Wykorzystanie analizy charakterystyk wydzielania ciepła do oceny stanu technicznego aparatury wtryskowej silnika okrętowego
Rozprawa dotyczy rozwiązania problemu diagnostyki układów wtryskowych tłokowych silników okrętowych o zapłonie samoczynnym z wykorzystaniem charakterystyk wydzielania ciepła, wyznaczanych na podstawie przebiegów ciśnień mierzonych na zaworach indykatorowych. Silniki tłokowe stanowią w większości (ponad 80%) napęd główny, a także napęd zespołów prądotwórczych statków. Silniki wolno- i średnioobrotowe są wyposażane w zawory indykatorowe. W celu umiejscowienia problemu scharakteryzowano klasyczne układy zasilania silników paliwami płynnymi, w których stosowane są najczęściej pompy wtryskowe z pokrętnymi tłokami. Scharakteryzowano również, stosowane coraz częściej, układy wtryskowe typu common rail sterowane elektronicznie. W celu wyłonienia uszkodzeń do badań diagnostycznych scharakteryzowano zagadnienie eksploatacji układów wtryskowych, typowe ich uszkodzenia oraz wpływ na osiągi silników. Szacuje się, że uszkodzenia układów wtryskowych stanowią około 50% wszystkich uszkodzeń silników okrętowych; do typowych należą: utrata drożności (zakoksowanie) otworów wtryskowych rozpylacza, spadek napięcia sprężyny wtryskiwacza, nieszczelność iglicy wtryskiwacza, rozszczelnienie układu (wyciek paliwa), zużycie par precyzyjnych, zużycie otworów wtryskowych, zawieszenie iglicy, zawieszenie nurnika pompy. Do badań wytypowano następujące uszkodzenia: zakoksowanie otworów wtryskowych, zużycie otworów wtryskowych, spadek ciśnienia otwarcia wtryskiwacza, nieszczelność układu wtryskowego.
Scharakteryzowano dotychczas stosowane pośrednie i bezpośrednie metody diagnozowania układów wtryskowych. Pośrednie diagnozowanie, oparte na wykresach indykatorowych i temperaturze gazów wylotowych, umożliwia ogólną ocenę stanu technicznego. Lokalizacja uszkodzeń nie jest pewna. W bezpośredniej diagnostyce wykorzystuje się przebiegi ciśnień za pompami wtryskowymi lub przed wtryskiwaczami. Metoda ta jest jednak stosowana sporadycznie, w odniesieniu do silników wolnoobrotowych dużych mocy, z powodu problemów technicznych z czujnikami ciśnienia i zagrożeniami utraty szczelności instalacji wtryskowej.
Bazując na klasycznych pracach z dziedziny wywiązywania ciepła, zdefiniowano charakterystyki wydzielania ciepła netto dla modelu jednostrefowego, które przyjęto jako nośnik informacji diagnostycznej dla układów wtryskowych. Wykorzystując przyjęty model wydzielania ciepła, na podstawie badań własnych, wykonano analizę symulacyjną (komputerową) wpływu błędów lokalizacji GMP na wykresie indykatorowym, błędów czujnika ciśnienia, np. nieprzenoszenie składowej stałej oraz wpływu zakłóceń wnoszonych przez kanały gazowe i zawory indykatorowe na błędy wyznaczania charakterystyk wydzielania ciepła. Zauważono, że w opisywanych publikacjach w modelach wywiązywania ciepła nie poświęcono dostatecznej uwagi tym niezwykle istotnym, dla pozyskiwania informacji diagnostycznej, zagadnieniom. Analizę przeprowadzono na przykładzie charakterystyk wydzielania ciepła silnika wolnoobrotowego 6RTA 76 i średnioobrotowego 6A25/30. Uzyskane wyniki wskazują, że wpływ wymienionych czynników na przebieg charakterystyk nie jest znaczący, a zakłócenia powodowane przez zawory indykatorowe i kanały gazowe pomijane w odniesieniu do silników wolnoobrotowych są jednakowe (równe błędy systematyczne) dla poszczególnych cylindrów badanego silnika średnioobrotowego. Badania diagnostyczne przeprowadzono na omówionym w tej pracy stanowisku laboratoryjnym silnika średnioobrotowego 3AL25/30. Opisano sposoby symulacji uszkodzeń i przebieg badań. Omówiono wyniki badań. Ich analiza wykazała, że wytypowane uszkodzenia, oprócz rozkalibrowanych otworów, są identyfikowalne na podstawie parametrów charakterystyk wydzielania ciepła. Wykorzystywanie do tego celu ciśnienia w przewodzie wtryskowym nie jest konieczne.
W niniejszej pracy rozpatrzono możliwość zastosowania w diagnostyce silników okrętowych metod rozpoznania obrazów do rozwiązania problemu identyfikacji stanu technicznego obiektu w systemach automatycznego diagnozowania. Zagadnienie to rozpatrzono teoretycznie. Przeprowadzona analiza pozwoliła na wskazanie odpowiedniej metody rozpoznawania.
Streszczenie 5
Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów 7
1. Wstęp 9
2. Systemy zasilania paliwem silników okrętowych 12
2.1. Silniki tłokowe stosowane na statkach towarowych 12
2.1.1. Ogólna charakterystyka silników tłokowych stosowanych na statkach towarowych 12
2.1.2. Wolnoobrotowe silniki okrętowe napędu głównego 14
2.1.3. Średnioobrotowe silniki okrętowe napędu głównego i zespołów prądotwórczych 15
2.1.4. Okrętowe silniki tłokowe jako obiekt diagnostyki 15
2.2. Układy zasilania paliwem współczesnych silników okrętowych 20
2.3. Klasyczne układy silników okrętowych 21
2.4. Systemy VIT i FQS 22
2.5. Układy wtryskowe silników okrętowych sterowane elektronicznie 25
2.6. Eksploatacja układów wtryskowych 28
2.6.1. Uwagi ogólne 28
2.6.2. Typowe uszkodzenia układów wtryskowych i ich wpływ na pracę silnika 30
2.7. Wnioski 35
3. Systemy diagnostyczne silników okrętowych, diagnostyka układów wtryskowych 37
3.1. Systemy diagnostyczne silników okrętowych 37
3.2. Metody pośrednie diagnozowania układów wtryskowych 45
3.3. Metody bezpośrednie diagnozowania układów wtryskowych 47
3.4. Wnioski 52
4. Problem badawczy 53
4.1. Podsumowanie stanu wiedzy 53
4.2. Zakres pracy 54
4.3. Zadania badawcze 54
5. Wybór modelu obliczeniowego charakterystyk wydzielania ciepła na podstawie wykresów indykatorowych 57
5.1. Jednostrefowy model wywiązywania ciepła dla silnika o wtrysku bezpośrednim 57
5.2. Ciepło wydzielone netto i jego wyznaczanie 60
5.3. Wpływ uproszczeń modelu wywiązywania ciepła na charakterystyki q i Q 62
5.3.1. Wpływ założenia stałej wartości wykładnika adiabaty 62
5.3.2. Wpływ błędów lokalizacji GMP 64
5.3.3. Wpływ błędów wyznaczania stopnia sprężania 65
5.3.4. Wpływ błędów ciśnienia początku sprężania 66
5.3.5. Wpływ czujników i kanałów gazowych na przebiegi charakterystyk q i Q 67
5.4. Wnioski 69
6. Badania stanowiskowe nad wykorzystaniem charakterystyk wydzielania ciepła netto w diagnostyce układów wtryskowych silników okrętowych 70
6.1. Metodologia badań 70
6.2. Stanowisko badawcze i obiekt badań 71
6.3. Metody symulacji uszkodzeń zastosowane w badaniach 73
6.4. Przebieg i wyniki badań 74
6.5. Analiza wrażliwości parametrów diagnostycznych 86
6.6. Opracowanie macierzy uszkodzeń 88
6.7. Wnioski 90
7. Analiza możliwości zastosowania w diagnostyce okrętowych silników spalinowych wybranych metod rozpoznawania obrazów 92
7.1. Metody rozpoznawania obrazów 92
7.2. Metoda funkcji rozpoznających 93
7.3. Metryczne metody rozpoznawania 94
7.4. Porównanie metrycznej metody z metodą funkcji rozpoznających 95
7.5. Wnioski 97
8. Podsumowanie 98
8.1. Ogólna charakterystyka osiągniętych wyników 98
8.2. Poznawcze wyniki badań 99
8.3. Utylitarne wyniki badań 100
8.4. Proponowane kierunki dalszych prac 101
Bibliografia 102
Summary 109
