ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ 6L275 RRII/PN НА ХОЛОСТОМ ХОДУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

А.В. Соловьёв

Диагностирование и прогнозирование технического состояния объектов судовой

[10] Васильев Б.В. Диагностирование технического состояния судовых дизелей // Б.В. Васильев, Д.И. Кофман, С.Г. Эренбург; Под ред. д-ра техн. наук проф. Б.В. Васильева. - М.: Транспорт, 1982. - 144 с.

[11] Моек Е. Техническая диагностика судовых машин и механизмов // Е. Моек, Х. Штрикерт; Пер. с нем. Э.Б. Кублановой. - Л.: Судостроение, 1986. - 231,[1] с.: ил.; 22 см. - (Качество и надежность).

DIAGNOSTICS AND PREDICTION OF THE TECHNICAL STATE OF THE FACILITIES OF THE SHIP POWER PLANT

A. V. Solovev

Key words: computer model, technical diagnostics, system analysis, technical state prediction

This paper proposes a computer model of the diagnostics of the technical state of the facilities of the ship power plant (SPP), obtained by the method of system synthesis. Developed computer model of the diagnostics allows to get a numeric assessment of the technical state of the facilities of SPP and SPP in general, to establish the technical state of the appropriate facility of SPP, and to analyze the dynamics of the changes of the state of these facilities in time to identify the prerequisites and conditions, because of which potential failure can occur. For the implementation in the model the functions of the diagnostics and prediction of the technical state of the block-schemes of the corresponding algorithms have been developed. Algorithm of the diagnostics allowing to determine the state of «go-no-go» with indication of the improper facility and its parameters is an essential means of the River Register expert in the inspection of vessels. For the prediction the algorithm allowing to calculate the time of reaching the technical state of the defective facility is presented, which is of great practical importance as it will allow to determine the optimal timing of maintenance and repair of the facilities of the SPP.

It is shown that a computer model of diagnostics allows to monitor the current processes in the subsystems of the facilities aiming to obtain the anticipatory information about possible deviation indicators of the processes from the given values because of the failure in some subsystem.

Статья поступила в редакцию 25.02.2018 г.

УДК 621.431

О.П. Шураев, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» А.Г. Чичурин, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Н.Ю. Белов, ст. преподаватель ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ 6Ь275 ККП^ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ

Ключевые слова: испытания дизелей, винтовая характеристика, нагрузочное устройство, индикаторная диаграмма, рабочий процесс дизеля, вредные выбросы с отработавшими газами

Рассмотрены результаты испытаний дизеля 6L275 RrII/PN (6 ЧРН 27,5/36) на стенде лаборатории судовых ДВС без нагрузки. Целью испытаний являлась проверка технического состояния двигателя и комплекса измерительного оборудования. В ходе ис-

питаний получены индикаторные диаграммы рабочего процесса в каждом цилиндре и данные по выбросам вредных веществ в отработавших газах. По результатам испытаний выполнена оценка механического КПД двигателя и проведена регулировка двигателя с последующим повторным контролем.

Введение

Транспортные учебные заведения, готовящие специалистов в области проектирования, ремонта и эксплуатации ДВС, как правило, оснащены одним или несколькими двигателями, использующимися в качестве наглядных пособий. Как отмечено в работе [1], к сожалению, только незначительная часть имеющегося парка ДВС оснащается нагрузочными устройствами. Это объясняется значительной стоимостью данных агрегатов и ограниченным их предложением на рынке. В работе [1] описан процесс создания нагрузочного устройства - гидротормоза - своими силами из доступных материалов, но такой пример скорее исключение, нежели правило. Но даже без нагрузочного устройства (или с неработающим нагрузочным устройством) двигатель остается интересным объектом для проведения лабораторных исследований.

Постановка задачи испытаний. Режим работы двигателя традиционно отображается на диаграмме «мощность Р - частота вращения коленчатого вала п» (рис. 1). Семейство точек на этой диаграмме, соответствующее работе двигателя при каких-либо определенных условиях, принято называть характеристиками. Например, изменение мощности и частоты вращения коленчатого вала при работе на гребной винт фиксированного шага образует винтовую характеристику (линия 1 на рис. 1), работа при постоянной частоте вращения коленчатого вала на привод генератора представляет собой нагрузочную характеристику (линия 2 на рис. 1).

":п„„ 1 /Д.,.,

п, МИН

Рис. 1. Характеристики двигателя внутреннего сгорания

Наибольшее разнообразие вариантов нагружения двигателя обеспечивают винт регулируемого шага и гидротормоз. В этом случае область допустимых режимов на диаграмме Р - п ограничивается сверху «тяжелой» винтовой характеристикой (до достижения максимального крутящего момента) и, в области больших частот вращения, линией максимального крутящего момента. Нижней границей является винтовая характеристика нулевого упора, показывающая соответствие мощности и частоты вращения коленчатого вала при таком развороте лопастей винта регулируемого шага, когда винт не создает упор, а вся мощность двигателя расходуется на преодоление сил трения. Аналогично будет проходить «винтовая» характеристика холостого хода - зависимость мощности двигателя от частоты вращения коленчатого вала при отсутствии нагрузки. В этом случае эффективная (тормозная) мощность Ре равна нулю, а

вся развиваемая двигателем индикаторная мощность будет равна мощности механических потерь Pмп: р /

Отношение ур называется механическим КПД и характеризует долю мощности, затраченной на преодоление сил трения в самом двигателе, то есть степень его механического совершенства. Приняв, что механические потери зависят только от частоты вращения коленчатого вала и не зависят от величины эффективной мощности и, зная зависимость эффективной мощности от частоты вращения при работе по номинальной винтовой характеристике, определив индикаторную мощность, можно оценить зависимость механического КПД от частоты вращения коленчатого вала двигателя:

( p \

„ _ евинт

Im _ p

V pi У П

(1)

Таким образом, в результате испытания двигателя без нагрузочного устройства, определяя индикаторную мощность Pi для ряда частот вращения коленчатого вала n, мы можем построить «винтовую» характеристику холостого хода и оценить величину механического КПД двигателя на каждом из режимов.

Испытательный стенд и измерительное оборудование. Двигатель 6L275 RrII/PN (далее 6L275), установленный в лаборатории СДВС, изначально предназначен для использования на судах в качестве главного двигателя, о чем красноречиво свидетельствуют буквы Rr в обозначении двигателя - реверсивный, с возможностью ручного реверса. В качестве стендового нагрузочного устройства очень давно (по крайней мере, по меркам одного из авторов статьи) был установлен генератор переменного тока, выдающий электроэнергию на нагревательные элементы. Утрата нагревательных элементов в 90-е годы привела к невозможности нагружения приводного двигателя при сохранении его полной работоспособности.

Так как дизель 6L275 оснащен индикаторными кранами, то определение индикаторной мощности осуществлялась планиметрированием индикаторных диаграмм с помощью системы диагностирования Depas Handy 4.0H, разработанной лабораторией «Мониторинг СДВС» [2] Одесского национального морского университета. Система включает в себя малоинерционный датчик давления в рабочем цилиндре (устанавливается на индикаторный кран двигателя) и вибродатчик с магнитным креплением, улавливающий виброимпульсы движения деталей топливной аппаратуры и газораспределительного механизма (в зависимости от места установки). По каждому цилиндру за один замер записывается три цикла с наложенными виброимпульсами впрыска топлива и открытия-закрытия клапанов. Проверка и поддержание в рабочем состоянии системы диагностирования тоже являлись одной из целей испытаний.

Контроль состава отработавших газов проводился с помощью газоанализатора ДАГ-510 МВ, который записывал температуру и содержание O2, а также вредных веществ CO, NO, NO2, CxHy каждые 30 с в автоматическом режиме. Забор пробы осуществлялся из выпускного трубопровода на расстоянии порядка шести диаметров трубы от выпускного фланца дизеля. Установка частоты вращения коленчатого вала производилась по штатному тахометру с контролем по переносному тахометру АКИП-9202, закрепленному на струбцине. Контроль параметров окружающей среды осуществлялся по термогигробарометру testo 622. Измерение расхода топлива производилось с помощью штихпробера с объемом контрольного бака 1580 мл. В силу малого расхода топлива измерение на одном режиме занимало около 15 мин. и не повторялось, поэтому результаты замеров расхода топлива можно принимать лишь как ориентировочные.

Режимы работы двигателя при испытаниях. Для того, чтобы можно было воспользоваться формулой (1) при известных значениях эффективной мощности, на ис-

пытаниях двигателя назначалась частота вращения коленчатого вала, соответствующая 0,5, 0,75 и 1,0 Ре на номинальной винтовой характеристике (таблица 1). То есть, замеры параметров работы двигателя производились при частотах вращения коленчатого вала п = 397, 454, 500 мин-1, начиная с наименьшей.

Таблица 1

Режимы работы дизеля 6L275 по винтовой характеристике

Отн. мощность Частота вращения КВ, мин-1 Эффективная мощность по винтовой характеристике, кВт Крутящий момент, кН-м Отн. крутящий момент

1 500 405,0 48,6 1,000

0,75 454 303,8 40,1 0,825

0,5 397 202,5 30,6 0,630

После выхода на соответствующую частоту вращения коленчатого вала двигатель прогревался. Следует заметить, что прогрев двигателя без нагрузки происходит очень медленно. Мы считали двигатель прогретым и производили все измерения в том временном интервале, в котором температура отработавших газов по записи газоанализатора изменялась не более чем на 5°С.

Результаты испытаний:

Анализ индикаторных диаграмм и вибродиаграмм. Индикаторные диаграммы и вибродиаграммы (рис. 2), позволяют оценить протекание рабочего процесса в каждом цилиндре. В ходе диагностирования сразу было выявлено отсутствие подачи топлива во второй цилиндр и перераспределение мощности по цилиндрам двигателя в пользу шестого цилиндра. В нем одном мощность на каждом из режимов была примерно равна суммарной мощности всех остальных цилиндров. Однако, если первый факт однозначно свидетельствует о неисправности топливной аппаратуры второго цилиндра, то о качестве регулировки двигателя можно сказать лишь получив аналогичные диаграммы двигателя под нагрузкой, близкой к номинальной. На данном этапе можно лишь отметить практически одинаковые значения давления в цилиндре в конце сжатия pc (максимальное абсолютное отклонение относительно среднего 2,78%) и давления в начале видимого сгорания pc' (максимальное отклонение 1,7%). Следует отметить, что в диагностическом комплексе Depas Handy реализован метод программного определения положения ВМТ [3], и давление в конце сжатия было определено расчетным способом без дополнительного индицирования при выключенной подаче топлива. Вибродатчик PS-20 комплекс Depas Handy размещался на цилиндровой крышке около форсунки. Такое расположение датчика на дизелях данного типа позволяет записать не только вибросигнал, вызываемый подъемом и посадкой форсуночной иглы, тем самым определить момент начала и окончания подачи топлива в рабочий цилиндр, но и виброимпульс от посадки впускного и выпускного клапанов в момент закрытия.

Анализ вибродиаграмм показывает, что закрытие выпускного клапана происходит при 54,6...61,5° п.к.в. после ВМТ (при паспортных 60° п.к.в.), а закрытие впускного -при 28,1.34,0° п.к.в. после НМТ (при паспортных 30° п.к.в.). То есть, двигатель нуждается, как минимум, в проверке тепловых зазоров в газораспределительном механизме. Также, анализируя вибродиаграммы впрыска, отметим, что в 6-м цилиндре весьма вероятен подвпрыск топлива вследствие недостаточного усилия затяжки пружины форсунки.

6.07 „ 32.4 2.3° ferns 29.6 PC' 28.1 V-3.2*

0.79

,/ 33.8° <* 57.S4

A-a*

Crank angle ["] VS-20 Dagram

«T6W BO "BrveT" OEMS 3.2 H

Texh TURipm

Radc

120 ISO

Crank angle [°] VS-20 Diagram

erwy BO "ery&T DEfAS 3,2 H

Rack

1

1

V V

ISO 50 -1 20 -c 0 10 6C 1 >0 1 0 1

RPM 501.; M1P 0.29 PI 2.6 Pt 5.43 Sn> 30 \ 4.8° IfefflC 28 PC 27.4 V-0.2'

Um 0.53

6L27SPN

.troke, 6 cyl 0.275 j—

Crank angle [»] VS-20 Diagram

ereoy BO "BITBT"

Rack

\ I I

\ ,V

5 S>

3 6a

0* "

1 e

¡5

2

= §

® T

a Lu

ro r-

ss >-n

3 n

g I

^

bo a

ni a tej

a 2

S5 S g

o

Q

§

ё,з1л1 Ч»рицЛз и! мпззэд цол

При диагностировании рабочего процесса комплексом Depas возможен анализ еще одного диагностического параметра - давления в процессе расширения при положении кривошипа коленчатого вала 36° п.к.в. после ВМТ, обычно обозначаемого как p36 или pexp. Этот параметр характеризует количество теплоты, выделившейся при сгорании топлива и преобразованной в механическую работу. Сравнивая этот параметр по цилиндрам, легко понять, почему при практически равных максимальных давлениях цикла (разброс относительно среднего не больше 5%, не считая неработающий 2-й цилиндр) мощность 6-го цилиндра оказалась значительно выше остальных.

Анализ отработавших газов. На холостом ходу дизель работает с очень большим коэффициентом избытка воздуха, следствием чего является высокое содержание кислорода в отработавших газах. В данном случае оно составляло 19,3.19,5%, что лишь немного отличается от 20,9.21,0 % в атмосфере (см. правый край графика на рис. 3).

Рис. 3. Результаты анализа отработавших газов

Период первоначального прогрева двигателя характеризуется повышенным содержанием СО в отработавших газах. По мере прогрева двигателя содержание СО снижалось, и в конце периода работы, на 397 мин-1, наблюдался минимум. Увеличение частоты вращения коленчатого вала сопровождалось увеличением содержания СО в отработавших газах (рис. 3 и таблица 2).

Таблица 2

Результаты измерения состава отработавших газов

Параметр Размерность Режим

397 мин-1 454 мин-1 500 мин-1

Концентрация N0 (измеренная) млн-1 67 65 57

Концентрация N02 (измеренная) млн-1 36,5 41,7 43,1

Концентрация N0Х (приведенная) млн-1 139 141 130

Концентрация N0 (трансформация) млн-1 18 18 17

Концентрация N02 (трансформация) млн- 111 113 104

Концентрация С0 млн- 235 256 295

Концентрация С02 % 1,2 1,2 1,2

Концентрация 02 % 19,4 19,4 19,4

Концентрация СН млн-1 Меньше предела чувствительности датчика

Оксиды азота N0 и N02, обычно обозначаемые как N0» газоанализатором ДАГ-510 контролируются по отдельности. Концентрация N0 с увеличением нагрузки слабо снижалась, а концентрация N02 по мере прогрева двигателя незначительно увеличивалась. Концентрация первичного N0^ образующегося непосредственно в цилиндре, вполне сопоставима со значениями, полученными при испытании других двигателей, в том числе и под нагрузкой [1, 4]. Концентрация N0, напротив, была существенно ниже значений, характерных для отработавших газов дизелей поколения, к которому принадлежит испытываемый двигатель. Указанный факт объясняется тем, что оксиды азота N0 активно образуются при температуре выше 1500 °С, а на холостом ходу такой уровень температуры достигался лишь в течение незначительного периода цикла. С учетом дальнейшей трансформации N0 в N0^ итоговое значение эмиссии оксидов азота N0^ приведенное к концентрации N02 находилось в диапазоне 104...113 млн-1, а удельный выброс, приведенный к индикаторной мощности, составил от 8.60 до 7.54 г/кВт • ч. То есть, работа без нагрузки на всех частотах вращения коленчатого вала не может привести к выходу концентрации N0х в отработавших газах испытываемого двигателя за разрешенные национальными стандартами [5] рамки (рис. 4).

Концентрация углеводородов СХНУ в отработавших газах находилась на пороге чувствительности датчика газоанализатора и далее не анализировалась.

Удельные выбросы вредных веществ на каждом из контролируемых режимов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Удельные выбросы вредных веществ, г/(кВт • ч)

Вредный компонент Режим

397 мин-1 454 мин-1 500 мин-1

N0Х в приведении к N02 8,60 8,31 7,54

С0 11,1 11,5 13,0

СН в приведении к СН185 Меньше предела чувствительности датчика

Рис. 4. Соответствие удельного выброса NOx действующим в России нормативам

Оценка механического КПД. Воспользовавшись формулой (1) оценим значения механического КПД на каждой из рассмотренных частот вращения коленчатого вала. Эффективную мощность при каждой частоте вращения возьмем по нормальной винтовой характеристике.

Таблица 4

Оценка механического КПД

Частота вращения коленчатого вала, мин-1 Эффективная мощность по нормальной винтовой характеристике, кВт Индикаторная мощность холостого хода = мощность механических потерь, кВт Индикаторная мощность при работе по винтовой характеристике, кВт Механический КПД

400 207,6 29,0 236,6 0,877

450 295,7 34,4 330,1 0,896

500 405 38,7 443,7 0,913

Рассмотренные испытания, помимо отработки навыков их организации и проведения (а также проверки и поддержания в рабочем состоянии приборного обеспечения), вполне могут быть темой познавательных лабораторных занятий со студентами в рамках дисциплин «Судовые двигатели внутреннего сгорания» и «Эксплуатация судовых дизельных установок».

Регулировка двигателя по результатам испытаний. Результаты первой серии испытаний показали необходимость регулировки двигателя. Она касалась, в первую очередь, выяснения причины отсутствия подачи топлива во 2-й цилиндр. Ревизия распылителя форсунки на стенде показала ее исправность. Впрыск топлива не осуществлялся из-за разворота плунжера ТНВД в положение нулевой подачи на малых на-

грузках. Была выполнена коррекция положения топливной рейки этого цилиндра на два деления в сторону больших цикловых подач. Выполненное после регулировки индицирование показало, что, хотя равномерного распределения мощности еще не удалось достичь, причина «выпадения» 2-го цилиндра была установлена правильно -после регулировки положения плунжера в цилиндре появились вспышки топлива, а индикаторная цилиндровая мощность составила 1.2 кВт. Суммарная индикаторная мощность составила 39.0 кВт при частоте вращения коленчатого вала n = 500 мин-1, что говорит о хорошей воспроизводимости результатов испытаний (различие индикаторной мощности в двух испытаниях менее 1%).

Выводы:

1. Результаты испытаний подтверждают, что даже без использования нагрузочного устройства возможно проведение содержательных лабораторных работ, связанных с измерением параметров рабочего процесса дизеля и их последующим анализом.

2. Применение измерительного комплекса Depas позволяет выявлять неисправности топливной аппаратуры, влияющие на рабочий процесс, даже на двигателях, работающих без нагрузки.

3. Выполненная регулировка по результатам диагностирования работы двигателя по индикаторным диаграммам с последующим контролем подтвердила правильность первоначальных выводов относительно технического состояния топливной аппаратуры двигателя и механизма газораспределения двигателя.

Список литературы:

[1] Новосельцев М.Н., Шураев О.П., Чичурин А.Г. Разработка и испытания стенда с двигателем 6L160PNS и гидротормозом // Вестник ВГАВТ, 2017. Вып. 51. - с. 191-206.

[2] DEPAS D4.0H: URL: http://depas.od.ua/pdf/DEPAS_Handy_brochure_rus_print.pdf.

[3] Ивановский В.Г., Варбанец Р.А. Особенности мониторинга и диагностики рабочего процесса судовых среднеоборотных дизелей программно--аппаратным комплексом D4.0H // Науковий вюник ХДМ №1, 2009. - с. 153-160.

[4] Снижение предельно--допустимых выбросов загрязняющих веществ от Мезенской ДЭС. Отчет о НИР. - Н.Новгород: ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. - 31 с.

[5] ГОСТ Р 51249-99. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения. М.: ИПК Издательство стандартов, 1999, 2005.

TESTING OF THE ENGINE 6L275 RRII/PN TYPE AT IDLE O.P. Schuraev, A. G. Chichurin, N. Yu. Belov

Keywords: tests of diesel engines, screw characteristic, a loading device, the working process of a diesel engine, indicated diagram, harmful emissions with the exhaust gases

The results of the testing of the internal-combustion engine 6L275 Rrll/PN without load holding on the stand in the laboratory have been presented. The purpose of the testing was to check the technical state of the internal combustion engine and the measuring equipment. While testing we obtained the indicated diagrams of the working process in each cylinder and the data on the emissions of the harmful substances in the exhaust gases. According to the testing results the mechanical efficiency of the internal-combustion engine has been estimated and the adjustment of the engine with the subsequent repeated control has been conducted.

Статья поступила в редакцию 24.02.2018 г.