Температуру выхлопных газов под контроль

Обновлено: 08.01.2025

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Валиев Мухаммад Шералиевич, Қосимов Хусан Рахматуллаевич

В данной статье приведены результаты исследования достоверности контроля температуры отработавших газов на выходе из цилиндров дизеля в эксплуатации. А также подробно описаны работы термопары установленные на дизеля типа 5Д49.

ABOUT MONITORING THE TEMPERATURE OF DIESEL EXHAUST GASES IN OPERATION

This article presents the results of a study of the reliability of the exhaust gas temperature control at the outlet of the diesel cylinders in operation. And described in detail the operation of the thermocouple installed on diesel-type 5D49.

№9(78)_А ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_сентябрь. 2020 г.

О КОНТРОЛЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Валиев Мухаммад Шералиевич

канд. техн. наук, доцент, Ташкентский государственный транспортный университет,

Узбекистан, г. Ташкент E-mail: meravaz@gmail. com

Цосимов Хусан Рахматуллаевич

старший преподаватель, Ташкентский государственный транспортный университет

Узбекистан, г. Ташкент

ABOUT MONITORING THE TEMPERATURE OF DIESEL EXHAUST GASES IN OPERATION

Cand. tech. Sciences, Associate Professor, Tashkent State Transport University,

senior lecturer, Tashkent State Transport University

Ключевые слова: Термокомплекты, позиция контроллера машиниста, цилиндры, горячий спай, холодный спай.

Keywords: Thermocomplete sets, position of the controller of the machinist, cylinders, hot end, cold end.

Температура отработавших газов на выходе из цилиндров дизеля является одним из важнейших диагностических параметров дизеля. Ее значение в каждый момент времени обусловлено действием целого ряда разнообразных факторов, связанных как с техническим состоянием основных агрегатов двигателя, так и с режимом его работы. Обязательный периодический контроль значения этого параметра предусмотрен правилами реостатных испытаний всех серий тепловозов. С целью повышения достоверности оперативного контроля технического состояния дизеля уже на протяжение ряда лет все тепловозные дизели типа Д49 оборудуются термокомплектами, обеспечивающими возможность непрерывного измерения температуры отработавших газов в процессе эксплуатации.

Вместе с тем, как показывает практика, эффективность использования этих термокомплектов весьма невелика. В отдельных случаях с их помощью выявляются отказы топливоподающей аппаратуры, приводящие к полному прекращению подачи топ-

лива в цилиндр, однако для решения актуальной задачи прогнозирования изменения технического состояния двигателя практически не используются.

Одним из возможных способов решения подобной задачи является непрерывный контроль характерных зависимостей, связывающих различные параметры рабочего процесса дизеля, инвариантных по отношению к режиму работы дизеля, но реагирующих на его техническое состояние. Одной из них является зависимость относительного изменения АТ0Г температуры отработавших газов от относительного изменения Да коэффициента избытка воздуха в цилиндре дизеля.

В работе [1] показано, что эти величины связаны зависимостью вида:

где Ь - коэффициент пропорциональности, определяемый конструкцией и особенностями организации рабочего процесса исправного дизеля.

Библиографическое описание: Валиев М.Ш., Косимов Х.Р. О контроле температуры отработавших газов дизеля в эксплуатации // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 9(78). URL:

Увеличение цикловой подачи в цилиндр исправного дизеля приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха и увеличению температуры отработавших газов на выходе из цилиндра в соответствии с зависимостью (1).

В случае нарушения нормального протекания рабочего процесса в цилиндре во время эксплуатации (например, вследствие изменения угла опережения подачи топлива, ухудшения качества смесеобразования вследствие неисправности топливной аппаратуры) качество смесеобразования в цилиндре существенно изменяется, причем это изменение не связано с величиной коэффициента избытка воздуха, вследствие чего величина коэффициента Ь в формуле (1) изменяется. Это изменение может использоваться в качестве диагностического признака ухудшения технического состояния цилиндра и служить основанием для постановки его на стационарный диагностический контроль [1].

С целью проверки данного вывода выполнен анализ изменения параметров дизелей типа 1А-5Д49 тепловозов серии ТЭП70БС в эксплуатации по данным бортовых систем диагностики.

Величина относительного изменения АТ температуры ОГ определялась с использованием зависимости:

где ТОГ - текущее значение температуры ОГ, оК;

Тог(ном) - номинальное (установившееся ) значение температуры ОГ на данной позиции контроллера, оК;

Для оценки изменения коэффициента избытка воздуха использовалось выражение [1]:

давления наддува; _ и - и

относительное изменение по-

ложения реек ТНВД;

давления наддува на данной позиции контроллера, МПа;

и (вам) - номинальное (заданное) положение реек

ТНВД на данной позиции контроллера, ед. кода.

В настоящее время контроль температуры отработавших газов на выходе из цилиндров, а также перед газовой турбиной в каждом из выпускных коллекторов является одной из функций микропроцессорных систем управления и диагностики МСУ-Т [2,

3]и МСУ-ТЩ4] тепловозов ТЭП70БС, 2ТЭ116У, поэтому повышение эффективности использование результатов такого контроля является весьма актуальной задачей.

Для измерения температуры отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания используются термопары с хромель - алюмелевыми и, реже, хромель - копелевыми термоэлектронными проводниками, помещенными в металлический корпус (рис. 1).

Рисунок 1. Преобразователь термоэлектрический ТХА 1-керамические изоляторы; 2 - хромель;

3 - алюмель; 4- керамика

Величина термоэлектродвижущей силы определяется разностью температуры горячего спая, находящегося в корпусе термопары, и холодного спая, которым является обмотка милливольтметра термокомплекта или согласующий резистор блока температурного измерителя микропроцессорной системы управления и диагностики. Достоверность и точность контроля температуры зависит от соответствия температуры газа и собственно горячего спая, а также от изменения температуры холодного спая.

В установившемся режиме работы двигателя при неизменной среднецикловой температуре отработавших газов на выходе из цилиндров корпус термопары и находящийся внутри него горячий спай успевают прогреться до средней температуры газа, что позволяет обеспечить требуемую точность измерения. Однако условия работы тепловозного дизеля характеризуются частой сменой режимов работы (позиций контроллера машиниста), вследствие чего стационарное тепловое состояние газа и термопары не достигается, что приводит к снижению точности измерения и достоверности получаемых результатов.

На рис. 2 приведена распределение времени работы на позициях контроллера машиниста тепловоза ТЭП70БС.

Рисунок 2. Распределение времени работы на позициях контроллера (общая продолжительность работы

ДГУ составила 580 мин).

Анализ его показывает, что основную часть времени дизель работает в неноминальных режимах работы, причем до 56.79% его приходится на режим холостого хода. В этих условиях достоверное измерение температуры отработавших газов весьма затруднено. На рис.3 представлено распределение результатов контроля температуры газов на выходе 1 -го правого цилиндра дизеля средствами бортовой микропроцессорной системы автоматического управления и диагностики тепловоза ТЭП70БС на 12-й позиции контроллера, на которое приходится основное время работы дизеля под нагрузкой (рис.2). Как следует из

кривых, результаты измерения практически равномерно распределены в интервале 190. 460оС для 5-й позиции контроллера машиниста и 210.. ,460°С для 7, 210. 490°С для 9 и 210. 480°С для 12-й позиций, что свидетельствует о практически случайном характере изменения теплового состояния термопар в условиях частого переключения позиций контроллера машиниста. Это практически исключает возможность непрерывного достоверного контроля температуры отработавших газов на выходе из цилиндров. Он возможен только в случае непрерывной работы дизеля на одной позиции в течение 5.10 минут.

Рисунок 3. Распределение результатов непрерывного измерения температуры отработавших газов на выходе из 1-го правого цилиндра на 12-й позиции контроллера.

На рис. 4 представлено распределение результатов контроля температуры газов в той же поездке при непрерывной работе на указанной выше позиции в течение 5 и более минут. В этом случае безусловно обеспечивается высокая достоверность получаемых

результатов, однако продолжительность таких режимов в данном случае не превосходит 23,35% от общего времени работы тепловоза, а в общем случае может быть существенно меньше.

Рисунок 4. Распределение результатов измерения температуры отработавших газов на выходе из 1-го правого цилиндра на 9-й позиции контроллера в стационарном режиме

Распределение значений температуры холодного спая термопары для 12 позиции контроллера машиниста приведено на рис.5.

Рисунок 5. Распределение результатов измерения температуры холодного спая на 12-й позиции

контроллера в стационарном режиме

Анализ их показывает, что расположение холодного спая на плате температурного измерителя, который установлен на боковой стенке дизельного помещения тепловоза, позволяет обеспечить ее относительную стабильность. Вместе с тем, учитывая близкий к равномерному характер распределения температуры холодного спая на интервале 19. 25°С, даже такое ее изменение может оказывать существенное влияние на результаты оценки технического состояния дизеля с использованием температуры отработавших газов на выходе из цилиндров, поскольку, как

следует из рис. 3.5, ее изменение на 12 позиции контроллера машиниста не превосходит в среднем 50оС.

Таким образом, результаты измерения температуры отработавших газов на выходе из цилиндров дизеля представляют собой случайную величину, характер распределения которой зависит от режимов работы дизеля в эксплуатации. Вероятная величина ошибки измерения возрастает по мере увеличения числа переключения позиций контроллера в единицу времени.

В связи с этим актуальной является задача разработки методов математической обработки результатов измерения температуры термопарами с целью

повышения точности и достоверности результатов измерения.

1. Грачев В.В., Валиев М.Ш.. Оценка технического состояния тепловозного дизеля по данным бортовой микропроцессорной системы управления // Известия ПГУПС,-2010-Вып.1- с.22-32.

2. Сергеев. С.В., Камышников С.А. Система МСУ-Т магистрального пассажирского тепловоза ТЭП70БС // Труды ВНИКТИ,-2004-№ 83-с.64-76.

3. Федотов М.В., Набатчиков Ю.Н. Бортовая система диагностики тепловоза ТЭП70БС // Труды ВНИКТИ,-2004-№ 83-с.92-96.

Назрел вопрос куда и как крепить датчик ТВГ? Вроде бы простой вопрос, но с датчиками ТВГ никогда дел не имел, мало ли существуют какие-то нюансы расположения или крепления.
Собственно варианта крепления три:
1. На короткий патрубок крепящийся к цилиндру. Вроде самый привлекательный вариант, т.к. тут железо потолще и температура максимально приближенная к ТВГ внутри цилиндра. Не будет мешать демонтажу выхлопной. И еще тут внутренний диаметр трубы наибольший, т.е. просвет уменьшится минимально.
2. На колене поближе к первому шару. Тут наверное вибрации будут поменьше, хотя незнаю насколько это критично для датчика. Для крепления необходимо наверное усиливать место под приварку втулки (нержавейка) с резьбой под датчик)
3. На колене где-то в центре петли. То же что и п. 2, но расположить его будет попроще.

Двигатель simonini evo. Варианты на фото, хотя форма колена сейчас идет другая, но это сути думаю не меняет.

Датчик MGL avionics
Должна ли ВСЯ часть датчика, что после резьбы находиться внутри трубы или достаточно 1/2 или 1/3? Или вообще втулка в которая будет ввариваться в выхлопную систему должна иметь форму колодца, чтобы датчик внутрь трубы вообще не торчал? Резьба М8.

Если по правильному, то он должен ввариватся под 45 градусов навстречу газам .резьбовая часть остаётся в нипеле, а та что без резьбы вкручивается в трубу.

Датчик должен стоять там где должен.
ротаксы которые комплектуют мотор своим датчиками этот размер задают. помоему 100мм от фланца.
датчики ТВГ очень чувствительны к вибрации. Я их пробовал ставить на Хирт Ф33- жили считанные часы. обламываются провода
не знаю как этот датчик но те что мы используем фиксируются цангой. и по глубине вставляются чтобы кончик был примерно в центре.
и самое последнее- мне он оказался абсолютно бесполезен- информация с него мне ничего не дала.
Желаю удачи

И я думаю - нафига он нужен? Вот когда градусник подмышку ставят, или ко лбу руку прикладывают - это понятно, а для чего мерять температуру "выхлопных" газов?

а я вот 4 карбюратора на лодочном моторе синхронизирую с помощью вакуумметра и без помощи температуры выхлопных газов.

Если человек плохо себя чувствует - ясно и без "градусника подмышкой"..
Отслеживая температуру (ТВГ и ТГЦ), можно, точнее контролировать правильность процесса работы ДВС (т.к. эти параметры нормированы производителями двигателей). Другое дело, что постоянный контроль оборотов, температуры ТВГ и ТГЦ и т.п., немного смахивает на мазохизм и отвлекает от главного - получения удовольствия от парамоторного полёта.

Я бы не стал устанавливать этот датчик на парамотор.
1. Он большой и тяжелый - быстро выйдет из строя от вибрации.
2. Он инертный из-за своей конструкции, т.е. можете проморгать критичную температуру.

Место установки датчика должен указывать производитель мотора и выхлопной системы, потому что только он может сказать на каких оборотах и в каком месте будет наблюдаться опасная температура. Но есть общая рекомендация: не ставить ближе 10 см от стенки поршня.

Мнения и сомнения интересные, постараюсь на все ответить.

Сначала собственно зачем он нужен этот датчик ТВГ и чем отличается от датчика ТГЦ (температуры головки цилиндра). Данный измеритель температуры определяет температуру отработавших газов двигателя, что дает ему преиемущество по сравнению с приборами измеряющими температуру головок цилиндра двигателя, т.к. отработавшие газы воздействуют непосредственно на датчик температуры исключая теплоинерционность головок цилиндров. В связи с этим измеритель температуры отработавших газов раньше проинформирует о недопустимом режиме работы двигателя.
Датчик ТГЦ может прохлопать момент не только ввиду бОльшей инертности, но и например в связи с хорошим охлаждениемя головкив сочетании с бедной смесью и взлетным режимом. Т.е. температура головки еще в норме, а выхлопные в поршне уже потихонечку дырочку ковыряют.

Далее по пунктам. У меня дельталет, и ни вес ни габариты датчика не настолько критичны, а вот вынужденная при отказе мотора может быть более проблемной чем на парамоторе. Дополнительного указателя на приборке датчику не потребуется, т.к. прибор может отслеживать обе температуры - и ТВГ и ТГЦ. Постоянно пялиться в прибор, чтобы держать под контролем эти температуры необходимости нет, т.к. при превышении заданных пределов срабатывает сигнал тревоги. Можно настроить с небольшим запасом и вообще не париться. А еще цена датчика не сопоставима с ценой мотора и уверенностью в полете. Это хорошее средство профилактики отказа, а с этим напрямую связана безопасность полета. Для меня это всё имеет значение большее, чем потраченные на него деньги и время на его установку.
Как я уже сказал датчика будет два - ТВГ и ТГЦ под свечу. Во первых любой датчик может выйти из строя не тупо, а еще и "с "глюком" и нетипичное расхождение показаний 2-х датчиков позволит вовремя задуматься о причине и не упустить момент. Нетипичное расхождение может говорить не только о неисправности одного из датчиков, но и о проблеме в моторе. На 2-х и более цилиндровых моторах ценность (не путать с ценой) этих датчиков возрастает пропорционально кол-ву цилиндров.

"Если по правильному, то он должен ввариватся под 45 градусов навстречу газам " честно говоря никогда такого не видел и даже не слышал, да и представить не могу как его можно установить под углом 45градусов. Откуда такие данные? Можно ссылку? Полагаю, это возможно было обусловлено компоновкой какого-то конкретного двигателя или датчика.

Датчик должен стоять там где должен. Да это так, вот я и пытаюсь узнать основные принципы установки, т.к. у симонини на этот счет данных или рекомендаций нет. Каких либо конструктивных элементов в выхлопной, указывающих на место установки тоже.
и самое последнее- мне он оказался абсолютно бесполезенинформация с него мне ничего не дала - без комментариев, но честно говоря удивлен слышать это от Вас. Хотя на исправном моторе в обычном режиме и датчик ТВГ и ТГЦ ничего не дают.

Вот когда градусник подмышку ставят, или ко лбу руку прикладывают - это понятно, а для чего мерять температуру "выхлопных" газов? - ответил вначале, думаю достаточно популярно

постоянный контроль оборотов, температуры ТВГ и ТГЦ и т.п., немного смахивает на мазохизм и отвлекает от главного - получения удовольствия от парамоторного полёта. -частично согласен и ответил выше, повторяться не хочу, но. если добавить к этим 3-м параметрам звук и вибрацию, то более менее достоверно можно судить о состоянии двигателя в полете. Я бы добавил в этот список еще и датчик мгновенного расхода топлива, но пока не попался меряющий поток менее 3л/ч, а жаль, прибор эту функцию поддерживает. Как я уже писал на датчики все время смотреть нет надобности они напомнят о себе сами если что, а вот получение удовольствия от полета, зависит еще и от уверенности пилота что все в порядке. А посмотреть иногда на приборы и убедиться что все в порядке - это тоже своего рода удовольствие.

Я бы не стал устанавливать этот датчик на парамотор. - я бы наверное тоже не стал, т.к. вынужденная проще, а вес критичнее.
Он большой и тяжелый - быстро выйдет из строя от вибрации он маленький и легкий. См. увеличенное фото- там видно, что се что выше граней под ключ - это витая пружина задающая радиус армированного провода на выходе из датчика. На счет вибрации MGL avionics (http://www.mglavionics.com/html/accessories.html) слишком серьезная фирма, выпускающая авионику практически на все типы ЛА граждансой авиции, чтобы не знать об этом факторе в выхлопных системах Если не нарушена технология изготовления, то ломаться там вроде и нечему - термопара. На ротаксах датчики ТВГ не редкость.
Он инертный из-за своей конструкции, т.е. можете проморгать критичную температуру. зачем утверждать если только "слышал звон"? Как раз все наоборот, см. выше. Не уверен - напиши хотябы "я так думаю" или "мне кажется". Зачем людей с толку сбивать такими утверждениями ?
"Место установки датчика должен указывать производитель мотора и выхлопной системы, потому что только он может сказать на каких оборотах и в каком месте будет наблюдаться опасная температура" - Производитель не сообщает, а я хоть и не производитель ни того ни другого, но могу уверенно заявить - опасная температура имеющая для наз значение не в плане обжечься наблюдается только в цилиндре и наиболее опасна для поршня, и при этом абсолютно не важно на каких оборотах.

ротаксы которые комплектуют мотор своим датчиками этот размер задают. помоему 100мм от фланца.
Но есть общая рекомендация: не ставить ближе 10 см от стенки поршня - да, у ротаксов именно такая рекомендация, а поскольку двигатели очень похожи принципиально, то пожалуй именно этой рекомендации буду придерживаться. Не совсем ясно на какую глубину датчик должен быть в трубе, но логика подсказывает, что скорее всего резьба до внутреннего края трубы, а рабочая часть датчика внутри. Под прямым углом к стенке. Пока так.

Вмешательства в конструкцию планера самолета, а также двигателей Ил-14 не требует – они проверены десятилетиями эксплуатации этих машин в тяжелых условиях. Но чего не было во времена проектирования этого самолета – это возможности разработать средства объективного контроля за состоянием двигателя, таких как температура выхлопных газов (EGT), а также определить возникновение детонации. К слову сказать, не было подобных средств и на западных самолётах того же времени.
Все управление впрыском и формированием горючей смеси реализовано на механических связях. Из "мониторинга" двигателей у АШ-82Т -термопары замеряющие температуру головок двух цилиндров (2 и 5, где стоят главные шатуны). При превышении температуры на которых в кабине загораются контрольные лампы "Задир поршня".

Может возникнуть вопрос, зачем нужно знать температуру выхлопных газов на выходе из каждого цилиндра? Ответ простой – по ней можно судить о степени сгорания смеси и контролировать состояние двигателя. При обеднении смеси эти данные позволят предотвратить возможный перегрев и прогорание выпускных клапанов.

Также во время наземного опробывания двигателей можно проверить работу передних и задних свечей. В чеклисте присутствует проверка магнето, во время которого из положения "Сумма" оно переключается в "Переднее" и "Заднее". Соответственно, одна из свечей при этом выключается. Если возникает ситуация, что из двух свечей нерабочая, то это определится по падению температуры выхлопных газов.

Теперь возвращаемся снова к нашей задаче: готовых решений, которые можно приобрести и установить на Ил-14 – нет. Западные аналоги для двигателей Continental и Lycoming рассчитаны на 6 цилиндров – у нас же их 14 у каждого двигателя. Даже если использовать их, собирая из нескольких комплектов, получится толстый пучок проводов, который придется тащить из мотогондолы до кабины пилотов. А также стойка с приборами (как минимум 4 циферблата), параметры на которых будет практически невозможно контролировать.

В связи с этим возникла необходмость разработать свое устройство, отвечающее нашим потребностям. На него разработано следующее задание:

Блок-схема устройства:

УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ АШ-82Т

Требования к рабочим параметрам:

Диапазон напряжений питания: +23…+32В (типовое значение: +27В)
Диапазон рабочих температур: -40…+60C
Диапазон измеряемых температур выхлопных газов: 0…1300С
Погрешность измерения 10C

Требования к схемотехнике:

Схема должна обеспечивать одновременное измерение и отображение температур выхлопных газов для 14 цилиндров
Схема должна обеспечивать возможность установки верхнего порогового значения температуры выхлопных газов
Схема должна обеспечивать сравнение и индикацию превышения конкретными цилиндрами значения температурного порога и идентификацию или указание номеров этих цилиндров
Схема должна обеспечивать возможность использования температурных датчиков разных типов (с различными ЭДС) и простую перенастройку устройства для работы с ними
Схема должна обеспечивать определение выхода из строя температурного датчика и вывода информации об этом

Требования к индикации информации:

Отображение температур 14 цилиндров должно быть наглядным и позволять одновременно максимально быстро оценивать общее состояние температур всех 14 цилиндров по критериям нахождения температуры в нормальном диапазоне или выхода ее за предельное значение
Максимальное и минимальное значение температуры должно индицироваться в виде точного значения с указанием номера цилиндра, в котором измерено это значение
Выход из строя датчика измерения температуры должен быть немедленно идентифицирован и отображен

Требования к элементной базе:

Все элементы конструкции должны быть легкодоступны для замены и дешевы

Требования к конструкции:

Конструкция должна обеспечивать унификацию и допускать использование различных датчиков без существенных изменений
Конструкция должна обеспечивать быструю установку верхнего порогового значения температуры из кабины пилотов
Конструкция должна обеспечивать малую (до 3 метров) длину компенсационных проводов термопар (при их наличии)
Блоки конструкции, располагаемые в мотогондоле, должны быть пыле- влаго- защищенными, ударопрочными (выдерживать падение с высоты 1м) и вибростойкими (выдерживать виброускорения до 160 м/с2)
Оболочка и крепление соединительных и компенсационных проводов между датчиками и измерителями должны обеспечивать термоизоляцию от выпускных коллекторов и других нагретых частей двигателя и стойкость к вибрациям и многократным изломам проводов
Сборка блоков конструкции, монтаж и отладка устройства в целом должны быть простыми, доступными персоналу без специальной квалификации и не требовать специфического оборудования и материалов
Конструкция должна обеспечивать легкую (в течении одного часа одним человеком) замену датчика температуры при выходе его из строя

Варианты установки датчиков EGT на Lycoming

Установку термопар предлагается производить в компенсационных трубах (между приёмной трубой и выхлопным коллектором, в связи с их лёгким демонтажом и доработкой. Крепление термопары обязательно вворачиванием в резьбовую втулку, без всяких хомутов. Сами термопары желательно взять с реактивных двигателей по причине их надёжного крепления и высокого качества изготовления.

Кто может помочь, советом ли, или ввязаться в разработку данного устройства – пишите мне или нашему ведущему специалисту по электрике на Ил-14 Павлову Денису.

Двигатель simonini evo. Варианты на фото, хотя форма колена сейчас идет другая, но это сути думаю не меняет.

Мнения и сомнения интересные, постараюсь на все ответить.

Читайте также: