Inovativna avtomobilska tehnologija IAT '05, Bled, 21.-22. april 2005 DOLOITEV TORZIJSKIH NIHANJ ROINE GREDI DIZELSKEGA MOTORJA Gorazd Bombek, Aleksander Milainovi, Ale Hribernik, Ivan Filipovi Kljune besede: Torzijsko nihanje,motor z notranjim zgorevanjem, roina gred Povzetek Roina gred dizelskega motorja za pogon avtobusov je zelo masivna in zaradi svoje oblike zahtevna za izraune in modeliranje. V lanku predstavljamo idejo in izvedbo meritev torzijskih nihanj roine gredi z minimalnimiposegivmotor.Meritvesmoizvedliznamenomvalidacijenumerinegamodela,kiga razvijajo za napovedovanje torzijskih nihanj roine gredi. Uporabili smo klasini 360 stopinjski enkoder inznatannostjo do10-7sekundeizmeriliasovneintervalemedposameznimiimpulzi.Pravtakosmo izmerilitlakvzgorevalnemprostoru(vzpodbuda).Uporabilismovefunkcijskokarticozazajemanje podatkov in hkrati zajemali analogne signale in doloali periodo med digitalnimi pulzi. Izvedena bo tudi primerjava med rezultati eksperimenta in numerinega modela. 1Uvod Razvojmotorjevznotranjimzgorevanjemjezelohiterindrag.Kotsredstvozapospeitev razvojainzmanjanjestrokovsevednopogostejeuporabljajonumerinesimulacije posameznihsklopov.Zaradikompleksnostigeometrijinprocesovvmotorjuznotranjim zgorevanjemjepotrebnoizvestivrstoeksperimentovzavalidacijonumerinihmodelov.V priujoemlankujeprikazaneksperimentinpostopekmerjenjatorzijskihdeformacijroine grediinobdelavarezultatov.MeritvesmoizvedlinaFakultetizastrojnitvovMariboru, obdelavo rezultatov pa na Mainskem fakultetu Banjaluka.2Postavitev eksperimenta Meritvesmoizvajalinatirivaljnemtiritaktnemturbodizelskemmotorju.Zanimalesonas torzijskedeformacijeroinegredimotorjainvzpodbuda,kijihpovzroa.Zatanamensmo merilitrenutnovrtilnofrekvencoroinegredi(spomojodajalcas360impulzinavrtljaj motorja)intlakvprvemvaljumotorja.Merjenjetlakavvaljumotorjanepovzroaposebnih teavingavlaboratorijuizvajamorutinsko.Vejateavajemerjenjetrenutnevrtilne frekvence. Meritve smo izvajali na obmoju med 1000 in 2200 vrtljaji motorja s korakom po 50 min-1.Primaksimalnivrtilnifrekvencimotorjapriakujemotorej13200impulzovnasekundo (zmnoek vrtilnefrekvence in tevilaimpulzov navrtljaj).Vprimeru,dazajemamo signalkot analogensignalinganaknadnoobdelamo,lahkopridedoznatnihnapakzaradifrekvence analogno-digitalnepretvorbe.eelimo,dajenapakavdoloanjutrenutnevrtilnefrekvence motorjamanjakot1%moramovsakimpulzpopisatiznajmanj100tokami,karpomeni potrebopofrekvencizajemanjaokoli1,3MHz.Tafrekvencasicereustrezamaksimalni frekvencianalognodigitalnepretvorbevefunkcijskekarticerazredaEpodjetjaNational Instruments,kijoimamonafakultetiinznaazavefunkcijskokartico6070E1,25MHz. Teavajevtem,daelimoistoasnozajetiesignaltlakavvaljumotorja,karpodvojieleno maksimalnofrekvencozajemanja.Dodatneteavelahkonastopijopriproilnemsignalu (triger).Zatosmoseodloilizadrugaenpristop.Odloilismose,dabomokotanalogne signale zajeli signale za poloaj zgornjemrtve lege, signal s 360 zarezamizamerjene trenutne vrtilnefrekvencemotorjainsignaltlakavvalju,hkratipatudisignalzamerjenjetrenutne vrtilne frekvence kot digitalni signal. Prednost omenjene zasnove je v dejstvu, da je zajemanje digitalnihsignalovvezanonasistemskourovefunkcijskekartice,kijevprimerukartice razredaE20MHz.Takolahkosignalpopiemobistvenoboljnatannokotzanalognim signalom.Prednostizajemanjadigitalnegasignalasotudi,dajeobustreznikonfiguraciji digitalnegavhodnegakanalarezultatedolina(as)trajanjaenegaimpulzainnipotrebna naknadnaobdelavasignala.Slabostipaso,dajepotrebnoprogramnapisatitako,daobe zajemanji potekata istoasno, ugotovitije potrebno tudimorebiti asovni zamik med zaetkom enegainzaetkomdrugegazajemanja.Dodatnoteavopalahkopovzroidelovanjedajalca pravokotnihsignalov,sajvasihpridedomotenj,kilahkopokvarijorezultat.Motnjeso posledicanihanjanapetostipriprehoduizstanjaDA(5V)vstanjeNE(0V).Frekvenca nihanja, ki v tem primeru nastopi je nekaj MHz in e se pojavi blizu mejne vrednosti napetosti lahkopridedotega,daraunalnikzaznaperiodo,kijebistvenokrajakotjolahkoobdelain javi napako. V tem primeru je meritev potrebno ponoviti.Meritve smo izvajali v razlinih delovnih tokah, in to v dveh serijah. V prvi seriji smo imeli na motorju nameen duilec torzijskih vibracij, v drugem primeru pa smo ga sneli.3Postopek meritev ZamerjenjesmouporabilivefunkcijskokarticoPXI-6070E,kijebilanameenav industrijskemohijuPXI.ZazajemanjesmouporabiliprogramLabVIEW7.0ingonilnik DAQmx,kiimadoloeneizboljavenapramprejnjiverzijiDAQ6.9ravnogledehkratnosti opravljanja ve funkcij. Vefunkcijska kartica PXI-6070E ima 1 analogno-digitalni pretvornik z maksimalnofrekvencozajemanja1,25Mhz,20MHzsistemskourointriDMAkanaleki skrbijozaprenospodatkovmedvefunkcijskokarticoinraunalnikimspominominne zahtevajoposredovanjaprocesorja.Takojeprenospodatkovlahkobistvenohitreji.Izvajanje meritev s pomojo interuptov kot mehanizma za prenos podatkov je mogoe, vendar se zmanja koliina podatkov, ki jo e lahko prenesemo tako glede frekvence zajemanja kot koliine zajetih podatkov.NatemmestubiseradizahvalilitudinaimkolegomizlaboratorijaLarkon,kiso namposodiliomenjenovefunkcijskokartico,skaterosmolahkoposnelibistvenove podatkov kot z nao, ki ima samo en DMA kanal.Vvsakimerilnitokismozajelipodatkeonekajvrtljajihmotorja(priblino20vrtljajev,kar ustreza10ciklusomvvalju).Tlakvvaljusmomerilivprvemvalju(privztrajniku),vrtilno frekvenco pa pri 4 valju. Analogne signale smo zajemali s frekvenco 303030 Hz, digitalne pa s frekvenco 20 MHz. Motorskazavorajedelovalavreimun=konstanta,dasmozagotovilikarnajboljenakomerno delovanje motorja.4Rezultati meritev Delzajetihsignalov jeprikazannasl1.invsebujepodatkezajetepri vrtilni frekvencimotorja 1450min-1innavoru776Nm,karustrezatokimaksimalneganavora.Vidisevisokagostota podatkov, kijeposledicavisokefrekvence zajemanjapodatkov.Signal za zgornjomrtvo lego-ZMLjenekolikonijeamplitudekotsignalskulises360zarezamiZML360,hkratipatudi nekoliko bolj onesnaen s umi. To je posledica razline ozemljitve signala. e sta oba signala enako ozemljena, lahkopride domotenj oziroma do vplivanja signala za ZML na signals 360 zarezami.Kersignals360impulzinavrtljajzajemamotudidigitalno,morabitisignalkar najboljpodobenidealnemupravokotnemusignalu.Znamenom,daizpolnimotezahteve,smo se sprijaznili z motnjami na signalu za ZML, ki ne vplivajo na izvedljivost meritve. -101234561 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501 5001merilna tokasignal(V)ZML360ZML1Pi Slika 1: Izsek signalov Podatke, del katerih je prikazan na sl. 1 smo obdelali. Doloili smo poloaj ZML na delu cikla, kjerjeizmenjavadelovnesnovi.Signalezatlakvvaljuinsignals360impulzinavrtljajsmo razdelilinaintavalemedZMLpriizmenjavidelovnesnovi.Natemintervalusmodoloili dolinovsakeperiodesignalas360zarezamiinjihosrednili.Takosmoizraunalipovpreno dolino enega impulza preko desetih ciklusov (720 st.). Obdelani rezultati so prikazani na sl.2. 113113,5114114,5115115,5116116,5117117,51180 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720stopinje RGtrajanje impulza (s)-10123456signal(V)deltaTanalogdeltaTdigitalPind Slika 2: Obdelani signali Kotjeprikazanonasl.2,jeloljivostsignaladobljenegazdigitalnimzajemanjembistveno boljakotloljivostsignaladobljenegazanalognimzajemanjem.evednopaobstajapotreba poanalognemzajemanjusignalovsajpotrebujemopodatkeovzpodbudi(tlakuvvalju)ino ZML. Digitalno zajemanje signalov ne omogoa uporabe proilnega signala, tako da je hkratni zajemanjeanalognihindigitalnihsignalovnajboljamonost,dapridobimoustrezne eksperimentalne rezultate.5Obdelava rezultatov Gibanjeroinegredijepovzroenozzunanjimivzbujevalnimisilami(silaplinovv zgorevalnemprostoruinvztrajnostnesile)innotranjimisilamikisopoledicaelastinih deformacijinduenja.Vustaljenihreimihdelovanjamotorja,sovzbujevalnesileinkotna hitrost roine gredi periodine funkcije in se lahko predstavijo s Fourierovo vrsto.Nainspremembevrtilnehitrostiroinegredikotizstopnegaparametramotorjaznotranjim zgorevanjem,jeodvisenodtlakavzgorevalnemprostoru,roinegamehanizmainzakona spremembeobremenitve.Zaraditakokompleksnihvplivnihparametrovlahkospremljanje spremembe kotne hitrosti roine gredi nudi informacije o mnogih znailnosti motorja.Harmonina analiza trenutne kotne hitrosti je primerna za doloanje neenakomernosti delovanja posameznihcilindrovpristacionarnihreimih,kadarsevzroki,kiimajozaposledico spremembokotnehitrostilahkoobravnavajokotperiodinafunkcijaasa(poloajaroine gredi). V tem primeru se lahko dinamini model roine gredi zapie s sistemom diferencialnih enab,kivprimeru,dajenatannodoloenekvivalentnidinaminisistem,omogoadobro ujemanje med izmerjeno in izraunamo kotno hitrostjo.Ekvivalentnisistemkoncentriranihmasvoblikidiskovzustreznimidiferencialnimienabami gibanjazavsakomasodobroopisujedejanskidinaminisistemroinegredi.Odvisnostmed tlakomvposameznemvaljuinkotnohitrostjoroinegrediselahkopravtakodoloina ekvivalentnem sistemu z diski enakega vztrajnostnega momenta [1,2,3,4,6]. Vprimeruustaljenegareima,selahkozakonspremembevztrajnostnihsilobravnavaza enakegamedvsemivaljistorazliko,dapridedofaznegazamika.Vzbujevalnasilakot posledica tlaka vvalju jelahko razlina med posameznimi valji. V primeruustaljenega reima seobiajnopredpostavi,dajezakonspremembetlakavenemvaljuenakzavsevaljeinvse cikle. Obiajno se uporabi prvih 24 harmonikov Fourierove vrste za tlak v valju. Kot je bilo e predstavljeno smo zamerjenje trenutne hitrosti uporabili inkrementalni dajalec s 360-imiimpulzinavrtljaj.Sterminomtrenutnakotnahitrostrazumemosrednjokotnohitrost meddvemaimpulzoma.Kerjeintervalmajhen,(1roinegredi)lahkouporabimotermin trenutna. Trenutna kotna hitrost je enaka razmerju delitve med impulzi in asu trajanja impulza. t=(5.1) Trenutno kotno hitrost je mogoe zapisati v obliki Fourierove vrste 0 001( cos sin )2 2j jjj t j ta b == + +(5.2) kjersoajinbjkeficientiFourierovevrste.Zintegriranjemtrenutnekotnehitrostidobimokot rotacije prostega kraja roine gredi =+ + =10 02sin22cos2j ojojot jjat jjbt (5.3) V spremenljivem delu kota rotacije roine gredi enabe je vsebovana neenakomernost rotacije roine gredi in torzijska nihanja: =+ =10 02sin22cos2j ojojt jjat jjb(5.4) Samoglavnirediharmonikovimajoistofazozavsevalje,takodasenjihoveamplitudelahko algabrajino setejejo. e je red harmonika celotevilni mnoitelj tevila valjev, so vsi vektorji v faznem diagramu kolinearni. Ti harmoniki so dominantni in se imenujejo glavni harmoniki. V delovnemobmojumotorjasoharmonikinijihredovvzbujevalnesilemnogonijeodlastne frekvenceroinegrediintiharmonikinevplivajonadeformacijogredi[3].Tipienfazni diagram za prve tiri harmonike vzbujevalne sile za tirivaljni motor je prikazan na l. 3. Slika 3: Smer delovanje posameznih harmonikov vzpodbude Amplitude glavnih harmonikov 4 in 8 reda glede na vrtilno hitrost motorja so prikazane na sl. 4. Izvedena je tudi primerjava za primer z uporabo duilca torzijskih vibracij-DTV in brez njega. 00,20,40,60,811,21,41,61000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100vrt.frekv. motamplituda (st)4 red brez DTV8 red brez DTV4 red z DTV8 red z DTV Slika 4: Analiza 4-ih in 8-ih harmonikov Nasl.4jeprikazano,dasetorzijskeoscilacije4-ihin8-harmonikovzmanjujejozveanjem vrtilnefrekvencemotorja.Manjaanomalijanadesnistranigrafikonajeposledicaminimlne obremenitvemotorskezavoreinnekolikoboljnestabilnegadelovanjamotorja.Glavni harmonikinijihredovvveiniprimerovdoloajoneenakomernostvrtilnefrekvencemotorja, viji glavni harmoniki pa doloajo torzijska nihanja. Na sl. 5 so prikazane amplitude harmonikov 16, 20 in 24 reda brez uporabe DTV, na sl. 6 pa z uporabo DTV. 00,020,040,060,080,10,120,140,160,180,21000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200vrt. frekv. motamplituda(st)16 red20 red24 red Slika 5: Amplitude harmonikov 16, 20 in 24 reda brez DTV 00,010,020,030,040,050,060,070,081000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200vrt. frekv. motamplituda (st)16 red20 red24 red Slika 6: Amplitude harmonikov 16, 20 in 24 reda z DTV Izsl.5insl.6lahkozakljuimo,daduilectorzijskihvibracijzmanjujeamplitudevibracij, hkratipamaksimalnevrednostipomakneprotinijimvrtilnimfrekvencammotorja,karje mogoevidetitudinasl.7,kjersoprikazaneamplitudeharmonika16redazinbrezuporabe DTV.Vidise,daDTVmonozniaamplitudotorzijskihnihanjvobmojuvijihvrtilnih frekvenc, jo pa nekoliko dvigne v obmoju med 1450 in 1650 min-1. 00,020,040,060,080,10,120,140,160,180,21000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200vrt. frekv. motamplituda(st)16 red brez DTV16 red z DTV Slika 7: Primerjava amplitud z in brez uporabe DTV Na sl.8jeprikazanaharmonina sintezakota zasuka z upotevanjem komponent do64 redav odvisnosti od poloaja roine gredi in to za primer z DTV in brez DTV.-0,8-0,6-0,4-0,200,20,40,60,811,20 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720kot RG(st)zasuk(st)brez DTVz DTV Slika 8: Kot zasuka v odvisnosti od poloaja roine gredi Nasl.8jeprikazano,daDTVgladikrivuljozasukaroinegredipredvsemgledenavije harmonike pri emer amplitude nijih harmonikov ostajajo iste. 6Zakljuki Vprispevkujepredstavljennain,kakozminimalnoopremoizmerititakokompleksenpojav kotsotorzijskanihanjaroinegredi.Vefunkcijskekarticedanesvlaboratorijihnisove redkost,redkopaseuporabljajozazajemanjedvehrazlinihtipovsignalahkrati.Zrazvojem vefunkcijskih kartic pa se bo njihova uporabnost e poveala, e zdaj pa omogoajo meritve, ki so bile do nedavnega mogoe samo z namenskimi sistem, ki pa so bistveno draji. 7Literatura 1.TarazaD.,HeneinN.A.,BryzikW.:DeterminationoftheGas-PressuretorqueofaMulticylinder EnginefromMeasurementsoftheCrankshaftsSpeedVariation.SAEPaper980164and1998SAE Transactions, Vol. 107, Journal of Engines, pp.294-302. 2.TarazaD.,HeneinN.A.,BryzikW.:DieselEngineDiagnosisBasedonAnlysisoftheCrankshafts Speed Variation. SAE Paper 982540 and 1998 SAE Transactions, Vol. 107, Journal of Engines, pp.2183-2195. 3. Taraza D.: Quantifying Relationships Between the Crankshafts Speed Variation and the Gas Pressure Torque, SAE Paper 2001-01-1007 4.HafnerK.E.,MaassH.:TorsionsschwingungeninderVerbrennungskraftmaschine.SpringerVerlag, Wien, New-York, 1985. 5.Filipovi I.,Jankov R.: Modern Approach to Measurement and Analysis of the IC Engines Parameters, Symp. Retracing the Puch Track , Ptuj 2001, Slovenija, (str. 126-132)6.Williams,J.:AnOverviewofMisfiringCylinderEngineDiagnostic TechniquesBasedonCrankshaft Angular Velocity Measurements, SAE Paper No. 960039. mag. Gorazd Bombek, univ. dipl. in. str. Fakulteta za strojnitvo Maribor Mr Aleksandar Milainovi, dipl. ing. ma., Mainski fakultet Banjaluka izr. prof. dr. Ale Hribernik, univ. dipl. in. str. Fakulteta za strojnitvo Maribor Prof. dr Ivan Filipovi, dipl. ing. ma., Mainski fakultet Sarajevo