7. Ocena pracy układu wymiany ładunku

Działanie układu doładowania ma, obok pracy układu paliwowego, zasadniczy wpływ na ekonomię procesu spalania. Możliwości oceny stanu technicznego elementów układu wymiany czynnika roboczego zależą ściśle od liczby i dokładności zainstalowanych przyrządów pomiarowych. Na typowe oprzyrządowanie układy wymiany czynnika roboczego składają się manometry i termometry natomiast nie ma możliwości bezpośredniego pomiaru natężenia przepływu powietrza i spalin, co w konsekwencji bardzo utrudnia i zawęża zakres badania diagnostycznego. Dlatego poszukuje się pośrednich metod pomiaru natężenia przepływu. Na rys.7.1 pokazano typowe rozmieszczenie przyrządów pomiarowych w układzie wymiany czynnika roboczego.

Rys.7.1. Schemat rozmieszczenia przyrządów pomiarowych w układzie doładowania:

1- tłok, 2 - cylinder, 3 - sprężarka powietrza, 4 - turbina, 5 - filtr powietrza, 6 - chłodnica powietrza, 7 - kolektor dolotowy, 8 - przestrzeń podtłokowa, 9 - układ wydechowy (tłumik, kocioł utylizacyjny), 10-siatka ochronna.

Określenie natężenia przepływu powietrza

Jak już wspomniano określenie natężenie przepływu powietrza przez układ doładowania jest, oprócz pomiaru ilości paliwa, najważniejszym parametrem diagnostycznym. Bez tej wielkości trudno jest diagnozować poszczególne elementy układu doładowania. Przy rozpatrywaniu układu doładowania najczęściej posługujemy się modelem w postaci rurociągu zasilanego przez jedną sprężarkę i obciążonego na ssaniu sprężarki oporem hydraulicznym (filtr powietrza), zaś na tłoczeniu kilkoma oporami hydraulicznymi (chłodnica powietrza, cylinder, kolektor wydechowy, turbina, układ wydechowy). Dla modelu tego musi być spełnionych kilka równań bilansowych, w tym bilans mocy sprężarki i turbiny, bilans ciśnień pokazany na rys. 7.2, oraz równanie ciągłości przepływu masy.

Rys. 7.2. Model układu doładowania stałociśnieniowego z bilansem ciśnień, mocy i natężeń przepływu: a - filtr powietrza, b - sprężarka, c - chłodnica powietrza, d - cylinder, e - kolektor wydechowy, f - turbina, g - układ wydechowy (kocioł);

Określenia natężenia przepływu powietrza i spalin można dokonać dwoma sposobami: przez bezpośredni pomiar, lub pośrednio przez wykorzystanie charakterystyki sprężarki.

Bezpośredni pomiar jest trudny do wykonania z uwagi na ukształtowanie kanału dolotowego do sprężarki oraz obecność filtra powietrza. Pomiar taki wymaga zastosowania specjalnej zwężki - lemniskaty przykręconej do sprężarki w miejsce filtra powietrza Może on być wykonany jedynie na stanowisku prób.

W drugiej metodzie wykorzystuje się pomiar różnicy ciśnień w kanale wlotowym sprężarki - konfuzorze. Ta druga metoda jest powszechnie stosowana w kompleksowych systemach diagnostycznych. W początkowym okresie stosowania tej metody producenci podawali sposób przystosowania sprężarki do rej metody. Najogólniej rzecz ujmując polegała ona na wykonaniu wierceń w kanale dolotowym sprężarki. Wiercenia muszą być wykonane prostopadle do kierunku przepływu w miejscu wiercenia, a średnica wierceń powinna być bardzo mała od 1 do 2 [mm]. Sposób pomiaru i rozmieszczenia otworów oraz otrzymaną charakterystykę pokazano na rys.7.3.

Wyznaczenie natężenia przepływu w funkcji ciśnienia doładowania, a dokładniej różnicy ciśnień w konfuzorze turbosprężarki, może być dokładne pod warunkiem, że charakterystyka którą posiadamy dotyczy dokładnie takiej samej sprężarki (te same elementy konstrukcyjne) i przy założeniu, że stan techniczny turbosprężarki nie odbiega daleko od stanu idealnego.

Jak już wspomniano, obecnie wiercenia w korpusie turbosprężarki wykonywane są w trakcie produkcji, dzięki czemu wykonane są dokładniej i staranniej.

Rys. 7.3. Sposób określenia natężenia przepływu powietrza przez turbosprężarkę: a) układ pomiarowy, b) charakterystyka (zależność m=f(Δp_k)

Pomiar natężenia przepływu, w tym przypadku, polega na odczytaniu z U - rurki przyrostu ciśnienia (Δp_k) a na tej podstawie, z wykresu wykonanego w czasie prób, odczytuje się natężenie przepływu powietrza.

Przy rozpatrywaniu układu wymiany czynnika roboczego najwygodniej jest podzielić układ na poszczególne podzespoły, to jest:

• filtr powietrza,

• sprężarkę powietrza,

• chłodnicę powietrza,

• turbinę spalinowa.

Dalsze rozważania dotyczące diagnostyki wymienionych elementów układu doładowania będą prowadzone dla dwóch przypadków; gdy znane jest natężenia przepływu powietrza i gdy nie znane jest natężenie przepływu powietrza.

Filtr powietrza

Jeżeli znane jest natężenia przepływu powietrza przez filtr, to aktualny spadek ciśnienia na filtrze porównuje się z wartością wzorcową, którą odczytuje się z wykresu wzorcowego sporządzonego w czasie prób na hamowni. Wykres ten przedstawia zależność spadku ciśnienia na filtrze w funkcji natężenia przepływu, które mierzone jest przyrostem ciśnienia na konfuzorze. Jeżeli zmierzony spadek ciśnienia leży powyżej linii granicznej, filtr należy bezwzględnie oczyścić.

Jeżeli natężenie przepływu powietrza nie jest znane, oceny stanu technicznego dokonuje się na podstawie spadku ciśnienia na filtrze porównując go z wartością dopuszczalną podaną w dokumentacji techniczno ruchowej (DTR) Przy spełnionym warunku:

(7.1)

filtr nie wymaga czyszczenia.

Jeśli na statku nie ma DTR to dopuszczalną wartość spadku ciśnienia na filtrze ustała się na podstawie obserwacji

Spadek ciśnienia na filtrze można określić z zależności:

(7.2)

gdzie: Δp_f - spadek ciśnienia na filtrze,

F_f - pole przekroju czynnego,

m_p - natężenie przepływu powietrza,

T₀,p₀ - parametry powietrza przed filtrem

Turbosprężarka - Układ bez turbiny wspomagającej oraz bez zaworu upustowego

Ocenę stanu technicznego sprężarki i turbiny można przeprowadzić oddzielnie dla każdego urządzenia lub łącznie ponieważ sprawność turbosprężarki jest iloczynem sprawności sprężarki i turbiny.

Najprościej, sprawność turbosprężarki można określić pośrednio poprzez określenie ciśnienia przepłukania (doładowania).

(7.3)

gdzie: p_d - ciśnienie doładowania,

p_o, T_o - parametry otoczenia (przed sprężarką),

T_acomp,T_dz - temperatura powietrza za sprężarką, przed chłodnicą,

ζ_TS - współczynnik empiryczny wyznaczony na podstawie prób,

n_TS - prędkość obrotowa turbosprężarki.

Należy zaznaczyć, że dokładny pomiar temperatury (T_dz ) za sprężarką, a przed chłodnicą nastręcza poważne problemy. Możliwa jest także graficzna postać tej zależności, na której naniesione są linie graniczne. Jeśli aktualny punkt pracy leży poza obszarem poprawnej pracy to należy przeprowadzić płukanie turbosprężarki.

Można także, dysponując wynikami pomiarów kilku parametrów, obliczyć ogólną sprawność turbosprężarki. Aby obliczyć sprawność turbosprężarki należ pomierzyć parametry podane w tabeli 7.1

Tabela 7.1 Parametry do obliczenia sprawności turbosprężarki (sprężarki/turbiny)

Parametr	Symbol	Jednostka	Przykładowy pomiar
Ciśnienie barometryczne	pbaro, p0,	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
Temp. za sprężarką	tacomp	^0 C
Obroty turbosprężarki	n, nTS	obr/min	= 13350
Ciśnienie doładowania	pscav, pd	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:

(7.4)

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 7.2.

Tabela 7.2. Obliczenie sprawności całkowitej turbosprężarki

Wielkość	Przykład obliczenia

Sprężarka

Jeśli istnieje możliwość określenia natężenia przepływu powietrza, to na podstawie wyników prób na hamowni sporządza się tabelę diagnostyczną. Tabela 7.3 powinna być wypełniona podczas prób na hamowni, gdyż tylko na hamowni można stworzyć tak zróżnicowane warunki pracy turbosprężarki.

Tabela 7.3. Tabela diagnostyczna sprężarki

Parametry
	Nr	1	2	3	4	5	6	7	8
		a			Według danych z hamowni
		b
		c
		d

W tabeli podaje się stopień sprężania sprężarki (π_S - stosunek ciśnień za i przed sprężarką),

wyrażony w funkcji zredukowanej prędkości obrotowej turbosprężarki i zredukowanego natężenia przepływu powietrza, gdzie:

Zredukowana prędkość obrotowa
(7.5)

Zredukowane natężenia przepływu
(7.6)

Natomiast
- rzeczywiste i zredukowane obroty oraz rzeczywiste i zredukowane natężenia przepływu. Posługiwanie się wielkościami zredukowanymi wynika z kryterium podobieństwa przepływu.

Korzystanie z tabeli 7.3 polega na sprawdzeniu, czy dla danej zredukowanej prędkości obrotowej turbosprężarki i zredukowanego natężenia przepływu aktualny stopień sprężania (π_Sa) jest taki jak w tabeli.

Jeśli różnica

(7.7)

można przyjąć, że sprężarka wymaga płukania, a gdy płukanie nie pomoże, należy wykonać przegląd turbosprężarki.

Można także obliczyć sprawność sprężarki na podstawie wyników pomiarów parametrów. Są dwie metody obliczania sprawności sprężarki.

Pierwszy sposób oparty jest na wykorzystaniu parametrów (ciśnień i temperatur)

(7.8)

Niekorzystną cechą tego sposobu jest dokładne określenie temperatury powietrza za sprężarką a przed chłodnicą (t_acomp)

Sprawność sprężarki
oblicza się z równania:

(7.9)

gdzie:
- współczynnik poślizgu (patrz tabela 5)

(7.10)

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

Turbina

Jeśli istnieje możliwość określenia natężenia przepływu powietrza, to przy założeniu równości natężeń przepływu powietrza i spalin sporządza się tabelę diagnostyczną taką jak dla sprężarki z tą różnicą, że w miejsce sprężu (π_S) należy wstawić spadek ciśnienia na turbinie (π_T). Tabela powinna być wypełniona podczas prób na hamowni.

Sprawność turbiny można także policzyć z zależności na sprawność całkowitą turbosprężarki. Mając sprawność całkowitą oraz sprawność sprężarki można napisać:

(7.11)

stąd

(7.12)

Turbosprężarka - 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:

(7.13)

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
(7.14)

jest współczynnikiem korygującym sprawność całkowitą turbosprężarki, zatem;

(7.15)

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.

Chłodnica powietrza

Chłodnica powietrza jest jednocześnie oporem hydraulicznym i wymiennikiem ciepła.

Jako opór hydrauliczny bada się chłodnicę podobnie jak filtr powietrza. Parametrem diagnostycznym jest spadek ciśnienia na chłodnicy od strony powietrza.

Spadek ciśnienia na chłodnicy można określić z zależności:

(7.16)

gdzie: Δp_C - spadek ciśnienia na chłodnicy,

F_C - pole przekroju czynnego chłodnicy

m_p - natężenie przepływu powietrza,

T_dz,p_dz - parametry powietrza przed chłodnicą

Jako wymiennik ciepła chłodnicę ocenia się ogólnym wskaźnikiem opisującym intensywność wymiany ciepła zwanym skutecznością chłodzenia (sprawnością chłodnicy).

(7.17)

gdzie: η_C - sprawność cieplna,

T_dz - temperatura przed chłodnicą,

T_d - temperatura za chłodnicą,

T_wd - temperatura wody przed chłodnicą.

Kryterium to obrazuje w sposób syntetyczny zanieczyszczenie chłodnicy zarówno od strony powietrza jak i wody. Zestawienie tego współczynnika z pomiarem spadku ciśnienia powietrza umożliwia wprost wnioskowanie o zanieczyszczeniu po stronie wody.

W większości przypadków DTR nie podaje dopuszczalnych wartości sprawności chłodnicy dlatego, istnieje potrzeba ich określenia na podstawie pomiarów z eksploatacji silnika.

Rys. 7.6. Charakterystyka chłodnicy powietrza: Δp_C- spadek ciśnienia na chłodnicy, m_p - masowe natężenia przepływu powietrza, m_z - masowe natężenia przepływu wody.

Układ wylotu spalin

Układ wydechowy wraz z kotłem utylizacyjnym mają znaczący wpływ na pracę układu wymiany ładunku. Traktując układ wydechowy jako opór hydrauliczny, można przyjąć za podstawowy parametr spadek ciśnienia

(7.18)

gdzie: Δp_W - spadek ciśnienia w układzie wydechowym,

F_W - pole przekroju czynnego układu,

m_p - natężenie przepływu spalin,

T_dz,p_dz - parametry przed turbiną .

Spadek ciśnienia można łatwo zmierzyć przy pomocy U - rurki. Jeden koniec łączy się z otworem przed kotłem utylizacyjnym, drugi z atmosferą. Zmierzony spadek można porównać z danymi z prób (dla czystego układu).

Uwaga eksploatacyjna

Zwiększenie lub zmniejszenie wartości liczbowej spadku ciśnienia na filtrze powietrza, chłodnicy powietrza lub układzie wydechowym nie świadczy jeszcze o zmianie stanu technicznego tych urządzeń. Dopiero zwiększenie wartości liczbowej spadku ciśnienia w odniesieniu do wartości wzorcowej przy podobnym obciążeniu, wskazuje na zanieczyszczenie danego oporu hydraulicznego.

Rys.7.7. Odczyty parametrów określających warunki termodynamiczne

77

g

a

b

c

d

e

f

7

0

1

2

G_S ≈ G_T G_T

4

5

6

3

N_S = N_T

Δp_Ch

paliwo

Δp_K

Δp_C

Δp_S

Δp_F

P_S

P_O

Δp_W

Δp_T

Turbina

Temperatura powietrza przepłukującego: Podniesienie temperatury będzie powodowało wzrost temperatury wydechu.

Temperatura wydechu: Mierzona na dolocie to turbiny

Średnie ciśnienie indykowane: Obliczane z wykresu. Wykres pozwala też oczytać cisnienie sprężania oraz maksymalne ciśnienie spalania.

Spadek ciśnienia na filtrze powietrza: Wzrost Δp wskazuje na zanieczyszczenie. Czyszczenie jest wymagane, gdy Δp jest większe o 50% od zmierzonego na stanowisku prób.

Ciśnienie w komorze spalania: Będzie obniżone w wyniku uszkodzenia pierścieni tłokowych, wypaleniach korony tłoka, zużycia lub wypaleniu zaworu wydechowego, uszkodzonych zaworów wtryskowych.

Ciśnienie powietrza przepłukującego: Obniżenia ciśnienia powietrza wpływa na zmniejszenie ilości powietrza i wskazuje na zanieczyszczenie systemu powietrza lub systemu wydechowego.

Różnica temperatury powietrza za chłodnicą i dolotu wody chłodzącej: Wzrost różnicy temperatur wskazuje na zanieczyszczenie chłodnicy powietrza.

Wzrost temperatury wody chłodzącej: Wzrost różnicy temperatur wskazuje na zmniejszony przepływ wody.

Spadek ciśnienia na chłodnicy powietrza: Wzrost Δp wskazuje na zanieczyszczenie strony powietrznej. Czyszczenie jest wymagane, gdy Δp jest o 50% większe od wartości zmierzonej na stanowisku prób.

Temperatura dolotowa powietrza: Podniesienie temperatury otoczenia będzie powodować wzrost temperatury wydechu.

Temperatura wydechu: wzrastająca na wszystkich cylindrach wskazuje na to, że:

1. System powietrza: filtr powietrza, sprężarka, chłodnica, okna przepłukujące są zanieczyszczone.

2. System wydechowy: kierownica, wirnik turbiny, kocioł utylizacyjny są zanieczyszczone.

Temperatura wydechu: wzrost na pojedynczym cylindrze wskazuje na to, że:

1. Zawór wtryskowy wymaga przeglądu.

2. Ciśnienie sprężania jest za niskie z powodu nieszczelnego zaworu wydechowego lub przedmuch na pierścieniach tłokowych

Chłodnica

powietrza

Zasobnik powietrza

Zawór wydechowy

Filtr powietrza

Kolektor spalin

Sprężarka

Zasobnik powietrza

---