Rys.8a Zestawienie ciśnienia w funkcji objętości cylindra pomiarów zmierzonych i przewidzianych dla różnych jakościowo paliw.

Rys.8b Zestawienie ciśnienia w funkcji kąta obrotów wału korbowego pomiarów zmierzonych i przewidzianych dla różnych jakościowo paliw.

Symulacja może być użyteczna do badania wpływu zmiennych jakości paliwa na pracę silnika i turbodoładowania. Przykładowa taka symulacja przedstawiona jest na rysunku 9 dla czterosuwowego silnika działającego na pełnych i częściowych obciążeniach.

Rys.9a Pozorna energia aktywacji zmiennych jakościowo paliw jako funkcja CCAI.

Rys.9b Przewidziane parametry działania silnika czterosuwowego działającego na zmiennych jakościowo paliwach.

Dla tej symulacji została powiązana zwłoka zapłonu z CCAI paliwa, ponieważ istniała potrzeba zastąpienia w tej symulacji liczby cetanowej (powiązanej z zwłoką zapłonu w pracy Hasa i Hardenberga) przez CCAI paliwa. W pracy Hasa i Hardenberga pozorna energia aktywacji została obliczona z zwłoki zapłonu, ciśnienia w cylindrze i temperatury w punkcie zapłonu. Dla obliczenia pozornej energii aktywacji w tym modelu zaszła potrzeba powiązania CCAI paliwa z pozorną energią aktywacji co zostało przedstawione na rysunku 9a. Ten związek został użyty w modelu dwuczęściowego spalania do przewidywania głównych trendów w działaniu silnika.

Rysunek 9b pokazuje przewidywane średnie ciśnienie użyteczne i jednostkowe zużycie paliwa dla różnych paliw przy stałych obrotach i w całym zakresie zużycia paliwa. Jak widać to z rysunku polepszone działanie silnika pracującego na lepszym paliwie można zaobserwować w całym zakresie obciążeń. Poza tym przewidywanie wskazuje, że pogorszenie działania silnika na paliwach niższych jakości jest bardziej znaczne przy mniejszych obciążeniach co jest obserwowane także w praktyce.

7. Modelowanie usterek silnika.

Innym polem interesującym towarzystwo ubezpieczające Loyda jest użycie symulacji do oceny działania silnika przy awarii lego części składowych. Użyteczność symulacji awarii sprawdza się przy zdolności modelu do potwierdzania diagnozy silnikowego systemu alarmów. Silnikowy system alarmów w przeważającej części porównuje zmierzone parametry działania silnika z nastawionymi danymi odniesienia, które stanowią optymalne parametry pracy silnika. Każde odchylenie od danych odniesienia jest interpretowane jako symptom awarii i analizowany jako najbardziej prawdopodobna awaria. Model symulacji może być użyty w podobnym celu. To znaczy, że model może służyć do dbania o żywotność silnika.

Rys.10

Rys.10 Zestawienie ogólnych parametrów silnika: zmierzonych i przewidzianych.

Rysunek 10 przedstawia przykład modelu symulacji dla silnika czterosuwowego działającego na paliwach destylowanych przy pełnych i częściowych obciążeniach, przy stałych obrotach i przy stałej mocy oddawanej na śrubę (charakterystyki śrubowe). Dane przedstawione są jako parametry pracy sprężarki w funkcji niektórych parametrów pracy silnika takich jak: prędkość obrotowa turbiny, maksymalne ciśnienie w cylindrze, temperatura wylotu gazów, jednostkowe zużycie paliwa i moc w stosunku do zużycia paliwa. We wszystkich przypadkach przewidziane dane porównane zostały z eksperymentalnie zmierzonymi danymi. Jak można zauważyć z wykresu przedstawione trendy w działaniu silnika zostały przewidziane z zadowalającą dokładnością. Większe rozbieżności powstały tylko w przypadku temperatury wylotu gazów lecz nie ma to znaczenia w tych zastosowaniach.

Silnik diesla RUSTON 6APC, warunki doładowania 1PC, paliwo f1 (gas oil)
Usterki	1		2		3		4		5
Miano	Eks.	Sym.	Eks.	Sym.	Eks.	Sym.	Eks.	Sym.	Eks.	Sym.
	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)	(%)
Okres wtrysku	0	0	[15	13]	[-17	-16]	0	-2	-5	3
Ciśnienie wtrysku	13	0	[15	15]	[-12	-28]	0	0	-3	0
Punkt wtrysku	0	0	0	0	0	0	[2	2]	[-2	-2]
Zwłoka wtrysku	[6	11]	0	0	0	0	[-7	-9]	[8	14]
Ciś. max. w cyl.	[-4	-2]	[-7	-2]	[5	4]	[-22	-9]	[7	9]
Pozycja pmax.	8	0	0	1	12	0	_	_	0	2
Max. stos. dp/dt	0	7	0	0	-19	-6	-27	-10	[50	11]
Śred. ciś. indyk.	[-6	-2]	[-26	-5]	[22	9]	-6	0	-29	0
Temp. wyl.	0	0	[-7	-3]	[29	5]	[-4	-4]	[0	-2]
Przedmuch gazów	[6	4]	0	0	0	0	0	0	0	0

1-wypracowane tuleja i pierścienie.

2-zablokowane otwory końcówki wtryskiwacza.

3-rokalibrowane otwory końcówki wtryskiwacza.

4-zbyt późny wtrysk paliwa.

5- zbyt wczesny wtrysk paliwa.

Tab.6 Zestawienie przewidzianych i eksperymentalnie zmierzonych symptomów awarii silnika.

Symulacja może być uruchomiona ponownie wraz z symulacją awarii aby obliczyć odchylenia w pracy silnika. Przykładem takiego porównania jest tabela 6 dla: wypracowanych tulei i pierścieni, zablokowanych otworów końcówki wtryskiwacza, rozkalibrowanych otworów końcówki wtryskiwacza, zbyt późnego wtrysku paliwa i zbyt wczesnego wtrysku paliwa. Dane przedstawione są w tej tabeli w procentach różnicy pomiędzy danymi obliczonymi w czasie symulacji i danymi zmierzonymi eksperymentalnie. Dane w kwadratowych nawiasach są danymi charakteryzującą daną awarię. Jak widać to z tabeli kierunek zmian danych został przewidziany przez symulację poprawnie. Chociaż rozmiary niektórych odchyleń pokazują że niektóre przewidywane parametry działania silnika są słabo przewidywalne. Warto dodać że użycie termodynamicznego modelu symulacji w tych zastosowaniach pozwala symulować prawdopodobne symptomy działania silnika przy pojedynczych lub wielorakich awariach co wpływa na termodynamiczny stan gazu. Jednakże w pewnych przypadkach gdzie symptomy awarii nie wpływają na stan termodynamiczny gazu (np. awaria w systemie oleju lubrykatorowego lub łożysk głównych itp.) mogą być wymagane dodatkowe podmodele, które modelują prawdopodobne symptomy.

8. Zakończenie.

Praca ta wykazała zdolności opartego na zasadzie „napełniania i opróżniania” modelu symulacji do przewidywania pracy silnika dwusuwowego wolnoobrotowego i czterosuwowego średnioobrotowego z bezpośrednim wtryskiem, turbodoładowanego.

Praca wykazała że:

1. Prosty termodynamiczny model przepłukania użyty został pomyślnie do przewidywania działania silnika dwusuwowego wolnoobrotowego działającego przy pełnych i częściowych obciążeniach.

2. Dwuczęściowy model spalania użyty został pomyślnie do modelowania charakterystyk pozornego jednostkowego zużycia paliwa dla dwu- i czterosuwowego silnika pracującego na zmiennych jakościowo ciężkich i pozostałościowych paliwach.

3. Model może być użyty do przewidywania termodynamicznej oceny działania silnika przy awarii co może być pomocne dla silnikowego systemu wykrywania awarii.

4. Symulacja wykazała, że użycie w modelu równań chemicznych w związku z spalaniem paliw gdzie stosunek wodoru do węgla jest różny od stosunków w paliwach lekkich nie wpływa tak znacznie na przewidywania jak dolna wartość opałowa tych paliw.

Literatura:

1- Lloyd's Register's Fuels Project. “Diesel Engine Design and Operation on Variable Quality Fuels”.

EEC Contract No. EN3E-0139/UK, 1982-1989.

2- J. F. MOREAU, D. BASTENHOT, J. BERTRAND “PC 40 The Development Criteria of a Modern Engine”.D37 - Proc. of 17th Int. Cong. on Combustion Engines, CIMAC 1987.

3- K. BANISOLEIMAN, P. S. KATSOULAKOS, „A Diesel Engine Fuel Oil Support System Test Programme”,

The 13th Energy-Sources Technology Conference, New Orleans, Jan 1990.

4- N. WATSON, M. MARZOUK, „A Non-Linear Digital Simulation of Turbocharged Diesel Engines Under Transient Conditions”, SAE770123, 1977.

5- N. WATSCN, K. BANISOLEIMAN, „Computers in Diesel Engine Turbocharging System Design”, I Mech. E Conf. Proc.; Computers in Engine Technology, Mar 1987. 6- T. RUXTON, K. S. HOONG, L. ISAIAS, „Application of Simulation and Expert Systems to Performance/Condition Monitoring of Marine Diesel Engines”,

Mar E Conf. Proc.; Maritime Communications and Control, Oct 1988.

7- N. WATSON, M. S. JANOTA „Turbocharging the Internal Combustion Engine”, Chapter 15, ISEN 0333 24290 4, MacMillan Publishers Ltd - 1982.

8- C. OLIKARA, G. BORMAN, “A Computer Program for Calculating Properties of Equilibrium Combustion Products With Some Applications to IC Engines”, SAE 750468, 1975.

9- N. WATSON, A. D. PILLEY, M. MARZOUK, „A Combustion Correlation for Diesel Engine Simulation”, SAE 800029, 1980.

10- F. J. WALIACE, C.CHANGYOU,

“A Generalised Isobaric and Isochoric Ihermodynamic Scavenge Model", SAE 871657, Milwaukee, Sept 1987.

11- J H HORLOCK, D. E. WINTERBONE, „The Thermodynamic and Gas Dynamics of Internal Combustion Engines”, Volume II pp 599-615, ISBN 0-19-856212, Clarendon Press, Oxford 1986.

12- N. P. KYRTATOS, J. TSOLKAS, I. KOUMBARELIS, „Scavenge Model for Uni-flow Two-Stroke Diesel Engines”, Project Code No: ESU/LRS/2/5-87/11, Lloyd's Fuels Project, May 1987.

13- S. SCHMIDT SORENSEN, P. SUNN PEDERSEN, „The MC Engine: Design for Reliability and Low Maintenance Costs", D31 - Proc. of 18th Int. Cong. on Combustion Engines, CIMAC June 1989.

14- H. O. HARDENBERG, F. W. HASE, „An Empirical Formula for Computing the Pressure Rise Delay of a Fuel from its Cetane Number and from the Relevant Parameters of Direct-Injection Diesel Engines", SAE 790493, 1979.

.15- Y. ITOH, M. KAWAMOTO, H. FUJIWARA, M. KAWAKAMI, T. NAGAI, „Experiments on Combustion of Heavy Fuels by Medium-Speed Diesel Engines", SAE 871395, 1987.

---