Synkroniserade förbrännings- och NVH-mätningar på en motortestbänk
Vid design av personbilar blir den subjektiva förarupplevelsen allt viktigare. En nyckelfaktor är de vibrationer och det ljud som föraren utsätts för under körning. För detta är fordonets drivlina den främsta påverkande faktorn. Grunden för analys och optimering är att förstå data från förbränningsmotorn i kombination med flera NVH-data från föraren, omgivningen och fordonsbussdata. På sina testbänkar stod Frankfurt University of Applied Sciences inför utmaningen att förenkla mätningarna och öka den tillgängliga testkapaciteten. Dewesoft hjälpte till.
Många mätsystem fokuserar endast på en applikation och en uppsättning data. För komplexa uppgifter behöver man ofta flera mätsystem och lägga ned tidskrävande arbete på efterbearbetning.
För dataanalys och optimering behöver man vanligtvis använda tre till sex exporter i olika programvaror. Man måste kontrollera de insamlade data för rimlighet och synkronisering. Med Dewesoft behöver man bara en mätfil för olika exporter. Samtidigt kan analys och optimering göras i valfri programvara.
Dewesofts lösning hjälpte universitetet att etablera synkroniserad mätning med direkt visualisering som standardmetod. Detta är bara ett exempel på många situationer som kräver olika specialiserade mätsystem. OEM:er, Tier 1-leverantörer och alla som konstruerar eller verifierar mer än en enskild komponent möter dessa utmaningar med synkronisering och omedelbar visualisering.
Problemet, testbänkstid
I detta fall genomfördes uppsättningen av mätningar enligt denna metod vid Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS). Universitetet erbjuder cirka 38 utbildningsprogram inom arkitektur och byggteknik, ekonomi och affärsjuridik, informatik och ingenjörsvetenskap, socialt arbete och hälsa.
Sedan 1988 har laboratorieingenjören Dipl.-Ing. Ingo Behr, M.H.Edu., arbetat vid Frankfurt UAS i laboratorierna vid fakulteten för datavetenskap och ingenjörsvetenskap med fokus på förbränningsmotorer. Han har erfarenhet av frågor kring reform av utbildningsstrukturer och är involverad i utformningen av påbyggnadsutbildningar inom maskinteknik.
Ingo Behr hade dock ett problem. Laboratoriet kunde inte visa studenterna de grundläggande sambanden mellan cylindertrycket i en förbränningsmotor och NVH-parametrar. Livevisualisering var inte möjlig med separata system. Och efterbearbetningen tog mycket mer tid än själva testet.
Dagens utmaning inom högre utbildning är att ett stort antal studenter måste lära sig grunderna i testbänksdrift. Och kontrollrummet för testbänken har bara plats för tre till fyra personer. Vi måste använda vår tid på testbänken så effektivt som möjligt.
Frankfurt UAS har ett dedikerat motorlaboratorium för forskning på förbränningsmotorer. Laboratorieteamet ansvarar också för utbildning av studenter inom förbränningsmotorer och områden som mätning av olika fysikaliska storheter, termodynamik, vibrationsanalys och avgasmätningar.
Motorlaboratoriet har flera testbänkar:
Klassiska motortestbänkar
En testbänk för oktantal hos bränsle
En testbänk för diesels högtrycksbränslepumpar
Testbänkar för små encylindriga motorer
Olika arbetsytor, till exempel för justering och montering av mekaniska delar, bränsleblandning och efterbearbetning, kompletterar laboratoriet.
Applikationen, körkomfort
Hur förare och passagerare upplever körning har blivit allt viktigare. Idag är körkomfort en avgörande marknadsfaktor. Fordonsingenjörer arbetar med att översätta subjektiva upplevelser till objektiva och mätbara nyckeltal och utveckla lämpliga testmetoder.
Passagerarnas exponering för vibrationer och ljud är ett kriterium för komfortupplevelsen i personbilar. Traditionellt använder utvecklingsingenjörer flera olika mätsystem för att utvärdera detta, där varje system hanterar specifika uppgifter som förbränningsanalys, vibrationsanalys eller akustisk analys. Ofta används tre eller till och med fyra mätsystem parallellt.
Ett problem med denna uppställning är att systemen inte är direkt synkroniserade och ofta kräver ytterligare data från andra system för analys och optimering. De producerade mätfilerna är inte synkroniserade och datainpassning är tidskrävande eller till och med omöjlig.
Den klassiska lösningen är att använda högt specialiserade system som endast passar en specifik applikation. Ett system används för förbränningsmätning, ett annat för vibrationer och akustik, och ett tredje samlar bussdata från CAN-FD eller FlexRay. Varje system har sin egen programvara och genererar data som inte är anpassade till de andra.
Denna metod har flera nackdelar, till exempel behovet av användarerfarenhet i varje system och den tidskrävande processen att anpassa data. Detta är inte alltid möjligt. Dewesofts metod är att möjliggöra optimering och djupare analys genom att mäta all data med ett enda system och distribuera rådata och beräknade data via olika exporter till specialiserad programvara.
Med endast ett mätsystem kan all data samlas in och lagras i en enda fil. Samtidigt utför Dewesoft standardberäkningar för alla involverade applikationer och visar resultat i realtid.
Omedelbar visualisering av sambandet mellan förbränningsanalys och motorvibrationer är avgörande för att uppfylla våra förväntningar.
Onlinevisningen ger möjlighet att direkt verifiera data och minska antalet ogiltiga mätningar som orsakas av till exempel yttre påverkan. Samtidigt kan data efterbearbetas med redan etablerade processer. Dewesofts programvara kan dock förenkla arbetet genom att stödja efterbearbetning med olika exportformat.
Figur 1 visar denna förenkling av processen. De olika systemen (A–D) kan ersättas av ett system med en enda onlineprogramvara. De befintliga analys- och optimeringsprocesserna stöds genom export.
Lösningen, kombinerad förbrännings- och NVH-teknik
Motortestanläggningen har två rum, ett för testbänken och ett kontrollrum. Laboratoriet har modifierat en standardmotor från en personbil för att visa studenterna de grundläggande testbänksuppgifterna med stationära mätningar och dynamisk körning. Denna motor är monterad på testbänken, och dynamometern omvandlar den genererade effekten till elektrisk energi. Motortestbänken inkluderar även olika system för att mäta:
motorns mekaniska effekt,
bränsleförbrukning,
avgasanalys,
förbränningsmätning, och
NVH-mätning.
Studenterna måste genomföra tester i detta laboratorium under sin utbildning. Vanligtvis delas de in i små grupper med olika mätuppgifter. Grupperna diskuterar sina mål och planerar en mätprocedur. Därefter genomför de mätningarna på motortestbänken, analyserar data online och gör efterbearbetning. Allt detta sker under några sessioner under en termin. Slutligen presenterar studenterna sina resultat och slutsatser för andra studenter och motiverar dem inför examinatorerna.
I ett projekt ska studenterna samla in data och korrelera resultaten från förbränningsmotorn med data för buller, vibrationer och hårdhet (NVH). All data kommer från sensorer monterade utanför motorn. Syftet med testet är att fastställa sambandet mellan förbränningsmotorn, de vibrationer den orsakar, före och efter lagret, och det ljud den genererar. Testet är överförbart till utveckling av personbilar eftersom det behandlar ett universellt problem även i andra applikationer.
Systemuppställning
Dewesofts testuppställning är utformad för att vara mobil och kan användas på vägar eller testbanor. Den fungerar även med testbänkar som chassidynamometrar. Testning kan ske manuellt eller via system som styrs som fjärrkontrollerade slavar, till exempel av Etas INCA, mobil användning, eller ett automationssystem, testbänk. Driften kan styras via triggers, XCPoE eller ett testbänksplugin.
Systemkonfigurationen beror på antalet kanaler och applikationer. Vanligtvis består datainsamlingssystemet av:
SIRIUSi High Speed, HS, moduler med integrerade laddningsförstärkare som samlar in förbränningsdata med upp till 1 MS/s samplingshastighet.
SIRIUS DualCore eller SIRIUS High Density, HD, moduler med IEPE-ingångar som samlar in ljud- och vibrationsdata med upp till 200 kS/s samplingshastighet.
Dessa system är helt synkroniserade, och hårdvaran tidsstämplar de analoga mätdata. CAN-FD kan också mätas inom samma hårdvara. FlexRay samlas in parallellt och synkroniseras mjukt med tidsinformationen från meddelandenas ankomst. Avkodning av bussdata sker online direkt i programvaran.
Hårdvarukonfiguration
Den använda hårdvarukonfigurationen består av Dewesoft SIRIUS datainsamlingssystem, se även Figur 3:
SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ med CAN-FD-uppgradering och laddningsförstärkare
SIRIUS-HD-16xACC med CAN-FD-uppgradering och IEPE-ingångar
Observera att dessa system kan konfigureras på olika sätt.
Motoruppställningen, se Figur 4, baserades på en vevaxelgivare (1), modifierade tändstift som mäter förbränningstrycket (2), vibrationssensorer (3) och en mikrofon (4) placerad i testbänken. Kablar anslöt sensorerna till SIRIUS-mätmodulerna i motorstyrningsrummet bredvid automationssystemet.
Mjukvarukonfiguration
Genom DewesoftX Professional-programvaran används Dewesoft SIRIUS-mätsystemen som slavar i förhållande till testbänksautomationssystemet. DewesoftX använder standard scope för datainsamling. Analoga och räknaringångar definieras, och nödvändiga beräkningar fördefinieras i motsvarande plugins och tillval.
Den använda programvaran är:
DewesoftX Professional, programvara för signalmätning, datainsamling, signalbearbetning samt datavisualisering och analys.
Dewesoft Combustion Engine Analyzer, möjliggör grundläggande förbränningsanalys och omberäkning från tidsdomänen till vinkeldomänen, i tidsdomänen för kallstarter. Tillvalet lägger även till förbränningsscope och p-V-diagram som visuell kontroll.
Dewesoft Sound Level Meter-modul, tillför ljudnivåmätningsfunktionalitet till DewesoftX.
Dewesoft FFT-modul, möjliggör FFT-analys i realtid på obegränsat antal ingångskanaler med ett stort urval av avancerade markörer och lagerfel.
Utöver Sound Level Meter kan Dewesoft även erbjuda mätning av ljudkvalitet, ljudintensitet och torsionsvibrationer, helt synkroniserat. Detta möjliggör framtida analyser med samma system.
Exemplet som beskrivs här visar fyra piezoelektriska cylindertryckssensorer monterade i förbränningskammaren och anslutna till SIRIUSi-HS-systemet med laddningsingångar. Denna enhet har även vevaxelgivaren ansluten via Dewesoft Supercounters. Detta möjliggör grunden för förbränningsmätning vid alla motorvarvtal tack vare en samplingshastighet på upp till 1 MS/s.
Dewesoft Combustion Engine Analyzer-modulen används för analys av förbränningsmotorer. De fyra uppmätta trycksignalerna omvandlas från tidsdomänen till vevaxelvinkelns domän och kan visas cykel för cykel. Programvaran beräknar också nödvändiga mätresultat, till exempel medel effektivt tryck och förbränningens centrum.
Laboratorieingenjören Ingo Behr anslöt vibrations- och ljudsensorerna till ett SIRIUSi-system med IEPE-ingångar. Detta system har en samplingshastighet på 200 kS/s med 2x24-bitars upplösning per kanal. Systemet möjliggör ett dynamiskt område på nästan 160 dB och högkvalitativ ljuddata.
Data överförs till en FFT eller en viktad ljudnivå med hjälp av Sound Level Meter- och FFT-modulerna. Denna uppställning gör det möjligt att se högfrekventa komponenter i vibrationerna och det ljud som genereras av motorlagret. Genom att använda ytterligare accelerometrar kan man även jämföra motorvibrationer före och efter lager och mäta deras dämpning.
Mätsystemet konfigurerades som slav i förhållande till motortestbänksautomationssystemet med hjälp av testbänkspluginen i DewesoftX. Slavdriften är inte begränsad till detta, den kan även användas tillsammans med ECU-kalibrerings- eller valideringsverktyg.
Fördelen med detta är att automationssystemet inte bara styr mätsystemet, start och stopp. Filnamn för mätningarna definieras av automationssystemet och överförs till DewesoftX Professional. Resultaten, förbrännings-, ljud- och vibrationsmätvärden, visas kontinuerligt i systemets översikt och databaslagring.
Onlinevisningen hjälper till att direkt verifiera systemuppsättningen, vilket är ytterligare en fördel med denna metod. Felaktiga mätningar blir omedelbart synliga och kan korrigeras och upprepas. Figur 5 visar inställningen av analoga ingångar med kanalerna 1 till 4 och 9 till 11.
Mätningarna
De två vanligaste typerna av tester som används vid motorutveckling är steptest och “accelerationstest” eller sveptest.
I ett steptest körs motorn med konstant varvtal tills den är stabil och data registreras. Därefter ändras motorvarvtalet till nästa inställningspunkt. Fördelen med steptestet är att motorns och dynamometerns tröghet inte påverkar vridmomentmätningen. Utan acceleration blir testet mer konsekvent.
I steptestet måste motorn köras vid ett konstant varvtal under en kort tid. Detta är dock inte ett driftförhållande som motorer vanligtvis upplever, vilket kan påverka justeringen. Det är en grundläggande orsak till att optimal inställning på dynamometer och bana kan skilja sig åt.
Svep- eller accelerationstestet accelererar motorn med en konstant hastighet, till exempel 100 rpm per sekund eller 300 rpm per sekund. Sveptest är vanligtvis resultatet av en kontrollerad minskning av belastningen från effektabsorptionsenheten.
Sveptest simulerar förhållanden på bana mer realistiskt än steptest, men accelerationsstyrningen påverkar vridmomentmätningarna. Under testet och mellan olika tester måste accelerationshastigheten vara konsekvent. Dynamometerstyrsystemet är en viktig faktor för att uppnå konsekvens mellan sveptest.
DewesoftX-programvaran stöder olika skärmar och widgets för att erbjuda en rad möjligheter för datavisualisering. Målet med visualiseringen är att ge en tydlig översikt av relevant data för att verifiera om mätningen är giltig.
Mätskärmen i Figur 6 visar de olika datatyperna grupperade i separata områden. Varje hörn presenterar ett dataområde. I detta fall visas följande dataområden:
förbränningsmätning,
vibrationsmätning,
akustisk mätning, och
bussdata och datakorrelationsdata.
Slutsats, förenklad testning
Med en enkel uppställning gjorde Dewesofts metod det möjligt att samla in alla nödvändiga parametrar. Antalet mätsystem och interaktionerna mellan olika system reducerades till ett minimum. Denna minskning ledde till en mycket mer stabil och mindre problematisk testmiljö, samt färre timmar på testbänken.
I vårt praktiska test förenklade Dewesofts metod datainsamlingsprocessen och krävde inga justeringar i den etablerade analysprocessen.
Laboratoriet kan använda systemet som ett fristående system för mobila tester. Samtidigt visade det sig vara användbart även i en testbänksuppställning, motortestbänk eller chassidynamometer, inklusive stöd för krav som Road2Rig. Ett brett utbud av fordonsbussar som CAN-FD och FlexRay, inklusive dynamiska PDU:er, är möjligt med Dewesoft. Det finns inte många mätsystem som stöder ett lika brett spektrum av fordonsbussar.
Framgången med denna lösning bygger främst på två unika egenskaper:
Möjligheten att samla in synkron rådata och fordonsbussdata, inklusive nödvändiga beräkningar för olika områden, såsom förbränningsanalys, ljudanalys och vibrationsanalys.
Möjligheten att stödja alla nödvändiga dataexporter och tillhandahålla data till involverade team och processer.
Det breda utbudet av stödfunktioner och exporter i DewesoftX gör det möjligt att anpassa denna metod till olika kombinationer, såsom:
Hybridmotoranalys, förbränningsmotoranalys + analys av elektrisk motoreffekt.
NVH-analys av elbilar, analys av elektrisk effekt + ljudnivå + ljudintensitet + orderanalys + vibrationsanalys.