DIAGNOSTYKA

Korekta parametrów osiąganych przez silnik spalinowy

1. Uwagi ogólne

Oceniając aktualny stan techniczny silnika spalinowego porównujemy jego obecne osiągi (parametry) z podobnymi parametrami uzyskanymi w stanie idealnym (nowym). Porównując te parametry musimy pamiętać, że mogły one być uzyskane w innych warunkach otoczenia. Aby uniknąć wpływu warunków otoczenia na osiągi silnika należy wszystkie porównywane parametry, na które wpływ ma otoczenie, sprowadzić (zredukować) do umownych warunków otoczenia. W przypadku okrętowych silników spalinowych należy posłużyć się normą ISO.

Zgodnie z normą ISO 3046/1 przyjmuje się następujące warunki odniesienia:

t_inl - temperatura powietrza na wlocie = 25⁰C

Temperatura powietrza na wlocie do filtra może różnić się dość znacznie, zależeć to będzie od miejsca usytuowania wlotu. Praktyka wykazała, że najlepiej jest używać dwóch termometrów umieszczonych w płaszczyźnie poziomej pod kątem 180⁰ wciśniętych na połowę grubości filtra.

t_coolinl - temperatura wody chłodzącej na wlocie do chłodnicy powietrza = 25⁰C

p_baro - ciśnienie barometryczne = 1 bar (100 kPa; 750 mm H_g)

ϕ_r - wilgotność względna %

Korekcie do warunków odniesienia podlegają następujące parametry mierzone na silniku:

p_comp, - ciśnienie sprężania,

p_scav - ciśnienie doładowania,

p_max - maksymalne ciśnienie spalania,

t_exh - temperatura spalin na odlocie z silnika.

Korekty można dokonywać na dwa sposoby:

1) Poprzez obliczenie poprawki korygującej posługując się uniwersalnym równaniem

(1)

gdzie:

A_corr - poprawka korygująca, którą należy zastosować do w/w wielkości

t_meas - mierzona wartość temperatury t_inl lub t_coolinl,

t_ref - temperatura odniesienia (t_inl , t_coolinl), w danym przypadku 25⁰C,

F₁, F₂ - stałe zawarte a tabeli 1,

K - stała zawarta w tabeli 1,

A_meas - mierzony parametr (p_comp, p_scav, p_max, t_exh)

Korzystając z tego wzoru można stworzyć nomogramy, z których można odczytać wielkości poprawek. Firma B&W opracowała takie nomogramy dla silników 50-90MC i opublikowała w opracowaniu pt. Instruction Book `Operation for 50-90MC Engines Operation, Edition 40.

Tabela 1

Korygowany parametr	F1 - stała dla temp. powietrza	F2 - stała dla temp. wody chłodzącej	stała K
texh	-2,446 x 10^-3	-0,59 x 10^-3	273
pscav	+2,856 x 10^-3	-2,220 x 10^-3	pbaro 1 bar lub 750 mm Hg
pcomp	+2,954 x 10^-3	-1,530 x 10^-3	pbaro 1 bar lub 750 mm Hg
pmax	+2,198 x 10^-3	-0,810 x 10^-3	pbaro 1 bar lub 750 mm Hg

2) Poprzez odczytanie poprawek korygujących na temperatury (t_inl oraz t_coolinl) z odpowiednich nomogramów dla w/w parametrów.

2. Przykład obliczeniowy

Z silnika odczytano następujące parametry:

p_scav = 2.0 bar, p_comp = 110 bar, p_max = 140 bar. , t_exh = 425 ⁰C,

oraz

t_inl = 42 ⁰C, t_coolinl = 40 ⁰C,

1) Korekta ciśnienia doładowania:

Korekta na temp. powietrza na dolocie

Korekta na temperaturę wody chłodzącej na dolocie:

Skorygowana wartość ciśnienia doładowania z uwagi na parametry otoczenia wynosi:

Jeśli ciśnienie doładowania mierzone jest w milimetrach słupa rtęci otrzymamy:

ciśnienie doładowania - 1500 mm Hg

korekta na temperaturę powietrza na dolocie:

korekta na temperaturę wody chłodzącej:

Skorygowana wartość ciśnienia wyniesie:

3. Maksymalna temperatura gazów odlotowych

W związku z tym, że silnik może być eksploatowany w warunkach klimatycznych znacznie różniących się od normalnych (obliczeniowych), jak również z uwagi na fakt, że stan techniczny w czasie eksploatacji ulega systematycznemu pogorszeniu wprowadzono projektowe ograniczenie obciążenia cieplnego silnika. Fakt przekroczenia tej granicy można oszacować następująco:

Czynnikami przyczyniającymi się do wzrostu temperatury gazów odlotowych (obciążenia cieplnego silnika) są:

1. Zanieczyszczenie turbosprężarki.

2. Zanieczyszczenie chłodnicy powietrza.

3. Pogorszenie stanu technicznego; układu paliwowego, układu tłok-cylinder oraz zaworu wydechowego.

4. Parametry otoczenia.

5. Praca na paliwie ciężkim przy niedostatecznym oczyszczeniu paliwa.

Zakładając maksymalne możliwe zmiany temperatury gazów od poszczególnych czynników (patrz tabela 2) można oszacować sumaryczny maksymalny wzrost temperatury gazów odlotowych.

Tabela 2

L.p	Czynnik powodujący wzrost temperatury	Maksymalny wzrost temperatury w ^0 C
1	Zanieczyszczenia układu wymiany ładunku (filtr, sprężarka, turbina)	+30
2	Zanieczyszczenie chłodnicy powietrza	+10
3	Pogorszenie stanu technicznego układu wtryskowego, układu tłok - cylinder oraz zaworu wydechowego	+10
4	Zmiana warunków otoczenia związana ze zmianą klimatu	+45
5	Praca na paliwie ciężkim	+15
	Sumaryczna zmiana	+110

W warunkach normalnej eksploatacji (wykonywaniu, zalecanych przez producenta silnika przeglądach) jest mało prawdopodobne równoczesne wystąpienie wszystkich maksymalnych wzrostów temperatury, w tym samym czasie.

Z tego względu, przyjmuje się, że sumaryczny przyrost temperatury gazów odlotowych, w stosunku do charakterystyki wzorcowej, na poziomie 60 ⁰C jest maksymalnie dopuszczalny. Po stwierdzeniu wzrostu temperatury wydechu przekraczającej 60 ⁰C, należy przedsięwziąć działanie zmierzające do poprawy sytuacji. Aby przedsięwziąć właściwe działanie należy umieć odróżnić, czy wzrost temperatury spowodowany jest pogorszeniem stanu technicznego elementów silnika czy zmianą warunków otoczenia, z tego względu należy umieć obliczyć oddzielnie wpływ zmian warunków otoczenia na temperaturę gazów odlotowych. Podany przykład obliczeniowy będzie najlepszą ilustracją sposobu działania.

Przykład obliczeniowy:

Załóżmy, że silnik jest obciążony w 80%. Według charakterystyki wzorcowej (dostarczonej przez producenta) temperatura wydechy dla 80% obciążenia powinna wynosić 380 ⁰C, natomiast zmierzona temperatura wynosi 425 ⁰C.

Temperatura powietrza (t_inl) wynosi 42⁰C, zaś temperatura wody chłodzącej na dolocie do chłodnicy powietrza (t_coolinl) wynosi 40⁰C.

Posługując się uniwersalnym wzorem na wielkość poprawki korygującej (1) otrzymamy:

Korekta na temp. powietrza na dolocie

Korekta na temperaturę wody chłodzącej:

Skorygowana wartość temperatury gazów odlotowych z uwagi na temperatury powietrza oraz wody chłodzącej wynosi:

Reasumując można stwierdzić, że obserwowany wzrost temperatury gazów odlotowych wynoszący 425 -380 = 45 ⁰C jest, w tym przypadku wywołany następującymi przyczynami:

• przyrost o 35 ⁰C spowodowany jest zmianą temperatury powietrza oraz temperaturą wody chłodzącej,

• pozostałe 45 - 35 =10 ⁰C spowodowane jest zmianą stanu technicznego silnika, zanieczyszczeniem chłodnicy powietrza oraz jakością paliwa.

Taki sam wynik można otrzymać posługując się odpowiednimi wykresami sporządzonymi w oparciu o uniwersalny wzór na obliczenie korekty.

Sprawność turbosprężarki

1. Uwagi ogólne

W normalnych warunkach, dla oceny osiągnięć silnika spalinowego nie jest konieczne odrębne obliczanie sprawności turbosprężarki. Gdyby jednak pojawiła się taka konieczność należy takie obliczenie przeprowadzić wg następujących zasad:

Całkowita sprawność turbosprężarki składa się ze sprawności turbiny, sprężarki oraz sprawności mechanicznej. Można przyjąć, że ze względu na sposób połączenia obu tych elementów, sprawność mechaniczna jest bliska jedności i można ją pominąć w dalszych rozważaniach.

2. Obliczenie sprawności

Dokonując obliczenia sprawności turbosprężarki należy rozróżnić czy mamy do czynienia tylko z układem doładowania, czy też mamy do czynienia z układem doładowania i turbiną wspomagającą lub z układem doładowania i zaworem upustowym spalin. W układach z turbiną wspomagającą lub zaworem upustowym ilości czynników przepływające przez sprężarkę i turbinę będą różne.

2.1. Układ bez turbiny wspomagającej oraz bez zaworu upustowego

Aby obliczyć sprawność turbosprężarki należ pomierzyć parametry podane w tabeli 3.

Tabela 3

Parametr	Symbol	Jednostka	Przykładowy pomiar
Ciśnienie barometryczne	pbaro	mm Hg lub bar	766.5/750 = 1,022 bar
Spadek ciśnienia na filtrze pow.	Δpf	mm H2O lub bar	21 x 0,0001 = 0,002 bar
Spadek ciśnienia na chłodnicy pow.	Δpc	mm H2O lub bar	168 x 0,0001 = 0,017 bar
Temp. przed sprężarką	tinl	^0 C	= 21 ^0 C
Obroty turbosprężarki	n	obr/min	= 13350
Ciśnienie pow. doładowania	pscav	mm Hg lub bar	1900/750 = 2,533 bar *)
Ciśnienie gazów w kolektorze	pexh	mm Hg lub bar	1795/750 = 2,393 bar *)
Ciśnienie za turbiną	patc	mm H2O lub bar	265 x 0,0001 = 0,026 bar *)
Temp. przed turbiną	tbtc	^0 C	= 400 ^0 C

*) ciśnienie manometryczne

Sprawność całkowitą turbosprężarki można obliczyć ze wzoru:

(2)

Wyrażenia
oraz
może być obliczone przy użyciu kalkulatora lub przy użyciu krzywych wykonanych na podstawie tych zależności. Sposób obliczenia wartości (R₁) oraz (R₂) przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 4 Obliczenie sprawności całkowitej turbosprężarki

Wielkość	Przykład obliczenia

Sprawność sprężarki
oblicza się z równania:

(3)

gdzie:
- współczynnik poślizgu (patrz tabela 5)

(4)

D - średnica wirnika sprężarki [m]

- prędkość obwodowa

Wartości liczbowe dla D oraz współczynnika poślizgu należy wziąć z dokumentacji turbosprężarki. Dla najczęściej występujących typów turbosprężarek wartości te podano w tabeli 5.

Tabela 5 Średnice wirników turbosprężarek oraz współczynniki poślizgu

Producent turbosprężarki	Typ		Współczynnik poślizgu μ
MAN B&W	NA 34 40 48 57 70	0,391 0,460 0,552 0,656 0,805	TO7		TO8	TO9
						0,77		0,70
			BBC / ABB	VTR 304 354 454 564 714	0,3497 0,4157 0,5233 0,6588 0,8294	-	A	E
						0,79		0,69

Tabela 6. Obliczenie sprawności sprężarki

Wielkość	Przykład obliczeniowy

Sprawność turbiny można policzyć z zależności na sprawność całkowitą turbosprężarki mając sprawność całkowitą oraz sprawność sprężarki.

(5)

stąd

(6)

2.2. Układy z turbiną wspomagającą lub/i zaworem upustowym

Sprawność turbosprężarki jest obliczana w taki sam sposób jak dla punktu 2.1 a następnie wartość sprawności jest korygowana w następujący sposób:

Równanie:

(7)

opiera się na założeniu, że natężenie przepływu przez turbinę jest równe natężeniu przepływu przez sprężarkę plus natężenie przepływu paliwa. Jeśli układ posiada turbinę wspomagającą lub zawór upustowy, natężenie przepływu przez turbinę jest pomniejszone o masę spalin przepływającą przez turbinę wspomagającą lub zawór upustowy.

Natężenie przepływu przez turbinę i turbinę wspomagającą lub przez turbinę i zawór upustowy jest proporcjonalne do czynnej powierzchni przepływu w turbinach lub średnicy dyszy w zaworze upustowym.

Jeśli:

to wyrażenia
(8)

jest współczynnikiem korygującym sprawność całkowitą turbosprężarki, zatem;

(9)

Wyrażenie
może nieznacznie różnić się dla różnych układów lecz najczęściej wynosi około 1,08 i tą wartość można z powodzeniem przyjąć przy oszacowywaniu trendu sprawności, w czasie eksploatacji, dla sprawności całkowitej turbosprężarki oraz sprawności turbiny. Natomiast nie ma to wpływu na sprawność sprężarki.

85

---