Диагностика многоцилиндровых двигателей с помощью моделирования неравномерности частоты вращения

УДК 658.58:519.711.3

Б.К. Сивяков, С.С. Трюбер

ДИАГНОСТИКА МНОГОЦИЛИНДРОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Предложена методика диагностики многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания, основанная на моделировании неравномерности частоты вращения коленчатого вала и последующей идентификации параметров модели на основе измеренных данных. Способ позволяет учесть особенности многоцилиндровых двигателей, в частности наложение крутящих моментов соседних по порядку срабатывания цилиндров.

Диагностика, многоцилиндровый двигатель, неравномерность частоты вращения, коленчатый вал, моделирование, идентификация.

B.K. Sivyakov, S.S. Tryuber

MULTICYLINDER ENGINE DIAGNOSTICS METHODS BASED

ON ROTATIONAL SPEED NON-UNIFORMITY SIMULATION

The principal of the multicylinder engine diagnostics methods based on engine's rotational speed non-uniformity simulation and following parameters identi-

fication, is described in this article. Method allows considering features of multicylinder engines, specifically rotational moment overlapping of adjoining cylinders.

Diagnostic, multicylinder engine, rotational speed non-uniformity, crankshaft, simulation, identification.

Среди методов диагностики двигателей внутреннего сгорания существует направление, в котором работоспособность цилиндропоршневой группы оценивается по неравномерности частоты вращения коленчатого вала.

Частота вращения измеряется с помощью индукционного датчика, отмечающего моменты прохождения зубьев модулятора, обычно имеющего от 60 до 180 зубьев, и жёстко связанного с коленчатым или распределительным валом. Каждый зуб дает две точки данных (передняя и задняя кромки). Результатом измерений является массив данных длительностью один цикл (выборка), что для четырёхтактных двигателей составляет два оборота. В большинстве случаев, датчики входят в состав электронной системы управления, поэтому какого-либо изменения конструкции двигателя не требуется. Чтобы синхронизировать выборку с распределительным валом, запись начинается после поступления сигнала датчика фазы, основанного на эффекте Холла и установленного на распределительном валу.

Тем не менее, в подобных методиках наиболее наглядные и однозначные результаты получаются лишь при исследовании малоцилиндровых двигателей (рис. 1). Неравномерность частоты вращения многоцилиндровых двигателей составляет приблизительно 0,7% для шестнадцатицилиндрового дизеля (16ЧН26/26) против 4% шестицилиндрового двигателя (K6S310DR) и 6% четырехцилиндрового двигателя (1ПД4). Из-за низкой неравномерности полезный сигнал теряется среди погрешностей измерения, в основном систематических, связанных с неравномерностью расположения зубьев на модуляторе. Это накладывает необходимость предварительной процедуры устранения систематических погрешностей, описанных в [1].

Рис. 1. Выборки, сделанные на двигателях (16ЧН26/26, К 6Э 310 ОЯ, 1 ПД4) с разным количеством цилиндров

Сложность в интерпретации данных оказывает наложение крутящих моментов соседних по последовательности срабатывания цилиндров. При нагруженном двигателе основное воздействие на коленчатый вал цилиндр осуществляет всего в течение примерно 150° угла поворота коленчатого вала. Поэтому на малоцилиндровых двигателях достаточно разделить выборку на части, проанализировать их по отдельности и сделать выводы о работоспособности каждого цилиндра. При использовании аналогичного подхода для многоцилиндровых двигателей, изменение мощности на одном из цилиндров влечёт искажение информации о соседних.

Предлагается способ решения данной проблемы, основанный на моделировании неравномерности частоты вращения коленчатого вала. Для этого необходимо построить достаточно общую для разных типов двигателей модель, не требующую сложных вычислительных затрат. В процессе диагностики для каждой измеренной выборки осуществляется параметрическая идентификация модели, далее, по вновь найденным параметрам, делаются выводы об исправности двигателя.

Построение модели начнём с давления в камере сгорания, которое представим как сумму давлений от компрессии и собственно сгорания горючей смеси

Р = Рс + Рг .

Давление компрессии зависит от большого числа конструктивных параметров двигателя, но для упрощения принято пропорциональным текущей степени сжатия:

0, если ф < -145 ° или ф > 145 °,

Р. '(б х ( ф ) - 1),

Рс =

£ 11 Г

где £х(ф) = ,—-Т-—, /(ф) = 1+-'^-008(ф)--008(2ф), ^ = -; Ра - атмосфер-

1 + 0,5 -(£-1)- f (ф) 4 4 I

ное давление; £ - действительная степень сжатия двигателя; г - радиус кривошипа; I - длина шатуна; ф - угол поворота коленчатого вала относительно ВМТ данного цилиндра.

У словие, при котором функция принимает нулевое значение, соответствует открытым впускным или выпускным клапанам.

Основным для диагностики фактором является избыточное давление, обусловленное сгоранием горючей смеси. В классической теории моделирования процессов в камере сгорания уже известны методики моделирования подобных процессов, однако все они исходят из того, что двигатель находится в исправном состоянии, а угол опережения впрыска (или зажигания) подобран оптимальным образом [2], либо слишком сложны и используются для конструирования двигателей [5]. Для задач диагностики подобный подход неприемлем, а одним из параметров при моделировании давления должен являться угол опережения впрыска (зажигания). Поэтому предлагается функция, описывающая процесс сгорания и позволяющая упрощённо описать процесс сгорания для разных типов двигателей, а также неисправные состояния:

Рг =

— - е 0,09 , если у < 0,

5

— - е (512) , если у > 0,

5 У

где р - коэффициент, характеризующий мощность сгорания; у = ф + а-0, углы задаются в радианах; а - угол опережения впрыска (зажигания); 0 - задержка от начала горения до точки максимального давления; 5 - коэффициент, описывающий длительность горения.

Используя формулу (3), возможно моделирование мощности, длительности сгорания, а также угла опережения впрыска (зажигания) относительно верхней мертвой точки (ВМТ) цилиндра (рис. 2).

90 0 90 180 270 - 90 0 90 180 270 - 90 0 90 180 270

Рис. 2. Моделирование сгорания горючей смеси: а - изменение мощности сгорания; б - изменение длительности сгорания; в - смещение момента начала сгорания

На рис. 3 отображена диаграмма суммы давлений компрессии и сгорания.

Помимо давления газов, изменение момента инерции возвратно-поступательно движущихся масс также прикладывает к коленчатому валу некоторые усилия, которые следует брать во внимание. Более всего они проявляются при работе двигателя на высоких оборотах, либо при низкой нагрузке. Для одного цилиндра эффект приближённо описывается функцией (4) [2]. Полная диаграмма отображена на рис. 4.

С08

1 )

где тп - масса поступательно движущихся частей (приведенных к оси поршневого пальца); Г - радиус кривошипа; I - длина шатуна; ю - текущая частота вращения, рад/с.

Рис. 3. Диаграмма сил давления газов

Рис. 4. Диаграмма сил давления газов, инерции и суммарных

Приводя силы, прикладываемые к поршню в направлении его движения, к крутящему моменту на валу двигателя, получаем:

где 5 - площадь поршня, в = агсвт — • 8т

Общий крутящий момент от всех цилиндров находится как сумма моментов отдельных цилиндров, смещенных относительно друг друга на углы срабатывания.

Таким образом построена структурно-определенная модель. Часть её параметров (г, I, £, 5) берётся из паспортных данных двигателя. Приведенная масса возвратнопоступательно движущихся частей (тп) может быть вычислена [2], либо подобрана экспериментально под конкретную модель двигателя. Остальные параметры могут быть заданы жёстко, или подобраны в результате идентификации. Это: коэффициент, описывающий мощность сгорания, индивидуальный для каждого цилиндра (р), угол опережения впрыска (зажигания) (а), задержка от начала горения до точки максимального давления (0), длительность горения (5).

Крутящий момент на валу двигателя (Мкр) пропорционален угловому ускорению коленчатого вала (нагрузка двигателя считается постоянной в течение цикла), которое вычисляется дифференцированием выборки угловой скорости. В процессе нахождения оптимальных параметров ставится задача поиска такой модели, которая даёт максимально похожий на измеренную выборку крутящий момент:

где Мкр.средн - постоянная составляющая сформированного моделью решения; ю - измеренная угловая скорость двигателя, рад/с.

Вычитание постоянной составляющей Мкр.срЕдн обусловлено тем, что дифференцирование выборки частоты вращения приводит к центрированию относительно нуля, а смоделированный крутящий момент включает некоторую положительную постоянную составляющую (механическая работа двигателя).

В связи с существованием на плоскости решений множества локальных минимумов необходимо на начальном этапе использовать генетический алгоритм, чтобы локализовать оптимальную область. Пространством объектов являются всевозможные комбинации параметров р а, 0, 5) из физически допустимого диапазона. Популяцию составляют 10 объектов. После каждого поколения особь с наилучшими жизненными показателями не изменяется, две следующие по качеству показателей пары скрещиваются, остальные 5 особей с наименьшими показателями генерируются заново. Процесс поиска решения останавливается через 100 поколений. Далее для уточнения результата использовался метод наискорейшего спуска.

На рис. 5 показан пример параметрической идентификации построенной модели для шестицилиндрового двигателя, а на рис. 6 - для шестнадцатицилиндрового.

Модель достаточно точно описывает крутящий момент от срабатывания цилиндров, и возможно её использование в целях контроля и диагностики. Однако остаются некоторые расхождения из-за того, что модель основана на некоторых общих, эмпирических суждениях и охватывает сразу множество двигателей внутреннего сгорания. Идентификация модели сопряжена с достаточно большими вычислительными затратами, что затрудняет использование представленного алгоритма в недорогих микроконтроллерах.

В процессе работы двигателя система диагностики периодически ищет описанные параметры модели, которые в дальнейшем могут как выводиться на дисплей оператора, так и обрабатываться автоматически. В последнем случае, если какой-либо из них выходит за допустимые границы, то выдаётся сигнал тревоги. Также возможен анализ деградации пара-

метров в течение длительной эксплуатации двигателя, однако при этом диагностику необходимо производить на идентичных режимах работы двигателя.

_ Модель Результат измерения —“* ; ; / ; а /  / \ ' Л /' Д Іг\ п ІЛ V і ! /і / ! її  р V ,1ч / /1 1 1 Л 1 1 / 4 \ /1

к О 120 240 360 480 600 720

0 120 240 360 430 600 720

Угол поборота коленбала, град

Рис. 5. Результаты диагностического моделирования для шестицилиндрового двигателя 1-ПД4 (750 об/мин, 75%-ная нагрузка). Снизу - один цилиндр отключен

О 45 90 135 180 225 270 315 360 405 450 495 540 585 630 675 720

Уз оті поборота коленбала, град

Рис. 6. Результат диагностического моделирования для шестнадцатицилиндрового двигателя 16ЧН26/26

Система диагностики, основанная на предложенной модели, позволит автономно, без участия оператора, следить за работоспособностью двигателя, на ранних стадиях выявлять неисправность цилиндропоршневой группы и проводить упреждающий ремонт.

ЛИТЕРАТУРА

1. Трюбер С.С. Диагностика мощных дизельных двигателей по неравномерности частоты вращения / С.С. Трюбер // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. № 4. С. 64-71.

2. Григорьев В. А. Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма двигателя: учеб. пособие / В. А. Григорьев. Волгоград: Волгоград. гос. техн. ун-т, 2004. 105 с.

3. Клементьев В.В. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов / В.В. Клементьев, М.В. Фарафонтов, Б.А. Шароглазов. Челябинск: ЮУрГУ, 2004. 344 с.

4. Научные основы контроля и диагностирования тепловозных дизелей по параметрам рабочих процессов / А.С. Левченко, В.П. Мохонько, Д.Я. Носырев, Е.М. Тарасов. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2001. 174 с.

5. Гоц А.Н. Научные основы расчета и ускоренных испытаний деталей кривошипношатунного механизма тракторных дизелей на стадии проектирования: дис. ... д-ра техн. наук / А.Н. Гоц. Владимир, 2004. 175 с.

Сивяков Борис Константинович -

профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета

Трюбер Сергей Сергеевич -

аспирант кафедры «Электротехника и электроника» Саратовского государственного технического университета

Sivyakov Boris Konstantinovich -

Professor, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of «Electrical Engineering and Electronics» of Saratov State Technical University

Tryuber Sergey Sergeyevich -

Post-graduate Student of the Department

of «Electrical Engineering and Electronics» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 09.09.09, принята к опубликованию 14.01.10