Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ работ, посвященных разработке и исследованию методов диагностирования дизеля в условиях эксплуатации 12
1.1. Необходимость диагностирования технического состояния дизеля в условиях эксплуатации 12
1.2. Методы диагностирования дизеля с использованием неустановившихся режимов работы 14
1.3. Применение разгонов и выбегов дизеля при диагностировании его технического состояния 16
1.4. Влияние переходных процессов в системах дизеля на его выходные показатели 18
Глава 2. Теоретические основы диагностирования дизеля с использованием неустановившихся режимов - режимов разгонов и выбегов 24
2.1. Принципы диагностирования технического состояния дизеля с использованием режимов разгонов и выбегов 24
2.1.1. Дискретное диагностирование 24
2.1.2. Диагностирование по форме внешней скоростной характеристики 28
2.1.3. Алгоритм проведения операций диагностирования при разгоне 30
2.2. Диагностирование при режимах выбега 31
2.3. Анализ переходных процессов в системах дизеля, влияющих на результаты диагноза, при использовании режимов разгона и выбега 33
2.3.1. Переходные процессы в линиях низкого давления и методы их устранения 33
2.3.2. Переходные процессы в линиях высокого давления топлива 35
2.4. Разработка методов определения степени влияния п. п. в системах дизеля на результаты диагноза 47
2.4.1. Математическое моделирование НУР дизеля при квазистатическом представлении переходного процесса 48
2.4.2. Математическое моделирование НУР дизеля при учёте переходных процессов втопливной аппаратуре 51
2.5. Блок-схемы алгоритмов математического моделирования неуста новившегося режима работы дизеля 54
Глава 3. Основные методические положения экспериментального и расчётного исследования 57
3.1. Основные методы и средства измерения параметров и показателей работы дизеля при диагностировании 57
3.2. Основные методические положения 68
3.3. Стенды и приборы 70
3.4. Оценка погрешностей измерений и обработки результатов .74
3.5. Определение достоверных характеристик разгона и выбега ,78
3.6. Методика определения моментов инерции двигателя и установки 81
Глава 4 Результаты расчётно - экспериментальных исследовании 84
4.1. Исследование метода диагностирования на режимах разгона дизеля без потребителя 84
4.2. Исследование метода диагностирования на режимах разгона дизеля с потребителем, но без нагрузки 90
4.3. Исследование метода диагностирования на режимах разгона дизеля с потребителем и с нагрузкой 93
4.4. Исследование метода диагностирования на режимах выбега дизеля с нагрузкой и без нагрузки 106
4.5. Определение изменений крутящего момента, связанных с п. п. в топливной аппаратуре 119
Заключение 131
Список литературы 133
Приложения
- Методы диагностирования дизеля с использованием неустановившихся режимов работы
- Анализ переходных процессов в системах дизеля, влияющих на результаты диагноза, при использовании режимов разгона и выбега
- Определение достоверных характеристик разгона и выбега
- Исследование метода диагностирования на режимах разгона дизеля с потребителем, но без нагрузки
Введение к работе
В условиях эксплуатации параметры и показатели работы двигателя и его агрегатов меняются с течением времени, в конечном итоге выходя за пределы, допустимые для дальнейшей эксплуатации. Отклонение показателей работы двигателя от предусмотренных паспортом, техническими условиями на эксплуатацию, приводят к потере производительности, повышению расхода топлива, повышению токсичности и дымности выбросов, снижению моторесурса двигателя, могут привести к аварийной ситуации и т. д. Для исключения неожиданных отказов, аварийных ситуаций, для прогнозирования появления и развития условий появления внезапных отказов, необходимо проведение диагностирования технического состояния двигателя в течение эксплуатации.
Наиболее прогрессивными методами диагностирования являются такие, которые позволяют оценивать состояние двигателя, практически не выводя его из технической эксплуатации. Диагностирование такого типа проводится как правило на эксплуатационных режимах, а последние для автотракторных двигателей на 90 - 95% являются неустановившимися. Применение неустановившихся режимов (НУР) для диагностирования двигателя полезно также потому, что получаемые результаты наиболее близко соответствуют показателям работы двигателя в условиях реальной эксплуатации.
В то же время, результаты диагностирования двигателя на неустановившихся режимах обычно сравнивают с эталонными, которые получены в заводских условиях, преимущественно на установившихся режимах (УР). Такое сравнение может оказаться некорректным, т. к. результаты диагноза, полученные при НУР, отличаясь от результатов, полученных при УР, совсем не обязательно свидетельствуют о нарушениях в работе систем двигателя, а лишь являются свидетельством того, что рабочие процессы при УР и НУР могут существенно отличаться. Следовательно, используя диагностирование
при НУР, необходимо знать особенности рабочих процессов двигателя в этих условиях и их учитывать в результатах диагноза. Либо необходимо принимать соответствующие меры, исключающие влияние особенностей НУР на результаты диагностирования.
Во многих случаях при испытаниях двигателей и их диагностировании применяются сложные специальные стенды, позволяющие имитировать работу двигателя в соответствующих условиях эксплуатации. В то же время, целый рад неустановившихся режимов может быть осуществлён без применения специальных нагрузочных устройств, т. е. сравнительно простыми средствами. К таким режимам относятся режимы разгона и выбега. Т. е. режимы, при которых двигатель нагружается инерционными силами, для чего не требуется применение специальных тормозных устройств.
Применение таких НУР для испытаний и диагностирования технического состояния двигателя существенно снижает время, необходимое для этой процедуры. Особенно эффективно применение таких методов при использовании соответствующих автоматизированных электронных систем с устройствами расчёта результатов и. т. д.
В настоящей работе проведена разработка метода, способа (т. е. в конечном итоге алгоритма и программы) проведения процедур диагностирования дизеля, позволяющих в результате получить данные о протекании внешней скоростной характеристики дизеля, как наиболее полной информации о его техническом состоянии. Разработанный способ учитывает особенности рабочих процессов в системах дизеля при неустановившихся режимах работы, что позволяет сравнивать полученные результаты с эталонными, полученными в заводских условиях, на испытательных стендах при установившихся режимах.
Методы диагностирования дизеля с использованием неустановившихся режимов работы
При диагностировании технического состояния дизелей различного назначения широко применяются неустановившиеся режимы их работы [1, 9, 16, 17, 20, 27, 32, 37, 38, 40, 42, 44, 45, 55, 57, 59, 64, 66, 73, 75, 77]. Целесообразность и необходимость применения НУР в испытаниях и диагностировании двигателей связана с тем, что в реальных условиях эксплуатации двигатели работают преимущественно на неустановившихся режимах. Поэтому применение НУР для испытаний и диагностики повышает достоверность получаемой информации.
Во многих случаях целесообразность применения НУР для испытаний связана с тем, что их использование позволяет существенно сократить время испытаний. Особенно это целесообразно при проведении ресурсных испытаний, а также испытаний на надёжность, безотказность, а также специальных испытаний, с" целью выявления наиболее слабых деталей и узлов двигателя, вплоть до разрушающих испытаний.
При этом могут применяться реальные эксплуатационные режимы, которые зарегистрированы в условиях реальной эксплуатации, т. е. детерминированные режимы. На специальном испытательном стенде они многократно имитируются, повторяются с помощью соответствующих программных систем управления нагрузкой и частотой вращения вала двигателя и т. д. Так, международным союзом железнодорожников разработана программа ускоренных испытаний дизелей и тепловозов на специальном кольцевом участке железнодорожного полотна, выполненного с повышенными условиями на-гружения.
Могут использоваться режимы, полученные в условиях эксплуатации после их статистической обработки, К таким режима относятся, например, ездовые испытательные циклы, получившие широкое распространение в связи с проблемами снижения токсичности выбросов автомобильного транспорта [13]. Для целей ускоренного определения надёжности и долговечности двигателя применяются НУР, позволяющие увеличить интенсивность нагру-жения двигателя механическими и термическими нагрузками [9]. Например, повышают амплитуду изменения нагрузки, интенсифицируют тепловые перепады в деталях ДВС, сознательно увеличивают амплитуды изменения частоты вращения, повышают ускорения вращения вала и т. д. В результате испытаний на таких режимах достигается ускоренное определение эксплуата ционных показателей двигателя, связанных с длительными процессами работы. В работе [27] предложен стенд с воспроизведением случайных нагрузок с заданными статистическими характеристиками. При приработке двигателя на стенде стабилизация параметров наступает в 1,8 раз быстрее, чем при обычном методе приработки.
В условиях эксплуатации и в условиях производства широко используются режимы разгона и выбега для испытаний и диагностирования двигателей. Так, известна разработка системы заводских сдаточных, проверочных испытаний автомобильных двигателей на конвейере. В этих условиях, когда производство автомобильных двигателей составляет сотни тысяч штук в год, скорость конвейера чрезвычайно высока, необходимо проводить проверку состояния собранного двигателя за чрезвычайно короткое время. При этом, необходимо проверить, развивает ли двигатель паспортную мощность, обладает ли он достаточными динамическими качествами, срабатывает ли регулятор частоты вращения при превышении допустимого уровня частоты, не превышены ли уровни механических потерь, не превышены ли уровни дымно сти выбросов, а также расходы топлива. Стенд устанавливается непосред ственно на конвейере и все операции проводятся автоматически. Режимы испытаний - разгон и выбег. Во время этих НУР регистрируются время, частоты вращения, а также смещения двигателя под действием изменяющихся боковых сил, реактивных сил и моментов, которые и являются показателями качества двигателя. Т. е. в этих условиях результаты диагноза сравниваются с эталонными, а реальные мощность, расходы топлива и т. д. не фиксируются. Среди методов испытаний на таких режимах можно отметить разгоны — выбеги длительные, т. е. протекающие как правило от минимальной частоты вращения до номинальной или максимальной. Результатом испытаний являются показатели, преимущественно время, всего процесса разгона или разгона - выбега. При этом, показатели мощности, момента и т. д. могут вычисляться и затем сравниваться с эталонными. Но могут использоваться и прямо значения времени п. п., которые и сравниваются с эталонами. С развитием электронных систем регистрации параметров разгона - выбеги стали проводить, регистрируя показатели режима на отдельных его участках, вплоть по короткого участка, равного продолжительности цикла работы двигателя. А в настоящее время проводятся испытания и диагностирование с измерением текущей частоты вращения, по которой судят о качестве двигателя. Наиболее широко режимы разгона и выбега используются при диагностировании ДВС.
Анализ переходных процессов в системах дизеля, влияющих на результаты диагноза, при использовании режимов разгона и выбега
Наполнение надплунжерного пространства ТНВД существенно зависит от давления подкачки, т. е. давления в линии низкого давления — ЛНД. Исходным режимом перед свободным разгоном является работа дизеля на холостом ходу при сравнительно низкой частоте вращения. При этом, давление, создаваемое на этом режиме подкачивающим насосом, является как правило, минимальным. Мгновенный перевод рейки ТНВД в положение полной подачи толплива приводит к резкому увеличению расхода топлива из ЛНД. Приэтом, давление в ЛНД резко падает. Требуется определённое время для того, чтобы подкачивающий насос создал достаточное давление, чтобы необходимое количество топлива прошло ко входу в ТНВД. Это время задержки зависит, в частности, от сопротивления фильтра топлива, от температуры топлива, а следовательно его вязкости, определяющей гидравлические потери на участке от насоса до ТНВД. При допустимом для установившихся режимов перепаде давления на фильтре экспериментально была показана возможность возникновения дефицита топлива на входе в ТНВД. Так, при резком разгоне происходит снижение наполнения ТНВД и коэффициента его подачи вплоть до выключения подачи топлива одной или несколькими секциями насоса. По прошествии некоторого времени, достигающего нескольких циклов работы двигателя, дефицит компенсируется работой подкачивающего насоса, производительность ТНВД восстанавливается. Пониженное наполнение надплунжерного пространства приводит также к возможности смещения начала подачи топлива ближе к ВМТ, к перераспределению расхода топлива по фазам топливоподачи. Т. е. меньше топлива впрыскивается в начальной стадии, а большее - в конечной. Это может привести к повышению остаточного давления в ЛВД и следовательно к возможности появления подвпрыскивания топлива.
Устранить возможность такого явления в ЛНД можно установкой между фильтром и входом в ТНВД некоторого аккумулятора - накопителя топлива, который компенсирует дефицит подкачки топлива в начале разгона, т. е. устраняет возможность появления п. п. в ЛНД. Другой путь решения проблемы - повышение давления подкачки топлива. Таким образом, при диагностике двигателя необходимо либо устранить возможность такого п. п. в ЛНД, либо начинать операции измерения угловых скоростей и ускорений, пропустив несколько циклов в начале процесса разгона, чтобы п. п. в ЛНД прекратился.
Одним из наиболее распространённых видов топливной аппаратуры (ТА), применяемой на современных дизелях, по-прежнему является аппаратура разделённого типа, т. е. содержащая насос высокого давления с нагнетательным клапаном, трубопровод высокого давления и форсунку закрытого типа. (Такой аппаратурой оснащён и дизель Д-6, принятый в качестве объекта исследования). Одним из параметров работы такой аппаратуры является остаточное давление (Рост) или остаточный свободный объём (Vocm) в линии высокого давления топлива (ЛВД). Последний появляется при наличии в ЛВД остаточного разрежения. Указанные остаточные давления (или разрежения) определяют начальные давления или начальные,свободные объёмы (разрежения) в ЛВД перед очередным циклом впрыскивания топлива ( Р„ач ), (Унач)- (В дальнейшем для удобства будем говорить об остаточном или начальном давлении, понимая под ним и отрицательное разрежение).
При работе дизеля остаточное давление предыдущего (і-того) цикла равно начальному давлению последующего (і+1 — го) цикла. Причём, на данном установившемся режиме работы дизеля (УР) эти параметры постоянны (с определённой нестабильностью SP„a40cm, свойственной данной аппаратуре и дизелю).
При неустановившемся режиме работы (НУР) дизеля справедливо соот Это связано с тем, что каждому типу аппаратуры соответствует определённая характеристика изменения остаточного и начального давления в функции от частоты вращения вала (п) или положения рейки (hp) топливного насоса высокого давления (ТНВД). Т. е. Pj$4i0Cm = f(nthp).. Следовательно, при НУР, когда происходит изменение п и/или hp, происходит соответствующее изменение остаточного и начального давлений. Т. е. рост,шч рост,иач Величина начального давления определяет такие параметры топливоподачи, как скорость распространения звука и сжимаемость топлива, которые приводят к уменьшению или увеличению цикловых подач топлива (в сравнении со сходственными циклами УР), изменению начала и конца впрыскивания, изменению всей характеристики впрыскивания. Следовательно, отличия в величинах начального давления при УР и при НУР определят отличия в процессах топливоподачи, а следовательно и отличия в протекании рабочих процессов в дизеле. Иначе говоря, если при УР справедливо положение, что
Определение достоверных характеристик разгона и выбега
Величина коэффициента расхода а для нормальных труб Вентури находится в пределах 1,00-1,16, следовательно, значение а должно браться в расчётах с абсолютной погрешностью не более 0,003. Величину те следует брать равной 3,14. Большее количество значащих цифр практически не повышает точность определения расхода жидкости дроссельным прибором, в то же время, брать в расчётах значение тс=3,1 нельзя, так как отброшенные цифры вносят недопустимую погрешность в окончательный результат расчёта. Действительно. Если взять тс=ЗД4 вместо 7г=3,14159 (то-есть тс«3,1416), то 8л=-(0,0016/3,1416). 100=-0,051%. (Пренебрежимо мала). Если взять 71=3,1 вместо 3,14, то 5,=-(0,04/3,14).100=-1,27% (недопустимо велика). Сравнение по точности массового и объёмного методов определения часового расхода топлива дизелем (при УР). Расчётные уравнения при определении расходов имеют следующий вид; Определение предельных погрешностей методов: 5атпРмас=±(03О5+0,5)=±0,55%. 5G Т 11р.об=±(0,5-Ю,05+0,05)=±0,6%. Результаты определения погрешностей измерений и расчётов сведены в таблицу 3.2. Повторные многократные реализации на испытательном стенде переходных процессов разгона и выбега должны быть максимально избавлены от влияния случайных отклонений в параметрах их протекания, т. е. должны быть максимально идентичными. Последнее обеспечивается идентичностью исходного теплового состояния двигателя, идентичностью исходной частоты вращения и номера цилиндра, с которого начинается п. п., неизменностью положений регулирующих органов двигателя, а при разгоне двигателя с потребителем - и потребителя. Несмотря на идентичность этих условий, наличие случайных процессов в системах двигателя и потребителя во время экс перимента приводит к значительному разбросу получаемых характеристик, что затрудняет выявление закономерностей, свойственных данному процессу, а также приводит к неоднозначности суждения о состоянии двигателя при его диагностировании. Использование однократных испытаний приводит к появлению ошибок в выводах проводимого анализа. Для достижения поставленной цели необходимо проводить многократные испытания с по следующей статистической обработкой результатов.
Ниже приводится методика и пример определения достоверной характеристики разгона дизеля при реализации многократных режимов разгонов [3, 71]. Существо метода заключается в определении статистических показателей функции вида n=f(t). В качестве оценки истинного значения измеряемой величины п примем её среднее значение "а". Надёжность этого равенства определяется величиной доверительного интервала, т. е. неравенством 1=А/а-нормированное отклонение; а- среднеквадратическое отклонение. Это значит, что с вероятностью Ф(А/а) можно ожидать, что неизвестное "а" отличается от найденного среднего п меньше, чем на А. Число проводимых испытаний всегда конечно и ограничено техническими и организационными возможностями. А среднеквадратическое отклонение ст неизвестно. Поэтому оценку точности проводят по эмпирическому стандарту Тогда доверительная оценка принимает вид где k = N-1 — число степеней свободы. Пусть имеется 9 переходных процессов разгона n=f(x). Зададимся доверительной вероятностью 0,95. Т. е. задаёмся условием, чтобы выбранная ха-рактеристика разгона с вероятностью 95% не отличалась от истинного значения на величину более, чем Д. В этом случае нормированное отклонение в малой выборке ta=2,23, а A=ta-S/ jN". Обработкой результатов 9 испытаний получаем, что погрешность определения частоты вращения дизеля в данном п. п. разгона меняется со временем от ±9 до +43 мин"1. По найденным осреднённым параметрам п строим характеристику разгона. Её точность является лежащей в найденном доверительном интервале, обеспеченном заданной надёжностью Р=0,95. В результате выявлена реальная кривая разгона, наиболее приближающаяся к осреднённому. Она и является наиболее достоверной в данной серии испытаний.
Проведение многочисленных экспериментальных разгонов с последующей их статистической обработкой - достаточно трудоёмкое занятие. Поэтому для получения равноточных результатов исследований желательно определить минимально необходимое число испытаний, которое обеспечивает получение данной точности. Проведём анализ изменения границ доверительных интервалов осреднения результатов эксперимента при различном числе опытов. Число проводимых опытов примем от N=2 до N=9. Примем надёжность, равной Р=0,95.Для каждого значения N определим нормированное отклонение в малой выборке ta, обеспеченное заданной надёжностью Р=0,95 и подсчитаем точность Д. Результаты расчётов показывают, что в данном виде испытаний минимальное число опытов не может быть меньше трёх. Этот вывод касается варианта выбора разгона, построенного по результатам осреднения ряда разгонов. Т. е. в таком случае за истину принимается разгон, реально не существующий, но отражающий характеристику разгона, наиболее достоверную в данных условиях. (Следует отметить, что в ходе статистической обработки проводится проверка на "выскакивающие" значения параметров, которых в исследованиях не оказалось. В противном случае эти значения нужно исключить из расчётов). Проведённые исследования показали, что пренебрегать неидентичностыо переходных процессов дизеля нельзя. Необходимы проведения многократных экспериментов, например, в данных видах испытаний не менее трёх, с последующей статистической оценкой точности результатов исследований.
Исследование метода диагностирования на режимах разгона дизеля с потребителем, но без нагрузки
Можно предположить, что особенно существенно влияние п. п. в ТА и п. п. в системе воздухоснабжения будут проявляться на режимах коротких разгонов, например, разгонов без нагрузки и без потребителя. Т. е. в этом случае турбокомпрессор успевает только страгиваться, не развивая какой либо существенной производительности. (Правда, как отмечалось ранее [23], у дизелей с низким газотурбинным наддувом, каким является исследуемый дизель, отставанием ТК в НУР можно пренебречь, так как степень влияния отставания коэффициента избытка воздуха при НУР от его значения при УР весьма незначительна). Всё же возможное влияние п. п. в системе воздухоснабжения можно снизить, если разгон проводить путём сброса исходной нагрузки. Т. е. от установившегося режима, при котором газовая турбина ГТН уже имеет некоторую мощность, а компрессор ГТН уже подаёт в двигатель повышенный расход воздуха. Таким образом, перед началом проведения диагностического режима необходимо поднять обороты турбокомпрессора. Предпочтительно, чтобы длительность разгона была достаточной для повышения давления наддува и для снижения степени влияния п. п. в ТА (т. е. для снижения влияния п. п. в этих системах на выходные показатели дизеля). Длительность разгона можно увеличить, подключив к валу двигателя дополнительную массу, например, сам потребитель (электрогенератор), но без нагрузки.
Как отмечалось выше, режим разгона можно применить и для оценки изменения динамических качеств дизеля при его форсировке теми или иными методами. В работе рассмотрены режимы разгона дизеля, у которого повышено давление подкачки топлива в ЛНД (до 2 - 2,2 МПа). Такое повышение не только устраняет п. п. в ЛНД, но и форсирует двигатель по подаче топли ва, благодаря повышению коэффициента наполнения надплунжерного пространства и повышению коэффициента подачи топливного насоса (форси-ровка по составу смеси). Другой метод форсировки — оснащение дизеля системой с РНД. Внешние характеристики дизеля при таких форсировках приведены на рис. 3.1.2, а результаты экспериментальных разгонов дизеля с тормозом (потребителем), но без нагрузки — на рис. 4.1.5. (Приведённые характеристики являются результатом статистической обработки множества экспериментальных реализаций разгонов, в соответствии с методикой, изло-женной в главе 3).
Обработка характеристик разгона позволила дать аппроксимацию ВСХ дизеля в штатном исполнении, а также при его форсировании по ЛНД и по РНД. При этом, результаты, полученные при коротких разгонах дизеля без потребителя и при сравнительно длительных разгонах дизеля с потребителем, но без нагрузки, несколько отличались. Так, ВСХ дизеля в штатном исполнении при коротком и длительном разгонах аппроксимированы следующими полиномами:
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы. Конечно, форсировка дизеля повышением давления в ЛНД и путём регулирования начального давления даёт повышение динамических качеств дизеля, соответст венно снижая время приёмистости в длительном разгоне на 4 и 15% по сравнению со временем приёмистости дизеля в штатном исполнении. А в коротком разгоне - на 3 и 12%. Однако, в данном исследовании наиболее важным является вывод о том, что длительный разгон позволяет повысить точность определения ВСХ при диагностических испытаниях. На рис. 4.1.6 показано, что при разгоне с тормозом, но без нагрузки, т. е. в длительном разгоне, погрешность метода существенно меньше, чем при коротком разгоне (соответственно погрешности 2 - 2,5% и 10 - 12 %. (Погрешность Дел.Тц=(Т1чллит - TtqmKop)l00/Tn m.) Иначе, реализация при диагностировании дизеля короткого разгона позволяет определить ВСХ с погрешностью порядка 10%. Аналогичные результаты получены при проведении диагностических испытаний дизеля, форсированного давлением в ЛНД и системой с РНД (рис. 4.1.7 и 4.1.8). В обоих случаях ВСХ, полученная в результате обработки режима разгона дизеля без нагрузки, но форсированного, соответственно по давлению в ЛНД или по РНД, совпадали с ВСХ, полученными при УР дизеля, форсированного этими методами, с точностыо до 8 - 10 % при коротких разгонах и с точностью до 2 - 3% - при длительных.
Осреднённые разгоны дизеля в штатном исполнении, с подкачкой в ЛНД и с системой РНД приведены на рис. 4.1.9. Как видно из характеристик, устранение п. п. в ТА приводит к повышению динамических качеств дизеля. Время приёмистости сокращается на 10 и 25% при форсировании дизеля по давлению в ЛНД и в РНД соответственно. Обработкой проведённых разгонов проведена оценка степени повышения эффективности разгона дизеля при системах ЛНД и РНД. Так, на рис. 4.1.10 показано, что благодаря повышению давления в ЛНД (при неизменном моменте на номинальном режиме, т. е.
