Диагностика и регулировка тепловозов - Снятие и обработка индикаторных диаграмм

ГЛАВА 2
АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА РАБОТЫ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ
СНЯТИЕ И ОБРАБОТКА ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ

Индикаторные диаграммы дизеля на наиболее характерных эксплуатационных режимах снимают для определения правильности регулировки дизеля по фазам подачи топлива и среднего индикаторного давления в каждом из цилиндров двигателя. Это позволяет наиболее достоверно определить правильность регулировки цилиндров, которая иным путем может быть найдена лишь приближенно. Кроме того, определение среднего индикаторного давления или средней по цилиндрам индикаторной мощности дизеля в целом дает возможность определить мощность, затрачиваемую на механические потери, механический к. п. д. дизеля и, главное, среднее значение механических потерь. Как распределение индикаторной мощности по цилиндрам, так и сама по себе величина механических потерь (особенно в виде среднего давления) являются важным показателем резервов снижения расхода топлива и повышения надежности двигателем в целом.
Кроме этого, индикаторные диаграммы позволяют проанализировать протекание рабочего процесса на разных его участках, например, процесс сгорания, процесс газообмена, совершенства агрегатов системы воздухоснабжения, уровня тепловой напряженности цилиндра и т. д. Анализ рабочего процесса двигателя по индикаторным диаграммам — это важнейшее средство его доводки. При анализе выявляются возможности совершенствования дизеля для повышения топливной экономичности и снижения тепловой и механической напряженности, т. е. повышения его надежности.
Весьма распространены для индуцирования тепловозных дизелей электрические индикаторы, хотя наиболее удобна обработка индикаторных диаграмм на установившемся, стабильном режиме работы дизеля, снятых   пневмоэлектрическими индикаторами. Электрические индикаторы, позволяющие снимать индикаторные диаграммы дизеля, относящиеся к одному циклу его работы, состоят из датчиков, усилителей и осциллографов. Если усилители типа УТС и шлейфные осциллографы типа Н-105 или МПО-2 в достаточной мере описаны в литературе [15], то на конструкции датчиков следует остановиться более подробно.
Вследствие недостаточной стабильности и линейности характеристик аппаратуры, основанной на использовании пьезоэффекта, а также емкостных индикаторов наиболее совершенными являются датчики с использованием проволочных преобразователей для измерения давлений в цилиндре и других системах дизеля. Эти датчики обладают хорошей линейностью, стабильностью характеристик, полной температурной компенсацией, а также достаточной надежностью в работе.
Датчики электрических индикаторов (рис. 13) предназначены для измерения малых давлений (до 2 кгс/см²). Упругие элементы индикаторов — гофрированная мембрана и кольцевая балочка. Для измерений пульсирующих давлений, например в выпускной системе, желательно применять кольцевую балочку, как более жесткую и обладающую более высокой собственной частотой колебаний. Мембрана передает усилие от давления газов на кольцевую балочку, на наружной и внутренней поверхности которой наклеены проволочные решетки.

Рис. 13. Схема упругих элементов датчиков с использованием проволочных преобразователей

При работе проволочные решетки получают деформации противоположных знаков. Так как при этом решетки включены в соседние плечи цепи мостика, то исключается необходимость в компенсации температуры. Кроме того, чувствительность такого преобразователя удваивается, поскольку изменения деформаций обеих решеток имеют различные знаки. Гофрированная мембрана соединена с кольцевой балочкой, вследствие чего создается единая упругая система и устраняется запаздывание деформации при быстрых изменениях давления одного элемента относительно другого. Частота собственных колебаний такого преобразователя, как показали специально проведенные опыты, определяется в основном жесткостью кольцевой балочки.
В результате проведенных опытов была определена частота собственных колебаний кольцевых балочек диаметром 18 мм, но имеющих различную толщину. Так, балочка толщиной 0,2 мм имеет частоту собственных колебаний 1350 Гц, толщиной 0,3 мм — 2400 Гц и толщиной 0,65 мм — 4500 Гц. В зависимости от величины давления и необходимой чувствительности подбираются геометрические размеры элементов. Мембраны и кольцевые балочки обладают линейной характеристикой. Датчики, предназначенные для снятия индикаторных диаграмм в цилиндре в области низких давлений, имеют ограничение хода мембраны, соответствующее максимально возможным давлениям, которые регистрирует индикатор.
Основная погрешность, возникающая при снятии индикаторных диаграмм как электрическим, так и пневмоэлектрическим индикатором, заключается в запаздывании регистрации давлений из-за канала между датчиком и цилиндром. Ввести датчик непосредственно в цилиндр практически невозможно, поэтому наличие канала неизбежно.
Запаздывание регистрации давлений происходит на величину

где l — длина канала между датчиком и цилиндром дизеля;
а — скорость звука.

Очевидно, значение этой величины зависит от температуры газа в канале и на линии сжатия она ниже, чем на линии сгорания — расширения. Поэтому при большей длине индикаторного канала ощущается разница в сдвиге регистрируемых давлений на разных участках индикаторной диаграммы. Например, для дизеля 2Д100 при канале длиной 150 мм линия сжатия смещается в среднем на 3°, а линия расширения на 1,5° п. к. в. Поэтому канал вносит значительные погрешности в индикаторные диаграммы. Правильнее устранить эти погрешности за счет существенного уменьшения канала между датчиком и цилиндром дизеля. Так, на дизеле 2Д100 при ввертывании датчика взамен индикаторного крана длина канала понижается до 20—30 мм и погрешность, вносимая наличием канала, может не учитываться.
При индицировании обоими типами индикаторов существенной является погрешность, связанная со сдвигом в. м. т. Сдвиг в. м. т. на Г п. к. в. приводит к погрешности в определении среднего индикаторного давления на 8— 10% и может привести к ошибочной оценке механических потерь, а также протекания рабочего процесса.
Поэтому весьма желательна корректировка положения в. м. т. за счет полного отключения подачи топлива в индицируемый цилиндр или смещении угла начала впрыска топлива за в. м. т. в двигателях, где это технологически легко осуществимо. Положение в. м. т. устанавливается по симметрии пика давлений (в районе, отстоящем не более чем на 15° п. к. в. от в. м. т.). Несимметричное расположение давлений в пределах за 15° п. к. в. от пика объясняется влиянием пневмоэлектрического индикатора; возникают также погрешности, связанные с наличием зазоров между подвижным и неподвижным контактами и инерционности клапана (мембраны), однако они имеют значение лишь для диаграмм, регистрирующих протекание процессов низких давлений, и легко устраняются путем незначительной корректировки положения атмосферной линии.
Значительный интерес представляет электрический индикатор, разработанный в Ростовском институте инженеров железнодорожного транспорта (РИИЖТ) Ю. А. Магнитским и В. Д. Карминским [16, 17], который позволяет при установке датчиков во всех цилиндрах двигателя путем дискретно-непрерывного снятия характерных точек определить непосредственно среднее индикаторное давление (табл. 8).
Прибор способствует диагностике такого важного фактора, определяющего надежность и экономичность двигателя в целом, как неравномерность распределения мощности по цилиндрам.
Для снятия с цилиндра импульсов соответствующей продолжительности было предложено использовать коллектор с подвижным контактом, жестко связанным с валом двигателя.

Таблица 8

 Токопроводящие пластины коллектора и контакт соединены с усилителем и регистрирующим прибором. Тем самым решительно упрощено устройство для измерения внутрицилиндровых процессов при сохранении необходимой точности измерений. Погрешности не превышают 1 % — для любого двигателя. Вся анализирующая аппаратура размещена в небольшом настольном переносном приборе.
Метод полунепрерывной обработки электрических импульсов лег в основу многих диагностических приборов. Больше всего внимания было уделено, пожалуй, разработке устройства для определения среднего индикаторного давления в цилиндре. Эта величина отражает давление в цилиндре при прямом и обратном ходах поршня. Она позволяет оценить равномерность распределения мощностей по цилиндрам, проверить работу топливной аппаратуры, определить механический коэффициент полезного действия двигателя, найти потери на трение и привод вспомогательных механизмов. Конструкция установки для определения среднего индикаторного давления несложна (рис. 14).
Перемещение контакта по коллекторным пластинам обеспечивает изменение направления тока при прямом и обратном ходах поршня и сокращение времени действия
тока на отдельных участках кривошипной окружности. В настоящее время внедряется электронный анализатор РИИЖТа.

Рис. 14. Функциональная схема анализатора РИИЖТа по определению среднего индикаторного давления:
1 — цилиндр; 2 — датчик; 3 — блок питания; 4 — усилитель; 5 — постоянные резисторы; 6 — неподвижные коллекторные пластины; 7 — подвижной контакт; 8 — измерительный прибор; 9 — жесткая связь контакта с валом двигателя

В ряде исследовательских и научных институтов были сконструированы пиметры с электрическим интегрированием и с электрической передачей сигнала от датчика давления на инерционный прибор магнитоэлектрической системы.
Для определения среднего индикаторного давления Н. С. Ждановский рекомендует находить с помощью пиметра не только но и среднеинтегральное во времени давление при выключенной подаче топлива рτ0. Проанализировав идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) со смешанным и изохорным подводом тепла, была получена зависимость средне- индикаторного давления от разности давлений Δρτ = ρτ — ρτ0 вида
 где а и b — коэффициенты.
Опыты, проведенные под руководством Н. С. Ждановского, показали, что коэффициенты в формуле не могут считаться одинаковыми для разных двигателей одной и той же тактности; для двухтактного дизеля, например, рекомендуются: α=2,05, b=0,685 [18]. Следует отметить, что существенная разница в pi при изменении углов опережения подачи топлива может совершенно не сказаться на значении.
Таким образом, при существенной простоте оценки внутрицилиндровой работы по среднему по времени давлению недостатком этого способа является его неоднозначность, т. е. одно и то же рτ может быть получено при разных pi, если имеется различие по рс, углу опережения подачи топлива, периоду задержки воспламенения и т. д. Такой способ определения внутрицилиндровой работы можно применять лишь для весьма приближенной сравнительной оценки нагруженности цилиндров при условии измерения углов опережения подачи топлива, ρz и рс. Целесообразным для определения разрегулировки цилиндров является применение способа поочередного отключения подачи топлива в цилиндры, описанного в главе 3.
Перечисленные измерения, как и более точные, описанные выше, будут способствовать как ужесточению требований к регулированию дизель-генератора, так и к диагностированию в эксплуатации. При этом следует учитывать, что основные требования должны предъявляться к регулированию двигателя на режиме, который соответствует наибольшему времени эксплуатации данного вида тепловоза (по результатам обработки статистических данных распределения времени работы на отдельных режимах).  Целесообразно, чтобы максимальная идентичность работы цилиндров была на этом определяющем работу двигателя режиме. Это приведет к уменьшению разрегулировки часто встречающихся в эксплуатации режимов малых нагрузок, что неизбежно связано с разницей в характеристиках насосов, особенно проявляющейся при малых расходах топлива.

Индикаторные диаграммы обрабатывают для всех участков рабочего процесса, но прежде всего для процессов сжатия, сгорания и расширения. При обработке индикаторной диаграммы возникает необходимость уточнения положения отбитой на диаграмме мертвой точки. Мертвая точка может быть уточнена по диаграмме сжатия-расширения при выключенной подаче топлива или сдвиге момента начала впрыска топлива за в. м. т. путем определения линии симметрии лишь в районе пика*. Точная установка мертвой точки имеет принципиальное значение; так, для дизелей типа Д100 смещение мертвой точки на 1° поворота коленчатого вала приводит к изменению среднего индикаторного давления на 8—10%.
Лишь после уточнения положения мертвой точки оказывается возможным провести исследование диаграмм. Прежде всего необходимо оговорить, что наибольшие по масштабу индикаторные диаграммы соответствуют максимальной мощности, поэтому эти диаграммы обычно и принимаются в качестве основного материала для обработки. Однако такой режим для эксплуатации не характерен, поэтому обязательна обработка диаграмм на основном эксплуатационном режиме.

* Асимметрия диаграмм сжатия-расширения относительно в. м. т. по мере удаления от пика связана с весьма интенсивной теплоотдачей, свойственной, например, дизелю Д100 с вихревым потоком газа в цилиндре.

Обработка индикаторных диаграмм включает в себя прежде всего определение следующих параметров:

1. Угла поворота коленчатого вала (от в. м. т.), соответствующего моменту начала воспламенения.
2. Периода задержки воспламенения, т. е. интервала между действительным углом опережения впрыска топлива и началом процесса сгорания (моментом, соответствующим отрыву линии сгорания от линии сжатия). Вследствие того что, как правило, при регулировке двигателя фиксируется геометрический угол опережения. Скорость нарастания давления в период сгорания определяется из диаграммы, полученной экспериментально по формуле  подачи топлива, целесообразно также определение условного периода задержки воспламенения.
3. Интервала между моментом начала процесса сгорания и достижения максимального давления рz.

Дальнейшая обработка индикаторных  диаграмм включает в себя определение скорости нарастания давления в период сгорания (среднего индикаторного давления), построения кривых изменения средних температур газа в цилиндре и закона тепловыделения.

Рис. 15. Скорость нарастания давления газов на участке сгорания при — 2000 л. с. и тд = 850 об/мин

Обычно берется разность давлений при сгорании на участках через 1° поворота коленчатого вала и строится график. Этот график для дизеля Д100 показан на рис. 15.
Максимальная скорость нарастания давления для дизеля 2Д100 находится в пределах 4—5 кгс/см²/град, что свидетельствует о малой жесткости работы этого дизеля. Примером жесткой работы может служить дизель типа Д6, для которого Δρ/Δα≈10 кгс/см²/град.
Как известно, среднее индикаторное давление представляет собой интеграл произведения разности давлений на линии расширения и сжатия на приращение объема

Определению среднего индикаторного давления предшествует установление зависимости приращения объема через интервалы 5—10° поворота коленчатого

вала (п. к. в.), соответствующие интервалам определения давлений по индикаторной диаграмме.
Таким образом, расчет сводится к определению ординат через равные интервалы от действительной мертвой точки по линии сжатия и расширения. Затем суммируют произведения из разности ординат на линии расширения и соответствующих ординат на линии сжатия на приращение объемов в соответствующих интервалах, т. е.

Давления, расположенные справа от мертвой точки, называются давлениями расширения рр, хотя, например, на малых нагрузках начало сгорания нередко наступает за мертвой точкой. Аналитическое определение рi непосредственно из диаграммы р—α наиболее удобно, поскольку не требуется перестройки диаграммы в координаты р—V, которая является гораздо менее точной. В результате определения по диаграмме среднего индикаторного давления появляется возможность найти весьма важную величину, определяющую механические качества дизеля, — мощность механических сопротивлений, которая равна Nмc = Ni—Ne.
Определение мощности механических сопротивлений может быть произведено не только по индикаторным диаграммам, но и другими способами.

1. Способ непосредственного определения мощности механических сопротивлений путем поочередного отключения подачи топлива в цилиндры. При положении реек топливных насосов на упоре и постоянной частоте вращения вала дизеля, регистрируемой точным тахометром или тахогенератором, индикаторная мощность выключенного цилиндра определяется по разности мощностей дизеля при всех работающих и при одном отключенном цилиндре. Это позволяет определить равномерность распределения мощности по цилиндрам. Сумма индикаторных мощностей всех цилиндров за вычетом эффективной мощности дизеля составляет мощность механических сопротивлений. Этот способ имеет следующие недостатки: во-первых, несколько неточно определяется индикаторная мощность каждого цилиндра многоцилиндрового дизеля как разность двух больших величин; во-вторых, мощность механических сопротивлений цилиндра с отключенной подачей топлива возрастает по времени из-за охлаждения цилиндра, что нарушает точность ее определения. Тем не менее этот способ вполне может быть применен для дизелей с умеренным числом цилиндров при определении равномерности распределения мощности по цилиндрам.
2. Способ определения мощности механических сопротивлений, пригодный лишь для дизеля Д100, заключается в определении эффективной мощности при положении реек на упоре и постоянной частоте вращения при поочередном выключении левого и правого рядов топливных насосов. С учетом определенного (путем тщательной обработки индикаторных диаграмм) отношения индикаторных к. п. д. мощность механических сопротивлений находят по формуле

где Nе — эффективная мощность дизеля при работе двух рядов топливных насосов, л. с.;
т — относительный показатель индикаторного к. п. д.
Этот способ определения мощности механических сопротивлений дает относительно правильные результаты. Однако он требует определения индикаторного к. п. д. при работе всех, левого и правого рядов топливных насосов, что затрудняет его использование.

1. Способ определения мощности механических сопротивлений методом выбега (вращения вала по инерции), разработанный ЦНИДИ, основан на определении производной от частоты вращения по времени при резком выключении подачи топлива в момент работы дизеля на различных нагрузках. Механический к. п. д.

где βxx — угол наклона касательной к кривой выбега на холостом ходу в точке, соответствующей данной частоте вращения;
βн — угол наклона касательной к кривой выбега под нагрузкой (рис. 16).
Мощность трения

ИЛИ

Во время выбега на холостом ходу кинетическая энергия расходуется на преодоление сил трения. Приравнивая работу сил трения кинетической энергии, также определяют Νтр.
Угловое ускорение (замедление) при этом

где т — масштаб частоты вращения;
k — масштаб времени;
п — частота вращения вала дизеля по тахогенератору, об/мин.

По данным ЦНИИ МПС, мощность трения у дизеля 10Д100 на 15-й позиции контроллера 708 л. с. и момент инерции I = 9750 кгс-см-с2. Среднее индикаторное давление, очевидно, позволяет получить индикаторную мощность двигателя

где рi — среднее индикаторное давление каждого из z цилиндров двигателя;
i — тактность двигателя;
nд — частота вращения коленчатого вала.
Индикаторный к. п. д. обычно определяется по следующей зависимости

Значение индикаторного к. п. д. для наиболее характерных режимов эксплуатации дизелей типа Д100 должно быть не ниже 0,4.
Меньшее значение этой величины свидетельствует о некачественном протекании процесса сгорания и требует более тщательного анализа процесса с помощью построения кривых тепловыделения.
Определение усредненного значения среднего индикаторного давления при известной эффективной мощности двигателя, а значит, и среднем эффективном давлении позволяет определить среднее давление механических сопротивлений — величину, которая в отличие от обычно рассматриваемого механического к. п. д. является характерным показателем уровня механических потерь, мало зависящим от абсолютного значения мощности (при данной частоте вращения), но существенно зависящей от частоты вращения коленчатого вала, среднего давления газов в цилиндре и температуры масла дизеля.
В сочетании с обработкой индикаторных диаграмм насосных ходов (для четырехтактных двигателей) и мощностью приводного нагнетателя (для двухтактных) среднее давление механических сопротивлений позволяет сравнивать степень совершенства двигателя по затрате работы на трение.