– uniwersalne metody

Prędkość obrotowa silnika jest jednym z dwóch parametrów charakteryzujących warunki pracy silnika. Drugim jest obciążenie silnika. Podstawową metodą jest pomiar sondą indukcyjną założoną na przewód wysokiego napięcia świecy zapłonowej. Niektóre analizatory spalin oferują możliwość wykorzystania wielu innych metod pomiarowych, np. czujnika optycznego lub pomiar na podstawie impulsów w obwodzie pierwotnym cewki zapłonowej. Wykorzystanie tych metod jest jednak coraz trudniejsze ze względu na np. brak przewodów wysokiego napięcia oraz obudowywanie silnika osłonami, utrudniającymi dostęp. Można odczytać prędkość obrotową silnika ze sterownika, testerem diagnostycznym, jeśli posiadamy oprogramowanie dla danego samochodu. Poniżej przedstawiam dwa uniwersalne moduły do pomiaru prędkości obrotowej firm Bosch i AVL. Są one szczególnie warte zainteresowania dla osób, które obsługują silniki z oboma typami silników.

Pomiar prędkości obrotowej silnika na podstawie tętnienia napięcia w instalacji elektrycznej pojazdu
W samochodach są wykorzystywane powszechnie alternatory, czyli prądnice prądu przemiennego z układem prostowniczym. W instalacji elektrycznej pojazdu, zasilanej przez alternator, występują niewielkie cykliczne zmiany napięcia, tzw. tętnienia, o amplitudzie od 10 do 30 mV (rys. 1). Dla alternatora z 9 diodami prostowniczymi, wystąpienie 6 tętnień napięcia oznacza, że wałek alternatora wykonał 1 obrót. Tylko na podstawie tej informacji nie można mierzyć prędkości obrotowej silnika, ponieważ nie jest znane przełożenie przekładni pasowej napędzającej alternator (nie są podawane). Aby mierzyć prędkość obrotową silnika na podstawie tętnienia napięcia, w całym zakresie prędkości obrotowej, musi być wykonana kalibracja, czyli określenie ile tętnień napięcia w instalacji elektrycznej przypada na 2 obroty wału korbowego silnika. Przypominam, że w czterosuwowym silniku ZS i ZI wał korbowy musi wykonać 2 obroty wału korbowego, aby wystąpiły procesy spalania we wszystkich cylindrach w kolejności pracy (po jednym procesie spalania w każdym cylindrze).



Rys. 1. Zasada pomiaru prędkości obrotowej silnika, z wykorzystaniem tętnienia napięcia w instalacji elektrycznej, na przykładzie silnika czterosuwowego, o kolejności zapłonów 1-3-4-2 i przełożeniu przekładni pasowej pomiędzy wałem korbowym silnika a wałkiem alternatora, wynoszącym 3/2. Opis w tekście artykułu.



Rys. 2. Moduł BDM298 (1) firmy Bosch do pomiaru prędkości obrotowej czterosuwowych silników spalinowych, na podstawie tętnienia napięcia w instalacji elektrycznej samochodu. Opis w tekście artykułu. Źródło: Robert Bosch.

Moduł BDM298 firmy Bosch (rys. 2) wymaga przed kalibracją ustawienia liczby cylindrów silnika. Do wykonania kalibracji wykorzystuje on fakt, że wał korbowy silnika obraca się z różną chwilową prędkością obrotową. Dla obserwatora z zewnątrz silnik obraca się ze stałą prędkością obrotową. Chwilowych niewielkich zmian prędkości obrotowej, bez odpowiednio czułych metod pomiarowych, nie można stwierdzić. Napędzany od wału korbowego wałek alternatora też obraca się z różną chwilową prędkością obrotową, w wyniku czego czas trwania pojedynczych tętnień napięcia będzie różny. Ideę tej metody szczegółowo wyjaśnia rys. 1. Gdy w cylindrze nr 1 wystąpi zapłon mieszanki, a następnie suw pracy, to w jego następstwie wzrośnie chwilowa prędkość obrotowa wału korbowego, a więc czas trwania jednego tętnienia TA (rys.1) zmaleje. Jednak w następnej kolejności zaczyna się suw sprężania w cylindrze nr 3, co powoduje obniżenie chwilowej prędkości obrotowej wału korbowego, a więc czasy trwania dwóch kolejnych tętnień TB i TC (rys. 1) wzrosną. Analogicznie, kolejne suwy sprężania i pracy w kolejnych cylindrach powodują, że czasy trwania tętnień rosną i maleją. Jeśli wał korbowy silnika wykona dwa obroty, to czasy trwania kolejnych tętnień utworzą charakterystyczny dla danego silnika cykl zmian. Jest on dlatego charakterystyczny, ponieważ wartości przyrostu i spadku czasu trwania tętnień zależą np. od sprawności poszczególnych cylindrów. Przy każdych następnych dwóch obrotach wału korbowego, cykl zmian czasów trwania tętnień napięcia powtarza się. Gdy dla silnika pracującego na biegu jałowym moduł określi co ile tętnień powtarza się cykl zmian czasów trwania tętnień, to wie również ile tętnień przypada na dwa obroty wału korbowego. Może wówczas mierzyć każdą prędkość obrotową silnika.



Rys. 3. Fale widma akustycznego silnika, emitowane przez pracujący silnik (a). Z widma akustycznego można wydzielić drgania, których częstotliwość (b) jest zależna od prędkości obrotowej silnika. Źródło AVL DiTest.

Moduł BDM298 firmy Bosch (1, rys. 2), mierzy prędkość obrotową silników ZI i ZS w zakresie od 300 do 6000 obr./min. Zakres wartości napięcia w instalacji elektrycznej pojazdu od 9 do 32 V. Aby wykonać pomiar prędkości obrotowej silnika, wystarczy przyłączyć moduł BDM298 do instalacji elektrycznej za pośrednictwem gniazdka zapalniczki (2), bezpośrednio do akumulatora lub zacisku B alternatora (3). Aby tętnienia były bardziej wyraźne, zalecane jest włączenie kilku “dużych” odbiorników energii. Pokrętło służy do ustawienia liczby cylindrów silnika (od 1 do 12). Na pętlę indukcyjną można założyć standardowy czujnik indukcyjny (4) dowolnego urządzenia diagnostycznego, które do pomiaru prędkości obrotowej silnika wykorzystuje impulsy generowane w pętli indukcyjnej przez moduł BDM298.
Firma Bosch ocenia, że ta metoda jest przydatna w stosunku do 80 proc. pojazdów, bowiem prawidłowe wyniki pomiaru zależą od poziomu zakłóceń w instalacji elektrycznej pojazdu.



Rys. 4. Moduł AVL DiSpeed 492 (rys. a) do pomiaru prędkości obrotowej silników na podstawie częstotliwości ich drgań, z głowicą pomiarową (rys. b). Opis w tekście artykułu. Źródło AVL DiTes.

Pomiar prędkości obrotowej silnika na podstawie widma akustycznego silnika
Silnik podczas pracy jest źródłem drgań (rys. 3a). Czujemy je, jeśli dotykamy jakiegoś elementu silnika lub słyszymy je przenoszone przez powietrze. Można wydzielić z nich drgania, których częstotliwość jest zależna od prędkości obrotowej silnika (rys. 3b). Tę zależność wykorzystuje moduł AVL DiSpeed 492 firmy AVL DiTEST (1, rys. 4a) do pomiaru prędkości obrotowej silników. Drgania silnika są odbierane głowicą pomiarową (2). Posiada ona mikrofon (2a, rys.4b), którym “słucha” drgania przenoszone przez powietrze. W stopce (2b, rys.4b) znajduje się czujnik przyspieszeń, który odbiera drgania przenoszone przez elementy silnika i jego osprzęt, oraz magnes, który służy do mocowania głowicy pomiarowej. Głowica odbiera oba sygnały, ale moduł mierzy prędkość obrotową silnika wykorzystując sygnał, na podstawie którego można to zrobić lepiej.



Rys. 5. Możliwe miejsca montażu głowicy pomiarowej modułu AVL DiSpeed 492: a – na płaskim elemencie blaszanym silnika; b – na nóżce motocykla. Źródło AVL DiTest.

Moduł mierzy prędkość obrotową silników ZI lub ZS, dwu lub czterosuwowych (wybór przełącznikiem 3, rys. 4a), w zakresie od 400 do 10000 obr./min. Na kabłąk (4) można założyć standardowy czujnik indukcyjny do pomiaru prędkości obrotowej. Z gniazdka (5) można odebrać sygnał analogiczny z sygnałem piezoelektrycznego czujnika zaciskowego, przeznaczonego do montażu na przewodach wtryskowych silników ZS, lub sygnał cyfrowy TTL - oba generowane przez moduł AVL DiSpeed 492. Zewnętrzne urządzenia diagnostyczne, które umieją wykorzystywać te sygnały do pomiaru prędkości obrotowej silnika, mogą z nich korzystać. Dodatkowym wyposażeniem modułu jest wyświetlacz (6). Głowicę pomiarową modułu AVL DiSpeed 492 można mocować np. do różnych elementów silnika lub ramy motocykla (rys. 5).

mgr inż. Stefan Myszkowski