Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej
(21) Numer zgłoszenia: 410371
(22) Data zgłoszenia: 05.12.2014
(13)
B1
(51) Int.Cl.
F02D 45/00 (2006.01) G01M 15/05 (2006.01)
(54) Sposób wyznaczania mocy indykowanej silników tłokowych, w szczególności okrętowych silników wielkiej mocy
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
06.06.2016 BUP 12/16
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.07.2017 WUP 07/17
(73) Uprawniony z patentu:
AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE, Szczecin, PL
(72) Twórca(y) wynalazku:
PRZEMYSŁAW KOWALAK, Szczecin, PL STEFAN ŻMUDZKI, Szczecin, PL
TADEUSZ BORKOWSKI, Szczecin, PL
(74) Pełnomocnik:
rzecz. pat. Michał Wróblewski
PL 22 64 9 2 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania mocy indykowanej silników tłokowych, w szczególności okrętowych silników wielkiej mocy.
Określanie mocy indykowanej zwykle definiowane jest, jako odniesienie pracy indykowanej uzyskanej w jednym cyklu pracy pojedynczego układu cylindrowego do czasu, w jakim ta praca zosta- ła wykonana.
Obecnie stosowany, opisany w literaturze (Wajand, J. Pomiary Szybkozmiennych Ciśnień w Maszynach Tłokowych. Wydawnictwa Naukowo – Techniczne. Warszawa 1974; Wimmer, A., Gla- ser, J. Indykowanie silnika. Instytut Zastosowań Techniki Sp. z o.o. Warszawa 2004; Brown, W. L.
Methods for Evaluating Requirements and Errors in Cylinder Pressure Measurement. SAE Technical Paper, nr 670008, 1967) sposób sprowadza się do tego, że za pomocą przyrządu pomiarowego, naj- częściej indykatora, określa się przebieg zmian ciśnienia w cylindrze w funkcji zmian jego objętości, następnie analitycznie wyznacza się wartość pracy oraz czas w jakim została wykonana. Czas ten wylicza się na podstawie pomierzonej prędkości obrotowej silnika.
Proces ten wiąże się jednak z określonymi niedokładnościami i uproszczeniami. Złożonym za- gadnieniem jest prawidłowe zmierzenie szybkozmiennych ciśnień cylindrowych. Brak możliwości pra- widłowego określenia zmian objętości cylindra spowodował konieczność wprowadzenia uproszczenia w postaci pośredniego sposobu, gdzie dzięki wyznaczonej wartości prędkości kątowej i położenia wału korbowego silnika oblicza się brakujący parametr, czyli objętość cylindra. Niestety 5 wymaga to szeregu uproszczeń, nie uwzględniających faktu występowania drgań skrętnych wału korbowego, jego skręcenia pod wpływem przyłożonego momentu obrotowego, oraz występowania luzów w łożyskach układu tłokowo-korbowego. Największą niepewność generuje statyczna kalibracja-ustawienie czujni- ków położenia kątowego 10 wału korbowego. Szczególną trudność stanowi prawidłowe odwzorowanie górnego zwrotnego położenia tłoka silnika (GMP), które jest kluczowe dla całego procesu. W efekcie ocenia się, że błąd rzędu 1 stopnia kątowego w ustalaniu położenia wału korbowego, może genero- wać do 8% błędu w wyznaczonej wartości mocy indykowanej.
Sposób wyznaczania mocy indykowanej przybliża również patent GB1067417, w którym wiel- kościami mierzalnymi są także panujące w cylindrze ciśnienie i jego objętość.
Istotą rozwiązania według wynalazku jest zastąpienie wyznaczania objętości cylindra, przez do- kładny pomiar prędkości tłoka. Równania z jakich się korzysta są równoważne równaniom znanym i stosowanym dotychczas.
Odbywa się to w oparciu o pomiar chwilowego ciśnienia gazu roboczego w cylindrze. Z pomocą zainstalowanego w skrzyni korbowej co najmniej jednego czujnika położenia tłoka określa się zmiany położenia tłoka silnika w czasie. Znając zbiór wielu położeń tłoka wraz z ich czasem rejestracji, po- przez aproksymację i różniczkowanie, wyznacza się funkcję opisującą prędkość tłoka silnika, a znając funkcję opisującą zmienność prędkości tłoka, zarejestrowany przebieg zmian ciśnienia w cylindrze i średnicę tego cylindra oblicza się moc indykowaną obiegu cylindra z zależności:
w której: A – oznacza powierzchnię przekroju poprzecznego cylindra (alternatywnie powierzchnię denka tłoka), c – czas trwania obiegu termodynamicznego, p(t) – przebieg zmian ciśnienia roboczego gazu w cylindrze w funkcji czasu, v(t) – wyznaczony przebieg zmian prędkości tłoka, Pi – obliczaną wartość mocy indykowanej.
Położenia GMP tłoka są określane w miejscach, gdzie funkcja prędkości przyjmuje wartości ze- rowe. Taki sposób eliminuje podstawowe wady dotychczas stosowanej metody. Alternatywnie zamiast określania wielu położeń tłoka może być zastosowany bezpośredni pomiar prędkości pod warunkiem, że będzie to pomiar wartości chwilowej, a nie średniej z jakiegoś odcinka drogi.
Zastosowany może zostać dowolny czujnik, który spełniałby zadanie pomiaru przemieszczenia liniowego o zakresie odpowiadającym skokowi tłoka, o odpowiedniej rozdzielczości i odpowiedniej szybkości odpowiedzi na zmianę położenia obserwowanego elementu.
Rozwiązanie według wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania, nie ograniczającym w żadnym stopniu zakresu ochrony, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję stanowiska badawczego, fig. 2 – schemat ideowy doświadczenia pomiarowego.
Badania eksperymentalne przeprowadzono na jednym, zaadaptowanym układzie tłokowo- -korbowym okrętowego silnika typu 8RDV136 1. Silnik 1, poprzez linię wałów 2 z łożyskiem pośrednim 3, obciążony jest okrętową śrubą napędową 4 o stałym skoku, zanurzoną w zbiorniku wodnym 5.
Na silniku 1 zainstalowano zestaw czujników umożliwiających jednoczesny pomiar wybranych wielko- ści fizycznych na badanym układzie cylindrowym. Do tłoka 9 przemieszczającego się wewnątrz cylin- dra 6 przytwierdzono głowicę 13 nadajnika czujnika położenia 7 tłoka 9 współpracującą z czujnikiem położenia 7 tłoka 9 przytwierdzonym sztywno do nieruchomej konstrukcji bloku silnika 1. Czujnik ten pozwala na pomiar ciągły położeń tłoka pomiędzy jego pozycjami zwrotnymi: Dolnym Martwym Punk- tem (DMP) i Górnym Martwym Punktem (GMP). Ciśnienie gazu roboczego w cylindrze mierzone jest za pomocą czujnika 12 do pomiarów ciśnień szybkozmiennych zainstalowanego w głowicy 8 cylindra 6 i połączonego z przestrzenią roboczą cylindra 6 kanałem drążonym w głowicy cylindra.
Sygnały elektryczne uzyskane z każdego z czujników są kondycjonowane przez przeznaczone dla nich przetworniki 14 i przekazywane do rejestratora 15. Rejestracja wartości dokonywana jest typowo dając w efekcie strukturę zbioru zawierającą charakterystyczne pary: wielkość mierzona i czas jej rejestracji.
Stosując operacje matematyczne do punktów określonych współrzędnymi: czas-położenie tło- ka, dopasowana jest różniczkowalna krzywa aproksymująca. Poprzez jej różniczkowanie względem czasu możliwe jest wyznaczenie przebiegu prędkości tłoka. Miejsca zerowe funkcji opisującej pręd- kość określają położenie zwrotnych punktów DMP i GMP w dziedzinie czasu. Znając funkcję opisującą przebieg prędkości tłoka oraz zarejestrowane zmiany ciśnienia w cylindrze i średnicę tego cylindra obliczano moc indykowaną obiegu cylindra z zależności (1).
Cechą wyróżniającą sposób według wynalazku jest bezpośredni pomiar położenia tłoka silnika realizującego obieg cieplny. Umożliwia on wyznaczanie funkcji aproksymujące prędkość tłoka, która, wraz ze zmierzonym ciśnieniem gazu roboczego, stanowi podstawę obliczenia strumienia energii i dalej mocy indykowanej. Charakterystyczne jest, że w sposobie tym wspólną dziedziną dla wszyst- kich mierzonych i obliczanych wielkości fizycznych jest czas, podczas gdy w dotychczasowych meto- dach dziedzinę stanowi kąt obrotu wału korbowego lub objętość przestrzeni roboczej cylindra. Za- mienne zastosowanie czasu w tym kontekście, pozwala na uproszczenie procesu rejestracji sygnałów pomiarowych i obliczeń.
Prędkość tłoka, strumień energii oraz moc indykowana wyznaczane są dla każdego poje- dynczego cyklu pracy. Możliwa jest także prezentacja wyników uśrednionych z zadanej liczby zmie- rzonych cykli pracy układu cylindrowego.
Sposób według wynalazku w szczególności może znaleźć zastosowanie na silnikach wodziko- wych dużej mocy. Istnieje w nich konstrukcyjna możliwość zainstalowania czujnika do bezpośredniego pomiaru przemieszczenia wodzika w skrzyni korbowej silnika, który jest sztywno i bezpośrednio przy- mocowany do trzonu tłoka. Takie zainstalowanie przyrządów pomiarowych zapewniłoby możliwość obserwacji całego zakresu skoku tłoka i pozwoliło na zastąpienie skomplikowanego algorytmu wyzna- czania funkcji aproksymującej ruch tłoka aproksymacją wielomianami sklejanymi. Pozwoliłoby to na prowadzenie obliczeń strumienia energii oraz wyznaczenie mocy indykowanej w czasie rzeczywistym.
Sposób według wynalazku jest pozbawiony podstawowej wady metody stosowanej dotychczas, jaką jest bezpośredni wpływ dokładności instalacji czujnika położenia wału na wartość wyznaczonej mocy indykowanej. Przeciwnie, na wynik, tj. wartość wyznaczonej mocy indykowanej, uzyskany spo- sobem według wynalazku, nie mają wpływu: dokładność instalacji czujnika położenia wału korbowego, drgania skrętne wału korbowego, ani trwałe skręcenie wału korbowego spowodowane momentem obrotowym wynikającym z rzeczywistego obciążenia użytecznego silnika.
Moc indykowana jest obliczana na podstawie dokładnie mierzalnych wielkości wejściowych: po- łożenia tłoka i ciśnienia gazu roboczego w cylindrze, których niepewności mogą być precyzyjnie okre- ślone. Dlatego wartość mocy indykowanej, wyznaczonej sposobem według wynalazku, może być traktowana, jako wartość bezwzględna, ze ściśle określoną i znaną niepewnością.
Zastrzeżenia patentowe
1. Sposób wyznaczania mocy indykowanej silników tłokowych, w szczególności okrętowych silników wielkiej mocy, w oparciu o pomiar chwilowego ciśnienia gazu roboczego w cylin- drze, znamienny tym, że z pomocą zainstalowanego w skrzyni korbowej co najmniej jednego czujnika położenia tłoka (7) określa się zmiany położeń każdego z tłoków silnika (1) w cza- sie, po czym znając zbiór wielu położeń tłoka (9) wraz z ich czasem rejestracji, poprzez aproksymację i różniczkowanie, wyznacza się funkcję opisującą prędkość tłoka (9) silnika (1), a znając funkcję opisującą zmienność prędkości tłoka (9) oraz zarejestrowany przebieg zmian ciśnienia w cylindrze (6) i średnicę tego cylindra (6) oblicza się moc indykowaną z za- leżności:
w której: A – oznacza powierzchnię przekroju poprzecznego cylindra bądź powierzchnię denka tłoka, c – czas trwania obiegu termodynamicznego, p(t) – przebieg zmian ciśnienia roboczego gazu w cylindrze w funkcji czasu, v(t) – wyznaczony przebieg zmian prędkości tłoka, Pi – obliczana wartość mocy indykowanej.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zwrotne położenia(GMP i DMP) tłoka (9) są określane w miejscach, gdzie funkcja prędkości przyjmuje wartości zerowe.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dokonuje się bezpośredniego pomiaru pręd- kości tłoka (9).
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dokonuje się bezpośredniego pomiaru prze- mieszczenia tłoka (9).
Rysunki
Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)
