BR0208467B1

BR0208467B1 - Método e sistema para medir a pressão de cilindro em um motor de combustão

Info

Publication number: BR0208467B1
Application number: BRPI0208467-8A
Authority: BR
Inventors: Glowczewski Manfred Klopotek Von; Grover Zurita Villarroel
Original assignee: Scania Cv Ab
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2014-03-11
Also published as: US6923046B2; JP2004522977A; EP1386130B1; DE60234173D1; SE0101144L; SE520435C2; WO2002084245A1; ATE447166T1; US20040118182A1; BR0208467A; SE0101144D0; EP1386130A1

Description

"MÉTODO E SISTEMA PARA MEDIR A PRESSÃO DE CILINDRO EM UM MOTOR DE COMBUSTÃO" CAMPO TÉCNICO A invenção refere-se parcialmente a um método para determinar a pressão em um cilindro de um motor de combus- tão, e parcialmente em um sistema para determinar a pressão em um cilindro de um motor de combustão.

ESTADO DA TÉCNICA

Em um motor de combustão é possível que a pressão de cilindro seja usada para obter informação importante so- bre o processo de combustão no motor, mas também para deter- minar a condição do motor. A informação sobre a pressão de cilindro pode portanto ser usada para monitorar o motor e detectar qualquer mau funcionamento. A determinação da pressão em um cilindro pode ser feita por meio de um sensor de pressão encaixado, por exem- plo, no cabeçote de cilindro, mas tal método é complicado e também resulta no sensor de pressão operando em um ambiente muito difícil que limita sua vida útil e segurança. Existe dificuldade adicional em organizar espaço apropriado para encaixar tal sensor. Tal solução é somente adequada para uso em laboratório. Existe portanto uma grande necessidade de soluções alternativas mais simples para o problema de deter- minar a pressão de cilindro.

De acordo com outra solução conhecida, um ou mais sensores na forma de acelerômetros situados no motor foram usados para fornecer informação sobre as vibrações causadas pelas mudanças de pressão em um cilindro, seguido por estas vibrações sendo usadas como uma base para tentar representar a configuração de pressão em um cilindro. 0 fato de que os motores são de construção complexa tornou difícil obter re- sultados bons e seguros neste aspecto. A maneira na qual um sinal de pressão original se propaga no motor é complicada e ocasiona ressonâncias, harmônicos e outros fenômenos que causam problemas em interpretar um sinal de vibração. Além do mais, tais fatores como inclinação do pistão, válvulas e cilindros adjacentes podem influenciar o sinal de vibração e torná-lo difícil de interpretar. Vários tipos de filtro fo- ram tentados mas não produziram resultados satisfatórios.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO 0 objetivo da invenção é tornar mais fácil e mais certo que anteriormente obter informação segura sobre a pressão do cilindro em um motor com base na análise de vi- brações do motor. Um objetivo adicional é tornar isto possí- vel por meio simples e pouco dispendioso.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Estes objetivos são alcançados parcialmente por meio de um método cujos aspectos são indicados na reivindi- cação de patente 1 e parcialmente por meio de um método cu- jos aspectos são indicados na reivindicação de patente 9.

Usar filtragem nova e especial na análise de um sinal de vibração torna possível, de acordo com a invenção, analisar com segurança a parte mais interessante de um sinal de vibração, aquela sobre a posição de ponto morto do topo do pistão no cilindro. 0 novo tipo de filtragem torna possí- vel extrair um sinal de vibração estável que, depois da con- versão para sinal de pressão, pode fornecer determinações de pressão seguras usáveis para determinar o estado do motor.

Vantagens e aspectos adicionais da invenção são indicados na descrição seguinte e reivindicações de patente. A invenção é explicada em mais detalhes abaixo com referência a uma modalidade representada nos desenhos ane- xos .

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 representa esquematicamente um motor fornecido com sensores de vibração, a Figura 2 representa um sistema para processar um sinal de um sensor de vibração, e a Figura 3 representa um diagrama de um sinal de vibração e uma função de filtro.

DESCRIÇÃO DE UMA MODALIDADE A Figura 1 representa esquematicamente um motor a diesel de seis cilindros 1 que é fornecido com um volante 2 e um número de sensores de vibração 4 situados no cabeçote de cilindro do motor 3, um deles para cada um dos cilindros do motor. 0 propósito destes sensores de vibração 4, que são vantajosamente acelerômetros do tipo piezelétrico, é gravar as vibrações causadas pelos pulsos de pressão no cilindro respectivo quando o pistão do cilindro está na vizinhança de sua posição de ponto morto de topo no momento de transição de compressão para expansão quando o combustível inflama no cilindro. Um sensor de posição 5 situado adjacente ao volan- te 2 é usado para determinar qual dos cilindros possui seu pistão em posição de ponto morto de topo e em qual cilindro portanto a gravação se aplica.

Durante a operação, vibrações complicadas que o- correm no motor 1 tornam difíceis interpretar o sinal de vi- bração. A Figura 2 representa um sistema adequado 10, dese- nhada de acordo com a invenção, para processar o sinal de vibração. Um sinal de vibração S obtido de um sensor de vi- bração 4 é colocado através de um filtro 6 desenhado de a- cordo com a invenção. O resultado é um sinal de vibração pe- ado U que é colocado através de um módulo 7 que converte pa- ra um sinal de pressão P que representa a maneira na qual a pressão no cilindro particular varia durante o movimento do pistão em torno da posição de ponto morto de topo. Este si- nal de pressão P é armazenado em um registrador 8 para aná- lise subseqüente. A Figura 3, na qual o eixo horizontal representa o ângulo de eixo de manivela e o eixo vertical esquerdo repre- senta a aceleração medida, mostra como um sinal de vibração S varia em magnitude e freqüência em torno da posição de ponto morto do topo (TDC) do pistão, que é indicada por uma linha vertical em ângulo de eixo de manivela (CA) de valor zero. Esta vibração surge parcialmente da compressão durante o movimento ascendente do pistão e parcialmente dos pulsos de pressão devido à ignição de combustível. O sinal de vi- bração S é somente de interesse aqui durante uma parte limi- tada de cada revolução de eixo de manivela, e o exame deste exemplo é limitado a uma região entre um ângulo de cerca de 60° antes da posição de TDC e um ângulo similar depois que a posição de TDC, fazendo um total de cerca de 120°. Uma região maior ou menor pode é claro ser adotado quando necessário. 0 filtro 6 assim efetua uma assim chamada pesagem do sinal de vibração. A função de pesagem aplicada W2(t) é representada como uma curva W2 na Figura 3, de acordo com o eixo vertical direito. Na região indicada, esta função de pesagem possui três seções diferentes T0 TH e TE, onde as se- ções To e TH juntas são da mesma largura que a seção TE, re- sultando em simetria em torno da posição de TDC. A função de pesagem W2(t) pode ser escrita como se segue: W2(t) = [Zero_Padding, WH(t), WE(t)] (1) Nesta equação, Zero_Padding representa a seção T0, na qual a função W2(t) tem o valor zero. As funções WH(t) e WE(t) podem ser expressas como se segue: WH(t) = 2 sen2(2nt)/TH (2) WE(t) = e-(t+V/T (3) onde 0[t'TH na equação (2), 0[t'TE e to=0 na equação (3) e τ é uma constante de tempo que é proporcional a TE. A seção TH com a função WH(t), constitui uma metade de janela de Hanning, a largura da qual aqui monta a cerca de 10-20%, vantajosamente cerca de 15%, da largura de seção TE, que constitui uma janela exponencial. Estes tipos de filtro e funções de filtro são de tipos padrão bem conheci- dos per se e não são portanto discutidos em mais detalhes neste contexto. Combinar uma metade de janela de Hanning com uma janela exponencial como acima resulta em bom isola- mento do sinal de vibração na região em torno da posição de TDC do pistão, desse modo tornando muito mais fácil estabe- lecer com base em um sinal de vibração uma relação segura com a pressão no cilindro. As proporções entre as várias se- ções T0, TH e TE podem ser variados em alguma extensão dentro do escopo da invenção.

As seções T0 e TH juntas cobrem a parte de compres- são do sinal de vibração, a seção T0 sendo usada para elimi- nar o efeito de cilindros próximos, e a seção TH fornece um bom compromisso entre a resolução de frequência e o vazamen- to reduzido. A seção TE cobre à pressão de combustão e pode minimizar erro de vazamento no caso de sinais fracamente a- mortecidos e pode também aperfeiçoar a relação entre o ruído de sinal e o ruído no caso de sinais fortemente amortecidos. A conversão de sinal de vibração U em sinal de pressão P no módulo 7 exige conhecimento de uma relação en- tre o sinal de vibração e pressão. Tal relação pode ser es- tabelecida determinando, durante a medição de vibração con- tínua, a pressão predominante em um cilindro, que pode ser feito usando, por exemplo, um sensor de pressão encaixado no cabeçote de cilindro para detectar e continuamente gravar a pressão no cilindro. Neste aspecto, verificou-se vantajoso em obter precisão maior colocando o sinal de pressão resul- tante através de um filtro especial em ambos os lados da po- sição de TDC do pistão a fim de reduzir a influência de ou- tros fenômenos. Provou ser vantajoso que tal filtro consiste de duas metades de filtro de Hanning nos lados respectivos de uma seção de filtro resultando em um nível uniforme entre as duas metades de filtros de Hanning. A detecção simultânea de vibrações do cilindro torna possível estabelecer uma re- lação entre as vibrações e a pressão.

Assim se torna possível pela análise de espectro complexo determinar uma função de transferência TF que no módulo 7 pode ser aplicada no sinal de vibração U obtido do filtro 6 a fim de obter um sinal de pressão P. Tal medida de pressão pode ser usada para estabelecer a função de transfe- rência TF para um dado tipo de motor, por exemplo, em várias velocidades e várias cargas, resultando em uma matriz de TF.

Com base em tais medições se torna possível então, usando medições de vibração somente, obter uma base suficiente para a determinação de pressão. 0 filtro 6 descrito pode ser usa- do para obter a variação de TF, conseqüentemente com deter- minação de pressão mais segura e mais definida.

Outra possibilidade com base nas medições de pres- são e medições de vibração descritas acima é realizar múlti- plas análises de dados variadas (MVDA) e portanto estabele- cer relações entre sinais de vibração e sinais de pressão para um tipo de motor particular, por exemplo, em várias ve- locidades de motor e várias cargas. Com base no modelo de dados assim obtidos, é então possível no módulo 7 usar um sinal de vibração U em uma situação de operação especificada como um ponto de partida para estabelecer um sinal de pres- são P.

Os experimentos práticos mostraram que é desejável usar pelo menos um sensor de vibração 4 por cilindro. Veri- ficou-se também ser vantajoso, inter alia do ponto de vista de reprodutibilidade, situar estes sensores em parafusos que prendem o cabeçote de cilindro 3 no corpo de motor atual.

Verificou-se que estes parafusos são mais sensíveis a mudan- ças de pressão no cilindro e menos sensível a outras altera- ções. Tal localização de sensor assegura bom acoplamento com vibrações no corpo de motor. É também possível adotar outras localizações de sensor quando desejado ou necessário, como também outros tipos de sensor que aqueles aqui descritos.

Estabelecer e usar, de acordo com a invenção, uma relação entre as vibrações e pressão de cilindro torna fácil determinar por meio de um número de sensores de vibração adequado fixados no motor como a pressão em um cilindro muda com o movimento do pistão. A condição do motor pode assim ser monitorado para permitir que quaisquer defeitos sejam detectados e tratados em um estágio próximo sem inspeção complicada e desmontagem do motor. Bem como os níveis de pressão, é também possível determinar e analisar, por exem- plo, a taxa de mudança de pressão ou a taxa de liberação de calor em um cilindro.

Um método como descrito acima para determinar a pressão em um cilindro pode ser encaixado permanentemente no motor ou partes adjacentes do veículo, vantajosamente junto com o equipamento de avaliação desenhado para este propósi- to, mas é também possível, por exemplo, simplesmente encai- xar sensores de vibração no motor e, onde necessário, conec- tá-los no equipamento de avaliação adequadamente desenhado, por exemplo, no veículo envolvido ou em uma oficina mecâni- ca .

Claims

1. Método para determinar a pressão em um cilindro de um motor de combustão no qual o pistão do cilindro se mo- ve no cilindro, as vibrações no motor são gravadas e um si- nal de vibração obtido é filtrado e convertido em um sinal de pressão que representa a pressão no cilindro, sendo que o sinal de vibração (S) obtido em uma região em torno da posi- ção de ponto morto de topo do pistão, na transição de com- pressão para expansão, é filtrado em um filtro (6), CARACTERIZADO pelo fato de que uma metade de filtro de Han- ning atua no sinal de vibração antes da posição de ponto morto do topo do pistão e um filtro exponencial atua sobre o sinal de vibração depois da posição de ponto morto do topo do pistão, seguido por este sinal de vibração filtrado (U) sendo convertido em um sinal de pressão (P) com base em uma relação entre vibração e pressão.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o filtro exponencial forma uma janela de tempo mais longa (TE) que o filtro de Hanning, resultando no processamento do sinal de vibração sendo mais longo no filtro exponencial que no filtro de Hanning.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a largura da janela de tempo do filtro de Hanning (TH) monta a cerca de 10-20%, vantajo- samente em torno de 15% da largura da janela de tempo do filtro exponencial (TE) .

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que no filtro (6) o sinal de vibração é dado o valor zero antes do filtro de Hanning.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que o filtro (6) resulta na largura da janela de tempo (T0+TH) antes da posi- ção de ponto morto do topo do pistão sendo o mesmo que a largura daquele (TE) depois da posição de ponto morto do to- po do pistão.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 1 a 5, CARACTERIZADO pelo fato de que determinar uma relação entre vibração e pressão envolve filtrar, em torno da posição de ponto morto do topo do pistão, um sinal de pressão que representa a pressão atual em um filtro que compreende duas metades de filtros de Hanning em seus lados respectivos de uma seção de filtro que resulta em um nivel uniforme entre as duas metades de filtros de Hanning antes que uma relação entre o sinal de pressão e o sinal de vibra- ção é estabelecida.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que cada determi- nação de pressão com base em um sinal de vibração (S) envol- ve usar uma função de transferência (TF) que pertence à si- tuação de operação particular.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 1 a 6, CARACTERIZADO pelo fato de que cada determi- nação de pressão com base em um sinal de vibração (S) envol- ve usar uma relação, estabelecida por múltiplas análises va- riadas (MVDA), que pertence à situação de operação particu- lar .

9. Sistema para determinar a pressão em um cilin- dro de um motor de combustão no qual o pistão do cilindro move no cilindro, pelo menos um cilindro está associado com pelo menos um sensor de vibração (4) encaixado no motor para detectar vibrações geradas durante o movimento do pistão, e existe um filtro (6) para filtrar sinais de vibração obti- dos, e um módulo (7) que está disposto depois do filtro e que com base na relação entre a vibração e a pressão conver- te o sinal de vibração filtrado em um sinal de pressão que representa a pressão no cilindro, sendo que o filtro (6) es- tá disposto para atuar no sinal de vibração (S) em uma regi- ão em torno da posição de ponto morto de topo do cilindro, na transição da compressão para expansão, o filtro (6) CARACTERIZADO pelo fato de compreender uma metade de filtro de Hanning para atuar no sinal de vibração antes da posição de ponto morto de topo do pistão e parcialmente um filtro exponencial para atuar no sinal de vibração depois da posi- ção de ponto morto de topo do pistão.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADA pelo fato de que o filtro exponencial forma uma janela de tempo mais longo (TE) que o filtro de Hanning.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADA pelo fato de que a largura da janela de tempo do filtro de Hanning (TH) monta a cerca de 10-20%, vantajo- samente cerca de 15%, da largura da janela de tempo do fil- tro exponencial (TE) .

12. Sistema, de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 9 a 11, CARACTERIZADA pelo fato de que o filtro (6) inclui uma seção (T0) que está disposto, antes que a me- tade de filtro de Hanning e no qual o sinal de vibração (S) é dado o valor zero.

13. Sistema, de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 9 a 12, CARACTERIZADA pelo fato de que a largura da janela de tempo do filtro (6) antes da posição de ponto morto de topo do pistão (T0+TH) é o mesmo que a largura da- quela depois da posição de ponto morto de topo do pistão (TE) ·

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que nos graus de eixo de manive- la, o filtro (6) cobre cerca de 60° em cada lado da posição de ponto morto de topo do pistão.

15. Sistema, de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 9-14, CARACTERIZADA pelo fato de que pelo menos um sensor de vibração (4) é montado em um parafuso que forma parte do motor e que prende o cabeçote de cilindro do motor (3) .