Влияние индикаторного канала дизеля на результаты его индицирования

⇐ ПредыдущаяСтр 30 из 33Следующая ⇒

Оценка и снижение погрешностей обработки сигналов особо актуальна в сложных судовых информационных системах, в частности – диагностического назначения, где измерения должны выполняться возможно более точно.

Зачастую погрешности "заложены" в самом методе применения электронного средства измерения, то есть носят методический характер. Так, например, эксплуатация судовых дизелей во многом базируется на результатах их индицирования. Для этих целей используются как механические индикаторы, так и электронные системы контроля рабочего процесса (СКРП), рассмотренные в разделе 5.6. Последние выпускаются рядом зарубежных фирм (Аутроника и др.), не требуют наличия у двигателя индикаторного привода и, по сравнению с механическими индикаторами, обладают значительно большими возможностями.

Однако существует общая проблема, связанная с их применением, - влияние динамических параметров индикаторного канала на результаты индицирования двигателя.

Во время индицирования механический индикатор или датчик давления СКРП устанавливается на индикаторный кран цилиндра. Давление газов в цилиндре Р_цил передается к датчику давления по индикаторному каналу, схема которого приведена на рис. 6.5. В него входят газовый канал диаметром d _гк и длиной l _гк, и газовая полость длиной l _гп и диаметром d _гп. Длина газового канала может достигать нескольких десятков сантиметров.

При медленных изменениях давление Р_вых, воспринимаемое датчиком, равно давлению Р_цил. Однако в динамике, при относительно большой скорости изменения давления в цилиндре давление, воспринимаемое датчиком Р_вых существенно отличается от давления в цилиндре Р_цил, что может серьезно исказить результаты индицирования. Это отличие следует рассматривать как погрешность.

Схема индикаторного канала дизеля

Рис. 6.5

Индикаторный канал является колебательным динамическим звеном. Если скачкообразно изменить Р_цил, то в нем возникнет переходный процесс – затухающие колебания (рис. 6.6), по завершении которого Р_вых=Р_цил . Этот процесс описывается дифференциальным уравнением:

где Q – добротность индикаторного канала;

- период собственных колебаний канала,

здесь f _с – собственная частота индикаторного канала.

Добротность Q характеризует скорость затухания колебаний. Чем она выше, тем медленнее затухают колебания и тем больше их амплитуда. Она зависит от многих, трудно поддающихся учету факторов – от конфигурации канала, изменения его сечения по длине, степени загрязнения канала и т.д. При Q <1 колебания практически отсутствуют, однако для индикаторных каналов двигателей значения Q существенно больше единицы.

Колебательный процесс в индикаторном канале

Рис. 6.6

Собственная частота канала может быть определена по формуле:

где: - объем газовой полости;

- сечение газового канала;

с – скорость звука в газе, заполняющем канал.

Если объем газовой полости мал, о чем можно судить по выполнению соотношения , последнее выражение приводится к более простому виду: .

Скорость звука зависит от состояния газа и может быть определена по известной формуле:

где: g =1,4 – показатель адиабаты;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура газа;

М – молекулярный вес газа, для воздуха М=29.

Резкое изменение Р_цил, вызывающее колебательный процесс в канале, имеет место в начале сгорания топлива в цилиндре, то есть – в конце процесса сжатия воздуха. Температуру воздуха в этой точке можно определить по известной формуле:

где: Т_а – температура воздуха в начале сжатия;

e - степень сжатия.

Так, если при e =9,76, Т_а=313К, М=29, R=8314 Дж/моль×град, то скорость звука в воздухе в конце сжатия составит с=559 м/с.

Из формул следует, что собственная частота канала зависит от параметров газа, а те, в свою очередь – от режима работы двигателя. С увеличением нагрузки двигателя растет давление и температура газа и, как следствие, возрастает собственная частота канала.

Для оценки влияния индикаторного канала была разработана моделирующая программа для ЭВМ, состоящая из трех модулей. В первом из них моделируется процесс изменения давления в цилиндре Р_цил в функции угла поворота коленчатого вала (ПКВ) двигателя. При моделировании возможно изменение частоты вращения двигателя (n), топливоподачи – изменением условного индекса топливных насосов (ИТН) в диапазоне 0 … 1, степени сжатия и других параметров двигателя.

Рассчитываемый в функции угла ПКВ процесс Р_цил подается во второй модуль, моделирующий индикаторный канал в соответствии с приводимыми выше формулами, и рассчитывающий процесс Р_вых.

В третьем модуле по процессам Р_цил и Р_вых рассчитываются показатели рабочего процесса, обычно определяемые в СКРП: среднее индикаторное давление Р _mi; максимальное давление Р _max, угол ПКВ, на котором действует Р _max (a _р_max), максимальная скорость нарастания давления и ряд других.

На рис. 6.7 в качестве примера представлены результаты моделирования процессов Р_цил и Р_вых для двигателя с n =214 об/мин при разной топливоподаче.

Индикаторный канал имел параметры, взятые по конкретному двигателю: l _гк =0,4 м; d _гк =0,004 м; l _гп =0,002 м; d _гп =0,02 м. Добротность принята Q =10. При с=559 м/с собственная частота канала f _с =310 Гц.

Рассчитанные по процессам рис. 6.7 показатели приведены в табл. 1.

Из рис. 6.7 видно, что отличие процесса в цилиндре Р_цил (кривая 1) от процесса на выходе газового канала (кривая 2) состоит в появлении колебаний Р_вых на участке нарастания давления. Судовым механикам хорошо известна характерная "ступенька" на индикаторных диаграммах малооборотных дизелей, имеющаяся в начале нарастания давления. Фактически это не что иное, как первое колебание давления в канале, которое имеет наибольшую амплитуду и поэтому наиболее заметно (кривая 2). Амплитуды последующих колебаний снижаются и на фоне резкого роста давления в цилиндре они практически незаметны.

Результаты моделирования индикаторного процесса двигателя

с n=214 об/мин

1 - Р_цил при ИТН=1,0; 2 - Р_вых при ИТН=1,0; 3 - Р_цил при ИТН=0,6;

4 - Р_вых при ИТН=0,6;

5 - Р_цил при ИТН=0;

6 - Р_вых при ИТН=0.

Рис. 6.7

Таблица 1

Показатели рабочего процесса двигателя с n=214 об/мин

ИТН	0		0,6		1,0
Процесс	Р_цил	Р_вых	Р_цил	Р_вых	Р_цил	Р_вых
P_mi, МПа	10^-7	0,7×10^-3	0,54	0,54	1,34	1,34
P_max, МПа	3,17	3,17	4,58	4,60	7,45	7,48

При снижении нагрузки двигателя (кривые 3, 4) колебательность возрастает. Это объясняется снижением частоты канала f_c.

В отсутствие топливоподачи, когда нет резкого нарастания давления, процессы в цилиндре и в индикаторном канале практически совпадают (кривые 5, 6).

Характер представленных на рис. 6.7 диаграмм неоднократно подтверждался результатами индицирования реальных судовых дизелей. Причем, значения собственной частоты канала f _с, найденные путем обработки реальных индикаторных диаграмм и рассчитанные по вышеприводимым формулам совпадали с погрешностью не более ± 5%.

Из данных табл. 1 следует, что показатели рабочего процесса P_mi, P_max, определенные по процессу P _вых практически полностью совпадают с истинными, рассчитанными по процессу P _цил.

Таким образом, индикаторный канал практически не оказывает влияния на результаты индицирования данного двигателя с n =214 1/мин.

На рис. 6.8 представлены результаты моделирования того же дизеля, но при n =1000 1/мин, разных топливоподачах и добротности индикаторного канала.

Результаты моделирования индикаторного процесса двигателя с n=1000 об/мин

1 – P _цил при ИТН=1,0; 2 – P _вых при ИТН=1,0 и Q =10; 3 – P _вых при ИТН=1,0 и Q =2;

4 – P _цил при ИТН=0,6; 5 - P _вых при ИТН=0,6 и Q =10; 6 - P _вых при ИТН=0,6 и Q =2;

7 – P _вых при ИТН=0,6 и Q =0,7 ; 8 - P _цил при Q =0,7 и ИТН=0; 9 – P _вых при Q =0,7 и ИТН=0.

Рис. 6.8

Рассчитанные по представленным на рис. 6.8 процессам показатели приведены в табл. 2.

Таблица 2

Показатели рабочего процесса двигателя с n=1000 об/мин

ИТН

0,6

1,0

Процесс

Р_цил

Р_вых

Р_цил

Р_вых

Р_цил

Р_вых

–

0,7

–

0,7

–

P_mi, МПа

0,13

0,54

0,68

0,67

1,34

1,45

P_max, МПа

3,2

4,58

5,24

4,9

4,34

7,45

7,57

7,46

Из рис. 4 и табл. 2 следует, что колебания, возникающие в индикаторном канале значительно искажают сигнал, вносят большую погрешность в определение показателей рабочего процесса. Сильное влияние на характер процесса оказывает добротность канала Q. Оценки рабочего процесса, получаемые по сигналу Р_вых на этапе сгорания топлива (Р _max, a _Pmax, и т.д.) нельзя считать достоверными.

Вместе с тем, возможность получения достоверного значения Р _mi сохраняется. Колебательный процесс в канале имеет место, когда поршень находится в зоне верхней мертвой точки. При этом изменение объема газа незначительно, вследствие чего и работа, совершаемая им в этой зоне вносит малый вклад в общую работу за полный цикл двигателя. Кроме того, вычисление Р _mi является процессом интегрирования сигнала Р_вых за время цикла. Сигнал Р_вых можно рассматривать как сумму Р_цил и процесса затухающих колебаний. Можно показать, что интеграл от второй составляющей в пределе стремится к нулю, что и объясняет слабое влияние колебаний на Р _mi. Это подтверждается результатами, приводимыми в табл. 2. Так, изменение добротности канала Q в диапазоне 0,7¸10 существенно изменяет вид процесса Р_вых (кривые 5, 6, 7 и 2,3), но на численное значение Р _mi практически не влияет.

На оценку Р _mi индикаторный канал влияет как элемент, вызывающий запаздывание процесса Р_вых относительно Р_цил. Это хорошо видно из рис. 6.8 – процесс Р_вых (кривая 9) смещен относительно Р_цил (кривая 8). Время запаздывания и соответствующий ему угол ПКВ однозначно связаны с f _с – чем выше f _с, тем меньше запаздывание. Вследствие запаздывания, при отключенной топливоподаче, когда теоретически Р _mi =0, полученное по Р_вых значение Р _mi не является нулевым (табл. 2, Р _mi =0,13 Мпа). Его следует рассматривать как систематическую ошибку, что подтверждается данными табл. 2. Так, при изменении ИТН в диапазоне 0 … 1,0 значения Р _mi, рассчитанные по процессу Р_вых, отличаются от истинных, найденных по Р_цил, примерно на одинаковую величину – (0,12 … 0,14) МПа. В СКРП эта ошибка автоматически устраняется при настройке. Настройка СКРП выполняется при ИТН=0, на фиксированной частоте вращения. При этом в СКРП поступает процесс Р_вых, уже смещенный относительно Р_цил. Для этого процесса СКРП принимает Р _mi =0, что и устраняет ошибку при определении Р _mi на режимах с ИТН>0.

Приводимые выше результаты иллюстрируют влияние индикаторного канала на качественном уровне, применительно к двум частным случаям. В эксплуатации же важно оценить целесообразность применения средств индицирования для конкретного двигателя.

Процесс изменения давления в цилиндре Р_цил может быть разложен в ряд Фурье и представлен в виде суммы гармоник (синусоид), являющейся его спектром. Примерный вид спектра процесса Р_цил показан на рис. 6.9, где обозначено:

f ₁ – частота первой гармоники спектра, равная частоте вращения двигателя;

f ₂ =2 f ₁, f ₃ =3 f ₁ … - частоты второй, третьей и т.д. гармоник;

s₁, s₂, s₃ … - амплитуды гармоник;

s ₀ – величина постоянной составляющей сигнала.

Спектральные характеристики процессов Р_цил и Р_вых

а) спектральная характеристика процесса Р_цил;

б) амплитудно-частотная характеристика индикаторного канала;

в) спектральная характеристика процесса Р_вых.

Рис. 6.9

С позиции пропускания гармонических сигналов разных частот, индикаторный канал характеризуется амплитудно-частотной характеристикой, представленной на рис. 6.9, б, где к – коэффициент передачи канала. Коэффициент передачи равен 1 при f << f _с, численно равен добротности Q на частоте f _с и резко снижается при f > f _с. После прохождения через канал спектр выходного сигнала s _вых (рис. 6.9, в) будет отличаться от входного – гармоники с частотами превышающими f _с будут ослаблены, а гармоника близкая к f _с – усилена. Это и является причиной искажений индикаторной диаграммы.

Однако спектр сигнала Р_цил является затухающим – с увеличением номера гармоники ее амплитуда быстро уменьшается (рис. 6.9, а). Как показывает обработка реальных диаграмм, амплитуда гармоники f ₂₀ составляет уже не более (0,5 … 1,0 %) от Р _max. Поэтому, чем дальше f _с будет отстоять от f ₁, тем слабее будет искажаться сигнал в канале, поскольку изменяться будут составляющие, вносящие малый вклад в спектр. По данным автора, для практически неискаженной передачи сигнала через индикаторный канал необходимо, чтобы через него без искажений проходило не менее 20 гармоник. При этом f ₂₀ не должна превышать (0,2…0,3) f _с. Ориентируясь на частоту вращения двигателя, это условие можно записать в виде:

f _с > (1,1…1,7) n,

где n – частота вращения двигателя, 1/мин.

Это условие выполняется для приведенных на рис. 6.7 процессов – при n =214 1/мин и f _с =310 Гц получим f _с =1,45 n.

Для процессов, приведенных на рис. 6.8 это условие нарушено – при n =1000 1/мин и f_c =310 Гц получим f _с =0,31 n.

Условие неискаженной передачи сигнала легко проверить для конкретного двигателя, рассчитав f _с по приведенным выше формулам. Если оно выполняется, то средства индицирования могут быть использованы без ограничений на данном двигателе при любом Q.

Если условие неискаженной передачи сигнала существенно нарушено, при этом f _с <(0,2…0,3) n, то применение средств индицирования не имеет смысла.

Если частота канала и частота вращения двигателя находятся в соотношении f_c =(0,3…1,1) n, то средства индицирования могут использоваться частично – для определения Р _mi. Другие оценки процесса (a _Р _max и т.д.) будут содержать либо большие погрешности, либо являться недостоверными. Лишь при достаточно идентичных индикаторных каналах цилиндров двигателя и одинаковой регулировке их топливной аппаратуры, получаемые значения Р _max ("гребенки") можно использовать как показатель относительной неравномерности загрузки цилиндров.

Аналогичное влияние на результаты индицирования оказывают динамические параметры датчика давления СКРП или механического индикатора – оба они являются колебательными системами. Однако частота собственных колебаний датчиков давления, принимаемых в СКРП обычно намного выше собственной частоты индикаторного канала. Поэтому, на фоне влияния индикаторного канала динамические характеристики датчика давления проявляются незначительно. Этого нельзя сказать о механических индикаторах, собственная частота которых сопоставима с частотой индикаторного канала и определяется массой поршенька индикатора и жесткостью его пружины. В эксплуатации пружину индикатора можно менять. Чем жестче пружина, тем выше его собственная частота колебаний и тем меньше будут искажения индикаторной диаграммы. Вместе с тем, размах получаемого изображения индикаторной диаграммы будет меньше, что затруднит ее последующую обработку.

⇐ Предыдущая 24 25 26 27 28 293031 32 33 Следующая ⇒