MĚŘENÍ OKAMŽITÝCH OTÁČEK TURBODMYCHADLA MEASUREMENT OF INSTANTANEOUS SPEED OF A TURBOCHARGER Jiří Vávra 1 Summary This contribution describes various methods for measuring and evaluation of a turbocharger speed on turbocharged engines. A mean of measurement and evaluation of instantaneous speed of a turbocharger during steady state and transient tests will be presented. Keywords: Instantaneous speed, Turbocharger 1. Úvod Otáčky turbodmychadla (TBD) na přeplňovaném motoru jsou důležitým parametrem ovlivňující dynamiku motoru a celého vozidla. Zejména chování motoru při přechodových dějích je závislé na průběhu okamžitých otáček TBD a proto je důležité znát tento průběh. Při ladění matematických modelů oběhu přeplňovaných motorů je žádoucí znát fluktuace otáček turbodmychadla v průběhu pracovního oběhu. Výrobci turbodmychadel doposud běžně nevybavují své produkty snímači otáček a proto je nutné používat dodatečné měřicí vybavení. Nejlepším způsobem pro získání signálu otáček TBD by bylo opatření rotoru TBD v blízkosti ložiskové skříně značkou (ploškou) a vhodným snímačem snímat její průchod. Jakýkoli zásah do rotoru TBD však vyžaduje následné vyvážení, které lze provézt pouze na speciálním vyvažovacím zařízení u výrobce. Proto takový způsob měření otáček TBD nelze vždy aplikovat. Je tedy nutné použít způsob nenarušující vyvážení rotoru TBD. 2. Měření otáček TD indukčním snímačem Jednou z možností, měření otáček turbodmychadla, je použití indukčního snímače, který se umístí na vstupní hrdlo kompresoru co možná nejblíže přítužné matici kola kompresoru, kterou. je nutné zmagnetovat. Podmínkou je, že matice musí být vyrobena z feromagnetického materiálu. Výstupem indukčního snímače je střídavý signál s frekvencí otáček turbodmychadla. Amplituda výstupního napětí signálu je velice nízká (v řádu desítek milivoltů), proto musí být signál zesílen a dále převeden na TTL úroveň pro další zpracování digitální čítačovou technikou. Tento způsob měření otáček selhává u menších typů turbodmychadel, kdy lze těžko zajistit dostatečně silné magnetické pole v okolí cívky snímače, který z rozměrových důvodů. nelze umístit do blízkosti matice. Matice často není dostatečně vysunutá do vstupního nátrubku viz Obr. 1. 1 Ing. Jiří Vávra, Výzkumné Centrum Josefa Božka, Strojní fakulta ČVUT v Praze, Technická 4, 16607 Praha 6, tel. 224351827, fax: 224351865, e-mail: jiri.vavra@fs.cvut.cz
Obr. 1 - Umístění indukčního snímače na kompresorové skříni 3. Vyhodnocení otáček turbodmychadla z měření vibrací Další zkoušenou variantou bylo vyhodnocení otáček z vibrací turbodmychadla. Tento způsob je běžně používán při zkouškách turbodmychadel u výrobce, kdy vibrace TBD jsou jedním z velmi sledovaných parametrů. Harmonickou analýzou signálu z akcelerometru umístěného na ložiskové skříni TBD lze vyhodnotit otáčky jeho rotoru. Při zkouškách u výrobce je TBD běžně umístěno na zkušební stolici a je poháněno stlačeným vzduchem přiváděným z kompresorové stanice. Akcelerometr tedy snímá pouze vibrace turbodmychadla. Při aplikaci tohoto způsobu měření na běžícím motoru lze ovšem očekávat významné zkreslení signálu vlivem vibrací celého agregátu. Pro získání prvních zkušeností s použitím akcelerometrů pro měření vibrací TBD na běžícím motoru bylo provedeno několik pokusných měření na brzdovém stanovišti v laboratoři autora na motorech ML636NG a A712NG. Spolu s měřením vibrací akcelerometrem byly provedeny záznamy hluku zvukoměrem B&K Mediator se snahou vyhodnotit otáčky TBD z akustické emise lopatek. Mikrofon hlukoměru byl umístěný ve výšce asi 1m nad TBD. Na šroubení přívodu mazacího oleje na ložiskové skříni TBD byl připevněn piezoelektrický akcelerometr Bruel&Kjaer BK4370V. Signál ze snímače byl zesílen pomocí zesilovače náboje a přiveden na rychlou A/D převodníkovou kartu. Pro testy byly provedeny záznamy vibrací a zvuku při různých otáčkách motoru při plném zatížení motoru. Otáčky TBD ČZ K36 4064MNA 25.21 se na motoru ML636NG současně měřily pomocí indukčního snímače. Signál byl převeden na digitální TTL signál, který byl přiveden na vstup čitačové karty a softwarově byla zjištěna střední frekvence. Tento údaj byl zaznamenán spolu s ostatními veličinami měřicí ústřednou brzdového stanoviště. Současně byly vzorkovány analogové signály z akcelerometru a zvukoměru frekvencí 50 khz. Pro vyhodnocení otáček byla na zaznamenané průběhy aplikována Fourierova transformace. Výsledná frekvenční spektra z měření na motoru ML636NG jsou zobrazena na Obr. 2 a Obr. 3. Předpokládané harmonické frekvence otáček turbodmychadla a jim odpovídající lopatkové frekvence lze sice v záznamech pozorovat, zatím se však nepodařilo vyvinout spolehlivý algoritmus pro jejich automatizované vyhodnocení.
Obr. 2 - Spektra vibrací a hluku TBD zaznamenaných piezoelektrickým akcelerometrem B&K4370V a zvukoměrem B&K Mediator s mikrofonem umístěným 1 m nad TBD a) n m = 1000 min -1, f záž = 50 Hz, f TD = 632 Hz, f TDlop =7584 Hz Obr. 3 - Záznam při zvýšených otáčkách motoru n m = 1512 min -1»f záž = 75.6 Hz, f TD = 1098 Hz, f TDlop = 13173 Hz 4. Optický Laserový snímač otáček TBD Firma AVL dodává zařízení na měření otáček TBD na optickém reflexním principu [2]. Zařízení sestává z laserové vysílací a snímací diody a vyhodnocovací elektroniky. Na matici kompresoru je nutné speciální reflexní barvou vytvořit značku, na kterou se zaměří optický vysílač a přijímač. Vstupní část skříně kompresoru je nutné opatřit otvorem pro snímač. Nevýhodou tohoto zařízení je však příliš vysoká pořizovací cena a trvanlivost značky na matici rotující otáčkami až 200 000 min -1. 5. Snímač na principu vířivých proudů Pro laboratorní měření otáček bylo v laboratoři autora zakoupeno zařízení snímající pohyb lopatek kompresoru turbodmychadla na principu vířivých proudů. Vysokorychlostní
snímač přiblížení reaguje na průchod elektricky vodivých kompresorových lopatek. Změna vířivých proudů způsobuje změnu impedance na měřicí cívce snímače a následně změnu elektrického signálu. Výrobce tohoto snímače - firma MICRO-EPSILON uvádí možnost měření otáček až do 400 tis. min -1. Celé zařízení sestává z velice kompaktního snímače přiblížení, vysokofrekvenčního spojovacího kabelu a vyhodnocovací elektronické jednotky. Elektronika poskytuje tři druhy výstupního signálu: 1. analogový napěťový signál proporcionální otáčkám TBD 2. digitální signál TTL puls / otáčku kompresorového kola 3. digitální signál TTL puls / lopatku Snímač µε byl vyzkoušen na TBD motoru 1.9TDI ARG na brzdovém stanovišti v laboratoři. Snímač byl namontován na kompresorovou skříň TBD tak, aby jeho konec byl zarovnán s vnitřním povrchem kompresorové skříně viz Obr. 4. Snímač je takto bezpečně ochráněn před mechanickým kontaktem s lopatkami. Tímto způsobem však nelze zaručit dodržení výrobcem předepsané vzdálenosti mezi snímačem a lopatkami v rozmezí 0.1 až 0.5 mm. Obr. 4 Umístění snímače µ-ε na TBD motoru Škoda Octavia 1.9TDI ARG; vpravo časový záznam vnější rychlostní charakteristiky s otáčkami TBD V průběhu testování byly postupně zkoušeny všechny tři typy výstupního signálu. Na Obr. 4 vpravo je zobrazen časový záznam vnější rychlostní charakteristiky motoru 1.9TDI ARG. Napěťový analogový signál otáček turbodmychadla byl přiveden do měřicí ústředny. Při nejvyšších otáčkách turbodmychadla je ze záznamu jasně patrná ztráta signálu. Tento jev je zřejmě způsoben nedodržením předepsané vzdálenosti snímače od rotujících lopatek vlivem axiálního posunutí rotoru turbodmychadla při vyšším stlačení. Záznam digitálních pulsů byl proveden metodou využívající taktu procesoru PC jako přesné časové základny pro určení periody pulsů metodou popsanou v [1]. Pro měření bylo použito běžné PC s frekvencí procesoru zhruba 1 GHz. Naměřené datové soubory obsahovaly posloupnost intervalů po sobě jdoucích pulsů vyjádřenou v taktech procesoru. Záznamy bylo pro zjištění frekvenčního spektra nutné převzorkovat na záznam s časově rovnoměrnou periodou umožňující provést klasickou Fourierovu transformaci.
Inverzní Fourierovou transformací byly vybrány významné harmonické složky a zpětně z nich složen vyhlazený průběh. Pro převzorkování záznamu bylo využito lineární interpolace. Na Obr. 5 vpravo je červenou čarou zobrazen výsledný převzorkovaný signál na frekvenci 50 khz. Vlevo je zobrazeno amplitudové frekvenční spektrum záznamu. Nejvýznamnější složkou je zážehová frekvence, její celočíselné násobky a nižší frekvence odpovídající meziválcovým a mezicyklovým fluktuacím. Z těchto složek (na obr. vyznačeny hvězdičkou) je inverzní Fourierovou transformací složený vyhlazený záznam vpravo (modrý). Frekvenční složka (1¼ otáčkové frekvence TBD) způsobující roztřepení signálu je zřejmě způsobená měřicí aparaturou. Obr. 5 Vlevo frekvenční spektra signálu TTLpuls/lopatku nahoře a TTLpuls/lopatku dole; vpravo časový průběh signálu a vyhlazený časový průběh; TBD motoru 1.9TDI ARG, n m = 1500 min -1, UEPC 1 = 2.56 V a 2V Záznam změny otáček turbodmychadla při přechodovém ději jsou vyneseny spolu z dalšími veličinami na Obr. 6. Při konstantní poloze akcelerátoru byly dynamometrem zvýšeny otáčky motoru z 1500 na 3500 min -1. V tomto případě byl analogový výstup z elektroniky snímače připojen na vstup zásuvné A/D desky a byl kontinuálně zaznamenán vzorovací frekvencí 20kHz. Současně byly maximální vzorkovací frekvencí měřicí ústřednou zaznamenávány ostatní měřené veličiny. Na Obr. 6 vpravo je zobrazen detail fluktuací otáček. Je zde vynesen naměřený nevyhlazený průběh okamžitých otáček a průběh vyhlazený inverzní Fourierovou transformací. Z průběhu je patrný nerovnoměrný příspěvek jednotlivých válců na fluktuace otáček turbodmychadla.
Obr. 6 Záznam jednoduchého přechodového děje; časové průběhy momentu Mt, otáček motoru RPM, tlaků za kompresorem pk2 a před turbinou pt1, průtoku paliva Mfl, napětí UEPC a otáček turbodmychadla trpm. Vpravo detail okamžitých otáček vyhlazených Fourierovou transformací. 6. Závěr K měření otáček turbodmychadla jsou na pracovišti autora používány dva druhy snímačů. Na větších TBD lze využít indukčního snímače snímajícího změnu magnetického pole v okolí zmagnetované matice kompresoru. Na menších strojích lze použít snímače na principu vířivých proudů. Výsledky měření s tímto snímačem ukázaly vhodnost metody i pro zjištění okamžitých otáček TBD a zjištění jejich fluktuací vlivem tlakových pulsů ve výfuku spalovacího motoru. Průběhy okamžitých otáček turbodmychadla mohou být zařazeny mezi ladicí (kalibrační) parametry matematických modelů přeplňovaných motorů. Práce, jejichž výsledky se prezentují v příspěvku byly provedeny v rámci zapojení autora do výzkumného záměru J04/98: 212 2 00009 Zvyšování účinnosti energetických strojů a zařízení a snižování energetických dopadů. 7. Literatura [1] Vávra, J. Netradiční využití analýzy otáčení klikového hřídele. In: Zborník z medzinárodnej vedeckej konferencie. Nitra : Slovenská poľnohospodárska universita v Nitre, 2002, díl 1, s. 53-58. ISBN 80-8069-051-0. [2] www.avl.com Lektoroval: Prof. Ing. Michal Takáts,CSc.