Beata Borkowska, Halina Kolenda

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.
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
6
Dane
wejściowe
Model układu
doładowania
Model układu
smarnego
Model układu
chłodzenia
Model komory
spalania
Model układu
korbowo-tłokowego
Model układu
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
Model układu 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),
• f 2 – 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,
• f 3 – 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.
Tabela 1
Zestawienie dostępnych symulacji
Nazwa symulacji
Kąt wyprzedzenia wtrysku na każdym z cylindrów
Jednostka
Wartość
min.
Wartość
maks.
°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
chłodzącej silnika
%
0
20
Zmiana temperatury wody chłodzącej na dolocie do silnika
°C
40
80
Wzrost oporów tarcia w całym silniku
%
0
40
MPa
0
0,2
wymiany
ciepła
w
przestrzeni
Zmiana spadku ciśnienia na filtrze olejowym
Zmiana temperatury oleju smarnego na dolocie do silnika
°C
30
70
Zmiana temperatury powietrza otaczającego
°C
20
60
hPa
950
1050
Zmiana ciśnienia powietrza otaczającego
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
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 60, październik 2009
10
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
[MPa]
60,00
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.
[MPa]
Wpływ zakoksowanego wtryskiwacza na przebieg ciśnienia wtrysku dla 250 kW
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.