Stefan Kluj Akademia Morska w Gdyni SYMULOWANIE WYBRANYCH NIESPRAWNOŚCI NA SYMULATORZE TURBO DIESEL 4 W artykule przedstawiono krótki opis modelu matematycznego stworzonego do celów badań diagnostycznych. Model ten został oparty na znanych z literatury przedmiotu modelach podsystemów silnika okrętowego, takich jak system doładowania, komora spalania czy system wtryskowy. W publikacji podano też przykładowe wyniki symulacji wybranych niesprawności silnika wysokoprężnego na opisywanym modelu. 1. WSTĘP Symulator Turbo Diesel 4 jest modelem deterministycznym modelującym pracę silnika w ustalonych warunkach obciążenia. Przy jego tworzeniu zastosowano wiele uproszczeń, które zostaną omówione w dalszej części artykułu. Elementy modelu były dodawane stopniowo pozwoliło to na dokładne poznanie ich właściwości oraz weryfikację doświadczalną. Sam model zaadoptowano do symulowania wybranych niesprawności silnika, przy czym wyboru sposobu matematycznego odwzorowania niesprawności dokonano na podstawie wyników badań na rzeczywistym silniku, w których autor brał udział pod koniec lat 70. XX wieku na hamowni zakładów ZGODA. Przy tworzeniu modelu przyjęto następujące założenia: Każda z symulowanych niesprawności może występować z różną intensywnością w ramach przyjętego zakresu jej modelowania. Możliwe powinno być dowolne mieszanie symulowanych niesprawności, choć nie przy wszystkich ich kombinacjach praca sinika będzie możliwa. Dokładność modelowania powinna być wystarczająca do badania na nim różnych metod diagnozowania. Model oparty na tych założeniach został zaimplementowany w opracowanym przez autora niniejszej publikacji symulatorze diagnostycznym Turbo Diesel 4. Model ten składa się z kilku modeli cząstkowych, których współzależność pokazano na rysunku 1. Ze względu na złożoność oraz znaczenie dla diagnostyki silników trzy modele (zaznaczone jaśniejszym kolorem) będą w niniejszym opracowaniu omówione bardziej szczegółowo.
6 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 Dane wejściowe doładowania smarnego chłodzenia Model komory spalania korbowo-tłokowego wtryskowego Rys. 1. Architektura modelu matematycznego 2. MODEL MATEMATYCZNY UKŁADU DOŁADOWANIA Podstawą modelu matematycznego układu doładowania jest tzw. wykres zamknięty opublikowany przez Winklera [14] (rys. 2). Modele poszczególnych elementów zostały oparte na pracach Kamkina [4], Wajanda [12], Wanszejdta [13] oraz Kordzińskiego i Środulskiego [5]. Współczynniki empiryczne występujące w modelu matematycznym wyznaczono podczas badań laboratoryjnych na silniku 3AL25. Rys. 2. Działanie modelu układu doładowania; p d ciśnienie doładowania, T wp temperatura spalin przed turbiną, p wp ciśnienie spalin przed turbiną, f 1, f 2, f 3 funkcje modelujące [14]
S. Kluj: Symulowanie wybranych niesprawności na symulatorze Turbo Diesel 4 7 doładowania pokazany na rysunku 2 opiera się na trzech bilansach: bilansie mocy sprężarki i turbiny, bilansie natężenia przepływu przez sprężarkę i turbinę, bilansie ciśnień. Przy tworzeniu modelu przyjęto wiele uproszczeń, takich jak: nieuwzględnienie wahań przepływu i jego turbulencji, równy rozdział strumienia powietrza między cylindrami, niezmienną charakterystykę turbosprężarki itd. Funkcje modelujące występujące w zamkniętym diagramie Winklera mają następujące znaczenie fizyczne: f 1 opisuje zależność między temperaturą spalin przed turbiną a ciśnieniem doładowania i oparta jest na bilansie energii powietrza i spalin (ilość energii doprowadzona podczas spalania obliczana jest przez model komory spalania), f2 opisuje zależność między ciśnieniem spalin przed turbiną a ciśnieniem doładowania i temperaturą spalin przed turbiną i opiera się na równaniu przepływu przez turbinę, która traktowana jest jako dysza o stałym przekroju, f3 opisuje zależność między ciśnieniem doładowania a parametrami spalin przed turbiną i oparta jest na bilansie mocy turbiny oraz sprężarki. 3. MODEL MATEMATYCZNY KOMORY SPALANIA Model matematyczny komory spalania został oparty na pracach Teisseyre a [11], Sobieszczańskiego [9] oraz Challena i Baranescu [1]. Do obliczeń procesu spalania wykorzystuje się funkcję spalania, której parametry wyznaczane są na podstawie przebiegu wykresu indykatorowego metodą zaproponowaną przez Teisseyre a [11]. Odrębny model układu wtryskowego wykorzystuje się do korygowania funkcji wydzielania ciepła w zależności od stanu układu wtryskowego. Model powstał przy założeniu wielu uproszczeń, takich jak: stała temperatura elementów komory spalania, równomierny rozkład strumienia paliwa w objętości komory spalania, nieuwzględnienie spadku ciśnienia na pierścieniach tłokowych itp. Działanie modelu komory spalania składa się z następujących kroków: 1) obliczenie parametrów ładunku w cylindrze przy zadanym ciśnieniu doładowania i założonych parametrach przepłukania; 2) obliczenie parametrów końca sprężania przy założonym wykładniku politropy; 3) obliczenie ciśnienia i temperatury w cylindrze dla kolejnych położeń tłoka podczas spalania (co 1 OWK) przy przebiegu wywiązywania ciepła obliczonym na podstawie dostarczanej dawki paliwa; 4) obliczenie parametrów końca rozprężania przy założonym wykładniku politropy. Porównanie przykładowego przebiegu spalania obliczonego przez model i pomierzonego na rzeczywistym silniku pokazano na rysunku 3.
8 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 Rys. 3. Porównanie obliczonego (gruba linia) przebiegu ciśnienia w komorze spalania z przebiegiem pomierzonym (cienka linia) 4. MODEL UKŁADU WTRYSKOWEGO Model został oparty na modelu opracowanym przez Sobieszczańskiego [10], a także na pracach Krępcia [6]. Model zakłada wiele istotnych uproszczeń, takich jak: pominięcie sprężystości ścianek przewodu paliwowego, pominięcie falowego charakteru propagacji ciśnienia we wszystkich przestrzeniach oprócz przewodu wtryskowego, pominięcie uderzeń hydraulicznych czy wahań prędkości obrotowej. Wszystkie dane geometryczne układu wtryskowego (w tym kształt krzywki) przyjęto z rzeczywistego silnika 3AL25. Rys. 4. Przeskalowane przebiegi ciśnienia wtrysku pomierzone przy różnych obciążeniach silnika
S. Kluj: Symulowanie wybranych niesprawności na symulatorze Turbo Diesel 4 9 Wykresy ciśnienia wtrysku zostały przeskalowane na podstawie wyników pomiarów ciśnienia na rzeczywistym silniku 3AL25 przeprowadzonych wspólnie z dr. Gałeckim i dr. Tomczakiem w zespole pod kierunkiem prof. Cwilewicza [3]. Przykładowe przeskalowane przebiegi ciśnienia wtrysku obliczone dla różnych obciążeń silnika przedstawiono na rysunku 4. 5. MOŻLIWOŚCI MODELU DIAGNOSTYCZNEGO Zestawienie niesprawności i zmiennych warunków pracy możliwych do zasymulowania na modelu matematycznym przedstawiono w tabeli 1. Nazwa symulacji Zestawienie dostępnych symulacji Jednostka Wartość min. Tabela 1 Wartość maks. Kąt wyprzedzenia wtrysku na każdym z cylindrów OWK 10 26 Przecieki na pompie wtryskowej na każdym z cylindrów % 0 20 Przecieki gazów na każdym z cylindrów % 0 20 Względny przekrój otworków wtryskiwacza na każdym z cylindrów % 80 120 Zmniejszenie przekroju czynnego filtra powietrza % 0 40 Spadek sprawności sprężarki powietrza % 0 4,5 Zmniejszenie przekroju czynnego strony powietrznej chłodnicy powietrza % 0 40 Zmniejszenie przekroju czynnego układu wydechowego % 0 40 Zmniejszenie przekroju czynnego kierownicy turbiny gazowej od turbosprężarki % 0 4,5 Zmniejszenie przepływu wody chłodzącej chłodnicę powietrza % 0 20 Zmniejszenie intensywności wymiany ciepła w przestrzeni chłodzącej silnika % 0 20 Zmiana temperatury wody chłodzącej na dolocie do silnika C 40 80 Wzrost oporów tarcia w całym silniku % 0 40 Zmiana spadku ciśnienia na filtrze olejowym MPa 0 0,2 Zmiana temperatury oleju smarnego na dolocie do silnika C 30 70 Zmiana temperatury powietrza otaczającego C 20 60 Zmiana ciśnienia powietrza otaczającego hpa 950 1050 W celu weryfikacji kompleksowego modelu diagnostycznego wykonano szereg pomiarów na rzeczywistym silniku Sulzer 3AL25 zainstalowanym w laboratorium silników Akademii Morskiej w Gdyni. Poniżej omówiono dwa wybrane przykłady doświadczalnej weryfikacji wyników symulacji. Rozkalibrowanie otworków wtryskiwacza Na rysunku 5 pokazano obliczony przebieg ciśnienia wtrysku (grubsza linia) przy badanej niesprawności i rozwijanej mocy 350 kw. Przebieg ten nałożono
10 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 na poprawny przebieg ciśnienia wtrysku przy tej samej mocy (linia cienka), który został obliczony dla tego samego obciążenia. Rys. 5. Zmiana obliczonego przebiegu ciśnienia wtrysku przy rozkalibrowanych otworkach wtryskiwacza i mocy 300 kw; przebieg normalny cienka linia, przebieg podczas niesprawności gruba linia Jak widać na rysunku 5, dla ciśnienia otwarcia wtryskiwacza, które wynosi 25 MPa, nie ma większej różnicy w przebiegu ciśnień. Dopiero po otwarciu wtryskiwacza uwidacznia się mniejszy opór hydrauliczny dysz wtryskiwacza i związany z tym niższy przebieg ciśnień. Potwierdzają to zamieszczone na rysunku 6 wyniki pomiarów ciśnienia wtrysku na rzeczywistym silniku. Tu również obniżony przebieg ciśnienia wtrysku uwidacznia się dopiero po podniesieniu iglicy wtryskiwacza. Wpływ rozkalibrowania wtryskiwacza na przebieg ciśnienia wtrysku dla 300 kw 90,00 80,00 70,00 60,00 [MPa] 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Rys. 6. Zmiana przebiegu ciśnienia wtrysku zmierzona na silniku 3AL2 przy rozkalibrowanych otworkach wtryskiwacza i mocy 300 kw [3]
S. Kluj: Symulowanie wybranych niesprawności na symulatorze Turbo Diesel 4 11 Zakoksowanie otworków wtryskiwacza Rysunek 7 pokazuje obliczony przebieg ciśnienia wtrysku przy rozkalibrowanych otworkach wtryskiwacza (gruba linia). Jak widać, zmiana przebiegu ciśnienia wtrysku uwidacznia się dopiero po podniesieniu iglicy wtryskiwacza. Rys. 7. Zmiana przebiegu ciśnienia wtrysku przy zakoksowanych otworkach wtryskiwacza i mocy 250 kw Dla tej samej niesprawności pomierzono również przebieg ciśnienia na rzeczywistym silniku. Wyniki przedstawiono na rysunku 8. Widać tutaj podobny przebieg procesu wtrysku, a także zbliżone wartości ciśnień. Wpływ zakoksowanego wtryskiwacza na przebieg ciśnienia wtrysku dla 250 kw [MPa] Rys. 8. Zmiana przebiegu ciśnienia wtrysku zmierzona na silniku 3AL25 przy zakoksowanych otworkach wtryskiwacza i mocy 250 kw [3]
12 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009 6. WNIOSKI Opierając się na doświadczeniach zdobytych przy tworzeniu modelu oraz biorąc pod uwagę wyniki przeprowadzonych badań, można sformułować następujące wnioski szczegółowe: Istnieje możliwość połączenia ogólnie znanych modeli układu doładowania, komory spalania i układu wtryskowego w jeden złożony model. Model taki wymaga skalowania na podstawie wyników badań na rzeczywistym silniku. W tak stworzonym modelu istnieje możliwość symulowania wielu typowych niesprawności silnika z dokładnością wystarczającą do badania metod diagnostycznych. Charakterystyki tak stworzonego modelu zbliżone są do wyników pomiarów na rzeczywistym obiekcie na tyle, że umożliwiają wykorzystanie go do analizy wpływu niesprawności (w tym także wielokrotnych) na parametry pracy silnika. Z badań przeprowadzonych na modelu wynika, że niektóre niesprawności wielokrotne charakteryzują się znoszeniem odchyłek typowych parametrów diagnostycznych. Wynika z tego konieczność rozszerzania zbioru parametrów diagnostycznych i doskonalenia metod diagnozowania. Wydaje się celowe kontynuowanie badań nad symulowaniem niesprawności silnika wysokoprężnego na modelu cyfrowym. LITERATURA 1. Challen B., Baranescu R., Diesel Engine Reference Book, Elsevier, Oxford 2003. 2. Cupiał K., Szczęsny P., Modelowanie numeryczne procesu wydzielania ciepła z wykorzystaniem homogenicznego modelu termodynamicznego silnika spalinowego, Silniki Spalinowe 1982, nr 114. 3. Cwilewicz R., Gałecki W., Kluj S., Tomczak L., Analiza procesu wtrysku okrętowych silników wysokoprężnych metodami pośrednimi, Sprawozdanie z badań w ramach tematu nr 48/DS/97, Wydawnictwo WSM, Gdynia 1997. 4. Kamkin S.W., Gazoobmien i nadduw sudowych dizelej, Sydostrojenie, Leningrad 1972. 5. Kordziński C., Środulski T., Silniki spalinowe z turbodoładowaniem, Wydawnictwa Naukowo- -Techniczne, Warszawa 1970. 6. Krępeć T., Sposób obliczania przebiegu wtrysku paliwa w silniku wysokoprężnym, Silniki Spalinowe 1968, nr 1. 7. Krutow W.I., DWS kak regulirujemyj obiekt, Maszinostrojenie, Moskwa 1978. 8. Rychter T., Modelowanie matematyczne roboczego cyklu silnika tłokowego, PWN, Warszawa 1990. 9. Sobieszczański M., Model otwartego wykresu indykatorowego ciśnień w komorze spalania silnika wysokoprężnego, Silniki Spalinowe 1972, nr 4. 10. Sobieszczański M., Modelowanie procesów zasilania w silnikach spalinowych, WKŁ, Warszawa 2000.
S. Kluj: Symulowanie wybranych niesprawności na symulatorze Turbo Diesel 4 13 11. Teisseyre A., Obliczanie przebiegu spalania w silniku wysokoprężnym na podstawie wykresu indykatorowego, Silniki Spalinowe, 1973, nr 1. 12. Wajand J.A., Doładowanie tłokowych silników spalinowych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1962. 13. Wanszejdt W.A., Sudowyje dwigatieli wnutrienniego sgorania, Sudostrojenie, Leningrad 1977. 14. Winkler G., Ein geschlossenes Diagram zur Bestimmung der Betriebpunkte von Abgasdurboladern an Viertaktmotoren, MTZ 1980, Nr. 10. THE SIMULATION OF THE SELECTED FAULTS IN TURBO DIESEL 4 SIMULATOR (Summary) The paper includes the short description of the mathematical model designed for the diagnostics purposes. The model has been based on several partial models published by other authors. Those sub-models include such systems like turbocharging, combustion chamber or the injection system. The example simulation results has been included as well.