Применение датчика содержания кислорода для контроля величины коэффициента избытка воздуха тепловозного дизеля

УДК 629.424.1

М. Ш. Валиев

Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта (ТашИИТ), г. Ташкент, Республика Узбекистан

ПРИМЕНЕНИЕ ДАТЧИКА СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЕЛИЧИНЫ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА

ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ

Аннотация. Учет реального технического состояния оборудования локомотива при планировании объемов его ремонта является одним из важнейших резервов сокращения эксплуатационных расходов железных дорог и снижения себестоимости перевозок. Непрерывный контроль технического состояния локомотива в эксплуатации осуществляется с использованием стационарных и бортовых средств технической диагностики. Повышение эксплуатационной экономичности и надежности тепловозов требует непрерывного контроля технического состояния их оборудования в процессе эксплуатации. Для непрерывного контроля величины коэффициента избытка воздуха в цилиндре дизеля может использоваться широкополосный датчик содержания кислорода в отработавших газах, широко применяющийся в системах управления автомобильных дизелей. Он предназначен для косвенной оценки состава смеси, сгорающей в цилиндрах двигателя, по содержанию кислорода в отработавших газах.

Ключевые слова: датчик содержания кислорода, коэффициент избытка воздуха, топливная аппаратура, цилиндропоршневая группа.

Mukhammad Sh. Valiev

Tashkent Institute of Railway Engineers (TIRE), Tashkent, Republic of Uzbekistan

APPLICATION OF OXYGEN CONTENT SENSOR FOR CONTROLING THE VALUE OF EXCESS AIR COEFFICIENT

Abstract. The account of a real technical condition of the equipment of the locomotive at planning of volumes of its repair is one of the major reserves of reduction of working costs of railways and decrease in the cost price of transportations. The continuous control of a technical condition of the locomotive in operation is carried out with use of stationary and onboard means of technical diagnostics. The increasing of operational profitability and reliability of diesel locomotives demands continuous control for a technical condition of their equipment in the service. The wide-band exhaust gases oxygen content sensor can be used for continuous monitoring of the air excess coefficient in the locomotive diesel engine cylinders. This type sensors are widely used in automotive diesel engines control systems. It means for indirect estimation of the engine cylinders mixture quality by the exhaust gases oxygen content.

Keywords: oxygen sensor, air ratio, fuel injection equipment, the cylinder-piston group.

Коэффициент избытка воздуха является одним из основных параметров рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания, во многом определяющих показатели его надежности и экономичности в эксплуатации.

С величиной коэффициента избытка воздуха непосредственно связаны значения целого ряда других показателей рабочего процесса двигателя, прежде всего температуры отработавших газов (ОГ). Соответствие относительных изменений значений коэффициента избытка воздуха и температуры отработавших газов является диагностическим параметром, характеризующим техническое состояние цилиндров двигателя [1, 2].

В автомобильных двигателях текущее значение коэффициента избытка воздуха используется для оптимизации как установившихся, так и переходных режимов работы двигателя с целью, во-первых, уменьшения расхода топлива, а во-вторых - с целью увеличения ресурса работы каталитических нейтрализаторов отработавших газов. При этом непрерывный контроль текущего значения коэффициента избытка воздуха (в зарубежной литературе он обо-

значается греческой буквой X) осуществляется с помощью датчика содержания кислорода в отработавших газах (Х-зонда).

В дизелях средней и большой мощности (тепловозных и судовых) такие датчики пока находят ограниченное применение, в основном для улучшения экологических показателей двигателей [3, 4].

Непрерывное увеличение уровня форсирования дизелей современных тепловозов при одновременном ужесточении требований к их экологическим показателям обусловливает необходимость повышения качества управления силовой установкой тепловоза в переходных режимах работы. Использование величины коэффициента избытка воздуха в качестве интегрального показателя текущего качества рабочего процесса в цилиндрах дизеля является существенным резервом повышения качества переходных процессов дизеля [5].

Основным элементом устройства является датчик содержания кислорода в отработавших газах дизеля. В бензиновых двигателях чаще используются узкополосный датчик, который является эффективным детектором стехиометрического состава смеси, позволяющим современным системам управления автомобильными двигателями поддерживать значение коэффициента избытка воздуха ац= 1 с точностью ±1 %. Этим достигается как высокая топливная экономичность двигателя, так и увеличение ресурса работы каталитических нейтрализаторов [6].

Однако использовать его для контроля значения коэффициента избытка воздуха в бедных смесях (ац>1) практически невозможно. Для этих целей применяются широкополосные датчики содержания кислорода в ОГ (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема циркониевого широкополосного датчика кислорода: 1 - измерительная ячейка; 2 - ячейка накачки; 3 - отверстие в электролите

Широкополосные датчики имеют две ячейки - измерительную 1 и ячейку накачки 2. Ячейка накачки представляет собой гальванический элемент с твердым керамическим циркониевым электролитом, оба электрода которого омываются отработавшими газами. Внешний электрод погружен в поток ОГ выпускного коллектора, к внутреннему электроду ОГ подводятся через специальное отверстие (диффузионный барьер) 3 в твердом электролите. Прикладывая напряжение к электродам ячейки накачки (входы 1Р и У^р на рисунке 3), можно управлять переносом ионов кислорода между электродами ячейки.

При положительном потенциале входа 1Р относительно входа Уз/1Р перенос кислорода будет осуществляться от внутреннего электрода ячейки накачки к внешнему, при отрицательном потенциале 1Р - в противоположном направлении. Изменяя величину тока 1Р (напряжение между электродами ячейки накачки), можно добиться удалении из ячейки всего кислорода. Необходимая для этого величина тока 1Р будет зависеть от содержания кислорода в ОГ. Таким образом, постоянно поддерживая в ячейке накачки нулевое содержание ионов

10 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017

=

кислорода, по величине необходимого для этого тока IP можно оценивать содержание кислорода в ОГ [7].

Измерительная ячейка 1 датчика предназначена для контроля содержания кислорода в ячейке накачки 2. Ее внешний электрод находится внутри ячейки накачки, вследствие чего выходное напряжение US измерительной ячейки характеризует соотношение концентрации кислорода в ячейке накачки и атмосферном воздухе. При отсутствии кислорода на внешнем электроде циркониевого гальванического элемента это напряжение равно 450 мВ. Таким образом, поддерживая напряжение US равным 450 мВ за счет изменения тока накачки IP, по величине этого тока можно оценивать содержание кислорода в ОГ дизеля.

Для изготовления макетного образца устройства контроля коэффициента избытка воздуха тепловозного дизеля и проведения экспериментальных исследований был выбран широкополосный датчик LSU 4.2 фирмы Bosch [8].

Тарировочная кривая датчика для температуры измеряемой среды 20 °С, температуры керамической основы датчика 750 оС и нулевого избыточного давления измеряемой среды представлена на рисунке 2.

Ip, мА

Яд

1 70 0,80 0,90 /1,00 1.1 1,20 1.30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50

Ip, мА

0,70 О, 80 0, 85 0, 90 1, 009 1, 18 1,43 1, 70 2,42 207

-1,85 -1,0В -0, 76 -0,47 0,00 0, 34 0, 68 0, 95 1,40 2,55

Рисунок 2 - Тарировочная кривая датчика ЬБП 4.2 для нормальных условий

При наличии избыточного давления измеряемой среды (отработавших газов) результат измерения должен корректироваться. Коррекция осуществляется приведением реального значения тока накачки 1Р к нормальным условиям с использованием следующей зависимости [9]:

1Р

Ip ( PO ) =-

P k + PO '

k + P PO

где 1Р(Ро) - эквивалентное значение тока накачки для нормальных условий (Ро =1,013 бар), мА;

1Р(Р) - действительное значение тока накачки для избыточного давления Р, мА; к - поправочный коэффициент, для ац > 1 к = 0,47 бар.

а

ц

Основная абсолютная погрешность измерения коэффициента избытка воздуха при ац = = 1,7 по данным фирмы-изготовителя для температуры измеряемой среды 20 оС, температуры керамической основы датчика 750 оС и нулевого избыточного давления измеряемой среды представлена в таблице [9].

Основная абсолютная погрешность измерения датчика ЬБП 4.2

Основная абсолютная погрешность измерения датчика Новый датчик После наработки 200 ч После наработки 2000 ч

А ац ±0.05 ±0.1 ±0.15

Для других значений коэффициента избытка воздуха основная абсолютная погрешность измерения может оцениваться по формуле [9]:

Лац =

ат

Л1

р

ац -1,7

I

р

где ац - текущее среднее измеренное значение коэффициента избытка воздуха; 1р - текущее среднее значение тока накачки, мА; Мр - среднеквадратическое отклонение тока накачки, мА. Относительная основная погрешность измерения [9]

Ла ц =

1

Л1

р

ац -1,7

I

р

Процесс измерения коэффициента избытка воздуха широкополосным датчиком кислорода предполагает стабилизацию напряжения и на соответствующем выходе датчика за счет изменения тока 1р и контроль величины тока. Таким образом, схема управления датчиком должна представлять собой регулятор напряжения и, управляющим воздействием которого является ток накачки 1Р.

Структурная схема системы управления датчиком представлена на рисунке 3. Эта схема представляет собой астатический ПИД-регулятор напряжения и на одноименном выходе датчика. Балластное сопротивление ЯБ номиналом 62 Ом совместно с внутренним калибровочным сопротивлением датчика Ясаь обеспечивают формирование нормативной тарировоч-ной характеристики датчика (см. рисунок 2).

Рисунок 3 - Структурная схема системы управления датчиком ЬБи 4.2

В макетном устройстве регулятор был реализован на ПЭВМ, при этом для контроля величины напряжения из и формирования управляющего воздействия 1Р, а также управления током нагревателя датчика был разработан и изготовлен интерфейсный модуль, основой

№ 2(30) 2017

схемы которого является многофункциональный ШВ-контроллер ввода-вывода иЖ-4702 фирмы Ай\ап1еек [10].

Учитывая существенную зависимость результатов измерения коэффициента избытка воздуха от давления измеряемой среды (давления ОГ), оптимальным решением представляется установка датчика на выпускную трубу тепловоза. В этом случае статическое давление ОГ может быть принято равным атмосферному, а поправка должна учитывать только скоростной напор ОГ на выходе из трубы, который относительно невелик.

Кроме того, существенно уменьшается вероятность превышения предельной температуры датчика даже при использовании его на высокофорсированных дизелях. Питание цепи нагревателя датчика осуществлялось непосредственно от банок аккумуляторной батареи суммарным напряжением 13,6 В при запущенном дизеле и включенном контакторе КРН.

Как следует из рисунка 4, устройство практически представляет собой разгерметизированную трубку Пито [9]. Непрерывный перепуск газа через коллектор, достигаемый благодаря отверстию 7, обеспечивает, с одной стороны, максимальное быстродействие измерительного канала вследствие непрерывного подвода свежего газа к чувствительному элементу датчика 4, а с другой стороны - дополнительное снижение избыточного давления ОГ в месте установки датчика из-за потерь напора по длине коллектора. Увеличенный диаметр коллектора 5 обеспечивает снижение скоростного напора газа в точке установки датчика 4, а также увеличение поверхности теплообмена, исключающее перегрев корпуса датчика и соединительного кабеля 6.

5

Рисунок 4 - Установка устройства для контроля коэффициента избытка воздуха на выпускную трубу тепловоза: 1 - выпускная труба; 2 - струбцина; 3 - газозаборник; 4 - датчик; 5 - коллектор; 6 - соединительный кабель;

7 - отверстие

Поскольку при установке датчика на выпускную трубу он контролирует содержание кислорода в отработавших газах на выходе из дизеля, выходным параметром устройства будет суммарный коэффициент избытка воздуха, учитывающий не только кислород, оставшийся от реакции окисления топлива, но и кислород продувочного воздуха.

В процессе лабораторных испытаний устройства были определены коэффициенты К, К и К ПИД-регулятора (см. рисунок 3) при работе датчика на чистом воздухе.

Стендовые испытания устройства для контроля величины коэффициента избытка воздуха тепловозного дизеля выполнялись на тепловозе И2ТЕ16М № 0035. А в режиме нагруже-ния дизель-генераторной установки на тормозные резисторы тепловоза.

Параметры режима работы дизель-генераторной установки в процессе испытаний определялись по данным бортового накопителя тепловоза. Синхронизация данных по времени

осуществлялась посредством ручной установки одинакового времени на компьютере пультового устройства индикации тепловоза, осуществляющего накопление данных, и на компьютере устройства с точностью до ±0,5.

В процессе испытаний выполнялись несколько наборов позиций контроллера машиниста (до 10-й) с выдержкой времени на каждой позиции, необходимого для достижения установившегося режима работы дизель-генератора.

На рисунке 5 представлена зависимость суммарного коэффициента избытка воздуха дизеля 1А-5Д49 тепловоза И2ТЕ16М от частоты вращения коленчатого вала дизеля при работе его по тепловозной характеристике.

Изменение коэффициента избытка воздуха и ряда других параметров рабочего процесса дизеля в переходном процессе приведено на рисунке 6.

Рисунок 5 - Зависимость коэффициента избытка воздуха от частоты вращения коленчатого вала

Время, с ->

Рисунок 6 - Переходной процесс, вызванный переводом рукоятки контроллера с 5 на 6 ПКМ: — — коэф. избыг. во.зд.; —«- — давл. наддува; _— темп. ОГ; — — ЧВ КБ; ч— положение рейки

14 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017

Эксплуатационные испытания макетного образца устройства для контроля суммарного коэффициента избытка воздуха проводились на тепловозе серии ТЭП70БС во время рядовой поездки. Во время опытной поездки тепловоз находился в исправном эксплуатационном состоянии и эксплуатировался без каких-либо ограничений [7].

На рисунке 7 представлена зависимость суммарного коэффициента избытка воздуха дизеля 2А-5Д49 тепловоза ТЭП70БС от частоты вращения коленчатого вала дизеля при работе его по тепловозной характеристике.

На рисунке 8 приведен переходной процесс, вызванный изменением положения рукоятки контроллера.

10,75

/\

300

400

300 600

n

об/мин

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента избытка воздуха от частоты вращения коленчатого вала

Т ° С А ог? n, об/мин hp, код.ед.

а

ц

Pk.....

Pk, МПа _оц

Время, с

Рисунок 8 - Переходной процесс, вызванный переводом рукоятки контроллера с 11 на 13 ПКМ: — — коэф. избыт, возд.; —— давл. наддува; _— темп. ОГ: — — ЧВ КВ ; — положение рейки

№ 2(30) 2017

Результаты работы, приведенные в статье, свидетельствуют о работоспособности разработанного макетного образца устройства для контроля коэффициента избытка воздуха тепловозного дизеля. Данное устройство может эффективно использоваться как для управления дизель-генераторной установкой тепловоза в переходных режимах работы, так и для контроля технического состояния дизеля в бортовых и стационарных средствах диагностики [9].

Список литературы

1. Пушкарев, И. Ф. Контроль и оценка технического состояния тепловозов [Текст] / И. Ф. Пушкарев, Э. А. Пахомов. - М.: Транспорт, 1985. - 160 с.

2. Погодин, С. И. Рабочие процессы транспортных турбопоршневых двигателей [Текст] / С. И. Погодин. - М.: Машиностроение, 1978. - 312 с.

3. Никитин, Е. А. Диагностирование дизелей [Текст] / Е. А. Никитин, Л. В. Станиславский, Э. А. Улановский. - М.: Машиностроение, 1987. - 224 с.

4. Диагностические параметры главных судовых малооборотных дизелей [Текст] / Л. Л. Грицай, В. Ф. Горбунов и др. // Труды ЦНИИМФа. - 1973. - № 174. - С. 3 - 19.

5. Валиев, М. Ш. Диагностика рабочего процесса тепловозного дизеля в условиях эксплуатации [Текст] / М. Ш. Валиев // Вестник транспорта Поволжья / Самарский гос. ун-т путей сообщения. - Самара. - 2011. - № 1 (25). - С. 35 - 39.

6. Грачев, В. В. Оценка технического состояния цилиндров дизеля с использованием датчика содержания кислорода в отработавших газах [Текст] / В. В. Грачев, М. Ш. Валиев // Известия ПГУПСа / Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - Санкт-Петербург. - 2011. -№ 2 (27). - С. 25 - 32.

7. Грачев, В. В. Оценка технического состояния тепловозного дизеля по данным бортовой микропроцессорной системы управления [Текст] / В. В. Грачев, М. Ш. Валиев // Известия ПГУПСа / Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - Санкт-Петербург. - 2010. -№ 1 (22). - С. 22 - 32.

8. Planar Wide Band Lambda Sensor. Technical Customer Information. Y258-K01-005-000e / Bosch, 2001. - 25 с.

9. Грачев, В. В. Устройство для контроля величины коэффициента избытка воздуха тепловозного дизеля [Текст] / В. В. Грачев, Ф. Ю. Базилевский, М. Ш. Валиев // Известия ПГУПСа / Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - Санкт-Петербург. - 2011. - № 3 (28). -С.153 - 161.

10. Руководство по эксплуатации ADZ-SML(SMX) Датчики давления, разрежения и разности давлений ADZ-SML(SMX). М., 2006. - 18 с.

References

1. Pushkarev I. F., Pakhomov E. A. Kontrol' i otsenka tekhnicheskogo sostoyaniya teplovozov (Monitoring and assessment of technical condition of locomotives). Moscow: Mashinostroenie, 1985, 160 p.

2. Pogodin S. I. Rabochiye protsessy transportnykh turboporshnevykh dvigateley (Working processes of transport turbo piston engines). Мoscow: Mechanical engineering, 1978.312 p.

3. Nikitin E. A., Stanislavsky L. V., Ulanovskiy E. A. Diagnostirovaniye dizeley (Diagnosis of diesels).Moscow: Mashinostroenie, 1987, 224 p.

4. Gritsay L. L., Gorbunov V. F., Kalugin V. N., Levin B. M. Diagnostic parameters of the main marine low-speed diesels [Diagnosticheskiye parametry glavnykh sudovykh malooborotnykh dizeley]. Trudy TSNIIMFa - Proceedings of CNIIF, - 1973, no. 174. pp. 3 - 19.

5. Valiev M.Sh. Diagnosis of the working process of a diesel diesel engine under operating conditions [Diagnostika rabochego protsessa teplovoznogo dizelya v usloviyakh ekspluatatsii]. Vestnik transporta povolzh'ya - The journal of Samara State Transport University, 2011, no. 1 (25), pp. 35 - 39.

16 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(30) 2017

i

6. Grachyev V. V., Valiev M. Sh. Estimation of a diesel engine cylinders and fuel equipment condition by exhaust gases oxygen sensor [Otsenka tekhnicheskogo sostoyaniya tsilindrov dizelya s ispol'zovaniyem datchika soderzhaniya kisloroda v otrabotavshikh gazakh]. Izvestiia PGUPSa -Proceedings of Peterburg Transport Universit, 2011, no. 2 (27), pp. 25 - 32.

7. Grachyev V. V., Valiev M. Sh. Estimation of technical condition of a diesel locomotive engine based on the data of an onboard microprocessor control system [Otsenka tekhnicheskogo sostoyaniya teplovoznogo dizelya po dannym bortovoy mikroprotsessornoy sistemy upravleniya]. Izvestiia PGUPSa - Proceedings of Peterburg Transport University, 2010, no. 1 ( 22), pp. 22 - 32.

8. Planar Wide Band Lambda Sensor. Technical Customer Information. Y258-K01-005-000e. / Bosch, 2001, 25 p.

9. Grachyev V.V., Bazilevskiy F.Yu., Valiev M.Sh. Locomotive diesel engine excess air ratio control device [Ustroystvo dlya kontrolya velichiny koeffitsiyenta izbytka vozdukha teplovoznogo dizelya]. Izvestiia PGUPSa - Proceedings of Peterburg Transport Universit, 2011, no. 3 (28), pp. 153 - 161.

10. Datchiki davleniya, razrezheniya i raznosti davleniy ADZ-SML(SMX). Rukovodstvo po ek-spluatatsii ADZ-SML(SMX) (Pressure, rarefaction and pressure difference sensors ADZ-SML (SMX). Moscow, 2006, 18 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Валиев Мухаммад Шералиевич

Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта (ТашИИТ).

Адылходжаева ул., д. 1, г. Ташкент, 100167, Республика Узбекистан.

Кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство», ТашИИТ.

Тел.: +998 (97)446-14-61.

E-mail: valiev.m.sh@gmail.com

БИБЛИОГАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Валиев, М. Ш. Применение датчика содержания кислорода для контроля величины коэффициента избытка воздуха тепловозного дизеля [Текст] / М. Ш. Валиев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2017. - № 2 (30). - С. 9 - 17.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Valiev Mukhammad Sheralievich

Tashkent Institute of Railway Engineers (TIRE). 1, Adilhodjaev st., Tashkent, 100167, Uzbekistan. Ph. D. in Engineering, teacher of the department «Locomotives and locomotive equipment», TIRE. Phone: +998 (97) 446-14-61. E-mail: valiev.m.sh@gmail.com

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Valiev M. Sh. Application of oxygen content sensor for controling the value of excess air coefficient. Journal of Transsib Railway Studies, 2017, vol. 30, no. 2, pp. 9 -17. (In Russian).

УДК 629.4

П. Ю. Иванов, Н. И. Мануилов, Е. Ю. Дульский

Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), г. Иркутск, Российская Федерация

ПРИЧИНЫ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО СРАБАТЫВАНИЯ АВТОТОРМОЗОВ В ГРУЗОВЫХ ПОЕЗДАХ

Аннотация. Безопасность движения поездов является приоритетной задачей ОАО «РЖД». В статье исследованы причины самопроизвольного срабатывания тормозов грузовых поездов и приведена их статистика в зависимости от плотности тормозной сети поезда. Произведен расчет давления в камере под уравнительным поршнем крана машиниста. Определены инерционные характеристики уравнительного поршня и его статические характеристики. Смоделирован процесс самопроизвольного срабатывания автотормозов на основании основных законов гидрогазодинамики.