Диагностика и регулировка тепловозов - Анализ рабочего процесса с помощью индикаторных диаграмм

Анализ процесса сжатия показывает величину относительных тепловых потерь, свидетельствующую о качестве работы двигателя на этом режиме. Если относительные тепловые потери к концу сжатия превышают 4—5%, то эксплуатационный режим двигателя несовершенен и рабочий процесс на этом режиме протекает некачественно. Индикаторный коэффициент выделения теплоты или отношение теплоты, израсходованной на изменение внутренней энергии и совершение работы газа от начала сжатия до данного момента, к теплоте, которая могла бы выделиться при сгорании подаваемого на один цикл топлива, определяется

Текущая температура газа в цилиндре, определяемая по индикаторной диаграмме давлений,
Здесь в свою очередь Ма — постоянное в процессе сжатия число молей, равное

Температура начала сжатия

На основе анализа процесса сжатия можно получить важнейшую величину, характеризующую температурную напряженность двигателя — среднюю температуру деталей цилиндро-поршневой группы. Известно два способа определения этой величины:

1. по максимуму кривой индикаторного коэффициента выделения теплоты хi(φ);
2. по точке пересечения кривых политроп и адиабат на линии сжатия. Практически это производится так.

На участке диаграммы, соответствующем линии сжатия, определяется протекание показателей политроп и адиабат. Для воздуха теплоемкость определяется по формуле

Показатели адиабат находятся по уравнению
По этому уравнению и по температуре газа в цилиндре, полученной в результате обработки индикаторных диаграмм, можно построить кривую показателей адиабат по линии сжатия. Показатели политроп по линии сжатия

Расчет по определению показателей политроп для линии сжатия сводится в таблицу, где их значения даны через 10° поворота кривошипа. Точка пересечения показателей адиабат и политроп k = n (рис. 17) соответствует, очевидно, отсутствию отдачи теплоты; в этой точке средняя температура стенок цилиндра равна температуре газа в цилиндре. Соответствующая этой точке температура газа в цилиндре равна средней температуре стенок; по этой температуре и может быть оценена температурная нагрузка деталей.

Рис. 17. Изменение показателей адиабаты и политропы на линии сжатия

Анализ процесса сгорания путем построения кривой зависимости индикаторного коэффициента тепловыделения по углу поворота коленчатого вала дает возможность получить продолжительность процесса сгорания, а также величину суммарных тепловых потерь при сгорании — расширении. Индикаторный коэффициент выделения теплоты определяется по формуле, аналогичной для процесса сжатия. Отличие заключается в необходимости  учета переменного числа молей. Для этого важнейшего участка рабочего процесса

где

Здесь в свою очередь φн — угол поворота коленчатого вала, соответствующий началу сгорания; φz — то же, концу сгорания.
Аналогично теплоемкость определяется как теплоемкость смеси свежего воздуха и продуктов сгорания

Теплоемкость продуктов сгорания

Для выполнения этого этапа обработки индикаторных диаграмм принимается (в первом приближении) значение угла поворота коленчатого вала, соответствующее концу сгорания. Для тепловозных дизелей 10Д100 на наиболее характерном эксплуатационном режиме конец сгорания соответствует 75—85° (не более). Увеличение продолжительности сгорания свидетельствует об ухудшении качества рабочего процесса. Важный показатель качества протекания процесса сгорания — зависимость получаемая путем численного дифференцирования кривой . Она характеризует интенсивность протекания процесса сгорания, а нулевое значение соответствует моменту прекращения тепловыделения, примерно совпадающему с окончанием процесса сгорания.
Наиболее перспективный путь диагностирования рабочего процесса двигателя — установка непосредственно за усилителем электрического индикатора электронного блока, воспроизводящего расчет кривых с регистрацией результатов на осциллографе. Такая комбинация электрического индикатора и дополнительного электронного блока обеспечит, очевидно, наиболее широкое внедрение в практику диагностирования рабочего процесса двигателя определение скорости нарастания кривых тепловыделения и интенсивности изменения тепловыделения.
В качестве примера такой установки следует указать созданную доктором А. Гохе в Дрезденском техническом университете (рис. 18) [19] измерительную установку, представляющую собой электронную приставку к электрическому индикатору, обеспечивающую непосредственное преобразование диаграммы давления в диаграммы скорости нарастания давления, зависимостей тепловыделения и его интенсивности по углу поворота коленчатого вала.

Рис. 18. Структурная схема установки для определения скорости нарастания тепловыделения и интенсивности его изменения:
1 — электрический индикатор; 2 — блок преобразования диаграммы давления; 3 — запись изменения давления; 4 — запись скорости изменения давления; 5 — блок преобразования изменения объема и давления

Таким образом, непосредственно в период эксперимента оказывается возможным получить интенсивность тепловыделения, характеризующую качество процесса сгорания, момент конца сгорания, коэффициент эффективного тепловыделения к определенному моменту, соответствующему, например, 30° поворота коленчатого вала.
По индикаторным диаграммам, фиксирующим изменение давления в период газообмена, могут быть получены показатели, характеризующие качество процесса газообмена в цилиндре двигателя, а по осциллограммам в выпускном и впускном тракте — о качестве работы системы газотурбинного наддува.
По этим исходным данным можно определить эффективность и влияние эксплуатационных факторов на состояние отдельных элементов системы наддува
где рпк — среднее давление, эквивалентное затрате энергии на полное сжатие воздуха.
При одноступенчатом сжатии (для дизелей 2Д100) эта величина определяется по формуле

Здесь в свою очередь πκ — мгновенные значения степени повышения давления в компрессоре, получаемые из осциллограмм давления во впускном тракте, снятых электрическим индикатором; Gв и ηκ — мгновенные значения расхода воздуха и к. п. д. компрессора, определенные с помощью характеристики компрессора при фиксированной частоте вращения ротора.

При двухступенчатом сжатии воздуха (например, в двухтактных двигателях типа 10Д100), ρпк определяется по формуле

Второе слагаемое, входящее в формулу для Эсн, среднее давление, соответствующее затрате энергии двигателя на привод компрессора рдвк.
Для двухтактных двигателей рдвк (10Д100) определяется мощностью приводного (от коленчатого вала) компрессора

или при относительно малых пульсациях давления

Для четырехтактных двигателей — это среднее давление на линии выталкивания

где рвыт — давление из индикаторных диаграмм, регистрирующих процессы газообмена.
Эффективной, пригодной для эксплуатации тепловозных дизелей, является система наддува, при которой Эсн≥0,35. В случае снижения Эсп следует анализировать причины, важнейшими из которых являются закоксование газовоздушного тракта, проточной части турбины, снижение к. п.д. турбины и турбокомпрессора в целом. Причиной снижения критерия Эсн может быть также закоксование выпускных органов (выпускных окон — двухтактных дизелей, клапанов — четырехтактных).
Целесообразно воспользоваться индикаторными диаграммами процесса выпуска газа для выявления причин снижения критерия Эсн. В частности, наиболее характерно определение относительного количества газа, вышедшего из цилиндра на участке от момента открытия выпускных органов до н. м. т. Эта величина приближенно может быть определена по формуле

Качественная очистка для основных эксплуатационных режимов, кроме холостого хода и весьма малых нагрузок, характеризуется значением. В случае если величинаниже указанной, следует осмотреть выпускные органы и очистить их от нагара.
Наиболее точно анализировать работу агрегатов наддува путем определения к. п. д. турбокомпрессора можно по зависимостям

Приведенные зависимости позволяют создавать аналитические модели работы агрегатов наддува, а при математических методах обработки с ЭВМ — определять взаимозависимости параметров диагностирования и элементов системы воздухоснабжения.
При наличии характеристик компрессора, которые обычно известны, ибо снятие их заводами-изготовителями значительно проще, чем характеристики турбины, может быть определен к. п. д. турбины

или при относительно малом колебании давлений газа или воздуха

В случае если к. п. д. турбокомпрессора дизеля 10Д100 ниже 0,50, а к. п. д. турбины ниже 0,65, следует осмотреть турбокомпрессор, особенно турбину, поскольку она наиболее подвержена закоксовыванию и даже порчам в период эксплуатации. Необходимо отметить, что в отличие от к. п. д. компрессора к. п. д. турбины весьма мало зависит от режима работы дизеля, ибо турбина, совмещенная на одном валу с компрессором, обладает свойством автомодельности по важнейшему критерию подобия кинематики потока — отношению окружной скорости (U) к располагаемой скорости истечения (Ср). Поэтому падение к. п. д. турбины во всем диапазоне работы двигателя является надежным критерием, позволяющим диагностировать состояние проточной части турбины.
Эксперименты показывают, что даже в одном двигателе отсутствуют строго идентично работающие цилиндры. Кроме того, в некоторых случаях допускается такая работа двигателя, при которой существенно отличается индикаторная диаграмма в одном-двух цилиндрах вплоть до их отключения. Проведенными исследованиями установлено, что неравномерная работа цилиндров обусловливает дополнительные крутильные колебания, отсутствующие в двигателе с нормально работающими цилиндрами [20]. При неравномерно работающих цилиндрах индикаторные диаграммы в разных цилиндрах различны, поэтому амплитуды гармоник отличаются. Очевидно, что это отразится на энергии главных гармоник. Еще больше изменится энергия, сообщаемая системе второстепенными гармониками, — она станет отличаться от нуля и будет соизмерима с энергией от главных гармоник. Таким образом, в двигателях с валопроводами, имеющими низкие собственные частоты, неравномерная работа цилиндров вызывает относительно сильные низкочастотные вынужденные крутильные колебания.
При идентичной работе всех цилиндров возбуждение крутильных колебаний практически определяется действием лишь главных гармоник. Когда же один цилиндр работает на холостом ходу, а остальные на номинальном режиме, амплитуды второстепенных гармоник становятся существенными. Если при этом учесть, что частота первой гармоники значительно ближе к низким собственным частотам, чем частота главной гармоники, то можно ожидать возбуждения вынужденных колебаний, соизмеримых с колебаниями от главной гармоники или даже превышающих их.
Проводится комплекс исследований по применению методов оценки крутильных колебаний для диагностики работы цилиндров. В частности, для этих целей может быть использован электрический торсиограф ЭТ-1, разработанный на заводе им. Малышева [15]. Торсиограф ЭТ-1 применяется в комплекте со шлейфным осциллографом, пультом управления, аккумуляторной батареей и соединительными проводами. Основными деталями прибора являются ведущий валик, закрепляемый цанговым зажимом на хвостовике коленчатого вала, и маховик, соединенный с валиком пружинными растяжками.
Масштаб торсиограммы определяется перед началом и по окончании торсиографирования по записи тарировочных отклонений, получаемых с помощью специального устройства — тарировочной кнопки. Торсиограф обеспечивает запись колебаний, имеющих частоту от 800 до 9000 кол/мин при частоте вращения 2000 об/мин с погрешностью не более 5%.