Komputerowa symulacja średnio- i wolnoobrotowych silników diesl΄a.

Dr K. Banisoleiman.

Dr Z. Bazari.

W ciągłym rozwoju małych komputerów istnieje tendencja w kierunku szybszych procesorów, większych rozmiarów pamięci i redukcji cen. Szczegółowa termodynamiczna symulacja silników diesla powszechnie używana w producenckich biurach projektowych nie musi być przeprowadzana wyłącznie na komputerach dużej mocy. Podrozdziały tych symulacji stają się wykonalne na małych komputerach co daje nam redukcje kosztów wykonania symulacji i użyteczność informacji czerpanych z takich analiz dla organizacji pracujących bezpośrednio nad kosztami produkcji silników diesla.

Ten dokument ukazuje dokładność przewidywania wyników dla takich symulacji komputerowych przeprowadzonych dla średnio- i wolnoobrotowych z bezpośrednim wtryskiem, turbodoładowanych silników diesla. Tematy obejmują działanie silnika przy zmiennej jakości paliw pozostałościowych i zastosowaniu komputerów do symulacji awarii silników diesla. We wszystkich przypadkach doświadczalne dane nadają przewidywaniom lub wspierają założenia przedstawianej pracy.

1. Wprowadzenie.

Komputerowe modele silników diesla używane w ciągu dwóch ostatnich dekad z narzędzia naukowego stały się głównym narzędziem projektowym wytwórcy. To przyniosło korzyści w organizacji pracy. Techniki symulacji silników diesla dla osiągnięcia tych celów w dużej mierze bazują na bezwymiarowych modeli kontroli objętości i powszechnie odwołują się do quasi-statycznych modelów typu „napełnianie i opróżnianie”. Obliczają one zmiany termodynamicznego stanu gazu w cylindrze i kolektorze wydechowym od GMP do DMP przez jeden cykl na quasi-statycznych podstawach. Możliwy jest także jedno-wymiarowe dynamiczne modele, które obliczają skutki fal ciśnienia w kolektorze ssącym i wydechowym. Chociaż regulacje systemu kolektora ssącego bywają rzadkie w zastosowaniach morskich silników diesla, jednak dynamiczne skutki wylotu gazów są wykorzystywane np. w pulsacyjnym systemie turbodoładowania po to aby uzyskać bardzo szybką reakcje na obciążenia systemów napędowych i prądotwórczych.

Powodzenie tych modeli było w większości oparte na fakcie, że zaprojektowane ciśnienie doładowania ma ważny wpływ na osiągi i silnik ten może być dokładnie zamodelowany do przewidywania tych efektów bez ogromnych złożoności zagadnienia.

Dokument ten opisuje symulacje typu „napełnianie i opróżnianie”, które zostało zaprojektowane na stacji roboczej SUN-4 dla przewidywania procesów na obu: średnio- i wolnoobrotowym turbodoładowanym silniku diesla. Także zostało przeprowadzone przewidywanie procesów silnika ze zmienną jakością paliwa i użycie systemów modelujących awarię silnika.

2.Test silników, test paliw i plan ogólny.

Silniki	MAN B&W	RUSTON
Typ (-) Liczba cylindrów (-) Średnica cylindrów (mm) Długość skoku (mm) Stopień sprężania (-) Moc jednego cylindra (kW) Prędkość obrotowa (obr\min)	1 LA2MC 1 430 1380 1:1 765 168	6APC 6 203 273 12. 2:1 80 750

Tab. 1. Dane szczegółowe silników

Zostały rozpatrzone dwa silniki: pierwszy- jednocylindrowy, mechanicznie doładowany z bezpośrednim wtryskiem, dwusuwowy, wolnoobrotowy silnik diesla firmy MAN B&W; drugi- sześciocylindrowy, turbodoładowany z bezpośrednim wtryskiem, czterosuwowy, średnioobrotowy silnik diesla firmy RUSTON. Dane szczegółowe podano w tabeli powyżej. Oba silniki zostały użyte w projekcie paliwowym Loyd`a w którym została przebadana duża liczba olejów napędowych i paliw pozostałościowych ze względu na jakość spalania w różnorodnych rodzajach silników. Program badań dostarczył wielu eksperymentalnych danych o silnikach, które zostały zatwierdzone jako podstawa do komputerowych modelów opisywanych w tym dokumencie.

Parametry paliwa	Pal1	Pal2	Pal3	Pal4	Pal5
Rodzaj paliwa (-) Gęstość w 15˚C (kg/m^3) Lepkość w 50˚C (cSt) CCAI (-) Stosunek węgla do wodoru (-) Dolna wartość opałowa (MJ/kg)	ON* 843 2.3 805 1.78 42.65	PP* 938 198 807 1.74 41.48	PP* 983 520 841 1.59 40.89	PP* 1010 560 868 1.47 40.19	PP* 1030 710 885 1.35 39.68

Tab. 2. Szczegóły paliw przetestowanych na silniku MAN B&W 1LA2MC.

Parametry paliwa	Pal1	Pal2	Pal3	Pal4
Rodzaj paliwa (-) Gęstość w 15˚C (kg/m^3) Lepkość w 50˚C (cSt) CCAI (-) Stosunek węgla do wodoru (-) Dolna wartość opałowa (MJ/kg)	ON* 926 100 803 1.56 41.73	PP* 975 498 833 1.64 40.18	PP* 1016 467 875 1.34 39.25	PP* 1043 648 899 1.26 38.81

(*)-ON olej opałowy

-PP paliwa pozostałościowe.

Tab. 2. Szczegóły paliw przetestowanych na silniku RUSTON 6APC

gęstość kg/l w 15˚C CCAI

lepkość cSt w50˚C

Rys 1. Zakresy testu paliw.

Rys 2. Charakterystyka obciążeniowa silnika.

Tabela 2 ukazuje trochę szczegółów paliw , które zostały przetestowane na każdym z silników a rys 1 na diagramie pokazuje jakość spalania tych paliw. W obszarach od 1 do 3 przybliża nam oczekiwaną jakość spalania.

Dla każdego paliwa w danych warunkach doładowania zostały przeprowadzone charakterystyki śrubowe. Rysunek 2 ukazuje to zestawienie w którym w procentach przedstawiona jest moc i prędkość obrotowa. Wyniki symulacji zostały przedstawione dla tych warunków doładowania i dla porównania działania eksperymentalnie wyważonego silnika aby wykazać większą dokładność i udowodnić dobry tok projektowania.

To porównanie przeprowadzone jest dla przedstawienia:

-pracy silnika dwusuwowego na oleju napędowym,

-pracy silników dwu- i czterosuwowych na pozostałościowych paliwach ciężkich o różnej jakości,

-pracy czterosuwowego silnika na paliwach destylacyjnych i dla wykazania wadliwych składników silnika.

3. Model symulacji.

Model symulacji silnika użyty do tej pracy został oryginalnie zaprojektowany przez Watson`a i Marzouk`a, dla przedstawienia szybkich zmian zachodzących w wysokoobrotowych silnikach diesla. Może on przewidywać takie dane jak wpływ zmiennej geometrii turbiny lub zmiany systemu kolektora ssącego. Jednakże, większość prac projektowania i atestacji wtrysku bezpośredniego było bardzo odległych od silników szybkoobrotowych.

Lloyd`s Register wyposażył ten program w rozszerzenie wspierające zdolności przewidywania działania silników wolno- i średnioobrotowych przy zminnej jakości paliw. Drugim rozszerzeniem w który zaopatrzony jest ten program to składniki przewidujące wadliwość składników silnika.

Model podstawowy.

Kod symulacji oparty jest na quasi-statycznej metodzie „napełniania i opróżniania” opisanej przez Watson`a i Jandę.

Na najbardziej podstawowym poziomie modelowanie składa się z opcji:

● dwusuwowego cyklu pracy silnika,

● czterosuwowego cyklu pracy silnika.

Na dalszym poziomie możemy zamodelować opcje:

● symulację turbodoładowania,

● jednostopniowe doładowanie o stałej geometrii sprężarki z jedno- lub wielopunktowym zasilaniu turbiny,

● chłodzenie powietrza doładowującego,

● wielostopniowa turbina niskiego ciśnienia w współpracy z turbosprężarką wysokiego ciśnienia,

● wielostopniowa turbina wysokiego ciśnienia w współpracy z turbosprężarką wysokiego ciśnienia,

● turbosprężarka ze zmienną geometrią,

● „by pass” z zasobnika powietrza na wydech,

● stało ciśnieniowe lub pulsacyjne kolektory wydechowe,

● wyłapywacz ognia.

1

5

---