ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ

Для непрерывного контроля величины коэффициента избытка воздуха в цилиндре дизеля может использоваться широкополосный датчик содержания кислорода в отработавших газах (ОГ). Он предназначен для косвенной оценки состава смеси, сгорающей в цилиндрах двигателя, по содержанию кислорода в ОГ. 

Датчик содержания кислорода, коэффициент избытка воздуха, топливная аппаратура

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. 
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 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 современные тепловозные дизели оборудуются термокомплектами, обеспечивающими возможность непрерывного измерения температуры отработавших газов 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 температуры ОГ можно существенно повысить, если использовать ее совместно с коэффициентом избытка воздуха, характеризующим как качество смесеобразования в цилиндре дизеля, так и режим его работы [1]. 
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 [2]. 
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 [2, 3]:

 (3)

где  - относительное изменение давления наддува;
 - относительное изменение положения реек топливного насоса высокого давления (ТНВД);
 - номинальное (установившееся) значение давления наддува на данной позиции контроллера, МПа;
 - номинальное (заданное) положение реек ТНВД на данной позиции контроллера, ед. кода.

Изменение величины температуры отработавших газов при постоянном значении коэффициента избытка воздуха на данной позиции контроллера машиниста может свидетельствовать об ухудшении состоянии топливной аппаратуры (некачественное 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 отработавших газов будет свидетельствовать об изменении сигнала обратной связи по 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 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. 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 отработавших газах[4, 5]. 
В зависимости от рабочей характеристики различают два вида кислородных датчиков:
- узкополосные датчики 
- широкополосные датчики.
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 вольт) при работе двигателя на обедненной смеси и высоком содержание кислорода в ОГ. Скачок напряжения между отдельными уровнями происходит при б=1. 
Узкополосный датчик имеет специфическую Z-образную характеристику, которая позволяет с высокой точностью определить только факт отклонения состава смеси от стехиометрического (б=1) в сторону меньших значений б (богатая смесь с избытком углеводородов и относительно уменьшенным содержанием кислорода) или больших значений б (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 б малоэффективно. 
В отличие от узкополосных датчиков, широкополосный датчик имеет почти линейную характеристику в широких пределах изменения. Он обладает сложной внутренней структурой 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.
Процесс измерения коэффициента избытка воздуха широкополосным датчиком кислорода предполагает стабилизацию напряжения U_S на соответствующем выходе датчика за счет изменения тока I_P и контроль величины тока. Таким образом, схема управления датчиком должна представляет собой регулятор напряжения U_S, управляющим воздействием которого является ток накачки I_P[5] . 
Широкополосные датчики имеют две ячейки – измерительную и ячейку накачки. 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) в твердом электролите. Прикладывая напряжение к электродам ячейки накачки, можно управлять переносом ионов кислорода между электродами ячейки.
При положительном потенциале входа I_p относительно входа V_s/I_p перенос кислорода будет осуществляться от внутреннего электрода ячейки накачки к внешнему, при отрицательном потенциале I_Р - в противоположном направлении. Изменяя величину тока I_Р (напряжение между электродами ячейки накачки), можно добиться удалении из ячейки всего кислорода. Необходимая для этого величина тока I_p будет зависеть от содержания кислорода в ОГ. Таким образом, постоянно поддерживая в ячейке накачки нулевое содержание ионов кислорода, можно по величине необходимого для этого тока I_Р оценивать содержание кислорода в ОГ. 
Измерительная ячейка датчика предназначена для контроля содержания кислорода в ячейке накачки. Ее внешний электрод находится внутри ячейки накачки, вследствие чего выходное напряжение U_S 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 U_S равным 450 мВ за счет изменения тока накачки I_Р, можно по величине этого тока оценивать содержание кислорода в ОГ дизеля[5]. 
По данным изготовителей широкополосных датчиков, приведенная относительная погрешность измерения состава смеси широкополосным датчиком не превышает 0,7%. Установленная зависимость относительного изменения температуры отработавших газов дизеля от изменения коэффициента избытка воздуха позволяет предложить следующий метод контроля технического состояния цилиндров дизеля в эксплуатации. 
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 процесс эксплуатации заведомо исправного локомотива, для каждой позиции контроллера устанавливаются значения математических ожиданий значений основных параметров рабочего процесса, контролируемых системой (P_K, T_ОГ, h_P, б_Ц) которые принимаются за номинальные значения этих величин, соответствующие нулевым значениям из относительных отклонений. По этим же данным уточняются зависимости вида (1), которые затем принимаются в качестве эталонных. 
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.
Существенное отклонения относительных изменений контролируемых параметров от эталонных кривых будет свидетельствовать о нарушении нормального протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля. 
Учитывая существенную зависимость результатов измерения коэффициента избытка воздуха от давления измеряемой среды (т.е. 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. 
Таким образом, предлагаемый метод контроля технического состояния дизеля является комплексным и позволяет контролировать изменение технического состояния ряда систем дизель-генераторной установки. Его эффективность [7] и информативность может быть существенно повышена при одновременном контроле других параметров силовой установки, в частности положения рабочего органа регулятора и мощности генератора на каждой позиции контроллера.

1. Погодин С.И. Рабочие процессы транспортных турбопоршневых двигателей // С.И. Погодин. – М.: Машиностроение, 1978. – 312с.
2. Грачев В.В. Оценка технического состояния тепловозного дизеля по данным бортовой микропроцессорной системы управления / В.В. Грачев, М.Ш. Валиев // Известия  ПГУПСа / Петербургский государственный университет путей сообщения. – Санкт-Петербург. –  2010. – №1(22). –  С. 22 – 32.
3. Валиев М.Ш. Диагностика рабочего процесса тепловозного дизеля в условиях эксплуатации // Вестник Транспорта Поволжья / Самарский государственный университет путей сообщения. – Самара. –  2011. –  №1(25). – С. 35 – 39.
4. Грачев В.В. Оценка технического состояния цилиндров дизеля с использованием датчика содержания кислорода в отработавших газах / В.В. Грачев, М.Ш. Валиев // Известия  ПГУПСа / Петербургский государственный университет путей сообщения. – Санкт-Петербург. – 2011. – №2(27). – С. 25 – 32.
5. Грачев В.В. Устройство для контроля величины коэффициента избытка воздуха тепловозного дизеля / В.В. Грачев, Ф.Ю. Базилевский, М.Ш. Валиев  // Известия ПГУПСа / Петербургский государственный университет путей сообщения. – Санкт-Петербург. –  2011. – №3(28). – С. 153 – 161.
6. Валиев М.Ш. Оценка эффективности качества рабочего процесса тепловозного дизеля // Вестник ТашИИТ. Стр.72-76. №1. 2016 г.
7. Мерганов А. М. Вопросы повышения эффективности естественных монополий //Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. – 2016. – №. 3. – С. 18-19.

Все статьи автора «Мерганов Аваз Мирсултанович»