Оценка технического состояния цилиндров дизеля с использованием датчика содержания кислорода в отработавших газах (лямбда зонда)

В. В. Г рачев, М. Ш. Валиев

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАТЧИКА СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ

Повышение эксплуатационной экономичности и надежности тепловозов требует непрерывного контроля технического состояния оборудования в процессе эксплуатации. В статье предлагается методика интегральной оценки технического состояния качества рабочего процесса в цилиндре дизеля с использованием бортовых средств диагностики.

цилиндро-поршневая группа, топливная аппаратура, температура отработавших газов, коэффициент избытка воздуха, датчик содержания кислорода.

Введение

Задача достоверной оценки качества рабочего процесса в цилиндрах тепловозного дизеля и технического состояния определяющих его узлов топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы в настоящее время решается в основном стационарными средствами диагностики, чаще всего на основании анализа индикаторной диаграммы рабочего процесса. Использование такого подхода для непрерывного контроля технического состояния тепловозного дизеля в эксплуатации невозможно по ряду причин, одной из которых является отсутствие технической возможности непрерывного измерения давления в цилиндре дизеля, которое необходимо для снятия индикаторной диаграммы. В связи с этим актуальной является задача разработки методов интегральной оценки качества рабочего процесса в цилиндре тепловозного дизеля с использованием ограниченного набора параметров, контролируемых современными средствами автоматического управления силовой установки тепловоза.

1 Использование температуры отработавших газов для оценки качества рабочего процесса в цилиндре дизеля

Температура отработавших газов (ОГ) на выходе из цилиндров дизеля является одним из важнейших диагностических параметров дизеля. Ее значение в каждый момент времени обусловлено действием целого ряда разнообразных факторов, связанных как с техническим состоянием основных агрегатов двигателя, так и с режимом его работы. Обязательный периодический контроль значений этого параметра предусмотрен правилами реостатных испытаний всех серий тепловозов. С целью повышения достоверности оперативного контроля технического состояния дизеля на протяжении ряда лет все современные тепловозные дизели

оборудуются термокомплектами, обеспечивающими возможность непрерывного измерения температуры ОГ в процессе эксплуатации.

Вместе с тем наличие множества факторов, влияющих на величину температуры ОГ, снижает информативность данного параметра, вследствие чего эффективность использования средств контроля температуры ОГ весьма невелика. Информативность этого параметра можно существенно повысить, если использовать ее совместно с коэффициентом избытка воздуха, характеризующим как качество смесеобразования в цилиндре дизеля, так и режим его работы.

2 Метод интегральной оценки технического состояния цилиндров дизеля в эксплуатации

Одним из возможных способов решения данной задачи является непрерывный контроль характерных зависимостей, связывающих различные параметры рабочего процесса дизеля, инвариантных по отношению к режиму работы дизеля, но реагирующих на его техническое состояние. Одной из них является зависимость относительного изменения

ЛГог температуры ОГ от относительного изменения Да коэффициента избытка воздуха в цилиндре дизеля.

В работе В. В. Грачева и М. Ш. Валиева «Оценка технического состояния тепловозного дизеля по данным бортовой микропроцессорной системы управления» (Известия ПГУПС, 2010. Вып. 1. С. 22-32) показано, что эти величины связаны зависимостью вида

АТог =-Ь-Аа,

где b - коэффициент пропорциональности, определяемый конструкцией и особенностями организации рабочего процесса исправного дизеля.

Увеличение цикловой подачи в цилиндр исправного дизеля приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха и увеличению температуры отработавших газов на выходе из цилиндра в соответствии с указанной выше зависимостью.

В случае нарушения нормального протекания рабочего процесса в цилиндре во время эксплуатации

С целью проверки данного вывода выполнен анализ изменения параметров дизелей типа 1А-5Д49 тепловозов серии 2ТЭ116У в эксплуатации по данным бортовых систем диагностики.

Величина относительного изменения Л7" температуры ОГ определялась с использованием зависимости:

АТ =

Т -Т

1 ОГ 1 ОГ

Т,

ОГ

где ТОГ - текущее значение температуры ОГ, °К;

ТОг(ном) - номинальное (установившееся) значение температуры ОГ на данной позиции контроллера, °К.

Для оценки изменения коэффициента избытка воздуха использовалось выражение:

Да = Р -h ,

к- п ’

где Рк =

Р -Р

к к

р.,

к

— /?-/?, ,

Jj — р р

h

р

относительное изменение давления наддува; относительное изменение положения реек ТНВД;

Рк(ном) - номинальное (установившееся) значение давления наддува на

данной позиции контроллера, МПа;

йр(ном) - номинальное (заданное) положение реек ТНВД на данной

позиции контроллера, ед. кода.

На рис. 1 представлена зависимость вида представленной на с. 26, полученная в результате обработки измерительной информации бортового накопителя тепловоза 2ТЭ116У № 036, причем в качестве температуры принималась температура ОГ на выходе из левого выпускного коллектора дизеля. Данные представлены для 13-й позиции контроллера машиниста. Результат, показанный на рис. 1 свидетельствует о наличии прямой пропорциональной зависимости между относительным изменением температуры ОГ на выходе из цилиндров дизеля и относительным изменением коэффициента избытка воздуха, подтверждая таким образом сделанные выше выводы.

На рис. 2 показана аналогичная зависимость для 8-го цилиндра дизеля. Положение кривой здесь существенно отличается от изображенного на рис. 1, что свидетельствует об отклонении технического состояния цилиндра. В результате выполненной проверки была выявлена неисправная термопара данного цилиндра.

Рис. 1. Зависимость относительного изменения температуры отработавших газов от относительного изменения коэффициента избытка воздуха на 13-й позиции контроллера машиниста в эксплуатации

Рис. 2. Зависимость относительного изменения температуры отработавших газов от относительного изменения коэффициента избытка воздуха на 13-й позиции контроллера машиниста в эксплуатации

Небольшие относительные изменения диагностических параметров (рис. 1) объясняются наличием объединенной системы автоматического регулирования дизель-генераторной установки, обеспечивающей поддержание постоянной, не зависящей от технического состояния дизеля цикловой подачи топлива (положения рабочего органа регулятора дизеля) на каждой позиции контроллера машиниста (при любой частоте вращения коленчатого вала).

Изменение величины температуры отработавших газов при постоянном значении коэффициента избытка воздуха на данной позиции контроллера машиниста может свидетельствовать об ухудшении состояния топливной аппаратуры (низкокачественное смесеобразование с интенсивным догоранием топлива на линии расширения), изменении подачи топлива в цилиндр, например вследствие нарушения регулировки ТНВД, или об отказе средств измерения температуры ОГ.

Изменение величины коэффициента избытка воздуха при одной и той же температуре ОГ будет свидетельствовать об изменении сигнала обратной связи в зависимости от положения рабочего органа регулятора при неизменном фактическом положении реек ТНВД, т. е. об изменении настройки регулятора или его рычажной передачи, либо об отказе средств измерения давления наддува или изменении положения реек ТНВД.

Достоверность и точность предлагаемого метода контроля технического состояния цилиндров дизеля может быть существенно повышена при использовании прямого измерения величины коэффициента избытка воздуха в цилиндрах дизеля.

3 Способы контроля коэффициента избытка воздуха в эксплуатации

Для непрерывного контроля величины коэффициента избытка воздуха может использоваться датчик содержания кислорода в ОГ (лямбда-зонд), широко применяющийся в системах управления автомобильных дизелей. Он предназначен для косвенной оценки состава смеси, сгорающей в цилиндрах двигателя. Датчик позволяет оценивать количество кислорода в ОГ.

В зависимости от рабочей характеристики различают два вида кислородных датчиков:

1) узкополосные;

2) широкополосные.

Узкополосные датчики генерируют высокое напряжение (около 0,9 В) при работе на обогащенной смеси и низком содержании кислорода в ОГ и низкое (не более 0,1 В) при работе двигателя на обедненной смеси и высоком содержании кислорода в ОГ. Скачок напряжения между отдельными уровнями происходит при а = 1.

Узкополосный датчик имеет специфическую Z-образную

характеристику (рис. 3), которая позволяет с высокой точностью определить только факт отклонения состава смеси от стехиометрического

(а = 1) в сторону меньших значений а (богатая смесь с избытком углеводородов и относительно уменьшенным содержанием кислорода) или больших значений а (бедная смесь с относительным избытком кислорода). За пределами узкой (узкополосной) зоны перехода состав смеси не оказывает существенного влияния на характеристику узкополосного датчика. Такие датчики широко используются в системах управления автомобильных двигателей для определения стехиометрического состава смеси как опорной точки, однако использование их для контроля текущего значения а малоэффективно.

В отличие от узкополосных датчиков, широкополосный датчик имеет почти линейную характеристику (рис. 4) в широких пределах изменения. Он имеет сложную внутреннюю структуру и требует специального контроллера для обработки выходного сигнала - это практически единственный недостаток данного датчика по сравнению с узкополосным. Широкополосный датчик устойчив к изменению температуры, однако его выходной сигнал зависит от давления окружающей среды, поэтому он должен устанавливаться на выходе из выпускной системы дизеля.

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения узкополосного кислородного датчика от коэффициента избытка воздуха

ей 5.0

1 g 4.5

п 2 4.0

I 5 3.5

& 5 3.0

§ 4> 2.5

1 2.0

1 X 1.5

4> О 1.0

X В И 0.5

hQ 0.0

I I I I I I I I I I I I I I I I I

0.748 0.782 0.816 0.850 0.884 0.9180.952 0.986 1 020 1.054 1.088 1.122 1.156 1.1901.2241.2581.292

богатая смесь

бедная смесь

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения широкополосного кислородного датчика от величины коэффициента избытка воздуха в смеси

По данным изготовителей широкополосных датчиков, приведенная относительная погрешность измерения состава смеси широкополосным датчиком не превышает 0,7 %.

Схема алгоритма контроля технического состояния цилиндров дизеля с использованием широкополосного ^-зонда приведена на рис. 5.

Заключение

Установленная зависимость относительного изменения температуры ОГ дизеля от изменения коэффициента избытка воздуха позволяет предложить следующий метод контроля технического состояния цилиндров дизеля в эксплуатации.

1. В результате статистического анализа измерительной информации,

полученной от системы автоматического регулирования дизель-генераторной установки тепловозов в процессе реостатных испытаний при выпуске тепловоза из ремонта или в процессе эксплуатации заведомо исправного локомотива, для каждой позиции контроллера

устанавливаются значения математических ожиданий значений основных

параметров рабочего процесса, контролируемых системой PK,hp, Тот, ац

, которые принимаются за номинальные значения этих величин, соответствующие нулевым значениям из относительных отклонений.

2. По этим же данным уточняются зависимости вида показанной на с. 26, которые затем принимаются в качестве эталонных.

±

Рис. 5. Блок-схема интегральной оценки технического состояния цилиндров дизеля в эксплуатации

3. В процессе эксплуатации локомотива бортовой вычислительный комплекс системы автоматического регулирования или отдельной системы диагностирования осуществляет непрерывный контроль относительных изменений температуры ОГ и коэффициента избытка воздуха на основных позициях контроллера машиниста по каждому из цилиндров дизеля.

4. Существенное отклонение относительных изменений контролируемых параметров от эталонных кривых будет свидетельствовать о нарушении нормального протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля.