CC BY
321
11. Сушков В. В., Велиев М. К., Гладких Т. Д., Мальгин Г. В. Экономия электроэнергии и снижение потерь в электротехнических комплексах нефтегазодобычи: моногр. Нижневартовск: Изд-во Нижневартовского гос. ун-та. 2015. 219 с.
БУБНОВ Алексей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрическая техника» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). Адрес для переписки: bubnov-av@bk.ru
МАЛЬГИН Геннадий Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Энергетика» Нижневартовского государственного университета. Адрес для переписки: mag_@list.ru РОВКИН Вячеслав Дмитриевич, аспирант кафедры «Электрическая техника» ОмГТУ. Адрес для переписки: rovkin.vd@gmail.cоm
Статья поступила в редакцию 02.02.2017 г. © А. В. Бубнов, Г. В. Мальгин, В. Д. Ровкин
УДК 629.436
В. Р. ВЕДРУЧЕНКО В. В. КРАЙНОВ Е. С. ЛАЗАРЕВ П. В. ЛИТВИНОВ
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
ИНДИЦИРОВАНИЕ КАК МЕТОД РЕГУЛИРОВАНИЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ_
Сформированы требования к индикаторной диаграмме дизеля как к основному экспериментальному материалу при испытаниях и исследованиях двигателя на разных по свойствам топливах. Приведена классификация индикаторов и рекомендации по их выбору для конкретных условий испытания дизеля. Рассмотрены различные конфигурации индикаторных диаграмм рабочего процесса двигателя и их связь с особенностями регулировки параметров рабочего процесса, необходимых при переводе дизеля на другие сорта и марки топлива. Проанализированы современные измерительные комплексы для диагностирования и визуального наблюдения за развитием рабочего процесса дизельного двигателя.
Ключевые слова: индикаторная диаграмма, альтернативное топливо, давление газов в цилиндре, угол опережения впрыска топлива.
Введение. Рабочий процесс, протекающий в цилиндрах дизеля, определяет основные показатели двигателя — мощность, удельный расход топлива, максимальные нагрузки в деталях и температурное состояние деталей цилиндропоршневой группы [1 — 5]. Главные задачи при исследовании рабочего процесса состоят в установлении зависимостей основных его показателей от различных конструктивных параметров, при которых достигаются наилучшие показатели рабочего процесса [1, 2, 4, 5].
Основным экспериментальным материалом, служащим для оценки совершенства рабочего процесса, протекающего в цилиндре дизеля, является индикаторная диаграмма процесса и часовой расход топлива [3, 5]. Из индикаторной диаграммы можно получить при соответствующей обработке большинство параметров, характеризующих рабо-
чий процесс, — среднее индикаторное давление Р, давление сжатия Р , максимальное давление сгорания Ршах, скорость нарастания КрКе, характеристики тепловыделения . к цилиндре дизеля (закон вы-горанея топлива хо = /(е), скоростьтепловыделения Кх1!Ке = /(е), продолжительность сгорания ц), температуру газа в цилиндре в любой момент времени и многие другие параметры. По часовому расходу топлива определяют средний индикаторный и средний эффективный (при известной эффективной мощности дизеля) расход топлива [3 — 5].
Таким образом, для оценки качества рабочего процесса дизеля основными параметрами, подлежащими измерению, являются эффективная мощность (крутящий момент и частота вращения коленчатого вала), часовой расход топлива и индикаторная диаграмма [1, 2, 4, 5].
Индикаторная диаграмма давления в цилиндре двигателя является наиболее существенной частью экспериментального материала, используемого при исследовании рабочего процесса [1—3, 5]. В зависимости от целей и задач исследования к индикаторам давлений предъявляют различные требования, которым полностью не удовлетворяет ни один из существующих индикаторов [1, 2, 5].
Выбор типа индикатора. Все существующие типы индикаторов классифицируются по виду записываемых диаграмм и по принципу работы [1, 2]. В зависимости от вида записываемой диаграммы различают индикаторы, записывающие изменение давления в зависимости от перемещения поршня (свёрнутые диаграммы), и изменение давления в зависимости от времени или угла поворота коленчатого вала (развёрнутые диаграммы). Первый вид наиболее удобен в эксплуатационных условиях для быстрого определения величины среднего индикаторного давления. Второй вид необходим при исследовании динамики тепловыделения, процесса газообмена и для решения других задач [4]. Свёрнутые индикаторные диаграммы имеют погрешности, связанные с работой привода [1, 5].
По принципу работы индикаторы делят на механические, электрические (электронные) и стробоскопические [1, 2].
Современная практика ориентируется на применение электронных индикаторов, обладающих практически неограниченными возможностями по частоте (до 2000 об/мин), и погрешность используемых датчиков не превышает 0,2 % [1, 2].
Например, в комплект индикатора фирмы «Аутроник» входят [1, 4]:
— персональный компьютер с программным обеспечением по обработке индикаторных диаграмм и принтером;
— переносные или стационарно устанавливаемые тензодатчики давления газов с пределами измерения до 10... 15 или 20 МПа и точностью 1 %; допустимая температура 300 °С. В последней модификации прибора фирма перешла на пьезокварце-вые датчики фирмы «Кистлер», допускающие температуры до 400 °С;
— переносной тензодатчик измерения давления топлива с пределами измерения 0—100 или 200 МПа и точностью 1 %. Допустимая температура 150 °С;
— тензодатчик давления наддувочного воздуха;
— индуктивный датчик для точного определения положения рабочего поршня и скорости вращения коленчатого вала.
Результат измерений в виде кривых давлений и цифровых значений измеренных параметров выводятся на цветной дисплей и печатающее устройство. Встроенный в систему микропроцессор позволяет сохранять в памяти данные измерений, а также сопоставлять новые данные с прежними или эталонными.
Результаты индицирования и их анализ. На рис. 1 приведена типовая индикаторная диаграмма дизельного двигателя фирмы «Бурмейстер и Вайн» [1], снятая при отлаженной топливной аппаратуре, исправных индикаторе и его приводе.
Заметим, что нормальному состоянию привода индикатора должно соответствовать совпадение линий сжатия (2) и расширения (7) диаграммы. На практике часто на одной ленте индикаторной бумаги часто снимают и свёрнутую (6) и развёрнутую (8) диаграммы, что позволяет учитывать характер протекания рабочего процесса дизеля вблизи ВМТ.
Рис. 1 Типовая индикаторная диаграмма дизеля:
1 — атмосферная линия; 2 — линия сжатия; 3 — индикаторная бумага; 4 — воспламенение; 5 — сгорание; 6 — нормальная индикаторная диаграмма; 7 — линия расширения; 8 — развернутая индикаторная диаграмма; ! — длина индикаторной диаграммы; ВМТ — верхняя мертвая точка; НМТ — нижняя мертвая точка; P — давление сжатия;
Рис. 2. Индикаторная диаграмма при позднем впрыске топлива в цилиндр ^ — в норме; Pmax — низкое): 1 — свернутая; 2 — развернутая
На рис. 2 показана индикаторная диаграмма дизеля, снятая при слишком позднем впрыске топлива в цилиндр. При этом давление сжатия (Pc) в норме, а максимальное давление сгорания (Pmax) низкое. Это может случиться из-за следующих дефектов: неисправности форсунок, низкого давления впрыска топлива или низкого качества самого топлива, малого опережения угла впрыска топлива. Одновременно снижается давление Pmax, растёт температура выпускных газов t.
При слишком раннем впрыске топлива (рис. 3) P повышается сверх нормы при удовлетворительном значении P . Для нормализации рабочего процесса необходимо уменьшить угол опережения впрыска топлива, а при увеличении нагрузки проверяют Pmax, чтобы оно не превышало допустимое значение для данного типа дизеля.
Если P и P (рис. 4) ниже нормы, то возмож-
c max v± ' ^
ны следующие причины этого: прорыв газов через поршневые кольца, неплотность седла выпускного клапана, низкое давление надувочного воздуха и др. При этом значение характеризует экономичность протекания рабочего процесса и уровень механической напряжённости, а отклонение от среднего значения должно быть в пределах ±2,5 % от среднего. Уменьшение значения Pc свидетельствует о падении
Pmax — максимальное давление сжатия
Рис. 3. Индикаторная диаграмма при раннем впрыске топлива в цилиндр № — выше нормы, Pc — удовлетворительное): 1 — свернутая; 2 — развернутая
Рис. 4. Индикаторная диаграмма при значениях Pmax и Pc ниже нормы: 1 — свернутая; 2 — развернутая
давления наддува, потере плотности клапанов и износе деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Регулирование Ршах достигается путём изменения угла опережения впрыска топлива.
Регулировки при использовании альтернативных видов топлива. Наряду с использованием традиционных углеводородных топлив в судовых, стационарных и транспортных дизелях возможно применение искусственных или синтетических топлив ненефтяного происхождения (альтернативных) как в чистом виде, так и в качестве добавок к углеводородным моторным топливам (нефтяного происхождения) [4, 6, 7].
По прогнозам фирмы Даймлер-Бенц (ФРГ) в будущем наиболее вероятно использование следующих альтернативных топлив для дизелей: дизельное топливо из угля, растительные масла и их производные эфиры, спирты и их производные. В ряде стран предполагается использование в качестве сырья для топлива битумиозных песков и сланцев [2, 7].
Свойства искусственных жидких топлив (ИЖТ) изменяются в ещё более широком диапазоне, чем у выпускаемых ныне, и перспективных нефтяных топлив. Это выражается, прежде всего, в снижении цетанового числа (ЦЧ), повышении температур помутнения и застывания (отказы в работе при низких температурах окружающего воздуха), в увеличении содержания серы и образовании ок-
Рис. 5. Осциллограммы подачи топлива в дизеле при регулировках давления затяга пружины форсунки: а — затяг пружины форсунки ослаблен; б — затяг пружины форсунки чрезмерный
сида серы и кислот, увеличении воды и примесей и др. Так, топлива из угля содержат около 9,5—11 %, а из сланцев 10,5—12 % водорода, углерода — 80 — 89 %. В этих топливах (без специальной очистки) может быть повышенное содержание серы, азота, кислородсодержащих соединений.
В ряде стран, например в Японии, переход на газовое топливо рассматривается как радикальная мера снижения вредных выбросов автомобилей.
Однако топлива разных сортов и марок, в том числе альтернативные, обладают разными значениями вязкости, плотности, сжимаемости, фракционным составом, составом горючих элементов и т.д. Поэтому характер индикаторной диаграммы будет различным в связи с различной скоростью сгорания и тепловыделения, что проявляется в величине периода задержки воспламенения (ПЗВ). Величина ПЗВ предопределяет индикаторные показатели двигателя и конфигурацию индикаторной диаграммы [4].
Наиболее доступными мероприятиями по регулировкам двигателя при этом является изменение угла опережения впрыска топлива и изменение величины усилия затяга пружины форсунки [8].
Результаты названных технических мероприятий (регулировок) отображаются индикаторной диаграммой двигателя при сравнении с её эталонной конфигурацией на стандартном дизельном топливе [8].
Анализ процесса впрыска по осциллограммам.
На рис. 5 приведены осциллограммы подачи топлива в цилиндр дизеля при разных значениях усилия затяга пружины форсунки [4].
Анализ опыта эксплуатации дизелей и выполненные исследования с индицированием и осцил-лографированием показывают, что физическая сущность топливоподачи в дизелях в целом проявляется в регулировочных и рабочих характеристиках топливной аппаратуры [1, 2, 4]. Поэтому, когда практика эксплуатации ставит инженера-механика перед необходимостью анализа причин изменения
Рис. 6. Определение среднего индикаторного давления графическим способом на свернутой индикаторной диаграмме: Pi — среднее индикаторное давление; V — рабочий объем цилиндра; V — объем камеры сжатия; а, ь, с, у, z — характерные точки цикла дизеля
энергетических и экономических показателей работы дизеля или надёжности элементов деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), при условии стабильности воздухоснабжения цилиндров причину следует искать прежде всего в нарушении регулировочных или рабочих параметров топливной аппаратуры [4].
Правила технической эксплуатации регламентируют уровни допустимых отклонений параметров от их среднего (по цилиндрам) значения [1, 4].
Из кривых на рис. 5а видно, что открытие иглы форсунки происходит раньше эталона при более низком давлении, что свидетельствует об ослаблении затяга пружины иглы форсунки при её поломке.
Из кривых на рис. 5б видно, что давление открытия иглы выше нормального, и поэтому игла открывается позже. Из этого следует, что позже начинается и начало подачи топлива. Причина — затяг пружины иглы форсунки превышает нормальную величину, принятую установленными правилами эксплуатации дизелей данного типа [5].
Как уже было определено выше, результаты ин-дицирования позволяют получить непосредственно на экране осциллографа как развёрнутую, так и свёрнутую индикаторные диаграммы (рис. 1). Последняя используется обычно для определения значения среднего индикаторного давления Р. [7]. На практике для удобства ведения расчётов и сравнения разных двигателей переменные по ходу поршня давления можно заменить постоянным (фиктивным) давлением, обеспечивающим получение той же работы, что и цикл с переменным давлением. Данное давление называется средним индикаторным давлением Р.. Графически среднее индикаторное давление (рис. 6) представляет собой высоту прямоугольника, площадь которого равна площади индикаторной диаграммы, а основание — длине диаграммы [7].
Выбор технических средств индицирования дизеля. Для наблюдения и регистрации мгновенных значений электрических сигналов, пропорциональных быстро изменяющимся давлениям в рабочих
цилиндрах дизелеи, в настоящее время используются электрические индикаторы в составе электрических комплексов [1, 2].
Так, фирма «Аутроник» выпускает комплексы НК-5 [1, 4]. С помощью этого комплекса можно получить наиболее полную информацию о протекании рабочего процесса во всех цилиндрах двигателя и распознать возникающие в нём нарушения, в том числе и в работе топливной аппаратуры. С этой целью предусмотрен датчик высокого давления, устанавливаемый на топливопроводе высокого давления у форсунки. Кроме того, для данных целей предусмотрены следующие датчики: давления наддува, ВМТ, угла поворота вала, а также давления газов в цилиндре.
Измерительная система Diesel Master 1000 [1] предназначена для непрерывного контроля нагрузки дизеля и параметрической диагностики рабочего процесса в его цилиндрах. Система предназначена для использования на дизелях при частотах вращения от 30 до 3000 мин-1.
В состав системы входят:
— персональный компьютер ДМ1000-РС, рабочее место оператора;
— блок аппаратного интерфейса;
— датчики частоты вращения, давления газа, впрыска топлива и положения рейки топливного насоса.
На рис. 7 приведена схема комплекса «Дизель-Адмирал», разработанного отечественными специалистами [1]. Комплекс создан на базе разработанных уникальных высокотемпературных не-охлаждаемых датчиков давления газа и специального программного обеспечения, использующего современные компьютеры типа Workstation.
Специализированный комплекс «Дизель-Адмирал» предназначен для контроля рабочего процесса, измерения, обработки и протоколирования теплотехнических параметров дизеля.
Разработанные датчики и комплексы контроля широко используются на судах и кораблях, на железнодорожном и автомобильном транспорте. Датчиками и комплексами серии «Дизель-Адмирал»
Датчик угла поворота коленчатого вала Рис. 7. Схема комплекса теплотехнического контроля «Дизель-Адмирал»
оснащены дизельные стенды научных, учебных, производственных и ремонтных предприятий [1].
Наиболее простым вариантом таких систем являются переносные электронные индикаторы, включающие пьезокварцевый датчик давления, датчик частоты вращения и ВМТ и переносной электронный регистрирующий блок [4]. После завершения индицирования всех цилиндров двигателя информация переписывается в обычный персональный компьютер, в котором обрабатывается по специальной программе. Преимуществом электронных индикаторов является возможность индицировать любые двигатели, отсутствие ручной обработки диаграмм и удобство хранения и передачи информации.
Заметим, что в наших исследованиях по инди-цированию дизелей разной размерности [8] был создан измерительный комплекс, включающий в себя двухлучевой электронный низкочастотный осциллограф С1-19, тензометрическая станция типа УНТС-12, комплект тензометрических датчиков давления типа ДДТ-100, другие устройства и приборы. Названные элементы, как правило, составляют основу современных измерительных комплексов для индицирования дизелей.
Выводы.
1. Индикаторная диаграмма является основным экспериментальным материалом для оценки качества рабочего процесса дизельного двигателя.
2. Достоверность параметров рабочего процесса двигателя, полученных с помощью индикаторной диаграммы, определяется выбором типа сертифицированных индикатора и датчиков давления и тарировкой всей измерительной системы.
3. При переводе дизеля на работу с использованием альтернативных видов топлива индициро-вание является наиболее эффективным приёмом диагностирования и регулирования параметров рабочего процесса для приближения их значений к таковым при работе на стандартном дизельном топливе.
4. Наиболее информативными методами ин-дицирования двигателей является использование унифицированных диагностических комплексов на базе современных ПЭВМ.
Библиографический список
1. Пахомов Ю. А. Основы научных исследований и испытаний тепловых двигателей. М.: Транслит, 2014. 432 с.
2. Прокопенко Н. И. Экспериментальные исследования двигателей внутреннего сгорания. Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Лань. 2010. 592 с. ISBN 978-5-8114-1047-7.
3. Стефановский Б. С., Скобцов Е. А., Корсин Е. К. [и др.]. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972. 368 с.
4. Возницкий И. В., Пунда А. С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М.: Моркнига, 2010. 382 с.
5. Райков И. Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1975. 320 с.
6. Епифанов, В. С. Применение природного газа в судовых энергетических установках // Речной транспорт. 2008. № 4. С. 77-84.
7. Фомин Ю. Я. [и др.]. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1989. 344 с.
8. Ведрученко В. Р. Методика индицирования среднеоборотного судового дизеля // Передовой опыт и новая техника: сб. ЦБНТИ МРФ / Центральное бюро научно-технической информации Минречфлота. М., 1981. Вып. 4. С. 37-42.
ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: vedruchenkovr@mail.ru КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: KrainovVV@omgups.ru ЛАЗАРЕВ Евгений Сергеевич, преподаватель, инженер кафедры «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: Incoe@yandex.ru ЛИТВИНОВ Павел Васильевич, аспирант кафедры «Теплоэнергетика».
Адрес для переписки: p_vasilich55@mail.ru
Статья поступила в редакцию 01.03.2017 г. © В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Е. С. Лазарев, П. В. Литвинов
