Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 11
1.1. Состав ОГ дизелей транспортных средств, их влияние на окружающую среду и человека 11
1.2. Требования к вредным выбросам транспортных средств и техническим нормативам экологической безопасности 17
1.3. Инструментальные методы диагностирования топливоподачи дизелей и возможности использования информации о составе ОГ с целью контроля параметров смесеобразования 28
1.4. Обобщение анализа состояния проблемы. Цель и задачи исследования 44
2. Программа и общая методика диссертационного исследования 46
3. Исследование эколого-технических показателей дизельных двигателей в условиях эксплуатации 53
3.1. Исследование влияния наработки двигателя и ТА в пределах ресурса до капитального ремонта на технико-экономические показатели и дымность ОГ дизелей 53
4. Экспериментальная оценка влияния регулировочных параметров ТА на эколого-технические показатели дизеля 64
4.1. Постановка экспериментов, объекты испытаний и экспериментальное оборудование 64
4.2. Влияние параметров топливной аппаратуры на показатели работы топливного насоса высокого давления 69
4.3. Влияние основных регулировочных параметров топливной аппаратуры на мощностные, экономические и экологические показатели 75
5. Методика безразборной диагностики дизельных двигателей транспортных средств по экологическим и топливно-экономическим показателям 83
5.1. Разработка расчетных моделей оценки топливных показателей на основе баланса состава ОГ 83
5.2. Экспериментальная проверка адекватности метода диагностирования по данным моторных испытаний дизелей 89
5.3. Обоснование области применимости разработанной методики безразборной диагностики параметров двигателя и ТА по составу ОГ в условиях эксплуатации 99
Общие выводы 106
Заключение 107
Список использованной литературы
- Требования к вредным выбросам транспортных средств и техническим нормативам экологической безопасности
- Влияние параметров топливной аппаратуры на показатели работы топливного насоса высокого давления
- Влияние основных регулировочных параметров топливной аппаратуры на мощностные, экономические и экологические показатели
- Экспериментальная проверка адекватности метода диагностирования по данным моторных испытаний дизелей
Введение к работе
В Российской Федерации к 1 июля 2005 года ожидается завершение перевода государственной системы контроля технического состояния АТС на инструментальные методы оценки технических нормативов безопасной эксплуатации автомобилей (ГОСТ Р 51709-2001. Автотранспортные средства. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ К ТЕХНИЧЕСКОМУ СОСТОЯНИЮ И МЕТОДЫ ПРОВЕРКИ).
Одной из организационно-технических составляющих данного рефор-мационного процесса в сфере технического осмотра АТС является внедрение автоматизированных информационных систем (АИС) в городских системах станций (пунктов) технического осмотра автотранспортных средств. Первая в РФ АИС действует на базе научно-образовательного центра по безопасности дорожного движения при АДИ Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.
В состав регулярно обновляемой информации по техническим нормативам безопасности АТС в условиях их реальной эксплуатации согласно с выше отмеченным ГОСТ Р 51709-2001 входят данные о дымности отработавших газов в режиме свободного ускорения (СУ) работы дизельного двигателя (ГОСТ Р 52160-2003. НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. АВТОТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА, ОСНАЩЕННЫЕ ДВИГАТЕЛЯМИ С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния).
Следует отметить, что данные меры явились, по сути, развитием уникальной для мировой практики системы инструментального контроля экологических показателей АТС в условиях эксплуатации в РФ, которая на государственном уровне была организована для автомобилей с дизельными двигателями начиная с 1 января 1977 года (ГОСТ 21393-75. АВТОМОБИЛИ С
6 ДИЗЕЛЯМИ. ДЫМНОСТЬ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ. Нормы и методы измерений. Требования безопасности).
Развитие этих мер на современном этапе обусловлено тем, что транспортные средства с поршневыми ДВС, являясь важнейшей составной частью современной энергетики [8, 16, 18, 19, 50], стали потреблять основную массу производимых в мире горюче-смазочных материалов — продуктов нефтепереработки [62, 97, 13] и отработавшими газами наносить значительный урон окружающей среде и здоровью человека [41, 81, 88, 90, 101, 104, ПО].
Увеличение производства дизелей, их преимущественное применение на пассажирском и грузовом транспорте, на объектах строительной, дорожной и сельскохозяйственной техники [46, 56, 68, 78, 79] делают эти двигатели основным, а иногда и единственным источником загрязнения воздуха высоко токсичными и канцерогенными вредными веществами в густонаселённых районах [9, 10, П, 12,14,15].
Так суммарная установленная мощность только автомобильных ДВС, находящихся в эксплуатации в странах СНГ, оценивается величиной 1,3...1,6 млрд. кВт [6]; при этом они выделяют в атмосферу около 29,4 млн. т в год окиси углерода СО (что составляет, примерно, 68% валового выброса СО); 2,0 млн. т окислов азота NOx (31%); 6,0 млн. т углеводородов СН (42%) [7, 17]. Есть данные [8] о том, что в общем загрязнении атмосферы планеты ДВС всех типов вносят: 93% - по выбросам СО, более 65% - по выбросам СН, 50% - по выбросам NOx и до 30% - по выбросам сажи.
Актуальность внедрения инструментального контроля экологических показателей АТС и их развития в указанных направлениях обусловлена Конституцией и законами РФ [2, 3, 5]. Эти требования гарантируются правом каждого «на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о её состоянии», на удовлетворительные санитарно-гигиенические условия труда, которые отражены в Главе 2, статьи 42 и 373 Конституции России [1].
В связи с отмеченными факторами анализируемая задача современной и перспективной организации контроля технических и экологических нормативов безопасности АТС выходит за рамки технического и информационного обеспечения их безопасной эксплуатации по действующим стандартам. Чрезвычайно актуален сегодня анализ эффективности методов контроля с позиций, во-первых, негативного воздействия АТС на окружающую среду и человека [45,46, 47, 48, 76, 80] и, во-вторых, - возможности экспресс-контроля потребляемого ими углеводородного топлива [86, 94, 95, 96]. То есть, - разработка на базе действующих методов и процедур контроля технического состояния дизельных двигателей АТС новых методик технического диагностирования по составу ОГ.
Для решения этой задачи в ее экологической части становится актуальным обратить особое внимание на наиболее опасные, с учетом индекса токсичности [8, 12, 39, 42, 43], вещества: полидисперсные частицы, в частности, - дизельной сажи [ПО], определяющей показатель дымности ОГ, углеводороды, угарный газ (монооксид углерода) и окислы азота [43, 44, 103,109].
Сажа ограничивает видимость водителей, обладает способностью удерживаться в атмосфере несколько суток [59, 71, 73, 85, 89] и выполняет транспортную функцию [85, 93], адсорбируя на своей поверхности полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) мутагенного, и алергенного действия [49]. Сравнительно недавно было установлено [5, 102], что сажа значительно активизирует канцерогенную активность ПАУ, в частности, сильнейшего из них - БП (С20Н12).
Контроль технического состояния АТС по показателям токсичности, дымности ОГ и расхода топлива, не смотря на вышеотмеченную актуальность, не является самоцелью при решении проблемы негативного воздействия АТС на окружающую среду и человека. Более актуальна разработка методических инструментов определения с их помощью (идентификации) не-
исправностей, то есть, разработка алгоритмов инструментального диагностирования ДВС - распознавания неисправностей.
При этом следует иметь в виду, что тенденции изменения дымности и токсичности ОГ дизелей могут не совпадать с показателями топливной экономичности [51 - 53, 69], что обусловлено различием в механизмах образования продуктов неполного сгорания топлива (и связанной с этим топливной экономичности) с одной стороны и высокотемпературных окислительных механизмов формирования окислов азота, - с другой [17,18, 19,20, 67, 87,].
Успешное решение этой сложной, не имеющей однозначного ответа комплексной задачи [107, 108], возможно лишь на основе проведения углубленных теоретических и много факторных экспериментальных исследований связи выбросов сажи, БП, и других вредных веществ с техническими параметрами, в частности, - регулировками АТС, при использовании современных инструментальных средств контроля [29-31, 70].
Среди эксплуатационных свойств технических систем дизелей, имеющих непосредственную связь с диагностируемыми показателями мощности, топливной экономичности и состава ОГ, целесообразно выделить техническое состояние ТА, ЦПГ, систем воздухоснабжения, газораспределения [27, 28, 83]. Наибольшее влияние на экономичность и состав ОГ оказывает техническое состояние ТА [21 - 26, 54, 58, 60, 77]. Исследованиями установлено, что до 75% эксплуатационных отказов дизелей приходится на ТА; причём около 50% отказов в работе ТА обусловлено отклонениями её регулировочных параметров в процессе эксплуатации от номинальных значений [23 - 28, 39,44, 55].
Разработке методического решения рассмотренных вопросов и была посвящена настоящая работа. Диссертация нацелена на совершенствование методов инструментального контроля технического состояния дизельных двигателей путем разработки и применения диагностирования технического состояния ДВС и ТА с использованием анализа состава ОГ.
Научная новизна работы определяется
- полученными закономерностями связи технического состояния дизе
лей с дымностью и составом отработавших газов в условиях реальной экс
плуатации транспортных средств;
- теоретически обоснованной методикой экспресс-контроля расхода
топлива по анализу состава ОГ и
- предложениями по дальнейшему развитию методики с целью опреде
ления конкретных неисправностей ДВС.
Внедрение в эксплуатацию результатов исследования позволит повысить эффективность государственного технического осмотра АТС, полнее использовать межремонтный ресурс, производить обслуживание машин и их составных частей по фактическому состоянию и сократить затраты времени, труда и материальных средств на выполнение профилактических работ.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Организация перевозок и управления безопасностью автомобильного транспорта» (ОПУБАТ) Автомобильно-дорожного института Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (АДИ СПбГАСУ). Часть экспериментальных исследований была проведена автором в разное время в ОАО «ЦНИТА» и на предприятиях эксплуатирующих автотракторную технику.
Результаты выполненного исследования нашли применение в Государственном учреждении здравоохранения «Санитарный транспорт» Комитета по здравоохранению Правительства Санкт-Петербурга, в учебном процессе и научно-исследовательской деятельности АДИ при СПбГАСУ. Полученные результаты могут быть использованы на предприятиях дизелестроения, при эксплуатации дизельных установок различного типа и предназначения, а также разработчиками диагностического оборудования.
По результатам диссертационного исследования на защиту выносятся следующие положения:
Закономерности связи наработки дизелей транспортных средств с расходом топлива, дымностью и составом отработавших газов в условиях реальной эксплуатации.
Методика технического диагностирования топливных показателей дизельных транспортных средств в условиях эксплуатации с использованием анализа состава ОГ.
Рекомендации по расширению применимости разработанной методики с целью определения конкретных неисправностей ДВС транспортных средств по составу ОГ.
Требования к вредным выбросам транспортных средств и техническим нормативам экологической безопасности
Современные тенденции развития автомобильной промышленности, членство России во многих международных соглашениях (Женевское соглашение 1958 года по сертификации транспортных средств, Венская конвенция 1968 года по дорожному движению и др.), а также активное сближение в последнее время с Евросоюзом и Всемирной торговой организацией обязывают к применению соответствующих международных требований по экологической безопасности транспортных средств [84, 105]. Национальная политика в области стандартов ориентирована на европейскую концепцию и опирается на Правила ЕЭК ООН (табл.1.3), которые практически полностью соответствуют требованиями директив ЕС.
После введения этих Правил в Европе в период с 1980 по 1995 года численные значения норм на выбросы СО с ОГ АТС уменьшилось в 6 раз, на углеводороды - в 4 раза, а на NOx - в 3 раза. Введенные Европейским Союзом начиная с 1995 года нормы Euro-1, Euro-2, Euro-З (с 2000 года) и, в перспективе с 2005 года - Euro-4, позволят снизить удельный выброс указанных веществ, а также частиц в 2 - 4 раза [84].
По прогнозам [103, 105] защиты окружающей среды от токсичных выбросов транспортных средств, и, в частности, дизелей транспортных средств, нормы Евро-3, Евро-4 и Евро-5 при их введении и соблюдении позволят к 2015 году снизить выбросы NOx на 70% и твердых частиц на 90% по сравнению с 1995 годом. В табл. 1.4-1.7 приведены требования ЕС по предельным значениям выбросов, вводимые с 2000 года (Евро-3), с 2005 года (Евро-4), а также, так называемые «форсированные» экологические требования, которые применяются на добровольной основе.
С 1999 г. в рамках системы сертификации механических транспортных средств и прицепов ГОСТ Р введены современные международные требования по экологии (Евро-2) в отношении АТС и двигателей [101]. С июня 2000 г. введены в действие государственные стандарты серии ГОСТ Р 41..., являющиеся аутентичными по содержанию с соответствующими Правилами ЕЭК ООН. Вступление в силу указанных стандартов, по существу, завершает объявленный в 1998 г. переходный период для введения международных требований.
Введение государственных стандартов на базе Правил ЕЭК ООН существенным образом изменило ситуацию. Вступает в силу система контроля за исполнением стандартов со всеми вытекающими последствиями. Тем не менее, ввод в действие государственных стандартов, сам по себе, не снимает проблем в части производства и реализации на рынке экологически чистых АТС. Более того, одномоментное и неукоснительное выполнение этих стандартов может привести к столь же одномоментной остановке производства практически на всех автомобильных и моторных заводах страны.
В связи с этим, в настоящее время действует следующий порядок применения Правил ЕЭК ООН № 49 для целей одобрения типа транспортных средств (ОТТС): - ОТТС сроком действия до 3-х лет выдаются только на основании ГОСТ Р 41.49-99 (Правила № 49-02В); - при выдаче ОТТС со сроком действия до 1 года и на малые партии применются нормы Правил № 49-02А; - при выдаче ОТТС на малые партии автомобилей специального назначения (лесовозы, трубовозы, для нефтедобывающей промышленности, горных и геологоразведочных работ, многоосные полноприводные автобусы, а также на вахтовые автобусы, изготавливаемые на базе полноприводных шасси и т.п.) применяются нормы Правил № 49-01.
За методическую основу Правил принят испытательный тест, предполагающий последовательное снятие 13-ти стационарных режимов работы двигателя (приложение 1).
В число нормируемых выбросов вредных веществ ОГ введены так называемые «частицы» (РМ - от английского Particule Matter) - нерастворимые (сажа, сульфаты, оксиды металлов, абразивные частицы) и растворимые (углеводороды). Наличие сажи (твердого углерода) в ОГ ДВС трактуется как «дымность ОГ» - либо как чисто характеристика непрозрачности ОГ (в % шкалы Hartndge при оптическом способе измерения дымомерами), либо как сажесодержание (в единицах шкалы Bosch, при фильтрационном способе измерения сажемерами). Между указанными единицами измерения, а также между ними и массовой концентрацией сажи в ОГ дизелей существует определенная корреляция (табл. 1.9) [93].
С точки зрения выявления соответствия между понятиями «частицы» и «дымность» необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что непрозрачность ОГ зависит от дисперсности сажи (чем мельче сажа, тем больше дымность при той же массовой концентрации сажи в ОГ), от наличия частичек паров воды (которые не относят к опасным частицам), а также от наличия частичек жидких углеводородов - масла и топлива. В связи с этим, пересчет дымности из единиц Hartridge в единицы Bosch следует считать приближенным.
Метод прямого измерения массовой концентрации частиц не всегда доступен, поэтому делаются попытки определения выброса частиц с ОГ дизелей на основе расчетных методов. Например, следующего типа [93]: РМ = 1,024 С + 0,505 CnHm.
В этом случае сажесодержание идентифицируется с нерастворимыми частицами, а углеводороды — с растворимыми. Таким образом, предполагается, что частицы состоят на 67% из нерастворимых частиц и на 33% из растворимых.
При испытаниях по 13-ти ступенчатому циклу согласно методике Правил ЕЭК ООН № 49-02 закономерность изменения концентрации РМ (рис. 1.1, данные фирмы «Perkins» [93]) отличается от соответствующей закономерности изменения дымности ОГ (характерное изменение, приведено также на рис. 1.1). Дымность ОГ максимальна на режимах внешней скоростной характеристики (режимы № 6 — максимальный крутящий момент, и № 8 - номинальная мощность). Концентрация же частиц максимальна на режимах нагрузок ниже средних - режимы № 3 и № 12 - 25% нагрузки от соответственно режима № 6 и № 8. Таким образом, несмотря на то, что эмиссия частиц в основном определяется выбросом сажи, в данном случае максимальная концентрация РМ соответствует режимам с повышенным, очевидно, выбросом углеводородов.
Влияние параметров топливной аппаратуры на показатели работы топливного насоса высокого давления
Безмоторные испытания проводились для оценки влияния давления начала впрыскивания топлива форсунками и величины перемещения регулировочного винта цикловой подачи топлива на показатели топливного насоса УТН-5 при номинальной частоте вращения, равной 1100 мин 1 и частоте вращения кулачкового вала насоса, соответствующей максимальному крутящему моменту двигателя, равной 700 мин"1. На рис.4.3...4.6 показаны изменения средней цикловой цЦ; часовой G подач топлива топливного насоса в зависимости от величины перемещения регулировочного винта цикловой подачи топлива и величины давления начала впрыскивания топлива форсунками.
Анализ результатов безмоторных испытаний ТА показал, что среднее значение цикловой подачи топливного насоса УТН-5 линейно зависит от величины перемещения винта номинала как на номинальной частоте вращения кулачкового вала, так и на частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту дизеля. Диапазон разброса номинальных значений цикловой подачи при частоте вращения вала насоса 1100 мин"1, заданный ТУ 23.1.239-77 и равный 1.8 мм3/цикл соответствует величине хода винта номинала 0.2 мм. Максимальное значение цикловой подачи топлива (88 мм3/цикл) при данной комплектации ТА получено при вворачивании винта номинала на 0.7 мм. Дальнейшее его перемещение к увеличению цикловой подачи не приводило. дач топлива. Так цикловая подача топлива при этом увеличивается с 56 до 88 мм3/цикл (на 57%) при частоте вращения вала топливного насоса (п) равной 1100 мин 1 и с 68.5 до 104 мм3/цикл (на 52%) при п =700 мин" . Часовая подача топлива в этом случае увеличивается с 12.5 до 19.1 кг/ч (на 53%) при п =1100 мин 1 и с 9.6 до 14.5 кг/ч (на 51%) при п = 700 мин 1.
Изменение давления начала впрыскивания топлива форсунками оказывает существенное влияние на показатели работы топливного насоса. Так увеличение Рф с 14.5 до 20.5 МПа приводит к снижению цикловой подачи топлива с 78 до 71 мм3/цикл (на 9%) при п =1100 мин"1 и с 92 до 78 мм3/цикл (на 15%) при п =700 мин 1. Часовая подача топлива при этом уменьшается с 12.8 до 10.9 кг/ч (на 15%) при п =700 мни"1 и с 17.0 до 15.6 кг/ч (на 8%) при п = 1100 мин"1 (рис.4.5 и 4.6).
Анализ результатов стендовых безмоторных испытаний топливного насоса показывает, что снижение средних цикловой и часовой подач топлива на 5 и более процентов, характеризуемые в соответствии с РТМ 23.1.457-78 как отказ ТН, происходит при различных значениях параметров топливной аппаратуры в зависимости от скоростного режима насоса. Поэтому обоснование оптимальных значений параметров ТА необходимо проводить не только для номинального режима работы дизеля, но и для других режимов, характерных для условий эксплуатации.
Зависимость основных показателей дизеля Д-240 от величины давления начала впрыскивания топлива форсунками приведена на рис. 4.7.
При снижении Рф с 17,5 МПа до 14.5 МПа, на номинальном режиме работы дизеля, часовой расход топлива увеличивается на 0.17кг/ч (1.3%), удельный расход топлива увеличивается на 3,0 г/(кВт ч) (на 1.3%), дымность отработавших газов возрастает на 7 единиц (на 21%). На режиме максимального крутящего момента часовой расход топлива увеличивается на 1.7кг/ч (16.7%),удельный расход топлива увеличивается на 41.40 г/(кВт»ч) (16.6%), дымность ОГ возрастает на 16 единиц (19.5%).
Увеличение давления начала впрыскивания топлива форсунками с 17.5МПа до 20.5МПа на номинальном режиме работы дизеля приводит к снижению часового расхода топлива на 0,2кг/ч (1.5%),удельного расхода топлива на 3.7г/(кВт ч) (1.5%), дымности ОГ на 1 единицу.
На режиме максимального крутящего момента часовой расход топлива увеличивается на 0,3кг/ч (2,9%),удельный расход топлива увеличивается на 7,0г/(кВт ч) (2.8%), дымность ОГ возрастает на 4 единицы (4.9%).
Влияние величины цикловой подачи топлива на показатели работы дизеля Д-240 приведено на рис.4.8.
При снижении величины цикловой подачи топлива с 75мл3/цикл до 58мм3/цикл, на номинальном режиме работы дизеля эффективная мощность уменьшается на 17.5кВт (30%), часовой расход топлива уменьшается на 3.9кг/ч (27%), удельный расход топлива увеличивается на 7.8г (кВт»ч) (3.2%), дымность ОГ уменьшается на 21 единицу (40%). На режиме максимального крутящего момента эффективная мощность дизеля снижается при этом на 7.2кВт (17%), часовой расход топлива уменьшается на 2.99кг/ч (26%), удельный расход топлива уменьшается на 29.9 г/(кВт»ч) (11%), дымность ОГ снижается на 43 единицы (46%).
Увеличение цикловой подачи топлива с 75 мм /цикл до 82 мм /цикл, на номинальном режиме работы приводит к увеличению эффективной мощности дизеля на 2.0 кВт (3.4%), часового расхода топлива на 0.94 кг/ч (6.6%), удельного расхода топлива на 7.2 г/(кВт»ч) (3%), дымности ОГ на 23 единицы (65.7%). На режиме максимального крутящего момента величина эффективной мощности возрастает на 2.0 кВт (4.7%), удельный расход топлива увеличивается на 24.5 г/(кВт ч) (9%), часовой расход топлива увеличивается на 1.64 кг/ч (14.3%), дымность ОГ возрастает на 5 единиц (5.3%).
Зависимость показателей работы дизеля Д-240 от величины установочного угла опережения впрыскивания топлива приведена в табл.П.22 и показана нарис.4.9.
При изменении 0ВПР С 26 до 20 градусов поворота коленчатого вала, на номинальном режиме работы дизеля, часовой расход топлива увеличивается на 0.22 кг/ч (0.9%), удельный расход топлива увеличивается на 2.2 г/(кВт ч) (0.9%), дымность ОГ возрастает на 12 единиц (36.3%). На режиме максимального крутящего момента часовой расход топлива снижается на 0.91 кг/ч (8.9%), удельный расход топлива уменьшается на 22,8 г/(кВт ч) (9.2%), дымность ОГ снижается на 37 единиц (42.7%).
При увеличении 0епр с 26 до 32 градусов, на номинальном режиме работы дизеля, часовой расход топлива увеличивается на 0.34 кг/ч (2.6%), удельный расход топлива увеличивается на 5.6 г/(кВт ч) (2.3%), дымность ОГ возрастает на 10 единиц (30,3%). На режиме максимального крутящего момента часовой расход топлива возрастает на 1.4 кг/ч (13.7%), удельный расход топлива возрастает на 34Л г/(кВ»ч) (13.7%), дымность ОГ увеличивается на 14 единиц (17.1%).
Влияние основных регулировочных параметров топливной аппаратуры на мощностные, экономические и экологические показатели
Состав ОГ дизелей является достаточно информативным показателем их технического состояния, причем априори известно, что доминирующий фактором, обуславливающим концентрацию нормируемых компонентов в ОГ и их дымность, является качество работы топливной аппаратуры, зависящее от ее технического состояния и значений регулировочных параметров. В связи с этим установление взаимосвязи концентраций отдельных компонентов в ОГ и их дымности с топливно-экономическими показателями, а также значениями регулировочных параметров топливоподачи позволяет использовать результаты газового анализа в целях технической диагностики двигателей.
Цикловая подача топлива двигателя определяется соотношением gu=120-103-[(GB-m)/(i-n-a-L0)], мг/цикл (5.1) где GB - массовый расход воздуха; г/с; m - коэффициент тактности; і -число цилиндров; п - частота вращения, мин"; a — коэффициент избытка воздуха; L0- теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кг.в/кг.т.
Если элементарный состав топлива, характеризуемый весовыми долями, представить Ст + Нт + От = 1, то исходя из реакций полного окисления его компонентов можно получить так называемое контрольное уравнение [75], которое в общем случае может быть представлено в виде С02 + 02 = 0В-РС02; (5.2) где 02 и С02 - соответственно содержание свободного кислорода и двуокиси углерода в сухих ОГ, определяемые газовым анализом, % об.; Ов -содержание кислорода в используемом воздухе, % об. Введем обозначения: 0Мц„ - количество кислорода воздуха, необходимое для полного окисления топлива, % об.; ОИЗб - количество кислорода воздуха, неиспользованного на окисление топлива и остающееся в составе ОГ, % об.; 0 - суммарное количество кислорода воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, % об.
По физическому смыслу уравнения (5.2) можно записать Омин = Ов-02 = С02(1 + Р); Om6 = 02; (5.3) О = Омт + Ошб = С02(1 + р) + о2, и для коэффициента избытка воздуха а = Од/ Онга1 = [С02(1 + Р) + 02]/[ С02(1 + Р)], (5.4) или с учетом (5.2) а = 0в/[С02(1 + Р)]. (5.5) В случае совершенного сгорания топлива1 содержание двуокиси углерода в ОГ должно иметь максимальное значение С02тах = Ов/(1+Р). (5.6) Подставляя последовательно в уравнение (5.5) выражения С02(1 + Р) из (5.3) и Oj/(l + Р) из (5.6), получим соотношения, связывающие величину а с результатами анализа ОГ а = С02[МХ/С02; a = V( Ой - 02), J (5.7) и далее, подставляя значения а из (5.7) в (5.1) для 4-х тактного дизеля получим gu=l,2-105[(CO2-GB)/(i U-CO2ma,-n)]; (5.8) gu= l,2-105[((OB- 02)-GB)/(i-Lo-0B-n)]. (5.9) Для сравнения топливных показателей различных дизелей удобно воспользоваться понятием удельной цикловой подачи топлива gu = gu/iVt,, тогда будем иметь & = l,2-105[(COrGB)/(i Vh-Lo-CO2ma!(-n)]; (5.10) & = 1,2-105[((Ов- 02)-Gfl)/(i-Vh-L0-0B-n)], (5.11) где g„ - мг/цикл.л. Значение констант L0 и С02тах, входящих в уравнение (5.10) и (5.11) в общем случае должны быть вычислены по результатам химического анализа применяемого топлива. Выражение для L0 с учетом наличия серы в составе топлива будет иметь вид
L0 = (8/3CT+8HT+ST-0T)(87,5/0B+ 1/8), (5.12) где Ст, Нт, ST и От - соответственно содержание углерода, водорода, серы и кислорода в топливе, массовые доли.
Выражение для определения величины C02lMX по химическому составу топлива с учетом содержания серы совершенном сгорании 1 кг топлива в общем случае выделится (в к.моль) (С02) = 0,/12, (S02) = Sp/32, кроме того, в ОГ будет присутствовать остаточный азот (N2) = (l-OB/100)-Lo , где L0 = Lo/mB - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы массы топлива в мольном выражении; тв — средняя относительная молекулярная масса воздуха, у.е. Количество С02, отнесённое к общему количеству ОГ, дает величину С02макс. C02max = 102[(CV12y(CV12 + ST/32 + L0 (l - (VI00))], (5.13) где СОгтах % об. При заранее известной величине р значение C02mas может быть также получено исхода из выражения (5.6).может быть получено из соотношения мольных концентраций компонентов сухих ОГ. При
Экспериментальная проверка адекватности метода диагностирования по данным моторных испытаний дизелей
С целью проверки корректности метода были поставлены стендовые испытания на дизелях Д-240 (44 11/12,5) и Д-240Т (4ЧН 11/12,5). Эксперименты выполнялись на нагрузочных характеристиках, соответствующих частотам п = 1700 мин 1 и n = 2200 мин"1, внешней и частичной (80% нагрузки) скоростных характеристиках при измерении интересующих параметров в полном соответствии с требованиями стандартов. Методика и описание специальной измерительной аппаратуры, значения рабочих параметров дизелей на контролируемых режимах, результаты анализа ОГ, расчетов удельных цикловых подач топлива и их сопоставления с данными непосредственных измерений приводятся в главе 2, а также, в качестве примера, - в таблицах 5.1, 5.2. Средние (по всем характеристикам) значения отклонений от данных непосредственных массовых, измерений приведены в табл. 5.3.
При сопоставлении отклонений по нагрузочным характеристикам можно заметить закономерно выраженное возрастание погрешности при снижении содержания основных контролируемых компонентов ОГ Ог и СОг (рис. 5.1). Отсюда можно сделать вывод о том, что в области малых нагрузок дизеля более точные результаты дают расчеты топливных показателей по содержанию Ог в ОГ, а в области нагрузок, близких к максимальным - по содержанию СОг- Применение уточненных зависимостей с корректировкой объема ОГ и с учетом неполноты сгорания (5.20) и (5.21) повышает точность расчетов (средняя погрешность по всем экспериментальным режимам снизилась в 1,47 раза). Однако это явление в большей степени выражено при сравнительно высоком содержании в ОГ продуктов несовершенного сгорания. При малом содержании последних расчеты как по зависимостям (5.18) и (5.19), так и по (5.20) и (5.21) дают близкие результаты.
Так, для дизеля Д-240 (n = 1700 мин"1) на режимах малых и средних нагрузок погрешность расчета g„ уменьшилась всего лишь в 1,18 раза. Это объясняется полнотой сгорания топлива и относительно меньшим уровнем температур на этих режимах (содержание СО - 0,02...0,03, СН - 0,002...0,004 и NOx - 0,02...0,08% об.). На режимах больших нагрузок, при соответствующем увеличении содержания СО до 0,10...0,97 и NOx до 0,09...0,12% об., точность расчетов с использованием зависимостей (5.20) и (5.21) возросла вдвое.
При определении величины gu по уточненным зависимостям с корректировкой объема ОГ (5.18) и (5.19) и, особенно, с корректировкой значений содержания контролируемых компонентов (5.20) и (5.21), систематическая ошибка измерении может считаться пренебрежимо малой, и погрешность оп ределепия искомой величины будет определяться, в основном, случайными ошибками измерений. Оценим искомую погрешность измерений.
Так как определение величины g„ производится косвенным методом, то необходимо учитывать погрешность измерений всех функциональных величин. Исходя из структуры зависимостей вычисления искомой величины f = С(хгхг/хз), где С - постоянный коэффициент, а соответствие членов данной зависимости с измеряемыми в нашем случае величинами устанавливается как: х\ = GB, Х2 = 02(С02), Хз = n, f = gn, выводится уравнение для оценки вероятностной относительной погрешности с учетом закона сложения независимых случайных ошибок: Д =[(1/хгДх,)2 + (1/х2-Дх2)2 + (1/х3-Дхз)2]/г. (5.28)
Максимальная погрешность измерения GB в условиях эксперимента составляла 2%, при измерении п она равнялась 0,01%. Измерение концентрации основных компонентов ОГ (СОг и 02) производилось с максимальной погрешностью 2,5% от верхнего предела измерения. Средние значения концентраций указанных компонентов ОГ по всем экспериментальным режимам составляли 4,68 об. % - для СОг и 10 об. % - для 02. Приведенные к этим значениям максимальные погрешности измерения составили 5,25% - для 02 и 6,51% - для С02. Подставляя указанные значения погрешностей исходных величин в выражение (5.28) получим, что максимальная погрешность расчета в условиях эксперимента должна составлять: 3,81% - при расчетах по С02 и 5,62% - при расчетах по 02. При условии распределения погрешностей ис
ходных величин по нормальному закону можно считать среднюю погрешность расчета gu равной 1/3 от максимальной и равной 2,27% - при расчете по С02 и 1,87% - при расчете по (. Это будет справедливо для расчетов с применением выражений с корректировкой объема ОГ (без учета неполноты сгорания) - (5.18) и (5.19) - при практически полном сгорании и с учетом неполноты сгорания по (5.20) и (5.21) в общем случае.
