Диагностирование и регулировка топливоподающей аппаратуры тепловозного дизеля по критериям характеристик индикаторного тепловыделения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Трунов Антон Игоревич

• Трунов Антон Игоревич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Трунов Антон Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВКИ ТПА В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1. Диагностирование и регулировка ТПА

по параметрам процесса впрыскивания

1.2. Диагностирование и регулировка ТПА

по параметрам рабочего процесса

1.3. Диагностирование и регулировка ТПА

по характеристикам тепловыделения

1.3.1. Получение экспериментальных характеристик тепловыделения

1.3.2. Использование характеристик тепловыделения

при диагностировании ТПА

1.3.3. Использование характеристик тепловыделения

в системах управления дизелей

1.4. Проблемы экспериментального получения диаграмм внутрицилиндрового давления и характеристик тепловыделения в условиях эксплуатации

1.4.1. Искажения, вносимые индикаторным каналом

1.4.2. Проблема изменения нагрузочного режима

в процессе диагностирования

1.4.3. Ошибка определения фазы рабочего процесса

1.4.4. Ошибки выбора констант при расчете характеристик тепловыделения

1.5. Выводы по главе

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИНДИКАТОРНОГО ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ

ИНДИКАТОРНОГО КАНАЛА

2.1. Моделирование рабочих процессов дизеля

2.1.1. Особенности моделирования рабочих процессов дизеля в программе «Дизель-РК»

2.1.2. Настройка и верификация модели в программе «Дизель-РК»

2.2. Моделирование процессов в индикаторном канале дизеля

2.2.1. Математическая модель процессов в индикаторном канале дизеля

иеё реализация

2.2.2. Оценка адекватности математической модели процессов в индикаторном канале

2.3. Моделирование характеристик индикаторного тепловыделения

2.4. Выводы по главе

3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДИКА РЕГУЛИРОВКИ ТПА

3.1. Диагностические признаки характеристик тепловыделения

3.2. Влияние погрешностей измерения внутрицилиндрового давления на характеристики тепловыделения

3.2.1. Погрешности, вносимые индикаторным каналом

3.2.2. Абсолютное давление в цилиндре

3.2.3. Фазовое положение диаграммы внутрицилиндрового давления

3.3. Влияния констант на результат определения диагностических критериев

3.3.1. Показатель адиабаты

3.3.2. Степень сжатия

3.4. Влияние частоты вращения на результат определения

диагностических критериев

3.5. Влияние угла опережения подачи топлива на результат определения диагностических критериев

3.6. Влияние цикловой подачи на результат определения

диагностических критериев

3.7. Влияние неисправности форсунки на интегральную характеристику тепловыделения

3.8. Методика регулировки ТПА

3.8.1. Регулировка угла опережения подачи топлива

3.8.2. Регулировка цикловой подачи топлива

3.9. Выводы по главе

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕШЕНИЙ

4.1. Экспериментальные установки

4.1.1. Исследовательская установка 1ЧН 18/22

4.1.2. Установка с двигателем Шкода 6Ь160 РКБ

4.2. Измерение быстропеременных параметров рабочих процессов дизеля

4.2.1. Средства измерения и регистрации быстропеременных процессов

4.2.2. Предварительная обработка данных

4.3. Особенности проведения эксперимента при верификации математической модели процессов в индикаторном канале

4.4. Экспериментальная проверка предлагаемых диагностических критериев

4.5. Экспериментальная проверка методики регулировки ТПА

4.5.1. Межцикловая нестабильность

4.5.2. Регулировка угла опережения подачи топлива

4.5.3. Регулировка цикловой подачи топлива

4.5.4. Влияние неисправности распылителя на характеристику индикаторного тепловыделения

4.6. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностирование и регулировка топливоподающей аппаратуры тепловозного дизеля по критериям характеристик индикаторного тепловыделения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время эксплуатируемый парк локомотивов ОАО «РЖД» составляет 14 тыс. локомотивов, 45% из них -тепловозы [22, 23]. По данным источников [53, 68, 75, 108] от 15% до 20% внеплановых ремонтов тепловозов, связанных с неисправностями дизеля, приходится на топливоподающую аппаратуру (ТПА). Так же в эксплуатации находятся дизели, имеющие нарушение регулировок и не выявленные дефекты, значительная доля которых приходится на ТПА [49, 53, 108], некоторые из которых могут быть устранены в ходе технического обслуживания (ТО) локомотива [108]. Подтверждением сказанного может послужить рисунок 1, полученный при анализе результатов диагностирования 38 тепловозных дизелей типа Д49 (608 секций ТПА), выполненных диагностическим комплексом «Магистраль» [14].

б)

2,1%

5,0%

оптимальное

значение меньше -5 град

от -5 до 0 град

от 0 до 5 град

больше 5 град

оптимальное значение I меньше -5 %

от -5 до 0 % от 0 до 5 % больше 5 %

Рисунок 1 - Результаты проверки ТПА тепловозного дизеля типа Д49 с помощью комплекса «Магистраль»: а - отклонения, угла опережения подачи топлива; б -

отклонения объёма цикловой подачи

На рисунке 1 видно, что 33 % секций ТПА находящихся в эксплуатации требуют регулировки угла опережения подачи топлива (УОПТ) и 25 % регулировки цикловой подачи (ЦП).

Нарушения регулировок ТПА вызывают перерасход топлива, а без их устранения могут приводить к возникновению чрезмерных термических нагрузок

на детали дизеля, что может вызвать отказ дизеля с дорогостоящим ремонтом и длительным простоем локомотива [99, 102, 121].

В период эксплуатации тепловозного дизеля стоит задача поддержания его технико-экономических характеристик на требуемом уровне, поэтому задачи диагностирования являются элементом системного подхода к решению проблемы снижения суммарных затрат на эксплуатацию тепловозов. Предусмотренные в эксплуатации профилактические и ремонтные мероприятия направленны на поддержание состояния элементов конструкции на высоком уровне. Для диагностирования дизелей, находящихся в эксплуатации, характерна необходимость выявления неисправностей быстрыми, простыми и недорогими средствами.

При диагностировании тепловозного дизеля, в большинстве случаев нет возможности напрямую измерить структурный параметр без разборки двигателя, поэтому необходимо использовать такие диагностические критерии, которые находились бы в тесной связи со структурным параметром и характеризовали бы его с приемлемой точностью. В то же время на операции связанные с разборкой и сборкой отдельных узлов двигателя, требуются значительные затраты времени поэтому развитие методов безразборной диагностики является актуальной задачей.

Наибольшее распространение на тепловозах страны получили дизели серии Д49. Эти дизели имеют ТПА с индивидуальными топливными насосами высокого давления (ТНВД). Для обеспечения паспортных характеристик дизеля ТПА такой конструкции регулируются в два этапа: на стенде и после установки на двигатель [119]. Так как возможны различия в условиях работы (профиль кулачка, состояние плунжерной пары, состояние форсунки и др.) на стенде для регулировки ТПА и на двигателе [31, 78]. Регулировка ТПА требуется и в процессе эксплуатации дизеля, в связи с износом деталей и нарушением регулировок [49, 108].

В настоящее время на ОАО «РЖД» распространение получили диагностические комплексы, которые позволяют выполнять измерение быстропеременных параметров рабочих процессов дизеля, таких как давление в цилиндре двигателя, давление в трубопроводе высокого давления (ТВД) ТПА, параметры вибрации и другие. Примерами таких комплексов могут послужить диагностические комплексы: КДН Магистраль (ООО «Техтранс-Д», Россия), ДИЗЕЛЬ-АДМИРАЛ (НПК ГАРАНТ, Россия), «ДЭСТА» (НИИТКД, Россия), КИПАРИС (НИИТКД, Россия), Алмаз (ООО «Локомотив», Россия), ОКО-АРАМИС (ООО НПО «ОМИКС», Россия) и др. Часто для регулировки и диагностики ТПА подобные диагностические комплексы, кроме измерения внутрицилиндрового давления, требуют дополнительных измерений вибрации или давления топлива в ТВД или хода иглы форсунки. Это обстоятельство усложняет диагностический комплекс, снижает его надёжность, повышает стоимость и увеличивает продолжительность процедур измерения и обработки данных. Диагностирование и регулировка ТПА по результатам измерения одного параметра - внутрицилиндрового давления позволит уменьшить время диагностического испытания и регулировки дизеля, так же позволит снизить стоимость системы диагностики за счет сокращения числа первичных преобразователей.

Диссертационная работа выполнена с учетом "Стратегии научно-технологического развития холдинга "РЖД" на период до 2025 года и перспективу до 2030 года" [107] утвержденной 17.04.18г. Тематика выполненного исследования соответствует «Энергетической стратегии холдинга «РЖД» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года», утвержденной 15.12.2011 [123] и Федеральному закону от 23.11.2009 №261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» [116].

Степень разработанности темы исследования. Вопросами диагностирования и регулировки поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и тепловозных дизелей в частности занимались многие ученые как в

России, так и за рубежом. Значительный вклад в развитие средств и методов диагностики и регулировки ДВС в России внесли И.К. Андрончев, В.Н. Балабин, Р.М. Васильев-Южин, П.А. Васин, А.И. Володин, И.И. Габитов, А.Н. Головаш, В.В. Грачев, А.С. Гребенников, Л.В. Грехов, Н.С. Ждановский, А.Ю. Коньков, В.А. Лашко, М.И. Левин, Е.А. Никитин, А.В. Николаенко, Ю.П. Макушев, Д.Я. Носырев, А.А. Обозов, С.М. Овчаренко, А.С. Пунда, А.Э. Симсон, Л.Г. Соболев, А.Н. Соболенко, Л.В. Станиславский, В.Ф. Тарута, Э.А. Улановский, А.З. Хомич и другие. За рубежом развитием методов диагностирования ДВС занимались A. K. Antonopoulos, E. N. Balles, M. Brunt, K. M. Chun, J. A. Ekchian, J. A. Gatowski, J.B. Heywood, D. T. Hountalas, A.D. Kouremenos, V. T. Lamaris, S. Leonhardt, C. Ludwig, J.M. Lujan, J. Martín, F. E. Nelson, R. Pawletko, F. Payri, S. Polanowski, C. Pond, R. Schwarz, P. Tunestal, K. Witkowski и другие.

Рекомендуемая заводом-изготовителем методика контроля и регулировки ТПА в условиях эксплуатации обладает высокой трудоемкостью и низкой точностью. Характеристики тепловыделения ограниченно используются как источник дополнительной информации в системах диагностики судовых малооборотных дизелей. Известны работы, использующие характеристики тепловыделения в качестве обратной связи при управлении дизелем. Во всех случаях используются характеристики так называемого индикаторного (используемого, активного, нетто и др.) тепловыделения, упрощенно вычисляемые на основе первого закона термодинамики только по данным экспериментальной индикаторной диаграммы. При этом открытым остается вопрос влияния искажений, вносимых индикаторным каналом (краном), на результаты определения и диагностического анализа характеристик тепловыделения.

Цель работы: совершенствование методов технической диагностики и технического обслуживания тепловозного дизеля с использованием характеристик индикаторного тепловыделения в цилиндрах двигателя.

Задачи исследования:

1. На основе литературного обзора определить: перечень диагностических критериев, обеспечивающих возможность точной регулировки топливной аппаратуры; проблемы, препятствующие внедрению передовых методов диагностики и регулировки ТПА; структуру диссертации и стратегию исследования.

2. Разработать математическую модель процессов в индикаторном канале, учитывающую волновой характер распространения давления, а также ее программную реализацию.

3. Разработать методику компьютерного моделирования характеристик индикаторного тепловыделения в цилиндре тепловозного дизеля с различными параметрами технического состояния ТПА.

4. Выполнить расчетные исследования влияния регулировочных параметров технического состояния ТПА тепловозного дизеля на характеристику индикаторного тепловыделения, на основе которых предложить диагностические критерии для регулировки ТПА.

5. Разработать и экспериментально исследовать метод регулировки ТПА с использованием предложенных диагностических критериев, учитывающий возможную нестабильность режима дизеля при измерениях.

6. Выполнить экспериментальную проверку предлагаемых решений.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель, описывающая волновой характер распространения давления в индикаторном канале тепловозного дизеля.

2. Предложены новые критерии оценки регулировочных параметров технического состояния ТПА тепловозного дизеля, определяемые на основе интегральной характеристики индикаторного тепловыделения.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в результатах расчетных и экспериментальных исследований, позволивших выявить взаимосвязи между регулировочными параметрами технического

состояния ТПА и критериями, определяемыми по интегральным характеристикам индикаторного тепловыделения с искажениями, внесенными индикаторным каналом тепловозного дизеля.

Практическая ценность результатов работы

Разработанный метод регулировки ТПА тепловозного дизеля позволяет достичь более высокой точности в сравнении с известными методами и снизить при этом трудоемкость регулировочных работ. Применение только двух датчиков давления для многоцилиндрового двигателя создает предпосылки для разработки недорогих и компактных средств диагностики, позволяя при этом учитывать нестабильность нагрузочного и скоростного режима двигателя при измерениях.

Объектом исследования является тепловозный четырёхтактный дизельный двигатель типа Д49. Предмет исследования - связь характеристик тепловыделения в цилиндрах дизеля, полученных при измерении давления через индикаторный канал, с регулировочными параметрами технического состояния топливоподающей аппаратуры.

Методы исследования. Расчетное исследование выполнено с использованием методов математического моделирования рабочих процессов двигателя и процессов в индикаторном канале. Моделирование рабочих процессов дизеля выполнялось с использованием программного комплекса «Дизель-РК», математическая модель процессов в индикаторном канале реализована в среде для технических расчетов Matlab. Основные результаты расчетных исследований и достоверность математической модели процессов в индикаторном канале проверялись в ходе натурных экспериментов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процессов в индикаторном канале дизеля.

2. Результаты расчётного и экспериментального исследования взаимосвязей между диагностическими критериями, определяемыми по характеристикам индикаторного тепловыделения, полученным в условиях эксплуатации, и регулируемыми параметрами ТПА дизеля типа Д49.

3. Методика регулировки топливоподающей аппаратуры в условиях эксплуатации тепловозного дизеля.

Личный вклад автора состоит в разработке математической модели, её компьютерной реализации, проведение расчетных и натурных экспериментов и анализе их результатов. Некоторые результаты диссертации получены и опубликованы совместно с соавторами: Коньков Алексей Юрьевич (планирование расчетных и натурных экспериментов), Конькова Ирина Дмитриевна (обработка результатов измерений, по заданной методике), Гурьянова Алена Дмитриевна (выполнение расчетов, по заданной методике).

Достоверность результатов исследования базируется на всестороннем изучении выполненных ранее научно-исследовательских работ по теме исследования; использованием фундаментальных законов термо- и газодинамики, и апробированного научно-методического аппарата; согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований; наличием и объемом исходного материала и апробацией результатов исследований.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на МНТК «Наука. Инновации. Техника и технологии: проблемы, достижения и перспективы», (Комсомольск-на-Амуре, КНАГТУ, май 2015 г); XIX краевой конференции молодых ученных и аспирантов Хабаровского края (Хабаровск, ТОГУ, январь 2017г); МНТК «Двигатель-2018» (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, октябрь 2018 г.); МНК «Инновационные технологии развития транспортной отрасли», (г. Хабаровск, ДВГУПС, октябрь 2019г.); ММК по промышленному инжинирингу и современным технологиям «FarEastCon» (Владивосток, ДВФУ, октябрь 2020г.); МНПК «Наука и образование транспорту» (Самара, СамГУПС, ноябрь 2020г.). Проект, разработанный на основе выполненного исследования, получил поддержку на конкурсе инновационных проектов «У.М.М.Н.И.К - 2017» (г. Хабаровск, октябрь 2017г.).

Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, среди них 3 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки и 2

статьи в сборнике, входящем в международную систему цитирования Scopus. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ и 1 патент на полезную модель.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И РЕГУЛИРОВКИ ТПА В УСЛОВИЯХ

ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1. Диагностирование и регулировка ТПА по параметрам процесса

впрыскивания

В практике эксплуатации дизельных двигателей известен способ определения геометрического угла начала подачи топлива с помощью моментоскопа [56, 96]. Применение данного способа на двигателях с индивидуальными топливными насосами требует больших трудозатрат, связанных с частичной разборкой ТПА. Данный способ позволяет оценивать угол опережения подачи топлива (УОПТ), но не техническое состояние ТПА, поэтому может примениться ограниченно.

Первым и наиболее простым способом для оценки УОПТ, основанном на измерении быстроизменяющихся параметров процесса впрыскивания, является способ, основанный на стробоскопическом эффекте [13, 16, 18, 30, 115]. Такой эффект достигается с помощью пробора состоящего из датчика, с помощью которого фиксируется момент начала подачи топлива и яркого безинерционного осветителя. Осветитель загорается в момент начала подачи топлива и освещает маховик коленчатого вала. По меткам, нанесённым на маховик и неподвижные детали двигателя, определяется УОПТ.

Следующим этапом развития приборов для диагностики и регулировки ТПА стало оснащение первичных преобразователей давления топлива, перемещения иглы или вибрации форсунки устройствами для графического отображения и вычислительными устройствами для численной обработки результатов [1, 9, 17, 34, 39, 62, 70, 74, 90, 92, 119, 120, 124].

Методики, основанные на измерении вибрации, были развиты и исследованы авторами работ [8, 17, 34, 70, 90, 92], и практически реализованы в

КДН Магистраль (ООО «Техтранс-Д», Россия). Из анализа изученных работ можно сделать вывод, что виброаккустический сигнал, снятый с корпуса форсунки или трубопровода высокого давления (ТВД), может быть использован для контроля УОПТ. Использование методов виброаккустического контроля для выявления других неисправностей ТПА затрудненно в условиях эксплуатации, так как наблюдается изменение параметров виброаккустического сигнала при смене режимов работы двигателя [90], так же не ясно какой диапазон частот необходимо выделять для анализа из спектра сигнала. В печати по этому вопросу встречаются противоречивые данные [34, 70, 92]. Очевидно, что для применения этого метода необходимо выполнение экспериментальных исследований для каждого типа двигателя, в широком диапазоне режимов работы и возможных неисправностей.

Методики контроля работы ТПА основанные на регистрации перемещения иглы форсунки [2, 3, 74, 101] получили ограниченное распространение, так как измерение этого параметра в эксплуатации затруднено. Для этого требуется внесение изменений в штатные конструкции форсунок [2, 3]. Либо применение форсунок со встроенными датчиками перемещения [101]. Такой подход для диагностирования ТПА предлагается разработчиками диагностического комплекса «ДЭСТА» (НИИТКД, Россия) только для дизелей 10Д100 [74] так эти дизели имеют свободный доступ к форсунке, конструкция которой допускает установку индукционного датчика через штуцер дренажного трубопровода.

Описанные выше способы позволяют оценивать только УОПТ, при том, что правильная работа ТПА подразумевает идентичность не только УОПТ, но и цикловых подач (ЦП) топлива во всех цилиндрах двигателя.

Наибольшее распространение для диагностирования ТПА получили методы, основанные на анализе сигнала давления в ТВД топливной системы [13, 29, 34, 40, 49, 75, 79, 81 - 84, 117, 118]. Сигнал давления в ТВД используется в диагностических комплексах АЛ-30 и Алмаз (ООО «Локомотив», Россия) и приборе «Дизель Тест-ТА» (ФГБОУ ВО ДВГУПС, Россия) где измеряется

накладным датчиком деформации ТВД, и в «Переносном комплексе диагностики рабочего процесса и регулировки цилиндровой мощности дизеля» (ООО «Техтранс-Д», Россия) где измеряется проточным датчиком давления.

Можно выделить несколько подходов к анализу сигнала давления в ТВД ТПА. Методы экспертного визуального сравнения и оценки диаграмм давления топлива описаны в работах [13, 34, 75]. В данных работах предлагается визуально оценивать положение характерных точек или участков диаграмм давления и сравнивать их с положением таких же точек на эталонных диаграммах и по результатам сравнения давать экспертные оценки по состоянию и рекомендации по регулировке ТПА, используя при этом определенные правила. Ясно, что точность и достоверность получаемых диагнозов и рекомендаций будет зависеть от опыта и квалификации оператора. Подход, предполагающий сравнение измеренной диаграммы давления в ТВД ТПА имеет ограниченные возможности в связи с тем, что форма диаграмм давления зависит не только от режима работы двигателя, но и может значительно отличаться для различных цилиндров даже при исправной ТПА.

Матричные методы анализа диаграмм давления в ТВД являются развитием методов визуального сравнения и анализа диаграмм впрыска топлива, они позволяют автоматизировать процесс поиска неисправностей и исключить человеческий фактор [38, 57, 75]. Матричные методы получили широкое распространение в практике диагностирования, примером реализации такого метода может послужить диагностический комплекс АЛ-30 (ООО «Локомотив», Россия) [38]. Для применения матричных методов требуется проведение большого количества экспериментальных исследований для определения границ изменения диагностических критериев при различных неисправностях ТПА. Таких недостатков лишен матричный метод диагностирования, описанный в [75], здесь предлагается локализовать и выявлять неисправности ТПА по качественной картине изменения диагностических критерии, однако, кроме диагностических критериев, определяемых по диаграмме давления топлива, используются

диагностические критерии, определяемые по диаграмме внутрицилиндрового давления. Матричные методы, использующие совместно диаграмму давления топлива и диаграмму внутрицилиндрового давления, реализованы в диагностических комплексах АЛ-30 и Алмаз (ООО «Локомотив», Россия), ОКО-АРАМИС (ООО НПО «ОМИКС», Россия).

Известны работы, где авторы предлагают способ, в котором для анализа используют диаграмму давления в ТВД аппроксимированную модельными функциями [29, 79]. В работе [79] предлагается использовать аппроксимирующие функции определённого вида, а по коэффициентам в этих функциях, полученным в процессе аппроксимации, определять параметры процесса впрыскивания. В работе [29] диаграмму давления в ТВД аппроксимируют кусочно-линейной функцией состоящей из семи отрезков, а диагностирование и оценку технического состояния выполняют по координатам точек излома этой функции. К недостаткам такого подхода можно отнести то, что волновые процессы, происходящие в ТВД ТПА, могут оказать влияние на результат диагностирования, так как они зачастую имеют ярко выраженный характер и зависят не только от размеров ТВД, но и от режима работы двигателя и места установки датчика. Поэтому при реализации этих методов требуется проведение экспериментальных исследований для выявления взаимосвязи неисправностей с диагностическими критериями для каждой конкретной конструкции ТПА.

Значительным недостатком методик предполагающих сравнение текущих диагностических критериев с их эталонными значениями является наличие определенного диагностического режима, для которого получены эталонные значения диагностических критериев, при этом работа на данном режиме может быть невозможна или опасна вследствие неисправности двигателя.

Способы обработки диаграмм давления в ТВД ТПА, основанные на распознавании образов [40, 83], предполагают возможность их использования в широком диапазоне режимов работы двигателя, однако для своей реализации требуют большое количество статистической и экспериментальной информации

об объекте диагностирования для обучения нейронной сети [40], или для определения форм факторов закона распределения вероятности [83].

Так же известны подходы, основанные на теории идентификации и количественном оценивании диагностических критериев [34, 49]. Они требуют проведения экспериментальных исследований только на этапе разработки и настройки математической модели, так же могут быть применены в широком диапазоне режимов работы дизеля. Однако такой подход требует знания большого количества конструктивных параметров ТПА и двигателя, которые не всегда доступны. Так же к недостаткам данного подхода можно отнести большие затраты на вычисление связанные со сложностью математических моделей используемых при описании процессов в ТПА. Несмотря на сложность, такой подход был реализован в работе [58], для оценки технического состояния ТПА при испытании на опрессовочном стенде.

Необходимо отметить что, диаграмма давления впрыска топлива отражает состояние только ТПА двигателя, поэтому её измерение не исключает другие виды диагностических исследований. Кроме этого наш опыт и отсутствие в открытой печати объективных данных, позволяют сделать вывод о невозможности использования диаграммы давления впрыска топлива для точной регулировки ЦП секциями топливного насоса.

1.2. Диагностирование и регулировка ТПА по параметрам рабочего

процесса

Наиболее общим и распространенным подходом к оценке состояния и регулировки ТПА и дизеля в целом является подход, основанный на использовании параметров, характеризующих внутрицилиндровый процесс, таких как: среднее индикаторное давление; максимальное давление сгорание и угол, при котором оно достигается; давление начала сгорания и угол, при котором оно

достигается; температура отработавших газов; расход топлива; индикаторный КПД и другие.

В инструкции по эксплуатации дизель-генератора 1А-9ДГ [31], описана методика регулировки ТПА, согласно которой регулировка УОПТ и объёма ЦП топлива осуществляется в два этапа: в ходе регулировки на специализированных стендах и в ходе регулировки на двигателе. Регулировка ТПА на стендах не позволяет учесть износы кулачков распределительного вала и люфты в механизме привода реек топливных насосов. Поэтому после установки ТПА на дизель требуется тонкая за счет регулировочных прокладок и корректировки выхода рейки ТНВД. При регулировке ТНВД на двигателе в качестве диагностических критериев используются температура отработавших газов и максимальное давление сгорания [31, 78]. Этот способ не позволяет добиться балансировки мощности между цилиндрами с высокой точностью. Кроме этого максимальное давление сгорание и температура отработавших газов зависит не только регулировочных параметров ТПА, поэтому данный способ не применим для оценки её технического состояния. Согласно подходу, изложенному в инструкции [31], неисправности ТПА выявляются в случае невозможности получения требуемых значений максимального давления сгорания и температуры газов на выходе из цилиндра, а локализуются при разборке и осмотре ТПА в условиях топливного цеха.

Техническое состояние систем и механизмов дизеля отражается на параметрах работы дизеля, которые регистрируются встроенной бортовой системой мониторинга и контролируются эксплуатирующим или обслуживающим персоналом [75]. Известны работы, в которых на основе этих данных строятся аппроксимирующие зависимости позволяющие оценить эффективность работы энергетической установки тепловоза [75-77], выявить неисправные узлы и системы без конкретизации неисправности [10]. Развитие такого подхода предложено автором работ [26-28], в которых предлагается обрабатывать данные полученные с использованием бортовых средств

регистрации с помощью нейросетевых моделей. Такой подход позволяет оперативно оценивать общее состояние дизеля, однако выявление отказавших элементов затруднено, а тонкая регулировка ТПА двигателя невозможна.

Диаграмма внутрицилиндрового давления отражает состояние не только ЦПГ, но и других механизмов и систем двигателя, поэтому её применение в системах диагностирования ДВС видится более перспективным. Известны работы [5-7, 81, 117], в которых в ходе обработки диаграмм внутрицилиндрового давления, определяются положения характерных точек и другие интегральные параметры, и по их отклонениям от эталонных делается заключение о возможных нарушениях регулировок и неисправностях узлов и агрегатов двигателя.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Трунов Антон Игоревич, 2022 год

- - -

_

— в цилиндре -в канале

420

435

345 350 355 360 365 370 375 380 Ф, град. ГЖВ

Рисунок 3.2 - Влияние индикаторного канала на диаграмму внутрицилиндрового давления: а - диаграмма внутрицилиндрового давления; б - область А, увеличено

Амплитудные ошибки возникают при интерференции волн давления возникающих в индикаторном канале. Можно отметить, что на диаграмме давления возникают осцилляции, которые вносят погрешность в результат определения максимального давления сгорания ртах и среднего индикаторного давления цикла рт1. В данном случае ртах завышено на 0,25 МПа (2,2 %), среднее индикаторное давление рт1 снижено на 0,042 МПа (3,3%).

Измерение давления через индикаторный канал приводит к фазовому смещению момента начала воспламенения топлива фс на 2° ПКВ вправо, а угол,

при котором достигается максимальное давление сгорания фтах, смещен на 3° ПКВ влево.

Искажение диаграммы давления приводит к тому, что искажёнными получаются и характеристики индикаторного тепловыделения. На рисунке 3.3 показаны дифференциальная и интегральная характеристики индикаторного тепловыделения. Заметные искажения характеристик тепловыделения возникают после воспламенения топлива. Искажение фазы характеристики тепловыделения видно более отчетливо, чем на диаграмме внутрицилиндрового давления. Величина смещения диаграмм по фазе составляет 2,4° ПКВ и может быть определена из анализа искаженных характеристик индикаторного тепловыделения как четверть периода волны давления фв/4 (см. главу 2).

I Т Т I_ 1 г

— в цилиндре . a ¡ya UQ ПР

330345360375390405420435450465480495 510 Ф, град. ПКВ

Рисунок 3.3 - Искажения, вносимые индикаторным каналом в характеристики тепловыделения: а) - дифференциальная; б) - интегральная

Амплитудные искажения характеристик тепловыделения начинаются почти сразу после начала сгорания, это объясняется приходом отраженной волны давления к датчику давления. При этом значительно искажаются дифференциальные характеристики тепловыделения, особенно положение и количество экстремумов, а значение критерия ДQi искажено меньше, на 4 %.

На процесс распространения волн давления в индикаторном канале оказывает влияние не только геометрические размеры индикаторного канала, но

и термодинамические параметры среды, и скорость их изменения. Следовательно, параметры волнового процесса, а так же величина искажений, вносимых индикаторным каналом, будет зависеть от характера протекания процесса сгорания. На рисунке 3.4 показаны искажения, вносимые индикаторным каналом при сгорании с преобладанием диффузионной фазы без изменения объёма подаваемого топлива Ьц.

Из анализа рисунка 3.4 можно отметить, что значения амплитудных диагностических критериев при сгорании топлива с преобладанием диффузионной фазы искажаются меньше, однако характер искажений сохраняется.

а)

б)

1.4 1.3 1.2 1.1 1

0.9 0.8 0.7 0.6 г. 0.5 0.4 0.3 0.2

ч я О. и

£ §

14

о -0.1

-0.2

— в цилиндре " П Ь'ЯЦЯПР

Гт.

1 1

330345360375390405420435450465480495510 ср, град. ПКВ

32 30 28 26 24 22 20 Д 18

§ 16 14

О 12 10 8 6 4 2 0 -2

у

/

в цилиндре

330345360375390405420435450465480495 510 Ф, град. ПКВ

Рисунок 3.4 - Характеристики тепловыделения при сгорании с преобладанием диффузионной фазы: а) - дифференциальная; б) - интегральная

Это вызвано тем, что нарастание давления в цилиндре происходит медленнее, поэтому амплитуда отраженных волн давления меньшая. Несмотря на то, что объём цикловой подачи остаётся без изменений, максимальное давление сгорания Ртах значительно снижается с 10,9 до 9,8 МПа. Меньше на 4% становится среднее индикаторное давление цикла рт, при том, что уровень прироста активного тепловыделения снижается только на 2%. Можно отметить, что величина ошибки определения фазовых критериев при изменении характера сгорания не изменяется.

Индикаторный канал оказывает значительное влияние на результаты определения диагностических критериев. При измерении давления через индикаторный кран значительному искажению подвергаются критерии, определяемые по дифференциальным характеристикам индикаторного тепловыделения dQmaxb ^^тах2, Ф^отах1, ф^тах2, причем величина искажений зависит от характера сгорания. В сязи с этим в дальнейшем дифференциальная характеристика тепловыделения и критерии, определяемые на её основе исследоваться не будут. Максимальное давление сгорания ртах и угол, при котором оно достигается, не может быть использовано для регулировке ТПА, так как зависит не только от угла начала подачи топлива [21], но и от характера протекания процесса сгорания.

Таким образом, измерение диаграмм внутрицилиндрового давления через штатный индикаторный канал двигателя приведёт к погрешности определения как фазовых, так и амплитудных диагностических критериев. Амплитудные критерии ДQг■, рт1 меньше других критериев подвержены искажениям, поэтому при дальнейшем исследовании будем рассматривать только их. Фазовые критерии предлагается определять по интегральной характеристике индикаторного тепловыделения. Особенности конструкции индикаторного канала и рабочего процесса двигателя 1А-5Д49 не позволяют без искажени определять наиболее распространённый фазовый критерий, определяемый на основе характеристики тепловыделения фQ50, в связи с ранним развитием волнового процесса, поэтому далее будет исследован критерий фQ1o.

3.2.2. Абсолютное давление в цилиндре

Для измерения диаграмм внутрицилиндрового давления наибольшее распространение получили датчики динамического давления, основанные на пьезоэлектрическом эффекте, они обладают высокой чувствительностью и

хорошими частотными характеристиками. Датчики такого типа позволяют измерить только переменную составляющую сигнала и поэтому требуют добавления постоянной составляющей, определением которой, во многих случаях, пренебрегают. Для оценки влияние положения ВМТ цилиндра на результаты определения диагностических критериев было выполнено расчетное исследование. Основные результаты численного исследования влияния ошибки постоянной составляющей в сигнале давления на результат определения среднего индикаторного давления рМ1 и прироста индикаторного тепловыделения ДQi опубликованы в работе [45].

Для определения типичного, в условиях эксплуатации, диапазона ошибок постоянной составляющей в сигнале давления был выполнен анализ диаграмм давления в цилиндре, полученных с помощью комплекса «Магистраль» [14].

Оценка диапазона отклонений постоянной составляющей сигнала давления была выполнена с использованием методики, разработанной для привязки диаграмм внутрицилиндрового давления по показателю политропного процесса (более подробное описание в §4.2.2).

Результаты анализа диаграмм внутрицилиндрового давления, выполненного для 16 различных, отобранных случайным образом, секций тепловоза серии 2ТЭ116 рисунок 3.5, показывают, что ошибка определения постоянной составляющей в сигнале давления оказалась в диапазоне от -0,06 до 0,36 МПа.

Рисунок 3.5 - Ошибки определения постоянной составляющей в сигнале давления

Полученные значения, округленные в большую сторону, использовались для определения границ варьирования ошибок измерения абсолютного давления в цилиндре и дальнейшего анализа. Исследование выполнялось для двух экспериментальных индикаторных диаграмм с ранним и поздним воспламенением, полученных на 11-й позиции контроллера машиниста при нагрузке, соответствующей тепловозной характеристике двигателя. Качественная картина изменения интегральных характеристик индикаторного тепловыделения, при ошибке в определении постоянной составляющей в сигнале давления показана на рисунке 3.6. Постоянная составляющая в сигнале давления не оказывает влияния на фазовые диагностические критерии, при этом значительному искажению подвергается критерий ДQi.

Рисунок 3.6 - Влияние ошибки определения постоянной составляющей в сигнале давления на вид характеристик тепловыделения.

На рисунке 3.7 показано изменение рт и ДQi в зависимости от постоянной составляющей в сигнале давления. Среднее индикаторное давление цикла не зависит от постоянной составляющей в сигнале давления, как это и следует из его геометрической интерпретации - эквивалент площади свёрнутой диаграммы внутрицилиндрового давления р(У). В то время как оценка нагрузки по приросту индикаторного тепловыделения может достигать 10% и более на каждый неучтенный бар в постоянной составляющей сигнала давления. При этом, как видно из рисунка, ошибка, приводящая к завышению давления (Дра<0, требуется

вычитание |Дра| из сигнала давления), меньше сказывается на результате вычисления ДQi, чем в противоположном случае (Дра>0).

Рисунок 3.7 - Влияние ошибки определения постоянной составляющей в сигнале

давления на результат определения критериев нагрузки цилиндра: рт1, рт2 -среднее индикаторное давление при раннем и позднем воспламенением топлива соответственно; ДQг■ ь ДQг■ 2 - прирост индикаторного тепловыделения при раннем

и позднем воспламенении топлива

Таким образом, для оценки нагрузки по приросту тепловыделения требуется обязательная коррекция диаграмм давления с уточнением постоянной составляющей давления.

3.2.3. Фазовое положение диаграммы внутрицилиндрового давления

Ошибочное определение положения ВМТ на диаграмме внутрицилиндрового давления оказывает влияние на вид характеристики тепловыделения, на критерии, определяемые на её основе, и на среднее индикаторное давление цикла. Величина ошибки определения фазовых критериев численно равна погрешности определения положения ВМТ. Для оценки влияния положения ВМТ цилиндра на результаты определения диагностических

критериев было выполнено расчетное исследование. Основные результаты этого исследования опубликованы в работе [45].

Диапазон ошибок положения ВМТ, встречающихся в практике эксплуатации диагностических комплексов, был определен в ходе анализа диаграмм давления из базы данных «Магистраль». Привязка сигнала давления к ВМТ в данном комплексе осуществляется при отключенной в первом (опорном) цилиндре подаче топлива по сигналу индуктивного датчика, реагирующего на прохождение зубьев ведомой шестерни стартера. При этом, из-за вибраций элементов крепления индуктивного датчика, упругих скручивающих деформаций коленчатого вала и отклонений реальных размеров коленчатого вала от номинальных значений, возможны ошибки в привязке сигнала давления каждого датчика к ВМТ цилиндра, в котором он установлен. Наиболее просто оценить относительную величину этой ошибки можно путем сравнения кривых давления на участках сжатия каждого цилиндра между собой.

Процедура позиционирования диаграмм всех цилиндров выполнялась по методике, описанной в статье [66] и подробно рассмотренной в §4.2.2.

Результаты анализа индикаторных диаграмм, выполненного для 16 секций тепловоза серии 2ТЭ116 рисунок 3.8, показывают, что ошибка позиционирования индикаторных диаграмм в среднем составляет около 0,5° ПКВ, но в отдельных случаях может достигать 3° ПКВ.

Рисунок 3.8 - Ошибки определения положения ВМТ

Полученные значения, округленные в большую сторону, использовались для выявления границ варьирования ошибок измерения фазы рабочего процесса и дальнейшего анализа.

Исследование выполнялось для двух экспериментальных индикаторных диаграмм с ранним и поздним воспламенением, полученных на 11-й позиции контроллера машиниста при нагрузке, соответствующей тепловозной характеристике двигателя. При исследовании индикаторная диаграмма смещалась на известную величину, и на их основе рассчитывались интегральные характеристики индикаторного тепловыделения и определялись диагностические критерии. При смещении диаграммы внутрицилиндрового давления влево Дф имеет знак минус, при смещении вправо знак плюс.

Качественная картина изменения характеристик тепловыделения при ошибке определения положения ВМТ показана на рисунке 3.9.

N

- Дф=-3 град. ПКВ - Дф=0 град. ПКВ

- Дф=3 град. ПКВ

345 360 375 390 405 420 435 450 465 480 495 510 525 Ф, град. ПКВ

Рисунок 3.9 - Влияние положения ВМТ на вид интегральной характеристики

индикаторного тепловыделения

На диаграммах можно заметить, что при смещении диаграммы давления на 3° ПКВ возникает значительная ошибка при определении прироста индикаторного тепловыделения AQt. При этом фазовое смещение диаграммы тепловыделения наблюдается только на начальном участке тепловыделения до ВМТ цилиндра. На рисунке 3.10 показано влияние ошибки определения ВМТ

цилиндра на результаты определения прироста индикаторного тепловыделения AQi и среднего индикаторного давления ртЬ

Как видно из представленных результатов, среднее индикаторное давление рт1 менее чувствительно к ошибке положения ВМТ рисунок 3.10. На каждый градус ошибки определения ВМТ приходится, в среднем, 3,5% ошибки определения индикаторной работы и от 4 до 7,5% при определении прироста тепловыделения.

-°—ртП - - -3

к Л

-3-2-1 0 1 2 3

Л(р, град. ГЖВ

Рисунок 3.10 - Зависимость прироста индикаторного тепловыделения ДQi и среднего индикаторного давления рт от положения ВМТ цилиндра: ртп,рти - среднее индикаторное давление при раннем и позднем воспламенением топлива соответственно; ДQi ДQi 2 - прирост индикаторного тепловыделения при раннем и позднем воспламенении топлива

В случае оценки нагрузки по приросту тепловыделения ДQi и среднему индикаторному давлению рт1 требуется обязательная коррекция диаграмм с уточнением положения ВМТ.

3.3. Влияния констант на результат определения диагностических

критериев

При расчете характеристик тепловыделения по соотношению (2.14) требуется определение величин, которые не изменяются в ходе расчета. К таким величинам относятся показатель адиабаты к и объем камеры сгорания Ус. Показатель адиабаты к зависит от состава и термодинамических параметров рабочего тела. Для повышения скорости вычисления и упрощения расчетных методик показатель адиабаты, при расчете характеристик тепловыделения, выбирается одинаковым для всех цилиндров и постоянным на протяжении всего рабочего цикла. Объем камеры сгорания оказывает влияние на определение полного объёма цилиндра и сказывается на результате вычисления характеристик индикаторного тепловыделения.

3.3.1. Показатель адиабаты

При расчете характеристик индикаторного тепловыделения по соотношению (2.14) показатель адиабаты к оказывает влияние на результат определения диагностических критериев. В течении реального рабочего цикла показатель адиабаты к изменяется. В практике расчета и анализа индикаторных диаграмм получил подход, когда используются средний показатель адиабаты к. Такой подход оправдан и при вычислении характеристик тепловыделения. Как правило, средний показатель адиабаты к для рабочего тела двигателя находится в диапазоне от 1,25 до 1,4. На рисунке 3.11 показано влияние показателя адиабаты на результаты вычисления интегральной характеристики индикаторного тепловыделения.

- п

-к=1.25

——к=1.3

-к=1.35

к=1.4

^ I ■ ■ ■ ...■■■■ ■

345 360 375 390405 420435 450465 480 495 510 525 Ф, град. ПКВ

Рисунок 3.11 - Влияние показателя адиабаты к на вид характеристики

тепловыделения

На характеристиках тепловыделения можно заметить, что величина показателя адиабаты отражается не только на приросте активного тепловыделения, но и на фазе характеристики тепловыделения. На начальных участках характеристики тепловыделения фазовые расхождения незначительны, но они увеличиваются с развитием процесса сгорания. На рисунке 3.12 показано влияние показатели адиабаты на результаты определения диагностических критериев.

1.5 1.45 1.4 1.35 1.3 1.25

1оГ 12<

|<3 1.15 1.1 1.05 1

0.95

0.9

0.85 1.:

Рисунок 3.12 - Зависимость прироста индикаторного тепловыделения AQi (а) и угла, при котором выделяется 10% теплоты цикла (б), от показателя адиабаты

На рисунке 11(а) видно, что изменение показателя адиабаты к оказывают значительное влияние на прирост тепловыделения ДQi. Ошибка в выборе показателя адиабаты может привести к ошибке в определении угла, при котором выделяется 10% теплоты фQ10 в диапазоне +0,7° ПКВ рисунок 3.12(б).

Таким образом, значение показателя адиабаты к, входящего в уравнение (2.14), может приводить к значительным изменениям формы характеристик тепловыделения, но его точное определение в каждый момент рабочего цикла является трудной задачей требующей учета состава и температуры рабочего тела. Поэтому значение показателя адиабаты к может быть принято одинаковым для всех цилиндров и постоянным на протяжении рабочего цикла при условии исправности газораспределительного, кривошипно-шатунного механизмов и системы охлаждения дизеля.

3.3.2. Степень сжатия

При вычислении характеристик индикаторного тепловыделения по формуле (2.14) можно допустить ошибку при вычислении полного объёма цилиндра V, в связи с возможной ошибкой в определении фактического объёма камеры сгорания Ус и соответственно степени сжатия е. Изменение объёма камеры сгорания Ус и степени сжатия е может происходить по ряду причин: открытие индикаторного крана (к объёму камеры сгорания добавляется дополнительный объём полости индикаторного канала расположенного за краном); нарушение технологии сборки; применения некачественных запасных частей.

Исследование, влияния ошибки определения степени сжатия е на характеристики тепловыделения, выполнялось с использованием экспериментальной диаграммы внутрицилиндрового давления измеренной диагностическим комплексом «Магистраль». Диаграмма давления была измерена на 15 позиции контроллера машиниста. При вычислении характеристик тепловыделения использовались различные степени сжатия е (объемы камеры

сгорания Ус), расчет был выполнен с тремя различными степенями сжатия: 13,54; 12,5; 11,62. Степень сжатия е, заявленная заводом изготовителем и принятая в качестве эталона, составляет 12,5. На рисунке 3.13 показано влияние степени сжатия на интегральные характеристики индикаторного тепловыделения.

40

35 30 25

К

* 20 оГ

54, Ус=1.1 5 Уг-=1 ?

— ь — р. = 13 =12 = 11

..............г 62, Ус= 1.3

15 10 5 0

345 360 375 390 405 420 435 450 465 480 495 510 525 ф, град. ПКВ

Рисунок 3.13 - Зависимость индикаторного тепловыделения от угла поворота коленчатого вала при различной степени сжатия

На рисунке 3.13 видно, что степень сжатия влияет на фазовые критерии характеристики тепловыделения прирост индикаторного тепловыделения Д^-.

На рисунке 3.14 показано влияние геометрической степени сжатия на прирост индикаторного тепловыделения и угол, при котором выделяется 10%

теплоты ф д10.

а) 103

§

б) 1.5

ш й Н

ч

а с.

0.5

Си

Э-<

-0.5

0.98

1.5

12

13.5

14

12.5 13

Б

Рисунок 3.14 - Зависимость прироста индикаторного тепловыделения ДQi (а) и угла, при котором выделяется 10% теплоты цикла фQi0 (б) от степени сжатия

Видно, что ошибка в оценке степени сжатия на единицу приводит к ошибке при определении критерия AQi на 2%, а при определении фазового критерия фQ10 на 0,8 град ПКВ.

3.4. Влияние частоты вращения на результат определения диагностических

критериев

При работе тепловозного дизеля частота вращения коленчатого вала поддерживается с помощью объединённых регуляторов мощности. Для регуляторов типа 4-7РС-2 и 2-М7РС2-1-07 точность регулирования частоты вращения коленчатого вала лежит в пределах +15 мин-1 на 0...14 позициях контроллера машиниста и +10 мин-1 на 15 позиции [32]. Микропроцессорные системы управления тепловозом обеспечивают точность регулирования частоты вращения коленчатого вала в пределах +6 мин-1 [100].

Выполнено расчетное исследование, показывающее влияние частоты вращения коленчатого вала, в пределах заданных диапазонов, на характеристику тепловыделения. Расчет выполнялся для двух вариантов изменения частоты вращения коленчатого вала. Первый выполнен при сохранении мощности соответствующей генераторной характеристике тепловозного дизеля 1А-5Д49 за счет вариации цикловой подачи топлива. Второй - при постоянной цикловой подаче топлива и измененяемой эффективной мощности. Изменение эффективной мощности происходит вследствие снижения частоты вращения коленчатого вала, при неизменном крутящем моменте. Исследование выполнялось для 11 позиции контроллера машиниста, при этом в качестве опорных были приняты значения диагностических критериев при частоте вращения коленчатого вала п=875 мин-1 и эффективной мощности дизеля Ре=1650кВт. В программе «Дизель-РК» было выполнено моделирование диаграмм внутрицилиндрового давления для

нагрузочного режима, соответствующего 11 позиции контроллера машиниста, с разными частотами вращения коленчатого вала (860, 875, 890 мин-1).

На рисунке 3.15 показано влияние частоты вращения коленчатого вала на вид характеристик тепловыделения.

а) б)

Рисунок 3.15 - Влияние частоты вращения коленчатого вала на характеристики индикаторного тепловыделения: а) мощность двигателя постоянна (ЦП изменяется); б) мощность двигателя изменяется (ЦП неизменна) При анализе рисунка 3.15 можно заметить, что частота вращения не оказывает существенного влияния на результаты определения характеристик тепловыделения. Фазовые диагностические критерии не изменяются. Изменение амплитудных критериев обусловлено изменением цикловой подачи топлива для поддержания мощности двигателя, снижение частоты вращения п приводит к снижению мощности, поэтому цикловая подача увеличивается и, наоборот, при росте частоты вращения п цикловая подача немного уменьшается. На рисунке 3.16 показано влияние частоты вращения коленчатого вала п при постоянной мощности, развиваемой двигателем на результаты определения диагностических критериев. Видно, что изменение частоты вращения коленчатого вала п в заданном диапазоне, при постоянной мощности, развиваемой двигателем, не приводит к значительным изменениям среднего индикаторного давления рти

прироста индикаторного тепловыделения AQi. Изменения находятся в пределах 1,5%.

1.0И

к к§

860 865

О £ ррасчет — раппроксимация АQ расчёт — аппроксимация

о\

870

875 880 -1

п, мин

885 890

Рисунок 3.16 - Зависимостьрт и AQi от частоты вращения коленчатого вала: синим - мощность постоянна (ЦП изменяется); красным - мощность двигателя изменяется (ЦП неизменна)

3.5. Влияние угла опережения подачи топлива на результат определения

диагностических критериев

УОПТ может изменяться в процессе работы двигателя в результате нарушения регулировок или износа ТПА. УОПТ оказывает влияние на рабочий процесс двигателя, от его значения во многом зависит индикаторный КПД цикла и эффективный КПД двигателя. Величина УОПТ для двигателя определяется заводом изготовителем и указывается в инструкции по эксплуатации двигателя. В инструкции, как правило, указан геометрический УОПТ или УОПТ по насосу, он отличается от фактического УОПТ. В ходе расчетного исследования выявлено влияние фактического УОПТ на критерий фQio, определяемый по интегральной характеристике индикаторного тепловыделения. Исследование выполнялось с использованием методики моделирования характеристик индикаторного тепловыделения, описанного в главе 2. В ходе исследования величина

фактического УОПТ варьировалась в диапазоне +5° ПКВ относительно оптимального (19° до ВМТ). Исследование было выполнено для различных цикловых подач топлива. Результаты расчетного исследования влияния УОПТ фопт на результаты определения среднего индикаторного давления рт и угла, при котором выделяется 50% теплоты цикла фд50 без учёта влияния индикаторного канала, были опубликованы в работе [46].

На рисунке 3.17 показано изменение формы диаграммы внутрицилиндрового давления и интегральной характеристики индикаторного тепловыделения в результате изменения УОПТ фопт при постоянной цикловой подаче топлива Ьц.

а)

б)

Рисунок 3.17 - Зависимость внутрицилиндрового давления (а) и индикаторного тепловыделения (б) от угла поворота коленчатого вала при разных УОПТ фопт и

одинаковой цикловой подаче Ьц =0,835г Можно отметить, что при изменении УОПТ фопт изменяются как амплитудные так и фазовые критерии, определяемые по диаграммам давления и характеристикам тепловыделения.

На рисунке 3.18 показано влияние УОПТ фопт при различных цикловых подачах на результаты определения угла, при котором выделяется 10% теплоты цикла.

Рисунок 3.18 - Зависимости угла, при котором выделяется 10% теплоты цикла фд10 от угла опережения подачи топлива фопт при разных цикловых подачах

топлива Ьц

Результаты аппроксимации расчетных данных, представленных на рисунке 3.18, описываются линейной зависимостью

Лф0О= - 0,881-Лфопт + 0,24 (3.6)

или приближенно

ЛФ0О = - ЛФопт (3.7)

Использование зависимости (3.7) для аппроксимации расчетных точек приводит к погрешности в определении угла, при котором выделяется 10% теплоты цикла в 1 градус поворота коленчатого вала (см. рисунок 3.18). При увеличении УОПТ фопт точность его оценки по критерию фд10 будет снижаться. Так при увеличении УОПТ на 5° ПКВ, сгорание в цилиндре начнётся раньше только на 4° ПКВ, это связанно с тем, что для самовоспламенения топлива в цилиндре двигателя требуется достижение определенной температуры.

3.6. Влияние цикловой подачи на результат определения диагностических

критериев

Изменение объема цикловой подачи топлива Ьц может происходить по разным причинам. Цикловая подача топлива Ьц меняется при изменении нагрузочного режима двигателя, в этом случае изменения происходят во всех цилиндрах одинаково. При разрегулировках топливного насоса цикловая подача топлива Ьц между цилиндрами может отличаться, при этом возникает неравномерные термические и механические нагрузки на детали двигателя. Так же цикловая подача топлива Ьц по цилиндрам может отличаться вследствие неисправностей форсунок, например: зависания запорной иглы, изменения проходного сечения распыляющих отверстий в результате износа или закоксовывания сопл распылителя и других неисправностей.

Результаты расчетного исследования влияния ЦП Ьц на результаты определения среднего индикаторного давления рт1 и угла, при котором выделяется 50% фQ50 теплоты цикла без учёта влияния индикаторного канала были опубликованы в работе [44].

Влияние объёма цикловой подачи Ьц на характеристику тепловыделения исследовано с использованием программы «Дизель РК» и математической модели процессов в индикаторном канале двигателя.

Исследование выполнялось для режима, соответствующего 11 позиции контроллера машиниста. Нагрузочный режим двигателя определялся ЦП топлива Ьц, при этом в качестве опорного значения была выбрана цикловая подача, соответствующая эффективной мощности Ре=1650кВт. В ходе расчетного эксперимента варьировались ЦП топлива: было взято пять точек в диапазоне ±10% от номинального значения с разными УОПТ. Опорные значения критериев AQЬ рт1 были приняты при цикловой подаче топлива Ьц=0,835г и УОПТ 19° до ВМТ.

На рисунке 3.19 отражена качественная картина изменения диаграммы внутрицилиндрового давления и интегральной характеристики индикаторного тепловыделения при изменении объёма ЦП Ьц и постоянном УОПТ фопт.

На рисунке 3.19 видно, что изменение объёма цикловой подачи не приводит к изменению фазовых критериев, но отражается на амплитудном критерии ДQi. а) б)

ю

2 5

Ъ =1 ц Ь =1,05 ц Ъ =1,1 ц Ь =0,95 ц Ь =0.9

/

ц

0

330 345 360 375 390 405 420 435 450 465 480 495 510

Ф. град,

ПКВ

Рисунок 3.19 - Зависимость внутрицилиндрового давления (а) и характеристики тепловыделения (б) от ЦП топлива Ьц при постоянном УОПТ фопт

На рисунке 3.20 отражено влияние ЦП Ьц на среднее индикаторное давление рт и прирост индикаторного тепловыделения в цикле ДQi при разных УОПТ фопт. Анализируя рисунок 3.20(а) можно отметить, что среднее индикаторное давление цикла рМ1 зависит как от объёма цикловой подачи Ьц так и от УОПТ фопт, при этом между ними наблюдается линейная взаимосвязь. При снижении объёма цикловой подачи влияние УОПТ на среднее индикаторное давление рт становится меньшим, а при увеличении влияние усиливается. Изменение УОПТ фопт на 10° ПКВ приводит к изменению среднего индикаторного давлениярт на 3,5%.

На рисунке 3.20(б) показано влияние цикловой подачи топлива на критерий ДQi при разных УОПТ фопт, можно отметить, что связь между объёмом цикловой Ьц подачи и приростом тепловыделения ДQi линейная. При изменении УОПТ

уравнение связи между Ьц и ДQi изменяется. Изменение УОПТ на 10° ПКВ приводит к изменению оценки прироста тепловыделения ДQi на 6%.

а) б)

X • + Дф = о°пкв т опт Дф = -з"пкв опт Дф = -5°ПКВ опт + •

+ • * о

Л о Дф = з°пкв опт Дф = 5°ПКВ опт + * * о

а

+ *

1 *

6

0.85 0.9 0.95

1.05

Рисунок 3.20 - Зависимость среднего индикаторного давлениярт[ (а) и количества индикаторной теплоты в цикле ДQi (б) от цикловой подачи Ьц топлива

при разных УОПТ

Анализируя показанные выше результаты, можно сделать вывод, что определить корректирующие воздействия на УОПТ и на ЦП в результате одного замера ни при использовании рти ни при использовании ДQi невозможно.

Если исключить влияние УОПТ на результаты определения диагностических критериев за счет разбиения процедуры регулировки ТПА на два этапа первым из которых будет регулировка УОПТ, тогда зависимость среднего индикаторного давления рт1 и прироста индикаторного тепловыделения ДQi от объёма цикловой подачи Ьц будет выглядеть как показано на рисунке 3.21. При таком подходе опорное значение ДQi и рти определяется отдельно для каждого УОПТ фопт, при Ьц=0,835г.

Из представленных результатов видно, что в случае равенства углов УОПТ во всех цилиндрах, точки накладываются друг на друга. На рисунке 3.21 (б) показано, что соотношение между объёмом цикловой подачи и приростом индикаторного тепловыделения может быть описано уравнением

Ьц =Л0. (3.8)

Использование подобного уравнения для оценки Ьц по рт тоже возможно, однако в этом случае, при отклонении Ьц на 10%, погрешность определения будет составлять 2%.

а) б)

1.15 1.1 1.05

0.95 ■ 0.9 ■

0.85-1-1-■-■----и.е?-

0.85 0.9 0.95 ± 1.05 1.1 1.15 0.85 0.9 0.95 J_ 1.05 1.1 1.15

b b ц ц

Рисунок 3.21 - Зависимость среднего индикаторного давленияpmi (а) и количества индикаторной теплоты в цикле AQi (б) от цикловой подачи Ьц топлива

3.7. Влияние неисправности форсунки на интегральную характеристику

тепловыделения

Согласно источнику [78] в эксплуатации допускается изменение пропускной способности распылителя не более чем на 10%, это соответствует изменению диаметра распыляющих отверстий на 0,013мм. Кроме изменения площади проходного сечения распылителя возможны другие неисправности, приводящие к снижению качества смесеобразования, например: зависание иглы, снижение давления подъёма иглы, подтекание распылителя и др. Исследовано влияние проходного сечения распылителя и качества смесеобразования на диагностические критерии, определяемые на основе интегральной характеристики тепловыделения и на основе диаграммы внутрицилиндрового давления.

х Дф = о°пкв опт * Дф = -з°пкв тОПТ + 9 = -5°ПКВ опт

* ф О ф = 3°ПКВ опт = ^°nk"R

опт 0.128 '

р . = о. г пи 872*6 + ц

В ходе расчетного исследования в программе «Дизель-РК» изменялось проходное сечение распылителя. Для двигателя 1А-5Д49 эталонный диаметр распыляющих отверстий ^сопл составляет 0,4мм. Было выполнено моделирование диаграмм давления с тремя вариантами диаметров распыляющих отверстий ^сопл=0,38; 0,4; 0,42мм. Снижение качества смесеобразования осуществлялось за счет вариации константы испарения в настройках модели сгорания. Цикловая подача топлива и максимальное давления впрыска топлива рвпр оставались

неизменными Ьц.

а)

б)

ю

га С

— =0.4мм СОПЛ .......с/ =0.38мм

— с1 =0.42мм сопл плохое

смесеобразование

о

345 360 375 390 405 420 435 450 465 480 495 510 525 ф, град. ПКВ

Рисунок 3.22 - Влияние состояния распылителя на диаграммы внутрицилиндрового давления (а) и характеристики тепловыделения (б)

Анализ рисунка 3.22 показывает, что изменение проходного сечения распылителя в исследуемом диапазоне не приводит к изменениям диаграмм давления и характеристик тепловыделения, среднее индикаторное давление рт и прирост индикаторного тепловыделения изменяются в пределах 0,5%. А вот неисправности форсунки, снижающие качество смесеобразования, приводят к уменьшению среднего индикаторного давления рт на 7% и увеличению прироста индикаторного тепловыделения на 1,5%. При этом, согласно расчетам, температура газов на выходе из цилиндра изменяется незначительно с 759 до 764 °К. Если в этой ситуации использовать методику регулировки ТПА на двигателе, предлагаемую заводом изготовителем [31], то потребуется увеличивать УОПТ и

цикловую подачу топлива, что может привести превышению термических нагрузок на детали двигателя. На рисунке 3.22 (б) видно, что ухудшение качества смесеобразования приводит к изменению наклона характеристики тепловыделения.

Таким образом, критерий ДQi менее чувствителен к техническому состоянию ТПА, однако по наклону характеристики тепловыделения можно оценивать техническое состояние форсунки.

3.8. Методика регулировки ТПА

Предлагаемая методика регулировки ТПА разрабатывался в рамках идеи его последующей практической реализации в составе компактного диагностического прибора, программное обеспечение которого должно оперативно (возможно, в режиме реального времени) определять критерии для регулировки УОПТ и ЦП. Такой прибор может быть разработан на основе устройства для одновременного измерения сигнала скорости изменения давления и сигнала давления в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания, патент на полезную модель которого был получен в соавторстве с д.т.н. Коньковым А.Ю. в рамках работы над диссертацией (приложение 3).

Суть методики регулировки заключается в попарном, синхронном измерении диаграмм внутрицилиндрового давления с последующим сравнением характеристик индикаторного тепловыделения, полученных численным интегрированием уравнения (2.14).

3.8.1. Регулировка угла опережения подачи топлива

В связи с тем, что УОПТ оказывает влияние не только на критерий но и на ДQi его настойку необходимо выполнять в первую очередь.

При выполнении регулировки УОПТ нужно выполнить следующую последовательность действий:

1. Выполнить попарное измерение диаграмм внутрицилиндрового давления во всех цилиндрах двигателя;

2. Выполнить корректировку положения ВМТ и постоянной составляющей цилиндра как это описано в параграфах 3.2.2, 3.2.3;

3. Вычислить интегральные характеристики индикаторного тепловыделения по формуле (2.14), при этом константы, используемые в расчете, принять одинаковые для всех цилиндров;

4. Определить фазовый критерий щх для всех цилиндров двигателя. Для двигателя 1А-5Д49 рекомендуется использовать фд10, для других двигателей доля выделившейся теплоты х при которой определяется угол может быть другой, в зависимости от геометрии индикаторного канала и особенностей протекания рабочего процесса, но не более 50%;

5. В ходе сравнительного анализа значений критерия фдх во всех цилиндрах, вычислить требуемые корректировки УОПТ Дфопт для каждого цилиндра. При вычислении требуемых корректировок использовать соотношение (3.7). При этом знак "минус" в (3.7) означает, что если в одном цилиндре критерий ф^х больше чем в другом на 2 градусов, то УОПТ в первом нужно увеличить на 2 градусов, что полностью соответствует физическому смыслу, т.к. УОПТ отмеряется от ВМТ в сторону, противоположную направлению вращения коленчатого вала.

6. Выполнить корректировку УОПТ согласно инструкции по техническому обслуживанию двигателя. Для дизелей серии Д49 при корректировке изменяется толщина прокладок между фланцами крепления секции ТНВД к двигателю;

7. Выполнить проверку выполненных регулировок п.1-5, при этом расхождение критерия фдх между цилиндрами не должно превышать 1° ПКВ;

8. При необходимости повторить операции по регулировке и проверке п.6 - 7.

После выполнения регулировок УОПТ необходимо выполнить

корректировку ЦП отдельными секциями ТПА.

3.8.2. Регулировка цикловой подачи топлива

Выполнение регулировки ЦП топлива секциями ТНВД рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

1. На основе сравнительного анализа интегральных характеристик, полученных в ходе проверки правильности регулировки УОПТ, определить опорный цилиндр, значение прироста индикаторного тепловыделения ДQi, в котором будет использоваться в качестве эталона;

2. На индикаторный канал цилиндра, выбранного в качестве опорного, установить первый датчик, показания с которого будут считаться опорными, на регулируемый цилиндр устанавливается второй датчик;

3. Выполнить одновременное измерение диаграмм внутрицилиндрового давления в опорном и регулируемом цилиндрах;

4. Выполнить корректировку положения ВМТ и постоянной составляющей давления в цилиндре как это описано в параграфах 3.2.2, 3.2.3;

5. Вычислить интегральные характеристики индикаторного тепловыделения, при этом константы, используемые для расчета интегральных характеристик по уравнению (2.14), принять одинаковые для обоих цилиндров;

6. Выполнить вычисление прироста индикаторного тепловыделения ДQi в обоих цилиндрах;

7. В ходе сравнительного анализа критериев ДQi в опорном и регулируемом цилиндрах, определить величину и направление (увеличить или уменьшить) корректировки ЦП в регулируемом цилиндре с использованием соотношения (3.8);

8. Выполнить корректировку ЦП топлива в регулируемом цилиндре в соответствии с инструкцией по техническому обслуживанию двигателя. Для двигателя 1А-5Д49 выполняется корректировка выхода рейки секции ТПА;

9. Выполнить проверку регулировок по п. 3-6.

10. В случае если расхождение прироста индикаторного тепловыделения ДQi больше 5% повторить операции п.7-8.

Описанная выше методика регулировки ТПА была внедрена в учебный процесс на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания» ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет» приложение 4.

3.9. Выводы по главе

На основании расчетного исследования, выполненного с использованием программы «Дизель-РК» и математической модели процессов в индикаторном канале и экспериментальных данных, можно сделать следующие выводы:

1. Индикаторный канал вносит значительные искажения в результаты измерения внутрицилиндрового давления, расчета характеристик тепловыделения и в результаты расчета диагностических критериев, определяемых на их основе. Наибольшему искажению подвергается дифференциальная характеристика тепловыделения;

2. В качестве критериев для регулировки ТПА можно рекомендовать:

- угол, при котором выделяется 10% индикаторной теплоты цикла фQJo для

регулировки УОПТ фопт;

- прирост индикаторного тепловыделения ДQi для регулировки объёма

цикловой подачи топлива Ьц;

3. Перед использованием диаграмм внутрицилиндрового давления для определения диагностических критериев необходимо выполнять корректировку положения ВМТ и постоянной составляющей в сигнале давления;

4. Между углом, при котором выделяется 10% теплоты и УОПТ фопт существует связь, выраженная равенством Аф^10 = - Дфопг;

5. Между приведённым приростом индикаторного тепловыделения ДQi и приведённой цикловой подачей топлива Ьц существует прямая зависимость, которая может быть выражена равенством Ьц = А0;

6. Качество смесеобразования оказывает влияние на среднее индикаторное давление рт цикла при нечувствительности прироста индикаторного тепловыделения ДQi к изменению качества смесеобразования;

7. На основе численного исследования различных диагностических критериев предложена методика регулировки ТПА, позволяющая проводить тонкую настройку на двигателе по результатам анализа интегральной характеристики индикаторного тепловыделения, полученной в условиях эксплуатации, с учетом изменяющегося нагрузочного режима дизеля.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПРЕДЛАГАЕМЫХ

РЕШЕНИЙ

4.1. Экспериментальные установки

Экспериментальная проверка решений, предлагаемых в данной работе, выполнялась в лаборатории дизельных двигателей Тихоокеанского государственного университета (г. Хабаровск). Эксперименты проводились на двух установках близких по размерности и быстроходности к двигателям размерности типа Д49: одноцилиндровой исследовательской установке 1ЧН 18/22; испытательном стенде с шестицилиндровым двигателем 6ЧН 16/22,5.

4.1.1. Исследовательская установка 1ЧН 18/22

Исследовательская установка расположена в двух помещениях, одно из них является моторным, другое кабиной управления. В моторном отделении расположен экспериментальный отсек 1ЧН18/22 на общей раме с нагрузочной электрической балансирной машиной постоянного тока ПН-1000, выполняющей роль тормозного устройства, воздушная станция с ресиверами, автономные вспомогательные системы двигателя. Основные характеристики двигателя 1ЧН18/22 приведены в таблице 4.1. Общий вид исследовательской установки показан на рисунке 4.1

Таблица 4.1 - Основные характеристики дизеля 1Ч 18/22

Частота вращения коленчатого вала (максимальная), мин-1 1000

Тактность Четырехтактный

Диаметр цилиндра, мм 180

Ход поршня, мм 220

Степень сжатия 12,7

Окончание таблицы 4.1