Диагностирование технического состояния дизелей по параметрам рабочего процесса

УДК 621.436.0046 ББК 39.354

В. И. Одинцов, С. А. Кабыш

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДИЗЕЛЕЙ ПО ПАРАМЕТРАМ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

V. I. Odintsov, S. A. Kabysh

DIAGNOSIS OF THE TECHNICAL STATE OF DIESEL ENGINES ON THE PARAMETERS OF THE OPERATION PROCESS

Анализируется возможность диагностирования судовых дизельных двигателей по теплотехническим параметрам. Для получения набора эталонных значений контролируемых параметров, учитывающих влияние внешних факторов, предлагается воспользоваться методом численного моделирования на основе математической модели рабочего процесса судовых двигателей внутреннего сгорания, разработанной на кафедре «Судовые энергетические установки» Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота. В качестве примера, демонстрирующего предложенные подход, приводятся конкретные регрессионные зависимости по выбранному двигателю.

Ключевые слова: судовые дизельные двигатели, рабочий процесс, численное моделирование.

The possibility of diagnosing marine diesel engines on their thermo-technical parameters is analysed in the paper. It is offered to use the method of numerical simulation based on a mathematical model of the operation process of marine combustion engines, developed at the Department "Ship Energy Installations" in Baltic State Academy of Fishing Fleet in order to obtain a set of control values of monitored parameters, taking into account the influence of external factors. Specific regression dependences on the chosen engine are shown as an example demonstrating the proposed approach.

Key words: marine diesel engines, operation process, numerical simulation.

Двигатели судов флота рыбной промышленности работают в зонах с изменяющимися метеорологическими условиями, на топливах с различными физико-химическими характеристиками, в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов.

С течением времени неизбежно ухудшается техническое состояние их основных элементов, к которым относятся: топливный насос высокого давления (ТНВД), цилиндропоршневая группа (ЦПГ), агрегаты наддува, выпускная система и т. д. Ухудшение технического состояния дизеля влечет за собой изменение значений регистрируемых параметров и их выход за пределы принятых уставок. Таким образом, суть диагностирования сводится к сравнению измеряемых параметров с некоторыми эталонными значениями.

Сложность процессов, протекающих в элементах дизеля, обусловила различные подходы к вопросу о диагностировании технического состояния дизелей по параметрам рабочего процесса. Так, в [1], на основе набора контролируемых параметров, разработана модель функционирования исправного дизеля, представленная в форме совокупности эталонных характеристик, рассчитанных на базе статистической обработки данных, полученных при различных условиях плавания. Предлагаются зависимости, отражающие влияние переменных факторов режима: указателя нагрузки (УН) и частоты вращения двигателя (n) на диагностические параметры в виде полинома первого и второго порядка. Таким образом, получены эталонные уравнения для среднего индикаторного давления (Pi) и максимального давления сгорания (Pz) малооборотного двигателя 5ДКРН 62/140:

' р1 = 0,2084(УН) - 0,004n - 0,0044;

P2 = (УН) - 0,00054n - 0,001(УН)2 - 0,000003n2 + 0,00055п(УН) -1,15;

* Pz1 = 0,4795(УН) + 0,02658n + 0,014;

^ Pz2 = 0,874(УН) - 0,0033n - 0,038(УН)2 + 0,0000014n 2 + 0,0018п(УН) +1,373.

В итоге строится матрица неисправностей технического состояния ДВС, в которой изменению набора диагностических показателей сопоставлен набор конкретных неисправностей или поломок. В то же время разработчики отмечают преимущества применения расчетных методов по сравнению с экспериментальными, т. к. расчетные методы позволяют изолировать влияние каждого из действующих факторов.

Подобная методика диагностирования, основанная на эксперименте, была применена специалистами Центрального научно-технического института морского флота (ЦНИИМФ) и Балтийского морского пароходства (БМП) для главного дизеля теплохода «Новогрудок» Зульцер 6К076 [2]. Исследования проводились в течение 6 месяцев в эксплуатационных условиях с применением прибора КК-6 фирмы «Аутроника». Измерялись следующие параметры рабочего процесса: частота вращения коленчатого вала дизеля, давление наддува, давление в цилиндре в конце процесса сжатия, максимальное давление цикла, давление на линии расширения при 36° поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки, среднее индикаторное давление, угол, соответствующий максимальному давлению, температура отработавших газов, указатель нагрузки. На основе измеренных параметров установлены следующие функциональные зависимости: Р* = АР) аР2 = АР) УН = АР,), Рс = АР) Твг = АР,), Р, = АР*), Рс = АР*). В предложенных регрессионных зависимостях все диагностические показателя являются функциями только одной переменной (среднего индикаторного давления или давления наддувочного воздуха).

В [3] приводится алгоритм диагностирования малооборотного дизеля 6 ДКРН 67/140 производства Брянского машиностроительного завода. Эталонные характеристики были получены по результатам стендовых испытаний в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала и среднего индикаторного давления. При таком подходе основные диагностические параметры стали функциями только двух переменных: частоты вращения и среднего индикаторного давления либо давления наддува: Р* = АР и п), аРг =А(Р,, п), АР, = А(Р, п) = Рг - Рс, Рс =АР*, п), Твг = АР,). По результатам регрессионного анализа получены соответствующие зависимости:

Р = 0,0473 + 0,02Р + 0,00025п + 0,016Р2 + 2 • 10-7 п2 + 6.25 • 10-4 Рп,

Рс = 1,51 + 52,89Р* - 0,0447п - 4,6Р*2 + 0,00023п2 - 0,140Р*п,

Твг = 312 +152,8Р -3,31п- 17,2Р2 + 0,0162п2 + 0,418Рп,

где Р* - давление в ресивере; п - частота вращения коленчатого вала двигателя; Р, - среднее индикаторное давление; Твг - температура отработавших газов.

Таким образом, в приведенных выше методиках устанавливаются зависимости только для одного конкретного двигателя. Возможность их применения для других двигателей авторами [1-3] не оценена. Кроме того, все контролируемые параметры являются функциями одной или двух независимых переменных. Влияние условий плавания учитывается косвенно.

С целью оценки влияния в явном виде технического состояния элементов дизеля на контролируемые параметры необходимо разработать соответствующие расчетные уравнения, учитывающие изменение метеорологических условий, технического состояния топливной системы высокого давления, системы наддува, характеристик топлива и т. д.

Такой подход должен быть основан на адекватной модели рабочего процесса ДВС. Для этого воспользуемся исследованиями, проведенными на кафедре «Судовые энергетические установки» Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота [4].

Величину изменения диагностического показателя (АДП) можно представить в виде

АДП = ДПСТенд - ДПХ,

где ДПстенд - эталонное значение диагностического показателя, полученное в стендовых условиях или расчетным способом при нормальных условиях окружающей среды; ДПХ - значение диагностических параметров в момент контроля технического состояния дизеля.

С учетом влияния действующих внешних условий и технического состояния ДВС выражение (1) может быть представлено в виде

ДПэ = ДПстенд - 1АДП,

где ДПэ - эталонное значение диагностического показателя, учитывающее влияние действующих факторов и технического состояния ДВС; ^АДП - суммарное влияние действующих факторов и текущего технического состояния ДВС.

Произведем группировку диагностических параметров либо по принципу сходной физико-химической природы возникновения, либо по принадлежности к агрегату дизеля, работу которого они характеризуют.

АДП = АДПрежим + АДПметео + АДПтопл + АДПТ/К + АДПф/х Топл + АДПмех,

где АДПрежим - влияние режимных факторов; АДПметео - влияние метеорологических условий; АДПтопл - влияние состояния топливной системы высокого давления; АДПт/к - влияние, вызванное текущим техническим состоянием системы наддува; АДПф/х топл - влияние физикохимических характеристик топлива; АДПмех - прочие воздействия, в том числе изменение технического состояния трущихся узлов и вследствие этого - изменение механического КПД.

Оценка механической напряженности производится по максимальному давлению сгорания (Р2) и скорости нарастания давления в цилиндре (средней и максимальной АР / Дф). Оценка тепловой напряженности дизеля производится по ряду параметров: удельному тепловому потоку, температуре отработавших газов (Твг), температуре поверхности деталей ЦПГ и т. д. Относительное количество теплоты, передаваемой в стенки ЦПГ, можно вычислить по [4]. Качество протекания рабочего процесса в цилиндрах, дополнительно к вышеприведенному, оценивается по среднему индикаторному давлению (Рг).

В качестве примера представим расчетные зависимости для следующих параметров: максимальное давление сгорания (Р2), среднее индикаторное давление (Рг), температура отработавших газов (Твг) двигателя 6ДКРН-60/195 в свете вышеизложенного подхода.

Для оценки влияния метеорологических условий плавания на показатели диагностических параметров воспользуемся зависимостью

АДПметео = ДПстенд - АДП (Т0-, Р0, ф).

Применительно к рассматриваемому дизельному двигателю (6ДКРН-60/195) проведем многофакторный эксперимент на математической модели рабочего процесса СДВС с числом опытов 5*, где к - количество независимых переменных. Итоговые регрессионные зависимости принимают вид:

АРг(ТО,Р0,ф) = Рг стенд -(-277,65Р0 + 1,37Г0 + 0,05ф-729,06Р02 - 0,002179Т02 +

+ 0,0000939ф2 + 0,27Р0Т0 - 0,29Р0ф- 0,00173Т0ф-184,11), бар;

АТВг(Т0,Р,,/) = ТВг_стенд -(-3928,0Р0 +1030,070 - 0,113/ + 440000,0Р,2 + 285,713^ +

+ 0,00004294/2 - 60400,0Р0Т0 +1,468Р0/ - 0,431Т0/ + 56,419), ° С;

АР- (70,Р0,/) = Р Стенд - (181,71Р0 - 64,6370 + 0,005752/ - 20460Р,2 +114,29Т02 +

-2,446х10-6 /2 + 2880Р0Т0 - 0,06954Р0/ + 0,02975Т0/ - 0,256), бар,

где Т0 - температура окружающего воздуха, ° С; Р0 - барометрическое давление, бар; ф - относительная влажность воздуха, %.

Для оценки влияния режимных факторов на контролируемые параметры [5] запишем выражения для среднего эффективного давления (2) и эффективной мощности (3):

Ре = Л^цПе,

N = С^цЦП,

где £ц - цикловая подача топлива, кг; це - эффективное КПД; п - частота вращения коленчатого вала двигателя; / - количество цилиндров двигателя.

По данным [3], малое влияние скоростного режима на эффективный КПД приводит к тому, что характер зависимости среднего эффективного давления от скорости двигателя при рабо-

те ДВС по внешней характеристике в основном определяется характером изменения цикловой подачи топлива. Таким образом, режимные факторы оценим в виде

ЛДПрежим ДП стенд

ЛДП (и, gц).

Приведем аналитические зависимости для выбранных диагностических параметров:

ЛР2(и,£ц) = Рг_Стенд -(1095,93и^ц -1,116• 107^ц2 -2,959-104^ц + 16,49и-

-0,27и2 - 265,47), бар;

ЛТвг(и,^ц) = Твг_стенд -(3,04-103ngц -3,095•Ю6^2 -6,255•Ю4^ц + 29,173и-0,735и2 +

+139,135), °С,

где и - частота двигателя, 1/мин; gц - цикловая подача топлива, кг.

В графической форме представлена зависимость максимального давления в цилиндре (рис., а) и температуры отработавших газов (рис., б) от цикловой подачи топлива на номинальной частоте вращения коленчатого вала двигателя.

gц кг

1 25 % 1 50 % Нагрузка 75 % 1 100 %

а

gц кг

1 25 % 1 50 % 1 Нагрузка 75 % 1 100 %

б

Зависимость основных параметров рабочего процесса от цикловой подачи топлива на номинальной частоте коленчатого вала ДВС: а - максимальное давление сгорания; б - температура отработавших газов перед турбиной

Влияние, оказываемое турбокомпрессором на контролируемые параметры, оценим функциональной зависимостью

ЛДПтурб = ДПстенд - АДП(Ра).

Диагностический параметр Ра обладает достаточно большой информативностью, т. к. позволяет оценить в совокупности влияние давления наддува и технического состояния системы газообмена.

Регрессионные зависимости, учитывающие влияние давления в цилиндре в момент начала сжатия, представим в виде:

ДР(Ра) = Р2_Стенд -(-1,115-10-2Ра + 8,26Ра -205,94), бар;

А^вг(Ра) = Твг_стенд -(5,10310-3Ра - 1,721Ра + 466,036), 0С;

ДР(Ра) = Р_стенд -(3,021 10-5Ра2 + 0,35Ра -4,35), бар.

Влияние физико-химических параметров топлива оценим функциональной зависимостью

ЛДПф/х топл ДП стенд

ЛДП( О, т, р, тИНд, т).

Аналогичным способом получим аналитические уравнения:

АР (о, т, р,тинд, тс) = Рг стенд - (2922,91ц + 0,11р — 898,97о- 541700ц2 -

- 0,00002173р2 + 6000О2 +1,81цр + 46400цо - 0,36ро - 0,79цс - 22,49тинд +

+0,58т2 - 1777тинд + 64,24тстинд - 62,43), бар;

ДТвг (о, т, р, тинд, тс) = Твг стенд - (-3928,0ц - 0,113р + 1030,0о + 440000,0ц2 --0,00004294р2 + 285,713о2 +1,468|ар - 60400,0|1С - 0,431ро - 19,56|1с -

-1,461 • 105 тинд + 1003т2 + 8,206 • 106 т2нд +1,226 • 105 тс тинд +1573,581), 0 С.

АР (о, т, р, тинд, тс) = Р стенд - (181,71ц + 0,005752р-64,63о-20460ц2 -

- 24,46 • 10-7 р2 +114, 29о2 - 0,06954|ар + 2880цо + 0,02975ро - 0,091 69цс +

+ 6,84963тинд -0,04709^2 -384,6т^нд -5,748^стинд +1573,581 -2,606), бар,

где О - коэффициент поверхностного натяжения топлива, Н/м; т - динамическая вязкость топлива, Па  с; р - плотность топлива, кг/м3; тс - средний за период впрыскивания коэффициент расхода форсунок; тинд - период задержки воспламенения топлива, с.

Метод численного моделирования рабочего процесса ДВС, на основе которого проводилось исследование дизеля типа ДКРН-60/195, дает расхождение с экспериментальными данными в пределах до 3,5-4 %. Преимуществом принятого метода является быстрота получения итоговых функциональных зависимостей, представленных выше. Затраты времени на отработку алгоритма расчета рабочего процесса ДВС по одному набору входных данных составляют 5-10 с. Алгоритм алгебраической интерполяции по методу наименьших квадратов, примененный для получения вышеприведенных зависимостей, запускает на исполнение алгоритм расчета рабочего процесса 5к раз, где к - количество независимых переменных. Итоговое время расчета зависит от к и при к = 3 составляет 7-10 мин. Для разработки алгоритма был выбран математический пакет Mathcad 15.

Вышеизложенный метод группировки контролируемых параметров по принципу близости их физико-химической природы либо их принадлежности к определенному узлу или агрегату дизеля позволяет систематизировать подход к диагностике, упростить итоговые функциональные зависимости, учесть влияние отдельных групп параметров, а также выделить ту, которая оказывает наибольшее воздействие, а следовательно, и агрегат или подсистему дизеля, требующую более детального анализа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Камкин С. В., Возницкий И. В., Шмелев В. П. Эксплуатация судовых дизелей: учеб. для вузов. -М.: Транспорт, 1990. - 344 с.

2. Диагностические испытания ЦПГ главного двигателя теплохода «Новогрудок» в эксплуатационных условиях / Л. Г. Соболев, А. А. Г аланин, А. А. Финоченов и др. // Двигателестроение. - 1981. - № 12. - С. 36-38.

3. Построение алгоритма диагностирования малооборотных дизелей на основе регрессионных моделей (для использования с устройством К-748) / Е. В. Дмитриевский, М. И. Левин, А. А. Обозов,

С. М. Шелков // Двигателестроение. - 1984. - № 1. - С. 46-49.

4. Одинцов В. И. Анализ и моделирование рабочего процесса судовых ДВС: учеб. пособие. - Калининград: БГАРФ, 1999. - 122 с.

5. Возницкий И. В., Пунда А. С. Судовые двигатели внутреннего сгорания: учеб. пособие. - М.: Мор-

книга, 2008. - 283 с.

Статья поступила в редакцию 19.01.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Одинцов Виктор Иванович - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Калининград; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Судовые энергетические установки»; seu@bga.gazinter.net.

Odintsov Victor Ivanovich - Baltic State Academy of Fishing Fleet, Kaliningrad; Doctor of Technical Science; Professor; Head of the Department "Ship Electric Power Installations"; seu@bga.gazinter.net.

Кабыш Сергей Андреевич - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Калининград; аспирант кафедры «Судовые энергетические установки»; sergeykabysh@gmail.com.

Kabysh Sergey Andreevich - Baltic State Academy of Fishing Fleet Kaliningrad; Postgraduate Student of the Department "Ship Electric Power Installations"; sergeykabysh@gmail.com.