close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...дизельных двигателей через измерение давления

код для вставкиСкачать
датчики
42
Повышение
топливной экономичности
и снижения вредных выбросов
дизельных двигателей
через измерение
давления и температуры
Максим Круглов
Александр Цыпин,
к. т. н.
Задачи и методы решения
В современном мире все чаще приходится слышать об энергоэффективности, «зеленых» технологиях, повышении КПД и прочих аспектаах, обеспечивающих максимум
работы при использовании минимума ресурсов и с наименьшим влиянием на окружающую среду. Эта тенденция не обошла
стороной и мощные промышленные двигатели, используемые в судостроении, дизельгенераторах и других сферах.
Энергосберегающие технологии невозможны без внедрения высокоточных систем регулирования технологических процессов, которые в свою
очередь невозможны без надежных и, опять же, точных измерений технологических параметров. В настоящее время конструкторы промышленных
двигателей стараются использовать все возможности по снижению потребления топлива и выброса парниковых газов, что ставит перед производителями средств измерений сложные задачи по разработке приборов,
способных обеспечить качественные измерения таких параметров, как
давление и температура. Решение поставленных задач лежит в области
применения самых передовых технологий.
Как показывает практика, наибольший
эффект повышения эффективности любого
оборудования и организации лежит в области оптимизации технологических процессов и внедрения прецизионных систем регулирования.
Принцип работы дизельного двигателя
наиболее близок к идеальному циклу тепловой машины, предложенному французским
инженером Сади Карно: в максимально экономичной тепловой машине нагревать рабочее тело до температуры горения топли-
Рис. 1. Принципиальная схема работы двигателя с общей топливной рампой
ва необходимо «изменением объема», то есть
быстрым сжатием. В 1890 году Рудольф
Дизель предложил практическую реализацию этого принципа, который смог воплотить в 1897 году в тепловой машине, названной им дизель-мотор, которая дала имя
целому классу поршневых двигателей внутреннего сгорания. Принцип действия этих
двигателей широко известен, и можно лишь
выделить разделение на четырехтактные
двигатели, наиболее распространенные в настоящее время, и двухтактные, применяемые
прежде всего в качестве главных двигателей
судовых энергетических установок.
Наибольший ресурс повышения эффективности дизельных двигателей лежит
в области усовершенствования систем топливоприготовления, топливоподачи и газораспределения. В настоящее время большое распространение получили двигатели
с аккумуляторной топливной системой с общей рампой, более известной как система
Common Rail (рис. 1).
Создание давления и непосредственный
процесс впрыска топлива в этой системе полностью разделены. Блок управления дизельным двигателем поддерживает, меняя производительность насоса, высокое давление
при различных режимах работы двигателя,
то есть независимо от его оборотов и нагрузки
при любой последовательности впрыска по цилиндрам. Форсунки оснащены специальными
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2013
датчики
43
характеристики двигателя изменяются незначительно. Ключевыми сигналами для управления системой рециркуляции являются температура воздуха, температура выхлопных
газов и температура газо-воздушной смеси
на входе и выходе системы рециркуляции выхлопных газов (рис. 2).
Таким образом, для решения задачи оптимального управления современным дизельным двигателем с минимизацией расхода
топлива, сокращением выбросов вредных
веществ и повышением ресурса необходимо
измерять такие параметры, как:
• температура охлаждающей жидкости;
• температура выхлопных газов;
• температура в системе рециркуляции выхлопных газов;
• давление наддува;
• давление картерных газов;
• давление в топливной рампе;
• давление в цилиндрах двигателя;
• частота вращения коленчатого вала;
• массовый расход воздуха.
Измерение температуры
Рис. 2. Принципиальная схема системы рециркуляции выхлопных газов
электромагнитными (или пьезоэлектрическими) клапанами и управляются электроникой
в соответствии с разработанными алгоритмами и в зависимости от конкретных условий работы дизельного двигателя. Высокое давление,
под которым топливо впрыскивается в цилиндр, создается уже при самом малом числе
оборотов коленчатого вала.
Высокое давление и электронное управление процессом впрыска позволяют лучше подготовить смеси в цилиндрах, поэтому происходит уменьшение расхода топлива и снижение токсичности выхлопа.
Оптимальные результаты на каждом конкретном режиме работы дизельного двигателя достигаются благодаря тому, что электроника регулирует момент впрыска, количество
впрыскиваемого топлива и саму его подачу.
Общая магистраль снабжена датчиком давления и обратным клапаном, перепускающим
топливо обратно в бак.
Дальнейшее развитие систем, позволяющее улучшить эффективность работы современного двигателя, оснащенного системой
Common Rail, лежит в области выравнивания
цилиндровой мощности двигателя. Это позволяет избежать ситуации перегруза одних
цилиндров в сочетании с неполной нагрузкой
других. Особенно это актуально при работе
двигателя на 100%-ной нагрузке. В такой ситуации выравнивание мощности по цилиндрам
позволяет обеспечить 100%-ную отдачу мощности двигателя в сочетании с его наилучшими ресурсными показателями. Для реализации такого алгоритма необходимо постоянно
иметь информацию о давлении в каждом цилиндре на каждом рабочем такте.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2013
Мощность, развиваемая каждым отдельно
взятым цилиндром, оценивается по индикаторной диаграмме давления в цилиндре. Для
снятия индикаторной диаграммы существуют различные методы, отличающиеся между
собой способом измерения (механические
или электронные датчики) и длительностью
измерения (однократные измерения последовательно по цилиндрам или постоянно установленные датчики). Например, снятие индикаторной диаграммы с помощью механических средств измерения, устанавливаемых
на индикаторную трубу, требует значительных затрат времени на последовательную
переустановку датчика поочередно по цилиндрам. И за это время может поменяться
нагрузка на двигателе вследствие изменения
внешних условий движения объекта, на котором он установлен. Соответственно, стоит
задача постоянного контроля давления в цилиндрах двигателя.
Среди других задач по повышению экологичности промышленных дизельных
двигателей выделяется снижение выбросов
оксидов азота. Одним из наиболее распространенных методов стало внедрение системы рециркуляции выхлопных газов.
Оксиды азота образуются в двигателе под
действием высокой температуры. Чем выше
температура в камерах сгорания, тем больше
образуется оксидов азота. Возврат части отработавших газов во впускной коллектор позволяет снизить температуру сгорания топливновоздушной смеси и, тем самым, уменьшить
образование оксидов азота. При этом соотношение компонентов в топливно-воздушной
смеси остается неизменным, а мощностные
Рассмотрим подробнее сложности, возникающие при измерении давления и температуры дизельных двигателей. Начнем с температуры. Долгое время для измерения температуры использовались термоэлектрические
преобразователи, более известные как термопары. Это простое и недорогое решение
имеет ряд существенных недостатков, среди
которых выделяются необходимость компенсации температуры свободных концов
и нелинейность статической характеристики.
Это обусловило тренд в сторону термометров сопротивления, которые также не лишены недостатков: дороговизна материала
(платина) для чувствительных элементов,
обеспечивающего долговременную стабильность, и влияние сопротивления соединительных проводов. Появление технологии
тонкопленочных чувствительных элементов
на порядки сократило потребность в количестве материала, но появились проблемы
виброустойчивости и долговременной стабильности.
Фирма Danfoss нашла решение путем
тщательного подбора материалов подложки, меандра, наполнителя гильзы и контроля
изготовления всех контактных соединений
с учетом возможности теплового расширения
материалов. Изначально эти технологии были
воплощены для чувствительных элементов
Pt 100, однако осталась проблема влияния
температуры соединительных проводов. Было
очевидно, что необходимо переходить к использованию высокоомных чувствительных
элементов Pt 1000. Конструкторам Danfoss
удалось решить и эту задачу. Вначале на рынке
были представлены термометры сопротивления серии MBT 5250 (рис. 3) с чувствительным
элементом Pt 1000 для низкотемпературных
измерений до +200 °С. Характерной особенwww.kite.ru
44
датчики
Рис. 5. Результаты испытаний на инерционность термометров сопротивления
Рис. 3. Термометр сопротивления для температуры
охлаждающей жидкости Danfoss MBT 5250
ностью этого термометра является сменная
измерительная вставка, которая позволяет использовать его без дополнительных гильз, что
обеспечивает максимально быструю реакцию
прибора.
Д л я с и с т е м ы р е ц и р к ул я ц и и г а з о в
был необходим датчик с очень коротким
временем отклика, что невозможно достичь
без снижения габаритов и массы термометра. Другое требование — стойкость материалов к агрессивным средам (при наличии
в выхлопе паров воды и оксидов серы, азота велика вероятность образования кислот).
Конструкторы Danfoss смогли решить эту
задачу и представили два новых термометра
сопротивления: MBT 3270 (рис. 4) для системы рециркуляции и MBT 5114 для измерения
температуры выхлопных газов.
Рис. 4. Термометр сопротивления для системы
рециркуляции газов Danfoss MBT 3270
Оба прибора имеют ряд уникальных характеристик. MBT 3270 — это один самых
миниатюрных термометров сопротивления,
способных измерять температуру до +300 °С
в условиях повышенной вибрации и в агрессивной среде.
Уникальный чувствительный элемент
(Pt 100 или Pt 1000) помещен в корпус из кислотостойкой нержавеющей стали AISI 316Ti
диаметром 3 или 6 мм и длиной погружной
части 40 мм. Столь малые размеры обеспечивают высокую точность измерений и минимальное время реакции, которое до 80%
ниже, чем у стандартных термометров сопротивления (рис. 5).
Вместо стандартной пайки электрических
соединений используется механический обжим контактов, выполняемый в газонепроницаемой камере, что обеспечивает надежность
соединений при тепловом расширении и исключает коррозию. Защитная арматура термометра заполнена специальной термостойкой пастой для повышения вибростойкости.
Высокое качество продукции достигается полной автоматизацией производственных процессов, исключающей человеческий фактор.
При разработке термометра сопротивления для измерения температуры выхлопных
газов перед конструкторами были поставлены следующие задачи, решение которых
в совокупности позволило создать уникальный продукт. Среди этих задач наиболее значимыми были:
1.Применение чувствительного элемента
Pt 1000, поскольку именно в системе выхлопа
наблюдалось сильное влияние на изменение
температуры соединительных проводов.
2.Обеспечение долговременной стабильности и надежности измерений.
3.Минимально возможные габариты для
снижения инерционности и возможности
установки на двигатели средней мощности,
где выхлопная труба имеет относительно
малые размеры.
4.Стойкость к агрессивным средам.
Решая эти задачи методами подбора материалов и оптимизации производственных
процессов, специалисты Danfoss смогли представить не имеющий аналогов термометр сопротивления для измерения температуры выхлопных газов серии MBT 5114 (рис. 6).
Рис. 6. Термометр сопротивления для измерения
температуры выхлопных газов Danfoss MBT 5114
Измерение давления
Преобразование давления в электрический сигнал является одним из наиболее интересных методов в прикладной метрологии.
Существует широкое разнообразие методов,
каждый из которых хорош для решения своей
задачи. Так, например, для измерения давления
в системе турбонаддува необходимо использовать преобразователи абсолютного давления.
Основная проблема таких приборов состоит
в том, что чувствительные элементы, как правило, не могут находиться долгое время под
действием глубокого вакуума из-за его негативного влияния на их надежность. Danfoss предложила использовать газонаполненную камеру
с референсным значением давления, равным
одной атмосфере. Это решение, в частности,
воплощено в серии преобразователей давления MBS 3100 (рис. 7), которая нашла широкое
применение в судовых силовых установках.
Измерение давления картерных газов
четырехтактных двигателей играет огромную роль в диагностике ресурса двигателя.
Повышенное давление в картере двигателя — важный показатель неисправностей цилиндропоршневой группы и турбонаддува.
Сложность измерения давления картерных
газов заключается в том, что это очень малые
значения (для большинства дизелей критичным будет давление 40 мбар (0,004 МПа)).
Есть также вероятность возникновения разрежения в картере двигателя. Для решения
этой задачи Danfoss предлагает преобразователь давления MBS 9300.
Рис. 7. Преобразователь давления Danfoss MBS 3100
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2013
датчики
45
Рис. 11. Преобразователь давления Danfoss MBS 1800
Рис. 8. Конструкция чувствительного элемента
преобразователя давления Danfoss MBS 9300
Чувствительный элемент MBS 9300 (рис. 8)
выполнен по технологии «кремний на кремнии», обеспечивающей долговременную стабильность метрологических характеристик
и высокую перегрузочную способность, что
выгодно отличает ее от наиболее распространенной в России технологии «кремний
на сапфире». Для снижения влияния вибрации и пиков давления кристалл чувствительного элемента помещен в капсулу, с одной
стороны которой находится мембрана, воспринимающая давление среды, а с другой —
электрическое соединение. Сама капсула заполнена силиконовым гелем, сохраняющим
свои свойства в широком диапазоне температур. Благодаря этой и ряду других технологий
Danfoss смогла сконструировать надежный
электронный аналог стрелочных тягонапоромеров с минимальным диапазоном измерений от 0 до 40 мбар (от 0 до 0,004 МПа).
Еще более сложной задачей является измерение давления в общей топливной рампе. Это связано с тем, что величина давления нередко превосходит 2000 бар (200 МПа)
в сочетании с возможно высокой температурой окружающей среды и существенными вибрациями. Эти проблемы были удачно
решены в преобразователе давления Danfoss
MBS 6300 (рис. 9).
Было решено использовать тонкопленочную технологию (рис. 10), в которой тензорезисторы наносятся непосредственно на мембрану из нержавеющей стали, находящуюся
под воздействием среды. Возможность размещения на мембране полупроводникового
термометра сопротивления позволяет обе-
Рис. 9. Преобразователь давления Danfoss MBS 6300
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2013
Рис. 10. Чувствительный элемент преобразователя
давления Danfoss MBS 6300
спечить термокомпенсацию во всем диапазоне допустимых температур. Среди других
преимуществ технологии нужно отметить
долговременную стабильность, высокую скорость реакции (<1 мс), отличные показатели
электрической изоляции, выдерживающей
напряжение 1000 В, перегрузочную способность до 3000 бар и давление разрыва свыше
4000 бар. Присоединительный штуцер выполнен из цельного куска нержавеющей стали с оптимальными параметрами — специально для измерения высоких давлений.
Измерение давления в цилиндрах двигателей требует решения нескольких сложных
конструкторских задач. Прежде всего, это
стойкость к высоким температурам, поскольку в камере сгорания температура достигает
+600 °С. Существует три направления решения этой задачи. Наиболее очевидным является внедрение в конструкцию системы охлаждения преобразователя давления. Для этого
в корпусе преобразователя организуются
специальные каналы, в которые подается воздух или охлаждающая жидкость. Это сложное
и неудобное решение, которое можно применять для периодической диагностики двигателя, но оно неудобно для системы управления.
Второй путь заключается в улучшении технологии производства стандартных чувствительных элементов, в частности тензорезисторов, получаемых на основе карбида кремния [1]. Это хорошее решение, но так же, как
и в первом варианте, не решается вопрос динамических характеристик прибора: необходимо измерять фронт давления практически
во время взрыва топливо‑воздушной смеси.
Третий путь — поиск новых материалов
для изготовления чувствительных элементов. Для преобразователей давления Danfoss
было решено использовать пьезоэлектрический метод на основе фосфата галия (GaPO4).
Этот материал обладает рядом преимуществ:
высочайшей стабильностью при воздействии
температур до +970 °С; стабильностью статической характеристики под воздействием
широкого диапазона давления; высокой чувствительностью и отсутствием пироэлектрического эффекта. При этом датчик способен
выдержать удар силой 2000g в течение 0,5 мс
и не требует специального охлаждения.
Рис. 12. Технология Leak Proof Design
преобразователя давления Danfoss MBS 1800
Снижение динамической погрешности
обеспечивает применение технологии Double
Shell housing. Суть технологии состоит в применении дополнительного преднагрузочного элемента, который усиливает действие
на чувствительный элемент. Эта технология
позволила достичь частоты измерений преобразователя давления 20 000 Гц, что дает
возможность осуществления анализа ударных нагрузок.
Другой важной особенностью преобразователя давления Danfoss MBS 1800 (рис. 11)
является технология Leak Proof Design
(рис. 12), обеспечивающая герметичность
устройства даже в случае разрыва мембраны чувствительного элемента, который установлен в дополнительном корпусе из особо
прочного материала. Это предотвращает выход открытого пламени из цилиндра двигателя, что гарантирует безопасность оборудования и обслуживающего персонала.
Также необходимо отметить, что время
наработки на отказ для MBS 1800 составляет не менее 20 000 ч, что равносильно почти
трем годам непрерывной работы двигателя.
Заключение
Как показано в статье, применение современных средств измерения технологических
параметров, сигналы которых обрабатываются электронными блоками управления
по оригинальным алгоритмам, позволяет повысить мощность и надежность дизельных
двигателей и одновременно снизить расход
топлива и вредные выбросы.
Однако следует понимать, что это достигается применением не стандартных средств измерения, а высокотехнологичных устройств,
разработка которых является важнейшей задачей прикладной метрологии.
www.kite.ru
46
датчики
Датская фирма Danfoss уже более 60 лет разрабатывает и производит контрольно-измерительные приборы для строения двигателей, применяя самые передовые технологии. Все это позволяет
решить сложную задачу оптимального управления современными дизельными двигателями.
n
Литература
1. Баринов И. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давления
на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития //
Компоненты и технологии. 2010. № 8.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 1 '2013
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа