PL237678B1 - Sposób, układ i cylinder do pomiaru ciśnienia gazu w maszynach tłokowych, zwłaszcza okrętowych silnikach tłokowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób, układ i urządzenie do pomiaru ciśnienia gazu roboczego w maszynach tłokowych, zwłaszcza okrętowych silnikach tłokowych. Pomiar ciśnienia gazu roboczego podczas realizacji obiegu cieplnego w maszynie tłokowej pozwala na śledzenie przebiegu poszczególnych przemian, a także wyznaczanie wskaźników pracy maszyny. Na uwagę zasługują takie wskaźniki pracy jak: średnie ciśnienie indykowane, praca indykowana, moc indykowana, etc. Aby wartości tych wskaźników były wiarygodne, wymagana jest duża dokładność pomiaru ciśnienia gazu roboczego, oraz wyspecjalizowane metody przetwarzania danych.

Znane i stosowane metody indykowania maszyn tłokowych, a zwłaszcza silników spalinowych, są opisane między innymi w publikacjach: J.J. Wajanda pt. Pomiary szybkozmiennych ciśnień w maszynach tłokowych WNT, str. 59-109, oraz A. Wimmera, J. Glasera pt. Indykowanie silnika, Wydawnictwo AVL Warszawa 2004 str. 1-1 do 1-5. Publikacje te podają informacje odnoszące się do sposobu realizacji pomiaru wysokich ciśnień gazu, polegające na odpowiednim umieszczeniu przetwornika ciśnienia (najczęściej piezokwarcowego) w głowicy silnika tak, aby jego element roboczy był poddany działaniu aktualnie występującego ciśnienia gazu roboczego w czasie rzeczywistym. Taki sposób pomiaru ciśnienia gazu roboczego powoduje konieczność doboru przetwornika wraz z jego charakterystyką roboczą i dokładnością pomiaru, odpowiednio do maksymalnej wartości ciśnienia, jaka może wystąpić w przestrzeni roboczej silnika. Ten stan powoduje małą dokładność pomiaru ciśnień o mniejszych wartościach, które występują w szerokim zakresie zmiennej niezależnej , tj. objętości cylindra i wpływają na obniżenie dokładności wyznaczania wielkości wskaźników pracy silnika. W niektórych typach silników spalinowych, zwłaszcza okrętowych, ciśnienia zbliżone do wartości maksymalnej występują w nieznacznej części przedziału cyklu roboczego. Również ciśnienie początkowe procesu roboczego jest bardzo małej wartości, co łącznie powoduje, że dokładność określenia ww. wskaźników pracy silnika znajduje się na niższym poziomie, niż na to wskazuje dokładność pomiaru zastosowanego przetwornika ciśnienia.

Znany jest z japońskiego opisu patentowego JP 20090113027 sposób dotyczący dokładnego pomiaru średniego ciśnienia indykowanego, opartego na nieustającej bazie danych próbkowania. Urządzenie pomiarowe zawiera: dolnoprzepustowy filtr służący do filtrowania fali mierzonego ciśnienia pochodzącego z przetwornika ciśnienia i zespołu próbkowania, w celu przeprowadzenia próbkowania wyjścia z filtru dolnoprzepustowego n-razy na jeden cykl pracy silnika. Instalacja pomiarowa zawiera: zespoły elektroniczne do przetwarzania falowych informacji dotyczących ciśnienia gazu roboczego w cylindrze silnika oraz zespołu do obliczania średniego ciśnienia indykowanego, wykorzystującego sygnały wyjściowe z zespołu próbkowania.

Z kolejnego japońskiego opisu patentowego JP 20060119597 znane jest urządzenie i metoda służące do określania mocy indykowanej silnika spalinowego. Wyposażenie do obliczania mocy indykowanej silnika spalinowego ustala pierwsze przybliżenie mocy indykowanej jako całki z iloczynu zmiany objętości gazu w cylindrze i sygnału odniesienia o określonej częstotliwości oraz drugie przybliżenie jako całki z iloczynu zmiany objętości oraz drugiej korelacji funkcji ciśnienia w cylindrze.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu dokładnego dokonywania pomiarów na każdym poziomie cylindra, oraz opracowanie układu zapewniającego dokładne przeprowadzenie pomiarów, a także odpowiednie rozmieszczenie przetworników ciśnienia w cylindrze silnika tłokowego.

Sposób pomiaru ciśnienia gazu w maszynach tłokowych, zwłaszcza okrętowych silnikach tłokowych, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że ciśnienie gazu mierzy się w cylindrze, jednocześnie na co najmniej trzech różnych poziomach cylindra silnika tłokowego, usytuowanych wzdłuż tworzącej cylindra, pomiędzy GMP (Górnym Martwym Punktem) i DMP (Dolnym Martwym Punktem) tłoka, przy czym wraz z pomiarem ciśnienia na określonym poziomie dokonujemy pomiaru położenia tłoka w cylindrze.

Przetworniki ciśnienia umieszcza się w korpusie cylindra, na tych poziomach gdzie dokonuje się pomiaru ciśnienia gazu, przy czym każdy przetwornik ciśnienia dobiera się w zróżnicowanym zakresie pomiarowym, odpowiednio do przewidywanego maksymalnego występującego zakresu ciśnienia w miejscu jego usytuowania, oraz klasy dokładności pomiaru.

Sygnał pomiarowy z każdego przetwornika ciśnienia jest wzmacniany, a następnie dokonuje się jego selekcji do dalszego przetwarzania, z uwzględnieniem danych o położeniu tłoka względem ścianki cylindra.

Sposób pomiaru ciśnienia gazu w maszynach tłokowych, według wynalazku, pozwala na zwiększenie dokładności pomiaru zmiennego ciśnienia gazu roboczego w cylindrze silnika spalinowego,

PL 237 678 B1 zwłaszcza okrętowego, a tym samym zwiększenie dokładności obliczeń istotnych wskaźników charakteryzujących pracę silnika: jak praca indykowana, średnie ciśnienie indykowane, sprawność indykowana etc. Wskaźniki te są ważne z punktu widzenia rozkładu obciążenia silnika na poszczególne cylindry. Zagadnienie to ma duże znaczenie podczas pracy na obciążeniu nominalnym i przeciążeniu silnika. Można wówczas uniknąć pogorszenia wskaźników ekonomii pracy silnika oraz niebezpieczeństwa uszkodzeń lub awarii. Podczas regulacji silnika można osiągnąć dokładniejsze rezultaty prowadzonych działań, dających korzystniejsze osiągi silnika podczas normalnej eksploatacji oraz możliwość respektowania norm ekologicznych. Zatem rozwiązanie wg wynalazku stwarza warunki do racjonalnego użytkowania silnika na wyższym poziomie.

Układ do pomiaru ciśnienia gazu w maszynach tłokowych, zwłaszcza w okrętowych silnikach tłokowych, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej trzy przetworniki ciśnienia połączone z wejściem wzmacniacza, którego wyjście jest połączone z wejściem selektora, natomiast wyjście selektora jest połączone z wejściem procesora, przy czym do selektora i procesora jest podłączony czujnik i nadajnik położenia tłoka.

Układ umożliwia realizację dokładnych pomiarów ciśnienia gazu w maszynach tłokowych wykonywanych podczas ich normalnej eksploatacji.

Możliwość zastosowania sposobu pomiaru ciśnienia gazu roboczego w maszynach tłokowych, według wynalazku, zapewnia konstrukcja cylindrów silników tłokowych zawierających wbudowane przetworniki do pomiaru ciśnienia.

Cylinder silnika tłokowego, zwłaszcza okrętowego, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera co najmniej trzy przetworniki ciśnienia usytuowane w korpusie cylindra, na różnych poziomach wzdłuż tworzącej cylindra pomiędzy GMP i DMP.

Cylinder silnika zawiera pięć przetworników ciśnienia usytuowanych na różnych poziomach w korpusie cylindra, wzdłuż tworzącej cylindra, pomiędzy GMP i DMP.

Pierwszy przetwornik w cylindrze usytuowany jest w bliskim sąsiedztwie DMP.

Ostatni górny przetwornik w cylindrze usytuowany jest w komorze spalania silnika.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest na załączonym rysunku, gdzie fig. 1 - przedstawia cylinder silnika tłokowego z trzema przetwornikami ciśnienia, fig. 2 - przedstawia cylinder silnika tłokowego z pięcioma przetwornikami ciśnienia, fig. 3 - przedstawia schematycznie cylinder silnika z zamontowanymi przetwornikami ciśnienia i czujnikiem położenia tłoka, które połączone są z układem do pomiaru ciśnienia gazu.

Układ do pomiaru ciśnienia gazu w maszynach tłokowych według wynalazku zawiera trzy przetworniki ciśnienia 3 połączone z wejściem wzmacniacza 5, którego wyjście jest połączone z wejściem selektora 6. Natomiast wyjście selektora 6 jest połączone z wejściem procesora 7, przy czym do selektora 6 i procesora 7 jest podłączony nadajnik 8 położenia tłoka 4 z czujnikiem 8 .Wyjście z procesora 7 jest połączone z modułem rejestracji cyfrowej 9 przetwarzania i prezentacji graficznej wyników pomiarów i obliczeń.

Sygnały elektryczne, generowane przez wszystkie zainstalowane w cylindrze 2 przetworniki 3 są dostarczane do wzmacniacza 5, a następnie przekazywane do selektora 6, w którym następuje wybór sygnału do dalszego przetwarzania w oparciu o informacje pochodzące od nadajnika 8 położenia tłoka 4. Wybór ten wiąże się z powiązaniem danych o ciśnieniu gazu z fazą ruchu tłoka 4, tak aby te informacje cechowały się największą dokładnością. Każdorazowo, wybrany sygnał ciśnienia gazu w cylindrze 2 jest przekazywany do procesora 7, do którego doprowadzany jest również sygnał położenia tłoka 4 z nadajnika 8. Procesor 7 przeprowadza obróbkę danych, dostosowaną do oczekiwanego rezultatu. Głównym efektem pracy procesora 7 jest baza danych odnosząca się do ciśnienia gazu roboczego w cylindrze 2 silnika 1 podczas jednego obiegu cieplnego. Przykładowe inne produkty pracy procesora 7 obejmują: pracę indykowaną, średnie ciśnienie indykowane, moc indykowaną, etc.

Wyniki pracy procesora 7 są prezentowane na module graficznym 9, stosownie do zaprogramowanych potrzeb.

Przedmiot wynalazku przedstawiony na fig. 1 odnosi się do cylindra 2 silnika spalinowego dwusuwowego o przepłukaniu wzdłużnym. Cylinder 2 zawiera trzy przetworniki 3 ciśnienia, usytuowane na różnych poziomach cylindra 2. Przetwornik 3.1 umieszczony jest w głowicy silnika i mierzy ciśnienie gazu roboczego podczas całego obiegu cieplnego. Przetwornik 3.3, umieszczony w okolicy okien dolotowych pozwala na pomiar ciśnienia początkowego obiegu cieplnego. Ciśnienie to jest bardzo małe

PL 237 678 Β1 w porównaniu do ciśnienia maksymalnego obiegu. Pomiędzy tymi przetwornikami 3.1 i 3.3, na odpowiednim poziomie umieszczono kolejny przetwornik 3.2, aby uzyskać dokładniejszą informację o ciśnieniu gazu pomiędzy DMP tłoka 4 a poziomem usytuowania przetwornika 3.2.

Kolejny przykład wykonania wynalazku, przedstawiony jest na fig. 2 i dotyczy cylindra 2 silnika spalinowego dwusuwowego o przepłukaniu wzdłużnym. W cylindrze 2 obok usytuowanych skrajnie przetworników 3.1 i 3.5, jeden w głowicy, a piąty w okolicy okien dolotowych, rozmieszczono wzdłuż tworzącej cylindra przetworniki 3.2, 3.3, 3.4 na określonych poziomach, między skrajnymi przetwornikami 3.1 i 3.5.

Dobór poszczególnych przetworników 3 oraz miejsce ich usytuowania przeprowadza się za pomocą opracowanego modelu matematycznego z określonym algorytmem optymalizacyjnym.

W sposobie według wynalazku stosuje się elektryczne przetworniki 3 ciśnienia, przekazujące sygnały proporcjonalne do ciśnienia wprowadzane do specjalnego systemu pomiarowo obliczeniowego.

Poniżej przedstawiono wykres niepewności względnej wieloczujnikowego pomiaru ciśnienia wewnątrz cylindra 2 silnika tłokowego 1.

kąt OWK [deg]

Powyżej na kolejnym wykresie zaprezentowano porównanie niepewności względnej pomiaru ciśnienia wewnątrz cylindra, realizowanego, za pomocą układu pomiarowego składającego się: a) - z pojedynczego przetwornika ciśnienia, b) - z trzech przetworników ciśnienia, c) - z pięciu przetworników ciśnienia.

Obliczenia wykonano dla przetwornika 3 ciśnienia o zakresie pomiarowym 15 MPa i maksymalnym błędzie pomiaru wynoszącym 1% zakresu pomiarowego. Dla wieloczujnikowych układów pomiarowych przyjęto, że każdy kolejny przetwornik 3 ciśnienia posiada zakres pomiarowy wynoszący połowę zakresu przetwornika 3 poprzedniego. Wszystkie zaś czujniki charakteryzują się tą samą 1% wartością maksymalnego błędu pomiaru. Zastosowanie wieloczujnikowego układu pomiarowego umożliwia zmniejszenie niepewności pomiaru ciśnienia w zakresie niskich ciśnień (faza przepłukania cylindra) z ponad 50% do poniżej 4% wartości mierzonego ciśnienia.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób pomiaru ciśnienia gazu w maszynach tłokowych, zwłaszcza okrętowych silnikach tłokowych, znamienny tym, że ciśnienie gazu mierzy się w cylindrze (2), jednocześnie na co najmniej trzech różnych poziomach cylindra (1) silnika tłokowego 1, usytuowanych wzdłuż tworzącej cylindra (2), pomiędzy GMP i DMP tłoka (4), przy czym wraz z pomiarem ciśnienia na określonym poziomie cylindra (2) dokonujemy pomiaru położenia tłoka (4) w cylindrze (2).
2. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że przetworniki ciśnienia (3) umieszcza się w korpusie cylindra (2), na tych poziomach gdzie dokonuje się pomiaru ciśnienia gazu, przy czym każdy przetwornik ciśnienia (3) dobiera się w zróżnicowanym zakresie pomiarowym, odpowiednio do przewidywanego maksymalnego występującego zakresu ciśnienia w miejscu jego usytuowania, oraz klasy dokładności pomiaru.
3. 3. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że sygnał pomiarowy z każdego przetwornika ciśnienia (3) jest wzmacniany, a następnie dokonuje się jego selekcji do dalszego przetwarzania, z uwzględnieniem danych o położeniu tłoka (4), w momencie pomiaru, względem ścianki cylindra (2).
4. 4. Układ do pomiaru ciśnienia gazu w maszynach tłokowych, zwłaszcza w okrętowych silnikach tłokowych, znamienny tym, że zawiera co najmniej trzy przetworniki ciśnienia (3) połączone z wejściem wzmacniacza (5), którego wyjście jest połączone z wejściem selektora (6), natomiast wyjście selektora (6) jest połączone z wejściem procesora (7), przy czym do selektora (6) i procesora (7) jest podłączony czujnik (81) wraz z nadajnikiem (8) położenia tłoka (4).
5. 5. Cylinder silnika tłokowego, zwłaszcza okrętowego zawierający przetwornik ciśnienia (3) w głowicy, znamienny tym, że zawiera co najmniej trzy przetworniki ciśnienia (3) usytuowane w korpusie cylindra (2), na różnych poziomach wzdłuż tworzącej cylindra (2) pomiędzy GMP i DMP.
6. 6. Cylinder według zastrz. 4, znamienny tym, że zawiera pięć przetworników ciśnienia (3) usytuowanych na różnych poziomach w korpusie cylindra (2), wzdłuż tworzącej cylindra (2), pomiędzy GMP i DMP.
7. 7. Cylinder według zastrz. 4, znamienny tym, że pierwszy przetwornik (3) usytuowany jest w bliskim sąsiedztwie DMP.
8. 8. Cylinder według zastrz. 4, znamienny tym, że ostatni górny przetwornik (3) usytuowany jest w komorze spalania silnika.