Методи діагностики технічного стану двигунів внутрішнього згоряння з використанням цифрових двійників

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.03 «Двигуни та енергетичні установки» (142 - Енергетичне машинобудування). – Одеський національний морський університет, Одеса 2023 р. Робота присвячена розв’язанню важливої науково-прикладної проблеми створення нових ефективних методів діагностики технічного стану двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), що відповідають вимогам четвертої промислової революції. Вказана проблема зумовлена тим, що при застосуванні існуючих методів діагностики, отримання необхідної інформації щодо параметрів роботи двигуна, зокрема параметрів робочого процесу, неможливе без вартісного втручання в системи двигуна і його діагностичне обладнання. Одним з ефективних шляхів вирішення вказаної проблеми, як доводиться в роботі, є застосування цифрових двійників двигунів, які створюються на основі математичних моделей. Використання цифрових двійників дозволяє, спираючись на наявні експериментальні дані, отримати необхідну додаткову інформацію щодо поточного стану двигуна та ефективності його експлуатації, як на усталених так і на неусталених режимах роботи. В роботі розроблені методики застосування цифрових двійників та створені на їх основі спеціальні програмні засоби та сервіси, пристосовані до використання протягом експлуатації ДВЗ. Мета дисертаційної роботи полягає в розробці теоретичних методів та практичних засобів моніторингу та діагностування технічного стану ДВЗ засобів транспорту, які дозволять підвищити обсяги діагностичної інформації включно з параметрами робочих процесів і не вимагають втручання в конструкцію двигуна та його систем. Об’єкт дослідження – явище взаємного впливу робочого процесу та процесу експлуатації транспортних двигунів внутрішнього згоряння. Предмет дослідження – теорія, методи та засоби моніторингу та діагностування технічного стану двигунів внутрішнього згоряння. У першому розділі проаналізовані перспективи застосування ДВЗ засобів транспорту. Встановлено, що широке застосування цього типу двигунів на наземних засобах транспорту відбуватиметься щонайменше до 2050 року, а для морських суден ДВЗ залишається єдиною альтернативою принаймні до 2040 року. Подальший розвиток ДВЗ має відповідати умовам четвертої промислової революції, яка базується на широкому застосуванні телекомунікаційних технологій, автоматизації процесів експлуатації, статистичному аналізі інформації, застосуванні штучного інтелекту, тощо. Технічний моніторинг та періодична діагностика несправностей є ефективним заходом для підвищення якості експлуатації двигуна протягом терміну служби. Показано, що застосування принципу цифрового двійника, який створюється на базі математичних моделей має значний потенціал з точки зору отримання додаткової інформації з даних моніторингу, а також може бути використане для діагностування можливих несправностей. У другому розділі наведені відомості щодо розробленої математичної моделі робочих процесів ДВЗ, яка є основою створення цифрового двійника, що використовується для виконання завдань технічного моніторингу та діагностики. Двигун розглядається як сукупність взаємодіючих відкритих термодинамічних систем (ВТС). До різних ВТС застосовуються різні види математичних моделей: квазістаціонарні нульвимірні одно- та двозонні моделі для циліндрів і колекторів; нестаціонарна одновимірна модель для впускних і випускних патрубків; евристичні моделі для компресорів і турбін. Також наведені чисельні методи для розв'язування систем рівнянь для кожної з моделей і поєднання моделей різних типів між собою. Зокрема запропоноване застосування обчислювальної сітки зі змінним кроком по куту повороту колінчастого валу, що допомагає збільшити швидкість обчислень і забезпечити необхідну деталізацію розрахунків на конкретних ділянках робочих процесів. Докладно розглянуті питання врахування роботи відцентрового компресора в режимах помпажу та обертового зриву. У третьому розділі розкриваються особливості роботи ДВЗ в складі силової установки засобу транспорту на неусталених режимах і відповідні методи моделювання цих режимів для вирішення задач моніторингу. Детально представлений метод врахування впливу теплової інерції деталей двигуна, який є суттєвим для неусталених режимів роботи двигуна. У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень ДВЗ, які проводились в лабораторії кафедри двигунів внутрішнього згоряння, установок та технічної експлуатації Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова. Експериментальні дані щодо параметрів роботи двигунів на усталених та неусталених режимах роботи використовуються для калібрування математичної моделі та перевірки її розрахункових можливостей. В п'ятому розділі наведені технологічна схема та основні характеристики онлайн-сервісу Blitz-PRO, призначеного для моделювання робочих процесів ДВЗ для вирішення задач діагностики їх поточного технічного стану. Розроблені методів його застосування, а саме метод ідентифікації вхідних даних, метод порівняння з еталонними параметрами та метод аналізу динамічних зовнішніх швидкісних характеристик. Застосування розроблених розрахункових засобів для моніторингу автомобільних двигунів дозволяє вирішувати задачі ідентифікації експериментальних даних, збирати статистику щодо роботи двигуна та проводити діагностику його можливих несправностей. Для вирішення основних задач діагностики суднових двигунів сервіс Blitz-PRO інтегрований в систему діагностування DEPAS і зарекомендував себе як ефективний інструмент для поглибленого аналізу експериментальних даних. У шостому розділі демонструється вплив різних факторів на роботу ДВЗ засобів транспорту з точки зору підвищення його експлуатаційної ефективності. Показано, що застосування цифрового двійника робочого процесу дозволяє здійснювати адекватне оцінювання доцільності застосування запропонованих методів підвищення ефективності роботи двигуна в складі енергетичної установки. Наукова новизна отриманих результатів 1. Вперше запропоновано методи діагностування технічного стану двигунів внутрішнього згоряння протягом експлуатації з використанням їх цифрових двійників, які базуються на математичному моделюванні робочих процесів, що, на відміну від існуючих, дозволяють збільшити обсяг діагностичної інформації шляхом визначення параметрів, які недоцільно або неможливо виміряти, та не передбачають внесення змін в конструкцію двигуна і втручання в роботу його систем. 2. Вперше запропоновано методи моніторингу двигунів з системами газотурбінного наддуву, що, порівняно з існуючими, дозволяють врахувати можливий помпаж турбокомпресора та його вплив на роботу двигуна. 3. Вперше розроблено метод врахування впливу ефекту теплової інерції деталей ДВЗ транспортних засобів на параметри неусталених режимів роботи, який збільшує точність прогнозування часу розгону турбокомпресора на 20…40 % та підвищує точність оцінки часу виходу двигуна на усталений режим. 4. Отримало подальший розвиток моделювання робочих процесів ДВЗ застосуванням адаптивної розрахункової сітки з варіативним кроком та неявних чисельних методів інтегрування диференційних рівнянь, що забезпечує, порівняно з існуючими методами, високу збіжність, швидкість та гнучке налаштування розрахунків. 5. Отримало подальший розвиток використання характеристик агрегатів наддуву при синтезі робочого процесу ДВЗ, доповнене можливістю розрахунку ефектів внутрішнього випаровувального охолодження повітря в компресорі. 6. Отримали подальший розвиток дослідження впливу параметрів регулювання та експлуатаційних факторів на роботу двигуна, доповнене процедурами ідентифікації експериментальних даних з використанням математичного моделювання. 7. Удосконалено методи визначення параметрів робочих процесів ДВЗ на неусталених режимах застосуванням карт керування двигуном та завдяки моделюванню динаміки органів регулювання агрегатів наддуву. 8. Удосконалено методи врахування нестаціонарних процесів в газоповітряному тракті ДВЗ для задач діагностування технічного стану двигуна. Практична цінність отриманих результатів 1. Створений програмний сервіс Blitz-PRO, який забезпечує створення та використання цифрових двійників ДВЗ як об’єктів діагностування, доступний онлайн через мережу інтернет, який призначений для здійснення процедур моніторингу та діагностування технічного стану ДВЗ засобів транспорту, накопичення статистичних даних щодо робочого процесу двигуна протягом експлуатації засобу транспорту. 2. Розроблені рекомендації щодо здійснення моніторингу робочих процесів двигунів з іскровим запалюванням, запалюванням від стиснення та двопаливних двигунів з використанням розробленого програмного сервісу. 3. Для малообертних головних суднових двигунів розроблені рекомендації щодо застосування запропонованих методів для встановлення причини розбіжностей робочих процесів по циліндрах двигуна, визначити вплив невірного регулювання параметрів системи газорозподілу та паливоподачі на показники роботи двигуна та надмірне навантаження окремих циліндрів. 4. Для автомобільних двигунів застосування запропонованих засобів для аналізу динамічних зовнішніх швидкісних характеристик двигунів, отриманих при випробуванні автомобілів, забезпечує діагностування можливих несправностей двигуна. 5. Встановлені особливості роботи відцентрового компресора на режимах обертового зриву, при помірному та глибокому помпажі, визначені відповідні експериментальні характеристики компресора з урахуванням зон неусталеної роботи, на основі яких вдосконалене застосування карт характеристик агрегатів наддуву. 6. Розроблені рекомендації щодо застосування системи періодичного відключення паливоподачі, доцільності підігріву наддувного повітря на часткових режимах та режимах холостого ходу, використання випаровувального охолодження наддувного повітря в дизельних двигунах. Результати дисертаційної роботи впроваджені в навчальному процесі кафедри двигунів внутрішнього згоряння, установок та технічної експлуатації НУК (м. Миколаїв), кафедри суднових енергетичних установок і експлуатації ОНМУ (м. Одеса), інституті міжнародного співробітництва ZIMC (м. Чжоушань, Китай), компаніях DSChart ltd. (Польща) та Zheng Bang Huan Hai (Китай).Thesis for a doctoral degree in technical sciences, specialty 05.05.03 «Engines and Power Plants» (142 – «Power Engineering»). – Odesa National Maritime University, Odesa, 2023. The research considers solving the important scientific and applied problem of new diagnostics method development which help to assess the internal combustion engines (ICE) technical condition and utilize the technologies of industry 4.0. Current diagnostic methods usually need expensive equipment and modifications in engine’s systems layout to obtain the required information about engine operation, including engine operating processes parameters. Application of the digital twin approach could provide necessary information on the engine operating parameters using available experimental data and could be used for both steady and transient engine operation analysis. The methods developed in this paper, which rely on digital twin technology, are implemented in the form of specialized software services and tools. These tools and services aid in achieving the objectives outlined in this study. The aim of the paper is to develop theoretical methods and practical tools for monitoring and diagnosing the technical condition of transport vehicles' internal combustion engines, which will allow increasing the volume of diagnostic information, including working process parameters, without requiring intervention in the engine's design and its systems. Object of the research is the phenomenon of the mutual influence of the working process and the operation process of internal combustion engines.Subject of the research is the theory, methods and means of technical monitoring and diagnostics of the internal combustion engines technical conditions. The first chapter deals with the review of the perspectives of ICE application for transport vehicles, which proved vast usage of this type of engines at least until 2050, while for the marine ships ICE remains the only alternative until 2040. To increase the efficiency of the engine operation during its lifetime, the technical monitoring is applied and helps to control the engine conditions in the interval between scheduled maintenance. The mathematical simulation of the engine has significant potential in terms of extracting more information from the monitoring data and could also be applied for possible malfunctions diagnosis, as it is shown. The second chapter shows the development of the ICE mathematical model, which is adopted for the technical monitoring and diagnostics tasks. The decomposition of the engine as the set of interacting open thermodynamic system (OTS) is presented. Different kinds of models are applied to every OTS: quasi-steady 0D single and double zone models for cylinders and manifolds; unsteady 1D model for intake and exhaust pipes; heuristic models for compressors and turbines. The different models coupling issues together with the development of efficient numerical methods for solving the sets of equations are also addressed. In particular, the variable step computational mesh application helps to increase the calculations speed and to provide necessary detailing of calculations at specific regions. The problems of the centrifugal compressor unstable behavior assessment are also addressed. The third chapter reveals the peculiarities of the ICE transient behavior as the part of the transport vehicle power plant and the methods of engine transient simulation for monitoring issues. The effect of thermal inertia is considered in details as it has a significant effect on the parameters of engine operation. Forth chapter shows the results of experimental study of the ICE operation at the laboratory conditions. The experimental data, which include engine steady and transient operation trials, was used for mathematical model calibration and calculations capabilities check. The fifth chapter is devoted to the development of the Blitz-PRO online simulation service and the methods of its application for the ICE monitoring and diagnostics tasks. The application of the developed calculation tools for the automotive engines monitoring helps to identify the experimental data, collect statistics and make diagnostics related to possible engine malfunctions. As for the main marine engines diagnostics tasks, the Blitz-PRO service is implemented into the DEPAS diagnostic system and proved to be useful tool for the experimental data advanced analysis. The sixth chapter deals with the influence of various factors on the transport vehicle ICE operation in terms of its operational efficiency rising. The scientific novelty of the work is as following: 1. A novel approach to diagnosing the technical condition of internal combustion engines during operation using their digital twins based on mathematical modeling of the working processes. Unlike the existing methods, this approach enables an increase in the amount of diagnostic information by determining parameters that are impractical or impossible to measure without modifying the engine's design or interfering with its system operation. 2. Methods for monitoring engines with gas turbine supercharging systems are proposed for the first time, which, compared to existing ones, allow for the possible surge of the turbo compressor and its impact on the engine to be taken into account. 3. A novel method for taking into account the thermal inertia effect of internal combustion engine components in vehicles has been developed for the first time. This method increases the accuracy of predicting the turbocharger spool-up time by 20-40% and improves the accuracy of estimating the time it takes for the engine to reach a steady state. 4. The engine operating cycle simulation model for the technical monitoring tasks is improved and implements the variable step computational mesh, effective numerical methods for equation sets solving and provides high convergence, fast and flexible calculations setup. 5. Further development has been achieved in the use of characteristics of turbochargingsystems in the synthesis of the engine's working process, complemented by the ability to calculate the effects of internal evaporative cooling of air in the compressor. 6. Further development has been achieved in the study of the impact of control parameters and operational factors on engine performance, complemented by experimental data identification procedures using mathematical modeling. 7. The methods for determining the parameters of internal combustion engine operation under non-steady-state conditions have been improved by using engine control maps and modeling the dynamics of supercharging system regulators. 8. Improved methods for taking into account non-stationary processes in the airgas path of the internal combustion engine for the purposes of diagnosing its technical condition. The practical value of the work: 1. The software service Blitz-PRO has been developed, which provides the creation and use of digital twins of internal combustion engines as diagnostic objects, available online through the Internet. It is designed for conducting monitoring and diagnostics procedures of the technical condition of transportation means' engines, accumulating statistical data on the engine's working process during the transportation means' operation. 2. The spark-ignition and compression-ignition engines technical state monitoring with Blitz-PRO service are developed. 3. The effect of ambient conditions and engine controllable parameters, such as fuel injection system parameters and cooling system temperatures parameters, on the efficiency of transport vehicles with ICE operation is considered. 4. For low-speed marine diesel engines the application of developed methodshelps to define the reasons of engine parameters variation by cylinder and to estimate the influence of fuel injection and valve-train parameters on engine performance. 5. The automotive ICE dynamic performance characteristics analysis with proposed methods and tools is developed and enables diagnostics of possible engine malfunctions. 6. The centrifugal compressor operation at rotating stall, mild and deep surge conditions is considered with the corresponding experimental performance data at the unstable region provided. 7. The recommendations for the variable fuel injection cut-off system application for compression-ignition engines, the effect of supercharge air heating at the engine part load and idle operation and possible advantages of evaporation air cooling are considered. The results of the paper are implemented into educational process of Internal Combustion Engines, Plants and Technical Maintenance department of Admiral Makarov National University of Shipbuilding (Mykolaiv), Ship Power Plants and Technical Maintenance department of Odesa National Maritime University (Odesa), International Cooperation Institute ZIMC (Zhoushan, China), companies DSChart ltd. (Poland) and Zheng Bang Huan Hai (China).