Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1. Параметры топливоподачи и их влияние на рабочий процесс дизеля 10
1.2. Автоматизация измерений на основе цифровых технологий 15
1.3. Измерительные преобразователи параметров топливоподачи 21
1.4. Цель и задачи исследования 30
2. Теоретические основы метода 31
2.1. Зависимость дискретных амплитуд сигнала датчика от подачи топлива 31
2.2. Математическая модель ИП и обоснование выделения сигнала в ультразвуковой области резонансной частоты датчика 33
2.3. Обоснование необходимой точности оцифровки сигнала ИП 46
3. Программа и методики экспериментальных исследований 51
3.1. Оборудование и цифровая система для экспериментальных исследований 51
3.2. Цифровой прибор для измерения параметров топливоподачи 56
3.3. Программа и методики экспериментальных исследований 59
4. Результаты и анализ экспериментальных исследований 64
4.1. Анализ спектра мощности сигнала ИП 64
4.2. Анализ результатов выделения сигнала в ультразвуковой области частот 68
4.3. Анализ статистических характеристик полезного сигнала 71
4.4. Анализ влияния частоты собственных колебаний мембраны подвески датчика на точность измерения подачи 73
4.5. Анализ зависимости сигнала от цикловой подачи 75
4.6. Результаты измерений неравномерности подачи 80
4.7. Результаты оценки формы импульса силы впрыскивания 82
5. Технико-экономическое обоснование цифрового прибора в составе стенда для испытания и регулирования топливных насосов 86
Основные выводы 93
Список литературы 96
Приложения 105
- Автоматизация измерений на основе цифровых технологий
- Математическая модель ИП и обоснование выделения сигнала в ультразвуковой области резонансной частоты датчика
- Цифровой прибор для измерения параметров топливоподачи
- Анализ результатов выделения сигнала в ультразвуковой области частот
Введение к работе
Важным направлением повышения эффективности машинно-тракторного агрегата с дизельным двигателем является повышение технических показателей работы дизеля. Ухудшение мощностных и экологических показателей дизелей в большей степени зависит от изменения параметров топливоподачи, чем от износа двигателя. Объясняется это тем, что качество работы топливной аппаратуры в значительной степени определяет рабочий процесс дизеля и, как следствие, его технико-экономические и экологические показатели.
В настоящее время происходит усовершенствование конструкции ТА дизельных двигателей, что обусловлено стремлением уменьшить эмиссию вредных веществ с отработавшими газами и расход топлива. В ТА дизелей применяется многоразовый впрыск топлива, когда впрыскивание разделяется на две, три и более стадий, следующих друг за другом. Широкое распространение получают системы Common Rail с высоким давлением впрыскивания. Применяются электронные регуляторы частоты вращения, обеспечивающие получение оптимальных характеристик подачи в соответствии с требованиями рабочего процесса и режима работы дизеля. Для точного контроля параметров топливоподачи требуются автоматизированные средства измерений, обеспечивающие измерение параметров единичного цикла подачи в динамическом режиме. Решение данной задачи возможно только с использованием измерительного преобразователя, обеспечивающего преобразование физических величин в аналоговый сигнал с дальнейшей цифровой обработкой с применением ЭВМ.
Сложность преобразования параметров топливоподачи в аналоговый сигнал заключается в том, что процесс топливоподачи в дизеле имеет импульсный динамический характер. Частота следования импульсов
5...60Гц, длительность импульсов составляет тысячные доли секунды 0,1... 25 мс, величина цикловой подачи составляет десятые доли грамма 50...150 мг и скорость впрыскивания достигает 250 м/с и выше. Для преобразования цикловой подачи в аналоговый сигнал требуется ИП с большим динамическим и частотным диапазоном измерений, обладающий линейностью комплексного коэффициента передачи.
Наше время характеризуется появлением цифровых технологий, обеспечивающих возможность создавать программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, разнообразные автоматизированные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы. Одной из таких цифровых технологий является технология цифровых виртуальных приборов, позволяющая создавать системы измерения и диагностики практически любой сложности, легко их адаптировать к изменяющимся требованиям, уменьшать затраты и время на разработку.
Таким образом, разработка ИП и метода цифрового измерения параметров топливоподачи ТА, обеспечивающих повышение точности и информативности измерений, а также снижение их трудоёмкости представляет актуальную задачу.
Цель работы: разработка ИП и прибора на основе цифровых технологий, обеспечивающих определение параметров топливоподачи ТНВД дизеля для повышения эффективности технического сервиса сельскохозяйственных дизелей.
Методы исследований и достоверность результатов. Методологической основой исследований являются положения теории ТА ДВС, общие уравнения гидродинамики, физики, радиотехники, цифровой обработки сигналов и статистические методы проверки гипотез.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается применением точных средств измерения параметров топливоподачи, использованием сертифицированных средств испытания
7 топливной аппаратуры и совпадением экспериментальных данных с данными, полученными прямыми методами измерений цикловой подачи топлива, использованием программной среды LabVIEW 8.2 компании N1 (США) и стандартных программ статистической обработки результатов.
Научная новизна диссертации заключается в установлении связи цикловой подачи топлива ТНВД дизеля с реакцией пьезоэлектрического акселерометра на удар струи, в ультразвуковом диапазоне частоты его резонанса, что обеспечивает возможность включения процесса измерений в автоматизированную систему на основе цифровых технологий: разработано устройство и математическая модель измерительного преобразователя параметров топливоподачи на основе датчика — пьезоэлектрического акселерометра, воспринимающего воздействие струи топлива форсунки дизеля с выделением полезного сигнала в ультразвуковой области резонансной частоты датчика, получена функция преобразования цикловой подачи в аналоговый сигнал; разработаны требования к параметрам измерительной системы для измерения цикловой подачи, начала и продолжительности впрыскивания, формы импульса силы впрыскивания струи; разработана блок-схема цифрового виртуального прибора для измерения параметров топливоподачи ТНВД в программной среде LabVIEW'8.2 компании N1 (США).
Новизна предложенных технических и технологических решений подтверждена патентом РФ на полезную модель № 69167 от 24 августа 2007 года.
Практическую ценность работы представляют: связь между параметрами процесса топливоподачи ТНВД дизеля и сигналом пьезоэлектрического акселерометра, что позволяет автоматизировать процесс определения ТС ТНВД дизеля на основе цифровых технологий обработки измерительной информации; измерительный преобразователь и цифровой виртуальный прибор для измерения параметров топливоподачи ТНВД в программной среде Lab VIEW 8.2.
Реализация результатов исследований. Результаты диссертационной работы используются в научно-исследовательском процессе в ФГОУ ВПО МГАУ.
Внедрение представленного метода осуществляется ООО «Альфа-проект» при эксплуатации и ремонте дизельной топливной аппаратуры и ЗАО «ТПК«Трейдинвест» при техническом обслуживании и ремонте топливных насосов автомобилей с дизельными двигателями (приложения 1,
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО МГАУ и ГОСНИТИ:
Международная научно-практическая конференция «Научно-технические проблемы и перспективы развития технического сервиса в АПК» 24-26 октября 2006г. г. Москва;
Международная научно-практическая конференция «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» 7-8 октября 2008г. г. Москва;
Международная научно-практическая конференция «Инновации в образовании и науке» 29-30 января 2009г. г. Москва;
Семинар заведующих кафедрами ремонта и надежности машин на тему: «Инновационные технологии в подготовке высококвалифицированных кадров для технического сервиса в АПК» 5-11 октября 2009г. г. Москва.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в пяти научных статьях, из них четыре в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, устройство ИП защищено патентом РФ на полезную модель № 69167 от 24 августа 2007 года (приложение 3).
9 На защиту выносятся:
Устройство и математическая модель ИП для преобразования параметров топливоподачи в цифровой сигнал.
Теоретические и экспериментальные связи цифрового сигнала с цикловой подачей ТНВД дизеля.
Блок-схема цифрового виртуального прибора в программной среде Lab VIEW 8.2 для измерения параметров топливоподачи. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем 104 стр., основного текста — 95 стр., приложений — 20 стр., имеется 30 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 85 наименований.
Автоматизация измерений на основе цифровых технологий
При измерении параметров топливоподачи ТА дизеля возникает необходимость измерять одновременно и за короткий промежуток времени несколько параметров в динамическом режиме: цикловую подачу, начало подачи, оценивать неравномерность параметров между секциями насоса, а также дополнительно оценивать межцикловую неравномерность подачи. Эту задачу можно решить только при автоматизации процессов измерений и обработки результатов, соединяя средства измерений, обработки, отображения, хранения результатов в автоматизированные измерительные системы (АИС).
Впервые АИС появились в 50-х годах прошлого столетия и в основном решали задачи параметрического контроля значений сигналов, отвечающих за выполнение функции в заданных пределах. В середине 70-х годов появились автоматизированные цифровые измерительные приборы со встроенными микропроцессорами. Эти приборы позволяли обеспечить более высокую точность измерений, значительно сократить время проведения измерении, программно управлять прибором извне. Автоматизированные средства измерений имеют малый вес и габариты за счёт исключения из конструкции множества механических элементов. По этой причине возросла надёжность приборов, существенно повысилась воспроизводимость результатов измерений и появилась возможность «запоминания» результатов измерений. Наиболее важной дополнительной функцией цифровых автоматизированных средств измерений является удобство и простота их сопряжения с внешними средствами вычислительной техники и другими цифровыми автоматизированными приборами посредством применения стандартных интерфейсов [3,38, 47, 56].
Наше время характеризуется появлением новых цифровых технологий, кардинально меняющих образ деятельности людей. Особенно ярко это проявляется в области информационных технологий. Важно опираться на технологии, имеющие устойчивые мировые тенденции развития и обеспечивающие современное профессиональное качество технических разработок при минимальных временных и материальных затратах.
Одной из таких новых и революционных технологий является технология цифровых виртуальных приборов, позволяющая создавать системы измерения, управления и диагностики различного назначения, практически любой произвольной сложности, включая математическое моделирование и тестирование этих систем. Суть этой технологии состоит в компьютерной имитации с помощью программы реальных физических приборов, измерительных и управляющих систем. Программная среда Lab VIEW является именно таким инструментарием технологии виртуальных приборов [1, 27, 46, 64, 66, 67].
Виртуальные приборы, реализованные по этой технологии, работают с реальными физическими входными сигналами. Виртуальность здесь понимается в смысле виртуальной имитации функций прибора математическими и программными методами. Например, виртуальный осциллограф по функциям эквивалентен реальному осциллографу, поскольку имеет физический вход для электрического сигнала. Преобразование сигнала в цифровой сигнал осуществляется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Дальнейшая обработка и управление сигналом, его отображение для наблюдения осуществляются программным способом. Такой осциллограф имеет виртуальный экран, виртуальные ручки управления (усиление, синхронизация, развертка и др.), графически отображаемые на экране монитора компьютера. Ручки, переключатели, кнопки виртуального прибора управляются с клавиатуры или посредством мыши.
Преимущество технологии виртуальных приборов состоит в возможности создавать программным путем, опираясь на мощь современной компьютерной техники, разнообразные приборы, измерительные системы и программно-аппаратные комплексы, легко их адаптировать к изменяющимся требованиям, уменьшить затраты и время на разработку.
Основными элементами цифровой системы сбора и обработки данных на основе ЭВМ являются: 1. Измерительный преобразователь (ИП), преобразующий физическую величину в аналоговый электрический сигнал; 2. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 3. Программное обеспечение (ПО).
Первичным элементом системы является датчик или ИП, который преобразует физические параметры процесса в электрический сигнал.
АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Число бит, используемых для представления аналогового сигнала, определяет разрядность АЦП (рисунок 1.1). Чем больше разрядность АЦП, тем на большее число частей система делит рабочий диапазон АЦП, и, следовательно, можно зафиксировать меньшее изменение сигнала. 3-битный АЦП разделяет диапазон на 2 или 8 частей. Каждое деление представляется дискетным или цифровым кодом в диапазоне от 000 до 111. При увеличении разрешающей способности до 16 бит число делений возрастает с 8 (2 ) до 65536 (216), позволяя 16-битовому АЦП достигнуть высокой точности представления аналогового сигнала [3, 47].
Математическая модель ИП и обоснование выделения сигнала в ультразвуковой области резонансной частоты датчика
Для реализации метода был разработан и изготовлен специальный ИП (приложение 4) для определения параметров процесса топливоподачи с помощью пьезоэлектрического акселерометра и цифровой системы сбора и обработки данных [20, 21, 22, 23, 52]. Устройство ИП защищено патентом РФ на полезную модель № 69167 (приложение 3) и представлено на рисунке 2.2. В РІП устанавливаются стендовые форсунки (на рисунке не показаны) по числу секций ТНВД. Струя впрыскиваемого топлива на выходе из форсунки воздействует на датчик. Датчиком является пьезоэлектрический акселерометр с частотой резонанса, находящейся в ультразвуковой области. Датчик крепится на мембране. Мембрана изготавливается из диэлектрического материала, чтобы исключить погрешности, связанные с утечкой заряда на корпус. Частота собственных колебаний мембраны составляет 1..2% от частоты резонанса датчика. Полезный сигнал, пропорциональный скорости основания датчика, выделяется в ультразвуковой области резонансной частоты датчика [20, 21, 22, 23, 24]. Модель ИП (рисунок 2.3) можно представить 2-х массовой системой, состоящей из массы чувствительного элемента датчика (т) и массы самого датчика с узлом крепления (М). Указанные массы имеют собственные коэффициенты жёсткости и демпфирования, соответственно, {г,к) и (R.K). х - смещение основания датчика (м); z - смещение чувствительного элемента относительно основания датчика (м). Датчик на частоте резонанса можно представить как резонансный колебательный контур, круговая частота резонансных колебаний которого равна WQI. АЧХ датчика схематично представлена на рисунке 2.4. /Гц Резонансная система является неотъемлемой частью любого радиотехнического (высокочастотного) устройства. Для радиотехнических применений основное значение имеют резонансные свойства колебательных систем. Явление резонанса встречается в различных областях техники и физики и нередко рассматривается как явление вредное, опасное для целостности устройства. В радиотехнических устройствах явление резонанса лежит в основе большинства процессов и преобразований и используется для решения разнообразных задач [13,71]. Если на резонансный контур воздействует импульс очень короткий по сравнению с периодом собственных колебаний, то напряжение (А, В) на выходе колебательного контура будет равно [13,71]: Коэффициент затухания амплитуды сигнала датчика [13,71]: D = (6... 12) - добротность контура. Амплитуда сигнала резонансного контура пропорциональна площади короткого импульса и не зависит от его формы [13, 71]. Данное свойство колебательных систем используется для измерения импульса силы и в механических системах [63]. Схематически реакция контура на импульс малой длительности представлена на рисунке 2.5.
Цифровой прибор для измерения параметров топливоподачи
Цифровой прибор для измерения параметров топливоподачи разработан в программной среде LabVIEW 8.2 американской компании National Instruments. Блок-схема прибора представлена на рисунке 3.9. Прибор измеряет цикловую подачу и длительность впрыскивания, а также обеспечивает измерение начала впрыскивания по переднему фронту сигнала и выделяет форму импульса силы впрыскивания.
Прибор работает следующим образом: 1. Для измерения цикловой подачи топлива (Q) сигнал ИП подаётся на фильтр ультразвуковой частоты (ФВЧ) и берётся модуль сигнала (). Амплитудный детектор (АД) с порогом срабатывания (П) выделяет амплитуды сигнала, извлекается корень квадратный (V) и сигнал подаётся на интегратор (), который суммирует значения за полное время цикла измерений подачи топлива. Далее результат измерений делится (:) на общее число цикловых подач (К) и полученная оценка цикловой подачи умножается на функцию преобразования ИП для получения величины цикловой подачи (Q) в значениях градуировки (мм3/цикл) и результат (Q) выводится на панель прибора. 2. Для измерения продолжительности впрыскивания (т) сигнал после амплитудного детектора (АД) подаётся на счётчик числа амплитуд (N), который считает общее число оцифрованных амплитуд за полное время цикла измерений. Полученный результат умножается () на интервал дискретизации (At) и далее делится (:) на общее число цикловых подач (К) для получения продолжительности впрыскивания цикловой подачи. Результат измерений продолжительности впрыскивания (т) выводится на панель прибора. 3. Для выделения формы импульса силы впрыскивания (Р), модуль сигнала после ФВЧ подаётся на фильтр нижних частот (ФНЧ). Форма импульса (Р) выводится на экран цифрового осциллографа на панели прибора. 4. Параллельно работает схема подсчёта числа цикловых подач (К). Сигнал после ФНЧ подаётся на формирователь прямоугольных импульсов (ДП) с порогом срабатывания (П) и далее подаётся на счётчик числа импульсов (К). Результат подсчёта числа цикловых подач (К) используется в схеме в операциях деления (:) на число цикловых подач и выводится на панель прибора. 5. Для измерения начала впрыскивания в схеме предусмотрен выход прямоугольного импульса (Л) после ДП. Прямоугольный импульс выводится на экран цифрового осциллографа на панели прибора.
На основании блок-схемы разработан цифровой виртуальный прибор в программной среде LabVIEW 8.2 компании N1. На рисунке 3.10 представлена блок-схема виртуального прибора для измерения сигнала ИП.
Анализ результатов выделения сигнала в ультразвуковой области частот
Параметрами выделения полезного сигнала являются центральная частота фильтра /о и ширина полосы пропускания А/ фильтра. Узел крепления датчика оказывает влияние на параметры сигнала. Критерием точности измерений амплитуды является достижение минимального значения СКО в условиях, когда частота собственных колебаний мембраны fa изменяется. Частота собственных колебаний мембраны в эксперименте изменялась в диапазоне 600...1150 Гц. Результаты эксперимента представлены в таблице 4.2.
Из таблицы 4.2 следует, что минимальное значение СКО = 6 В получается при использовании фильтра с центральной частотой 45 кГц, равной резонансной частоте датчика и полосой пропускания 6 кГц, равной ширине резонансной кривой датчика. С увеличением полосы пропускания до 20 кГц значение СКО увеличивается до 26 В.
На рисунках 4.6, 4.7, 4.8 представлены сигналы ИП на частоте 42...48 кГц для различных мембран при частоте вращения вала ТНВД, равной 900 мин"1. Цикловая подача топлива равна 82 ±3 мм3
Анализ результатов эксперимента подтверждает теоретические предпосылки метода, что наиболее оптимальными параметрами фильтрации сигнала ИП являются точная настройка фильтра на частоту резонанса датчика и полоса фильтра, равная ширине резонансной кривой датчика. При этом достигается минимальное СКО амплитуды сигнала ИП.
Результаты статистической обработки амплитудных параметров сигнала на частоте 42...48 кГц представлены в таблице 4.3. Датчик установлен на мембране RTc частотой собственных колебаний 600 Гц. Число регистрируемых цикловых подач (К) в сигнале изменялось от 1 до 20, соответственно, число амплитуд N1. в выборке сигнала от 188 до 3753.
