OCENA PRZYDATNOŚCI DIAGNOSTYCZNEJ WYKRESÓW INDYKATOROWYCH W FUNKCJI CZASU BEZ ZNACZNIKA POŁOŻENIA GMP

Transkrypt

1 Rafał Pawletko 1, Stanisław Polanowski 1 OCENA PRZYDATNOŚCI DIAGNOSTYCZNEJ WYKRESÓW INDYKATOROWYCH W FUNKCJI CZASU BEZ ZNACZNIKA POŁOŻENIA GMP Wstęp Przebieg ciśnienia w cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego lub czasu nazywany powszechnie wykresem indykatorowym. Stanowi on istotne źródło informacji o stanie technicznym silników okrętowych. Na podstawie wykresów indykatorowych możliwe jest wnioskowania diagnostyczne, między innymi na temat stanu komory spalania oraz aparatury wtryskowej silnika. Nowe możliwości w dziedzinie analizy wykresów indykatorowych, pojawiły się wraz z wprowadzeniem do praktyki okrętowej indykatorów elektronicznych. W ostatnim czasie, z powodu znacznego obniżenia ceny ich zakupu, indykatory elektroniczne zaczęły stanowić standardowe wyposażenie siłowni okrętowych, zastępując indykatory mechaniczne. Wykresy indykatorowe uzyskane za pomocą indykatora elektronicznego, zapisane w postaci cyfrowej, mogą być poddawane dalszej obróbce i analizie. Stwarza to szerokie możliwości diagnostyczne, w porównaniu z wykresami uzyskanymi z indykatorów mechanicznych. Z punktu widzenia oceny stanu technicznego silników okrętowych, szczególne interesujące, wydaje się być wykorzystanie, opracowanych na bazie wykresów indykatorowych charakterystyk wydzielania ciepła netto [1]. We wstępnych pracach wykazano, że charakterystyka szybkości wydzielania ciepła, może zastąpić trudne do uzyskania przebiegi ciśnień w przewodach paliwowych wysokiego ciśnienia [1, 2]. Indykatory elektroniczne występują w wersjach stacjonarnych oraz przenośnych. Wykonania stacjonarne charakteryzując się tym, że urządzenie pomiarowe jest wyposażone w dedykowane czujniki umożliwiające określenie kątowego położenia wału korbowego. W zależności od rozwiązania może to być jeden znacznik na 360 o OWK, lub czujniki zdolne określić położenia wału korbowego z dokładnością do 0,1 o OWK. Zaletą wykresów indykatorowych uzyskanych w ten sposób jest możliwość ich dalszej obróbki oraz wyznaczenie średniego ciśnienia indykowanego. 1 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Mechaniczny, Gdynia, ul. Morska 81-87, tel.: pawletko@am.gdynia.pl Alternatywą dla drogich indykatorów stacjonarnych są indykatory przenośne. Niska cena powoduje, że coraz częściej stanowią one wyposażenie siłowni okrętowych. Indykatory elektroniczne w wersji przenośnej, nie posiadają czujników kątowego położenia wału korbowego i z tego powodu uzyskane przebiegi ciśnień są mierzone i prezentowane w funkcji czasu. Analiza i przydatność diagnostyczna takich wykresów jest bardzo ograniczona. Dodatkowym problem jest brak możliwości określenia położenia GMP. Wykresy są pozycjonowane w odniesieniu do punktu referencyjnego, które może stanowić np. wartości ciśnienia 2,5 MPa [3]. Na skutek przedstawionych ograniczeń indykatory przenośne pełnią rolę maksymetrów, a ich praktyczna przydatność jest znikoma. W artykule podjęto próbę wykorzystania zaawansowanych metod obróbki wykresów indykatorowych zmierzonych w funkcji czasu takich jak: określenie położenia GMP, wygładzanie oraz wyznaczenie charakterystyk wydzielania ciepła. Uzyskane wyniki porównano z wartościami referencyjnymi, które stanowiły wykresy wykonane indykatorem stacjonarnym w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Stanowisko badawcze Eksperyment przeprowadzono na stanowisku badawczym, które stanowił czterosuwowy silnik okrętowy Sulzer 3Al25/30. Podstawowe dane techniczne silnika przedstawiono poniżej: oznaczenie fabryczne 3 Al 25/30 liczba cylindrów 3 średnica cylindrów [mm] 250 skok tłoka [mm] 300 objętość skokowa cylindra [cm3] moc znamionowa [kw] 408 prędkość obrotowa [obr/min] 750 stopień sprężania 13 Silniki typu Al 25/30 przeznaczone są do napędu głównego małych statków oraz do napędu prądnic w elektrowniach okrętowych. Indykowanie wykonano za pomocą dwóch indykatorów elektronicznych Unitest 205 oraz Unitest 201. Unitest 205 jest indykatorem przenośnym, wyposażonym w tensometryczny czujnik ciśnienia firmy Spice. Logistyka 6/

2 Pomiary są realizowane w dziedzinie czasu, natomiast wykresy są pozycjonowane w punkcie referencyjnym, który stanowi ciśnienia 2,5 MPa. Widok ogólny indykatora przedstawiono na (Rys. 1.). Rys. 1. Indykator elektroniczny Unitest 205. Indykator Unitest 201 jest indykatorem stacjonarnym wyposażonym w czujniki piezokwarcowe firmy KISTLER oraz głowicę umożliwiającą określenie położenia GMP z dokładnością do 0,5 o OWK. Wykresy wykonane tym indykatorem były traktowane, jako przebiegi referencyjne. W związku z tym, że czujniki spalania indykatora stacjonarnego były zamocowane na dedykowanych adapterach firmy KISTLER, możliwe było umieszczenie czujnika indykatora przenośnego na zaworze indykatorowym. Dzięki temu indykowanie dwoma urządzeniami było realizowane w tym samym czasie. Czujnik indykatora Unitest 205 był zamocowany na zaworze indykatorowym, natomiast czujnik indykatora stacjonarnego na specjalnym adapterze firmy Kistler, znajdującym się przed zaworem indykatorowym (Rys.2.). Przebieg eksperymentu Celem eksperymentu była ocena przydatności diagnostycznej wykresów indykatorowych uzyskanych za pomocą przenośnego indykatora elektronicznego w funkcji czasu. Indykowanie wykonano jednocześnie za pomocą indykatora przenośnego Unitest 205 oraz indykatora stacjonarnego Unitest 201. Wykresy uzyskane indykatorem przenośnym przekonwertowano do dziedziny kąta obrotu wału z uwzględnieniem stałego okresu próbkowania. W trakcie konwersji nie uwzględniono nierównomierności prędkości kątowej silnika. Wszystkie wykresy indykatorowe poddano dodatkowej obróbce, która polegała na korekcie położenia GMP za pomocą metody opartej na modelu przebiegu sprężania oraz wygładzaniu. Wygładzenie przeprowadzono za pomocą ruchomej aproksymacji wielomianem trzeciego stopnia (filtr Savickiego-Golaya) [6]. Przebiegi wykresów indykatorowych uzyskanych za pomocą indykatora stacjonarnego Unitest 201 zostały wykorzystanie jako przebiegi referencyjne, do których odniesiono przebiegi z indykatora przenośnego. Indykowanie wykonano co 50 kw, w zakresie obciążeń od 0 do 250 kw. Wartość 250 kw stanowi około 70 % obciążenia znamionowego silnika. Ocena przydatności diagnostycznej wykresów indykatorowych System pomiarowy Unitest 2005 nie umożliwia orientacji wykresów względem położenia GMP. Wykresy uzyskane dla różnych obciążeń przedstawiono na (Rys. 3.). Rys. 2. Miejsce zamontowania czujników spalania na silniku Sulzer 3Al 25/30: A czujnik indykatora stacjonarnego Unitest 201 na adapterze Kistler 7523A10, V czujnik indykatora przenośnego na zaworze indykatorowym. Rys. 3. Wykres ciśnień dla obciążeń 0, 50, 100, 150, 200, 250 kw wykonane indykatorem przenośnym UNITEST 205. Na rys widoczne są wyraźne błędy fazowe, wynikające w faktu przyjęcia punktu referencyjnego na krzywej sprężania o wartości 2,5 MPa. W systemie 1038 Logistyka 6/2014

3 przyjęto możliwość alternatywnej kalibracji GMP, w oparciu o przebieg czystego sprężania dla danego obciążenia. Wymaga to jednak wyłączania pompy wtryskowej na badanym cylindrze, co nie zawsze jest możliwe w zakresie wyższych obciążeń silnika. W celu eliminacji błędów fazowych przeprowadzono korektę położenia GMP metodą opartą na analizie krzywej sprężania [2]. Przykładowe przebiegi po korekcie GMP przedstawiono na (Rys. 4.). Rys. 4. Wykres ciśnień dla obciążeń 0, 50, 100, 150, 200, 250 kw wykonane indykatorem przenośnym UNITEST 205. Rys. 4. Wykres ciśnień dla obciążeń 0, 50, 100, 150, 200, 250 kw wykonane indykatorem przenośnym UNITEST 205. W tabeli 1 przedstawiono uzyskane wyniki korekty położenia GMP. Tabela 1. Korekty położenia GMP dla poszczególych obciążeń silnika Obciążenie silnika [kw] Korekta GMP [ o OWK] ,8 35,9 32,6 29,6 26,6 24,6 Wartości przedstawione w tabeli 1 potwierdzają istotny wpływ obciążenia silnika na korektę położenia GMP. Różnica pomiędzy obciążeniem 0 kw, a 250 kw wynosi aż 13,2 o OWK. Różnica jest spowodowana dosuwaniem wykresów do wspólnego punku na krzywej sprężania, który wynosi 2,5 MPa. Położenie tego punktu w silniku doładowanym turbosprężarką silnie zależy od ciśnienia doładowania. Tak znaczne błędy fazowe wykresów w sposób istotny ograniczają ich diagnostyczne wykorzystanie. Na rysunku 5 przedstawiono wartości korekty w funkcji obciążenia silnika. Można stwierdzić, że przedstawiona na (Rys. 4.) zależność ma charakter liniowy. Możliwe jest, zatem opracowanie szybkiej metody korekty położenia GMP w oparciu o prostą zależność liniową. Ocena dokładności wyznaczenia średniego ciśnienia indykowanego Średnie ciśnienia indykowane (MIP) jest jednym z najważniejszych parametrów diagnostycznych, określanych na podstawie wykresów indykatorowych. Na jego podstawie możliwa jest ocena obciążenia oraz jego odchyleń dla poszczególnych cylindrów silnika. Istotnym ograniczeniem indykatorów przenośnych bez znacznika kątowego położenia wału korbowego, jest brak możliwości określenia średniego ciśnienia indykowanego. W ramach badań wyznaczono wartości MIP dla badanych wykresów, uzyskanych indykatorem przenośnym. Było to możliwe dzięki określonemu wcześniej położeniu GMP. Obliczone wartości odniesiono następnie do wartości MIP wykresów uzyskanych indykatorem stacjonarnym, które uznano za wartości referencyjne. Porównanie wartości średnich ciśnień indykowanych przedstawiono w tabeli 2. Logistyka 6/

4 Tabela 2. Porównanie wartości średniego ciśnienia indykowanego dla wykresów uzyskanych indykatorem przenośnym oraz stacjonarnym. Obciążenie [kw] Indykator stacjonarny MIP [MPa] Indykator przenośny MIP [MPa] Różnica [%] 0 0,384 0,364 5,2 50 0,579 0,555 4, ,811 0,763 5, ,117 0,998 10, ,323 1,245 5, ,586 1,575 0,7 Średnia 5,41 Średnia różnica pomiędzy wartościami MIP dla wykresów uzyskanych indykatorem przenośnym w odniesieniu do referencyjnych wynosi 5,4 %. Należy podkreślić, że ma ona charakter stały. Ocena możliwości wykorzystania charakterystyk wydzielania ciepła Ustalenie położenia GMP na wykresach indykatorowych uzyskanych indykatorem przenośnym, stwarza możliwości wyznaczenia oraz diagnostycznego wykorzystania charakterystyk wydzielania ciepła netto [1, 5]. Jak wykazały badania [4, 3] są one jednak wystarczające dla potrzeby diagnostyki silników, a nie wymagają budowy złożonych modeli matematycznych procesu roboczego. Posłużenie się do celów diagnostycznych charakterystykami wydzielania ciepła netto jest uzasadnione brakiem informacji o cieple chłodzenia oraz straty wylotowej i z tytułu przedmuchów. Elementarne ciepło wydzielone netto wyraża wzór: q= 1 V s dq n dα =u+l i =(κ 1) 1 v dp dα + κ(κ 1) 1 p dv dα (2) gdzie: u przyrost energii wewnętrznej na jednostkę kąta obrotu wału, przyrost pracy wewnętrznej, κ wykładnik izentropy, v bezwymiarowa objętość cylindra,, bezwymiarowa droga tłoka liczona od DMP, ε stopień sprężania. Ciepło wydzielone Q w przedziale od kąta początku sprężania do położenia kątowego jest wyrażone wzorem:, (3) gdzie: U i energia wewnętrzna wydzielona i praca indykowana wykonane w przedziale kątowym I. Podobnie jak w przypadku średniego ciśnienia indykowanego, uzyskane charakterystyki zostały odniesione do charakterystyk obliczonych w oparciu o wykresy indykatorowe, uzyskane indykatorem stacjonarnym i potraktowano, jako wartości referencyjne. Na rysunku 5 przestawiono przebieg ciepła wydzielonego netto dla badanych obciążeń silnika. gdzie:, (1) Rys. 5 Przebieg charakterystyk ciepła wydzielonego netto (UNITEST 205). ciepło wydzielone w wyniku spalania elementarnej dawki paliwa. Ze względów pomiarowych i dla celów diagnostycznych wygodnie jest rozpatrywać przebiegi w dziedzinie kąta obrotu wału korbowego. Dla gazu doskonałego, dzieląc równanie (1) przez objętość skokową cylindra, intensywność (kątowa) wydzielania ciepła q jest liczona ze wzoru [5]: Uzyskane przebiegi wydzielania ciepła potwierdzają poprawność przyjętej metody korekty położenia GMP. W przypadku wszystkich obciążeń spalanie rozpoczyna się około 9 o OWK przed GMP. Zauważalne jest również przesunięcie początku spalania (skrócenie zwłoki zapłonu) wraz ze wzrostem obciążenia silnika. Charakterystyczny jest również wzrost intensywności spalania wraz ze wzrostem obciążenia Logistyka 6/2014

5 Na rysunku 6 przedstawiono charakterystyki prędkości wydzielania ciepła dla wybranych obciążeń silnika. Rys. 6. Przebieg charakterystyk ciepła wydzielonego netto (UNITEST 205). Wnioski Na podstawie uzyskanych wyników badań można stwierdzić, że przydatność diagnostyczna wykresów indykatorowych w funkcji czasu bez określonego położenia GMP jest bardzo ograniczona. W praktyce, na podstawie takiego przebiegu, możliwe jest określenie właściwie tylko maksymalnego ciśnienia spalania P max. Konwersja przebiegów ciśnień do dziedziny kąta obrotu przy znanym okresie próbkowania, pomimo błędów wynikających z nierównomierności prędkości obrotowej, pozwala w sposób istotny zwiększyć ich podatność diagnostyczną. Po zastosowaniu korekty położenie GMP możliwe jest określenie średniego ciśnienia indykowanego oraz charakterystyk wydzielania ciepła. Różnice średnich ciśnień indykowanych badanych przebiegów oraz wartości referencyjnych dla indykatora stacjonarnego, wyposażonego w kątowe znaczniki położenia wału korbowego średnio wyniosły 5,4 %. Błąd ten jest jednak powtarzalny w badanym przedziale obciążeń i może wynikać z faktu zastosowania różnych czujników spalania oraz ich skalowania. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych, których celem była ocena przydatności diagnostycznej wykresów indykatorowych wykonanych w funkcji czasu, bez znacznika położenia GMP tłoka. Wykresy wykonywane w funkcji czasu są bardzo często wykorzystywane w praktyce okrętowej do diagnostycznej oceny okrętowych silników tłokowych. Wykresy tego typu uzyskuje się za pomocą tzw. Przenośnych indykatorów elektronicznych. Niewątpliwą zaletą tego typu urządzeń jest ich stosunkowo niska cena oraz łatwość pomiaru ciśnień w cylindrze, ponieważ nie jest konieczne instalowanie dodatkowych znaczników na wale silnika służących do określenia punktów charakterystycznych wału korbowego. W artykule przedstawiono wyniki badań uzyskanych przenośnym indykatorem elektronicznym Unitest 205. Pomiary wykonano na silniku laboratoryjnym Sulzer 3AL25/30 w zakresie obciążeń od 25 do 70 % obciążenia znamionowego. Uzyskane wykresy indykatorowe zostały porównane z wykresami otrzymanymi za pomocą indykatora stacjonarnego wyposażonego kątowy znacznik położenia wału korbowego. Indykator stacjonarny został wykorzystany jako poziom odniesienia dla wykresów z indykatora przenośnego. Abstract The article presents the results of experimental studies, which aim was to evaluate the diagnostic usefulenss of the indicator diagrams taken as a function of time, without the TDC location markres. Indicator diagrams made as a function of time are often used in practice for the diagnostic assessment of marine diesel engines. This type of diagrams are obtained by means of the so-called portable electronic indicators. An important advantage of such devices is their relatively low price and ease of measurement of the pressure in the cylinder, since it is not necessary to install additional markers on the crankshaft. The article presents the results of the survey for portable electronic indicator Unitest 205. Measurements were performed on a laboratory engine Sulzer 3AL25 / 30 load range from 25 to 70% of nominal load. Indicator diagrams obtained were compared with the diagrams obtained using the stationary indicator-equipped with angular crankshaft position marker. Stationary indicator was used as the reference level for diagrams with a portable indicator. Literatura 1. Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, Pawletko, R., Polanowski, S. Influence of TDC determination methods on mean indicated pressure errors in marine diesel engines. Journal of KONES Powertrain and Transport, 18(2), Pawletko, R., Polanowski, S. Influence of fuel injection system faults of marine diesel engine on the heat release characteristics. Combustion Engines, 154(3), Logistyka 6/

6 4. Polanowski, S., Pawletko, R. Low speed marine diesel engine diagnosis based on passive experiment. Journal of Polish CIMAC, 7(2), Rychter, T., Teodorczyk, A., Modelowanie matematyczne roboczego cyklu silnika tłokowego, PWN, Warszawa Savitzky, A., Golay, M. J. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures. Analytical chemistry 36.8 (1964). 7. UNITEST Operator s Guide Logistyka 6/2014