tomograficzne obrazowanie lokalnych wartości parametrów

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 141
Elektryka
2011
Krzysztof Polakowski
Instytut Maszyn Elektrycznych
TOMOGRAFICZNE OBRAZOWANIE
LOKALNYCH WARTOŚCI PARAMETRÓW
PRZEPŁYWÓW PRODUKTÓW SPALANIA
W TECHNICE SAMOCHODOWEJ
Rękopis dostarczono 10.06.2011 r.
W pracy przedstawiono metody badań przepływów produktów spalania w układach wydechowych silników spalinowych pojazdów samochodowych, przy zastosowaniu technik tomograficznych.
Zagadnienie to ma istotne znaczenie ze względu na potrzebę optymalizacji i ograniczenia szkodliwych produktów spalania w samochodowych silnikach spalinowych. Problem ten związany jest
bezpośrednio z prawidłowym działaniem elektronicznych systemów sterowania zapłonem i spalaniem mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach. Autor uznał, iż problematyka ta ma znamiona
twórczej pracy naukowej w dziedzinie elektrotechniki samochodowej, zmierzającej do poprawy warunków pracy pojazdów samochodowych.
Metody ultradźwiękowej tomografii transmisyjnej mogą być tu bardzo przydatne. Podstawową
trudnością pomiarów metodami akustycznymi jest ustalenie prędkości przepływu, do czego potrzebny jest dokładny obraz profilu jej rozkładu w kanale przepływowym. Jest to szczególnie
ważne w przypadku transmisyjnych przepływomierzy ultradźwiękowych, które umożliwiają pomiar uśrednionej prędkości przepływu jedynie wzdłuż ścieżki przebiegu impulsu ultradźwiękowego, a do obliczeń prędkości strumienia przepływu objętościowego lub masowego wymagane
są wartości prędkości, których wektory są ustawione prostopadle do powierzchni przekroju poprzecznego strumienia, czyli przekroju poprzecznego rury układu wydechowego silnika. Wartości
te można określić pośrednio na podstawie danych zawartych w profilu rozkładu prędkości badanego przepływu, którego a priori brak. Istniejące metody wymagają zastosowania skomplikowanych matematycznych metod umożliwiających modelowanie w przybliżony sposób wymaganego
profilu w badanym obszarze.
Zdaniem autora istnieje bardziej dokładna metoda rozwiązania tego problemu, polegająca na
eliminacji metod przybliżonego modelowania profilu rozkładu prędkości przepływu dzięki zastosowaniu odpowiednich algorytmów rekonstrukcji obrazów tomograficznych pełnego rozkładu prędkości przepływu w przestrzeni 2,5D i 3D na podstawie danych uzyskiwanych na drodze pomiarów
tomograficznych. W przestrzeni 2,5D badany obszar dyskretyzowany jest za pomocą określonej
liczby płaszczyzn ustawionych prostopadle do osi rury z analizowanym przepływem. Po przepro-
4
Wykaz ważniejszych oznaczeń, skrótów i akronimów
wadzeniu obliczeń w tych płaszczyznach ostateczny wynik powstaje ze złożenia uzyskanych wyników w przestrzeni 3D [114, 115].
Głównym celem badań było opracowanie algorytmu obliczeniowego pozwalającego na dokładne i szybkie zobrazowanie badanego przepływu emisji spalin samochodowych na podstawie wizualizacji rozkładu lokalnych wartości jego parametrów akustycznych w przestrzeni 2,5D lub 3D, bez
konieczności wstępnego przybliżonego modelowania pełnego profilu rozkładu prędkości przepływu w całym badanym obszarze.
Słowa kluczowe: ultradźwiękowa tomografia komputerowa, ultradźwiękowa tomografia transmisyjna, algebraiczne metody rekonstrukcji obrazów tomograficznych w przestrzeni 2D, 3D oraz
2,5D, monitorowanie przepływów w technice samochodowej
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ, SKRÓTÓW I AKRONIMÓW
Oznaczenia
A – powierzchnia przekroju poprzecznego, [m2]
Ai – amplituda fali padającej, [m]
Ar – amplituda fali odbitej, [m]
Cpi – ciepło właściwe gazu przy stałym ciśnieniu, [kJ/(kg · K)]
CVi – ciepło właściwe gazu przy stałej objętości, [kJ/(kg · K)]
c
– prędkość rozchodzenia się fali akustycznej, [m/s]
co – prędkość rozchodzenia się fali akustycznej w otworze wywierconym dla
przetwornika, [m/s]
cL – prędkość rozchodzenia się fali podłużnej, [m/s]
cT – prędkość rozchodzenia się fali poprzecznej, [m/s]
D – średnica rury, [m]
f
– częstotliwość fali dźwiękowej, [Hz]
frep – częstotliwość generowania impulsów, [Hz]
G – współczynnik sprężystości poprzecznej, [Pa]
K – współczynnik sprężystości objętościowej, [Pa]
k
– współczynnik Poissona (adiabaty)
kT – współczynnik korekcji temperatury
k(To) – współczynnik Poissona zależny od temperatury
kv – współczynnik metryczny
L
– odległość między nadajnikiem i odbiornikiem, [m]
Lmin – współczynnik określający wymaganą ilość stechiometryczną powietrza,
Lmin = 14,4
Lo – maksymalna odległość między przepływem a membraną przetwornika, [m]
l
– długość boku piksela, [mm]
M – uśredniona masa molekularna gazu, [kg]
m – masa, [kg]
mpal – masa paliwa, [kg]
mpow – masa powietrza, [kg]