PL222532B1

PL222532B1 - Sposób i układ do diagnozowania układu wtryskowego silników o zapłonie samoczynnym, zwłaszcza silników okrętowych

Info

Publication number: PL222532B1
Application number: PL398743A
Authority: PL
Inventors: Artur Bejger
Original assignee: Akademia Morska W Szczecinie
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2016-08-31
Also published as: EP2647819A1; PL398743A1

Description

(51) Int.Cl.

(21) Num^{er z}gł^oszeni^a: ³9874³ G01M 15/00 (2006.01)

F02M 65/00 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 05.04.2012

Sposób i układ do diagnozowania układu wtryskowego silników o zapłonie samoczynnym, zwłaszcza silników okrętowych (43) Zgłoszenie ogłoszono:

14.10.2013 BUP 21/13 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.08.2016 WUP 08/16 (73) Uprawniony z patentu:

DIACOUSTIC SYSTEMS SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Szczecin, PL (72) Twórca(y) wynalazku:

ARTUR BEJGER, Szczecin, PL

PL 222 532 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest bezinwazyjny sposób diagnozowania układów wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym, zwłaszcza silników okrętowych.

Stosowany obecnie w świecie, szczególnie w silnikach okrętowych, sposób diagnozowania układu wtryskowego silników o zapłonie samoczynnym polega głównie na analizie przebiegu zmian ciśnień zachodzących w układzie wtryskowym. Największą wadą tego sposobu diagnozowania jest ingerencja w układ wtryskowy, która np. w przypadku niektórych silników okrętowych jest niedopuszczalna przez Towarzystwa Klasyfikacyjne. Istniały również próby wykorzystania wzniosu iglicy wtryskiwacza bądź tzw. klipsów-opasek piezoelektrycznych zakładanych na przewód wtryskowy wysokociśnieniowy. Dawało to jednak jedynie przybliżoną diagnozę elementów układu wtryskowego.

Z polskiego opisu patentowego PL 199 362 znany jest sposób i urządzenie do diagnozowania wtryskiwaczy, polegający na analizie przemieszczeń iglicy przez wykonanie obwiedni widma uśrednionego synchronicznie, a następnie określeniu wartości amplitud poszczególnych składowych harmonicznych, będących wielokrotnościami częstotliwości obrotowej silnika. W zależności od wartości amplitud obwiedni składowych widm kwalifikuje się do jednego ze stanów, w trójklasowej skali oceny stanu technicznego, rozszerzonej dodatkowymi przedziałami tolerancji stanu dopuszczalnego, górnej SZG i dolnej SZD, które stanowią od 3-10% maksymalnego przemieszczenia iglicy. Stosowane dotychczas sposoby diagnozowania wymagają kontroli co najmniej dwóch lub więcej parametrów, w celu dokonania oceny stanu technicznego wtryskiwacza oraz wymagają ingerencji w układ wtryskowy.

Celem wynalazku jest opracowanie prostego bezinwazyjnego sposobu i układu do diagnozowania układów wtryskowych paliwa w pracujących podczas normalnej eksploatacji, silników o zapłonie samoczynnym, wyposażonych w klasyczny układ wtryskowy, układ wtryskowy z systemem Co mmon-Rail oraz układy dwupaliwowych silników zasilanych częściowo paliwem ciekłym oraz paliwem gazowym.

Sposób diagnozowania procesu wtrysku paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym według w ynalazku charakteryzuje się tym, że bez ingerencji w układ wtryskowy, w bliskim sąsiedztwie wtryskiwacza, dokonuje się pomiaru impulsów energii sygnału fali sprężystej emisji akustycznej, generowanej przez układ wtryskowy a następnie sygnał rejestruje się w formie ciągu 50000 próbek cyfrowych, a następnie dokonuje się utworzenia dwukrotnie większej liczby próbek poprzez wstawienie próbek o średniej wartości z próbek najbliższych. Następnie dokonuje się podziału na segmenty po 50 próbek, zwanych oknami czasowymi, o czasie trwania pół milisekundy, i dodanie po 150 próbek zerowych na początku i na końcu każdego segmentu, po czym dodaje się w segmentach funkcję okna Hanninga i dokonuje się w segmentach przekształcenia Furiera w celu znalezienia po 50 prążków widma o szerokości 0,5 kHz. Następnie dokonuje się wykreślenia spektrogramu funkcji czasu i częst otliwości, a tak uzyskaną charakterystykę, poddaje się analizie w określonych pasmach częstotliwości, w których występuje najwyższa energia sygnału.

W pierwszym okresie obróbki sygnału określa się z wykorzystaniem transformaty Fouriera pasma częstotliwości o największej energii sygnału fali sprężystej emisji akustycznej oraz moment czasowy w którym występuje najwyższa energia, kolejnym krokiem jest wyłonienie tej milisekundy podczas całego okresu trwania wtrysku, przy której energia sygnału jest największa i dokonuje analizy zmiany częstotliwości sygnału, której zaburzenia częstotliwości są odzwierciedleniem nieprawidłowej pracy wtryskiwacza.

Mierzony sygnał źródłowy fali sprężystej emisji akustycznej rejestruje się paśmie częstotliwości od 4,5 kHz do 50 kHz.

Analizy spektrogramu, dla klasycznego układu wtryskowego, dokonuje się pasmach częstotliwości od 8 kHz do 16 kHz, w których występuje najwyższa energia sygnału.

Analizy spektrogramu, dla układu wtryskowego typu Common-Rail, dokonuje się pasmach częstotliwości od 10 kHz do 25 kHz, w których występuje najwyższa energia sygnału.

Pomiaru impulsów energii sygnału fali sprężystej emisji akustycznej dokonuje się na przewodzie łączącym wtryskiwacz z przewodem wtryskowym wysokociśnieniowym, usytuowanym jak najbliżej wtryskiwacza.

Czujnik pomiarowy emisji akustycznej dociskany jest, do przewodu łączącego wtryskiwacz z przewodem wtryskowym wysokociśnieniowym, lub do śruby mocującej przewód wtryskowy, ze stałą wartością siły około 5 N.

PL 222 532 B1

Dokonuje się porównania i analizy zmiany charakterystyki częstotliwości sygnału fali sprężystej emisji akustycznej uzyskanej w wyniku dokonanych pomiarów fig. 3 i fig. 4 z charakterystyką częst otliwości sygnału fali sprężystej emisji akustycznej dla prawidłowo działającego wtryskiwacza fig. 2.

Wynik analizy zmiany częstotliwości sygnału fali sprężystej emisji akustycznej prezentowany jest na monitorze komputera.

W przypadku prawidłowo działającego wtryskiwacza ale nieprawidłowo działającej pompy wtryskowej maksimum amplitudy sygnału częstotliwości emisji akustycznej zostaje przesunięte w kierunku niższych częstotliwości od 4-7 kHz.

Układ do diagnozowania procesu wtrysku paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym charakteryzuje się tym, że zawiera czujnik pomiarowy emisji akustycznej, usytuowany jak najbliżej wtryskiwacza i dociskany do miejsca pomiarowego stałą wartością siły, a czujnik połączony jest z rejestratorem (3) zawierającym wewnątrz analizator widmowy i blok zasilania którego wyjście połączone jest z komputerem.

Sposób według wynalazku ma zastosowanie do badania sygnału emisji akustycznej EA do diagnozowania układów wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym wyposażonych w klasyczny układ wtryskowy, układów wtryskowych z systemem Common-Rail oraz układy dwupaliwowych silników zasilanych częściowo paliwem ciekłym, tzw. dawka pilotażowa oraz paliwem gazowym.

Badanie procesu wtrysku paliwa odbywa się na pracującym silniku, przy czym jest to metoda nigdzie wcześniej nie stosowana i polega na wykorzystaniu sygnału emisji akustycznej-rozumianej zgodnie z normą PN-EN 1330-9 i PN- EN 13554 jako fala sprężysta rozprzestrzeniająca się w materiale pod wpływem bodźca zewnętrznego ang. acoustic emission.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest to, że umożliwia precyzyjne badanie całego procesu wtrysku z uwzględnieniem zjawisk zachodzących podczas jego trwania. Pomiar jest łatwy do wykonania i późniejszego wykorzystania w diagnozowaniu układu wtryskowego. Dodatkowo, pomiar umożliwia badanie parametru tzw. powtarzalności procesu wtrysku i nie wymaga zaangażowania dużego zespołu oceniających, pomiaru dokonuje jedna osoba. Powtarzalność lub odwrotnie - niepowtarzalność procesu wtrysku rozumiana jest jako różnica pomiędzy poszczególnymi wtryskami paliwa w czasie pracy silnika. Sposób umożliwia jednoczesny zapis przebiegów czasowych występujących procesów, które mogą być przekazywane do komputera. Użyteczne parametry wartości energii sygnału emisji akustycznej pokazywane są na wyświetlaczu dowolnego komputera klasy PC lub Laptop zaopatrzonego w złącze komunikacyjne USB.

Wynalazek pozwala na bezinwazyjne diagnozowanie układów wtryskowych silników zarówno małej jak i wielkiej mocy, obróbka sygnału i obraz graficzny niesprawności jest taki sam. Takie samo, niezależnie od mocy, jest również pasmo częstotliwości charakterystyczne dla konkretnej niesprawności. Diagnozowanie odbywa się także bez ingerencji, rozkręcania wstawiania dodatkowych czujników, w układ wtryskowy dzięki czemu można dokonywać diagnozowania również okrętowych układów dwupaliwowych zasilanych częściowo zasilanych paliwem a częściowo gazem np. na statkach LNG.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania, na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia spektrogram tj. charakterystykę czasowo-częstotliwościową z zaznaczonym istotnym dla analizy pasmem częstotliwości, fig. 2 - przedstawia charakterystykę częstotliwościową prawidłowo działającego wtryskiwacza, fig. 3 - przedstawia charakterystykę częstotliwościową dla zakoksowanego wtryskiwacza, fig. 4 - przedstawia charakterystykę częstotliwościową dla tzw. lejącego wtryskiwacza z rozkalibrowanymi otworkami rozpylacza, fig. 5 - przedstawia charakterystykę częstotliwościową dla uszkodzonej pompy wtryskowej, fig. 6 - przedstawia gęstość widmową sygnału emisji akustycznej pochodzącą od kolejnych pięciu wtrysków, fig. 7 - przedstawia układ do diagnozowania procesu wtrysku paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym.

Realizacja sposobu diagnozowania procesu wtrysku paliwa w silniku okrętowym, o zapłonie samoczynnym, według wynalazku, polega na tym, że czujnik (sensor) emisji akustycznej umies zczony jest na króćcu łączącym przewód wtryskowy wysokociśnieniowy z wtryskiwaczem a następnie dok onuje się rejestracji sygnałów źródłowych lub użytecznych deskryptorów emisji akustycznej. Dokonuje się pomiaru uśrednionej wartości energii na poszczególnych cylindrach silnika, co umożliwia pierwszą ocenę weryfikacyjną prawidłowości pracy układu wtryskowego, na ile odbiega ona od wartości średnich.

Istotą sposobu pomiaru procesu wtrysku jest to, że badany czujnik emisji akustycznej umieszcza się na zewnątrz śruby lub nakrętki łączącej przewód wtryskowy z wtryskiwaczem co powoduje, że jest to metoda bezinwazyjna-nie ingerująca w żadnym stopniu w proces wtrysku.

PL 222 532 B1

W taki oto sposób następuje przekazanie impulsów sygnału emisji akustycznej generowanej przez układ wtryskowy. Sygnały te, przekazywane są do urządzenia pomiarowego rejestratora 3 i analizatora widmowego 4.

Sposób pomiaru przebiegu procesu wtrysku polega na tym, że czujnik emisji akustycznej 2 umieszcza się na przewodzie łączącym lub śrubie mocującej wtryskiwacz z przewodem wtryskowym wysokociśnieniowym, jak najbliżej wtryskiwacza. Sensor połączony jest przewodem do rejestratora 3 i analizatora widmowego 4. W trakcie pomiaru, następuje przekazanie impulsów emisji akustycznej generowanych w układzie wtryskowym do przetwornika emisji akustycznej 2, z którego przewodem przekazywane są sygnały do rejestratora 3 i analizatora widmowego 4.

Wyniki pomiaru sygnału źródłowego poddane są analizie Fouriera, dzięki której uzyskuje się charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową przedstawioną na fig. 1, z rozdzielczością częstotliwości równą 0,5 Hz. Jest to pierwszy etap obróbki sygnału, za pomocą której określa się pasma częstotliwości o największej energii sygnału, co przedstawia fig. 1 , oraz moment czasowy w którym występuje najwyższa energia. Na fig. 1 jest to zaznaczony strzałką obszar o najciemniejszym kolorze. Kolejnym krokiem jest wyłonienie tej milisekundy podczas całego okresu trwania wtrysku, w której energia sygnału jest największa. Jeśli np. czas trwania wtrysku wynosi 3 ms, a najwyższa energia występuje w 2 ms wtrysku, to w tej właśnie „chwili czasowej”, należy dokonać badania zmiany częstotliwości sygnału co przedstawiono na fig. 1 - fig. 4. Mówiąc prościej, „kroimy przebieg sygnału przedstawionego na fig. 1 w konkretnej chwili czasowej linią pionową”, uzyskując w ten sposób charakterystykę zmian częstotliwości sygnału EA. Jeśli maksymalna wartość takiego przebiegu znajduje się w zakresie częstotliwości około 8 do 14 kHz i ma ona regularny kształt jak na fig. 2, świadczy to o prawidłowej pracy wtryskiwacza-bez zaburzeń procesu wtrysku. Każde zaburzenie - spowodowane np. rozkalibrowaniem lub zakoksowaniem otworków, zacieraniem iglicy wtryskiwacza, przelewem - we wtryskiwaczach Common-Rail-powoduje zaburzenie częstotliwości. Na fig. 4 przedstawiono przykładowy przebieg dla rozkalibrowanego rozpylacza-tzw. lejący wtryskiwacz z powiększonymi otworkami rozpylacza.

Z kolei, za pomocą porównania graficznego tzw. gęstości widmowej sygnału EA - fig. 6 - określa się powtarzalność procesu wtrysku. Widoczne są zmiany w trakcie kolejno następujących po sobie wtrysków paliwa do komory spalania silnika. Wrażliwość sygnału na zmiany gęstości widmowej jest zależna od przeciwciśnienia w komorze spalania oraz ciśnienia podiglicowego, zależnego od stanu technicznego rozpylacza.

W przypadku prawidłowo działającego wtryskiwacza ale nieprawidłowo działającej pompy wtryskowej maksimum amplitudy sygnału częstotliwości emisji akustycznej zostaje przesunięty w kierunku niższych częstotliwości od 4-7 kHz.

Pomiarów sygnału źródłowego fali sprężystej emisji akustycznej dokonuje się za pośrednictwem układu który zawiera czujnik emisji akustycznej 2, umieszczony na śrubie mocującej przewód wtryskowy. Czujnik 2 dociskany jest do śruby mocującej przewód wtryskowy ze stałą wartością siły 5 N. Czujnik emisji akustycznej 2 połączony jest z rejestratorem 3 i analizatorem widmowym 4, którego wyjście połączone jest z komputerem 6, gdzie na monitorze prezentowany jest wynik analizy zmiany częstotliwości sygnału fali sprężystej emisji akustycznej. Natomiast blok zasilania 5 połączony jest do rejestratora 4.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób diagnozowania procesu wtrysku paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym polegający na wykonaniu obwiedni widma uśrednionego synchronicznie, znamienny tym, że bez ingerencji w układ wtryskowy, w bliskim sąsiedztwie wtryskiwacza, dokonuje się pomiaru impulsów energii s ygnału fali sprężystej emisji akustycznej, generowanej przez układ wtryskowy, a następnie sygnał rejestruje się w formie ciągu 50000 próbek cyfrowych, po czym dokonuje się utworzenia dwukrotnie większej liczby próbek poprzez wstawienie próbek o średniej wartości z próbek najbliższych, a następnie dokonuje się podziału na segmenty po 50 próbek, zwanych oknami czasowymi, o czasie trwania pół milisekundy, i dodanie po 150 próbek zerowych na początku i na końcu każdego segmentu, po czym dodaje się w segmentach funkcję okna Hanninga i dokonuje się w segmentach przekształcenia Furiera w celu znalezienia po 50 prążków widma o szerokości 0,5 kHz, a następnie dokonuje się wykreślenia

PL 222 532 B1 spektrogramu funkcji czasu i częstotliwości, a tak uzyskaną charakterystykę, poddaje się analizie w określonych pasmach częstotliwości, w których występuje najwyższa energia sygnału.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym okresie obróbki sygnału określa się z wykorzystaniem transformaty Fouriera pasma częstotliwości o największej energii sygnału fali sprężystej emisji akustycznej oraz moment czasowy w którym występuje najwyższa energia, kolejnym krokiem jest wyłonienie tej milisekundy podczas całego okresu trwania wtrysku, przy której energia sygnału jest największa i dokonuje analizy zmiany częstotliwości sygnału, której zaburzenia częstotliwości są odzwierciedleniem nieprawidłowej pracy wtryskiwacza.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mierzony sygnał źródłowy fali sprężystej emisji akustycznej rejestruje się paśmie częstotliwości od 4,5 kHz do 50 kHz.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że analizy spektrogramu, dla klasycznego układu wtryskowego, dokonuje się pasmach częstotliwości od 8 kHz do 16 kHz, w których występuje najwyższa energia sygnału.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że analizy spektrogramu, dla układu wtryskowego typu Common-Rail, dokonuje się pasmach częstotliwości od 10 kHz do 25 kHz, w których występuje najwyższa energia sygnału.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiaru impulsów energii sygnału fali sprężystej emisji akustycznej dokonuje się na przewodzie łączącym wtryskiwacz z przewodem wtryskowym wysokociśnieniowym, usytuowanym jak najbliżej wtryskiwacza.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czujnik pomiarowy emisji akustycznej (2) dociskany jest, do przewodu łączącego wtryskiwacz z przewodem wtryskowym wysokociśnieniowym, lub do śruby mocującej przewód wtryskowy, ze stałą wartością siły około 5 N.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dokonuje się porównania i analizy zmiany charakterystyki częstotliwości sygnału fali sprężystej emisji akustycznej uzyskanej w wyniku dokonanych pomiarów fig. 3 i fig. 4 z charakterystyką częstotliwości sygnału fali sprężystej emisji akustycznej dla prawidłowo działającego wtryskiwacza fig. 2.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wynik analizy zmiany częstotliwości sygnału fali sprężystej emisji akustycznej prezentowany jest na monitorze komputera (6).
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku prawidłowo działającego wtryskiwacza ale nieprawidłowo działającej pompy wtryskowej maksimum amplitudy sygnału częstotliwości emisji akustycznej zostaje przesunięty w kierunku niższych częstotliwości od 4-7 kHz.
11. Układ do diagnozowania procesu wtrysku paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym, znamienny tym, że zawiera czujnik pomiarowy emisji akustycznej (2), usytuowany jak najbliżej wtryskiwacza (1 i dociskany do miejsca pomiarowego stałą wartością siły, a czujnik (2) połączony jest z rejestratorem (3) zawierającym wewnątrz analizator widmowy (4) i blok zasilania (5) którego wyjście połączone jest z komputerem (6).