Μεθοδολογία Προσομοίωσης και Διάγνωσης Ναυτικών Κινητήρων Ντήζελ - Σακελλαρίδης, Νικόλαος (Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2017)
Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας προσομοίωσης Υπερπληρωτή και χρήση αυτής σε εφαρμογές προσομοίωσης και διάγνωσης κινητήρων Ντίζελ μεγάλου μεγέθους. Η μεθοδολογία στηρίζεται στην χρήση μοντέλων μέσης γραμμής για την προσομοίωση στροβίλου και συμπιεστή του ζεύγους υπερπλήρωσης. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται αρχικά ο σκοπός της παρούσας εργασίας, και στη συνέχεια γίνεται σύντομη εισαγωγή στους εμβολοφόρους κινητήρες εσωτερικής καύσης, τις κατηγορίες αυτών με έμφαση στις εφαρμογές κινητήρων μεγάλου μεγέθους. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται παρουσίαση του συστήματος προσαγωγής αέρα εμβολοφόρων Μ.Ε.Κ. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην στροβιλοϋπερπλήρωση και στις εφαρμογές αυτής στον τομέα των κινητήρων Ντίζελ μεγάλου μεγέθους. Το Κεφάλαιο 3 περιλαμβάνει σύνοψη της βιβλιογραφίας στο αντικείμενο της προσομοίωσης υπερπληρωτή. Μειονεκτήματα και πλεονεκτήματα υπαρχουσών μεθοδολογιών καταγράφονται και συγκρίνονται, ενώ παρατίθενται και χρησιμοποιούμενες μεθοδολογίες προσομοίωσης στροβίλου και συμπιεστή οι οποίες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε προσομοιωτή κινητήρα ώστε να αναλάβουν το ρόλο της προσομοίωσης υπερπληρωτή. Τέλος, παρουσιάζεται η νέα προτεινόμενη μεθοδολογία προσομοίωσης υπερπληρωτή και τεκμηριώνονται τα πλεονεκτήματα αυτής σε σχέση με τις υπάρχουσες μεθοδολογίες με βάση τα ευρήματα της βιβλιογραφικής ανασκόπησης. Τα αναπτυχθέντα μοντέλα για προσομοίωση ακτινικού συμπιεστή καθώς και στροβίλου (ακτινικού/ μικτής ροής καθώς και αξονικού) παρουσιάζονται εκτενώς στο Κεφάλαιο 4. Για κάθε μοντέλο περιγράφονται τα απαραίτητα δεδομένα εισόδου ενώ γίνεται αναφορά και στις σταθερές βαθμονόμησης που χρησιμοποιούνται για επίτευξη της επιθυμητής ποσοτικής ακρίβειας πρόβλεψης. Μία πρώτη επαλήθευση που παρουσιάζεται στο κεφάλαιο αυτό είναι η επιτυχής εξέταση του κατά πόσον αυτά τα μοντέλα μπορούν να αναπαράγουν τους πειραματικούς χάρτες στροβίλων και συμπιεστών. Δεδομένου του ότι ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μεθοδολογίας προσομοίωσης υπερπληρωτή για εφαρμογές μοντελοποίησης και διάγνωσης ΜΕΚ, στο Κεφάλαιο 5 εκτίθεται η διαδικασία βαθμονόμησης και ενσωμάτωσης των μοντέλων σε προσομοιωτή κινητήρα αντικαθιστώντας την υπάρχουσα μεθοδολογία της χρήσης πειραματικών χαρτών, η ελλείψει αυτών, τις απλοποιητικές παραδοχές που χρησιμοποιούνται, όπως πχ η προσομοίωση του στροβίλου σαν αδιαβατικό ακροφύσιο. Τα μοντέλα ενσωματώνονται σε δύο τέτοιους προσομοιωτές, ένας εκ των οποίων αποτελεί ερευνητικό εργαλείο το οποίο έχει αναπτυχθεί στο εργαστήριο ΜΕΚ για την πρόβλεψη λειτουργικών παραμέτρων και εκπεμπόμενων ρύπων από Ντηζελοκινητήρες. Ο δεύτερος προσομοιωτής αποτελεί εμπορικό λογισμικό προσομοίωσης κινητήρων όλων των τύπων, και χρησιμοποιείται από κατασκευαστές κινητήρων/ αυτοκινητοβιομηχανίες καθώς και ερευνητικά ιδρύματα, ο οποίος διαθέτει την δυνατότητα ενσωμάτωσης κώδικα χρήστη ( user code). Παρουσιάζεται η μεθοδολογία εξαγωγής στοιχείων βαθμονόμησης για τα μοντέλα του συμπιεστή και του στροβίλου από διαθέσιμες πειραματικές μετρήσεις (Shop test και NOx file του υπό εξέταση κινητήρα), τα οποία είναι πάντοτε διαθέσιμα στο χρήστη για πρακτικές εφαρμογές. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται πρακτικές εφαρμογές της αναπτυχθείσας μεθοδολογίας προσομοίωσης στη μοντελοποίησης υπερπληρωμένων κινητήρων Ντίζελ μεγάλου μεγέθους. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται η πρώτη εφαρμογή και επαλήθευση της μεθοδολογίας, κατά την οποία αποτελέσματα του προσομοιωτή συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις, και τεκμηριώνεται η ικανότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας να αναλάβει το ρόλο της προσομοίωσης του υπερπληρωτή σε περίπτωση έλλειψης πειραματικών χαρτών στροβίλου/ συμπιεστή από τον κατασκευαστή. Στην συνέχεια εξετάζεται η προβλεπτική ικανότητα των μοντέλων συμπιεστή και στροβίλου έξω από την περιοχή βαθμονόμησης αυτών, μέσω τις προσομοίωσης λειτουργίας του κινητήρα σε κατάστασης αποκοπής ζεύγους υπερπληρωτή (αποκοπή ενός από τα ζεύγη υπερπλήρωσης τα οποία λειτουργούν εν παραλλήλω) Τέλος, η ικανότητα του μοντέλου προσομοίωσης να υπολογίζει τις χαρακτηριστικές του συμπιεστή με βάση γεωμετρικά χαρακτηριστικά, χρησιμοποιείται με σκοπό την βελτιστοποίηση συστήματος σύνθετης στροβιλοϋπερπλήρωσης μεγάλου 2-χ Ντηζελοκινητήρα, το οποίο περιλαμβάνει και προσδιορισμό διαστάσεων του στροβίλου ισχύος ο οποίος βελτιστοποιεί την απόδοση του συστήματος. Το Κεφάλαιο 7 περιλαμβάνει εφαρμογές της αναπτυχθείσας μεθοδολογίας στον τομέα της Διαγνωστικής. Αρχικά εξετάζεται η επίδραση της μεταβολής των ατμοσφαιρικών συνθηκών στην λειτουργία του κινητήρα (πίεση και θερμοκρασία περιβάλλοντος) και στην συνέχεια γίνεται προσομοίωση της επίδρασης στον κινητήρα από την υποβάθμιση των υποσυστημάτων προσαγωγής/ απαγωγής αέρα, και πιο συγκεκριμένα του ψυγείου αέρα, του οχετού απαγωγής καυσαερίου, του βοηθητικού φυσητήρα (auxiliary blower). Επίσης διερευνάται η επίδραση στον κινητήρα της αύξησης του ακτινικού διακένου μεταξύ κινητής πτερύγωσης και κελύφους του στροβίλου, καθώς και η επίδραση επικαθήσεων στις πτερυγώσεις του στροβίλου, τα οποία συχνά παρατηρούνται σε πρακτικές εφαρμογές μεγάλων κινητήρων ντίζελ οι οποίοι λειτουργούν με χαμηλής ποιότητας καύσιμο (Μαζούτ). Τέλος, προτείνεται νέα μεθοδολογία επιτήρησης και διάγνωσης για εφαρμογές μεγάλων ναυτικών κινητήρων Ντίζελ βασισμένης εξολοκλήρου στα αναπτυχθέντα μοντέλα συμπιεστή και στροβίλου, χωρίς την χρήση προσομοιωτή του ίδιου του κινητήρα, με κύριο σκοπό την εκτίμηση της ροής αέρα προς τον κινητήρα και την κατάσταση της επιφάνειας ροής του στροβίλου, καθώς και εκτίμηση του κατά πόσον το σημείο λειτουργίας του συμπιεστή έχει μετατοπιστεί προς τη γραμμή πάλμωσης (ασταθούς λειτουργίας του συμπιεστή). Η μέθοδος εφαρμόζεται για 2 περιπτώσεις για τις οποίες διατίθενται πειραματικά δεδομένα, μία εκ των οποίων περιλαμβάνει και μετρήσεις σε κατάσταση αποκοπής υπερπληρωτή.