Саранск, Республика Мордовия, Россия
Саранск, Республика Мордовия, Россия
Саранск, Республика Мордовия, Россия
аспирант
Саранск, Республика Мордовия, Россия
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве
Цель исследований – разработка метода оценки загрузки автотракторного дизеля с газотурбинным наддувом по температуре отработавших газов и частоте вращения вала турбокомпрессора. Разнообразие машин и орудий, используемых в сельском хозяйстве, затрудняет выбор оптимального режима работы мобильных машин из-за ограниченности данных полевых испытаний, в свою очередь эффективность эксплуатации мобильной техники во многом зависит от правильного выбора режима работы её силовой установки. При усложнении техники становится труднее выбирать режим эффективной эксплуатации. В статье предлагается использовать информацию о тепловом состоянии от-работавших газов совместно с частотой вращения вала турбокомпрессора. Для проведения исследования выбран двигатель Д-245 Минского моторного завода. Двигатели данной марки в составе машин-но-тракторного агрегата не имеют встроенных систем контроля загрузки. Исследования проводились с использованием обкаточного тормозного стенда КИ-5543 ГОСНИТИ, позволяющего нагружать ис-пытуемый дизель во всем диапазоне установившихся скоростных режимов, наиболее характерных для условий эксплуатации. Фиксирование данных осуществлялось с помощью аналогового-цифрового преобразователя и компьютера с установленной программой PowerGraph Professional (версия 3.3.9). Результатами исследований подтверждено, что изменение характера показателей теплового состояния и частоты вращения вала турбокомпрессора происходит в точке номинальной мощности, в условиях возникновения неисправностей мощностные параметры двигателя изменяются, смещается и точка перегиба. Информация о тепловом состоянии двигателя внутреннего сгорания и частоты вращения вала турбокомпрессора может быть использована при построении систем мониторинга показателей мощности двигателя, и в том числе для целей оценки технического состояния двигателя в процессе эксплуатации.
: двигатель, температура, частота, стенд, турбокомпрессор, загрузка, дизельный, испытательный
Эффективность эксплуатации мобильной техники во многом зависит от правильного выбора режима работы её силовой установки. От режима работы двигателя зависит надежность и экономичность мобильной техники. Опытный оператор мобильной машины интуитивно может выбрать режим загрузки двигателя на уровне 90-100 процентов, добиваясь минимального удельного расхода топлива. При усложнении техники становится труднее выбирать режим эффективной эксплуатации. Часто работа мобильных машин происходит в режиме перегрузки [2, 6, 7].
Цель исследования – разработка метода оценки загрузки автотракторного дизеля с газотурбинным наддувом по температуре отработавших газов и частоте вращения вала турбокомпрессора.
Задача исследования – изучение закономерностей изменения мощностных показателей ДВС с ГТН в условиях регуляторной характеристики с перегрузочной ветвью.
Материалы и методы исследования. Для проведения исследования был выбран двигатель Д-245 Минского моторного завода, имеющий широко распространение. Двигатели данной марки не имеют встроенных систем контроля загрузки в составе машинно-тракторного агрегата.
Исследования проводились с использованием обкаточного тормозного стенда КИ-5543 ГОСНИТИ, позволяющего нагружать испытуемый дизель во всем диапазоне установившихся скоростных режимов, наиболее характерных для условий эксплуатации. Фиксирование данных осуществлялось с помощью аналогового-цифрового преобразователя и компьютера с установленной программой PowerGraph Professional (версия 3.3.9).
В ходе исследований фиксировалась частота вращения коленчатого вала двигателя, частота вращения вала турбокомпрессора и температура отработавших газов перед турбиной, мощностные показатели двигателя. Измерение частоты вращения коленчатого вала двигателя осуществлялось штатным датчиком. Для измерения частоты вращения вала турбокомпрессора был разработан оптический датчик частоты вращения [3]. Датчик встраивается во впускной коллектор перед компрессорным колесом турбокомпрессора. На компрессорное колесо наносится световозвращающая метка. Фотодиод датчика фиксирует отраженный оптический луч и формирует импульс. Измерение температуры отработавших газов осуществлялось хромель алюмелевой термопарой. Для её крепления был изготовлен переходник. Переходник устанавливался между турбокомпрессором и выпускным коллектором. Использование переходника позволяет измерять температуру газа внутри коллектора [5].
Сигналы с датчиков через АЦП заносятся в ПК, где в дальнейшем обрабатываются в программном комплексе PowerGraph Professional (версия 3.3.9). Использование комплекса позволяет проводить частотную модуляцию сигнала.
Результаты исследований. Построены зависимости частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры отработавших газов от мощности на коленчатом валу двигателя (рис. 1). Из рисунка видно, что на участке от 0 до 67 кВт графики имеют практически линейную зависимость и достигают значений 536
, а обороты коленчатого вала – 2200 об/мин. На участке перегрузки графики изменяют свой характер, но при этом не изменяют своего вектора.
|
|
|
Рис. 1. Зависимость частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры отработавших газов |
Получены зависимости частоты вращения вала турбокомпрессора и температуры отработавших газов от мощности двигателя ММЗ Д-245 (рис. 2). Зависимости интенсивности нарастания температуры и частоты вращения вала турбокомпрессора на участке от 0 до 67 кВт практически
линейные, температура достигает значений 536 , а обороты вала турбокомпрессора –
101400 об/мин. На участке перегрузки графики изменяют свой характер, причем изменяется и вектор: для температуры он также возрастает, но с большей интенсивностью, а для частоты вращения вала турбокомпрессора – снижается. Причем для графиков при соблюдении масштабности наблюдается характерное пересечение в точке, соответствующей номинальным оборотам двигателя.
В связи с этим авторы статьи предлагают использовать данную особенность в процессе эксплуатации мобильной техники для определения оптимальной загрузки двигателя, оснащенного системой наддува.
Методика получения исходных графиков может быть различной, но на взгляд авторов оптимальным будет метод получения их при пробном проезде трактора с агрегатом, осуществив получение характеристики путем изменения сопротивления рабочей машины, либо изменением скоростного режима (если возможно технологически), причем необходимость измерения тягового сопротивления отсутствует. В практике использования мобильных машин также необходимо учитывать и то, что в процессе работы параметры машины могут изменяться, в том числе и по причине возникновения неисправности [1]. В этой связи, используя данный подход, были получены аналогичные зависимости в условиях развития различных неисправностей двигателя при испытании на стенде
КИ 5543 ГОСНИТИ.
|
|
|
Рис. 2. Зависимость частоты вращения вала турбокомпрессора и температуры газа |
Построены графики для предельного состояния засоренности воздушного фильтра (рис. 3), полученного при помощи устройства имитации засоренности, разработанного авторами статьи, основанного на принципе дросселирования и динамического измерения разряжения на участке воздушный фильтр – турбокомпрессор. Эксперимент показал, что характер графиков совпадает с таковым для исправного состояния, но при этом точка условного пересечения графиков смещается, снижение частоты вращения вала турбокомпрессора происходит при 96600 об/мин при мощности
61 кВт.
Получены графики для случая некорректной работы байпасного клапана (рис. 4), а именно для случая раннего открытия клапана. Эксперимент показал, что характер графиков совпадает с таковым для исправного состояния, но при этом точка условного пересечения графиков смещается, изменение вектора частоты вращения вала турбокомпрессора происходит при 61600 об/мин при мощности 61,6 кВт.
|
|
|
Рис. 3. Зависимость температуры выхлопных газов, скорости вращения вала турбокомпрессора |
|
|
|
Рис. 4. Зависимость температуры выхлопных газов, скорости вращения вала турбонагнетателя |
Графики для случая повышенного противодавления на выпуске (например при засорении сажевого фильтра) представлены на рисунке 5. Имитация неисправности в процессе проведения эксперимента осуществлялась при помощи устройства имитации, основанного на принципе дросселирования и динамического измерения давления газа на участке турбина – сажевый фильтр. Эксперимент показал, что характер графиков совпадает с таковы для исправного состояния, но при этом точка условного пересечения графиков смещается, изменение вектора частоты вращения вала турбокомпрессора происходит при 61600 об/мин при мощности 61,6 кВт.
|
|
|
Рис. 5. Зависимость температуры выхлопных газов и скорости вращения вала турбокомпрессора |
Были также проведены эксперименты при наличии утечек газа после компрессора (рис. 6)
в результате нарушения герметичности впускного тракта. Данная неисправность была проимитирована путем открытия перепускного клапана, ранее вмонтированного на впуске после компрессора. Эксперимент показал, что характер графиков совпадает с таковы для исправного состояния, но при этом точка условного пересечения графиков смещается, изменение вектора частоты вращения вала турбокомпрессора происходит при 82800 об/мин при мощности 59,1 кВт.
|
|
|
Рис. 6. Зависимость температуры выхлопных газов, скорости вращения вала турбокомпрессора |
Заключение. Использование информации о температуре отработавших газов и частоте вращения вала турбокомпрессора может быть принято в качестве варианта при построении систем мониторинга показателей мощности двигателя, и в том числе для целей оценки технического состояния двигателя в процессе эксплуатации.
1. Иншаков, А. П. Определение неисправностей газотурбинного наддува двигателя / А. П. Иншаков, А. Н. Кувшинов, И. И. Курбаков [и др.] // Сельский механизатор. - 2018. - № 1. - С. 34-35.
2. Иншаков, А. П. Информационные средства для повышения надежности использования мобильной техники / А. П. Иншаков, С. С. Капитонов, В. А. Филин [и др.] // Сельский механизатор. - 2018. - № 1. - С. 41-43.
3. Иншаков, А. П. Использование динамических характеристик двигателя и турбокомпрессора для диагно-стирования систем газотурбинного наддува / А. П. Иншаков, И. И. Курбаков, М. С. Курбакова // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2017. - № 3. - С. 34-39.
4. Лянденбурский, В. В. Встроенная система диагностирования турбокомпрессоров дизелей / В. В. Лян-денбурский, А.П. Иншаков, И.И. Курбаков [и др.] // Интернет-журнал Науковедение. - 2015. - Т.7, № 4(29). - С. 84.
5. Иншаков, А. П. Способ диагностирования системы воздухоподачи тракторного дизеля // А. П. Иншаков, И. И. Курбаков, А. Н. Кувшинов // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - № 3. - С. 67-71.
6. Колпаков, В. Е. Разработка методов и средств теплового контроля мощностных показателей мобильно-го сельскохозяйственного агрегата / В. Е. Колпаков // Нива Поволжья. - 2016. - № 4 (41). - С. 80-88.
7. Картошкин, А. П. Методологические аспекты научных исследований по созданию способа дистанцион-ного теплового контроля мощностных показателей мобильного сельскохозяйственного агрегата / А. П. Картошкин, В. Е. Колпаков // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2015. - № 39. - С. 309-314.
