-ми мггками та записаний з його допомогою реальний сигнал.
Висновки
Перевагами запропонованого способу е його простота, швидюсть розрахунку та досить висока точнють. Метод дозволяе перетворю-вати вiсь часу на дiаграмi в кут повороту ко-лiнчастого вала без прямого перерахунку. За наявносп необхiдного обладнання метод можна застосовувати для обробки експери-ментальних даних безпосередньо на випро-бувальному стенда
За певним доопрацюванням програми, вико-ристовуючи даш усереднення циклiв стиску-розширення, можна отримати вюь симетрi! гiлок дiаграми i програмно вводити автоко-рекщю сигналiв ВМТ згiдно з його фiзичним значенням.
Лггература
1. André V. Bueno, José A. Velâsquez, Luiz F. Milanez. Internal Combustion Engine Indicating Measurements. Applied Measurement Systems / Prof. Haq Zahurul (Ed.). - Rijeka, Croatia: InTech, 2012. -pp. 24.
2. Pwletko R. Applicability of selected methods to smooth indicator diagrams of marine medium-speed engine / R. Pwletko, Ph. Danalysing // Polish Maritime Research 2(86). - 2015, Vol. 22. - pp. 55-61.
3. Абрамчук Ф.И. Методика расчета процесса сгорания газового двигателя с высокоэнергетической системой зажигания / Ф.И. Абрамчук, А.Н. Кабанов // Двигатели внутреннего сгорания. - 2007. -№2. - С. 67-73.
4. Леонов И.В. Развитие методов снятия и обработки индикаторных диаграмм / И.В. Леонов, С.А. Луцкая // Инженерный вестник: научно-технический журнал. - 2015. - №11. - С. 1044-1049.
5. Пойда А.Н. Основные принципы инди-цирования двигателей дискретными устройствами / А.Н. Пойда // Двигателест-роение. - 1982. - №86. - С. 24-27.
6. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания: учебник для вузов / И.Я. Райков. - М.: Высшая школа, 1975. - 320 с.
References
1. André V. Bueno, José A. Velâsquez, Luiz F. Milanez. Internal Combustion Engine Indicating Measurements. Applied
Measurement Systems Rijeka, Croatia: InTech, 2012, pp. 24.
2. Pwletko R., Danalysing Ph. Applicability of selected methods to smooth indicator diagrams of marine medium-speed engine. Polish Maritime Research 2(86), 2015, vol. 22, pp. 55-61.
3. Abramchuk F.Y., Kabanov A.N. Metodyka rasche-ta processa sgorany'ya gazovogo dvygatelya s vysokojenergeticheskoj sis-temoj zazhiganija [Method of calculation of the combustion process of a gas engine with a high-energy ignition system]. Dvy 'gately' vnutrennego sgorany 'ya. [Internal Combastion Engine], 2007, vol. 2, pp.67-73.
4. Leonov I.V., Luckaja S.A. Razvitie metodov snjatija i obrabotki indika-tornyh diagramm [Development of methods for removing and processing indicator charts]. Inzhenernyj vestnik. [Engineering Herald]. 2015, vol. 11, pp. 1044-1049.
5. Pojda A.N. Osnovnye principy indicirovanija dvigatelej diskretnymi ustrojstvami [The basic principles of the indication of motors by discrete device] Dvigatelestroenie [Engine Building], 1982, vol. 86, pp. 24-27.
6. Rajkov I.Ja. Ispytanija dviga-telej vnutrennego sgoranija [Tests of internal combustion engines], Moscow, Vyssh. Shkola Publ., 1975, 320 p.
Рецензент: Ф.1. Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
