Снижение погрешности определения внутрицикловых значений угловой скорости коленчатого вала при диагностировании двигателей внутреннего сгорания

С.А. Гребенников, М.Г. Петров, А.С. Гребенников

СНИЖЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРИЦИКЛОВЫХ ЗНАЧЕНИЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ПРИ ДИАГНОСТИРОВАНИИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Дан анализ существующих методов обработки диаграмм изменений угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота и предложен новый алгоритм, повышающий точность определения диагностических показателей при диагностировании технического состояния механизмов и систем двигателей внутреннего сгорания.

Погрешность, двигатель внутреннего сгорания, угловая скорость, диагностирование, газораспределительный механизм

S.A. Grebennikov, М^. Petrov, A.S. Grebennikov

THE DECREASE ERROR DEFINITION OF CRANKSHAFT TRANSANNULAR ANGULAR SPEEDVALUES AT ENGINE DIAGNOSING

Set out analysis of existing processing methods of crankshaft angular speed changes ’ diagram and offer a new algorithm, elevating step-uppositional accuracy of diagnostic indicators of crankshaft transannular angular speed changes at diagnosing of engine mechanisms and systems.

Error, internal-combustion engine, angular speed, diagnosing, gas-distributing mechanism

Одним из путей повышения долговечности и топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является снижение механических потерь на трение в механизмах и системах, затраты мощности на привод которых сравнительно невелики. К их числу относится, в частности, механизм клапанного газораспределения (МГР). Измерение составляющей мощности механических потерь, затрачиваемой на привод МГР, представляется сложной задачей, так как по относительной величине она не превышает 3...10% от суммарной мощности потерь на трение в ДВС. Возможный конструктивнотехнологический резерв снижения составляющей потерь на привод МГР оценивается в 5.20%, что требует высокой точности её измерения. С такой же проблемой сталкиваются и эксплуатационники автотракторной техники, когда необходимо определить техническое состояние МГР по параметру мощности механических потерь. Оценка данного показателя существующими методами, основанными на определении разности измеренных мощностей, затрачиваемых на прокручивание коленчатого вала ДВС в полной комплектации и при отключенном МГР, является методически некорректной. Основная причина заключается в том, что погрешность электробалансирных измерителей мощности сравнима с измеряемым значением составляющей мощности механических потерь на привод МГР.

В СГТУ разработан динамический метод диагностирования МГР, основанный на выделении составляющей мощности механических потерь на его привод, которая определяется по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого (распределительного) вала при прокручивании декомпрессированного ДВС (с вывернутыми 126

свечами зажигания или форсунками) стартером с заданной частотой вращения [3]. Теоретическим обоснованием предлагаемого способа определения составляющей мощности механических потерь на привод МГР служит то, что изменения момента МСр сопротивления

прокручиванию коленчатого вала по углу р его поворота взаимосвязаны с внутрицикловыми изменениями угловой скорости известным уравнением динамики ДВС

от возвратно-поступательно движущихся масс ДВС.

Таким образом, вместо непосредственного измерения значения составляющей мощности механических потерь на привод МГР, на практике удобнее и значительно точнее о ней судить с помощью электронных средств измерения угловых скоростей коленчатого вала, обладающих высокой разрешающей способностью, помехоустойчивостью, оперативностью и многофункциональностью использования, в том числе для диагностирования других систем и механизмов ДВС [2].

Принцип измерения мгновенных значений угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота заключается в подсчете числа высокочастотных «заполняющих» импульсов, укладывающихся в интервалы угла поворота между смежными импульсами, которые формируются датчиком угловых перемещений магнито- или фотоэлектрического типов с синхронизацией отсчета от положения, соответствующего ВМТ поршня I цилиндра. Подобные датчики положения коленчатого вала входят в состав электронной системы управления (ЭСУД) современных ДВС. Считанное и закодированное в двоичный код число заполняющих импульсов за заданное число циклов работы ДВС вводится в запоминающее устройство микропроцессора для дальнейшей математической и логической обработки. Эта информация позволяет исследовать процессы, происходящие в системах и механизмах двигателя и судить об их техническом состоянии.

Так, в известном способе поэлементного диагностирования МГР ДВС [2] измеряются и вводятся в память микропроцессора от 64 до 512 значений мгновенной угловой скорости за один оборот коленчатого вала. Для исключения случайных ошибок диаграмма изменения угловой скорости по углу поворота коленчатого вала формируется путём осреднения результатов измерений за 3.7 кинематических циклов.

Для упрощения математической обработки результатов измерений обычно принимают закон изменения угловой скорости в период между последовательными измеренными величинами линейным, а её значения внутри пределов квантования -

постоянными и равными V1

где т - тактность двигателя (для двухтактных т = 2, четырехтактных т = 4); V - частота импульсов генератора, Гц; к - число угловых интервалов в пределах одного оборота коленчатого вала; / - число импульсов, зафиксированное соответствующим электронным счетчиком за время прохождения коленчатым валом заданного углового интервала.

При диагностировании ДВС по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости часто в качестве угловых интервалов перемещений коленчатого вала используются значения углового шага между соседними зубцами венца маховика двигателя (например, при использовании индукционного или основанного на эффекте Холла датчика положения коленчатого вала). Результат измерения по такому принципу мгновенных значений угловой скорости при частоте вращения коленчатого вала п = 1000 мин-1 двигателя ЗМЗ 4Ч 9,2/9,2, имеющего на венце маховика 138 зубьев, показан на рис. 1 [1].

- момент

п-т V

п. мин 1

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 %

Рис. 1. Экспериментальная диаграмма мгновенных значений угловой скорости ш

коленчатого

вала по углу поворота на межзубцовый интервал Nз, , венца маховика двигателя ЗМЗ

4Ч 9,2/9,2 [1]:

I, II - соответственно первый (сплошная линия) и второй (пунктирная линия) обороты

коленчатого вала

Из-за разных индикаторных показателей цилиндров измеренные мгновенные значения угловой скорости по углу поворота коленчатого вала в сравниваемых последовательных циклах имеют некоторые отличия низкочастотной её составляющей. Однако идентичный характер изменения угловой скорости между одними и теми же зубцами характеризует неизменные условия при проведении серий измерений и подтверждает технологическую природу погрешности от различий значений шага нарезки зубьев венца маховика. Технологический характер высокочастотного шума подтверждается и тем, что изменение угловой скорости коленчатого вала на 15 мин-1(см. точки а и б на рис. 1) за время поворота на один межзубцовый период венца маховика требует углового ускорения 3,7Т03 рад/с , что не имеет физического смысла для данного типа двигателя.

Предложенный в [1, 4, 5] для фильтрации высокочастотного шума угловой скорости метод скользящих медиан, заключающийся в последовательном групповом осреднении значений массива данных, решает проблему лишь частично. В частности, результаты осреднения по трем, четырем, пяти и шести значениям показали, что увеличение количества усредняемых в группе точек более шести не приводит к дальнейшему улучшению плавности аппроксимирующей кривой. Вместе с тем увеличение количества осредняемых в группе значений сокращает число точек, участвующих в определении количественных критериев, что уменьшает разрешающую способность метода и достоверность диагностирования элементов ДВС по этим показателям.

Снижения погрешности определения мгновенных значений угловой скорости по углу поворота коленчатого вала можно достичь следующими путями:

- обоснованным выбором новых режимов диагностирования;

- использованием датчика угловых перемещений с высокой разрешающей способностью;

- совершенствованием алгоритма математической фильтрации полезного сигнала.

С учетом указанного авторами статьи разработан тестовый режим диагностирования МГР, который реализуется путём прокручивания коленчатого вала декомпрессированного двигателя стартером. В качестве датчика угловых перемещений применили растровый фотоэлектрический датчик ВЕ-178А, имеющий диск на 1024 штрих-кода, нанесенных с абсолютной погрешностью, не превышающей 15”. Это позволило уменьшить значения угла 128

квантования Дф перемещений коленчатого вала до 0,7, 1,4 и 2,8° (значение Дф

устанавливается в зависимости от требуемой точности определения показателей внутрицикловых изменений угловой скорости). Измерителем угловой скорости является патентованное устройство для диагностирования ДВС с опорной частотой кварцевого генератора импульсов у=2 МГц [2].

Несмотря на высокую разрешающую способность датчика и устройства, полученные диаграммы изменений угловой скорости коленчатого вала по углу его поворота стали более стабильными, но также представляют собой цепь пилообразных «высокочастотных» колебаний угловой скорости относительно действительных её значений (рис. 2 и 3, кривая 1). Причина их возникновения связана с динамическим взаимодействием зацепления шестерни стартера, имеющей 9 зубьев, с зубчатым венцом маховика двигателя (каждое пилообразное колебание состоит из 9 значений угловой скорости). К тому же технологический разброс значений углового шага между соседними зубцами маховика и стартера даже при равномерном вращении коленчатого вала ведет к различному числу сосчитанных устройством импульсов, а следовательно, к различному значению измеренной мгновенной угловой скорости. Вследствие этого на полезный сигнал, пропорциональный изменению угловой скорости коленчатого вала за каждый цикл, накладывается высокочастотный «шум».

Результаты обработки диаграмм угловой скорости по углу поворота коленчатого вала при диагностировании технического состояния МГР двигателя 4Ч 9,2/9,2, выполненные существующим алгоритмом - методом скользящих медиан с осреднением по пяти значениям [1, 4], приведены на рис. 2 (кривая 2). Сравнение полученных по данным аппроксимирующей диаграммы рис. 2 диагностических показателей фаз газораспределения с их реальными значениями в испытуемом двигателе показало, что абсолютная погрешность результата диагноза при подобном методе обработки составляет ±4° при требуемой точности ±2°.

Повышение точности определения диагностических параметров достигнуто усовершенствованием алгоритма обработки диаграмм угловой скорости, суть которого заключается в следующем. Последовательно, начиная с каждого из измеренных значений, подбираются параметры параболы шестого порядка для групп из трех соседних исходных значений угловой скорости, а затем для каждого /-гоуглового интервала поворота коленчатого вала вычисляются расчетные ихзначения («3, *, к,, где к = 1; 2; 3).

В качестве конечного значения принимаются средние арифметические значения из полученных расчетных величин для каждого отдельного углового интервала поворота коленчатого вала

18,6 -1-------------------------------------1-----------------------------------1----------------------------------1--------------------------------1

О я 2к ср, рад 4 п

Рис. 2. Диаграмма мгновенных значений угловой скорости ш коленчатого вала по

углу

его поворота ф до и после обработки по методу [1]: 1 - исходная; 2 -

аппроксимирующая

На рис. 3 показан результат обработки по предлагаемому алгоритму сглаживания диаграмм для массива тех же значений угловых скоростей, указанных на рис. 2, кривая 1.

Рис. 3. Диаграмма мгновенных значений угловой скорости ш коленчатого вала по

углу

его поворота ф: 1 - исходная; 2 - аппроксимирующая

Полученная аппроксимирующая кривая (рис. 3) имеет большую сходимость

диагностических параметров с действительными значениями фаз газораспределения (±1,5°), чем в известном алгоритме (рис. 4). Высокая точность полученныгх аппроксимированные значений мгновенных угловых скоростей позволила также по максимальным амплитудам ее колебаний на участках, соответствующих тактам расширения в конкретных цилиндрах, судить о степени износа кулачков распределительного вала.

В данном алгоритме рассмотрен наиболее благоприятный результат первичного отбора значений мгновенных угловых скоростей по углу поворота коленчатого вала. Опыт диагностирования ДВС показывает, что при измерениях мгновенных значений угловой скорости из-заряда случайных причин, в том числе вызванных отклонениями рабочих процессов в цилиндрах ДВС от цикла к циклу, могут происходить единичные «ложные выбросы» значений угловой скорости, которые искажают действительную зависимость ее изменения по углу поворота ф коленчатого вала.

Выывление и исключение из дальнейшей обработки значений «ложных выбросов» осуществляетсяследующим образом.

В полученном массиве данных последовательно определяют разность между каждыми соседними значениями мгновенной угловой скорости (Дю3, ,•):

Д^3,, =К, -Щ,

Далее вычисляют среднеквадратичное отклонение полученных разностей (Д^3, *):

а =

N' г

Д^з, і - тД«з

і=і

N -1

2

]

1 N

где тАщ . г^АЩ,^ - математическое ожидание; N- количество анализируемых

,' N I=1

разностей.

19

18,6 -1------------------------------------------------------------------

О к 271 (р,рад 4 к

Рис. 4. Диаграммы угловых скоростей ш по углу ф поворота коленчатого вала после обработки исходного массива данных по существующему

алгоритмам

Затем каждая из разностей Ащ,1 сравнивается с величиной трех сигм (Зо). Если

какая-либо разность превышает или равна величине Зо, то вычитаемое в рассматриваемой разности (1+1) значение исключается из дальнейшего рассмотрения. Оно не учитывается и в

определении следующей разности Ащ, |+1, которая вычисляется между 1-м и (1+2) значением

(Ащ, 1+1 = щ 1 — щ 1+2) и также сравнивается с величиной Зо.

После проверки всего массива на случайные выбросы осуществляется основной этап предлагаемого алгоритма обработки данных с определением диагностических параметров технического состояния МГР ДВС (показатели максимальных амплитуд угловой скорости и фазовых положений её экстремумов).

По результатам исследования можно сделать выводы:

— высокая точность полученных аппроксимированных значений мгновенных угловых скоростей с абсолютной погрешностью не более 0,01 рад/с позволяет определить фазовые положения ее экстремумов по углу поворота коленчатого вала с точностью до ±1,5°, что считается удовлетворительным результатом для оценки технического состояния фаз газораспределения МГР и кулачков распределительного вала;

— комплексная реализация предложенного метода диагностирования МГР ДВС и алгоритма снижения погрешности аппроксимации зависимости внутрицикловых значений угловой скорости требует заводской установки датчиков угловых перемещений коленчатого вала с высокой разрешающей способностью (1 1,5° по углу его поворота).

ЛИТЕРАТУРА

1. Лукин А.М., Хавкин В.И., Яровой В.К. Алгоритмические особенности автоматизации измерения степени идентичности последовательных циклов и устойчивости работы ДВС по неравномерности вращения коленчатого вала // Двигателестроение. 1984. №

4. С. 24-26.

2. Гребенников А.С. Диагностирование автотракторных двигателей динамическим методом. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2002. 196 с.

3. Пат. № 2386941, РФ, МКИ О 01 М 15/04. Способ определения составляющих мощности механических потерь ДВС / А.С. Гребенников, С. А. Гребенников, М.Г. Петров, В.В. Фокин, А.В. Косарева // Б. И. 2010. № 11.

4. Трюбер С.С. Диагностика мощных дизельных двигателей по неравномерности частоты вращения // Вестник СГТУ. 2007. №4. С. 54-71.

5. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971. 366 с.

Гребенников Сергей Александрович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и двигатели» Саратовского государственного технического университета

Петров Максим Г еннадьевич -

аспирант кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Grebennikov Sergey Aleksandrovich -

Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «Cars and Engines» of Saratov State Technical University

Petrov Maksim Gennadievich -

Post-graduate Student of the Department of «Cars and Automobile Facilities» of Saratov State Technical University

Гребенников Александр Сергеевич -

доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета

Grebennikov Aleksandr Sergeevich -

Doctor of Technical Sciences,

Professor of the Department of «Cars and Automobile Facilities» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 03.05.2011, принята к опубликованию 10.05.2011