Marek Rośkowicz, Dawid Chojnacki: Problematyka dokładności

paliwowych jest bardzo szeroki. Są to zarówno czujniki oparte na mechanicznych ukła
wykorzystujące położenia pływaka, jak i konstrukcje pracujące w oparciu o zjaw
elektryczne, magnetyczne lub elektryczno-magnetyczne. Dostępne są rozwiązania, w któ
zmiana pojemności elementu pomiarowego lub zmiana rezystancji
elektrycznej czu
812
MECHANIK NR 7/2016
w funkcji poziomu cieczy jest sygnałem pomiarowym [10].Aktualnie opracowy
rozwiązania służące mierzeniu ilości paliwa w zbiorniku oparte są na wykorzystaniu zjaw
ultradźwięków lub zjawiska wibracji (kamertonowe czujniki poziomu cieczy)[10
Odrębną grupę stanowią sondy paliwa oparte na pomiarze ciśnienia hydrostatycz
w których wykorzystywane są czujniki ciśnienia względnego, gdzie wartość ciśnienia
(w tym accuracy
również paliwa)
wpływa
bezpośrednio
odkształcenia memb
Selected problems of thecieczy
measuring
in the
rail vehicles
fuelna system
pomiarowej. Dzięki zastosowaniu techniki tensometrii oporowej wielkość wychy
membrany przetwarzana jest na sygnał elektryczny [14].
Pomiary poziomu paliwa są często obarczone błędami, wynikającymi ze środow
MAREK ROŚKOWICZ
Materiały z XX SKWPWiE, Jurata 2016 r.
eksploatacji czujnika m.in. zmian temperatury
i ciśnienia odniesienia. Przykładem moż
DAWID CHOJNACKI *
DOI: 10.17814/mechanik.2016.7.186
wpływ temperatury na gęstość, która przekłada się nie tylko na zmianę objętość c
znajdującej się w zbiorniku, ale także na wartość ciśnienia hydrostatycznego słupa ci
Również zmiana ciśnienia atmosferycznego wpływa na dokładność pomiaru czujn
Wiarygodne dane o ilości paliwa w zbiornikach są podstawą
do pomiapowietrza
atmosferycznego
temperatury)
jakość uzyciśnienia
względnego,
których
punktem oraz
referencji
jestnawłaśnie
wartość ciśn
rów systemu paliwowego, zapewniających wystarczającą
dokładność(otoczenia).
skiwanych wyników.
zewnętrznego
Problematyka dokładności pomiaru ilości paliwa
w systemach paliwowych pojazdów szynowych
w każdych warunkach eksploatacyjnych. W artykule przedstawiono
wyniki badań dwóch typowych sond paliwowych, uzyskane podczas
Badania eksperymentalne
Badania
eksperymentalne
testów na specjalnych stanowisku pomiarowym. Otrzymane
wyniki
są
świadectwem istnienia zależności pomiędzy warunkami eksploatacyjTesty, których celem była ocena dokładności pomiaru ilonymi systemu paliwowego a dokładnością pomiaru Testy,
ilości paliwa
oraz celem
ści paliwa
w zbiorniku
w zależności
od wy- zgromadzo
których
byłazgromadzonego
ocena dokładności
pomiaru
ilości paliwa
potwierdzają konieczność stosowania dodatkowych
układów
korybranych
parametrów
środowiskowych
(zmiany
temperatury
w zbiorniku w zależności od wybranych parametrów środowiskowych (zmiana temper
gujących.
oraz zmian ciśnienia atmosferycznego), zostały wykonane
oraz dokładność
zmian ciśnienia
atmosferycznego),
wykonane
na specjalnie w tym
SŁOWA KLUCZONE: pojazdy szynowe, system paliwowy,
na specjalnie
zbudowanymzostały
stanowisku,
które przygotowane
zbudowanym
stanowisku,
które
przygotowane
zostało
w
oparciu
o schematy syste
pomiaru ilości paliwa
zostało na bazie schematów systemów paliwowych obecnie
eksploatowanych
lokomotyw
spalinowych.
W układach
tych tych paliw
paliwowych obecnie
eksploatowanych
lokomotyw
spalinowych.
W układach
Reliable information about the amount of fuel in theprzemieszczane
fuel tanks is the wpaliwo
jest przemieszczane
w obiegu
[12, 13]
–
obiegu
zamkniętym [12,13]
– zamkniętym
rys. 1. System
paliwowy
zape
basis of accurate fuel system, providing sufficient accuracy in all operys. 1. System paliwowy zapewnia utrzymywanie odpowiedutrzymywanie odpowiedniego poziomu ciśnienia paliwa przed pompowtryskiwaczami w
rating conditions. The article presents the results of two typical probes
niego poziomu ciśnienia paliwa przed pompo-wtryskiwaczami
wymaga to
stałej wymaga
pracy pompy,
co z kolei powo
fuel obtained from tests on special test bench. Thezasobniku
results show wysokiego
the
w tzw.ciśnienia,
zasobniku wysokiego
ciśnienia;
to stałej pracy
konieczność
odprowadzania
nadmiaru
paliwa
do
zbiornika
głównego
(1).
effect of operating conditions on the accuracy of measurements and
pompy, co z kolei powoduje konieczność odprowadzania nadthe need for additional corrective systems.
miaru paliwa do zbiornika głównego (1).
KEYWORDS: fuel rail vehicles, fuel system, the accuracy of measuring
the amount of fuel
Ciągłe doskonalenie konstrukcji silników spalinowych oraz
ich systemów paliwowych, spowodowane wprowadzaniem
m.in. nowych rygorystycznych norm dotyczących emisji spalin czy poziomu hałasu, wymusza stosowanie coraz bardziej
rozbudowanych i precyzyjnych układów kontrolno-pomiaroRys. 1. Schemat ideowy systemu paliwowego lokomotywy
wych [4, 5]. Kompleksowa wiedza o istotnych parametrach
Rys. 1. Schemat ideowy systemu paliwowego lokomotywy.
użytkowych i eksploatacyjnych systemu pozwala precyzyjnie
Zamontowane dodatkowo w systemie zawory zwrotne zapewszacować czas eksploatacji pojazdu oraz planować jego obniają
jednokierunkowy
przepływzwrotne
cieczy roboczej.
Bloki
(3) i (4)
Zamontowane
w
systemie
dodatkowo zawory
zapewniają
jednokierunkowy
przep
sługi bieżące i okresowe [6, 7]. Współcześnie wykorzystywane
stanowią zespół filtrów wstępnego i dokładnego czyszczenia.
cieczy roboczej.
Bloki (3) i (4) stanowią zespół
136 filtrów wstępnego i dokładnego czyszcz
czujniki, dopuszczone do zastosowań w urządzeniach
przePompy wymuszające przepływ paliwa w systemie do układów
mysłowych i pojazdach – mają dokładność pomiarową
Pompy rzędu
wymuszające
przepływ
paliwa w systemie
do układów
wtryskowych
wtryskowych
zamontowane
są na silniku
(5). Na wyjściu
z silnika zamontowan
1,5÷2% [8, 9]. Jeśli dokładność pomiaru zostanie
napowiązana
silniku (5).Na
wyjściu
z
silnika
zainstalowana
jest
chłodnica
paliwa
zainstalowana jest chłodnica paliwa (6). Ponadto w systemie(6).Dodatkow
z ilością mierzonej cieczy roboczej, która jest transportowana
systemie może może
być zamontowany
podgrzewacz
paliwa
(2),(2),wykorzystywany
eksploa
być zamontowany
podgrzewacz
paliwa
wykorzystyw systemie paliwowym, to okaże się, że ilości paliwa pozowanytemperaturach.
przy eksploatacjipracy
pojazdu
w niskiejpaliwowego,
temperaturze.przygotowany
Przygopojazdu
w
niskich
systemu
do te
stające w obszarze dokładności pomiarowej układu kontroltowany
do
testów
zmodernizowany
układ
paliwowy,
w
którym
zmodernizowany
układ paliwowy w którym zamiast odbiornika cieczy w postaci sil
no-pomiarowego mogą mieć istotny wpływ na koszty
eksplozamiast odbiornika cieczy w postaci silnika zastosowano drugi
atacji pojazdu. Przeciętny zbiornik spalinowej zastosowano
lokomotywy drugi zbiornik (zbiornik przelewowy) rys.2.
zbiornik (zbiornik przelewowy), pokazano na rys. 2.
manewrowej ma pojemność ok. 3000 l, co przy dokładności
pomiarowej układu kontrolnego, opartego na jednym czujniku
mierzącym z dokładnością 2%, oznacza 60 l paliwa, które jest
poza kontrolą systemu pomiarowego [1÷3]. Biorąc pod uwagę
liczbę operacji logistycznych wykonywanych przez pojazd
szynowy, liczbę pojazdów eksploatowanych przez przewoźników oraz bardzo częste przypadki niepożądanej ingerencji
osób nieupoważnionych w system paliwowy (niekontrolowane
„upuszczanie” paliwa), okaże się, że tego rodzaju straty przewoźników szynowych liczone są w setkach tysięcy złotych.
Ponieważ podstawowym i bardzo istotnym elementem
układu kontrolo-pomiarowego są czujniki mierzące poziom
paliwa w zbiorniku, przeprowadzono badania eksperymentalRys. 2. Schemat ideowy stanowiska pomiarowego
ne, oceniające wpływ czynników środowiskowych (ciśnienia
Rys. 2. Schemat ideowy stanowiska pomiarowego .
Podczas badań eksperymentalnych testom poddano dwa
* Ppłk dr hab. inż. Marek Rośkowicz ([email protected]) –
paliwomierze
w postacipracy
sondzhydrostatycznych
następująW
celu
uniknięcia
niebezpieczeństwa
oparami paliwa wo czasie
testów
WMiL ITL; mgr inż. Dawid Chojnacki ([email protected]) –
cych
parametrach
technicznych:
WMiLITL, INTECO S.A.
wodę jako ciecz roboczą, transportowaną pomiędzy dwoma zbiornikami.
wykorzys
W układzie funkcję filtrów wejściowych pełnią zawory dławiące (ZD1) i (ZD3), za pom
których możliwe jest wprowadzenie dodatkowych oporów hydraulicznych, odpowiadają
stanom zanieczyszczenia filtrów paliwowych. Zawory odcinające (ZO1), (ZO2), (ZO3)
(ZO4) wykorzystywane są w celu wyboru linii transferu paliwa. Linia z zaworem dławią
MECHANIK NR 7/2016
813
Sonda nr 1:
rach wykonywanych w stabilnych warunkach pokojowych, przy
●● zakres pomiarowy 0÷800 mm, zakres temperatury pracy od
średniej różnicy temperatury na poziomie 2 °C. Wydaje się, że
–25 °C do 80 °C, błąd podstawowy < 0,16%, błąd dodatkowy
otrzymane wyniki zależały od wartości aktualnie panującego
wynikający ze zmiany temperatury 0,3%/10 °C.
ciśnienia atmosferycznego. W przypadku badań sondy nr 2 nie
Sonda nr 2:
obserwowano podobnej prawidłowości. Na podstawie otrzy●● zakres pomiarowy 1 bar, zakres temperatury pracy od
manych wyników dla obu sond oraz na podstawie inspekcji
–25 °C do 80 °C, liniowość 0,025%, błąd dodatkowy od zmian
badanego układu wykluczono powstanie błędów wynikających
eniono wpływ temperatury na wskazywaną wartość poziomu cieczy (glikolu) przez sondę
temperatury 0,5%/10 °C.
z nieszczelności instalacji czy niewłaściwej pracy pompy.
1.Badaniawykonano
w komorze
klimatycznej
firmy
CLIMATS
SPIRALE 3 [15].W
Czujnik
Zastosowane
sondy
pracują na
bazie
różnych algorytmów
wyniku realizacji badań, których celem była ocena
miarowy sondy
umieszczony
pojemniku
w kształcie
o średnicy
75mm
i układów
korekcji został
błędów,wdo
których użytkownik
nie walca
ma pełnewpływu
temperatury na jakość danych generowanych przez
wysokości 550mm.
go dostępu [9÷11]. Próby wykonywano w warunkach działania
testowane czujniki, otrzymano krzywe prezentujące zmianę
systemu, tzn. przetłaczania cieczy roboczej. Sondy hydrostawskazań poziomu cieczy w funkcji zmiany temperatury. Przytyczne zamontowane zostały w dwóch 1000-litrowych zbiornikładowe wyniki otrzymane podczas jednego cyklu zmiany
kach, połączonych przewodami o średnicy 22 mm. Przepływ
temperatury zaprezentowano na rys. 5.
cieczy został wymuszony przez pompę wirową (M1), zapewRezultaty badań wskazują na pewne zaburzenia pracy sonniającą wydatek na poziomie 70 l/min, przy ciśnieniu nieprzedy przy zmianach temperatury. Rejestrowane zmiany poziokraczającym 4 bar. Na pierwszym etapie badań w odstępie
mu cieczy (kolor niebieski) powinny się pokrywać ze zmianą
dwóch tygodni wykonano serię pięciu napełnień zbiornika dla
temperatury (kolor czerwony). Na rys. 5 pomiar poziomu ciesondy nr 1 oraz czterech napełnień dla sondy nr 2. Na drugim
czy jest przesunięty względem zmiany temperatury, co może
etapie badań wykonano pomiary, w których oceniono wpływ
wskazywać na niewystarczającą dokładność stosowanego
temperatury na wskazywaną przez sondę nr 1 wartość pozioczujnika temperatury.
mu cieczy (glikolu). Badania wykonano w komorze klimatyczfirmystanowiska
CLIMATS wykorzystywanego
SPIRALE 3 [15]. Czujnik
pomiarowy
sondy
Wnioski
Rys. 3. nej
Widok
w testach
eksperymentalnych.
umieszczony został w pojemniku w kształcie walca o średnicy
75 mm
i wysokości
mm. od +20°C do – 25°C, wynika to z doświadczeń
Na podstawie uzyskanych wyników z przeprowadzonych
kres temperatury
podczas
badania550
wynosił
Zakres temperatury
badania
wynosił
od +20w°C
badań
analiz stwierdzono, że:
eksploatacji systemów
paliwowych podczas
lokomotyw,
zaleceń
zawartych
normie
PN i EN
do –25 °C.
●● warunki środowiskowe w istotny sposób wpływają na po0„Paliwa do pojazdów samochodowych -- Oleje napędowe -- Wymagania i metody badań”
miary wykonywane za pomocą testowanych paliwomierzy;
az na podstawie
wytycznych
oleju
Wyniki
badań zawartych w [16].Minimalna temperatura stosowania
●● stosowanie
w układach paliwowych czujników, których
pędowego, dla najczęściej wykorzystywanego paliwa zimowego gatunku F, wynosi
–
20°C.
działanie opiera się na pomiarze ciśnienia względnego, ma
Wyniki z pierwszego etapu badań przedstawiono w postaci
istotny wpływ na dokładność pomiarową całego układu. W celu
yniki badań wykresów zmiany ciśnienia hydrostatycznego: dla sondy nr 1 zwiększenia dokładności pomiarowej układu należy stosować
na rys. 3, natomiast dla sondy nr 2 – na rys. 4.
dodatkowe korekcyjne czujniki ciśnienia, za pomocą których
Rozpatrując
dwa skrajne
przypadkiwdlapostaci
sondy nr
1, tj. POM1
możliwa kalibracja pomiaru;
yniki z pierwszego
etapu badań
przedstawiono
wykresów
zmianybędzie
ciśnienia
i
POM4,
otrzymano
różnicę
we
wskazaniach
poziomu
cieczy
●
●
duże
znaczenie w obszarze dokładności pomiaru ma rówserwowano
podobnej
prawidłowości.
Na
podstawie
otrzymanych
wyników
z
obydwu
sond
drostatycznego. Dla sondy nr. 1 na rys. 4, natomiast dla sondy nr. 2 na rys. 5.
równą
430 Pa,badanego
co odpowiada
różnicy
w wysokości
słupa błędów
cieczy wynikających
nież precyzyjny pomiar temperatury cieczy roboczej oraz waaz na podstawie
inspekcji
układu
wykluczono
powstanie
2,3 cm, a uwzględniając wymiary geometryczne zbiornika,
runki otoczenia, w jakich dokonywany jest pomiar.
nieszczelności instalacji czy niewłaściwej pracy pompy.
różnica jest równa 23 l cieczy. Po uwzględnieniu pojemności
zbiornika błąd pomiarowy sondy równy jest 2,3%, przy pomiaAutorzy składają szczególne podziękowania dla firmy INTECO S.A. za udostępnienie urządzeń pomiarowych oraz
odpowiedniej aparatury.
LITERATURA
serwowano podobnej prawidłowości. Na podstawie otrzymanych wyników z obydwu sond
1.Rychulik A. „Metody pomiaru zużycia paliwa pojazdów użytkoaz na podstawie inspekcji badanego układu wykluczono powstanie błędów wynikających
wych”. Eksploatacja i Niezawodność NR 4/2006, s. 37÷41.
nieszczelności instalacji czy niewłaściwej pracy pompy.
2.Młynarczyk M., Mrotek Z., Małuj J. „Pokładowy system monitorowania
stanu lotniczego płynu hydraulicznego”. Zeszyty Naukowe Politechniki
Rzeszowskiej 288, Mechanika 85, s. 489÷500.
3.Czerwiński J. „Wybrane zagadnienia związane z cechami metrologicznymi systemu kontroli zużycia paliwa”. Technika Transportu SzyRys. 3. Zmiany poziomu paliwa podczas prób dla sondy nr 1
nowego 3/2008, s. 32÷36.
Rys. 4.Zmiany
5.Zmiany poziomu
poziomu paliwa
paliwa podczas
podczas prób
prób dla
dla sondy
sondy nr.1
nr.2
4.Marcinika Z., Pielecha I. „Właściwości silników spalinowych w aspekcie ochrony
ozpatrując dwa skrajne przypadki dla sondy nr.1 tj. POM1 i POM4, otrzymano różnicę
we środowiska”. Technika Transport Szynowego 5/2008,
wyniku realizacji badań, których celem była ocena wpływu temperatury na jakość danych
kazaniach poziomu cieczy równą 430 Pa. co odpowiada różnicy w wysokości słupas. 73÷79.
cieczy
nerowanych przez testowane czujniki, otrzymano krzywe prezentujące zmianę5.Directive
wskazań2004/26/EC of the European Parliament and of the Council
3cm a uwzględniając wymiary geometryczne zbiornika różnica jest równa 23-emamending
litrom
ziomu cieczy w funkcji zmiany temperatury. Przykładowe wyniki otrzymane podczas Directive 97/68/EC on the approximation of the laws of the
eczy. Przy uwzględnieniu pojemności zbiornika błąd pomiarowy sondy równy jestMember
2,3%,States relating to measures against the emission of gaseous
dnego cyklu zmiany temperatury zaprezentowano na rys. 6.
particulate pollutants from internal combustion engines to be inzy pomiarach wykonywanych w stabilnych warunkach pokojowych, przy średniej and
różnicy
stalled in non-road mobile machinery. 21.04.2004.
mperatury na poziomie 2oC. Wydaje się, że otrzymane wyniki zależały od6.Hubertus
wartości G. „Diagnozowanie silników wysokoprężnych”. WKŁ, Wartualnie panującego
ciśnienia
atmosferycznego.
W przypadku
2, nie
2002.
Rys. 4. Zmiany
poziomu
paliwa podczas prób
sondy nr 2 badań sondy nr.szawa
Rys. 5.Zmiany
poziomu
paliwa podczasdlaprób
dla sondy nr.2
7.Brzeżański M. „Bosch „Czujniki w pojazdach samochodowych”. WKŁ,
138
Warszawa 2009.
8.www.ifm.com
wyniku realizacji badań, których celem była ocena wpływu temperatury na jakość
danych
nerowanych przez testowane czujniki, otrzymano krzywe prezentujące zmianę9.www.hubacontrol.com
wskazań
10.www.nivelco.com
ziomu cieczy w funkcji zmiany temperatury. Przykładowe wyniki otrzymane
podczas
11.www.e-direct.endress.com
12.Kortas P. Kropiwnicki J. „Analysis of locomotive engine operating condnego cyklu zmiany temperatury zaprezentowano na rys. 6.
ditions during idling” Combustion Engines. 2013, 154(3), 275÷282.
13.Praca zbiorowa „Zasobnikowe układy wtryskowe CommonRail” WKŁ.
2009.
14.Gajek A., Juda Z. „Czujniki”. WKŁ 2011.
Rys. 5. Wyniki pomiaru poziomu cieczy uzyskane podczas badań w ko15.www.climats-tec.com
■
klimatycznej
Rys. 6. Wynikimorze
pomiaru
poziomu cieczy uzyskane podczas badań w komorze klimatycznej
.
ezultaty badań wskazują na pewne zaburzenia pracy sondy przy zmianach temperatury.
ejestrowane zmiany poziomu cieczy (kolor niebieski),powinny pokrywać się ze zmianą
mperatury (kolor czerwony). Na rys.6 pomiar poziomu cieczy jest przesunięty względem