ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ § 1.1. Идеальный цикл дизеля 19 страница

В настоящее время многие дизелестроительные фирмы, включая «Вяртсиля - система RCOM», «МАН-Б.иВ. - система COCOS», «Катерпиллар МАК - система DICARE» и другие, оборудуют выпускаемые двигатели измерительными приборами и микро-процессорами, на которые возлагается задача контроля и мониторинга наиболее важных параметров, сигнализации об их выходе за установленные пределы и накапливание информа­ции для отслеживания развития параметров во времени. При этом вся работа осуществляется в автоматическом режиме. В ряде конструкций на микро-процессор также возложена функ­ция управления процессами подачи топлива в целях оптимизации работы двигателя применительно к режимам его работы.

Системы технического обслуживания «по состоянию»

двигателей «Вяртсиля»

Фирма «Вяртсиля» разработала новую программу управле­ния системой технического обслуживания для двухтактных дви­гателей Зульцер (RCOM-CBM - Condition Based Maintenance). При разработке ставилась задача оптимизировать баланс между увеличенными сроками моточисток, сокращением расходов на запасные части и высокой надежностью двигателя в эксплуата­ции. Накопленный опыт эксплуатации практически одинаковых двигателей показал, что стоимость их технического обслужива­ния и надежность работы различны. Это естественно и объясня­ется различием факторов, влияющих на состояние каждого дви­гателя. При эксплуатации двигателей используются разные по качеству топлива и смазочные масла, запасные части разных производителей, а также имеет место различие в нагрузках, уровне повседневного технического обслуживания и моточисток.

Анализ случаев серьезных аварийных повреждений компо­нентов двигателя показал, что задолго до поломки была воз­можность по меняющемуся состоянию двигателя (компонента) предупредить деградацию состояния двигателя и его компонен­тов и, тем самым, предупредить следующую поломку. Чтобы решить эту задачу, фирма прибегла к использованию знаний привлеченных экспертов (специалистов) для систематического анализа доступной информации. Это открыло возможность пре­дугадывать возникающие проблемы и предупреждать резкое ухудшение технического состояния. К настоящему моменту изучение опыта эксплуатации большого числа судовых силовых установок позволило специалистам сервисного отдела фирмы приобрести необходимые знания и идеальную возможность предугадывать состояние двигателей.

В целях дальнейшего совершенствования системы обслу­живания фирма организовала сбор знаний экспертов, работаю­щих во всех представительствах мира, и на этой основе создала единую базу данных. Часть этих данных относится непосредст­венно к конкретному судну, к числу которых относятся резуль­таты стендовых и ходовых испытаний, данные, записанные в электронной форме и взятые из отчетов сервисных инженеров фирмы и данные рабочих характеристик двигателя, фиксируе­мые на протяжении всей его эксплуатации (data log). Совмест­ная обработка материалов экспертной системы и системы сбора информации позволяет в автоматическом режиме выработать заключения по состоянию конкретного двигателя.

Система сбора информации автоматически пополняется данными, фиксируемыми системой автоматического контроля за работой двигателя, и вручную судовыми механиками путем занесения данных в персональный компьютер. В целях система­тизации и повышения эффективности сбора данных разработа­ны соответствующие шаблоны.

Предлагается производить измерения и оценку состояния следующих элементов:

о поршни;

о сальники поршневых штоков; о воздухоснабжение, продувка; о сгорание;

о топливные насосы высокого давления и форсунки; о распределительный вал и клапаны; о приводы; о коленчатый вал;

о система управления и ?

о демпферы.

Система сбора включает также данные о состоянии таких важных компонентов, как поршневые кольца, втулки цилиндров подшипники ит.п. Небезынтересно отметить, что использование шаблонов и компьютера существенно сокращает бумажные от­четы, зачастую перегружающие судовых механиков.

Процесс компьютизированной обработки включает три этапа:

• Подсчет собранных данных и построение тренда;

• Состояние двигателя оценивается путем сопоставления взвешенных известных случаев, имеющихся в экспертной базе данных фирмы;

• Результат оценки состояния двигателя и его элементов, а также рекомендации по организации технического обслужива­ния сообщаются старшему механику судна и в техническую службу судоходной компании.

Рекомендации выдаются в виде графиков, картинок и со­провождающего их текста.

В четырехтактных двигателях фирма Вяртсиля давно ис­пользует автоматизированные комплексы контроля состояния - WECS (Wartsila Engine Control System). Сегодня по желанию заказчика они дополняются новой системой FAKS (Fault Avoid­ance Knowledge System), программное обеспечение которой служит целям предупреждения поломок, отслеживания тренда изменения состояния и рекомендациями по внесению измене­ний в организацию технического обслуживания. Главным обра­зом система осуществляет диагностирование ситуации, когда поломка (отказ) еще не произошли, но измерения показывают,
что двигатель работает не оптимальным образом и надвигается критическая ситуация. По своей идеологии внедренные системы технического обслуживания по состоянию на 4-х и 2-х тактных двигателях идентичны. Блок схема системы представлена ниже.

	Дизельная установка		ЭВМ

Рис. 10.3. Блок-схема системы технического обслуживания двигателей Вяртсиля.

Система обслуживания «по состоянию» собирает и обраба­тывает все ежедневно поступающие данные, осуществляя их «нормализацию» - приведение к стандартным внешним услови­ям и заданной нагрузке. Затем, как это уже объяснялось ранее, нормализованные данные сопоставляются с эталонными - опре­деляются значения отклонений и по ним оценивается состояние двигателя и обслуживающих его систем.

Если отклонения укладываются в заданные пределы - окно на мониторе окрашивается в черный цвет. Если отклонения слегка выходят за эти пределы - окно желтое. Если отклонения сущест­венно выше - окно красное и поступает тревожный сигнал.

Центром технического обслуживания в судоходную ком­панию и на судно ежемесячно направляется отчет с коммен­тариями и рекомендациями, отражающими состояние уста­новки на текущий момент, прогноз на будущее и историче­ский обзор изменений состояния с момента начала работы системы.

§ 10.3. Контроль и регулирование рабочего процесса дизелей

10.3.1. Индицирование двигателя

Под индицированием понимается снятие с последующей обработкой индикаторных диаграмм, представляющих собой графическую зависимость развиваемого в рабочем цилиндре давления в функции хода поршня S или пропорционального ему объема цилиндра (см. рис. 10.4 и 10.5).

Механические индикаторы «Майгак»

Диаграммы снимаются с каждого рабочего цилиндра с по­мощью специального прибора - индикатора поршневого типа «Майгак». Наличие диаграммы позволяет определить важные для анализа рабочего процесса параметры P_i( Р_с и Р_макс. Диа­грамма на рис. 10.4 типична для двигателей, при эксплуатации которых главная задача состояла в снижении уровня механиче­ской напряженности и содержания в выхлопе окислов азота. Для этого, как уже ранее отмечалось, осуществляется более поздний впрыск топлива, и сгорание происходит с меньшим ростом дав­ления и температур в камере сгорания.

Развернутая индикаторная диаграмма

Если же главная цель состоит в повышении экономичности двигателя, то сгорание организуется с более ранней подачей то­плива и, соответственно, большим ростом давлений. При нали­чии электронной системы управления подачей топлива такая перестройка легко осуществляется. На диаграмме рис. 10.5 чет­ко видны два горба - сжатие и затем сгорание. Такой характер достигнут за счет еще более поздней подачи топлива. На рисун­ках приведены два вида диаграмм - свернутая, по которой опре­деляется среднее индикаторное давление, и развернутая, позво­ляющая визуально оценить характер развития процессов Подоб­ные диаграммы можно получить при использовании поршне­вого индикатора «Майгак», для которого необходимо наличие

индикаторного привода, позволяющего синхронизировать вра­щение барабана индикатора с движением поршня индицируемо­го цилиндра. Подключение привода позволяет получить сверну­тую диаграмму, планиметрированием площади, по которой оп­ределяется среднее индикаторное давление, представляющее собой некоторое среднее условное давление, действующее на поршень и совершающее в течение одного хода работу, рав­ную работе газов за цикл.

Pi = т F_UHd / L_y где F_UHd - площадь диаграммы, пропорцио­нальная работе газов за цикл, L - длина диаграммы, пропорцио­нальная величине рабочего объема цилиндра, т- масштабный множитель, зависящий от жесткости пружины поршня индикатора.

По Pi подсчитывается индикаторная мощность цилиндра = С Pi п, где п - число оборотов 1/мин и С - постоянная ци­линдра. Эффективная мощность N_e = Niij_Mex кВт, г\_мех - механический кпд двигателя, который можно найти в докумен­тации по двигателю.

Перед тем, как приступить к индицированию, проверьте состояние индикаторного крана и привода. Возможные ошибки в их состоянии проиллюстрированы на рис. 10.6. Гребенка (рис. 10.5) снимается при ручном управлении шнуром, отсоеди­ненным от индикаторного привода. Наличие гребенки позволяет оценить стабильность циклов и более точно замерить Р_Л

макс-

			линии сжатия и расширения не совпадают- нару­шение ВМТ привода		Рис. 10.6. Ошибки в приводе индикатора

Если пики одинаковы, то это свидетельствует о стабильной работе топливной аппаратуры. Важно отметить, что поршневые индикаторы обладают малой частотой собственных колебаний. Последняя должна, как минимум, в 30 раз превышать число обо­ротов двигателя. В противном случае индикаторные диаграммы будут сниматься с искажениями. Поэтому применение поршне­вых индикаторов можно применять лишь при индицировании двигателей с частотой вращения не более 300 об/мин. Индика­торы со стержневой пружиной обладают большей частотой соб­ственных колебаний и их применение допускается в двигателях с частотой вращения до 500-700 об/мин. Однако, в таких двига­телях индикаторный привод отсутствует и приходится ограни­чиваться снятием гребенок или развернутых диаграмм, по кото­рым среднее индикаторное давление не определить.

Второе ограничение касается величины максимального давления в цилиндрах. В современных двигателях с высоким уровнем форсировки оно достигает 15-18 МПа. При используе­
мом в индикаторе «Майгак» поршне для дизелей диаметром

9,6 мм максимально жесткая пружина ограничивает Р_макс. = 15 МПа. При такой пружине точность измерения весьма низкая, так как масштаб пружины составляет 0,3 мм на 0,1 МПа.

Существенно также, что работа по индицированию до­вольно утомительна и трудоемка, а точность результатов невы­сока. Малая точность обусловливается ошибками, возникающи­ми из-за несовершенства индикаторного привода и неточности обработки индикаторных диаграмм при их ручном планиметри­ровании. Для сведения - неточность индикаторного привода, выражающаяся в смешении ВМТ привода от ее истинного по­ложения на 1°, приводит к ошибке примерно в 10%.

Электронные индикаторы

Современная практика ориентируется на применение элек­тронных индикаторов, обладающих практически неограничен­ными возможностями по частоте (до 2000 об/мин) и погреш­ность используемых датчиков давления не превышает 0,2%. Классическим примером электронного индикатора может слу­жить «М1Р Calculator» фирмы Аутроника.

В комплект индикатора входят:

• Персональный компьютер с программным обеспечением по обработке индикаторных диаграмм и принтером;

• Переносные или стационарно устанавливаемые тензо- датчики давления газов с пределами измерения до 10.,. 15 или 20 МПа и точностью 1%; допустимая температура 300°. В послед­ней модификации прибора фирма перешла на пьзокварцевые датчики фирмы Кистлер, допускающие температуры до 400°.

• Переносной тензодатчик давления топлива с пределами измерения 0-100 или 200 МПа и точностью -1°. Допустимая температура 150°.

• Тензодатчик давления надувочного воздуха, точность ±0,5%.

• Индуктивный датчик для точного определения положе­ния рабочего поршня и скорости вращения вала. На маховик или вал двигателя одевается лента со штырями, расположенны­ми по окружности через каждые 12 градусов, и штырем, соот-

ветствующим положению поршня первого цилиндра, в ВМТ. При прохождении штырей мимо датчика в нем индуцируется ЭДС с амплитудой в 5 Вольт. В компьютере расстояние между соседними штырями делится на 12 частей и, благодаря этому компьютер обрабатывает индикаторную диаграмму с частотой в

1 градус п.к.в.

Снятые с двигателя диаграммы обрабатываются в компью­тере и по запросу оператора на экране монитора высвечиваются как сами диаграммы, так и результаты обработки (см. рис 10.8), включающие:

По индикаторной диаграмме (давления газов):

♦среднее индикаторное давление;

♦макс, давление сгорания;

♦давление сжатия;

♦давление за 36 град, после ВМТ, позволяющее судить о степени догорания топлива по ходу расширения;

♦я Рмакс- - положение точки Р_маКс по отношению к ВМТ, по­зволяющее судить о том, как сориентировано сгорание топлива; ♦мощность цилиндра;

♦давление надувочного воздуха.

По диаграмме давлений впрыска:

♦максимальное давление впрыска;

♦давление начала впрыска (открытия иглы);

♦угол опережения;

♦продолжительность подачи топлива.

В памяти компьютера могут сохраняться ранее снятые диа­граммы, ранее полученные на двигателе в исправном состоянии и в типичных для него условиях работы (режим, внешние уело-

вия, топливо). В дальнейшем они могут использоваться в каче­стве эталонных, что, как это видно из (см. рис. 10.8) сопоставле­ния эталонной диаграммы с действительной, существенно уп­рощается задача диагностики рабочего процесса.

А: Давление в цилиндре

♦В последние годы появились переносные, очень компакт­ные электронные индикаторы, включающие блок питания и об­работки сигналов от датчиков и элементы памяти. Зафиксиро­ванные в памяти измерения в последующем переносятся в ком­пьютер и в нем осуществляется их обработка.

Оценивая индикаторы, важно также отметить, что наличие длинного индикаторного канала вызывает определенные иска­жения в измеряемые давления. Более того, канал при длитель­ной работе забивается отложениями кокса, нарушающими про­цесс передачи импульса давления газов из камеры сгорания, что, в свою очередь, вносит искажения в величину фиксируемых давлений.

Существующие пьезо- и тензоэлементы допускают воздей­ствие газов с температурой не выше 300-400°С. Конструкторы пытались избавиться от канала, опустив датчик в камеру сгора­ния. Но это требовало перехода на новые конструктивные ре­шения и материалы для чувствительного элемента, которые в течение длительного времени выдерживали бы температуры 500-600°С.

Были попытки измерять давление в цилиндре по измере­нию напряжений в шпильках крепления крышек цилиндров пу­тем наклеивания на них тензодатчиков. Однако, как показали наши исследования, точность и стабильность показаний были неточными. В известной мере это определялось сложностью та­рировки датчиков, необходимостью установки датчиков на двух диаметрально расположенных шпильках и пр.

Фирмой МАН-Б.В. для новых двигате­лей с электронным управлением в целях осуществления непрерывного контроля за рабочими процессами в цилиндрах был раз­работан тензодатчик, вставляемый в про­сверленный в крышке цилиндра канал и прочно удерживаемый в контакте с метал­лом крышки (рис. 10.9). Канал глухой и со-

„ прикосновение датчика с горячими и агрес-

Рис. 10.9. Датчик давле- ^г гг

ния, устанавливаемый в сивными газами отсутствует, температуры крышке цилиндра в месте его установки не превышают 200°.

10.3.2. Анализ результатов индицирования, регулирование рабочего процесса

Для анализа состояния рабочего процесса двигателя изме­рения рекомендуется проводить на режиме полной нагрузки (режим полного хода).

В комплекс параметров, подлежащих оценке, входят:

• Средние индикаторные давления Р, в каждом цилинд­ре, позволяющие оценить нагрузку цилиндров и развиваемую в них мощность. Для обеспечения равномерности распределения мощности между цилиндрами, определяется отклонение P_h от средней величины. Для всех цилиндров оно не должно выходить за пределы ±2,5% (ПТЭ), для современных малооборотных дви­гателей не выше 0,05 МПа.

Величина Pj в основном зависит от количества поступаю­щего в цилиндр и сгорающего в нем топлива. Величина подачи определяется положением рейки ТНВД (индексом ТНВД). Для увеличения при малом P_t рейку следует переставить в сторону большей подачи. Для снижения Р, уменьшите подачу топлива. Если индекс ТНВД рассматриваемого цилиндра показывает большую подачу, a P_t низкое, то причиной может быть плохое распыливание топлива (неудовлетворительная работа форсун­ки), подтверждение этому - высокая температура выпускных газов.

Вторая причина - пропуски в ТНВД (износ плунжерной пары, потеря плотности всасывающего клапана - необходима переборка ТНВД, если индекс приходится увеличивать на 10%.

Третья причина - плохое качество топлива, низкая теплота сгорания.

При отсутствии индикаторного привода Pi можно полу­чить с помощью электронного индикатора, либо оценку нагруз­ки цилиндров осуществлять по температуре выпускных газов и индексу ТНВД.

• Давление наддува Р$ должно соответствовать рекомен­дациям фирмы.

Низкое значение Ps свидетельствует о загрязнении про­точной части ГТК, увеличении сопротивления за ним (обороты

приводит к росту температуры. При всех условиях она не долж­на выходить за рекомендованные фирмой пределы, допускае­мые ПТЭ отклонения от средней величины ±5%. Важность кон­троля за температурой выпускных газов диктуется также тем, что она косвенно характеризует уровень теплонапряженного со­стояния двигателя. Для контроля за теплонапряженностью ряд исследователей рекомендовали устанавливать в головки порш­ней, днища крышек цилиндров и во втулки цилиндров термопа­ры. Однако сложность токосъема и существенное усложнение конструкции может быть оправдано лишь в исследовательских целях и совершенно неприемлемо в эксплуатации.

• Параметры топливоподачи - угол опережения впрыска топлива (р_нп продолжительность подачи ср„_од, давление начала открытия иглы форсунки Рф_ОУ максимальное давление впрыска Рт макс могут быть получены из кривых давлений впрыска, сни­маемых с помощью датчика давления, устанавливаемого между штуцером форсунки и топливопроводом высокого давления. Перечисленные параметры используются при анализе техниче­ского состояния топливной аппаратуры путем их сопоставления с эталонными, значения которых должны соответствовать ана­логичному по нагрузке и оборотам режиму. Задача анализа су­щественно облегчается, если для сопоставления используются ранее полученные кривые давлений впрыска, снятые на двига­теле при исправном состоянии топливной аппаратуры. Совре­менная электронная измерительная аппаратура позволяет эти кривые сохранять в памяти и при необходимости накладывать на кривые, получаемые при текущем измерении. Примеры ана­лиза с использованием эталонных кривых топливоподачи при­ведены на рис. 10.13.

Рис. 10.12. Индикаторная диаграмма - ранняя подача топлива

Следует также учитывать, что с увеличением индекса ТНВД Pi прямо пропорцио­нально растет, поэтому уве­личивая нагрузку не забудьте проверить Р_г и, если необходимо, - уменьшить угол опережения подачи топлива.

Из кривых (рис. 10.13, вариант А) видно, что подача топ­лива заканчивается раньше, начало подачи и характер кривых на основном начальном участке совпадают. Это свидетельствует о том, что ТНВД подает топлива меньше - мал индекс топливопо­дачи. Доказательством может также служить более низкая тем­пература выхлопных газов.

Из кривых (вариант В) видно, что скорость роста давле­ний впрыска после открытия иглы форсунки меньше эталонной, ниже и максимальное давление впрыска - причины: низкая вязкость топлива (маловероятно) или эрозионный износ сопло­вых отверстий. Это отрицательно сказывается на качестве рас- пыливания и сгорания топлива, температура выхлопных газов растет, выхлоп приобретает темную окраску. Всеми двигателе- строителями увеличение диаметра сотовых отверстий огра­ничивается 10%.

Из кривых (вариант С) видно, что давление впрыска уве­личивается, хотя индекс топливной рейки одинаков. Причина - высокая вязкость топлива (нарушение в работе вязкозиметра или подогревателя), скажется на всех ТНВД. Вторая причина - закоксовывание сопловых отверстий из-за нарушений в охлаж­дении распылителя или, что чаще - пропуски топлива под иглу.

Из кривых (рис. 10.13 - вариант D) видно, что начало подачи смещено в сторону запаздывания, давления впрыска растут медлен­нее, максимальное давление ниже. Причины: износ плунжерной пары, пропуски в клапанах ТНВД. Для компенсации потери по­дачи на утечки приходится увеличивать индекс топливной рейки.

Из кривых (вариант Е) видно, что открытие иглы проис­ходит раньше и при более низком давлении, что свидетельствует об ослаблении затяга пружины иглы форсунки или ее поломке.

Из кривых (вариант F) видно, что давление открытия иглы выше нормального и поэтому игла открывается позже - позже происходит начало подачи. Причина - затяг пружины иглы превышает нормальную величину.

ПРАВИЛО - если для компенсации утечек приходится уве­личивать индекс на 10 и более %, плунжерную пару следует за­менять на новую. Первым признаком износа пар всех насосов или большинства служит резкое ухудшение пусковых свойств двигателя.

Глава 11

ТОПЛИВА, ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА, ТОПЛИВООБРАБОТКА

§ 11.1. Эксплутационные свойства топлив

В дизелях используются топлива, получаемые в установках ваккумной дистилляции, каталитического крекинга, висбрекин- га и термического крекинга. Дизельные топлива представляют собой дистилаты, а тяжелые топлива получают смешиванием остаточных фракций процессов дистилации с легкими и тяже­лыми газойлями (см. рис. 11.1).

Применяемые на судах топлива характеризуются следую­щими свойствами: п вязкость (v); п плотность (d);

а температуры вспышки ft _всп) и застывания (t_3aCm));

1- нефть.

2- лтм.дистиляция.

3- Вакууинля ди стиля ция,

4- Каталитическая ди стиля ция.

5- Висорекинг,

6- Термическая дистиляция,

7- Ушло в историю,

8 -смеси остаточных топлив с высокой плотностью

Thermal tracking

Ч.. стандартное тяж, топливо

Рис. 11.1. Процессы получения топлив из нефти