Rszard Zadrąg Akademia arnarki Wojennej Wdział echaniczno-elektrczn Katedra Siłowni Okrętowch KRYTERIA DOBORU PARAETRU DIAGOSTYCZEGO A POTRZEBY DIAGOSTYKI OKRĘTOWEGO SILIKA SPALIOWEGO Streszczenie: Zmiana niektórch parametrów struktur silnika wpłwa na zmianę emisji składników szkodliwch w spalinach. Dotcz to przede wszstkim uszkodzeń następującch w układzie wmian ładunku a także w układzie paliwowm i układzie doładowania silnika. W referacie przedstawiono model diagnostczn silnika, w którm smptomami diagnostcznmi są wskaźniki i charakterstki emisji gazowch składników spalin. odel uzupełniono wnikami badań na stanowisku jednoclindrowego silnika badawczego ZS. Badanie modelu ukazuje różną wrażliwość zmian wbranch parametrów struktur silnika na parametr diagnostczne. Słowa kluczowe: składniki spalin silnika, silniki okrętowe, diagnostka silników. WSTĘP Tłokow silnik spalinow stanowi w dalszm ciągu najbardziej rozpowszechnione źródło napędu środków transportu, w tm również transportu morskiego. Jego dalsz rozwój determinują wciąż zaostrzane krteria emisji tokscznch składników spalin oraz problem energetczne świata, zmuszające do coraz oszczędniejszego gospodarowania paliwami. Spełnienie coraz ostrzejszch wmagań stawianch przed silnikiem można uzskać dwiema drogami, mianowicie poprzez stałe doskonalenie procesu spalania oraz poprzez poszukiwanie nowch technologii materiałowch i rozwiązań konstrukcjnch. Pomimo to, wraz ze zmianą parametrów struktur, w wniku zużcia trbologicznego zmianie ulega międz innmi poziom związków tokscznch emitowanch w spalinach. ajbardziej narażonmi na zużcie i jednocześnie w sposób bezpośredni wpłwającmi na proces fizko-chemiczne powstawania związków tokscznch są dwa układ funkcjonalne silnika: wmian ładunku oraz zasilania paliwem. W przpadku układu zasilania paliwem jest to o tle niebezpieczne, że jego niesprawność w konsekwencji prowadzi do często poważnego uszkodzenia silnika. W celu zabezpieczenia przed takim
rozwojem wpadków, przede wszstkim w przpadku nowch rozwiązań, stosuje się szeroko rozbudowane sstem stałego nadzoru (monitoringu), które taką ewentualność eliminują. W przpadku starszch rozwiązań, najczęściej z uwagi na koszt, obiekt eksploatacji poddawan jest jednie okresowej kontroli. Ten właśnie model nadzoru w dalszm ciągu jest podstawowm w przpadku eksploatacji okrętowch silników spalinowch. W tm miejscu należ wspomnieć, że na chwilę obecną, pomimo szbkiego postępu i w tej dziedzinie, nie ma doskonałej metod diagnozowania stanu technicznego tłokowch silników spalinowch. Tak więc problem diagnostki tłokowch silników spalinowch oraz ograniczenia w dotchczas stosowanch, zarówno metodach, jak i aktualnie wkorzstanch w tm procesie tpowch wskaźników ich prac, jest jak najbardziej aktualn. ależ prz tm podkreślić, że większość parametrów diagnostcznch silnika spalinowego nie spełnia jednocześnie podstawowch wmagań, to znacz: krterium wartości informacjnej oraz krterium stopnia lokalizacji niesprawności cz też ich jednoznaczności i szerokości zmian. Potwierdza ten stan analiza ocen wbranch i najczęściej stosowanch parametrów diagnostcznch tłokowch silników spalinowch [4]. Wnika stąd konieczność poszukiwania parametrów diagnostcznch powiązanch ściśle z określonmi parametrami struktur, które charakterzowałb się jednocześnie wsoką wartością informacjną oraz stopniem lokalizacji niesprawności. Poszukiwanie jednak pojednczego, idealnego parametru wdaje się bć zagadnieniem z jednej stron trudnm, z drugiej zaś nieefektwnm, zwłaszcza w aspekcie współczesnch metod pomiarowch. etod te wkorzstwane w diagnostce dają bowiem możliwość jednoczesnej, w czasie rzeczwistm, rejestracji parametrów. Pomiędz tmi parametrami istnieją współzależności, interakcje, którch wielokrterialna analiza pozwala na dogłębne poznanie zjawisk zachodzącch w obiekcie, co z kolei ułatwia wnioskowanie diagnostczne. Posługując się przedstawionm wżej tokiem rozumowania oraz na podstawie wników realizowanch wcześniej badań własnch uznano, że wstępują realne możliwości wkorzstania wskaźników związanch z emisją związków tokscznch spalin w modelowm opisie stanu technicznego silnika. Wstępna analiza wkazała, że wskaźniki emisji związków tokscznch, a zwłaszcza tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu mogą spełniać wmagania parametru diagnostcznego podstawowch układów funkcjonalnch silnika układu zasilania paliwem i układu wmian ładunku [,4]. Wzajemne zależności pomiędz poszczególnmi składnikami spalin analizowano za pomocą modeli wielorównaniowch. Ich zastosowanie daje więcej swobod podczas analiz wników pomiarowch, gdż umożliwia jednoczesną analizę efektów i interakcji wielu zmiennch wjściowch [].. ETODYKA PROWADZEIA BADAŃ Podstawą poprawnie przeprowadzonego badania diagnostcznego jest odpowiedni poziom wiedz o obiekcie diagnostki [,4]. Wczerpując opis formaln złożonch procesów fizko-chemicznch, cbernetcznch i energetcznch zachodzącch w rzeczwistm silniku jest praktcznie niemożliw i dlatego przedmiotem analiz staje się zazwczaj jego uproszczon model (uproszczon model obiektu diagnostki). Forma tego
modelu, jego złożoność oraz stopień wierności z jaką opisuje on rzeczwist silnik, zależą przede wszstkim od poziomu wiedz o silniku oraz wnikają z określonego zadania diagnostcznego. Z możliwie najbardziej uproszczonego modelu diagnostcznego silnika wnika, że oprócz parametrów wjściowch (pośród którch znajdują się parametr diagnostczne) i parametrów struktur, wstępują także parametr wejściowe opisujące oddziałwanie innch współpracującch obiektów (np. śrub napędowej), materiałów eksploatacjnch (np. rodzaju paliwa, oleju smarującego lub jego zmieniającch się w czasie użtkowania właściwości itp.) oraz warunków otoczenia (ciśnienia, temperatur i wilgotności względnej powietrza otaczającego), w którch pracuje silnik. W celu identfikacji wpłwu stanu technicznego układu zasilania paliwem na parametr energetczne jednoclindrowego silnika badawczego [4], będącego obiektem badań, określono zbior wielkości wejściowch (parametrów zadawanch) oraz wielkości wjściowch (parametrów obserwowanch). Do zbioru wielkości wejściowch zaliczono parametr określające punkt prac silnika, czli prędkość obrotową i moment obrotow oraz parametr opisujące zmian struktur układu zasilania paliwem, międz innmi: nieszczelności w skojarzeniach poszczególnch elementów aparatur wtrskowej, cz określającch stopień erozji otworów rozplacz, cz też stopień napięcia sprężn wtrskiwacza. Do zbioru wielkości wjściowch zaliczono parametr istotne z uwagi na oddziałwanie na nie parametrów struktur konstrukcjnej układu zasilania paliwem, są to międz innmi: średnie ciśnienie indkowane, maksmalne ciśnienie spalania, temperatura spalin wlotowch, kąt wprzedzenia wtrsku paliwa, kąt wtrsku paliwa, cz też godzinowe zużcie paliwa. Oprócz tego do zbioru wielkości wjściowch zaliczono stężenia związków tokscznch, zarówno w kolektorze wlotowm, jak i w skrzni korbowej. Rozpatrwano stężenia tlenków azotu, tlenku węgla i niespalonch węglowodorów. a potrzeb niniejszej prac dalszą analizę ograniczono do właśnie tej grup wielkości wjściowch.. AALIZA WYIKÓW BADAŃ W wniku przeprowadzonej analiz, zgodnie z teorią ekspermentu, do zrealizowania laboratorjnch badań smulacjnch opracowano dwuwartościow plan frakcjn o możliwie największej rozdzielczości oraz maksmalnm nieuwikłaniu interakcji wielkości opisującch funkcjonaln model empirczn układu zasilania silnika paliwem. Uzskano tm samm model liniow, uwzględniając interakcje dwucznnikowe, dla którego wszstkie wielomian aproksmujące wielkości wjściowe charakterzują się najwższą wartością współcznnika determinacji R = oraz sumą reszt S = 0. Wartości tch miar wskazują, że przjęt model jest najbardziej adekwatn [,4]. Wznaczone wielomian aproksmujące pozwalają określić dowolne zależności pomiędz poszczególnmi zmiennmi, a także obliczć i ocenić wpłw wprowadzonch (smulowanch) uszkodzeń (zużcia) elementów aparatur wtrskowej paliwa na wskaźniki prac i toksczności silnika [,4]. Zakłada się także możliwość określenia powiązań (współzależności) pomiędz parametrami struktur oraz wskaźnikami toksczności spalin bezpośrednio lub pośrednio poprzez wskaźniki prac silnika i tm
C HC(k) [ppm]860400008060400000000050607080samm włonić spośród nich parametr diagnostczne określonch elementów cz zespołów aparatur paliwowej silnika. Postać graficzną, bardziej przejrzstą, zmian wbranch wskaźników prac silnika w następstwie zmian wartości parametrów struktur elementów aparatur wtrskowej, przedstawiono na rs.. 800 400 000 C CO(k) [ppm] 600 00 800 400 0 0 0 0 0 40 50 60 70 80 T tq [ m] T tq [ m] 40Rs.. Zmian wskaźników prac silnika C CO(k) stężenie tlenku węgla w kolektorze wlotowm, C HC(k) stężenie węglowodorów w kolektorze wlotowm, T tq moment obrotow, kolor niebieski n =850 obr/min, kolor czerwon n = 00 obr/min, linia ciągła silnik sprawn, linia przerwana niesprawn układ zasilania paliwem. Z analiz wkresów na rs. wnika, że stężenie tlenku węgla w kolektorze wlotowm spalin C CO(k) pod wpłwem niesprawności układu zasilania paliwem ulega istotnej zmianie, prz czm jest ono zróżnicowane zarówno pod względem wartości bezwzględnch, jak i kierunku wzrostu. ajbardziej wrażliwe warunki wstępują prz T tq = 77 m, n = 00 obr/min, a następnie n = 850 obr/min. W przpadku stężenia węglowodorów w kolektorze wlotowm spalin C HC(k) wskutek niesprawności układu zasilania paliwem są jednoznaczne i jednocześnie nieoczekiwane, 4
ponieważ we wszstkich analizowanch stanach prac silnika niesprawnego wkazują tendencje malejące. a zmniejszenie stężenia węglowodorów w kolektorze wlotowm spalin mają niewątpliw wpłw zmniejszenie kąta wprzedzenia wtrsku paliwa oraz wzrost ciśnienia sprężania w momencie wtrsku paliwa, które są efektem oddziałwania wprowadzonch niesprawności, to jest: nieszczelności clinderka i tłoczka, zaworu tłocznego pomp paliwowej oraz nieszczelności iglic rozplacza. Analizując prz tm jednoczesne (sumarczne), wstępujące w tch samch warunkach obciążenia, stężenia tlenku węgla i węglowodorów należ stwierdzić, że analizowane niesprawności wpłnęł jednocześnie na bardzo duż wzrost tlenku węgla i bardzo mał spadek węglowodorów Stosunek tch dwóch wielkości w jednostkach bezwzględnch jest nieznaczn. a przkład prz obciążeniu silnika momentem T tq = 77 m i pracującego z n = 00 obr/min stosunek spadku stężenia węglowodorów do wzrostu stężenia tlenku węgla ( C HC(k) = 56 ppm/ C CO(k) = 0 ppm) jest niewielki i wnosi 4,7 %. iezależnie od wzajemnch relacji tch wielkości, wstępujące istotne zmian bezwzględnch wartości stężenia węglowodorów oraz ich zmienion kierunek w stosunku do stężenia tlenku węgla mogą bć bardzo istotnmi cechami w spełnieniu przez ten wskaźnik krteriów parametru diagnostcznego w zakresie wartości informacjnej, jak również stopnia lokalizacji niesprawności []. Jak wcześniej wspomniano, wkorzstwane do analiz ekspermentu, powszechnie dostępne modele, oparte na analizie regresji wielorakiej nie dawał możliwości badania w modelu powiązań zmiennch wjściowch (objaśnianch) [,5]. Zasadniczą cechą modeli o równaniach współzależnch jest to, że dopuszczają istnienie sprzężeń zwrotnch międz zmiennmi wjściowmi, co oczwiście jest założeniem jak najbardziej prawdziwm. Takie założenie, w przeciwieństwie do wkorzstwanej powszechnie w analizie planowania ekspermentu regresji wielokrotnej, jest bliższe rzeczwistości, chociażb biorąc pod uwagę dlemat Diesla, czli zależność pomiędz stężeniem CO, HC a stężeniem O. Poniżej zostaną przedstawione podstaw teoretczne modeli wielorównaniowch i ich praktcznego wkorzstania na przkładzie wcześniej prezentowanego planu ekspermentu [4,5]. Zależności międz sgnałami wejściowmi,, L,, a sgnałami wjściowmi,, L, można opisać za pomocą układu równań liniowch = b = b = b = b 4 4 4 4 4 4 + L + L + L + L 0 0 0 + L + L + L... 0 + L + ξ + ξ + ξ + ξ () gdzie: i, i =,, K, - zmienne objaśniane (wjściowe),, j =., K,, - zmienne objaśniające (wejściowe), j 5
bij jest współcznnikiem wstępującm w i - tm równaniu prz j - tej zmiennej objaśnianej (wjściowej), i, j =,, L, aij - jest współcznnikiem wstępującm w i - tm równaniu prz j - tej zmiennej objaśniającej (wejściowej), i =,, L,, j = 0,, L,, ξi - jest nieobserwowalnm składnikiem losowm w i -tm równaniu. Układ równań () można zapisać w postaci macierzowej BY AX + ξ = () Przez identfikację układu () należ rozumieć zagadnie doboru współcznników układu równań () prz znanch z pomiarów na rzeczwistm obiekcie wartości sgnałów wejściowch ν, ν, L, ν, ν =,, L, K i wartości sgnałów wjściowch ν, ν, L, ν, ν =,, L, K, prz czm do zbioru wielkości wejściowch zaliczono: 0 wraz nieoznaczon, prędkość obrotową silnika n, obciążenie silnika momentem T tq, zużcie powierzchni clinderka i tłoczka pomp paliwowej S pw, 4 utrata szczelności zaworu tłocznego S zt, 5 zużcie części prowadzącej iglic rozplacza S i, 6 zużcie stożkowej części uszczelniającej iglic w gnieździe rozplacza S r, 7 zużcie erozjne dsz rozplacza S e, 8 zakoksowanie dsz rozplacza S k, 9 utrata sił napięcia sprężn rozplacza p. Do zbioru wielkości wjściowch natomiast zaliczono: współcznnik nadmiaru powietrza λ, stężenie tlenku węgla w kolektorze wlotowm C COk, stężenie tlenku węgla w skrzni korbowej C COs, 4 stężenie węglowodorów w kolektorze wlotowm C HCk, 5 stężenie węglowodorów w skrzni korbowej C HCs, 6 stężenie tlenków azotu w kolektorze wlotowm C Ok, 7 stężenie tlenu w kolektorze wlotowm C Ok. Układ równań () można przedstawić w postaci zredukowanej mnożąc równanie () przez macierz B - odwrotną do macierz B prz założeniu, że jej wznacznik jest różn od zera, wted B BY = (B AX) + B ξ, stąd Y = B AX + B ξ. Oznaczając Π : = B A, η : = B ξ () otrzmano następującą postać zredukowaną modelu: Y = ΠX + η (4) odel zredukowan w postaci układu równań przedstawia się następująco... = =... = 0 0 0 + + + + L+ + L+ + L+ + η + η... + η. (5) 6
Współcznniki i 0, i, K, i, i =,, K, powższego układu równań dobrano, tak ab funkcjonał J i ( i0, i, K, i ) osiągał minimum, a sam problem wboru najlepszego modelu z klas równań (5) w sensie minimalizacji wskaźników jakości identfikacji rozwiązano korzstając z twierdzenia o rzucie ortogonalnm []. Kolejnm krokiem analiz jest określenie macierz wariancji i kowariancji estmatora Π, zbadanie przedziałów ufności dla poszczególnego współcznnika regresji wielorakiej ij, będącego współcznnikiem macierz Π, określenie współcznnika korelacji wielorakiej R []. Budując model regresji należ uwzględnić w nim te wszstkie zmienne, które ewentualnie mogą mieć wpłw na kształtowanie się wartości zmiennej Y. ie wszstkie z tch zmiennch odgrwają istotną rolę w modelu, dlatego też należ zastosować dla każdego z otrzmanch współcznników modelu prz poszczególnch zmiennch test istotności. Test ten pozwala na zwerfikowanie przpuszczenia, że wartość współcznnika regresji wnosi zero. Dopiero po odrzuceniu takiej możliwości możem twierdzić, że dana zmienna odgrwa istotną rolę w modelu regresji liniowej []. Zgodnie z (), po redukcji (uwzględnieniu istotności współcznników), przjęto równania: = b 7 7 0 = b 4 4 5 5 6 6 7 7 0 = b 5 5 7 7 88 4 = b4 45 5 47 7 40 444 455 466 5 = b5 5 54 4 57 7 50 6 = b6 67 7 60 644 655 67 7 7 = b7 7 70 7 Analizując otrzmane w wniku badania modelowego równania należ stwierdzić, że otrzmane wniki zbieżne są z teorią przedmiotu, jak również z wnikami prowadzonch wcześniej badań empircznch [4,5]. 00 Watrości aproksmowane C HC(k) [ppm] 80 60 40 0 00 80 60 40 0 00 80 00 0 40 60 80 00 0 40 60 80 00 0 Wartości zmierzone C HC(k) [ppm] Rs.. Zależności wartości aproksmowanch i zmierzonch w modelu wielorównaniowm dla stężenia węglowodorów w kolektorze 7
Świadcz o tm przkład przebiegów rozrzutu przedstawion na rs.. Z jego analiz wnika, że dopasowanie uzskanego modelu do wartości uzskanch w czasie ekspermentu jest znaczne. 4. PODSUOWAIE Przedstawion opis przestrzeni ekspermentu cznnego za pomocą modeli wielowmiarowch daje wielkie możliwości w analizie danch pomiarowch i wnioskowaniu naukowm. Ponadto istnieje możliwość, prz założeniu ortogonalności macierz współcznników П T, wkonania zadania odwrotnego, czli szacowania, z założoną istotnością, prz znanch zmiennch wejściowch opisującch punkt prac, tj.: prędkości obrotowej silnika n i obciążenia momentem obrotowm T tq, pozostałch wielkości wejściowch. Temu zagadnieniu autor zamierza poświęcić w najbliższej przszłości swoją uwagę. Bibliografia. Kośko., Osińska., Stępińska J.: Ekonometria współczesna. TOiK. Toruń 007.. Piaseczn L. i inni: etod ograniczenia emisji związków tokscznch tłokowch silników spalinowch eksploatowanch w siłowniach okrętowch. Sprawozdanie z projektu badawczego nr TD 006. AW, Gdnia 000.. Piaseczn L., Zadrąg R.: The influence of selected damages of engine ZS tpe on the changes of emission of ehaust gas componente, COBUSTIO EGIES, 009-SC, ISS 08-046, Poznań, 009 4. Zadrąg R. i inni: odele identfikacji stanu technicznego silnika na podstawie ocen emisji składników spalin. Sprawozdanie z projektu badawczego nr 4TD 055 9. AW, Gdnia 008. 5. Zadrąg R.: The multi-equational models in the analsis of results of marine diesel engines research, JOURAL OF POLISH CIAC, Vol. 4, o., ISS -998, ISB 8-900666--9, Gdańsk, 009. CRITERIA OF CHOOSIG THE DIAGOSTIC PARAETER FOR THE ARIE DIESEL EGIE DIAGOSIS Abstract: Change of some structure parameters of engine influence on the change of toic compounds emissions. First of all this concerns following damages in the sstem of load echange and in the fuel sstem and supercharge sstem of engine as well. The paper presents the diagnostic model of engine where diagnostic smptoms are factors and characteristics of gas emissions of ehausts compounds. The model has been supplemented with test results on the test stand of single-clinder test engine ZS. Test on the model shows different sensitivit of changes of selected structure parameters of engine on diagnostic parameters. Kewords: ehaust components of engine, vessel engines, engine diagnostic 8