Materiały dydaktyczne Tłokowe silniki spalinowe i ich systemy

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Projekt „Rozwój i promocja kierunków technicznych w Akademii Morskiej w Szczecinie”

Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin

1

Materiały dydaktyczne

Tłokowe silniki spalinowe i ich systemy sterowania

Semestr V

Wykłady




2

Temat 1 (3 godz.): Podstawy budowy i działania silników spalinowych Zagadnienia:

A. Zasada działania silników spalinowych B. Budowa konstrukcyjna silnika spalinowego

Zagadnienie: 1A Zasada działania silników spalinowych Energia

Energia określa zdolność ciała lub układu ciał do wykonania pracy przy przejściu z jednego stanu do drugiego. Energia jest własnością materii, której wydzieloną część nazywa się układem. Wykonanie przez układ pracy dodatniej występuje wtedy, gdy jedynym skutkiem oddziaływania pomiędzy tym układem a ciałami zewnętrznymi może być podniesienie ciężaru znajdującego się poza układem. Przekazywanie energii pomiędzy układami zamkniętymi, które nie jest wykonaniem pracy, nazywa się przepływem ciepła.

Silnik spalinowy służy do przetworzenia energii cieplnej, otrzymanej w wyniku spalania paliwa, na energię mechaniczną ruchu obrotowego. Wykorzystuje się do tego przestrzeń roboczą w części konstrukcyjnej zwanej cylindrem oraz mechanizm korbowy. W cylindrze realizuje się cykl przemian zamkniętych gazu roboczego, tworzących tzw. obieg cieplny, którego efektem jest praca cieplna obiegu. Pracę tę zamienia mechanizm korbowy na pracę mechaniczną ruchu obrotowego.

Poszczególne przemiany w obiegu cieplnym są dobierane w taki sposób aby spełniały wymaganie realizowalności oraz odpowiedniej efektywności. Za przykład może posłużyć obieg teoretyczny Sabathe, odpowiadający procesom realizowanym praktycznie w silnikach o zapłonie samoczynnym.




3

Rys. 1. Obieg teoretyczny Sabathe

Sprężanie izentropowe a-c; doprowadzanie ciepła izochoryczno – izobaryczne c-z'-ż; rozprężanie izentropowe z-b; odprowadzanie ciepła izochoryczne b-a

W obiegu tym przyjmuje się, że ciepło dopływa do gazu roboczego drogą wymiany

ciepła ze źródłem górnym ciepła oraz jest odprowadzane od gazu roboczego drogą wymiany ciepła ze źródłem dolnym ciepła. Stwarza to możliwość zachowania niezmienionej masy gazu roboczego w cylindrze, niezależnie od ilości zrealizowanych cykli.

Zamiana dostarczonego ciepła na pracę zewnętrzną odbywa się z określoną sprawnością. Wielkość tej sprawności zależy od wybranych parametrów konstrukcyjnych i roboczych silnika. Silnik o zapłonie samoczynnym według patentu Rudolfa Diesel’a Silnik o spalaniu wewnętrznym

Paliwem jest olej napędowy lub opałowy. Przemiany obiegu cieplnego odbywają się w przestrzeni roboczej nazywanej cylindrem. Zmianę objętości gazu roboczego realizuje się za pomocą ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka. Gazem roboczym jest powietrze pobierane z otoczenia poprzez mechanizm rozrządu.




4

Obieg rzeczywisty – cykl przemian

Sprężanie – związane z ruchem tłoka od DMP do GMP. Procesowi podlega czyste powietrze zawarte w cylindrze. Maleje objętość a rosną ciśnienie i temperatura gazu – stosownie do charakteru wymiany ciepła z otoczeniem.

Spalanie – doprowadzanie ciepła. Spalaniu podlega dawka paliwa ciekłego (olej napędowy lub olej opałowy) wtryśniętego do sprężonego powietrza znajdującego się w komorze spalania. Wielkością charakterystyczną tego paliwa jest jego wartość opałowa dW .

dW = 42 - 43 MJ/kg dla oleju napędowego

dW = 39,3 - 40,5 MJ/kg dla oleju opałowego Rozprężanie – związane z ruchem tłoka od GMP do DMP.

Rozprężaniu podlegają spaliny utworzone w cylindrze w wyniku spalania. Zwiększa się objętość a obniżają ciśnienie i temperatura gazu. Charakter zmian tych parametrów zależy od procesów dopływu i odpływu ciepła.

Wydech spalin i napełnianie cylindra powietrzem. Odbywa się poprzez otwarcie kanału łączącego cylinder z atmosferą, realizowane sekwencyjnie za pomocą elementów rozrządu silnika. W czasie wydechu ciśnienie gazów w cylindrze jest wyższe od ciśnienia otoczenia, a podczas napełniania ciśnienie powietrza zasilającego jest wyższe od ciśnienia panującego w cylindrze. Połączenie cylindra z atmosferą odbywa się za pomocą mechanizmu rozrządu. W praktyce spotyka się rozwiązanie techniczne tego mechanizmu z zaworem grzybkowym umieszczonym w głowicy cylindrowej lub otworami wykonanymi w tulei cylindrowej, sterowanymi tłokiem. Rodzaj zastosowanego mechanizmu rozrządu wpływa na liczbę suwów tłoka niezbędną do uzyskania rzeczywistego obiegu cieplnego. Spotykane w praktyce to silniki dwusuwowe i czterosuwowe.

Rys.2. Schemat działania silnika dwusuwowego: a) suw sprężania, b) suw pracy (rozprężania)




5

Rys.3. Schemat działania silnika czterosuwowego: a) suw napełniania, b) suw sprężania, c) suw rozprężania, d) suw wydechu.

Zagadnienie: 1B Budowa konstrukcyjna silnika spalinowego

Budowa konstrukcyjna silnika spalinowego zapewnia praktyczną realizację przemiany energii cieplnej na energię mechaniczną w oparciu o teorię obiegów cieplnych, odpowiednio do zdefiniowanych wskaźników pracy. Przestrzeń robocza jest ukształtowana w formie cylindra, z możliwością zmiany objętości gazu roboczego w czasie każdego cyklu oraz powtarzalnością cykli przez czas użytkowania silnika. Występujące obciążenia mechaniczne i cieplne wpływają na przyjęte rozwiązania konstrukcyjne poszczególnych elementów, zastosowane materiały i technologie wykonania. W budowie konstrukcyjnej silnika wyróżniamy trzy zasadnicze zespoły: kadłub, mechanizm korbowy, mechanizm rozrządu zaworowego.




6

1. Kadłub stanowi zbiór elementów nieruchomych tworzących przestrzenie robocze (cylindry), umożliwiających funkcjonowanie mechanizmu korbowego i rozrządu zaworowego, montaż i działanie podzespołów instalacji silnika oraz posadowienie silnika na fundamencie. Głównymi elementami kadłuba są: blok cylindrowy, skrzynia korbowa i głowica. Stosowane są silniki wielocylindrowe, stąd liczba cylindrów odpowiada liczbie przestrzeni roboczych silnika.

2. Mechanizm korbowy stanowi zbiór elementów ruchomych powiązanych odpowiednimi przegubami, umożliwiającymi ruch posuwisto-zwrotny tłoka w cylindrze oraz obrotowy wykorbienia w skrzyni korbowej, przy zastosowaniu korbowodu łączącego tłok z wykorbieniem. Dzięki temu, praca obiegu roboczego może być przekształcona na pracę mechaniczną ruchu obrotowego, która to forma pracy jest wykorzystywana w działaniu odbiornika energii (np. śruby okrętowej) bezpośrednio połączonego z silnikiem.

3. Mechanizm rozrządu zaworowego stanowi zbiór elementów umożliwiających realizację procesu wymiany ładunku w cylindrze, celem sekwencyjnego kontynuowania kolejnych cykli pracy silnika. Zawór grzybkowy umieszczony w głowicy stanowi zasadniczy element tego mechanizmu, którego zadaniem jest okresowe otwieranie połączenia między cylindrem i otoczeniem silnika (atmosferą). Praktycznie, stosuje się oddzielny zawór dolotowy, umożliwiający napełnienie cylindra powietrzem i odrębny zawór wylotowy, umożliwiający opróżnianie cylindra ze spalin. Z zaworem współpracuje mechanizm umożliwiający ruch zaworu w określonym przedziale czasu trwania cyklu roboczego, zapewniające stosowny przekrój swobodnego przepływu gazu. Najczęściej do tego celu wykorzystuje się mechanizm krzywkowy, z krzywką płaską, wykonującą ruch obrotowy zsynchronizowany z ruchem wykorbienia. Stosownie do rozwiązania konstrukcyjnego mechanizmu, pomiędzy krzywką płaską a zaworem grzybkowym występują różne elementy pośredniczące w ruchu. Ponadto, w silniku znajdują zastosowanie inne podzespoły funkcjonalne, tworzące określone instalacje silnikowe . Są to:

4. Instalacja wtryskowa, która jest zbiorem podzespołów pozwalających na doprowadzenie do cylindrów silnika odpowiedniej dawki paliwa, pod wymaganym ciśnieniem i w odpowiednim okresie, tak aby spełnić wymagania narzucane przez sposób tworzenia mieszaniny palnej. W swej podstawowej formie zawiera pompę wtryskową i wtryskiwacze, połączone wysokociśnieniowymi rurkami.

5. Instalacja smarowania, która jest zbiorem podzespołów pozwalających na smarowanie określonych elementów i par kinematycznych silnika. Odbywa się to za pomocą oleju smarnego, krążącego w obiegu zamkniętym w czasie funkcjonowania silnika. Głównymi elementami instalacji smarowania są: zbiornik oleju, pompa, filtry, chłodnica i przewody łączące.

6. Instalacja chłodząca, która jest zbiorem podzespołów pozwalających na odprowadzanie części ciepła od elementów silnika, narażonych na działanie intensywnego strumienia ciepła, do otoczenia za pomocą płynu chłodzącego (najczęściej wody). W celu zapewnienia ciągłej realizacji zadania, organizuje się




7

odpowiednią charakterystykę ruchu płynu chłodzącego, poprzez zastosowanie pompy, chłodnicy, kanałów i przestrzeni wypełnionych cieczą chłodzącą.

7. Instalacja rozruchowa, która służy do zapoczątkowania ruchu elementów mechanizmu korbowego w celu sekwencyjnego zrealizowania cyklu przemian gazu roboczego w cylindrze, rozpoczynając od przemiany sprężania. Przy tym, niezbędne jest funkcjonowanie podzespołów pozostałych instalacji silnika. Realizacja tego zadania wymaga dostarczenia określonego strumienia energii z zewnątrz, na czas tzw. rozruchu silnika (zwykle kilka do kilkunastu sekund). Najczęściej stosowanym do tego celu źródłem energii jest sprężone do określonego ciśnienia powietrze , zawarte w określonej ilości w specjalnym zbiorniku. W celu zrealizowania założonego cyklu rozruchu stosowany jest wybrany mechanizm umożliwiający ruch w/w elementów przy pomocy energii cieplnej, dostarczonej w sprężonym powietrzu.

Rys.4. Schemat budowy konstrukcyjnej silnika czterosuwowego




8

Rys.5. Schemat budowy konstrukcyjnej silnika dwusuwowego

Rys.6. Konstrukcja silnika spalinowego




9

Literatura: 1. Piotrowski I., Witkowski K.: Okrętowe silniki spalinowe. Trademar., Gdynia 2002,

str. 13-60. Temat 2 (2 godz.) Tworzenie mieszaniny palnej Zagadnienia:

A. Rozpylanie paliwa ciekłego B. Ruch powietrza w cylindrze

Mieszanina palna złożona z cząstek powietrza i paliwa, podlegająca samozapłonowi i spalaniu wewnątrz komory spalania silnika, tworzy się w okresie wprowadzania paliwa ciekłego (wtrysku) do sprężonego powietrza. Wymagany jest gazowy stan paliwa oraz rozprzestrzenienie jego cząstek w całej objętości cylindra. Celem uzyskania tego stanu organizuje się tworzenie mieszaniny palnej w oparciu o rozpylanie paliwa w cylindrze – osiągane przez wtrysk paliwa oraz mieszanie obu składników mieszaniny, dzięki zorganizowanemu intensywnemu ruchowi powietrza. Zagadnienie: 2A Rozpylanie paliwa ciekłego

Rozpylanie paliwa ciekłego w komorze spalania otrzymuje się poprzez wtrysk dawki paliwa przez otworek o małej średnicy (0,2 – 1,0) mm do powietrza znajdującego się w komorze spalania. Proces przebiega z dużą intensywnością, kiedy prędkość przepływu paliwa wynosi 250÷350 m/s. Taki efekt osiąga się w wyniku sprężenia paliwa do bardzo wysokiego ciśnienia (60÷200 MPa). Ciśnienie powietrza, do którego wpływa paliwo jest wówczas na poziomie 5÷10 MPa. Schemat rozpadu strumienia paliwa na pojedyncze krople przedstawia rys.7.

Rys.7. Schemat rozpadu strumienia paliwa na krople podczas wypływu z otworu rozpylacza




10

Efektem tak realizowanego procesu jest obszar komory spalania objęty kroplami paliwa. Obszar ten nosi nazwę strugi rozpylonego paliwa (rys.8)

Rys.8. Struga rozpylonego paliwa

Średnice kropli paliwa zawartego w strudze są zróżnicowane, stosownie do

parametrów procesu wtrysku. Zjawisko rozkładu średnic kropli paliwa reprezentuje tzw. widmo rozpylenia, będące ilustracją graficzną w układzie współrzędnych prostokątnych: udział masowy kropli w funkcji średnicy kropli (patrz rys.9)

Rys.9. Charakterystyki rozpylania paliwa

1 – rozpylenie dokładne, w miarę jednorodne; 2 – rozpylanie w miarę dokładne, niejednorodne; 3 – rozpylenie niedokładne, jednorodne




11

W typowych instalacjach wtryskowych średnice poszczególnych kropel mieszczą się w przedziale od kilku do kilkudziesięciu μm.

Opis widma rozpylenia może uzupełnić pojęcie średniej średnicy kropli paliwa wg Sautera:

n

iii

n

iii

sśr

dn

dnd

1

2

1

3

gdzie: id - i-ta średnica kropli

in - ilość kropli o średnicy id

Wszystkie wielkości charakteryzujące proces rozpylenia paliwa są kształtowane oddzielnie dla każdej konstrukcji silnika spalinowego i realizowane przez elementy instalacji wtryskowej. Zagadnienie: 2B Ruch powietrza w cylindrze

Odpowiednio zorganizowany i intensywny ruch powietrza w komorze spalania, połączony z określonym poziomem intensywności turbulencji, sprzyja jakości procesu tworzenia mieszaniny palnej i spalania. Jednym z częściej realizowanych form ruchu powietrza jest zawirowanie powietrza, które może być uformowane jako wir płaski (rys.10) lub wir beczkowy (rys.11).

Rys.10. Schemat generowania wiru płaskiego

a – w konwencjonalnym silniku o pojedynczym zaworze dolotowym, b – wir powstaje w wyniku stycznego do ściany cylindra ukierunkowania przewodu dolotowego,




12

c – intensywny wir powstaje wokół zaworu dolotowego w wyniku stosownego ukształtowania przewodu dolotowego, a następnie rozprzestrzenia się na cały cylinder.

Rys.11. Schemat generowania wiru beczkowego w układzie podwójnego przewodu

dolotowego.

Inną formą realizacji ruchu powietrza jest tzw. wyciskanie (ang. squish), otrzymywane w wyniku zastosowania kształtu komory spalania opartej na specjalnym wgłębieniu w tłoku (rys.12).

Rys.12. Schemat oddziaływania powierzchni wyciskającej i wpływ jej geometrii na prędkość

wyciskania




13

Literatura: 2. Piotrowski I., Witkowski K.: Okrętowe silniki spalinowe. Trademar., Gdynia 2002,

str. 494-502. Temat 3 (2 godz.) Wskaźniki pracy silnika

Wskaźniki pracy silnika są to wielkości charakteryzujące właściwości techniczno-

eksploatacyjne silnika spalinowego. Należą do nich następujące wielkości:

Prędkość obrotowa n [obr/s]

Moment obrotowy silnika tqT [Nm]

Praca użyteczna eL [J]

Moc użyteczna eP [W]

Czasowe zużycie paliwa B [kg/s] Jednostkowe zużycie paliwa b [kg/Ws] lub [g/kWh]

Sprawność ogólna silnika et

Średnie ciśnienie indykowane ip [Pa]

Średnie ciśnienie użyteczne ep [Pa]

Prędkość obrotowa określa liczbę obrotów wału korbowego w jednostce czasu. Występuje jako: nominalna, minimalna, rozruchowa lub eksploatacyjna prędkość obrotowa.

Praca indykowana iL jest wielkością pracy otrzymanej w wyniku realizacji rzeczywistego (indykowanego) obiegu cieplnego w przestrzeni cylindrowej silnika.

Praca użyteczna eL jest wielkością pracy przekazywanej przez silnik odbiornikowi w czasie realizacji jednego rzeczywistego obiegu cieplnego.

mie LLL

gdzie: mL - wielkość strat mechanicznych silnika

Moment obrotowy silnika jest średnią wartością momentu obrotowego przenoszonego z wału korbowego do odbiornika energii podczas jednego obiegu cieplnego.




14

e

tqP

T

gdzie n 2 Moc użyteczna silnika określa strumień energii przekazywanej odbiornikowi energii.

ob

ee t

LP

1

gdzie: obt1 - czas trwania jednego obiegu Wyróżnia się następujące rodzaje mocy użytecznej:

moc nominalna, która odnosi się do podawanych przez producenta określonych warunków pracy;

moc maksymalna, która dotyczy największej wartości mocy osiąganej przez silnik w ciągu określonego czasu (zwykle 60 min.);

moc eksploatacyjna, którą silnik może rozwijać w nieograniczonym czasie, bez obawy o przekroczenie dopuszczalnych obciążeń mechanicznych i cieplnych.

B -czasowe zużycie paliwa

tm

B pal

palm - masa paliwa zużytego przez silnik w czasie t b - jednostkowe zużycie paliwa

ePBb

et - sprawność ogólna silnika

d

eet Q

P




15

gdzie: dd BWQ

Wskaźnik ten charakteryzuje efektywność przetwarzania energii cieplnej zawartej w paliwie na pracę użyteczną otrzymywaną na wale korbowym silnika.

ip - średnie ciśnienie indykowane, [Pa]

s

ii V

Lp

gdzie: SDVs 4

2

ep - średnie ciśnienie użyteczne, [Pa]

s

ee V

Lp

Literatura:

1. Piotrowski I., Witkowski K.: Okrętowe silniki spalinowe. Trademar., Gdynia 2002, str. 82-102.

2. Włodarski J.K.: Okrętowe silniki spalinowe. Podstawy teoretyczne. Skrypt WSM Gdynia, Gdynia 1996, str. 65-71.

Temat 4 (2 godz.) Charakterystyki silników okrętowych Zagadnienia:

A. Pole pracy silnika B. Charakterystyka obciążeniowa

Charakterystyki silników okrętowych obejmują zbiór wartości liczbowych

wskaźników pracy silnika, odpowiadających wszystkim możliwym stanom dopuszczalnym (standardowym) jego działania. Stanowią źródło informacji umożliwiających projektowanie, wykonanie i eksploatowanie układu napędowego: silnik spalinowy – odbiornik energii. Jedną z najczęściej wykorzystywanych form udostępniania tego zbioru jest graficzna prezentacja wybranych wartości (najbardziej odpowiadających konkretnemu rozwiązaniu technicznemu




16

układu napędowego) wskaźników w formie wykresu na płaszczyźnie, w prostokątnym układzie współrzędnych. Zagadnienie: 4A Pole pracy silnika

Pole pracy silnika spalinowego przedstawia zbiór wskaźników pracy silnika

w układzie współrzędnych: moc użyteczna eP - prędkość obrotowa n . Obrazuje ono pełne możliwości realizacji zadań silnika przy założeniu prędkości obrotowej jako zmiennej niezależnej, narzucanej przez wymagania odbiornika energii. W zakresie zmienności prędkości obrotowej od minimalnej do nominalnej silnik może rozwijać moc od zera do wartości określonej charakterystyką graniczną. Charakterystyka graniczna odpowiada określonej dla danej prędkości obrotowej dawce paliwa, która może być równa wartości nominalnej (charakterystycznej dla każdego silnika) lub od niej mniejsza, z uwagi na narzucone ograniczenia zewnętrzne (rys.13).

Rys.13. Pole pracy silnika;

1 – charakterystyka graniczna; 2,3,4 – charakterystyki mocy częściowej.

Ograniczenia te wynikają z zaleceń ochrony środowiska (najczęściej jest to granica dymienia) lub potrzeby uniknięcia zjawiska pompowania turbosprężarki (w obszarze mniejszych prędkości obrotowych), względnie innych indywidualnych wymagań. Poniżej linii granicznej można nanieść dowolne linie, będące miejscem geometrycznym określonego




17

typu założenia. Np.: mogą to być linie odpowiadające stałej (mniejszej od nominalnej) wartości dawki paliwa – są to tzw. charakterystyki mocy częściowej lub linie łączące punkty charakteryzujące się stałą wartością jednostkowego zużycia paliwa (rys.14).

Rys. 14. Pole pracy silnika z liniami stałego jednostkowego zużycia paliwa.

Zagadnienie: 4B Charakterystyka obciążeniowa

Charakterystyka ta odnosi się do silników pracujących ze stałą nominalną prędkością obrotową, czego wymagają niektóre rodzaje odbiorników energii (np.: prądnica prądu zmiennego). Wówczas, w prostokątnym układzie współrzędnych na osi odciętych występują wartości mocy użytecznej, obciążenia, średniego ciśnienia użytecznego lub momentu obrotowego silnika. Natomiast na osi rzędnych przedstawia się wartości innych, zależnych od w/w wielkości wskaźników pracy silnika. Do najczęściej występujących w tej roli należą: jednostkowe zużycie paliwa, czasowe zużycie paliwa, sprawność ogólna silnika (patrz rys.15).




18

Rys.15. Charakterystyka obciążeniowa silnika okrętowego

Literatura:

1. Piotrowski I., Witkowski K.: Okrętowe silniki spalinowe. Trademar., Gdynia 2002, str. 118-128

2. Piotrowski I., Witkowski K.: Okrętowe silniki spalinowe. Trademar., Gdynia 2002, str.123-137

Temat 5 (2 godz.) Warunki współpracy silnika spalinowego z odbiornikiem energii Zagadnienia:

A. Współpraca silnika ze śrubą o stałym skoku B. Współpraca silnika ze śrubą o skoku nastawnym C. Współpraca z prądnicą prądu przemiennego

Zagadnienie: 5A Współpraca silnika ze śrubą o stałym skoku

Układ napędowy ze śrubą o stałym skoku bazuje na sztywnym połączeniu wału korbowego silnika z wałem śrubowym statku. Może to być układ bezpośredni, w którym obroty śruby są równe obrotom silnika lub ze stałą przekładnią (najczęściej redukcyjną),




19

w którym obroty śruby są równe iloczynowi położenia przekładni przez prędkość obrotową silnika. Wykorzystując charakterystykę obrotową śruby można uzyskać wszystkie parametry współpracy obu maszyn.

Strumień energii pobieranej przez śrubę podczas obracania w wodzie wynosi:

3nCPs

gdzie: współczynnik C ogólnie zależy od warunków pływania, skoku śruby, zanurzenia śruby oraz jej stanu technicznego.

Warunki pływania statku obejmują:

stan techniczny części podwodnej kadłuba (korozja, obrastanie, odkształcenia, uszkodzenia, starzenie),

wielkość zanurzenia kadłuba, warunki pogodowe (siła i kąt kursowy wiatru, stan morza, kąt kursowy fali, długość

i wysokość fali), pływanie na wodzie o ograniczonej głębokości i szerokości, pływanie w lodach.

Charakterystyki obrotowe śruby stałej przedstawiono na rys.16.

Rys.16. Charakterystyka śruby o stałym skoku w zmiennych warunkach pływania.

W warunkach ustalonych pracy układu napędowego moc użyteczna silnika jest równa strumieniowi energii pobieranej przez śrubę, co przy jednocześnie występującej korelacji tych wskaźników z prędkością obrotową, pozwala na zaprezentowanie ich charakterystyk na wspólnym wykresie (patrz ry.17)




20

Rys.17. Parametry współpracy silnika ze śrubą napędową statku

1 – charakterystyka graniczna; 2,3,4 – charakterystyki mocy częściowej; 5 – charakterystyka śruby napędowej.

Z uwagi na ciągłą zmienność warunków pływania, w czasie eksploatacji układu

napędowego, dochodzi do przemieszczania się punktów współpracy obu maszyn w polu pracy silnika. To przemieszczanie się ma miejsce pomiędzy dwoma charakterystykami ograniczającymi pracę śruby tj. jedną odpowiadającą najkorzystniejszym warunkom pływania (statek pod balastem, dobry stan morza oraz parametry konstrukcyjne śruby i kadłuba) oraz drugą odnoszącą się do najniekorzystniejszych warunków pływania (praca na uwięzi lub w ekstremalnie niekorzystnej pogodzie), (patrz rys.18).

Rys.18. Zakres pola pracy silnika obejmujący współpracę silnika ze śrubą o stałym skoku.

uC - praca na uwięzi, lC - praca lekka, nC - warunki nominalne




21

Zagadnienie: 5B Współpraca silnika ze śrubą o skoku nastawnym

Współpraca ze śrubą o skoku nastawnym odbywa się w podobnych warunkach jak dla śruby o skoku stałym, z tym, że strumień energii pobieranej przez śrubę jest w znacznym stopniu zależny od stosunku skoku śruby S do jej średnicy D , jako parametru sterowanego. Zależność tę przedstawiono na rys.19.

Rys.19. Charakterystyka śruby o skoku nastawnym dla różnych wartości stosunku skoku do

średnicy S / D .

Parametry współpracy śruby napędowej z silnikiem mogą się zmieniać wraz ze zmianą warunków pływania oraz stosunku skoku do średnicy śruby. Będą się one również znajdowały pomiędzy dwoma charakterystykami ograniczającymi pracę śruby tj. najkorzystniejszej, która odnosi się do pracy lekkiej z zerowym skokiem śruby S / D =0 oraz najniekorzystniejszych warunków pływania (praca na uwięzi lub ekstremalnie niekorzystna pogoda) z maksymalnym skokiem śruby (patrz rys.20).

Rys. 20. Zakres pola pracy silnika obejmujący współpracę ze śrubą o skoku nastawnym.

uC - praca na uwięzi i ( H / D )max, oC - praca lekka i ( H / D )0 , nC - warunki nominalne.




22

Zagadnienie: 5C Współpraca z prądnicą prądu przemiennego

Zapotrzebowanie na energię elektryczną, a tym samym moc silnika spalinowego, zmienia się w sposób losowy, od mocy biegu jałowego do mocy nominalnej, z koniecznością spełnienia warunków odnoszących się do dopuszczalnych zmian prędkości obrotowej (częstotliwości oraz napięcia prądu), zwłaszcza przy dużych i nagłych zmianach obciążenia. W warunkach ustalonych, określone informacje odnoszące się do wskaźników pracy silnika znajdują się na charakterystyce obciążeniowej silnika. Literatura:

1. Szcześniak, Stępniak A.: Sterowanie i eksploatacja układu napędowego statku ze śrubą nastawną. Fundacja Rozwoju Wyższej Szkoły Morskiej w Szczecinie. Szczecin 1999 r. str. 55-75.

Temat 6 (4 godz.) Budowa i działanie instalacji wtryskowej Zagadnienia:

A. Instalacja z wtryskiem hydraulicznym B. Instalacja wtryskowa typu common rail

Instalacja wtryskowa służy do dostarczenia określonej (odmierzonej) dawki paliwa

ciekłego do komory spalania w taki sposób, aby mogła spełniać warunki niezbędne do utworzenia i spalenia mieszaniny palnej w odpowiedniej fazie obiegu cieplnego. Z tych względów, paliwo zostaje sprężone do wysokiego ciśnienia i poddane rozpylaniu w czasie wtrysku do komory spalania. W celu wypełnienia tych zadań, instalacja wtryskowa zawiera określone podzespoły, połączone funkcjonalnie i odpowiednio zbudowane. Aktualnie wyróżnia się dwa rodzaje instalacji wtryskowej: a) oparta na tzw. wtrysku hydraulicznym, b) rozwiązanie typu common rail. Zagadnienie 6A: Instalacja z wtryskiem hydraulicznym

Rozwiązanie konstrukcyjne tej instalacji opiera się na zastosowaniu, połączonych ze sobą przewodem wysokociśnieniowym hydraulicznym, pompy wtryskowej typu tłoczkowego oraz wtryskiwacza. Każdy cylinder silnika jest wyposażony w taki odrębny zespół.




23

Rys. 21. Pompa wtryskowa z wtryskiwaczem i przewodem wysokociśnieniowym

W tym rozwiązaniu pompa wtryskowa wypełnia wszystkie trzy podstawowe funkcje

instalacji wtryskowej. Sposób realizacji tych zadań przedstawia schemat pompy wtryskowej (rys.21).




24

Rys.22. Schemat pompy wtryskowej;

1 – zawór ssący, 2 – zawór tłoczny, 3 – zawór przelewowy, 4 – trzpień napędzający, 5 – sprężyna popychacza, 6 – mimośród, 7 – tłoczek pompy, 8 – krzywka paliwowa, 9 – kanał

przelewowy.

Sprężanie paliwa odbywa się za pomocą sekcji wyporowej: tłoczek z cylinderkiem, napędzany za pomocą mechanizmu z krzywką płaską, umieszczoną na wałku sprzężonym z wałem korbowym silnika. Zawory ssący i tłoczny zapewniają przepływ paliwa z części zasilającej do części wysokociśnieniowej. Sprężone paliwo, poprzez zaworek tłoczny, przepływa do wtryskiwacza, który służy do rozpylenia paliwa w komorze spalania. Wymaganą fazę wtrysku, w odniesieniu do cyklu przemian obiegu cieplnego, zapewnia odpowiednie usytuowanie części roboczej krzywki na wałku rozrządu.

Zmianę dawki paliwa na jeden obieg, stosownie do obciążenia silnika, osiąga się przez zastosowanie sterowanego zespołu przelewowego (w formie zaworka grzybkowego lub suwliwego). Ilość paliwa wytłaczanego przez pompę wtryskową podczas każdego ruchu tłoczka od DMP do GMP jest taka sama. Sterowanie momentem otwarcia i zamknięcia przelewu zmienia masę paliwa dostarczanego do wtryskiwacza (dawkę paliwa) oraz okres, w którym wpływa ono do cylindra (czyli początek i koniec wtrysku paliwa). Wszystkie te czynniki wywierają wpływ na jakość procesu tworzenia mieszaniny palnej, spalania




25

i wskaźniki pracy silnika. Dlatego przyjęto rozwiązanie techniczne pozwalające na zmianę tych parametrów podczas pracy silnika. Do realizacji tych zadań stosuje się mechaniczne rozwiązania techniczne. Najbardziej rozpowszechnione to: pompa wtryskowa z zaworkiem przelewowym (rys.23) oraz pompa wtryskowa z tłoczkiem pokrętnym (rys.24).

Rys. 23. Schemat pompy wtryskowej z zaworkiem przelewowym.




26

Rys.24. Schemat pompy wtryskowej z tłoczkiem pokrętnym.

Wtryskiwacz (rys.25) jest podzespołem umożliwiającym rozpylenie dawki paliwa

w komorze spalania. Jego rozwiązanie jest oparte na zastosowaniu zamkniętego iglicą rozpylacza, zawierającego określoną ilość otworków (rys.26), tworzących strugi rozpylonego paliwa.




27

Rys.25. Wtryskiwacz

Rys.26. Zamknięty iglicą rozpylacz wielootworkowy.




28

Dzięki takiej budowie wtryskiwacza uzyskuje się oczekiwaną jakość wtrysku paliwa, tworzenie mieszaniny palnej i spalania. Zagadnienie 6B: Instalacja wtryskowa typu common rail.

Instalacja wtryskowa typu common rail zapewnia wtrysk paliwa do komory spalania pod stałym ciśnieniem. W aktualnie stosowanym rozwiązaniu technicznym odbywa się to dzięki zastosowaniu ciśnieniowego kolektora (zbiornika), zawierającego wtryskiwane paliwo pod bardzo wysokim ciśnieniem. Pod tym ciśnieniem paliwo przepływa do wtryskiwaczy i jest rozpylane w komorze spalania. Dawka wtryskiwanego paliwa oraz fazy wtrysku paliwa są sterowane otwarciem kanałów przepływowych paliwa (otworków) w rozpylaczu. Na ogół, sterowanie odbywa się z wykorzystaniem zespołów elektrycznych i elektronicznych uruchamianych za pomocą programów komputerowych.

Taką instalację, w porównaniu do instalacji klasycznej (mechaniczno – hydraulicznej), wyróżniają następujące właściwości:

znacznie prostsza budowa konstrukcyjna, stałe ciśnienie wtrysku paliwa, zwiększone bezpieczeństwo działania, zwiększona elastyczność sterowania parametrami wtrysku paliwa, rozdzielenie układów wytwarzania ciśnienia od układów sterowania, zwiększona dokładność odmierzania dawki paliwa, możliwość wariantowania pracy wtryskiwaczy w jednym cylindrze: wtrysk

wielofazowy i sekwencyjny, możliwość wyłączenia z pracy wybranych cylindrów silnika wielocylindrowego.

Dzięki nim, praca silników spalinowych wyposażonych w instalację wtryskową common rail charakteryzuje się następującymi właściwościami:

brak dymienia spalin przy wszystkich obciążeniach, małe wartości obrotów minimalnych, poprawa sprawności silnika przy częściowych obciążeniach, łatwiejsza regulacja silnika, obniżenie kosztów obsługiwania i wydłużenie okresów między przeglądowych, zwiększona dyspozycyjność dzięki zintegrowanemu systemowi sterowania, zwiększona dyspozycyjność dzięki nadmiarowości parametrów pomp, przewodów

i systemów elektronicznych, zmniejszona emisja składników toksycznych w spalinach wylotowych, zmniejszenie poziomu hałasu, poprawa wskaźników dynamiki pracy silników.

Wielosekcyjna pompa tłokowa spręża paliwo i podaje je do wspólnego kolektora

(common rail), w którym utrzymywane jest stałe ciśnienie (np. 1000 bar). Każdy wtryskiwacz jest zasilany ze wspólnego kolektora poprzez zespół sterowania wtrysku, który określa fazy




29

początku wtrysku oraz dawkę paliwa, stosownie do wymagań, które są określane przez system sterowania WECS.

Rys. 27. Schemat instalacji wtryskowej typu common rail.

Istotnym sygnałem dla systemu WECS jest położenie wału korbowego,

odwzorowujące konkretną fazę obiegu cieplnego silnika. Jest ono odwzorowywane przez czujniki położenia wału korbowego, znajdujące się na jego swobodnym końcu. Innymi sygnałami sterującymi pracę systemu WECS są: prędkość obrotowa silnika, obciążenie silnika i ciśnienie powietrza doładowującego. Literatura: 1. Piotrowski I., Witkowski K.: Okrętowe silniki spalinowe. Trademar., Gdynia 2002, str. 529-551. Temat 7 (3 godz.) Układy regulacji prędkości obrotowej Zagadnienia:

A. Podstawy budowy regulatorów prędkości obrotowej B. Dodatkowe funkcje regulatora prędkości obrotowej C. Współpraca regulatora w różnych systemach napędowych

Zagadnienie: 7A Podstawy budowy regulatorów prędkości obrotowej




30

Regulacja prędkości obrotowej silnika jest związana z takim oddziaływaniem na pracę elementów instalacji wtryskowej, aby można było osiągnąć stan równowagi pomiędzy mocą silnika a mocą odbiornika energii, przy zadanej prędkości obrotowej silnika. Z reguły odbywa się to przez zmianę dawki paliwa i związaną z tym zmianą parametrów strugi rozpylonego paliwa.

W instalacji z wtryskiem hydraulicznym następują oddziaływania na człon sterujący dawką paliwa w pompie wtryskowej, natomiast w instalacji typu common rail – na zespół sterowania otwarciem iglicy rozpylacza w każdym z cylindrów. Dla wykonania tych zadań, należy doprowadzić energię do odpowiednich członów, którą właśnie zapewniają konstrukcje regulatorów prędkości obrotowej. Aktualnie zadania te spełniają głównie regulatory pośredniego działania, ze wzmocnieniem hydraulicznym, elektrycznym lub elektronicznym. W praktyce stosuje się regulatory jednozakresowe, które mają za zadanie utrzymanie określonej prędkości obrotowej silnika w różnych stanach jego pracy oraz regulatory wielozakresowe, umożliwiające pracę silnika w całym zakresie dopuszczalnych prędkości obrotowych, z każdorazowo nastawianą określoną prędkością obrotową.

Z punktu widzenia statycznej charakterystyki procesu regulacji występują regulatory ze statyzmem i bez statyzmu. W regulatorze ze statyzmem, stałej wartości sygnału wejściowego odpowiada stała wartości sygnału wyjściowego, natomiast w regulatorze bez statyzmu stałej wartości sygnału wejściowego odpowiada stała wartości pochodnej sygnału wyjściowego.

Z punktu widzenia dynamiki regulacji występują regulatory: proporcjonalne P, proporcjonalno – różniczkujące PD, proporcjonalno – całkujące PI i proporcjonalno – całkująco – różniczkujące PID.

Regulator proporcjonalny realizuje zadanie, w którym sygnał wyjściowy regulatora jest proporcjonalny do sygnału wejściowego.

Regulator proporcjonalno – różniczkujący PD generuje sygnał wyjściowy o dwóch składowych, jednej proporcjonalnej do uchybu prędkości i drugiej proporcjonalnej do pochodnej uchybu prędkości względem czasu.

Regulator proporcjonalno – całkujący PI generuje sygnał wyjściowy, którego prędkość zmiany w czasie jest sumą dwóch składowych, jednej proporcjonalnej do uchybu prędkości obrotowej i drugiej proporcjonalnej do pochodnej uchybu względem czasu.

Regulator proporcjonalno – całkująco – różniczkujący PID generuje sygnał wyjściowy, którego prędkość zmiany jest sumą trzech składowych, jednej proporcjonalnej do uchybu prędkości obrotowej, drugiej do prędkości i trzeciej do przyspieszenia sygnału wejściowego.

Regulatory o takim rozwiązaniu dysponują określoną charakterystyką, która wiąże się ze zmianą prędkości obrotowej (niewielką) celem uzyskania praktycznego przemieszczenia członu wyjściowego – powiązanego z technicznym rozwiązaniem nastawy dawki paliwa w instalacji wtryskowej. Najczęściej jest to związane z przemieszczaniem liniowym członu wykonawczego.

)(nfh przy .constnz




31

gdzie: zn - zadana prędkość obrotowa

Zmniejszanie przemieszczenia h jest związane ze zwiększaniem prędkości obrotowej silnika.

Rys. 28. Charakterystyka statyczna regulatora

Wartość pochodnej Kdndh

nosi nazwę współczynnika wzmocnienia regulatora.

K jest dodatnie dla regulatorów ze statyzmem, a jego większa wartość powoduje zwiększenie statyzmu regulatora. Miarą statyzmu regulatora jest również stopień nierównomierności regulatora .

znn

gdzie: n - określa zmianę prędkości obrotowej w czasie pełnego przemieszczenia członu sterującego h dla zadanej prędkości obrotowej.

Występujące w różnych podzespołach regulatora zjawiska fizyczne (głównie tarcie) powodują efekt zwany nieczułością regulatora. Stopień nieczułości regulatora wynosi:




32

znnn

gdzie nn - pasmo prędkości obrotowej, które nie wywołuje zmian położenia członu sterującego.

Nieczułość regulatora uwzględnia również zjawisko histerezy, która jest związana z efektem zmiany kierunku wielkości wejściowej (np. zmiana przyrostu tej wielkości na jej spadek). Wyróżnia się ono koniecznością określonej zmiany sygnału wejściowego, celem osiągnięcia efektu sygnału wyjściowego regulatora.

Kompleksowa charakterystyka statyczna regulatora prędkości obrotowej jest uzależniona od charakterystyk poszczególnych elementów składowych tj. czujników prędkości obrotowej, wzmacniaczy, elementów sprzężeń zwrotnych i elementów wykonawczych.

System napędu za pomocą silnika spalinowego jest bardzo złożony (patrz rys.29), co powoduje konieczność takiego ukształtowania charakterystyki dynamicznej regulatora, aby zmiany prędkości obrotowej, będące efektem różnych stanów obciążenia systemu, odpowiadały istniejącym dla każdego przypadku wymaganiom.

Rys. 29. Schemat strukturalny układu regulacji prędkości obrotowej i układu regulacji

napięcia prądnicy zespołu prądotwórczego pracującego w podsystemie elektro-energetycznym.

Przykładowo, na rys. 30 przedstawiono wymagania dotyczące dopuszczalnych zmian

prędkości obrotowej silnika spalinowego zespołu prądotwórczego. Zadanie jest możliwe do zrealizowania poprzez dobranie odpowiednich rozwiązań elementów składowych regulatora, mających znaczący wpływ na globalną jego charakterystykę i współczynnik wzmocnienia regulatora. Nie bez znaczenia są tu właściwości zasadniczych podzespołów silnika spalinowego, jak również odbiornika energii. Dopiero łączne ujęcie całości systemu może zapewnić wymagany efekt regulacji prędkości obrotowej każdego zespołu napędowego.




33

Rys. 30. Zakres dopuszczalnych zmian prędkości obrotowej silnika spalinowego zespołu

prądotwórczego przy nagłym dwustopniowym obciążeniu zespołu. Zagadnienie: 7B Dodatkowe funkcje regulatora prędkości obrotowej

W konstrukcji regulatora prędkości obrotowej przewiduje się dodatkowe rozwiązania zapewniające wypełnianie niżej podanych funkcji, istotnych w czasie działania układu napędowego.

Spełnienie wymagań granicy dymienia silnika. Polega na nie dopuszczeniu do zwiększenia dawki paliwa (związanej z działaniem regulatora) ponad wartość spełniającą wymagania granicy dymienia silnika. Ma to miejsce w szczególności przy dużym obciążeniu silnika spalinowego.

Uniemożliwienie przejścia pracy turbosprężarki poza granicą pompowania. Polega na nie dopuszczeniu do zwiększenia dawki paliwa (związanej z działaniem regulatora) ponad wartość, która może spowodować przekroczenie granicy pompowania turbosprężarki. Ma to miejsce w szczególności przy małych prędkościach obrotowych silnika spalinowego i/lub małych obciążeniach.

Ograniczenie dawki paliwa odpowiednio do ciśnienia doładowania. Polega na nie dopuszczeniu do zwiększenia dawki paliwa (związanej z działaniem regulatora) ponad wartość graniczną dla aktualnego ciśnienia doładowania, co jest związane z dostępną do spalania ilością powietrza w cylindrze silnika.

Ustawienie rozruchowej dawki paliwa. Polega na wprowadzeniu jednoznacznej i ściśle określonej dawki paliwa, która jest niezbędna do zapewnienia łatwego rozruchu silnika.

Ograniczenie maksymalnej wartości prędkości obrotowej. Nie dopuszcza do przekroczenia maksymalnej prędkości obrotowej, bezpiecznej dla funkcjonowania silnika. Ma to miejsce w każdych warunkach, w jakich pracuje silnik.




34

Zagadnienie: 7C Współpraca regulatora w różnych systemach napędowych

Silnik współpracujący ze śrubą o stałym skoku. Silnik jest typu nawrotnego, co wymaga wypełniania przez regulator określonych funkcji, zarówno dla biegu naprzód jak i wstecz. Regulator z pełnym wyposażeniem spełnia wszystkie wymagania pracy takiej instalacji.

Silnik współpracujący ze śrubą o skoku nastawnym. W tym przypadku dochodzi urządzenie kontroli obciążenia silnika, wytwarzające sygnał redukujący skok śruby, w razie powstania możliwości przeciążenia silnika.

Dwa silniki współpracujące równolegle ze śrubą o skoku nastawnym. Niezbędne jest dodatkowe wyposażenie regulatorów obu silników, tak aby przy każdym obciążeniu zachowany został prawidłowy jego podział pomiędzy nimi.

Dwa silniki współpracujące równolegle ze śrubą o stałym skoku. Silniki są typu nawrotnego, co wymaga wypełnienia przez regulator określonych funkcji, zarówno dla biegu naprzód jak i wstecz. Dodatkowo wskazane jest urządzenie zdalnego odcinania paliwa (istotne podczas przestawiania kierunku obrotów silnika) oraz wyłącznik olejowy działający w razie spadku ciśnienia oleju smarującego.

Silnik napędzający prądnicę prądu przemiennego. Regulatory winny spełniać wymagania instytucji klasyfikacyjnych odnośnie jakości energii elektrycznej(częstotliwości i napięcia prądu). Przy kilku agregatach pracujących równolegle regulatory zapewniają prawidłowy rozdział obciążenia czynnego między nimi.

Literatura: 1. Kowalski Z., Tittenbrun S., Łatowski W.F., Regulacja prędkości obrotowej okrętowych silników spalinowych. Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1988, str. 35 – 61, 116 – 134. Temat 8 (6 godz.) Konstrukcje regulatorów prędkości obrotowej Zagadnienia:

A. Regulatory mechaniczno – hydrauliczne B. Zabezpieczenia i dodatkowe urządzenia stosowane w systemach sterowania silnikiem

Zagadnienie: 8A Regulatory mechaniczno – hydrauliczne Zasadę działania regulatora przedstawia rys. 31




35

Rys. 31. Schemat regulatora mechaniczno – hydraulicznego.

Głowica kulowa jest sprzężona z mechanizmem obrotowym silnika i podczas pracy zapewnia ruch obrotowy przegubowo zamocowanych ciężarków. Ruch tych ciężarków przenosi się na suwliwą tuleję, której położenie jest równoważone przez siłę od napiętej sprężyny stożkowej regulatora. Napięcie wstępne tej sprężyny jest nastawiane. Gdy prędkość obrotowa silnika się obniża, maleją siły odśrodkowe, działające na kulowe ciężarki, co powoduje obniżenie tulei wskutek większej siły sprężyny. Gdy prędkość obrotowa silnika się zwiększa, wówczas suwliwa tuleja się podnosi. Suwliwa tuleja jest połączona z tłokiem hydraulicznym poprzez tłok kompensacyjny, poddany działaniu różnego ciśnienia oleju z obu stron. Gdy prędkość obrotowa silnika się obniża, siły działające na głowicę kulową maleją i przesuwają tłoczek zaworu w dół, otwierając kanał, przez który impuls ciśnienia oleju dociera do serwomechanizmu. To ciśnienie oleju oddziaływuje na tłoczek buforowy, przesuwając go w prawo, sprężając prawą sprężynę buforową, przemieszczając olej na tę stronę i podnosząc tłok roboczy, który z kolei zwiększa nastawę dawki paliwa w pompie wtryskowej. Wskutek działania sił ściskających na sprężyny tłoczka buforowego, ciśnienie oleju po jego prawej stronie będzie nieco mniejsze niż po jego lewej stronie. Te różne ciśnienia oddziaływują na obie powierzchnie tłoczka kompensacyjnego, dając siłę wypadkową skierowaną do góry, która to siła powoduje ściśnięcie sprężyny regulatora. Ta sytuacja powoduje powrót tłoka zaworu do położenia zamkniętego, nawet jeśli prędkość




36

obrotowa silnika nie osiągnęła jeszcze nastawionej wartości. Różnica ciśnień na tłoczku kompensacyjnym jest chwilowa, gdyż zawór iglicowy pozwala na wyrównanie się ciśnienia po obu jego stronach. Głowica kulowa wróciła do swego położenia początkowego (dla nastawionej prędkości obrotowej), podczas gdy elementy sterowania znajdują się w położeniach zapewniających wytwarzanie większej mocy. Przeciwnie, gdy prędkość obrotowa silnika się zwiększy, głowica kulowa podnosi tłoczek zaworu, spuszczając część oleju z serwomechanizmu. Tłoczek buforowy porusza się w lewo, tłoczek roboczy się obniża zmniejszając nastawę dawki paliwa i prędkość obrotową silnika. Ta sytuacja powoduje wytworzenie siły na tłoczku kompensacyjnym skierowanej do dołu, co przy działaniu siły sprężyny regulatora powoduje przemieszczenie tłoka zaworu w dół, zamykając kanał przepływu oleju. Te zmiany są również chwilowe, dopóki nie nastąpi wyrównanie ciśnienia na tłoku kompensacyjnym poprzez zawór iglicowy. Natężenie przepływu oleju przez zawór iglicowy jest regulowane, aby dostosować je do charakterystyki zwrotnej silnika (czyli czasu potrzebnego do zmiany nastawy pompy wtryskowej). Celem poprawienia charakterystyki regulatora zostaje on wyposażony w podzespoły sprzężenia zwrotnego, wyłącznik spadku ciśnienia oleju smarnego, przystawkę ograniczenia dymienia silnika, przystawkę zapobiegającą pompowaniu turbosprężarki, przystawkę kontroli obciążenia silnika.

Regulatory elektrohydrauliczne i elektryczne Regulator elektrohydrauliczny zawiera układ elektryczny, który steruje hydraulicznym mechanizmem wykonawczym.




37

Rys. 32. Schemat mechanizmu wykonawczego regulatora Woodward EG-3C;

1 – rdzeń elektromagnesu, 2 – sprężyny centrujące, 3 – suwak rozrządu, 4 – kołnierz kompensacyjny, 5 – kołnierz sterujący, 6 – tuleja suwaka rozrządu (wirująca), 7 – koło zębate

pompy, 8 – tłok zaworu przelewowego, 9 – sprężyna zaworu przelewowego, 10 – tłok buforowy, 11 – sprężyna buforowa, 12 – zawór iglicowy, 13 – tłok wykonawczy, 14 – tłok

obciążający, 15 – wałek wyjściowy

Pompa zębata tłoczy podawany z zewnątrz olej do układu hydraulicznego. Wałek wyjściowy napędzany jest przez dwa tłoki, połączone z nim za pośrednictwem dźwigni o nierównych ramionach. Olej z pompy podawany jest bezpośrednio z jednej strony tłoka buforowego, którego druga strona połączona jest z przestrzenią pod tłokiem obciążającym. W stanie ustalonym zamknięty jest odpływ oleju spod tłoka wykonawczego – układ pozostaje w spoczynku.




38

Dopływ oleju do siłownika wykonawczego sterowany jest przez suwak rozrządu połączony z rdzeniem elektromagnesu. Rdzeń ten zawieszony jest na sprężynach w polu magnetycznym dwuuzwojeniowej cewki, która połączona jest z elektrycznym blokiem sterującym. Sygnał sterujący powoduje przestawienie suwaka rozrządu w górę lub w dół. Wartość sygnału sterującego, odpowiadająca stanowi ustalonemu – a więc sygnałowi „0” – określona jest napięciem wstępnym sprężyn centrujących. Jeżeli pod wpływem innego sygnału sterującego, wytworzonego wskutek wzrostu prędkości silnika, suwak zostanie uniesiony, olej znajdujący się pod tłokiem wykonawczym może spłynąć swobodnie do ścieku. Wówczas tłok buforowy zostaje przesunięty w lewo. Olej przetłoczony przez tłok buforowy wymusza ruch w górę tłoka obciążającego, a tym samym obrót wałka wyjściowego mechanizmu wykonawczego w stronę zmniejszenia dawki paliwa. Dla poprawy stabilności układu regulacji z elektrycznym blokiem sterującym mechanizm wykonawczy ma podatne sprzężenie zwrotne, działające w sposób analogiczny do sprzężenia zwrotnego w regulatorze PG. Różnica ciśnień po obu stronach kołnierza kompensacyjnego powoduje przesunięcie w dół suwaka rozrządu i zamknięcie odpływu oleju spod tłoka wykonawczego przed osiągnięciem przez silnik prędkości zadanej. Ruch tłoka i wałka wyjściowego zostaną więc zatrzymane. Po wyrównaniu się ciśnień przez zawór iglicowy oraz po powrocie silnika do pierwotnej wartości prędkości siłownik znajduje się ponownie w stanie ustalonym. W razie zwiększenia sygnału sterującego w wyniku spadku prędkości obrotowej silnika suwak rozrządu zostaje przesunięty w dół. Wówczas olej pod ciśnieniem zostaje podany także pod tłok wykonawczy. Ze względu na różnicę w długości ramion dźwigni wałka wyjściowego w kierunku zwiększenia dawki paliwa. Olej wyparty spod tłoka obciążającego wywołuje zadziałanie układu podatnego sprzężenia zwrotnego. Regulator elektryczny zawiera siłownik wykonawczy sterowany prądowo, z rdzeniem przesuwnym lub obrotowym, którego ruch jest przekazywany na element sterujący dawkę paliwa. Napęd siłownika odbywa się za pomocą silnika prądu stałego z drukowanym wirnikiem i stojanem z magnesami stałymi. Sterowanie prędkością obrotową silnika elektrycznego odbywa się przez zmianę napięcia, a tym samym prądu w obwodzie silnika. Na śrubie wrzecionowej, znajduje się specjalna nakrętka zamieniająca ruch obrotowy na ruch posuwisty. Przesuwny trzpień wyjściowy jest połączony również z przetwornikiem przesunięcia, wykorzystywanym jako sprzężenie zwrotne. Drugim sygnałem sprzężenia zwrotnego jest sygnał prędkości obrotowej silnika. Na ogół siłownik jest połączony z tyrystorowym wzmacniaczem mocy. Obwód twornika silnika jest zasilany z dwóch trójfazowych mostków tyrystorowych, umożliwiających przyspieszenie i aktywne hamowanie silnika w obu kierunkach. Siłownik wykonawczy wraz z silnikiem stanowi proporcjonalny mechanizm wykonawczy, zmieniający sygnał napięciowy na położenia trzpienia napędowego.

Regulatory cyfrowe Regulator cyfrowy stanowi element systemu sterowania pracą silnika spalinowego, związanego ze sterowaniem prędkością obrotową silnika z jednoczesnym wypełnianiem licznych dodatkowych funkcji, wynikających z bezpiecznego sterowania silnikiem




39

w rozlicznych sytuacjach eksploatacyjnych. Schemat ideowy regulatora przedstawiono na rys. 33.

Rys. 33. Schemat ideowy regulatora cyfrowego.

Czujnik prędkości obrotowej generuje sygnał odpowiadający aktualnej wartości i ten sygnał jest porównywany z wartością nastawioną. W przypadku wystąpienia różnicy tych wartości, jest ona wzmacniana i kierowana do sterownika, który realizuje odpowiednią zmianę położenia elementów sterujących dawką paliwa w instalacji wtryskowej. W skład systemu regulatora cyfrowego wchodzą: zespół zasilania, zespół regulatora właściwego, zespół czujnika prędkości obrotowej, zespół czujnika doładowania, zespół siłownika wykonawczego, zespół manewrowy. Zagadnienie: 8B Zabezpieczenia i dodatkowe urządzenia stosowane w systemach sterownia silnikiem. W systemie sterowania istnieje możliwość realizacji różnego rodzaju zabezpieczeń przez zastosowanie odpowiednich urządzeń. Obejmują one:

ustawienie rozruchowej dawki paliwa, ograniczenie szybkości zmiany prędkości obrotowej silnika, ograniczenie maksymalnej wartości prędkości obrotowej silnika, ograniczenie dawki paliwa, odpowiednio do ciśnienia powietrza doładowującego, ograniczenie dawki paliwa, odpowiednio do prędkości obrotowej silnika, ustalenie dawki paliwa, odpowiednio do zerowego skoku śruby nastawnej, ograniczenie maksymalnego skoku członu wykonawczego siłownika, filtrowanie niejednostajności prędkości obrotowej silnika, automatycznego wzorcowania pracy serwomotoru, ustalenia zwłoki czasowej w przekazywaniu stanu alarmowego do ogólnego systemu

alarmowego statku.




40

Literatura: 1. Kowalski Z., Tittenbrun S., Łastowski W.F., Regulacja prędkości obrotowej

okrętowych silników spalinowych, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1988, str. 71 – 97. 2. Szczęśniak J.: Cyfrowe regulatory prędkości obrotowej silników okrętowych. WSM

Szczecin, Szczecin 1999, str. 9 – 20.

Documents

Materiały dydaktyczne Tłokowe silniki spalinowe i ich systemy