Stany nieustalone  charakteryzuje zmienna w czasie zależność  funkcyjna wszystkich wskaźników pracy silnika, na przykład:

Nt=f(M0,n,Pi,Tv,h„A.,r\,.Ti0,Gt,g„.....t)

Zmiany   parametrów   procesu   roboczego   w   czasie      są uwarunkowane następującymi czynnikami:

·   właisnościami dynamicznymi silnika i odbiornika,

·   właisnościami dynamicznymi systemów sterowania silnikiem i odbiornikiem,

·   charakterem zmian czynników zewnętrznych oddziałujących na silnik,

·   chrakterem zmian położenia organów sterowania silnikiem.

Pracę  silnika w stanach nieustalonych cechuje:

·     Brak równowagi pomiędzy ilością energii doprowadzonej i odprowadzonej od silnika

·     brakrównowagi między momentem obrotowym silnika i odbiornika

·     brak równowagi pomiędzy ciepłem doprowadzanym przez spaliny do ścianek ory spalania i ciepłem odprowadzonym przez czynnik roboczy (chłodzenie)

·           nieustalony bilans przepływu przez kolektor wlotowy

·   nieustalony bilans przepływu przez kolektor  wylotowy

Gg*G,

·   brak równowagi między momentem obrotowym turbiny i sprężarki

oraz inne nierówności wynikające ze schematu przedstawionego na rysunku 1.3.

Zbiór stanów nieustalonych stanowi proces przejściowy. Wskaźniki procesu roboczego, takie jak: ciśnienie w cylindrze ps, ciśnienie sprężania pc, ciśnienie doładowania pó, maksymalne ciśnienie spalania pz, średnie ciśnienie indykowane p„ przyspieszenie w ruchu obrotowym wału korbowego £. zwłoka zapłonu ts, czas spalania, prędkość narastania ciśnienia dp/dę, przebieg \vy\viaz\~vvania się ciepła. ulegają zmianie i osiągają wartości różne od wartości w stanach ustalonych (rys. 1.6).

-p,

j Ap/Acp

900

1100

1300         1500

n [obr/min]

700

Zmiana parametrów pracy silnika spalinowego

Do analizy procesów zachodzących w silniku, we wszystkich wypadkach niezbędne jest wyznaczenie charakterystyk procesu przejściowego, na przykład:

h=f(t),

Każdy proces przejściowy stanowi dynamiczną charakterystykę silnika lub jego podsystemu. Na rysunku 1.7 przedstawiono trzy różne typy procesu przej­ściowego zmiany prędkości od jednego stanu ustalonego z prędkością kątową wafy korbowego coa do drugiego stanu ustalonego z prędkością kątową wału W0: l -okresowy, 2 - aperiodyczny niemonotoniczny z przeregulowaniem, 3 - aperio-dyczny monofoniczny. Dla procesu przejściowego 3 prędkość kątowa w stanie nieustalonym /A określona jest punktem A. Pojawienie się procesu przejściowego następuje w wyniku wewnętrznych lub zewnętrznych wymuszeń prowadzących do naruszenia warunków stanu ustalonego (równania od 1.4 do 1.10) i kończy się z chwilą osiągnięcia przez parametry pracy silnika nowych ustalonych wartości w przedziale dopuszczalnych odchyłek Ao>, na przykład punkty B, C i D na rysunku 1.7. Czas trwania procesu przejściowego zależy od drogi przejścia i na ogół jest różny od poszczególnych parametrów pracy silnika. Można zatem rozpatrywać procesy przejściowe:

•              stanu cieplnego 2" =/(r),

•              zmiany prędkości obrotowej silnika O) =/(/),

•              ciśnienia do}adowaniapd =/(r),

•              momentu obrotowego turbiny M, =/(?),

•              momentu obrotowego sprężarki A/k =/(r),

Rys.

1.7.

Charakterystyki różnych typów

: 1 - okresowy, 2 - aperiodyczny niemonotoniczny (2 przeregulowaniem), 3 - aperiodyczny monotoniczny

•              prędkości obrotowej sprężarki o)k = f(t) (rys. 1.8).

Rys.1.7. Charakterystyki różnych typów procesów przejściowych: 1 - okresowy, 2 - aperiodyczny niemonotoniczny (2 przeregulowaniem), 3 - aperiodyczny

Rys.1.8. Procesy przejściowe silnika spalinowego z doładowaniem: m - prędkość kątowa wału korbowego, (uk - prędkość kątowa watu turbosprężarki, T„ - temperatura wody chłodzącej, pu - ciśnienie doładowania, mi - moment obrotowy turbiny, NV - moment obrotowy sprężarki [21]

Praca silnika w stanach nieustalonych wywołuje niepożądane skutki. Należą lo nich:

•   wzrost jednostkowego zużycia paliwa (nawet do 40%) w stosunku do warunków ustalonych, spowodowany zmianą charakterystyki wtrysku i parametrów końca sprężania,

•   większe wibracje silnika (oddziaływanie na elementy układu napędowego),

•   wzrost zużycia elementów silnika,

•   zmiana   stanu   cieplnego   silnika   i   stanu   naprężeń   poszczególnych  jego

1.3. Zmiany obciążenia silnika w procesie użytkowania

Badania eksperymentalne wskazują, że dla każdego typu silnika (okrętowego, stacjonarnego, trakcyjnego) istnieje określony obszar zmienności stanów obcią­żenia, właściwy danej grupie i uzależniony od warunków, w jakich silnik jest użytkowany. Obszar zmienności stanów obciążenia dla silnika napędu głównego obejmuje:

•   obciążenia manewrowe,

•   pływanie w warunkach sztormowych,

•   pływanie  podczas  wydawania trału,  trałowania  i  wybierania  trału  (statki rybackie).

Czas pracy w ruchu ustalonym silników napędu głównego stanowi około 60% całkowitego czasu pracy statków konwencjonalnych i około 70% w wypadku statków ro-ro, przy czym zmianie podlegają zarówno moment obrotowy silnika M0, jak i prędkość obrotowa wału korbowego n [44].

Na rysunku 1.9 przedstawiono przykładów}1 przebieg obciążeń dwusuwowego, wolnoobrotowego silnika o mocy znamionowej 9800 kW, napędzającego statek do przewozu kontenerów, na podejściu do portu w Hamburgu. Obciążenia w czasie takich przejść charakteryzują znaczne i bardzo częste zmiany momentu obroto­wego, mocy i prędkości obrotowej silnika, stad też w takich sytuacjach przesterowania silnika z biegu "naprzód" na "wstecz" należą do rzadkości.

1.3.1. Obciążenia manewrowe

Do grupy obciążeń manewrowych zalicza się takie stany, jak rozruch i zatrzy­manie silnika, przesterowanie i pracę silnika podczas cumowania.

Rozruch silnika

Rozruch silnika jest typowym procesem przejściowym, ze względu na obcią­żenia cieplne i mechaniczne. Występują tu znaczne zmiany temperatur)' elementów silnika i prędkości obrotowej wału korbowego. Z uwagi na nieza­wodność rozruchu, istotne znaczenie ma stan cieplny elementów silnika i dynamika układu napędowego oraz ciśnienie powietrza rozruchowego. Moment rozruchowy silnika M, powinien być dostatecznie duży, aby zapewnić przy­spieszenie d(i)/dt i prędkość ca wału korbowego, niezbędne do uzyskania temperatury powietrza w cylindrze (sprężanie) potrzebnej do samozapłonu paliwa i dalszej, stabilnej pracy silnika. Wyraża się to równaniem:

Mr = Mb + M, + M,              (

Moment rozruchowy silnika M, jest proporcjonalny do różnicy średniego ciśnie­nia powietrza rozruchowego na wlocie do cylindra pr i średniego ciśnienia sprężania w pozostałych cylindrach ps:

M, = C(pr-ps)             
gdzie C oznacza statą.

Minimalna prędkość obrotowa, która umożliwia samozapłon paliwa w cylindrze, zależy od temperatury końca sprężania, a tym samym od wykładnika politropy sprężania nt - ...