FUNCTIONAL MODEL OF INJECTOR OF MEDIUM-SPEED MARINE DIESELENGINE

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transort, Vol.14, No FUNCTIONAL MODEL OF INJECTOR OF MEDIUM-SPEED MARINE DIESELENGINE Jan Monieta Maritime University Szczecin Institute of Marine Power Plant Oeration Wa y Chrobrego 2, 7-5 Szczecin, Poland tel.: , , fax: jmonieta@am.szczecin.l Abstract The aer resents elaborated model of marine diesel engine injector as series of functional blocks notation by means rectangles. The each block is contains determinate number of entrances and exits. The some exits values of one block are entrances values of other blocks. The elaborated model takes qualification of changeable values of ressures in working chamber of cylinder and course variation of ressure in closed sace of injection um and injector. It takes an asect of course of ressure values as working arameter at exit. There have been simulated for different load of engine on ressure course in each sace of injection aaratus and in cylinder during working cycle on subordination crank angle. In article have been formulate of mathematical deendence and utilization of exerimental dates, with enabled calculation of interest arameters and for indexes for simulated rocess. The model takes into consideration the roerties of the fuel injected, construction arameters of the injection systems and temerature and temerature course of the working medium. Keywords: seagoing vessels, marine diesel engines, injectors, erformance, modelling MODEL FUNKCJONALNY WTRYSKIWACZA REDNIO-OBROTOWEGO SILNIKA OKR TOWEGO Streszczenie W artykule rzedstawiono oracowany model wtryskiwacza okr towego silnika salinowego, jako zbioru bloków funkcjonalnych oznaczonych za omoc rostok tów, z których ka dy zawiera okre lon liczb wej i wyj. Okre lone wielko ci wyj ciowe jednego bloku s wielko ciami wej ciowymi innego bloku. Oracowany model obejmuje okre lenie warto ci ci nie zmieniaj cych si w komorze roboczej cylindra i rzebiegu zmian ci nienia w rzestrzeniach zamkni tych omy wtryskowe i wtryskiwacza. Podejmuje on asekt rzebiegu warto ci ci nienia, jako roboczego arametru wyj ciowego. Zasymulowano dla ró nych warto ci obci enia silnika na rzebieg ci nienia w oszczególnych rzestrzeniach aaratury wtryskowej i w cylindrze w czasie cyklu roboczego w zale no ci od k ta obrotu wa u korbowego silnika. W artykule sformu owano zale no ci matematyczne i wykorzystano dane ekserymentalne, umo liwiaj ce obliczenie interesuj cych arametrów i wska ników charakterystycznych dla symulowanego rocesu. Model uwzgl dnia w a ciwo ci wtryskiwanego aliwa, arametry konstrukcyjne sytemu wtryskowego oraz ci nienie i temeratur czynnika roboczego. S owa kluczowe: statki morskie, silniki okr towe, wtryskiwacze, funkcjonowanie, modelowanie 1. Wst Modelowanie stanowi ierwszy eta formalnego uj cia zagadnie zwi zanych z analiz dzia ania, jak i syntez obiektów diagnozowania. Modelowanie ozwala z rzybli eniem

2 J. Monieta odtworzy zasady organizacji, a tak e zasady funkcjonowania obiektu bada, co w konsekwencji ozwala uzyska informacje o modelowanym uk adzie. Modelowanie ozwala tak e ograniczy koszty i czas bada. Modele diagnostyczne obiektów tworzy si na otrzeby wnioskowania diagnostycznego w badaniach symulacyjnych lub ekserymentalnych [5, 1]. Model nie jest odbiciem rzeczywistego obiektu, lecz jest tylko odbiciem aktualnie osiadanej wiedzy o nim i dlatego nie mo e by traktowany jako co trwa ego i nieodlegaj cego zmianom. Model obiektu jest to narz dzie, które ozwala oisa obiekt oraz jego zachowanie w ró nych warunkach za omoc relacji na zbiorze wielko ci wej ciowych i wyj ciowych. Celem modelowania jest uzyskanie wiarygodnego modelu matematycznego, który umo liwia rze ledzenie sosobów zachowania si obiektu diagnozowanego w ró nych warunkach. Przy budowie modelu korzysta si g ównie z raw fizyki, wyra aj cych równowag si, momentów, rze ywów, z równa ci g o ci i z zale no ci geometrycznych. G ównym rocesem w ywaj cym na uzyskanie o danych arametrów obiegu silnika wysokor nego jest rzebieg wtrysku aliwa. Dotychczasowe badania wykaza y, e najbardziej zawodnym elementem systemu wtryskowego jest wtryskiwacz, a zmiany jego stanu technicznego istotnie w ywaj na arametry racy silnika oraz emisj salin [6]. Badania sytemu wtryskowego mo na rowadzi na obiekcie rzeczywistym w eksloatacji, na obiekcie rzeczywistym w warunkach laboratoryjnych oraz z wykorzystaniem symulacji komuterowej. Istot bada symulacyjnych rocesu wtrysku aliwa jest oracowanie modeli, ozwalaj cych oznanie zjawisk fizycznych, determinuj cych jako wtrysku. W niniejszym artykule zamierzono rzedstawi model funkcjonalny wtryskiwacza silnika okr towego, który wchodzi w sk ad uk adu zasilania aliwem. Model funkcjonalny obiektu jest to graficzne rzedstawienie urz dzenia jako zbioru bloków funkcjonalnych oznaczonych za omoc n. rostok tów, bloków, z których ka dy zawiera ewna liczb wej i wyj, rzy czym wielko ci wyj ciowe omy wtryskowej mog by wielko ciami wej ciowymi wtryskiwacza. Model funkcjonalny ostanowiono zastosowa do celów diagnostyki technicznej. Stanowi jeden z wielu tyów modeli wykorzystywanych w analizie systemu wtryskowego rednioobrotowego silnika okr towego [5, 6, 8]. G ównym zadaniem jest oracowanie nowoczesnego, uwzgl dniaj cego najnowsze osi gni cia teoretyczne i numeryczne, modelu wtryskiwacza silnika okr towego. 2. Budowa modelu funkcjonalnego Modele funkcjonalne badaj w yw okre lonych zmian stanu wybranych elementów i zeso ów obiektu na jako zadania se nianego w trakcie racy. Zachodz ce w obiekcie zmiany fizyczne s dobrze odzwierciedlane w modelu, ujmuj cym te rocesy w ca ym cyklu istnienia. Procesy takie okre la si mianem czynników wymuszaj cych i dzieli si je na trzy zasadnicze gruy: czynniki robocze wynikaj ce z dzia ania wtryskiwacza; czynniki zewn trzne uwzgl dniaj ce otoczenie, w jakim znajduje si wtryskiwacz; czynniki antrootechniczne uwzgl dniaj ce w yw wiadomej lub nie wiadomej dzia alno ci cz owieka. Model funkcjonalny wtryskiwacza rzedstawiono na rys 1. Stan techniczny obiektu mo na tu okre li obserwuj c jego wyj cie g ówne rzekszta conej energii rozylonych cz stek aliwa oraz wyj cie dyssyacyjne, gdzie obserwowa mo na ró nego rodzaju rocesy towarzysz ce: termiczne, wibracyjne, akustyczne it. Wielko ci wyj ciowe wtryskiwacza s wielko ciami wej ciowymi komory salania. Model funkcjonalny oracowano dla rednio-obrotowego silnika okr towego na dzaj cego r dnic tyu AL2/24 [8]. 424

3 Functional Model of Injector of Medium-Seedmarine Diesel Engine drgania zanieczyszczenia osady Wielko ci wej ciowe Wtryskiwacz - materia - cechy stanu - stan aliwa - temeratura - rodowisko drgania zu ycie osady Rys. 1. Model funkcjonalny wtryskiwacza Fig. 1. Functional model of injector 3. Wyniki modelowania Praca omy wtryskowej dla sytemu Bosch wymuszana jest krzywk, znajduj c si na wale rozrz du. Ruch t oka omy zale ny jest od wzniosu krzywki aliwowej i od k ta o o enia wa u rozrz du h = h ( w ). Zmiana rzemieszczenia t oka omy w oszczególnych rzedzia ach czasu ozwala okre li warto ci r dko ci wzniosów w charakterystycznych unktach: dh vt [m/s], (1) dt h zmiana o o enia t oka omy wtryskowej, dt zmiana czasu odowiadaj ca zmianie k ta obrotu wa u rozrz du. Przebieg wzniosu t oka omy wtryskowej oraz r dko ci t oka w fazie t oczenia omy wtryskowej, dla silnika AL2/24, rzedstawiono na rys. 2. Wielko ci te zosta y wyznaczone na odstawie kszta tu zarysu krzywki aliwowej wa u rozrz du.,12 16,1, ht [mm],6,4, vt [m/s] v ht aw [oowr] Rys. 2. Wznios i r dko ci t oka omy wtryskowej w zale no ci od k ta obrotu wa u rozrz du Fig. 2. Lift and velocity of lunger of the injection um 425

4 J. Monieta Strumie t oczonego aliwa zale y od rednicy t oka omy d t i r dko ci t oczenia v t : 2 d v 3 qt [m / s]. (2) 4 Si trzenie ci nienia w omie wtryskowej oisuje zale no [2]: Ev [MPa], (3) a E modu sr ysto ci aliwa, a r dko rozchodzenia si d wi ku w aliwie. W rzewodzie wtryskowym wyst i stan ustalony rze ywu wówczas, gdy rzekrój otworków rozylaj cych A r ma tak warto, rzy której [2]: wtr, (4) wtr rzebieg ci nienia w omie wtryskowej. Pole owierzchni rze ywu otworków rozylaj cych okre la zale no : A r i, (5) 2 d r 4 r d r rednica otworu rozylaj cego, i r liczba otworków rozylaj cych. Przebieg ci nienie w komorze wtryskiwacza mo na obliczy ze wzoru na strumie t oczonego aliwa [9]: 2 3 m s qk s Ar w k /, (6) s wska nik steruj cy 1 lub, wsó czynnik rze ywu, A r ole rze ywu otworków rozylaj cych [m 2 ], g sto aliwa w temeraturze T, k ci nienie w rzestrzeni, do której odbywa si wtrysk aliwa. W wielu modelach rocesu wtrysku aliwa rzyjmowano warto rzeciwci nienia w komorze salania jako warto sta [1, 4, 9]. W tych badaniach ostanowiono uwzgl dni zmienne rzeciwci nienie w cylindrze silnika, którego wyznaczanie rzebiegów oisano w racy [7]. Warto ci wsó czynnika rze ywu oraz g sto ci aliwa okre lono w badaniach ekserymentalnych. Ci nienie ca kowite w rzestrzeni wtryskiwacza w jest sum ci nienia statycznego, którym jest ci nienie szcz tkowe s, oraz ci nienia dynamicznego zale nego od r dko ci t oczonego aliwa: w = s + d. (7) Po czenie zale no ci 1-7 ozwoli o oszacowa rzebieg ci nienia w rzestrzeni wtryskiwacza, którego rzebieg bez uwzgl dnienia zmiennego rzeciwci nienia w komorze, do której odbywa si wtrysk aliwa, oraz rzy uwzgl dnieniu zmiennego rzeciwci nienia w komorze salania, zale nego od o o enia t oka silnika salinowego (rys. 3). 426

5 Functional Model of Injector of Medium-Seedmarine Diesel Engine 1 9 k = const. k= f(v) w [MPa] aw [oowr] Rys. 3. Przebieg ci nienia w rzestrzeni wtryskiwacza rzy sta ej i zmiennej warto ci ci nienia komorze salania Fig. 3. Course of ressure in injector camber at constant and variable values of ressure in combustion chamber Uwzgl dnienie zmiennego rzeciwci nienia w komorze salania da o wy sz warto maksymaln i skuteczn w rzebiegu ci nienia wtrysku. Przedstawiony rysunek rzedstawia rzebieg wtrysku rzy znamionowej r dko ci obrotowej silnika salinowego i rzy e nej nastawie aliwowej. 4. Wnioski Oracowany model funkcjonalny oraz wykorzystane zale no ci matematyczne, umo liwiaj rzerowadzenie szerokiego zakresu bada rocesu wtrysku aliwa. Zmiennymi wej ciowymi mog by : nastawa aliwowa, ci nienia t oczenia aliwa, ci nienie otwarcia wtryskiwacza, rzeciwci nienie, arametry racy silnika i warunki racy wtryskiwacza. Cechami stanu technicznego mog by arametry konstrukcyjne wtryskiwacza, zmieniane stosownie do warto ci rozwi za konstrukcyjnych oraz rocesów zu ycia i uszkodze. Wielko ciami zak ócaj cymi mog by : drgania, ha as oraz warunki termodynamiczne otoczenia. Dla silników okr towych warunki otoczenia wynikaj ze stanu morza, strefy klimatycznej i s mocno zró nicowane. Aktualnie rowadzone s badania symulacyjne w ywu warto ci cech konstrukcyjnych wtryskiwacza na rzebieg ci nienia w rzestrzeniach wtryskiwacza, dla okre lonych w badaniach eksloatacyjnych rzedzia ów zmienno ci cech nastaw aliwowych. Oszacowane rzebiegi ci nienia w rzestrzeniach wtryskiwacza s zbli one do rzebiegów uzyskanych na drodze ekserymentalnej, na stanowisku sytemu wtryskowego oza silnikiem oraz w badaniach laboratoryjnych rzeczywistego silnika. Literatura [1] Ambrozik, A., Kruszy ski S., Jakóbiec J., Orli ski S., W yw zasilania silnika salinowego o za onie samoczynnym aliwem mineralnym i ro linnym na roces wtrysku oraz rozad strugi aliwa, Journal of KONES Powertrain and Transort, vol. 13 no. 3, s , 26. [2] Falkowski, H., Hauser, G., Janiszewski, T., Jasku a, A., Uk ady wtryskowe silników wysokor nych. WK, Warszawa,

6 J. Monieta [3] Kafar, I., Merkisz, J., Piaseczny, L., Model rozylania aliwa w rednioobrotowym silniku okr towym i jego badania symulacyjne, Silniki Salinowe, nr 3, s , 26. [4] Lejda, K., Ustrzycki, A., Modelling of injection characteristic with in-line tye injection um in diesels engine, III International Scientific-Technical Conference EXPLO-DIESEL & GAS TURBINE'3, Gda sk Mi dzyzdroje Lund, s , maj, 23. [5] Monieta, J., Modele diagnostyczne wtryskiwaczy silników okr towych, II International Congress of Technical Diagnostic, Diagnostyka 2, s , CD s. 1 6, Warsaw, 2. [6] Monieta, J., Using of vibration signal in marine diesel injectors failure diagnosis, Journal of KONES, No. 1 2, , 2. [7] Monieta, J., Bolin, P., Modelowanie analityczno-emiryczne rzebiegu ci nienia w cylindrze rednio-obrotowego silnika salinowego, Silniki Salinowe -SC2, s , 27. [8] Monieta, J., Siedlich, S., Model strukturalny wtryskiwacza rednio-obrotowego silnika okr towego, Journal of KONES Powertrain and Transort, vol. 13 no. 4, , 26. [9] Sobieszcza ski, M., Modelowania rocesów zasilania w silnikach salinowych, WKi, Warszawa, 2. [1] ó tkowski, B., Podstawy diagnostyki maszyn, Wyd. ATR Bydgoszcz, Bydgoszcz,