ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
OBSA
UGIWANIE MASZYN I URZ
DZEC
OKR
TOWYCH
OMi UO 2005
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak
Możliwości eliminacji zakłóceń przy pomiarach ciśnień
w komorze spalania silników okrętowych
Słowa kluczowe: okrętowe silniki z zapłonem samoczynnym, indykowanie,
proces spalania, czujniki ciśnienia, zakłócenia
Potrzeby wprowadzenia systemów monitoringu procesu spalania, wszystkich ukła-
dów cylindrowych silników okrętowych przez cały okres eksploatacji stymulują rozwój
techniki elektronicznego indykowania. Dane z systemów monitoringu mają służyć za-
awansowanej diagnostyce pracy silnika. Złożone przetwarzanie sygnałów pomiarowych
wymaga zastosowania precyzyjnych i efektywnych elementów przeciwzakłóceniowych.
W artykule przedstawiono aspekty zastosowania filtrów elektronicznych w pomiarze
ciśnień w komorze spalania.
Possibilities of Eliminating Inference at Pressure Measurements
in Marine Diesel Engine Combustion Chambers
Key words: marine diesel engines, firing diagrams, combustion process,
pressure transducers, interference
In order to improve the reliability of the engine system, a new technology for en-
gine control is needed. One of the methods used to meet this requirement is to develop a
convenient and real-time measuring system. The equipment can be used in order to
evaluate engine performance. Conventional calculations based on the pressure-volume
diagram require a high-speed central processing unit (CPU) and a high accuracy meas-
urement instrument. This paper presents some interference problems with combustion
pressure measurement and analysis.
111
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak
Wstęp
Dokładność odwzorowania przebiegu ciśnienia zmieniającego się w badanej
przestrzeni komory spalania determinuje przydatność pomiaru do dalszej
analizy. Obecnie stosowane elektroniczne przetworniki ciśnień nie eliminują
ryzyka powstawania zakłóceń wynikających z uwarunkowań konstrukcyjnych
kanału łączącego czujnik z komorą spalania. W przypadku pomiarów przebiegu
spalania w komorach silników okrętowych takie ryzyko jest bardzo realne,
kanały połączeniowe zaworu indykatorowego i komory spalania są bardzo
długie i maja często złożony kształt: załamania, zmiana przekrojów. Można
założyć, że kanał stanowi dość pewne z
ródło błędów i zakłóceń takich jak [6]:
 zmiana wartości stopnia sprężania przez włączenie dodatkowej
objętości,
 opóz
nienie impulsu ciśnienia jako rezultat wydłużenia czasu potrzebne-
go do przemieszczenia się fali ciśnienia przez kanał,
 spadek ciśnienia rejestrowanego przez czujnik wywołany stratami
kanału,
 drgania rezonansowe słupa gazów zawartych w kanale.
Rodzaj oraz intensywność występujących w tym zakresie zakłóceń są
zmienne i zależne od wielu czynników trudnych do wyeliminowania. Czynniki
te dodatkowo mogą ulegać ciągłym zmianom w czasie eksploatacji i mają
z reguły związek z silnym zanieczyszczaniem się kanałów, prowadzącym często
do zupełnego ich zablokowania. Jest to nieodłączny aspekt zasilania silników
paliwami pozostałościowymi [2].
Drugą grupę zakłóceń stanowią błędy generowane w elektronicznym
układzie pomiarowym. Współczesne przetworniki ciśnienia, karty analogowo-
cyfrowe, wzmacniacze, komputery oraz inne elementy układów pomiarowych
stanowiÄ… potencjalne z
ródło powstawania zakłóceń. Jako precyzyjne narzędzia
pomiarowe podlegają także wpływowi otoczenia. W przypadku siłowni
okrętowych będzie to oznaczało obecność silnych zmiennych pól
elektromagnetycznych, zmienne temperatury, drgania mechaniczne, wysokÄ…
wilgotność powietrza oraz silne zanieczyszczenie powietrza. Szczególnie ta
druga grupa generowanych i rejestrowanych zakłóceń stanowi nierozpoznane i
bardzo trudne do opisu zjawisko występujące w otoczeniu przemysłowym.
Możliwości eliminowania tego typu zjawisk są również bardzo ograniczone ze
względu na brak podstaw do ukierunkowanego działania.
Wymagania wynikajÄ…ce z potrzeby monitorowania procesu spalania w ko-
morze silników, z wykorzystaniem nowoczesnych przetworników ciśnień sty-
mulują poszukiwanie efektywnych sposobów likwidowania zakłóceń. Sposoby
112
Możliwości eliminacji zakłóceń przy pomiarach ciśnień w komorze spalania silników okrętowych
te mogą dotyczyć drogi akwizycji sygnału w elektronicznym układzie pomiaro-
wym lub możliwym jest też algorytmiczne jego przetwarzanie.
1. Opis badań  cel
Głównym zadaniem współczesnych systemów monitorowania i diagnostyki
procesu spalania jest pewne i szybkie określenie podstawowych parametrów
charakteryzujÄ…cych tÄ™ istotnÄ… fazÄ™ cyklu roboczego silnika. Budowane obecnie
układy charakteryzują się wysokimi częstościami próbkowania odniesionymi do
parametrów pracy silnika  przede wszystkim prędkości obrotowej, w tym kąta
pojedynczego obrotu wału korbowego. Zwiększenie szybkości akwizycji danych
daje też dodatkowo możliwości określenia cech charakterystycznych zakłóceń 
częstotliwości i amplitudy. Nie jest jednak w dalszym ciągu możliwym ustalenie
przyczyny ich powstawania. Przykładowy pomierzony przebieg zmiennego
ciśnienia w komorze spalania pokazuje rysunek 1. Zaznaczone widmo sygnału
zakłóconego stanowi duże utrudnienie w dalszej analitycznej części obróbki
i przetwarzania danych, której celem jest obliczanie właściwych cech procesu
spalania: średniego ciśnienia indykowanego, faz oraz obszaru najwyższego
ciśnienia spalania.
14
przypus zczalny przebieg
ciśnienia
12
sygnał pomiarowy
10
cyfrowy
8
6
4
czas
Rys. 1. Przebieg zmiennego ciśnienia z zakłóceniami
Fig. 1. Variable pressure with inference
Sposobów pozwalających na ustalenie przypuszczalnego przebiegu ciśnie-
nia w komorze spalania jest kilka. Głównym, jaki należałoby rozpatrywać, jest
zastosowanie filtrów przeciwzakłóceniowych: elektronicznych lub cyfrowych.
Celem pracy jest próba określenia możliwości zastosowania filtrów elektronicz-
nych w części akwizycji sygnału analogowego. Filtr taki, złożony najczęściej
z kondensatorów, dławików i rezystorów, działa przez eliminację niepożądanych
części widma sygnałów pomiarowych  elektrycznych, które nie zawierają
113
ciśnienie [bar]
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak
informacji istotnych dla treści danego sygnału. Filtr jest scharakteryzowany
przez stratę sygnału, na drodze którego się znajduje. Parametr ten, definiujący
skuteczność filtrowania jest określany jako tłumienność wtrąceniowa. Z definicji
jest to poziom sygnału pozostałego po włączeniu filtra, odniesiony do poziomu
sygnału obserwowanego w tym samym punkcie bez filtra.
2. Opis stanowiska  przebieg pomiarów
Stanowisko wykorzystywane do badań opiera się w głównej części na
stanowisku okrętowego silnika Sulzer 6AL20/24. Uproszczony schemat
stanowiska silnika przedstawia rysunek 2.
Stored
Display
data
Control
panel
Safety
Monitoring
Control
system
Propulsion
Control
Rys. 2. Schemat stanowiska silnika okrętowego
Fig. 2. Engine test-bed layout
Przy jednym z układów cylindrowych silnika  głowicy  wbudowano
króciec ciśnieniowy przeznaczony do ciągłego monitoringu procesu spalania.
Układ pomiaru ciśnienia pokazany na rysunku 3 zwiera elementy, których
krótką charakterystykę przedstawia tabela 1.
114
Możliwości eliminacji zakłóceń przy pomiarach ciśnień w komorze spalania silników okrętowych
Terminal
optoelektroniczny
komora spalania
połączeniowy
przetwornik
silnika
Vin1 Vout1
ciśnienia
sygnał
Vout1
P
Vout2
karta a/c
Vin2 Vout2
x2 un
u5
u4
u4
u4
u3
u2
x1 u1
Komputer
pamięć
baza danych
aplikacja
akwizycyjna
driver
programowy
dane
driver
sprzętowy
Rys. 3. Schemat układu pomiarowego
Fig. 3. Measurement assembly diagram
Tabela 1
Zestawienie elementów układu pomiarowego
List of test modules arrangement
Lp Element układu pomiarowego 
Producent Charakterystyka
. typ, oznaczenie
zakres pomiarowy; 5000 psi,
Czujnik ciśnienia  optoelektroniczny;
1 Optrand sygnaÅ‚ analogowy 0 ÷ 5V,
Auto PSI Dynamic Pressure Sensor HT
dokładność pomiaru ą0,5%
Terminal połączeniowy  Advantec
2 38 pin typu DB 37
PCLD 8115, h
Karta analogowo-cyfrowa  częstość próbkowania 100 kHz,
3 Quatech
PCMCIA  DAQP 308 4 kanały różnicowe
Aplikacja akwizycyjna 
4 Daisytec jednostanowiskowa [1]
DaisyLab 7.0
W układzie pomiarowym, dokładniej w jego części akwizycyjnej, zastoso-
wano filtrowanie elektroniczne sygnału. Filtr o zmiennych właściwościach
(rys. 4) [5] zainstalowano na płycie terminalu połączeniowego. Parametry filtra
115
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak
dolnoprzepustowego  tłumienność wtrąceniową (założone pasmo 3 dB)  usta-
wiano według założonych wartości i obliczano z zależności [5]:
1
f3 = [dB] (1)
2Ä„ Å" CD0(Ra0 + Ra8)
Ra0
CH0H
A
Ä…cznik
A
Ä…cznik
RD0
CD0
wewnętrzny
zewnętrzny
Ra8
CHOL
Rys. 4. Schemat ogólny połączeń filtra na płycie PCLD  8115
Fig. 4. Electronic filter connection on the wiring terminal board PCLD  8115
W cyklu badawczym przyjęto RD0 = 0 oraz wykorzystano rezystory Ra0, Ra8
o podwyższonej tolerancji wykonania (1%), przygotowując siedem wersji filtra
 dane zawarto w tabeli 2.
Tabela 2
Zestawienie własności wykorzystywanych filtrów
List of filter elements used
Typ filtra A B C D E F G
Częstość założona [Hz] 12000 6000 4000 2000 1000 800 600
CD0 [uF] 0,01 0,01 0,01 0,047 0,047 0,047 0,1
Ra0 + Ra8 obliczone [Ohm] 1326,3 2653 3979 1693 3386 4233 2653
Ra0, Ra8 663,15 1326 1989 846.6 1693 2116 1326
Ra0, Ra8 dobrane [Ohm] 665 1330 1960 845 1690 4220 1300
Rzeczywista częstość filtra
11966 5983 4060 2004 1002 401,2 612,1
[Hz]
116
Możliwości eliminacji zakłóceń przy pomiarach ciśnień w komorze spalania silników okrętowych
3. Wyniki pomiarów
Filtry przeciwzakłóceniowe testowano dokonując pomiarów indykowania
(przebieg ciśnienia w komorze spalania) przy ustalonym częściowym obciążeniu
użytecznym silnika. Przykładowy przebieg ciśnienia bez filtrowania  zapis
cyfrowy pokazuje rysunek 5, natomiast przebieg filtrowany (jeden z badanych
filtrów podanych w tabeli 2) przedstawiono na rysunku 6.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Czas [ms]
Rys. 5. Przebieg ciśnienia w komorze spalania rejestrowany bez filtrowania
Fig. 5. Recorded combustion pressure history without filtering
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Czas [m s ]
Rys. 6. Przebieg ciśnienia w komorze spalania rejestrowany z filtrowaniem
Fig. 6. Recorded combustion pressure history with filtering
Poza zapisem przebiegów ciśnienia spalania uzyskanych przy jednakowym
obciążeniu silnika, dokonano analizy harmonicznej dla wszystkich siedmiu
117
Ciśnienie [bar]
Ciśnienie [bar]
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak
rodzajów filtrów [4]. Analizę FFT* zrealizowano dla określenia charaktery-
stycznych składowych harmonicznych (o najwyższych wartościach amplitudy)
we wszystkich przypadkach modyfikowanych filtrów (rys. 7).
14
A B C
D
12
E
10
F
8
G
6
4
2
0
0 I II III IV V
RzÄ…d harm onicznej
Rys. 7. Rozkład wartości amplitud dla wszystkich zastosowanych filtrów
Fig. 7. The amplitude distribution of the filters used
Wyniki analizy wskazują na zbliżone wartości amplitudy tego samego rzędu
harmonicznej, lecz najmniejszą wartością charakteryzuje się filtr A przy
wyższych rzędach harmonicznych. Wyjątkowo, pierwsza rzędna dla tego filtra
osiąga stosunkowo wysoką wartość. Dla pozostałych filtrów wyższe
harmoniczne cechuje wyższa wartość amplitudy.
Wnioski
Przeprowadzone badania filtrów elektronicznych zabudowanych w
terminalu połączeniowym, mających na celu likwidowanie zakłóceń sygnału
pomiaru ciśnienia w komorze spalania wykazują różną skuteczność. Jest ona
uwarunkowana elementami składowymi filtra (rezystory, pojemność). Stratność
zastosowanych filtrów wzrasta wraz ze spadkiem rzeczywistej częstości filtrów
i zmniejszaniem się różnicy z częstotliwością główną sygnału. W konsekwencji
występuje efektywny spadek wartości sygnału mierzonego, dając zmiany
wartości mierzonych. Przykładem może być stały spadek wartości maksymalnej
ciśnienia spalania  porównanie (z jednakowej liczby pomierzonych cykli
roboczych) pokazano na rysunku 8.
*
Fast Fourier Transformation
118
Amplituda [bar]
Możliwości eliminacji zakłóceń przy pomiarach ciśnień w komorze spalania silników okrętowych
140
120
100
80
60
40
20
0
A B C D E F G
Typ filtra
Rys. 8. Rozkład wartość ciśnienia spalania przy pomiarze z filtrami
Fig. 8. The maximum combustion pressure distribution with filtered measurement
Taki efekt wymaga wprowadzenia zasady szczególnej ostrożności w
doborze parametrów filtrów przeciwzakłóceniowych. Prawidłowy dobór może
oznaczać również indywidualne dopasowanie systemu kanału indykatorowego
do określonego silnika i jego konstrukcyjnego rozwiązania. Ważnym
czynnikiem wydaje się być prędkość obrotowa silnika, która z kolei narzuca
zmiany częstości próbkowania całego układu akwizycyjnego. Szczególnie
trudnym będzie uzyskanie prawidłowych pomiarów przebiegu procesu spalania
w okrętowych czterosuwowych silnikach średnioobrotowych. Rozważane jest
również zastosowanie filtracji cyfrowej z zastosowaniem standardowych
algorytmów.
Literatura
1. DATALOG GmbH, DasyLab Data Acquisition System Laboratory, user
guide, 2000.
2. Gałecki W., Tomczak L., Indykowanie okrętowych silników spalinowych,
Akademia Morska w Gdyni, Gdynia 2002.
3. Honeywell, REFERENCE AND APPLICATION DATA, Pressure and Force
Sensors Selection Considerations, Bulletin MICRO SWITCH Sensing and
Control, 2001.
4. Nagashima K., Tsuchiya K., A calculation method for indicated mean
effective pressure based on harmonic analysis of pressure waveform, Int. J.
Engine Res. Vol. 4 No. 2, JER 03702, 2003.
5. National Instruments, Advantech Co., Ltd, PCLD-8115 Wiring Terminal
Board, Taiwan 1994.
6. Wajand J., Pomiary szybko zmiennych ciśnień w maszynach tłokowych,
WNT, Warszawa 1974.
119
Ciśnienie maksymalne [bar]
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak
Wpłynęło do redakcji w lutym 2005 r.
Recenzenci
dr hab. inż. Andrzej Piętak, prof. WAT
dr hab. inż. Oleh Klyus, prof. AM
Adresy Autorów
dr inż. Tadeusz Borkowski
mgr inż. Przemysław Kowalak
Akademia Morska w Szczecinie
Instytut Technicznej Eksploatacji Siłowni Okrętowych
Zakład Siłowni Okrętowych
ul. Wały Chrobrego1/2, 70-500 Szczecin
120