Ανάπτυξη και Εξέλιξη Τεχνικών Μέτρησης και Επεξεργασίας Λειτουργικών Μεγεθών που Αφορούν στην Πίεση Καύσης και στον Άξονα Μετάδοσης Ισχύος με Σκοπό την Διάγνωση

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο γενικότερο πεδίο της διαγνωστικής των εμβολοφόρων κινητήρων. Χρησιμοποιήθηκε, αξιολογήθηκε και επεκτάθηκε διαγνωστική μεθοδολογία, η οποία βασίζεται στη συνδυασμένη χρήση μοντέλου προσομοίωσης και μετρήσεων από μη-παρεμβατικές μεθόδους. Σημεία εστίασης της διατριβής αποτελούν η ανάπτυξη νέων και η εξέλιξη υφισταμένων τεχνικών μέτρησης και μεθοδολογιών επεξεργασίας μετρήσεων με σκοπό την γενικευμένη εφαρμογή σε κινητήρες Diesel μεγάλου μεγέθους που χρησιμοποιούνται στην ναυτιλία και την ηλεκτροπαραγωγή. Μελετήθηκαν αντικείμενα όπως η επίδραση της διακύμανσης της στιγμιαίας ταχύτητας του κινητήρα και η επίδραση της διακύμανσης του φορτίου στα αποτελέσματα της διάγνωσης. Διαπιστώθηκε ιδιαίτερη εξάρτηση των αποτελεσμάτων της διάγνωσης από τα παραπάνω φαινόμενα και προτάθηκαν μέθοδοι αντιμετώπισης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην αξιολόγηση της διαγνωστικής τεχνικής μέσω της εκτέλεσης μετρήσεων σε ελεγχόμενο περιβάλλον και εν πλω. Αυτό κατέστη εφικτό για πρώτη φορά στα πλαίσια της παρούσας διατριβής λόγω των τεχνικών δυσκολιών Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στο γενικότερο πεδίο της διαγνωστικής των εμβολοφόρων κινητήρων. Χρησιμοποιήθηκε, αξιολογήθηκε και επεκτάθηκε διαγνωστική μεθοδολογία, η οποία βασίζεται στη συνδυασμένη χρήση μοντέλου προσομοίωσης και μετρήσεων από μη-παρεμβατικές μεθόδους. Σημεία εστίασης της διατριβής αποτελούν η ανάπτυξη νέων και η εξέλιξη υφισταμένων τεχνικών μέτρησης και μεθοδολογιών επεξεργασίας μετρήσεων με σκοπό την γενικευμένη εφαρμογή σε κινητήρες Diesel μεγάλου μεγέθους που χρησιμοποιούνται στην ναυτιλία και την ηλεκτροπαραγωγή. Μελετήθηκαν αντικείμενα όπως η επίδραση της διακύμανσης της στιγμιαίας ταχύτητας του κινητήρα και η επίδραση της διακύμανσης του φορτίου στα αποτελέσματα της διάγνωσης. Διαπιστώθηκε ιδιαίτερη εξάρτηση των αποτελεσμάτων της διάγνωσης από τα παραπάνω φαινόμενα και προτάθηκαν μέθοδοι αντιμετώπισης. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην αξιολόγηση της διαγνωστικής τεχνικής μέσω της εκτέλεσης μετρήσεων σε ελεγχόμενο περιβάλλον και εν πλω. Αυτό κατέστη εφικτό για πρώτη φορά στα πλαίσια της παρούσας διατριβής λόγω των τεχνικών δυσκολιών που πηγάζουν από το μέγεθος των κινητήρων και των δυσκολιών εκτέλεσης δοκιμών (π.χ. εν πλώ). Επιπλέον εξετάζονται και ειδικές εφαρμογές της διαγνωστικής τεχνικής, όπως είναι η μείωση της κατανάλωσης καυσίμου μέσω πρότασης κατάλληλων ρυθμίσεων του κινητήρα. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν πρωτότυπες ηλεκτρονικές διατάξεις για την καταγραφή του δυναμοδεικτικού διαγράμματος πίεσης, της στιγμιαίας ταχύτητας περιστροφής της στιγμιαίας ροπής. Για τις διατάξεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν μικροελεγκτές για τους οποίους αναπτύχθηκαν εξειδικευμένοι κώδικες σε γλώσσα προγραμματισμού assembly. Παράλληλα αναπτύχθηκαν κώδικες επεξεργασίας μετρήσεων και εκτίμησης λειτουργικών μεγεθών του κινητήρα στο περιβάλλον Matlab και στη γλώσσα Fortran. Για τους σκοπούς της διατριβής πραγματοποιήθηκε σημαντικός αριθμός πειραματικών διερευνήσεων στο εργαστήριο ΜΕΚ, σε σταθμούς παραγωγής της ΔΕΗ, σε ναυτικούς κινητήρες εν πλω, στο εξωτερικό, σε συνεργασία με Ναυτιλιακές εταιρείες και στα ναυπηγεία DAEWOO (DSME) της Κορέας και SWS της Κίνας. Μέρος των μετρήσεων έγιναν παρουσία εκπροσώπου του Οίκου Πιστοποίησης GL, για τον έλεγχο της ακρίβειας προσδιορισμού της ισχύος και της κατανάλωσης καυσίμου.

This Doctoral Thesis pertains in the broader field of Diesel engine monitoring and diagnosis. The challenge of applying diagnostic methods on Diesel engines, is the determination of their operating condition and, where possible, unambiguous fault diagnosis. It was applied, extended and evaluated an existing diagnostic method, developed under the supervision of Professor Dr . D. Hountala which is based on the combined use of simulation and non - invasive measurement. It is evident that the measurement, at the first place, and its proper treatment are crucial for the reliability of the diagnostic results. However, the measurement in field applications, particularly for large scale engines, presents considerable difficulties and limitations. A similar difficulty presents the treatment and management of received measurements. In these two areas is focused mainly this thesis . Based on the above, a point of engagement of this thesis is the development of new and improvement of existing measurement techniques and processing methodologies for implementation in large Diesel engines, used in marine and power generation. Particular emphasis is placed on evaluating the diagnostic technique by conducting measurements in a controlled environment and on board (at sea). This was made possible for the first time in the context of this thesis because of technical difficulties arising from the size of engine and difficulties executing tests. New electronic devices were designed and built for recording the cylinder pressure diagram, the instantaneous (in-cycle) rotational speed and the instantaneous torque. For the last two applications were used microcontrollers executing assembly codes. By combining new and available measurement instrumentation, it was made possible to study complex effects, such as the effect of the variation of instantaneous speed during constant time step measurements and the effect of the variation of the load during the measurement. It was shown that these effects influence greatly the results of the diagnosis. New detection and correction methods were proposed. Data acquisition codes were developed in LabView, while data processing codes were developed in Matlab and Fortran. New codes are oriented on field application, providing a solution to known or newly detected problems. For the purposes of the thesis, plethora of experimental investigations were conducted at the ICE Laboratory, at plants of PPC, on marine engines onboard in cooperation with shipping companies and shipyards, DAEWOO Korea and SWS China .