Pobierz opis

Paweł Tomasz Magryta
[email protected]
Politechnika Lubelska
Wydział Mechaniczny
Adaptacyjne sterowanie śmigłowcowym silnikiem Diesla
Silniki turbowałowe dostarczają więcej mocy niż silniki tłokowe (przy tych samych
masach obu jednostek napędowych). Spowodowane jest to względnie dużą masą bloku silnika
i osprzętu silników tłokowych. Rozwój silników turbowałowych w drugiej połowie XX wieku
miał decydujący wpływ na rozwój helikopterów. Technika lekkich silników turbowałowych
przyczyniła się do rozwinięcia idei helikopterów. W połowie XX wieku silniki turbowałowe
stały się głównymi jednostkami napędowymi helikopterów, głównie ze względu na ich masę,
niezawodność itp. Jednakże sprawność tych silników zmniejsza się wraz ze zwiększeniem
wysokości lotu. W celu rekompensaty straty mocy w obszarach górskich koniecznie jest
używanie silników o zwiększonych osiągach. W większości współczesnych helikopterów
prędkość obrotowa silnika turbowałowego wynosi ok. 6000 obr/min. Natomiast prędkość
obrotowa na wyjściu z przekładni głównej waha się pomiędzy 350-450 obr/min. Aby to
osiągnąć konieczne jest zastosowanie przekładni o dużym przełożeniu, co pociąga za sobą
wzrost masy układu napędowego. Silniki turbowałowe są droższe od tłokowych i
charakteryzują się dużym zużyciem paliwa oraz znaczną emisją dwutlenku węgla. Te fakty
przyczyniają się do niekorzystnego wpływu na środowisko.
Pożądane jest zamontowanie w helikopterze elektronicznie sterowanego silnika diesla
zamiast konwencjonalnego silnika turbowałowego.
Swój potencjał ekologiczny silniki wysokoprężne udowodniły w motoryzacji, gdzie są
stosowane od wielu lat. Dzieje się tak dzięki zastosowaniu wysokiego stopnia sprężania,
chłodnicy powietrza doładowanego, bezpośredniego wtrysku paliwa, wtrysku wielofazowego,
precyzyjnego sterowania recyrkulacją spalin i pozostałymi podsystemami. Zastosowanie
takiego silnika do napędu helikoptera z pewnością wpłynie na zmniejszenie zużycia paliwa i
poziom emisji hałasu. Ponadto zastosowanie silnika diesla spowoduje zmniejszenie
wymiarów przekładni głównej śmigłowca ze względu na mniejszą prędkość obrotową na
wejściu do przekładni.
W śmigłowcu koniecznie jest zapewnienie wysokiej sprawności układu napędowego,
co wymaga wieloparametrowej optymalizacji procesu sterowania takim statkiem
powietrznym, w zależności od warunków lotu. System sterowania musi uwzględniać
wszystkie warunki jakie pojawiają się w czasie eksploatacji śmigłowca. Sterowanie silnikiem
diesla jest sterowaniem wielowymiarowym w odróżnieniu do silnika turbinowego.
Przyjmując jako podstawowe kryterium utrzymanie stałej prędkości obrotowej wirnika należy
określić wpływ regulacji m.in. czasu wtrysku, kąta początku wtrysku, liczby faz wtrysku lub
stopnia doładowania silnika, regulacji zaworu EGR oraz DPF. Niezbędne jest wykonanie
badań różnych metod sterowania predykcyjnego układami dynamicznymi i określenie na tej
podstawie optymalnej metody poprzez porównanie błędu regulacji. Oczywistym aspektem
jest, że definiując model systemu sterowania uwzględniany też jest wpływ jakości sterowania
na skład spalin emitowanych przez silnik.
Praca
doktorska
przewiduje
rozwiązanie
problemów
związanych
z nierównomiernością momentu obrotowego oraz problemów związanych ze sterowaniem
silnika. W celu rozwiązania tych problemów zostanie zastosowane innowacyjne rozwiązanie
adaptacyjnego systemu sterowania pracą silnika diesla współpracującego z systemem
FADEC.
Tematyka pracy doktorskiej związana jest ściśle z elektronicznym układem sterowania
silnikiem, a w szczególności z dostosowaniem sterownika do analizy i przetwarzania
sygnałów pomiędzy oryginalnym sterownikiem zamontowanym na śmigłowcu (FADEC
ang.), a silnikiem o zapłonie samoczynnym, w warunkach dynamicznego i statycznego lotu
śmigłowcem. Zagadnienie to wymaga innowacyjnego podejścia, ponieważ na dzień dzisiejszy
większość lekkich śmigłowców jest wyposażonych w silniki turbowałowe, których
sterowanie odbywa się za pomocą w pełni elektronicznego automatyzowanego systemu
FADEC. W przypadku śmigłowca wyposażonego w silnik o zapłonie samoczynnym,
zagadnienie to wymaga zupełnie odrębnego podejścia ze względu na skomplikowanie procesu
sterowania takim silnikiem w porównaniu do silnika turbowałowego.
Dodatkowo zastosowanie silnika Diesla w zastępstwie silnika trubowałowego będzie
wiązało się z całkowitą zmianą algorytmów sterowania. Najwyższym priorytetem w czasie
projektowania sterowania silnika Diesla w śmigłowcu będzie zapewnienie stałego poziomu
prędkości obrotowej wału wyjściowego (obecnie zakłada się dopuszczalną różnice w zakresie
± 3%), przy jednoczesnym zapewnieniu wymaganej mocy. Ważnym etapem realizacji pracy
będzie określenie zakresu zmienności prędkości obrotowej podczas zmiennych warunków
lotu takich jak:
• zmiana masy podwieszonego ładunku, dynamiczna zmiana masy wynikająca ze
zmiany ilości pasażerów śmigłowca,
• zmiana masy wynikająca ze spalenia pewnej ilości paliwa,
• zmienna prędkość, kierunek oraz zwrot wiatru podczas lotu,
• nagłe lokalne zmiany gęstości powietrza,
• zmienność ukształtowania otoczenia, szczególnie podczas lotu w terenie zabudowy
miejskiej.