Metoda określania wielkości dawki jedno - i dwuczęciowego wtrysku paliwa w systemie CR okrętowego silnika spalinowego

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98. Transport. 2013. Leszek Piaseczny, Mirosaw Walkowski Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni. METODA OKRE LANIA WIELKO CI DAWKI JEDNO - I DWUCZ CIOWEGO WTRYSKU PALIWA W SYSTEMIE CR OKRTOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO Rkopis dostarczono, maj 2013. Streszczenie: Okrtowe tokowe silniki spalinowe wyposa ane s coraz czciej w ukady Common Rail zapewniajce wieloczciowy wtrysk dawki paliwa do cylindra. Dobór wielkoci dawki musi uwzgldnia m. in. czas jej trwania, prdko obrotow silnika i jego obci enie momentem obrotowym. Praktyczne zastosowanie okrelonego dawkowania paliwa poprzedza si zazwyczaj badaniami na stanowisku symulujcym proces wtrysku i jego zale no od parametrów dawkowania. Autorzy przedstawiaj metod doboru tych parametrów w przypadku jedno- i dwuczciowego wtrysku paliwa w okrtowym rednioobrotowym silniku spalinowym. Przedstawiono sposób tworzenia matematycznego modelu dawkowania paliwa podczas wtrysku i badania jego charakterystyk w celu optymalizacji doboru dawki paliwa, który mo e by wykorzystany w projektowaniu ukadów CR okrtowych silników spalinowych. Sowa kluczowe: ukad Common Rail, badania dawkowania paliwa, wieloczciowy wtrysk paliwa. 1.WSTP W budowie ukadów typu Common Rail (CR) stosowanych w okrtowych tokowych silnikach spalinowych istotnym zagadnieniem jest dobór dawkowania, który musi uwzgldnia m. in. czas trwania dawki lub jej czci, prdko obrotow silnika i jego obci enie momentem obrotowym. Praktyczne zastosowanie okrelonego dawkowania paliwa poprzedza si zazwyczaj badaniami na stanowisku symulujcym proces wtrysku i jego zale no od parametrów dawkowania. W pracy [1] Autorzy zaproponowali metod doboru tych parametrów dla okrtowego rednioobrotowego silnika spalinowego z ukadem wtrysku w którym dawka paliwa podzielona jest na trzy czci. Metoda ta bazuje na teorii planowania eksperymentu, co pozwala uzyska matematyczny model dawkowania paliwa podczas wtrysku. W niniejszej pracy zastosowano t metod do doboru wtrysku dla jednoczciowej i dwuczciowej.

(2) 522. Leszek Piaseczny, Mirosaw Walkowski. dawki paliwa. Jednoczciowa dawka paliwa w ukadzie zasilania typu CR odpowiada w gruncie rzeczy konwencjonalnym ukadom zasilania, ró nica polega na sposobie sterowania dawk i ktem wyprzedzenia wtrysku.. 2. REALIZACJA EKSPERYMENTU Przy doborze metody bada uwzgldniono waciwoci stanowiska badawczego, które jest przeznaczone do pomiaru masy dawki paliwa, ale tak e, co najwa niejsze, rejestracji zjawisk falowych towarzyszcych zasilaniu paliwem. Dodatkowym urzdzeniem zastosowanym w budowie stanowiska jest sterownik umo liwiajcy zmiany cinienia w zasobniku hydraulicznym i cakowitego czasu wtrysku paliwa przy zao onej krotnoci podziau dawki (dla danych przerw pomidzy wtryskiem poszczególnych jej czci) oraz pomiar masy pojedynczej dawki. Konstrukcja sterownika umo liwia podzia dawki na pi czci. Sterownik umo liwia równie pomiar i rejestracj: cinienia paliwa w kolektorze, prdko obrotow silnika, temperatur paliwa w ró nych odcinkach ukadu zasilania, kt OWK trwania wtrysku – co przekada si na czas dysponowany na realizacj penej dawki paliwa na jeden cykl [2]. Wykorzystujc niektóre z wymienionych wy ej mo liwoci stanowiska badawczego przyjto dwie wielkoci wejciowe i jedn wyjciow – jak w tabelach 1 y 4. Rozpatrzono dwa przypadki – gdy pojedyncza dawka zostaa wtrynita w jednej czci oraz gdy zostaa podzielona na dwie czci w proporcji 40% – 60%, przy czym przyjto midzy dawk pilotujc a gówn stay odstp czasowy równy 850 Ps. Z uwagi na niewielk liczb wielkoci wejciowych (dwie) i ich trzy wartoci przyjto plan dowiadczenia statyczny kompletny trójwartociowy oznaczany PS/DK-32 [3]. Uzyskane w trakcie pomiarów wyniki pozwoliy na okrelenie funkcji aproksymujcych, których obliczenia opieraj si na analizie wariancji i zapewniaj [3,4]: ¾ ocen tzw. efektów gównych i interakcji; ¾ wyznaczenie korelacji wielkoci wejciowych z wyjciowymi; ¾ wyznaczenie wspóczynników regresji funkcji aproksymujcych; ¾ ocen dokadnoci przybli enia wielomianów aproksymujcych. Wykorzystany do analizy pakiet oprogramowania przeprowadzenie bada z u yciem nastpujcych modeli: ¾ nie uwzgldniajcych interakcji; ¾ z uwzgldnieniem interakcji liniowo – liniowych; ¾ z uwzgldnieniem interakcji liniowo – kwadratowych. Ostateczn decyzj co do wyboru modelu podejmuje operator znajcy podstawy teoretyczne badanego zagadnienia.

(3) Metoda okrelania wielkoci dawki jedno- i dwuczciowego wtrysku paliwa w …. 523. Tabela 1 Zestawienie wartoci wielkoci wejciowych dla dawki jednocz

(4) ciowej Lp. 1 2. Nazwa wielkoci wejciowej Cinienie w zasobniku hydraulicznym Sumaryczny czas wtrysku paliwa. Oznaczenie i wymiar. Warto dolna. Warto rednia. Warto górna. pz [MPa]. 120. 135. 150. t [s-6]. 900. 1950. 3000. Tabela 2 Plan dowiadczenia i wyniki pomiarów dawki paliwa dla dawki jednocz

(5) ciowej Nr ukadu pomiarów 1 2 3 4 5 6 7 8 9. pz ]MPa] 120 120 120 135 135 135 150 150 150. Sumaryczny czas wtrysku [s-6] 3000 1950 900 3000 1950 900 3000 1950 900. Dawka pal [mg/wtr] 137,58 92,39 45,38 143 101,53 49,94 158,84 107,65 50,68. Tabela 3 Zestawienie wartoci wielkoci wejciowych dla dawki dwucz

(6) ciowej Lp. 1 2. Nazwa wielkoci wejciowej Cinienie w zasobniku hydraulicznym Sumaryczny czas wtrysku paliwa. Oznaczenie i wymiar. Warto dolna. Warto rednia. Warto górna. pz [MPa]. 120. 135. 150. t [s-6]. 1650. 2650. 3650. Tabela 4 Plan dowiadczenia i wyniki pomiarów dawki paliwa dla dawki dwucz

(7) ciowej Nr ukadu pomiarów 1 2 3 4 5 6 7 8 9. pz ]MPa] 120 120 120 135 135 135 150 150 150. Sumaryczny czas wtrysku [s-6] 3650 2650 1650 3650 2650 1650 3650 2650 1650. Dawka pal [mg/wtr] 134,08 94,12 52,72 143,56 99,12 60,2 153,78 93,32 62,38.

(8) 524. Leszek Piaseczny, Mirosaw Walkowski. W przypadku analizowanego eksperymentu – dla dawki jednoczciowej – funkcja aproksymujca w wyniku przeprowadzonej identyfikacji mo e mie nastpujce postacie w zale noci od rodzaju uwzgldnionej interakcji: ¾ bez uwzgldnienia interakcji q. 15 ,28091 0 ,251333 . p. z. 0 ,002652 . p. 2 z. 0 ,05702 t 0 ,00000268 t. 2. ¾ z uwzgldnieniem interakcji liniowo – liniowych q. 51,409 0 ,74533 . p. z. 0 ,00265 . p. 2 z. 2. 0 ,02282 t 0 ,00000268 t 0 ,000253 . p. z. t. ¾ z uwzgldnieniem interakcji liniowo – kwadratowych 251,381 3 ,5458 . 2. p 0 ,63431 t 0 ,000236 t 0 ,000003499 p t 0 ,0000346 p t 0 ,0000000127 p t q. p. z. 0 ,01234 . 2. z. 2. z. 2. 2. z. z. 0 ,009832 . p t z. 2. Dla dawki dwuczciowej analogicznie do powy szego: ¾ bez uwzgldnienia interakcji q. 226 ,77 3 ,38933 . p. z. 0 ,011378 . p. 2 z. 0 ,01301 t 0 ,0000056 t. 2. ¾ z uwzgldnieniem interakcji liniowo – liniowych q. 166 ,9 2 ,9459 . p. z. 0 ,01138 . p. 2 z. 2. 0 ,009583 t 0 ,0000056 t 0 ,0001673 . p. z. t. ¾ z uwzgldnieniem interakcji liniowo – kwadratowych 2. 2. q 1243,9 21,464 p 0 ,0912 p 1,333 t 0 ,000278 t 0 ,0227 z. 2. z. 2. 2. z. z. 0 ,0000046 p t 0 ,0000936 p t 0 ,000000019 p t z. p t z. 2. W podanych wy ej wielomianach wyznaczono wspóczynniki regresji, w których liczby znaczce wystpuj wiele miejsc po przecinku, jednak ich iloczyn z podanymi parametrami daje w wyniku wartoci znaczce dla prowadzonej analizy. Do oceny wiarygodnoci analiz uwzgldnionych w przyjtych wy ej modelach regresji wielokrotnej zosta dokonany przegld wyników dla nieprzeksztaconej wielkoci wyjciowej. Wyniki wskazuj na to, e dla modelu bez interakcji i z interakcj liniowo – liniow najwiksz istotno testów wykazuj liniowe skadniki równa. Dla przykadu prawdopodobiestwo uzyskania przypadkowego wyniku p dla powy szych skadników równa nie przekracza 0,015, warto rozkadu t-Studenta znacznie przekracza minimalne wartoci dla przyjtej liczby stopni swobody i p < 0,05. Analiza modelu równania regresji z interakcj liniowo – kwadratow nie jest istotna statystycznie (R2 > 1 – co jest sprzeczne z definicj wspóczynnika determinacji) – o czym wiadcz wielkoci i miary oceny zamieszczone w tabeli 5 i 6..

(9) Metoda okrelania wielkoci dawki jedno- i dwuczciowego wtrysku paliwa w …. 525. Tabela 5 Zestawienie charakterystycznych wielkoci i miar oceny dopasowania funkcji obiektu bada opisujcej jednocz

(10) ciowe dawki paliwa Lp Wielko. 1. Wspóczynnik regresji bi. 2. redni bd szacunku parametru Sbi. 3. Iloraz t=bi/Sbi. 4 5. bez interakcji pz p z2 t t2 pz p z2 t t2 pz p z2 t t2. Suma reszt MS Wspóczynnik determinacji R2. -0,2513333 0,002651851 0,057021768 -0,000002678 3,94388055 0,01459946 0,01175952 0,00000298 -0,063727 0,181640 4,848989 -0,899069 21,58084 0,99415. Model z interakcjami liniowoliniowymi -0,74533 0,00265 0,02282 -0,00000 2,3386 0,0086 0,0137 0,0000 -0,31872 0,30714 1,66892 -1,52027 7,54766 0,99846. z interakcjami liniowokwadratowymi -3,54578 0,012344 -0,634313 0,000236 >1,0. Tabela 6 Zestawienie charakterystycznych wielkoci i miar oceny dopasowania funkcji obiektu bada opisujcej dwucz

(11) ciowe dawki paliwa Lp Wielko. 2. 3. 4 5. Wspóczynnik regresji bi. redni bd szacunku parametru Sbi. Iloraz t=bi/Sbi. pz. 2. -0,0113778. -0,0113778. 0,091175. t. 0,01300667. -0,0095833. -1,332848. t2. 0,0000056. 0,0000056. 0,000278. pz. 4,5754173. 4,7005225. -. p z2. 0,0169373. 0,01730696. -. t. 0,0203172. 0,03232857. -. t2. 0,0000038. 0,00000389. -. pz. 0,740770. 0,62671756. -. p z2. -0,671759. -0,65741041. -. t. 0,640180. -0,29643540. -. t2. 1,469474. 1,43808527. -. 29,04573. 30,32751. -. 0,98968. 0,99192. >1,0. Suma reszt MS Wspóczynnik determinacji R. z interakcjami liniowokwadratowymi -21,46371. bez interakcji pz. 1. 3,38933. Model z interakcjami liniowoliniowymi 2,9459. 2.

(12) 526. Leszek Piaseczny, Mirosaw Walkowski. Wykresy warstwicowe (rys. 1 y 4) pozwalaj przewidywa dawk paliwa na wtrysk w podanych przykadowo na rysunkach przedziaach zmian pz i t. Na przykad dla dawki dwuczciowej przy pz = 142 MPa i t = 2100 Ps estymowana dawka paliwa wg modelu bez interakcji wynosi II_q_bi = 77,11 [mg/wtr], a z interakcj liniowo – liniow II_q_ll = 76,46 [mg/wtr]. Na wykresach rozrzutu (rys. 5 y 8) przedstawiono zale noci dawki paliwa na wtrysk od – odpowiednio – cinienia paliwa w zasobniku hydraulicznym, sumarycznego czasu wtrysku rozpatrywanej dawki na stanowisku laboratoryjnym. Do budowy rozpatrywanych wykresów wykorzystano wyniki pomiarów dawki paliwa na stanowisku badawczym oraz wartoci dawki paliwa uzyskane w rezultacie ich predykcji przy u yciu zastosowanych do analizy modeli. Na rysunkach zamieszczono równania prostych dopasowania rozpatrywanych wyników zarówno pomiarów jak i predykcji. Postaci zamieszczonych równa wskazuj na to, e wszystkie proste praktycznie si pokrywaj. Jednak wyniki predykcji dawki wg modelu z interakcjami liniowo – kwadratowymi nie s istotne statystycznie – wykazano w tabelach 5 i 6.. Rys. 1. Wykres warstwicowy predykcji jednoczciowej dawki paliwa na cykl w zale noci od cinienia w zasobniku hydraulicznym i sumarycznego czasu wtrysku paliwa przy estymacji z wykorzystaniem modelu bez interakcji.

(13) Metoda okrelania wielkoci dawki jedno- i dwuczciowego wtrysku paliwa w …. 527. Rys. 2. Wykres warstwicowy predykcji jednoczciowej dawki paliwa na cykl w zale noci od cinienia w zasobniku hydraulicznym i sumarycznego czasu wtrysku paliwa przy estymacji z wykorzystaniem modelu z interakcjami liniowo – liniowymi. Rys. 3. Wykres warstwicowy predykcji dwuczciowej dawki paliwa na cykl w zale noci od cinienia w zasobniku hydraulicznym i sumarycznego czasu wtrysku paliwa przy estymacji z wykorzystaniem modelu bez interakcji.

(14) 528. Leszek Piaseczny, Mirosaw Walkowski. Rys. 4. Wykres warstwicowy predykcji dwuczciowej dawki paliwa na cykl w zale noci od cinienia w zasobniku hydraulicznym i sumarycznego czasu wtrysku paliwa przy estymacji z wykorzystaniem modelu z interakcjami liniowo – liniowymi. Rys. 5. Porównanie dawek paliwa pomierzonej i estymowanych w zale noci od przyjtego modelu (funkcji obiektu bada) jako funkcji cinienia w zasobniku pz dla dawki jednoczciowej.

(15) Metoda okrelania wielkoci dawki jedno- i dwuczciowego wtrysku paliwa w …. 529. Rys. 6. Porównanie dawek paliwa pomierzonej i estymowanych w zale noci od przyjtego modelu (funkcji obiektu bada) jako funkcji czasu wtrysku t dla dawki jednoczciowej. Rys. 7. Porównanie dawek paliwa pomierzonej i estymowanych w zale noci od przyjtego modelu (funkcji obiektu bada) jako funkcji cinienia w zasobniku pz dla dawki dwuczciowej.

(16) 530. Leszek Piaseczny, Mirosaw Walkowski. Rys. 8. Porównanie dawek paliwa pomierzonej i estymowanych w zale noci od przyjtego modelu (funkcji obiektu bada) jako funkcji czasu wtrysku t dla dawki dwuczciowej. 3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Podsumowujc powy sze rozwa ania zwizane z modelowaniem dawkowania z zastosowaniem do badania wielkoci dawki paliwa dla ró nych wariantów zasilania paliwem w ukadach Common Rail rednioobrotowego silnika okrtowego mo na etwierdzi, e: 1. Czas niezbdny na realizacj okrelonej dawki jest ró ny dla dawki jednoczciowej i rozpatrywanej tu dawki dwuczciowej, przy czym w drugim przypadku jest on du szy o czas przerwy midzy dawk inicjujc a gówn. 2. Z pomiarów na stanowisku na stanowisku badawczym wynika, e zbyt krótka przerwa midzy poszczególnymi czciami dawki nie powoduje zamknicia paliwa przez iglic rozpylacza a jedynie dawi przepyw paliwa. 3. Zastosowanie elementów planowania eksperymentu zapewnia wysok efektywno realizacji zao onego zakresu bada, a tak e skrócenie czasu ich trwania oraz obni enie kosztów. 4. Sporód wykorzystanych do analizy funkcji aproksymujcych istotne statystycznie okazay si funkcje z u yciem modelu bez interakcji i funkcja z u yciem modelu z interakcji liniowo – liniowych. Funkcja z u yciem modelu z uwzgldnieniem interakcji liniowo – kwadratowych okazaa si nieistotna statystycznie. 5. Dokadnoci przybli enia wielomianów aproksymujcych przyjtych jako istotne statystycznie nie przekroczya zao onego picioprocentowego przedziau ufnoci..

(17) Metoda okrelania wielkoci dawki jedno- i dwuczciowego wtrysku paliwa w …. 531. Bibliografia 1. Piaseczny L., Walkowski M.: Method for the determining the fuel dose in three-part injection in the CR System of marine combustion engine. COMBUSTION ENGINES (w druku). 2. Piaseczny L., Walkowski M.: Simulation studies of selected characteristics of the injection system the common rail medium-speed research engine.) (PTNSS-2012-SS4-408) COMBUSTION ENGINES, SILNIKI SPALINOWE 4/2012 (151).Strona 72 – 76. 3. Korzyski M.: Metodyka eksperymentu. WNT, Warszawa 2006. 4. Chopek Z., Piaseczny L.: Zastosowanie teorii planowania dowiadcze w badaniach ekologicznych waciwoci silników spalinowych. Archiwum Motoryzacji, 2002, No. 2-3, pp .69-93. 5. STATISTICA PL dla Windows: Tom IV – Statystyki przemysowe. StatSoft Polska. Kraków 1997.. METHOD OF DETERMINING THE SINGLE AND TWO-PART FUEL DOSE INJECTION IN THE COMMON RAIL SYSTEM OF MARINE COMBUSTION ENGINE Abstract: Marine combustion piston engines are more often equipped with common rail systems, which provide multi-part injection fuel delivery to the cylinder. Dose selection must take into account, among others, its duration, the engine speed and load torque. Practical use of a specific fuel dosing is usually preceded by a study on the test stand simulating the injection process and its dependence on the dose parameters. The authors have presented a method for the selection of these parameters in the case of one-and two-part injection in the medium speed marine engine. There has been presented the manner of creating a mathematical model of the fuel dosing during the injection and research of its characteristics in order to optimize the selection of the amount of fuel, that can be applied in the design of the CR system in the marine combustion engines. Keywords: Common Railsystem, research of fuel dosing, multi-part injection.

(18)