О контроле температуры отработавших газов дизеля в эксплуатации

АННОТАЦИЯ

В данной статье приведены результаты исследования достоверности контроля температуры отработавших газов на выходе из цилиндров дизеля в эксплуатации. А также подробно описаны работы термопары установленные на дизеля типа 5Д49.

ABSTRACT

This article presents the results of a study of the reliability of the exhaust gas temperature control at the outlet of the diesel cylinders in operation. And described in detail the operation of the thermocouple installed on diesel-type 5D49.

Ключевые слова: Термокомплекты, позиция контроллера машиниста, цилиндры, горячий спай, холодный спай.

Keywords: Thermocomplete sets, position of the controller of the machinist, cylinders, hot end, cold end.

Температура отработавших газов 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 значения этого параметра предусмотрен правилами реостатных испытаний всех серий тепловозов. С целью повышения достоверности оперативного контроля технического состояния дизеля уже на протяжение ряда лет все тепловозные дизели типа Д49 оборудуются термокомплектами, обеспечивающими возможность непрерывного измерения температуры отработавших газов в процессе эксплуатации.

Вместе с тем, как показывает практика, эффективность использования этих термокомплектов весьма невелика. В отдельных случаях с их помощью выявляются отказы топливоподающей аппаратуры, приводящие к полному прекращению подачи топлива в цилиндр, однако для решения актуальной задачи прогнозирования изменения технического состояния двигателя практически не используются.

Одним из возможных способов решения подобной 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  температуры отработавших газов от относительного изменения  коэффициента избытка воздуха в цилиндре дизеля.

В работе [1] показано, что эти величины связаны зависимостью вида:

                                                                          (1)

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 зависимостью (1).

В случае нарушения нормального протекания рабочего процесса в цилиндре во время эксплуатации (например, вследствие изменения угла опережения подачи топлива, ухудшения качества смесеобразования вследствие неисправности топливной аппаратуры) качество смесеобразования в цилиндре существенно изменяется, причем это изменение не связано с величиной коэффициента избытка воздуха, вследствие чего величина коэффициента b в формуле (1) изменяется. Это изменение может использоваться в качестве диагностического признака ухудшения технического состояния цилиндра и служить основанием для постановки его на стационарный диагностический контроль [1].

С целью проверки данного вывода выполнен анализ изменения параметров дизелей типа 1А-5Д49 тепловозов серии ТЭП70БС в эксплуатации по данным бортовых систем диагностики.

 Величина относительного изменения температуры ОГ определялась с использованием зависимости:

                                                               (2)

где Т_ОГ - текущее значение температуры ОГ, ^оК;

Т_ОГ(ном) - номинальное (установившееся ) значение температуры ОГ на данной позиции контроллера, ^оК;

Для оценки изменения коэффициента избытка воздуха использовалось выражение [1]:

где  - относительное изменение давления наддува;

 - относительное изменение положения реек ТНВД;

 - номинальное (установившееся) значение давления наддува на данной позиции контроллера, МПа;

 - номинальное (заданное) положение реек ТНВД на данной позиции контроллера, ед. кода.

В настоящее время контроль температуры отработавших газов на выходе из цилиндров, а также перед газовой турбиной в каждом из выпускных коллекторов является одной из функций микропроцессорных систем управления и диагностики МСУ-Т [2, 3]и МСУ-ТП[4] тепловозов ТЭП70БС, 2ТЭ116У, поэтому повышение эффективности использование результатов такого контроля является весьма актуальной задачей.

Для измерения температуры отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания используются термопары с хромель - алюмелевыми и, реже, хромель – копелевыми термоэлектронными проводниками, помещенными в металлический корпус (рис. 1).

Рисунок 1. Преобразователь термоэлектрический ТХА 

1-керамические изоляторы; 2 – хромель; 3 – алюмель; 4- керамика

Величина термоэлектродвижущей силы определяется разностью температуры горячего спая, находящегося в корпусе термопары, и холодного спая, которым является обмотка милливольтметра термокомплекта или согласующий резистор блока температурного измерителя микропроцессорной системы управления и диагностики. Достоверность и точность контроля температуры зависит от соответствия температуры газа и собственно горячего спая, а также от изменения температуры холодного спая.

В установившемся режиме работы двигателя при неизменной среднецикловой температуре отработавших газов на выходе из цилиндров корпус термопары и находящийся внутри него горячий спай успевают прогреться до средней температуры газа, что позволяет обеспечить требуемую точность измерения. Однако условия работы тепловозного дизеля характеризуются частой сменой режимов работы (позиций контроллера машиниста), вследствие чего стационарное тепловое состояние газа и термопары не достигается, что приводит к снижению точности измерения и достоверности получаемых результатов.

На рис. 2 приведена распределение времени работы на позициях контроллера машиниста тепловоза ТЭП70БС.

Рисунок 2. Распределение времени работы на позициях контроллера (общая продолжительность работы ДГУ составила 580 мин)

Анализ его показывает, что основную часть времени дизель работает в неноминальных режимах работы, причем до 56.79% его приходится на режим холостого хода. В этих условиях достоверное измерение температуры отработавших газов весьма затруднено. На рис.3 представлено распределение результатов контроля температуры газов на выходе 1-го правого цилиндра дизеля средствами бортовой микропроцессорной системы автоматического управления и диагностики тепловоза ТЭП70БС на 12-й позиции контроллера, на которое приходится основное время работы дизеля под нагрузкой (рис.2). Как следует из кривых, результаты измерения практически равномерно распределены в интервале 190… 460^оС для 5-й позиции контроллера машиниста и 210…460^оС для 7, 210…490^оС для 9 и 210…480^оС для 12-й позиций, что свидетельствует о практически случайном характере изменения теплового состояния термопар в условиях частого переключения позиций контроллера машиниста. Это практически исключает возможность непрерывного достоверного контроля температуры отработавших газов на выходе из цилиндров. Он возможен только в случае непрерывной работы дизеля на одной позиции в течение 5…10 минут.

Рисунок 3. Распределение результатов непрерывного измерения температуры отработавших газов на выходе из 1-го правого цилиндра на 12-й позиции контроллера

На рис. 4 представлено распределение результатов контроля температуры газов в той же поездке при непрерывной работе на указанной выше позиции в течение 5 и более минут. В этом случае безусловно обеспечивается высокая достоверность получаемых результатов, однако продолжительность таких режимов в данном случае не превосходит 23,35% от общего времени работы тепловоза, а в общем случае может быть существенно меньше.

Рисунок 4. Распределение результатов измерения температуры отработавших газов на выходе из 1-го правого цилиндра на 9-й позиции контроллера в стационарном режиме

Распределение значений температуры холодного спая термопары для 12 позиции контроллера машиниста приведено на рис.5.

Рисунок 5. Распределение результатов измерения температуры холодного спая на 12-й позиции контроллера в стационарном режиме

Анализ их показывает, что расположение холодного спая на плате температурного измерителя, который установлен на боковой стенке дизельного помещения тепловоза, позволяет обеспечить ее относительную стабильность. Вместе с тем, учитывая близкий к равномерному характер распределения температуры холодного спая на интервале 19…25^оС, даже такое ее изменение может оказывать существенное влияние на результаты оценки технического состояния дизеля с использованием температуры отработавших газов на выходе из цилиндров, поскольку, как следует из рис. 3…5, ее изменение на 12 позиции контроллера машиниста не превосходит в среднем 50^оС.

Таким образом, результаты измерения температуры отработавших газов на выходе из цилиндров дизеля представляют собой случайную величину, характер распределения которой зависит от режимов работы дизеля в эксплуатации. Вероятная величина ошибки измерения возрастает по мере увеличения числа переключения позиций контроллера в единицу времени.

В связи с этим актуальной является задача разработки методов математической обработки результатов измерения температуры термопарами с целью повышения точности и достоверности результатов измерения.

Список литературы:

1. Грачев В.В., Валиев М.Ш.. Оценка технического состояния тепловозного дизеля по данным бортовой микропроцессорной системы управления // Известия ПГУПС,-2010-Вып.1- с.22-32.
2. Сергеев. С.В., Камышников С.А. Система МСУ-Т магистрального пассажирского тепловоза ТЭП70БС // Труды ВНИКТИ,-2004-№ 83-с.64-76.
3. Федотов М.В., Набатчиков Ю.Н. Бортовая система диагностики тепловоза ТЭП70БС // Труды ВНИКТИ,-2004-№ 83-с.92-96.
4. Федотов М.В. Унифицированная микропроцессорная система управления и диагностики (МСУД) // Труды ВНИКТИ,-2004-№ 83-с.8-10.