CC BY
87
Новая система мониторинга транспортных двигателей внутреннего сгорания
главные задачи, решаемые с помощью системы мониторинга двигателей (СМД) — определение основных параметров рабочего процесса транспортного двигателя внутреннего сгорания непосредственно в эксплуатации, выявление неисправностей в устройствах топливоподачи и газораспределения.
Краткие сведения о существующих системах диагностики ДВС
Сегодня известно, что существуют две основных схемы диагностики рабочего процесса дизеля — стационарные и переносные системы.
Стационарные системы, существующие в настоящее время, спроектированы как единые программно-аппаратные комплексы, базирующиеся на базовых компьютерах промышленного исполнения. Программное обеспечение в таких системах работает в режиме реального времени, что требует определенных навыков испытателей.
Несмотря на очевидное преимущество — получение моментального результата диагностики, системы такого класса имеют ряд хронических недостатков, на которые указывают практически во всех локомотивных депо. Главный недостаток, подтверждаемый всеми, — это наличие большого количества кабельных линий, связывающих компьютер и датчики. Наличие одновременного съема сигналов с многих датчиков, например с 10 одинаковых датчиков цилиндрового давления дизеля типа Д100, требует предварительной дополнительной индивидуальной тарировки самих датчиков. Никто не дает гарантии точной идентичной работы всех датчиков, что автоматически влечет значительные погрешности в сам измерительный процесс.
Кроме того, изначально закладывается высокая стоимость диагностических систем, подразумевающая необходимость установки компьютеров промышленного исполнения по цене в 3-4 раза дороже аналогичных бытовых, равных по производительности. Для любой компании-оператора промыш-
В. Н. БАЛАБИН, канд. техн. наук, доцент МИИТ, В. З. КАКОТКИН, канд. техн. наук, доцент МИИТ, И. И. ЛОБАНОВ, аспирант МИИТ
ленного транспорта это, несомненно, неоправданные затраты.
Одним из аргументов недостаточно широкого использования систем мониторинга ДВС в локомотивном хозяйстве являлась их сложность и высокая
стоимость. Использование систем оперативного мониторинга дизеля тепловоза в межремонтный период в настоящее время не производится из-за, во-первых, отсутствия соответствующих приборов и оборудования, во-вторых, нерентабельности выполнения трудоемких процессов. Обучение работе со стационарными системами требует длительного времени.
Переносные системы мониторинга двигателей, применяемые в настоящее
Рис. 1. Подсоединение датчика давления к индикаторному крану
Crank angle [°]
Рис. 2. Вид индикаторной диаграммы цилиндра дизеля 3А-6Д49
время, базируются на основе notebook с использованием плат АЦП. Эти системы отличаются повышенной надежностью и более короткими кабельными трассами, которые прокладываются только на момент индицирования. Однако наличие дорогих специфических формирователей сигналов и собственно самих notebook как неотъемлемых компонентов систем не позволяют снизить общую стоимость подобной диагностики.
Радикальное решение вопроса стоимости систем мониторинга, их доступности для проведения текущего технического обслуживания в локомотивных депо возможно только с появлением систем так называемого разделенного мониторинга, к которым относится СМД.
Система разделенного мониторинга означает, что сбор и предварительный расчет основных параметров производится на отдельном устройстве (модуль реального времени МРВ), а полный расчет, анализ, печать графиков и таблиц отчета — на любом компьютере, во внешнем программном обеспечении. Из систем полностью исключены кабельные трассы, а программное обеспечение устанавливается на любой ПК пользователя и работает под управлением ОС Windows (98/Me/2000/XP).
Данную систему разработала лаборатория «Мониторинг СДВС», созданная на базе кафедры «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация» Одесского национального морского университета. Система адаптирована для мониторинга рабочего процесса судовых дизелей.
СМД отличается высокой мобильностью; простотой эксплуатации; невысокой стоимостью; широкой областью применения для различных типов и серий транспортных двигателей; ограниченным объемом информации в момент диагностирования; полным расчетом рабочего процесса только на внешнем компьютере; короткой связью переносного прибора и датчиков; автономным питанием на 10 ч непрерывной работы; применением адаптированных программ Windows ПО на CD.
Основной идеей разделенного мониторинга тепловозных дизелей является разбиение системы на два функциональных модуля — реального времени (МРВ) и расчетный (РМ). Модуль МРВ получает данные и производит предварительный расчет параметров в режиме реального времени — аппаратная часть системы.
К исследуемым параметрам прежде всего относятся энергетические факторы, характеристики тепловой и механической напряженности, фазы топливо-подачи и газораспределения, а также общая оценка технического состояния двигателя внутреннего сгорания и остаточный ресурс. Такая подробная информация по каждому цилиндру дает возможность точного контроля мощности дизеля. Именно приборы разделенного сбора и последующей независимой обработки информации позволяют легко производить качественное техническое обслуживание дизеля и не допускать развития дефектов, приводящих к повышенному расходу топлива, а также к авариям.
В системе использован уникальный высокоэффективный алгоритм безфа-зовой синхронизации — определение мертвых точек (ВМТ и НМТ), а также последующая синхронизация полученных данных без использования различных датчиков, устанавливаемых на маховике двигателя. Предлагаемый алгоритм автоматически учитывает влияние скручивания коленчатого вала на многоцилиндровом нагруженном двигателе и также автоматически учитывает влияние несоответствия между истинным положением ВМТ и маркировкой ее на маховике, возникающего вследствие ошибок измерения и маркировки. Кроме того, алгоритм учитывает влияние конечной скорости прохождения волны давления в канале индикаторного крана (от камеры сгорания до мембраны датчика давления).
Параметры рабочего процесса конкретного цилиндра тепловозного дизеля определяются по трем информационным каналам:
• процесс и фазы сгорания топлива;
• процессы и фазы впрыскивания топлива по ТНВД и форсунке;
• фазы газораспределения выпускного и впускного клапанов.
Большим достоинством СМД является то, что определение параметров топ-ливоподачи и газообмена происходит без непосредственного внедрения в топливную систему высокого давления и механизм газораспределения.
Адаптация системы для мониторинга тепловозных ДВС проведена при участии специалистов кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТ.
Проведен ряд успешных испытаний системы разделенного мониторинга в локомотивных депо Лихоборы, Люблино (тепловозы ЧМЭ3 — дизель К6Э-310DR) и Узловая (дизель-поезда Д1 — дизели 12УБЕ 17/24), а также в Ногинском ППЖТ (тепловозы ТГМ6А — дизели 3А-6Д49).
СМД позволяет определить и рассчитать параметры, сведенные в таблице.
Кроме основной группы неисправностей, выявлению и анализу поддаются также следующие неисправности:
• неплотности в плунжерной паре и во впускных клапанах дизеля;
• недостаточный ход иглы форсунки;
• замедленная подача топлива: повреждение всасывающего клапана;
Рис. 3а. Сводная диаграмма всех цилиндров дизеля, снятая на 4 позиции контроллера до регулировки
повреждение форсунки или сопла распылителя; низкое качество топлива (если такие данные по всем цилиндрам);
• повышенный износ прецизионных деталей ТНВД: подтекание нагнетательного клапана ТНВД; чрезмерный износ или повреждение сопла форсунки;
• негерметичность рабочей камеры сжатия: износ или повреждение поршневых колец; подгорание головки цилиндра; неплотность клапанов газораспределения; возможное снижение давления наддува (если такие же данные по всем цилиндрам).
Некоторые результаты испытаний
Общий вид места подсоединения прибора СМД на дизеле Д49 показан на рис.1.
Передача данных между модулями осуществляется по последовательному интерфейсу USB. Позже отчеты и диаграммы следует распечатать на принтере.
В локомотивном депо Санкт-Петербург-Сортировочный-Московский Октябрьской железной дороги специалистами ООО «Диагностические измерительные комплексы на транспорте» («ДИК-Транс»), кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТ и с участием представителей локомотивного депо ТЧ7-Санкт-Петербург-Сор-тировочный проведена работа по оценке эффективности использования системы раздельного мониторинга тепловозных дизелей для оценки технического состояния тепловозных дизелей типа 6ЧН 31/36 и 12ДН 23/30.
В процессе работы были проверены дизели тепловозов ЧМЭ3Т-6461, ЧМЭ3Т-6910, ЧМЭ3Т-6375, М62-1625.
Тепловоз ЧМЭ3Т-6461
Диагностирование производилось на тепловозе, установленном на пункте реостатных испытаний, на режиме 0 позиции контроллера машиниста (ПКМ).
По результатам первичной оценки основных параметров работы дизеля были выявлены недопустимые отклонения показателей рабочего процесса по цилиндрам №№2 и 5 (завышенные значения максимального давления сгорания) и № 4 (заниженное значение показателя). Сводный график представлен на рис.За.
После регулировки выхода реек и угла опережения подачи топлива насосами высокого давления данных цилиндров проведено повторное диагностирование. По его результатам было установлено следующее:
• величина Pz на цилиндре № 2 стала 4,59 МПа, до регулировки составляла 5,33 МПа;
• величина Pz на цилиндре № 5 стала 4,36 МПа, до регулировки составляла 4,79 МПа;
• величина Pz на цилиндре № 4 стала 4,74 МПа, до регулировки составляло 3,67 МПа.
Сводный график представлен на рис.Зб.
Так как фазы газораспределения по запаздыванию закрытия впускных и выпускных клапанов не соответствовали паспортным данным, произвели оперативную регулировку фаз открытия и закрытия клапанов газораспределения цилиндров № 1, 2 и 6. До регулировки значение угла запаздывания закрытия выпускных клапанов цилиндра № 1 составляло 44,0° п.к.в. (при норме 55,0° п.к.в.), а запаздывания закрытия впускных — 34,0° п.к.в. (при норме 35,0° п.к.в.). После проверки и регулировки тепловых зазоров по данным клапанам произвели диагностирование, которое дало следующие результаты:
• значение угла запаздывания закрытия выпускных клапанов цилиндра № 1 составило 52,90° п.к.в. (при норме 55,0° п.к.в.);
• сигнал закрытия выпускных клапанов цилиндра № 2 не был зафиксирован; значение угла запаздывания впускных клапанов составило 35,70° п.к.в.;
• значение угла запаздывания закрытия выпускных клапанов цилиндра №6 составило 52,90° п.к.в., а впускных — 34,40° п.к.в., что соответствует норме.
После проведенных регулировок тепловоз прошел полный комплекс реостатных испытаний, в процессе которых на максимальной позиции контроллера получена нормативная эффективная мощность дизеля. Зафиксирована устойчивая работа дизеля и бесцветный выхлоп.
Тепловоз М62-1625
Диагностирование дизеля тепловоза М62-1625 проводилось на режиме холостого хода (по условиям локомотивного депо).
Рис. 3б. Сводная диаграмма всех цилиндров дизеля, снятая на 4 позиции контроллера после регулировки
ры высокого давления и фаз газораспределения.
Общие выводы
Анализ результатов проведенных испытаний свидетельствует о следующем:
• СМД является эффективным средством оценки технического состояния тепловозных дизелей и позволяет сделать заключение о качестве рабочего процесса в цилиндрах дизеля, выявлять отклонения в работе топливной аппаратуры высокого давления и механизме газораспределения;
• СМД выгодно отличается от других подобных систем диагностирования дизелей оперативностью, надежностью и точностью получения требуемой информации.
Область применения системы достаточно широка. СМД может быть использована для оценки технического состояния дизелей как в процессе эксплуатации, когда требуется оперативно определить причины ухудшения показателей работы тепловоза и дизеля, так и при проведении послеремонт-ной настройки оборудования на реостате.
В ходе испытаний системы было установлено следующее:
• полученные значения давления сжатия на всех цилиндрах находятся в допускаемом диапазоне номинальных значений;
• по показателям максимального давления сгорания на режиме холостого хода зафиксирована неравномерность в 0,55 МПа, что не выходит за пределы допуска (0,784 МПа);
• цилиндры дизеля 1л, 2л, 4л, 5л, 6л, 1пр имеют незначительные отклонения по углу опережения впрыска топлива.
Технико-экономическая эффективность применения СМД
Обусловливается снижением затрат на техническое обслуживание благодаря уменьшению числа разборок и вскрытий дизелей при переходе от планово-технических норм обслуживания и ремонта к обслуживанию и ремонту их по фактическому состоянию; снижением затрат на ремонт за счет выявления потенциальных отказов на ранней стадии их возникновения; сокращением расхода топлива путем своевременного обнаружения разрегулировки топливной аппарату-
Параметры рабочего процесса дизеля, контролируемые СМД
Параметры Базовые Дополнительные
Среднее индикаторное давление, МПа (кгс/см2) +
Цилиндровая индикаторная мощность, кВт +
Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин" +
Максимальное давление сжатия, МПа (кгс/см2) +
Максимальное давление сгорания, МПа (кгс/см2) +
Давление на линии расширения, МПа (кгс/см2) +
Угол, соответствующий максимальному давлению сгорания, градус +
Максимальная скорость нарастания давления при сгорании (жесткость процесса), МПа/град (кгс/см2 градус) +
Степень повышения давления +
Давление начала сгорания, МПа (кгс/см2) +
Угол опережения начала сгорания, градус +
Действительный угол начала подачи топлива, градус +
Угол продолжительности подачи топлива, градус +
Оценка технического состояния форсунки +
Определение фаз газораспределения, градус > выпускного клапана > впускного клапана + +
Оценка технического состояния механизма газораспределения +
Давление в любой точке диаграммы, МПа (кгс/см2) +
Угол и время задержки воспламенения топлива, градус, с +
