Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы описания горения топлива в цилиндре дизеля и диагностики поршневого двигателя по параметрам внутрицилиндровых процессов 11
1.1. Математическое описание тепловыделения в процессе сгорания 11
1.2. Методы описания процесса горения топлива в цилиндре дизеля 12
1.3. Способы и проблемы измерения диагностических параметров рабочего процесса поршневых двигателей 15
1.4. Методики определения технического состояния ДВС по параметрам внутрицилиндровых процессов 19
2. Метод идентификации неисправностей по инди каторной диаграмме и математическое моделирование рабочих процессов дизельного двигателя 37
2.1. Метод идентификации неисправностей по параметрам внутрицилиндровых процессов 37
2.2. Постановка задачи исследования 48
2.3. Современное представление о кинетике процесса горения и структуре пламени 48
2.4. Метод математического моделирования процесса сгорания предложенный Н.Ф. Разлейцевым 53
2.5. Математическое моделирование индикаторной диаграммы дизеля с имитацией дефектов технического состояния 61
2.5.1. Процесс сжатия 64
2.5.2. Процесс горения - расширения 71
2.6. Определение величин погрешности измерений 80
2.7. Проверка адекватности математического описания внутри-цилиндровых процессов 81
2.7.1. Дизель 449/12,5 82
2.7.2. Дизель 16ЧН26/26 85
3 Разработка диагностического комплекса для из мерения индикаторной диаграммы в условиях рядовой эксплуатации 88
3.1. Тенденции развития аппаратурных средств определения индикаторной диаграммы 88
3.2. Выбор первичного преобразователя давления 91
3.3. Влияние индикаторного канала 101
3.4. Прибор для измерения индикаторной диаграммы дизеля в
условиях эксплуатации 103
3.4.1. Методика определения положения ВМТ в опорном ПО цилиндре
3.4.2. Алгоритм работы прибора в процессе измерения экспериментальных данных 112
3.4.3. Основные направления совершенствования прибора 117
3.5. Диагностический комплекс «Магистраль» как средство из
мерения индикаторной диаграммы в условиях эксплуатации
и лаборатории 118
4. Расчетное и экспериментальное исследование эффективности предложенного метода иденти фикации технического состояния дизеля . 122
4.1. Постановка задачи оптимизации 122
4.1.1. Выбор вектора варьируемых параметров 122
4.1.2. Обоснование метода оптимизации 129
4.2. Использование предложенного метода идентификации для оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания 139
4.2.1. Дизель 449/12,5 139
4.2.2. Дизель 16ЧН26/26 144
Заключение 149
Литература
- Математическое описание тепловыделения в процессе сгорания
- Метод идентификации неисправностей по параметрам внутрицилиндровых процессов
- Тенденции развития аппаратурных средств определения индикаторной диаграммы
- Постановка задачи оптимизации
Введение к работе
Дизельные двигатели внутреннего сгорания используются практически во всех отраслях народного хозяйства. В настоящее время повышение эксплутационной надежности, ресурса и технико-экономических показателей дизелей стало одной из первостепенных технических проблем. Решение этой проблемы в значительной степени зависит от своевременного определения технического состояния узлов и деталей дизеля [9]. Использование средств технической диагностики дизелей направленно на увеличение ресурсных характеристик и продление межремонтного периода их эксплуатации. Качественная и своевременная диагностика позволит избежать внеплановых ремонтов двигателей и перейти от планово-предупредительной системы ремонта к ремонту по техническому состоянию. Введение этой системы позволит уменьшить эксплутационные расходы и сократить количество неплановых ремонтов.
Качество функционирования дизельного двигателя, его технико-экономические показатели и надежность в значительной степени определяются характером протекания процесса сгорания топлива в цилиндрах. Практически любые отклонения процесса сгорания от нормального приводят либо к механической, тепловой перегрузкам цилиндров, либо к снижению экономических показателей, или к нарушению условий смазки, образованию кокса, заносу выпускного тракта и т.д.[69]. Процесс сгорания также определяет одну из существенных сторон функционирования дизеля. Характер процесса сгорания зависит от качества функционирования топливной аппаратуры, систем воздухоснабжения, состояния деталей ци-линдропоршневой группы (ЦПГ) и т.д.
Получить информацию о процессе сгорания в цилиндрах дизеля можно различными методами: посредством анализа индикаторных диаграмм (ИД), по данным термометрирования деталей ЦПГ, по уровню температуры газов на выходе из цилиндров, посредством анализа их химического состава, методами виброакустического и оптического анализа. Значительное количество информации о процессе сгорания несет в себе индикаторная диаграмма[69].
Диагностирование дизеля по параметрам рабочего процесса и последующая регулировка позволяет обеспечить необходимую мощность и надежность дизеля, а также по данным ВНИИЖТ и ВНИТИ может уменьшить фактический расход топлива в эксплуатации с gT=175 кг/час до g,=171,6 кг/час на одну секцию тепловоза с дизелем 1 ОД 100 [3].
Не смотря на то, что проблеме экспериментального определения индикаторной диаграммы посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ, применительно к условиям рядовой эксплуатации на сегодняшний день остается ряд не решенных вопросов. В первую очередь, это вопрос выбора первичного преобразователя давления для температурных условий в цилиндрах современного форсированного двигателя, точная ориентация диаграммы давления относительно внутренней мертвой точки (ВМТ) и другие. Немаловажным является и исполнение аппаратной части комплексов, отвечающих условиям работы в машинном отделении тепловоза, на судах речного и морского флота и т.п. Опыт внедрения диагностического оборудования на локомотиворемонтных предприятиях железнодорожного транспорта показывает, что этот вопрос во многом влияет на эффективность их использования в эксплуатации.
В настоящее время на многих предприятиях внедряются комплексы технической диагностики дизельного двигателя, основанные на анализе индикаторной диаграммы. К сожалению, многие комплексы не позволяют четко конкретизировать возможную неисправность или имеют малый набор диагностируемых дефектов. Типичной оказалась ситуация, когда диагностический комплекс решает только задачу измерения диагностического сигнала, а решение задачи идентификации технического состояния объекта предоставляется эксперту. Некоторые комплексы, основанные на статистических базах данных, для своей качественной работы требуют проведения специальных, продолжительных исследований, как в лабораторных условиях, так и в реальной эксплуатации.
Современное развитие электроники и ЭВМ создает объективные предпосылки к поиску более совершенных методов диагностики двигателя анализом индикаторной диаграммы.
Настоящая работа посвящена:
1. анализу проблем опытного определения индикаторных диаграмм в рядовой эксплуатации и их решению;
2. разработке универсального метода идентификации технического состояния дизеля по результатам индицирования;
3. расчетным и экспериментальным исследованиям рабочего процесса дизеля с характерными для эксплуатации отклонениями технического состояния.
Исследование выполнено для двух типов дизелей: рядного безнаддувного дизеля 44 9/12,5 и V-образного высокофорсированного дизеля 16ЧН 26/26.
Автор считает свои долгом выразить благодарность д.т.н. профессору Лашко Василий Александровичу оказавшему неоценимую помощь при работе над диссертацией.
Математическое описание тепловыделения в процессе сгорания
До настоящего времени при моделировании рабочего процесса дизеля остается проблемным вопрос достоверного математического описания закономерностей тепловыделения в процессе сгорания. На сегодняшний день предложено большое число моделей тепловыделения. Все уравнения процесса сгорания в дизелях можно разделить на две группы. К первой относятся уравнения, дающие математическое описание геометрической формы характеристик тепловыделения [17,27,120]. В ряде методов делается попытка найти эмпирические связи между геометрией характеристики тепловыделения и исходными параметрами рабочего процесса, не раскрывая физико-химической сущности смесеобразования и сгорания [85,93,95,109,134]. Эти уравнения привлекают своей простотой, однако зависимости их коэффициентов от конструктивных и режимных параметров двигателей настолько многофакторные и неопределенные, что приходится сомневаться в возможности широкого обобщения соответствующих эмпирических формул, полученных для конкретных двигателей и режимов их работы. Кроме того, такой подход практически исключает возможность имитации дефектов двигателя, в частности, касающихся процесса впрыска топлива.
Ко второй группе относятся различные кинетические уравнения, описывающие физические и химические процессы смесеобразования и сгорания топлива [4,19,47,82,84,108,113,126]. Еще в 30-х годах К. Нейман [84], исходя из представлений о реакции горения как бимолекулярной реакции между топливом и кислородом воздуха, вывел уравнение динамики процесса сгорания.
Эти уравнения удобны для анализа влияния различных факторов на процесс сгорания, а также для разработки обобщенной математической модели процесса, поскольку они используют общие законы теплопередачи, диффузии, химической кинетики и требуют соответственно минимального количества эмпирических коэффициентов. Однако сложность физико-химических явлений в цилиндре дизеля затрудняет применение общей теории тепло- и массообмена и химической кинетики к процессам смесеобразования и сгорания, поэтому методы кинетического расчета этих процессов в дизелях еще недостаточно разработаны.
В связи с этим в рамках настоящего исследования остро встал вопрос выбора математической модели, учитывающей влияние особенностей формирования топливного факела на сгорание топлива в цилиндре дизеля.
Разработке теории и математической модели процесса горения капли или потока распыленного топлива посвящено большое число исследований. Среди них известные работы Г.А. Варшавского [10] и Д.Б. Сполдин-га [115], создавших общую теорию диффузионного горения капли жидкого топлива. В этой теории принимается, что скорость химических реакций бесконечно велика по сравнению с конечной скоростью диффузии, поэтому пары топлива реагируют и полностью сгорают в бесконечно тонкой сферической зоне — приведенной пленке на некотором удалении от поверхности капли. Пленка считается «непрозрачной» для паров топлива и кислорода, т.е. предполагается, что эти компоненты горючей смеси под ходят к зоне горения в стехиометрическом соотношении и полностью в ней выгорают. Совместное решение уравнений диффузии, теплопроводности и теплового баланса позволяет определить скорость выгорания (испарения) топлива, радиус зоны горения, а также рассчитать поля температур и парциальных давлений вокруг капли. Как видим, эта модель сильно идеализирована и не учитывает указанные выше характерные особенности кинетики процесса горения и структуры пламени.
Значительные уточнения в теорию диффузионного горения капель были внесены И.И. Палеевым, М.А. Гуревичем, Ф.А. Агафоновой [1,121], предложившими учитывать конечную скорость химической реакции и конечную толщину приведенной пленки. В их модели предполагается, что реакции окисления топлива бимолекулярные и что зависимость скорости реакции от температуры и состава смеси известна. К сожалению, такое предположение не подкреплено реальными данными. Диффузионная теория к тому же не позволяет определить полноту сгорания топлива и текущую концентрацию промежуточных продуктов горения (СО, Н2).
Теория горения потока распыленного топлива в общем виде разработана Б.В. Канторовичем [53], Ф.А. Вильямсом [18]. В этой теории подход к решению задачи и принимаемые допущения такие же, как в диффузионной теории горения отдельной капли.
В фундаментальной теории теплового распространения пламени Я.Б. Зельдовича и Д.А. Фран-Каменецкого [128] наиболее полно учитывается совместное протекание процессов тепломассопереноса и химического реагирования. Однако эта теория применима к стационарному пламени в гомогенной горючей смеси, а основной определяемой величиной является нормальная скорость распространения пламени.
Для описания кинетики процессов испарения и горения распыленного топлива в условиях дизеля необходимы характеристики концентрационных и температурных полей заряда цилиндра.
Метод идентификации неисправностей по параметрам внутрицилиндровых процессов
Развитие технических средств измерения и регистрации результатов измерения в последние годы сделало доступным в условиях рядовой эксплуатации определение таких сложных интегральных характеристик, как индикаторные диаграммы в цилиндре двигателя и в трубопроводе высокого давления. Оборудованием для опытного определения этих диаграмм комплектуются многочисленные диагностические комплексы на базе специализированных или персональных компьютеров. При этом распространенной оказалась ситуация, когда использование компьютера ограничивается этапами регистрации быстропротекающих процессов и первичной обработки результатов, а именно, расчетом величин, которые могут исполнять роль диагностических параметров (ДП). Оценка технического состояния дизеля и его агрегатов, по замыслу разработчиков таких комплексов, остается за человеком - экспертом. Среди проблем, препятствующих автоматизации поиска неисправностей и их локализации в таких системах технической диагностики (СТД), в первую очередь следует назвать чрезмерно большое количество факторов, влияющих на эталонные значения ДП и, схожую для многих факторов функциональную связь с ДП. Последнее приводит к возникновению неразличимых ситуаций при диагностическом анализе результатов и, наряду с другими причинами, сводит к минимуму эффективность применения подобных СТД. Например, износ поршневой группы и дефекты системы воздухоснабжения комбинированного дизеля одинаково приводят к снижению давления в конце сжатия. Увеличение в этом случае числа контролируемых при измерении параметров уменьшает привлекательность метода.
Другой, не менее острой проблемой, является сложность повторения условий испытания дизеля, идентичных имеющимся эталонам, В рядовой эксплуатации при испытании дизеля в составе силовой установки или транспортного средства перечень возможных режимов весьма ограничен. Достаточно сложно также и поддерживать идентичность режима при последовательном индицировании цилиндров дизеля. Существующие методы приведения параметров к условиям эталона не позволяют в полной мере решить эту проблему.
И, наконец, следует помнить о погрешности измерений. Наш опыт работы с различными диагностическими стендами показывает, что результаты определения индикаторных показателей по экспериментальным ИД противоречивы и не согласуются с эффективными показателями. Многие исследователи считают, что главная причина этого заключается в неточности ориентации кривой давления относительно ВМТ. В работе [33] даже предлагается принудительно смещать диаграмму в окрестностях ВМТ до тех пор, пока не будет найден баланс между индикаторными и эффективными показателями. Ответ на вопрос как в этом случае определяется механический к.п.д. для двигателя и каждого его цилиндра и доля каждого цилиндра в общей эффективной работе двигателя мы не нашли. На наш взгляд причиной указанной проблемы является не столько погрешность определения положения ВМТ, сколько существенные искажения ИД измеренной через индикаторный канал. Наш опыт идентификации экспериментальных ИД полученных в условиях рядовой эксплуатации показал, что наиболее существенны эти искажения на линии расширения. Наличие подвижных частей в стандартном индикаторном кране двигателя, случайное техническое состояние самого крана практически исключают возможность точного определения работы расширения газов в цилиндре, а следовательно и всех других, связанных с ней индикаторных показателей.
Следует признать, что в некоторых существующих на сегодняшний день СТД по ИД ряд указанных проблем решен. Наиболее удачным на наш взгляд является принцип идентификации дефектов, реализованный в СТД «Магистраль» [15], основанный на выборе эталонной диаграммы среди измеренных диаграмм в цилиндрах многоцилиндрового двигателя и последующем графическом сравнении этой эталонной ИД с диаграммами каждого цилиндра. Однако и в этом случае появляются свои ограничения: повышенные требования к измерительной части СТД, одновременно определяющей ИД во всех цилиндрах; сложность применения метода для двигателей с небольшим числом цилиндров (4 или менее). Кроме того, авторы метода не раскрывают его суть. Имеющиеся ограниченные публикации носят скорее рекламный, чем научный характер, что ограничивает возможности применения метода сторонними разработчиками.
Указанные причины, наряду с рассмотренными в главе 1, привели к необходимости поиска универсального метода обнаружения неисправностей дизеля.
Тенденции развития аппаратурных средств определения индикаторной диаграммы
Практически с момента создания и начала промышленной эксплуатации дизельных двигателей появились и устройства для опытного определения зависимости давления в цилиндре двигателя от угла поворота коленчатого вала - индикаторы. Первые образцы дизелей по современной классификации относились к тихоходным двигателям и с задачей регистрации давления в рабочей камере вполне справлялись простейшие механические индикаторы [22]. Однако обработка таких ИД и идентификация неисправностей дизеля была затруднительна. По мере развития дизеле-строения в плане совершенствования организации его рабочего процесса быстроходность двигателя возросла, и для индицирования потребовались новые подходы. Продолжительное время с этой целью применялись достаточно сложные электропневматические индикаторы [62], в основе работы которых лежал принцип сравнения текущего значения давления газов в камере двигателя и воздуха в резервуаре индикатора с использованием компораторного (стробоскопического) датчика (рис. 3.1). Особенность этого метода при формировании индикаторной диаграммы в том, что данные об изменении давления в цилиндре поступают в виде стробирующих импульсов в момент равенства давлений в цилиндре и в резервуаре индикатора и за время падения давления в опорном резервуаре в двигателе успевает протекать несколько десятков и даже сотен циклов. Необходимо отметить, что ряд исследователей [5] уже и в то время применяли принцип сравнения давления в разных объемах в условиях рядовой эксплуатации.
Наряду с технической сложностью самого устройства, требующего высококвалифицированного обслуживания, работа с индикатором сопровождалась еще и технологическими трудностями. К сожалению, данный подход измерения ИД применим только в лабораторных условиях и затруднителен для рядовой эксплуатации.
Наряду с электропневматическими индикаторами во второй половине прошлого столетия благодаря появлению электрических преобразователей давления (датчиков давления) для индицирования ДВС стало широко применяться осциллографирование [103,114]. В данном методе с полученными на экране осциллографа одноцикловыми диаграммами сложно было выполнить операцию осреднения. Необходимость принудительного охлаждения датчиков и низкая технологичность фотографического способа регистрации осциллограмм препятствовали распространению метода в условиях рядовой эксплуатации дизелей.
Эти ограничения не останавливали исследователей в поисках приемлемых для эксплуатации методов регистрации давления в цилиндре. Так, например, в работах [37,75] предложены методы регистрации дискретных значений давлений в цилиндре двигателя (через 30 угла поворота к.в.), использующие стробоскопический эффект. Данный подход позволяет подвергнуть анализу только определенные точки ИД.
В работе [5] рассмотрен метод создания высокого давления газов в опорном резервуаре электропневматического индикатора не с помощью компрессора, а за счет использования энергии рабочего тела в одном из цилиндров двигателя.
Принципиально новым этапом в развитии средств индицирования ДВС стало развитие электроники в области компьютерной техники. Начиная с конца прошлого столетия, на рынке появились и продолжают появляться многочисленные средства измерения, базирующиеся на персональном или специализированном компьютере (микрокомпьютере). Несмотря на многообразие технических решений, применяемых разработчиками, принципиально эти устройства отвечают одной из представленных на рис. 3.2 схеме. Общей характеристикой таких измерительных комплексов является высокое быстродействие, возможность получения данных об изменении давления в течение одного цикла (одноцикловых диаграмм) и осреднение по произвольному числу циклов. Именно с момента появления таких измерительных систем сложились условия для повсеместного их применения в эксплуатации. Многоканальность плат ввода данных для одной из стандартных шин данных (ISA или PCI) легко позволяла разработчикам расширить число контролируемых параметров. Измерительным комплексам этого периода характерно большое и разнообразное число первичных преобразователей - датчиков. Для условий рядовой эксплуатации это не всегда является положительной характеристикой, так как разветвленная кабельная система и большое число разъемов увеличивает время подготовки комплекса, снижает его надежность при многократном в течение одного рабочего дня использовании. Поэтому структурная организация комплекса, его аппаратурная реализация для условий рядовой эксплуатации и на сегодняшний день остается актуальной задачей.
В заключение необходимо отметить что к не полностью решенным вопросам опытного определения индикаторной диаграммы следует также отнести прежде всего: выбор первичного преобразователя давления; методику синхронизации данных измерений с углом поворота коленчатого вала; учет влияния индикаторного канала на результаты измерения давления.
Постановка задачи оптимизации
В вектор варьируемых параметров должны входить параметры, указывающие на возможные неисправности и разрегулировки двигателя, наиболее часто встречающиеся в эксплуатации.
Изменение геометрической степени сжатия неизбежно при измерении индикаторной диаграммы. Это вызвано увеличением объема камеры сгорания на величину индикаторного канала и полости датчика давления. Кроме этого, после ремонтных работ в силу ряда технологических причин объем камеры сгорания у некоторых двигателей может существенно отличатся от паспортного значения. Например, дизель 1 ОД 100 (ЮДН 20,7/2 25,4) конструктивно выполнен с двумя коленчатыми валами, соединенными механически посредством вертикальной передачи [9]. В процессе эксплуатации, наблюдается срабатывание шлицев вертикальной передачи, что вызывает изменение угла развала коленчатых валов и как следствие геометрической степени сжатия [45].
В процессе эксплуатации 4-х тактного двигателя внутреннего сгорания происходит износ газораспределительного механизма. При изменении зазора в клапаном механизме изменяются углы открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов [26]. В связи с этим в вектор варьируемых параметров включен угол закрытия впускных клапанов.
При работе двигателя происходит износ цилиндропоршневой группы, износ тарелки клапана и ее посадочного седла. Это вызывает утечки рабочего тела из цилиндра. К сожалению, математическая модель (глава 2) не позволяет создать точные аналитические зависимости истечения газа из цилиндра, в связи с чем, для учета данной неисправности в вектор варьируемых параметров добавлено суммарное эквивалентное сечение неплотностей.
Выбор данных параметров подтвердился по результатам ранжирования на расчетной математической модели процесса сжатия.
На основании вышесказанного, в вектор варьируемых параметров на участке сжатия индикаторной диаграммы входят: - изменение геометрической степени сжатия, за счет изменения объема камеры сгорания АКС; - угол закрытия впускных органов р3 вп; - эквивалентный радиальный зазор 8.
Общеизвестно, что на процесс горение-расширение наибольшее влияние оказывает качество работы топливной аппаратуры. По данным диагностического центра локомотивного депо «Основа» им. СМ. Кирова ЮЖД [45], разброс такого параметра, как действительный угол опережения впрыскивания топлива по цилиндрам двигателя 1 ОД 100 уже после трех-пяти лет эксплуатации составляет 3-5, что сразу же сказывается на величине выдаваемой мощности, дымности отработавших газов и т.д.
Выполненный анализ базы экспериментальных данных, полученных с применением диагностического комплекса «Магистраль» в ряде локомотивных депо России и ближайшего зарубежья показал, что для тепловозных дизелей типа Д49 и 11Д45 наиболее характерными неисправностями в рядовой эксплуатации являются: неверный угол опережения подачи топлива и разброс цикловой подачи по цилиндрам (рис. 4.1).
Для участка горения-расширения индикаторной диаграммы, в вектор варьируемых параметров входят: - угол опережения подачи топлива срот; - цикловая подача топлива Вп.
При проведении измерения ИД в условиях рядовой эксплуатации на двигателях с наддувом зачастую не определяют давление надувочного воздуха. По линии впуска и последующей траектории давления на начальном участке сжатия ИД возможно определить приближенное давление воздуха во впускном ресивере. В связи с этим в вектор варьируемых параметров включен корректирующий параметр - давление надувочного воздуха.
