Измерения в практике эксплуатации

ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС)

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

ДВС как один из наиболее распространенных на торговых судах видов СЭУ — сложный объект, для нормальной эксплуа­тации которого необходимо знать ра­бочие значения температуры в его системах, а иногда и в деталях ЦПГ.

В решении этих задач различают два уровня, резко отличающиеся по сложности: измерение постоянных или, точнее, медленно изменяющихся температур; из­мерение быстро изменяющихся значений температуры. Если для решения задач первого уровня сложности мы располагаем большим набором разнообразных типов термометров, то точное решение задач второго уровня в ряде случаев еще не найдено главным образом из-за влияния инерционных погрешностей. Измерение темпе­ратуры газов в рабочем цилиндре ДВС осложнено не только быстрыми циклическими ее изменениями, но и очень высоким уровнем значений во время сгорания, который не могут длительно выдерживать лучшие ма­териалы, используемые при термометрировании. По­этому температуру газов в характерных точках цикла по-прежнему определяют расчетным путем на основе уравнения состояния исходя из известных эксперимен­тальным путем найденных значений давления в цилинд­ре, состава и объема газов в нем.

В практике эксплуатации СЭУ используют приборы различных типов: термометры, основанные на теп­ловом расширении тел, манометрические и электричес­кие термометры. Последние еще подразделяются на термометры сопротивления и термоэлектрические пирометры (термопары). Все они инерционны. Правда, инерционность электрических термометров может быть значительно уменьшена благодаря миниатюриза­ции чувствительного элемента (датчика) и ликвидации защищающих его от внешних механических воздейст­вий оболочек, но тогда резко сокращается надежность и срок службы такого элемента.

Термометры, действующие от теплового расшире­ния тел (стеклянные жидкостные и биметаллические), просты, дешевы и могут быть высокоточными (до 0,1 класса), но легко разрушаются от случайных механи­ческих воздействий. Поэтому их обычно помещают в защитные оправы (футляры), но это еще больше уве­личивает их инерционность и вносит дополнительную погрешность установки из-за влияния температуры стенки, окружающей контролируемую среду и удержи­вающей оправу термометра. Так, например, ртутные термометры, установленные в охлаждаемом выхлоп­ном коллекторе дизеля, не только запаздывают в своих показаниях при изменениях режимов работы, но и на установившемся режиме работы дизеля занижают показания температуры отработавших газов при Р_ен на 20—40° С. Для эксплуатационного контроля работы дизеля это несущественно, так как в паспортных дан­ных двигателя указаны значения температуры газов при Р_ен по этим же термометрам, но совершенно не приемлемо при теплобалансовых и некоторых других видах испытаний ДВС.

Действие манометрических термометров основано на изменении давления жидкости, пара или газа при нагревании их в замкнутом объеме, составленном из термобаллона (датчика), капиллярной трубки и мано­метра. Шкала манометра отградуирована в градусах температуры. Манометрические термометры, имея 2—4 класс точности, — дистанционные приборы (длина капиллярной трубки может быть до 75 м), применяе­мые только для текущего эксплуатационного контроля. При монтажных работах следует помнить, что рез­кий перегиб капиллярной трубки, ее сплющивание или перекусывание полностью выводят прибор из строя и ремонт его в неспециализированном предприятии не­возможен.

У электрических термометров сопротивления дли­на проводов, соединяющих датчик с показывающим прибором, не лимитирована, если сохранять на задан­ном уровне их сопротивление. Действие этих приборов основано на изменении электрического сопротивления проводников из некоторых материалов от действия пе­ременной температуры. Обычно класс точности этих приборов — третий или четвертый.

Действие термоэлектрических пирометров основа­но на способности спаев некоторых разнородных чис­тых металлов или их сплавов под действием темпера­туры создавать термоэлектродвижущую силу (тер-мо э. д. с.), являющуюся некоторой функцией темпера­туры. В замкнутой цепи, составленной из разнородных проводников, результирующая термо э. д. с. равна ал­гебраической сумме термо э. д. с. от всех спаев. Это необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры таким прибором. Высокую точность из­мерения обеспечивают путем термостатирования холод­ных (нерабочих) спаев, например, при температуре 0° С в сосуде с тающим льдом.

Точность показаний термоэлектрических пиромет­ров определяют многие факторы: качество милли­вольтметра, термоэлектродных проводов и их спаев, из­менение температуры холодных спаев, способ установ­ки горячего спая и др. Однако при соблюдении всех не­обходимых условий термоэлектрические пирометры способны обеспечить высокую точность измерения тем­пературы (на уровне 1,0—0,1 классов точности). Термопары особенно удобны при измерениях темпера­туры деталей работающих ДВС. Однако при неправиль­ной или небрежной установке горячего спая вызванная этим погрешность может сильно (до 50%) исказить ре­зультаты измерения.

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ

Измерение давлений, постоянных или медленно из­меняющихся, выполняют с помощью различных мано­метров: жидкостных, пружинных, мембранных и электрических. На судах в настоящее время основным типом манометра является пружинный (см. pис. 1). В нем роль чувствительного элемента и одновременно пружины выполняет дугообразная металлическая труб­ка 1 с эллипсообразным сечением. Внутренняя полость трубки через резьбовое соединение 3 сообщается со средой, давление в которой необходимо измерить. Дав­ление внутри трубки стремится распрямить ее, чему препятствует упругость стенок. В результате трубка выпрямляется тем больше, чем выше действующее в ней давление. Движение конца трубки через серьгу 5 и зубчатый сектор 4 передается стрелке (шкала на рис. 1 не показана). Весь механизм манометра заклю­чен в корпус 2. Так устроены, например, манометры типа МТК (манометр технический корабельный). При­боры этого типа измеряют избыточное давление и обычно имеют 2,5 класс точности, а более точные (контрольные) 0,2-1,0. Эти приборы просты, надежны, дешевы, могут быть рассчитаны на измерение и низких давлений, и сверхвысоких (до 500 МПа). В процессе длительной эксплуатации упругие свойства трубки-пружины могут изменяться, поэтому такие манометры надлежит периодически проверять.

Рис. 1 Пружинный манометр

Максимальные, мгновенные и средние значения быстро изменяющегося давления в рабочих цилиндрах ДВС необходимо знать для правильного решения мно­гих возникающих в процессе эксплуатации практичес­ки важных вопросов: объективной оценки техническо­го состояния, выполнения регулировочных работ, оп­ределения причин неудовлетворительной работы двига­теля и др.

Для этой цели используют максиметры, пиметры и индикаторы. На практике в качестве максиметров час­то используют механические индикаторы со спираль­ной или стержневой пружиной, записывая на них "гре­бенки". Кроме того, на судах используют максиметры манометрического (типа ЦНИДИ и др.) и пружинного типов (системы "Зульцер" и др.). В первых измери­тельным прибором является пружинный манометр, газы к которому импульсами пропускает невозврат­ный клапан до тех пор, пока давление в замкнутой по­лости за клапаном, образованной манометром и соеди­нительной трубкой, не достигнет уровня максимально­го значения давления в цилиндре. На этом значении давления и замрет стрелка манометра. Сняв показание такого максиметра, давление из него стравливают че­рез специальный клапан.

Поршневой максиметр состоит из цилиндра, порш­ня, нагруженного калиброванной пружиной, поворот­ной головки, изменяющей натяг пружины, и деталей присоединения прибора к индикаторному крану. Пово­ротная головка выполняет две функции: изменяет ра­бочий натяг пружины и позволяет по шкале прочесть соответствующее давление. Поршневые максиметры "Зульцер" допускают погрешность измерения ± 1,0%. Эти максиметры бывают двух типов: газовые с верх­ним пределом измерения 8 или 10,5 МПа и топливные, позволяющие измерять максимальное давление топли­ва за ТНВД в пределах до 100—140 МПа.

Максиметры вследствие инерционных погрешнос­тей и трения в подвижных деталях обычно показывают несколько заниженные значения максимального давле­ния, но для эксплуатационных целей (распределение нагрузки между цилиндрами, регулирование p_z и др.) это несущественно.

Пиметры показывают среднее по времени значение циклически изменяющегося давления в цилиндрах ди­зелей. Их используют для контроля работы отдельных цилиндров и при регулировании топливоподачи в ци­линдры, измеряя равномерность нагрузки последних, так как известно, что среднее за цикл давление p_t про­порционально среднему индикаторному давлению р_i (см. рис. 2). Такая функциональная линейная связь меж­ду p_i и p_t устанавливается только экспериментальным путем и справедлива для конкретной пары дизель— пиметр. Точка а на графике соответствует случаю чис­того сжатия, когда топливо в цилиндр не подается.

Рис. 2. Пиметр с капиллярной трубкой типа П –3

Из разнообразных типов пиметров на торговом флоте используются поршневой (механический) и капиллярный. Сложная механическая система поршне­вых пиметров, содержащая слабую пружину между маховичками, легко повреждается при случай­ных толчках и ударах, поэтому на судах чаще использу­ют пиметры капиллярного типа, схема которого изоб­ражена на рис. 2.

Прибор состоит из присоединитель­ного узла 1, фильтра 2, дополнительной капиллярной трубки 3 и включающего ее в работу вентиля 4, основ­ной капиллярной трубки 5 и манометра 6. После изме­рения газ из прибора стравливается через вентиль 7.

Прибор действует на основе демпфирующего эф­фекта в длинных капиллярных трубках. Такой советского производства пиметр П-3 — переносной прибор с массой около 9,5 кг. Он надежен и устойчиво работа­ет при частоте вращения вала двигателя n £ 100 об/мин. Диапазон возможного измерения p_t зависит только от шкалы его манометра типа МТК (0,6; 1,0; 1,6 или 2,5 МПа).

Индикаторы способны записывать мгновенные зна­чения быстро изменяющегося давления газов в рабо­чем цилиндре ДВС. Если такая запись ведется во взаимосвязи с мгновенным положением рабочего поршня в цилиндре, то получается индикаторная диа­грамма в координатах р — V, а если она связана с вре­менем или пропорциональным ему углом поворота ко­ленчатого вала, то получается развернутая индикатор­ная диаграмма в координатах р - т (). Обе разновид­ности индикаторных диаграмм используют при анализе рабочего цикла в цилиндрах ДВС и для определения среднего индикаторного давления р_i необходимого для расчета индикаторной мощности.

Индикаторные диаграммы в координатах р —V обычно снимают с помощью относительно простых ме­ханических (поршневых) индикаторов со спиральной пружиной ("Майгак" типа 50 или 30) или со стержне­вой пружиной. Эти индикаторы, несмотря на все при­меняемые меры по снижению инерционных погрешнос­тей в записи давления, удовлетворительно работают только при ограниченных значениях n вала двигателя. Так, индикаторы "Майгак" типа 50 рассчитаны на n £ 250 об/мин, типа 30 - на п £ 400 об/мин, а индика­торы со стержневой пружиной — на n < 750 об/мин. Инерционные погрешности в записях этих индикаторов имеются и по другой координате, т. е. в записи движе­ния поршня. Причем по своему основному назначению механические индикаторы возможно использовать только на дизелях, имеющих индикаторные приводы эксцентрикового или рычажного типа у каждого ци­линдра, или общий привод для всех цилиндров с пово­ротной головкой. Все это ограничивает область практи­ческого использования механических индикаторов. Их часто используют на МОД и реже на СОД. Конструкция и правила использования механических индикаторов ос­вещены в учебной и справочной литературе.

Для записи индикаторных диаграмм всех типов ДВС, в том числе и ВОД, могут быть использованы "безынерционные" электрические и пневмоэлектрические индикаторы, описание которых также дано в лите­ратуре. Отсутствие в этих индикаторах быстро перемещающихся под действием давления газов дета­лей обеспечивает почти полное отсутствие инерцион­ных погрешностей в записи р = f (т), что и дает основа­ние называть их "безынерционными". Преимуществом всех электрических индикаторов (пьезоэлектрических, с тензодатчиками и др.) является и то, что они не нуж­даются в механическом приводе от двигателя, так как записывают диаграммы отдельных циклов в координа­тах р — т() с помощью осциллографа. Такие диа­граммы очень удобны для анализа развития основных процессов цикла во времени и их связи с другими син­хронно записываемыми процессами (например, топливо подачей), причем не только на установив­шихся режимах работы двигателя, но и на переходных.

Однако такие индикаторы сложны, дороги и гро­моздки, требуют специальных навыков в использова­нии, а потому малопригодны для широкого распростра­нения на судах. Кроме того, масштаб записи дав­ления, определяемый путем экспериментального сня­тия тарировочных графиков, не всегда стабилен. Поэтому диаграммы, снятые электрическими ин­дикаторами, более пригодны для качественного ана­лиза, чем для определения р_i.

Еще более громоздки пневмоэлектрические инди­каторы, но зато они записывают развернутую индика­торную диаграмму в крупном и точном масштабе. Мас­штаб записи давлений стабилен, так как определен жесткостью пружины. Барабан такого индикатора по­лучает привод непосредственно от коленчатого вала ДВС, и запись диаграммы ведется за ряд циклов в ци­линдре, т. е. получается усредненная диаграмма цикла двигателя, работающего на установившемся режиме. Такие диаграммы удобны для точного определения p_i и n_m в процессе различных стендовых испытаний ДВС