Development of a physically-based simulation and diagnosis methodology for supercharging systems and its application on large scale marine diesel engines
Authors: Σακελλαρίδης Νικόλαος 
Published: September 2021

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. 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 δύο μοντέλα στροβίλου (ακτινικού/ μικτής ροής καθώς και αξονικού) παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 4. Περιγράφονται τα απαραίτητα δεδομένα εισόδου ενώ γίνεται αναφορά και στις σταθερές βαθμονόμησης που χρησιμοποιούνται. 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. Στο Κεφάλαιο 5 εκτίθεται η διαδικασία βαθμονόμησης και ενσωμάτωσης των μοντέλων σε προσομοιωτή κινητήρα αντικαθιστώντας την υπάρχουσα μεθοδολογία της χρήσης πειραματικών χαρτών. 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).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.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 στροβίλου 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 και στην συνέχεια γίνεται προσομοίωση της επίδρασης στον κινητήρα από την υποβάθμιση των υποσυστημάτων προσαγωγής/ απαγωγής αέρα. 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. Τέλος, προτείνεται νέα μεθοδολογία επιτήρησης και διάγνωσης για εφαρμογές μεγάλων ναυτικών κινητήρων Ντίζελ βασισμένης εξολοκλήρου στα αναπτυχθέντα μοντέλα συμπιεστή και στροβίλου, 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.Στο κεφάλαιο 8 τέλος συνοψίζονται τα συμπεράσματα της εργασίας, τα στοιχεία πρωτοτυπίας καθώς και κατευθύνσεις μελλοντικής έρευνας στο αντικείμενο της διατριβής.