Методика защиты диагностической информации топливно-экологического состояния пожарных автомобилей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ПОЖАРНАЯ ТАКТИКА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ТУШЕНИЯ

МЕТОДИКА ЗАЩИТЫ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ТОПЛИВНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

В.Н. Ложкин, доктор технических наук, профессор; Б.В. Гавкалюк, кандидат технических наук; В.А. Морозов.

Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Рассмотрена оригинальная методика защиты информации топливно-экологических свойств пожарных автомобилей путем комплексной оценки точности измерений диагностируемых параметров в условиях эксплуатации.

Ключевые слова: силовая установка, пожарный автомобиль, топливная экономичность, состав отработавших газов, диагностическая информация, точность оценок

METHOD OF PROTECTION OF DIAGNOSTIC INFORMATION OF THE FUEL AND ECOLOGICAL PROPERTIES OF FIRE TRUCKS

V.N. Lozhkin; B.V. Gavkalyk; V.A. Morozov.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The original technique of protection of information of fuel-ecological properties of fire trucks is considered on the basis of an assessment of accuracy of measurements of diagnosed parameters.

Keywords: the engine, the fire truck, the fulfilled gases, fuel- ecological parameters, diagnostic information, measurements

В настоящее время пожарные автомобили (ПА) являются основными техническими средствами ГПС МЧС России. Поддержание ПА в технически исправном состоянии неразрывно связано со своевременностью доставки сил и средств к месту пожара, ведением боевых действий по тушению пожаров, спасением людей и материальных ценностей, расходованием топливно-энергетических ресурсов, загрязнением окружающей среды СО, СН, Шх, БП, РМ.

На кафедре пожарной аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России разработана детерминировано-статистическая методология диагностирования топливно-экологических показателей двигателей ПА с использованием инструментального контроля состава отработавших газов (ОГ) [1, 2]. Оценки производятся по упрощенным (1) и уточненным (2-5) выведенным зависимостям:

в'ц = 1,2

_ 1

Уц —

9'ц = 12 • 10=

_ ... . [100-ОЕ+^ ,1 >

100+^ с.

(2)

где - удельная цикловая подача топлива, мг/цикл-л; =

й017Т

- массовый

расход воздуха; Ьа - теоретически необходимый массовый расход воздуха для сгорания единицы массы топлива; V}, - рабочий объем цилиндра, л; г - число цилиндров; п - частота вращения, мин-1; рокр - плотность окружающего воздуха, кг/м3; - коэффициент наполнения двигателя; т - тактность двигателя; Ов - содержание кислорода в используемом воздухе, % об.; СО2 - содержание в ОГ диоксида углерода при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси и полном сгорании топлива; - термохимический коэффициент; /л - коэффициент, учитывающий элементарный состав водородосодержащего топлива. Для неполного окисления топлива и связывания кислорода азотом:

О2' = О2 - 0.5СО - 2СН + 0.5Ш - 0.187Сог, СО2' = СО2 + СО + СН + 0.187Сог.

0>г —

(3)

(4)

(5)

где Сог - сажесодержание ОГ г/м ; К - показатель дымности ОГ; п - число членов полинома; г - порядковый номер члена; Л; - расчетные значения коэффициента полинома. Для дымомеров типа Наг1пё§е и МБО2:

0>г — 1.'

- 1,97748

1-3

К+ 3,67 243

1-2

где К - коэффициент ослабления светового потока по шкале Наг!пё§е, %. По значениям для топлив конкретного химического состава рассчитываются часовой СгТ и удельный эффективный расход топлива.

С целью защиты качества диагностической информации была применена оригинальная методика оценки значений обобщенных погрешностей по сериям экспериментальных наблюдений, выполненных на двигателях 4Ч 11/12,5 (Д-240) -со свободным впуском и 4ЧН 11/12,5 (Д-24ОТ, Д-245) - с газотурбинным наддувом производства Минского моторного завода [1, 2]. Выбор двигателей данной размерности и уровня форсирования был обусловлен тем, что ими в модификации Д-245 оснащаются ПА на базе шасси ЗиЛ-5301 «Бычок», а также стационарные и передвижные пожарные насосные станции. Для этого теоретические соотношения (1) и (2) для §'ц приводились к форме (6):

^ _ ЦТ т/тСЕСОг

Уц - 1 Зц -

Д. .

р^й-л;-

и

где Кхт ... Кцт - постоянные теоретические коэффициенты, равные:

1,2-10

1 «Ъ^'

1,2-10

2 ¡1

После проведения эксперимента, на основании полученных данных могут быть определены эмпирические значения соответствующих коэффициентов (К^ ... К^) по результатам аппроксимации функций:

9и =

9ц ~ К1-

т п

3 {ып-Ов+р > ,

9*

, _ сЕсо2 9ц- „

+ 1

К

(7)

Зная численные значения соответствующих теоретических и экспериментальных коэффициентов можно оценить обобщенную погрешность расчетов удельной цикловой подачи топлива по выражению:

^ОТН I

-к;

100%.

(8)

На рис. 1 в качестве примера приведены теоретические и экспериментальные

функции зависимости величины §'ц от комплексов

СеС02

и

при расчетах

по формулам без корректировки объема ОГ (1), полученные непосредственным графическим построением. По графикам могут быть оценены в первом приближении значения теоретических и экспериментальных коэффициентов. Для более точной оценки обобщенных методических погрешностей диагностики топливных показателей по составу ОГ, аппроксимацию предлагается производить численным методом на персональной ЭВМ по соответствующей программе метода наименьших квадратов (МНК).

Математическая обработка данных эксперимента, полученных по нагрузочным и скоростным характеристикам работы двигателей [1, 2], показала, что в выражениях аппроксимации экспериментальных функций (7) появились свободные члены (табл. 1). Это обстоятельство потребовало преобразования выражения (8) для вычисления обобщенной погрешности. При учете в (8) наличия свободных членов в качестве абсолютной меры отклонения двух непрерывных функций (и g), заданных на промежутке [с, была взята функция (9).

9ц> мг цикп-л

60

50

40

30

20

10

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Ов (21-02)

п

Рис. 1. Теоретические и экспериментальные функции зависимости величины g'ц от комплексов [Св(21-О2)/п] и [СвСО2/п]

Нагрузочные характеристики: хх - п = 1700 мин

-1

• • - п = 2200 мин

Скоростные характеристики:

°° - 80% нагрузки - 100% нагрузки

■'АБС

Д-240

□ □ - п = 1700 мин-1 ■ ■ - п = 2200 мин-1

ДД - 80% нагрузки Д-240 ▲▲ - 100% нагрузки

1

12 л^Ь

}

Д-240Т

}

Д-240Т

(9)

относительной - (10).

отн'

2<Ьс

либо

(10)

Таблица 1. Теоретические и экспериментальные зависимости g'ц от состава ОГ

Расчет по зависимостям Теоретическая функция Экспериментальная функция

Без корректировки объема ОГ (1) = ез^зох! У% = 114,131X2 У^ = 38,638 + ОД 73 У| = 120 Д58Х2 + 0,636

Уточненным с корректировкой объема ОГ (2) У] = 2600 7Х3 У4 = 2бО07Х4 У| = 26793Ха - 0,267 У? = 26987Х4 - 0,037

Уточненным с корректировкой объема ОГ (2) и с учетом (3-5) У1 = 26087Х& У^ = 26087Х6 У| = 2645ЗХ& + 0,009 У1 = 26163Х6 + 0,374

где: Хг = ; X2 = ; я п ^в . £г3 ■ . „ +1 " 1 +1 Г" Л +1 Л [ +1 "

В случае если / и g близки по значениям на заданном промежутке, то последние выражения будут мало отличаться друг от друга. В реальности функции имели вид:

[ = (Ц*; д = а2х + Ь2\

где а2 = и а2 = к^.

Тогда

= -Ьо

и

= 2

(11)

Подставляя в выражение (11) значения соответствующих параметров теоретических и экспериментальных функций, были рассчитаны значения обобщенных погрешностей (табл. 2). Полученные путем аппроксимации экспериментальных данных выражения (7) с уточненными эмпирическими коэффициентами (11) могут быть использованы на практике для определения топливных показателей двигателей ПА испытанных марок по составу ОГ.

Средние значения отклонений расчетных результатов, полученные по данным непосредственных массовых измерений расхода топлива, приведены на сравнительной диаграмме рис. 2, 3.

Таблица 2. Значения погрешностей расчета g'ц по составу ОГ, полученные по отклонению теоретических и экспериментальных функций

Расчетные зависимости Относительная погрешность, 5отн, %

расчет по О2 расчет по СО2

Без корректировки объема ОГ (1) 5,83 6,47

С корректировкой объема ОГ (2) 2,14 3,45

С корректировкой объема ОГ (2) и с учетом (3-5) 1,41 1,11

Рис. 2. Диаграмма средних отклонений (8отн.ср) значений g'ц, рассчитанных по составу ОГ, от значений, полученных по результатам непосредственных измерений

(1 - по зависимостям без корректировки объема ОГ; 2 - по зависимостям с корректировкой объема ОГ без учета неполноты сгорания; 3 - по зависимостям с корректировкой объема ОГ

и с учетом неполноты сгорания)

\\ 02) /

ч 1- 5 отн ( / / С02)

<<

2 2 5 ,1 3 1 1

18

14

10

С02, % об. 02, % об.

0,075

0,35

0,55

0,75 ре, МПа

Рис. 3. Зависимости изменения относительной погрешности расчета g'ц от нагрузки дизеля

по зависимостям с корректировкой объема ОГ

(1 - без учета неполноты сгорания; 2 - с учетом неполноты сгорания. Дизель 4411/12,5)

При анализе погрешностей расчета величины §'ц по отдельным видам выведенных зависимостей можно заключить следующие выводы.

При расчете по упрощенным зависимостям (1) погрешности достигают максимальных значений, что объясняется не учетом влияния водорода топлива на изменение объема ОГ и полным сгорании топлива.

Использование уточненных зависимостей с корректировкой объема ОГ (2) повышает точность расчетов §ц вдвое. Снижение погрешности расчетов по сравнению с зависимостями без корректировки объема ОГ наблюдается практически на всех экспериментальных режимах. При практически полном сгорании топлива эти зависимости могут обеспечить приемлемую для практических целей точность расчетов.

Применение уточненных зависимостей с корректировкой объема ОГ и с учетом неполноты сгорания (3-5) дает некоторое дальнейшее увеличение точности расчетов.

В области малых нагрузок дизеля, более точные результаты могут быть получены при расчетах топливных показателей по содержанию О2 в ОГ, а в области нагрузок, близких к максимальным, - по содержанию СО2.

Таким образом, соответствующая математическая обработка обширного массива экспериментальных данных позволила свести к минимуму случайные погрешности измерений и, таким образом, оценить предельные возможности инструментальной диагностики топливных показателей по составу ОГ по разработанным детерминированным термохимическим зависимостям. Этим достигается защита качества получаемой диагностической информации.

Литература

1. Ложкин В.Н., Лакеев Д.А., Ложкина О.В. Техническая диагностика пожарных автомобилей по составу отработавших газов // Проблемы управления рисками в техносфере. 2012. № 2 (22). С. 51-60.

2. Лакеев Д. А. Техническое диагностирование двигателей пожарных автомобилей с использованием анализа продуктов горения топлива / Вопросы охраны атмосферы от загрязнения: информ. бюл. СПб., 2012. № 1-2 (45-46). С. 152-164.