Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общее состояние вопроса. Цели и задачи. 10
1.1 Основные факторы, влияющие на ухудшение мощностных, экономических и экологических показателей дизелей в составе дизель-электрических станций 10
1.2 Факторы, влияющие на состав отработавших газов дизелей 14
1.3 Методы диагностики мощностных и экономических параметров дизелей в условиях эксплуатации 19
1.3.1 Контроль мощности дизельных двигателей и её распределение по цилиндрам 20
1.3.2 Оценка работоспособности топливной аппаратуры 24
1.3.3 Определение технического состояния цилиндро-поршне-вой группы (ЦПГ), кривошипно-шатунного механизма (КШМ), механизма газораспределения (МГР) 26
1.4 Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования 33
Глава 2 Специализированная система диагностики дизеля по результатам анализа отработавших газов 35
2.1 Постановка задачи создания специализированной системы диагностики дизеля по составу отработавших газов 35
2.2 Совершенствование структурно-следственных моделей систем дизеля для реализации логического алгоритма диагно стики по составу отработавших газов 37
2.2.1 Структурно-следственная модель цилиндро-поршневой группы 38
2.2.2 Структурно-следственная модель системы газораспределения 40
2.2.3 Структурно-следственная модель системы питания 42
2.2.4 Структурно-следственная модель системы впуска 44
2.2.5 Структурно-следственная модель системы выпуска дизеля 46
2.2.6 Структурно-следственная модель системы охлаждения 49
2.2.7 Структурно-следственная модель системы смазки 51
2.3 Математическое моделирование влияния технического состояния дизеля на состав отработавших газов 53
2.4 Математическая модель поиска диагноза по известным концентрациям отработавших газов 61
2.5 Выводы по главе 2 72
Глава 3 Экспериментальная оценка системы диагностики дизе ля по составу отработавших газов в поддержании мощностных, экономических и экологических параметров 73
3.1 Постановка задачи экспериментального исследования 73
3.2 Методика проведения экспериментального исследования 74
3.3 Экспериментальная установка 76
3.4 Оценка погрешности измерений 78
3.5 Количественные результаты исследований вредных выбросов дизеля 14 15/18 80
3.6 Результаты определения адекватности экспериментальных исследований вредных выбросов дизеля размерности 15/18. 81
3.7 Выводы по главе 3 85
Глава 4 Результаты экспериментальной оценки возможностей поддержания мощностных, экономических и экологических показателей дизельных двигателей 86
4.1 Концентрация токсических составляющих в выхлопе исправного дизеля 14 15/18 86
4.2 Влияние изменения степени сжатия на уровни вредных выбросов с отработавшими газами дизеля 14 15/18 87
4.3 Влияние изменения разрежения на впуске на уровни вредных выбросов с отработавшими газами дизеля 14 15/18 89
4.4 Влияние изменения диаметра отверстий распылителя форсунки на уровни вредных выбросов с отработавшими газами дизеля 14 15/18 91
4.5Влияние изменения регулировки угла опережения впрыска топлива на уровни вредных выбросов с отработавшими газами дизеля 14 15/18 93
4.6 Влияние изменения продолжительности впрыска топлива на уровни вредных выбросов с отработавшими газами дизеля 14 15/18 95
4.7 Выявление неисправностей (диагнозов) дизеля 14 15/18 для проведения диагностирования по найденным концентрациям отработавших газов. 97
4.8 Определение признаков неисправностей дизеля 14 15/18 по известным концентрациям вредных выбросов в отработавших газах 98
4.9 Методика определения диагноза дизеля (14 15/18) по полученным, в процессе работы дизеля, концентрациям отдельных токсических составляющих выхлопа. 100
4.10 Выводы по главе 4 104
Общие выводы 106
Список литературы
- Основные факторы, влияющие на ухудшение мощностных, экономических и экологических показателей дизелей в составе дизель-электрических станций
- Постановка задачи создания специализированной системы диагностики дизеля по составу отработавших газов
- Постановка задачи экспериментального исследования
- Концентрация токсических составляющих в выхлопе исправного дизеля 14 15/18
Введение к работе
Актуальность темы
Энергетическим объектом большого числа автотранспорта, дизель-электрических станций, различных приводов в промышленности является дизель, фактическая надёжность которого в условиях эксплуатации ниже нормативных значений, что приводит к простоям техники и росту затрат на ремонтно-обслуживающие воздействия.
Контроль работы и управления силовыми установками с двигателями внутреннего сгорания (далее ДВС) связан с выполнением все большего числа всевозможных воздействий на отдельные органы управления двигателей, вспомогательных механизмов и устройств, что становится все более затруднительным, если учесть, что человек, находясь длительное время у источников шума, вибраций, высокой температуры и т.д., быстро теряет остроту восприятия со всеми вытекающими последствиями. Многие отрицательные явления, возникающие при работе дизелей, настолько быстротечны, что ответные действия со стороны человека очень часто не могут устранить причины назревающего аварийного состояния двигателя. Практически установлено, что защитить двигатель от неминуемой аварии по этой причине в подавляющем большинстве случаев может только система автоматики оповещения.
Существующие методы определения технического состояния дизелей не в полной мере обеспечивает их безразборную диагностику. Привлекательным и недостаточно разработанным является метод оценки технического состояния дизелей по составу отработавших газов, который позволяет в целом ряде случаев избегать замены узлов и деталей не выработавших нормативные сроки отказов дизелей по причинам недостаточности инфор-
мации при проведении регламентного определения их технического состояния.
Ввиду того, что стандартами предусмотрен периодический контроль выбросов в окружающую среду, встает вопрос об использовании этой информации как дополнительной при определении технического состояния дизелей и его отдельных систем.
Целью работы явилась разработка методологии использования информации о составе отработавших газов дизеля для определения его технического состояния в целом и отдельных систем и узлов.
Задачами исследования явились следующие:
Выполнить анализ данных и изучить существующие методы определения технического состояния дизельных двигателей.
Изучить состав отработавших газов и природу образования их отдельных компонентов.
Изучить влияние различных видов неисправностей на концентрации отдельных составляющих отработавших газов дизелей размерности 15/18.
Разработать математическую модель поиска диагноза по известным концентрациям отдельных составляющих отработавших газов дизелей.
Разработать методологии и систему диагностирования дизелей по составу отработавших газов, позволяющую определять техническое состояние дизеля.
Объект исследования: Состав отработавших газов (концентрации оксидов азота, углеводородов и твёрдых частиц) в зависимости от технического состояния дизельного двигателя.
Научная новизна состоит в установлении связи состава отработавших газов с техническим состоянием дизельного двигателя его систем и узлов,
разработка на основе метода Байеса модели и методологии определения технического состояния дизеля с использованием данных о концентрациях отдельных составляющих отработавших газов, получение экспериментальных данных о составе отработавших газов дизелей размерности 15/18, при различном техническом состоянии.
Работа выполнена как часть целевой комплексной программы СО РАН «Экология», блок «Атмосфера», научно-технической программы Ми-нобрнауки Российской Федерации, перспективного плана развития НИР Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ) им. И. И. Ползун ова.
Практическая ценность заключается в том, что разработанная в процессе исследования методология определения технического состояния дизеля на основе использования информации о составе отработавших газов, позволяет решить проблему безразборного определения технического состояния дизеля и дает конкретные рекомендации по организации системы диагностирования.
Реализация результатов исследовании состоит в возможности использования разработанной модели и её алгоритма для определения технического состояния дизельного двигателя в процессе эксплуатации. Методология оценки технического состояния дизеля по составу отработавших газов и программное обеспечение передано для использования на ОАО ХК «Барнаул трансмаш».
Апробация работы. Материалы исследований, теоретических разработок и экспериментальных исследований по теме диссертационной работы доложены на научно-технических конференциях Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, в 1998 - 2004 годах.
Публикации.
Все основные положения диссертации опубликованы в шести статьях, в сборниках Российской Академии транспорта, Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (128 источников), и содержит 121 страницу, включая 17 рисунков и 20 таблиц.
В соответствии с содержанием диссертационной работы, автор на защиту выносит следующие положения:
Возможности использования результатов анализа состава отработавших газов для определения неисправностей дизелей;
Результаты установления связей уровней вредных выбросов с параметрами рабочего процесса дизеля;
3.Модернизированную математическую модель определения видов неисправностей от состава отработавших газов дизельного двигателя;
Методологию комплексного диагностирования дизеля по составу отработавших газов в целях поддержания технического состояния дизеля;
Результаты экспериментальных исследований состава отработавших газов при различных неисправностях дизелей семейства 15/18.
Основные факторы, влияющие на ухудшение мощностных, экономических и экологических показателей дизелей в составе дизель-электрических станций
Состав отработавших газов и природа образования их отдельных компонентов достаточно изучены в России и за рубежом И.Л. Варшавским, Р,В. Маловым, В.Н. Ложкиным, О.И. Демочкой, А.С. Лоскутовым, А.И. Френкелем, Я.Б. Зельдовичем, В.И. Смайлисом, А.Л. Новосёловым и др. [3, 7,13,22,35,36,64,87].
В своей основе отработавшие газы дизеля состоят из относительно безвредных составляющих и лишь небольшую долю составляют токсичные и канцерогенные вещества.
В отработавших газах дизелей исследователями найдено более 1200 компонентов, но подробно изучены только около 200. Элементный состав отработавших газов условно делят на шесть групп: 1) Оксид углерода (СО) - токсичные; 2) Оксиды азота (NOx) - токсичные; 3) Альдегиды (СНОН) - токсичные; 4) Углеводороды (СхНу) - токсичные; 5) Твердые частицы (ТЧ), включая сажу - токсичные; 6) Азот, кислород, водород, углекислый газ, водяной пар - нетоксич ные. Механизмы образования этих веществ состоят в следующем:
Оксид углерода СО образуется в цилиндре двигателя с самовоспламенением от сжатия уже в ходе предпламенных реакций при сгорании дизельного топлива с локальными недостатками окислителя, а также при диссоциации С02 при температурах выше 2000К, что может иметь место в цилиндре дизельного двигателя за зоной горения с поверхности факела топлива, где существует избыток топлива и недостаток кислорода. Источниками образования оксида углерода могут быть также капли топлива, поступающие в камеру сгорания на поздних стадиях впрыска и сгорающие в диффузионном пламени, догорающие на линии расширения частицы сажи. В отработавших газах дизельного двигателя содержание оксида углерода сравнительно невысоко 0,2...0,3%, т.к. образовавшаяся в некоторых зонах богатая смесь успевает догореть в такте расширения, а общее количество воздуха в цилиндрах дизеля всегда достаточно.
Оксиды азота NOx образуются при реакции химически инертного при атмосферных условиях азота и кислорода при высоких температурах и давлениях в районе верхней мёртвой точки в диапазоне 35... 40 п.к.в.
В цилиндрах дизеля оксиды азота возникают в первый и второй периоды сгорания. Скорость образования оксидов в первый период сгорания в несколько сот раз выше, чем во второй период сгорания. Это объясняется более высокими температурами и давлениями в цилиндре двигателя на такте расширения. В цилиндре до достижения максимального давления возникновение оксидов азота происходит в зонах топливного факела, где смесь по составу приближается к стехиометрическои (а = 1,00... 1,05), a температура пламени в отдельных участках может достигать 2 500К и более. Дальнейшее окисление NO при наличии свободного атомарного кислорода в цилиндрах и выпускных коллекторах приводит к появлению других оксидов азота N02, N204, N205.
При резком уменьшении температуры в цилиндре двигателя ниже 2300К время образования оксидов азота составляет больше 10"1 с, а это больше продолжительности цикла. В результате этого содержание окиси азота в отработавших газах дизеля остаётся на уровне равновесной концентрации, происходит явление называемое «закалкой» газов. Альдегиды образуются при низких температурах в зонах окисления, имеющих место при пусках двигателей, а также на рабочих режимах в отдельных зонах, где происходит быстрое охлаждение горящей смеси холодными поверхностями камер сгорания. В дизелях альдегиды могут образовываться и в зонах реакции обедненных смесей.
Углеводороды СХНУ представляют собой пары используемого топлива и многочисленные продукты его неполного окисления и крекинга. В дизеле углеводородные соединения образуются в результате плохого распылива-ния, подтекание топлива вследствие неплотной посадки иглы. В нормально работающем двигателе углеводороды сохраняются в относительно холодных пристеночных зонах.
Образование углеводородов можно рассматривать и как следствие реакций цепочно-теплового взрыва - пиролиза и синтеза с появлением полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наиболее токсичный из углеводородов - бенз-а-пирен (С20Н12) образуется при пиролизе углеводородных топлив при температуре свыше 873К.
Твердые частицы включают нерастворимые (твердый углерод, оксиды металлов, диоксид кремния, сульфаты, нитраты) и растворимые в органическом растворителе (смолы, фенолы, лак, нагар, тяжелые фракции, содержащиеся в топливе и масле) вещества.
Сажа (твердый углерод) является основным компонентом нерастворимых твердых частиц. Сажа представляет собой продукт пиролиза топлива и полимеризации ядер капель топлива при работе дизеля на богатых смесях. Сажа образуется в основном в зоне форсунки и в ядре топливного факела.
Постановка задачи создания специализированной системы диагностики дизеля по составу отработавших газов
Основной задачей системы технической диагностики является определение технического состояния объекта по замеренным параметрам работы дизеля.
Целью автоматического контроля параметров дизеля является: снижение затрат на техническое обслуживание; повышение эффективности использования дизельного двигателя; предупреждение аварий и преждевременного ремонта, повышение достоверности постановки диагноза; снижение использования труда обслуживающего персонала.
Таким образом, цель системы технической диагностики - поддержание технического состояния дизеля в предельном или около предельном состоянии, т.е. эксплуатация двигателя не по существующим нормам технического обслуживания, а по фактическому состоянию. Эксплуатация по техническому состоянию может принести выгоду равную до 30% стоимости самого дизеля.
Диагностирование, как уже указывалось в главе 1, бывает эксплуатационным и стендовым, хотя это разделение в определенной степени условно, так как оценка технического состояния двигателя в эксплуатации является также оценкой технического состояния в данный момент времени. Основным различием этих методов является возможность достижения цели.
Для системы эксплуатационного диагностирования необходимо быстрое установление диагноза. Для реализации этого необходимы простые и недорогие, но надежные средства диагностирования. Диагностические средства должны, по возможности, иметь малую массу и небольшие размеры, к тому же дизель должен быть приспособлен к диагностированию.
Ввиду сложностей выполнения указанных задач эксплуатационное диагностирование почти не применяется. Эксплуатационное диагностирование имеют судовые и тепловозные двигатели.
Для стендовых систем диагностирования, в основном, нет ограничения по времени, массе, размерам.
Невозможность прямого измерения некоторых параметров двигателя (зазоры в цилиндро-поршневой группе, величина нагара в камере сгорания, качество распыливания топлива и т.д.) приводит к поиску замещающих параметров, которые могли дать оценку технического состояния. В нашем случае этим параметрам является состав"отработавших газов.
Для исследования технического состояния дизельного двигателя необходимо создать систему технического диагностирования.
Объект исследования - дизель необходимо рассматривать по системам и механизмам: - цилиндро-поршневая группа; - механизм газораспределения; - система питания; - система впуска; - система выпуска; - система охлаждения; - система смазки.
Так же для более детального и точного исследования данных механизмов и систем их можно разделить на отдельные узлы и детали.
Для разработки системы диагностирования необходимы следующие условия: 1) должны быть собраны и изучены данные об отказах дизеля; 2) должны быть изучены процессы происходящие в двигателе при различных отказах; 3) должны быть выделены узлы и системы которые нужно диагностировать чтобы знать состояние двигателя; 4) должна быть разработана модель диагностирования;
В данной работе за основу были использованы структурные схемы разработанные А.В. Унгефуком [87]. Данные схемы были усовершенствованы автором. В схемы было добавлено сравнение полученных концентраций составляющих отработавших газов двигателя со статистическими данными при различных состояниях дизеля и выявления диагноза учитывая вероятности появления неисправностей при различных уровнях выбросов с отработавшими газами. Техническое состояние цилиндро-поршневой группы в значительной мере влияет на состав отработавших газов. Это влияние заключается в следующих параметрах: коэффициент наполнения; коэффициент избытка воздуха; температур и давлений в цилиндре дизеля в различных фазах таких как: температур начала сжатия Та, конца сжатия Те, начала воспламенения Тн, максимальной Tz в цилиндре, давлений начала сжатия Ра, конца сжатия Рс, начала воспламенения Р,„ максимального в цилиндре Pz; величина периода задержки воспламенения, зависящего от наличия паров масел в камере сгорания; изменения скорости испарения топлива со стенки.
Коэффициент избытка воздуха связан со степенью турбулизации заряда, изменением концентрации кислорода в объеме сжатия, зазоров в сопряжении «поршень - кольцо - цилиндр».
Постановка задачи экспериментального исследования
Исходя из поставленных в предыдущих главах задач и результатов теоретических исследований следующим этапом является постановка экспериментов.
Экспериментальные исследования имеют свои цели: проверка разработанных теоретических моделей диагностирования дизеля, установление закономерности между техническим состоянием двигателя и составом отработавших газов, оценка достоверности и точности полученной информации о техническом состоянии объекта, доработка и уточнение, если это необходимо, разработанного метода диагностирования.
Для решения вышеперечисленных целей необходимо решить следующие задачи. 1. Разработать методики выполнения экспериментальных исследований, обосновать выбор оборудования (датчиков, средств измерения), информационно-измерительных систем и определить их погрешности. 2. Исследовать сигналы, выдаваемые датчиками. Определить информационные признаки датчика, структуру и метрологические показатели (точность, диапазоны частот амплитуд и т.д.). 3. Провести экспериментальные исследования по разработанной диагностической модели. Выявить связь технического состояния дизеля с составом отработавших газов. 4. Оценить адекватность полученных характеров изменений концентраций отдельных составляющих отработавших газов в зависимости от технического состояния дизеля.
Выбранный для проведения испытаний одноцилиндровый отсек 14 15/18 имеет степень сжатия є =15, укомплектован серийным поршнем производства ОАО ХК «Барнаултрансмаш». Удельный расход топлива ge= 242 г/кВт-ч, на режиме номинальной мощности Ne=21,5 кВт, при частоте вращения п=1500 мин 1. Угол опережения впрыска топлива для данного двигателя имеет регулировку 0=ЗОп.к.в. до ВМТ. Температура окружающей среды 25С. Давление во впускном трубопроводе Р=0,096 МПа.
Дизель укомплектован топливным насосом высокого давления размерности 10/12. Форсунка имеет 8 отверстий диаметром 0,25 мм (25x10"5м).
Измерение и обработка данных по концентрациям вредных выбросов в отработавших газах дизеля производилась по ГОСТ 17.2,2.05, а общая методика проведения опытов производилась согласно методике, приведённой в ГОСТ 18509.
Данный дизель обкатывался перед проведением экспериментов 24 часа. После обкатки проводились опыты, путём введения искусственных неисправностей, при неизменной частоте вращения п=1500 мин 1, на режиме номинальной мощности. Отборы проб концентраций вредных составляющих отработавших газов, при введении каждой неисправности, производились не менее 10 раз, затем определялось среднее значение. Измерение концентраций вредных составляющих отработавших газов производилось при следующих технических состояниях дизеля: 1 Изменение степени сжатия (є) от 13 до17; 2 Изменение давления во впускном трубопроводе (Рвп) от 0,092 МПа до 0,100 МПа; 3 Уменьшение диаметра отверстий распылителя (dc) от 0,00025м до 0,00015 м; 4 Изменение угла опережения впрыска топлива (0) от 26 п.к.в. до ВМТ до 34 п.к.в. до ВМТ; 5 Изменение продолжительности впрыска топлива (фвпр) от 26 п.к.в. до 34 п.к.в.
Установка смонтирована на плите. Основной агрегат установки (рисунок 3.2) представляет собой дизель 14 15/18 (7), соединённый муфтой (5) с балансирной машиной (25). Балансирная машина оборудована измерительной головкой «Rapido» (3) и тахометром «Vsetin» (26).
Система впуска дизеля включает устройство дозирования подачи количества воздуха (28), оборудованного мембраной (29). Подача воздуха регулируется краном (27), установленным на пульте. Также в систему впуска входят промежуточная впускная труба (30), газовый счётчик ТПР-100-2-1 (2), ресивер (1) и впускная труба (4). Давление во впускном трубопроводе измеряется манометром (6).
Концентрация токсических составляющих в выхлопе исправного дизеля 14 15/18
При падении давления во впускном коллекторе (засорение фильтра) происходит падение коэффициента наполнения, снижается давления в начале сжатия, в конце сжатия и в начале воспламенения, которые суммарно влияют на продолжительность периода сгорания (продолжительность падает) в результате ухудшается сгорание топлива в цилиндре и происходит рост концентрации сажи, твёрдых частиц, углеводородов и снижение концентрации оксидов азота в выхлопе дизеля.
Полученные результаты полностью подтверждают версию о возможности определения технического состояния дизеля изучая состав отработавших газов двигателя.
Влияние закоксовывания отверстий распылителя на рабочий процесс было изучено в работах многих исследователей [33, 40, 56].
Коксование отверстий распылителя форсунки может происходить при длительной работе дизеля на малых нагрузках.
Для изучения зависимостей уровней вредных выбросов от диаметра сопловых отверстий было смоделировано коксование отверстий распылителя до диаметров 0,000225 м, 0,00020 м, 0,000175 м и 0,000150 м. У исправной форсунки диаметр отверстий распылителя составляет 0,00025 м.
Влияние степени закоксованности отверстий распылителя на выбросы вредных веществ можно проследить по полученным результатам, сведенным в табл. 4.4, а на рисунке 4.3 данные таблицы представлены в виде графиков.
Такой характер изменения концентрации вредных веществ в отработавших газах при уменьшении отверстий распылителя форсунки можно объяснить ухудшением условий сгорания топлива в цилиндре, так как снижается качество распыливания топлива, в результате в цилиндре дизеля образуются зоны вокруг форсунки с богатой смесью, в остальном объеме камеры сгорания смесь сильно обеднена.
Учитывая результаты, полученные в данном эксперименте можно подтвердить предположение о возможности определения технического состояния дизеля по составу отработавших газов.
Влияние угла опережения впрыска топлива (0) на рабочий процесс и состав отработавших газов дизелей было ранее изучено рядом исследователей [3, 4, 7].
Изменение угла опережения впрыска топлива может быть вызвано неправильной регулировкой или неисправностью муфты изменения угла опережения впрыска топлива.
В данной работе было смоделировано изменение угла опережения впрыска топлива до 26, 28, 30, 32 и 34 п.к.в. до ВМТ. В исправно отрегулированном дизеле 0=30 п.к.в. до ВМТ.
В результате были обнаружены следующие зависимости уровней выбросов вредных выбросов от регулировки угла опережения впрыска топлива (табл.4.5). Более ясное представление о характере изменения концентраций вредных выбросов дают графики, построенные по данным табл. 4.5, представленные на рисунке 4.4.
При увеличении угла опережения впрыска топлива концентрации твердых частиц и углеводородов уменьшаются, а концентрации оксидов азота возрастают это можно объяснить тем, что при более ранних углах впрыска увеличивается доля испаренного топлива до ВМТ, время отводимое на рабочий процесс увеличивается и сгорание происходит более полно.
Учитывая результаты исследования можно сделать вывод о целесообразности определения правильности регулировки угла опережения впрыска топлива по составу отработавших газов.
Влияние продолжительности впрыска на рабочий процесс было изучено в работах многих исследователей [33, 40, 56]. Изменение продолжительности впрыска топлива может происходить из-за неправильной регулировки усилия затяжки пружины форсунки.
В целях установления зависимостей изменения концентраций токсических составляющих в выхлопе дизеля от продолжительности впрыска топлива, было проведено исследование состава отработавших газов при продолжительностях впрыска 26, 28, 30, 32 и 34 п.к.в. Продолжительность впрыска исправного дизеля составляет 30 п.к.в.
