Инструментальный метод диагностирования экологической безопасности пожарных автомобилей с автоматизацией цикла свободного ускорения

Вводная часть

Пожарные автомобили (ПА) эксплуатируются в режимах, включающих длительную работу на холостом ходу, движение в форсированных режимах и продолжительную работу на привод пожарного насоса [1, 2]. Указанные режимы, при недостаточном техническом обслуживании, сопровождаются износом цилиндропоршневой группы и топливной аппаратуры, снижением мощности, перерасходом топлива и ростом выбросов загрязняющих веществ с отработавшими газами (ОГ). Выбросы дизельных двигателей, к которым относится большинство силовых установок ПА, содержат мелкодисперсные частицы сажи (черный углерод). На поверхности этих частиц адсорбируются полициклические ароматические углеводороды, в том числе бенз(α)пирен, обладающие канцерогенной активностью [3, 4]. Согласно данным государственного доклада [5], в крупных промышленных центрах, включая города Красноярского края, многолетнее загрязнение атмосферного воздуха связано, в том числе, с выбросами автотранспортной техники.

Существующие методики расчёта выбросов от передвижных источников базируются на усреднённых коэффициентах и не в полной мере учитывают реальные эксплуатационные режимы специальной техники [6, 7]. Для дизельных двигателей основным нормируемым параметром при оценке конструктивной и экологической безопасности в эксплуатации является дымность ОГ на режиме свободного ускорения (СУ). Данный параметр служит интегральной характеристикой качества сгорания топлива и

EDN FMDDPX косвенным показателем эмиссии вредных веществ [8, 9]. Процедура измерений, установленная ГОСТ 33997–2016, предусматривает ручное перемещение педали топливоподачи. Как показано в работе [10], такой подход приводит к вариабельности результатов: коэффициент вариации при ручном управлении может достигать 15-20 %, что снижает достоверность выявления начальных стадий деградации систем нейтрализации ОГ (сажевых фильтров, систем селективной каталитической нейтрализации) [11].

С увеличением пробега закономерно возрастает износ деталей цилиндропоршневой группы и топливной аппаратуры, что приводит к росту дымности ОГ [12, 13]. Однако в существующих методах диагностирования этот фактор не учитывается, оценка производится путём сравнения с фиксированным нормативным значением (1,5 м⁻¹ согласно ГОСТ 33997–2016), что не позволяет отделить нормальный эксплуатационный износ от неисправностей. Исключение составляют единичные работы, в которых предпринимаются попытки связать выбросы с накопленной наработкой [14], однако эти подходы разработаны для транспортных средств общего назначения и не учитывают специфику ПА (наличие стационарного режима работы на привод насоса).

Влияние внешних условий на эмиссионные характеристики дизелей исследовано в ряде работ. Показано, что увеличение высоты над уровнем моря (снижение атмосферного давления) приводит к ухудшению процесса сгорания и росту дымности [15, 16]. Установлено, что пусковые режимы и режимы прогрева при пониженных температурах сопровождаются увеличением эмиссии угарного газа, углеводородов и оксидов азота [17, 18]. Объектами указанных исследований являлись преимущественно серийные грузовые автомобили, специфика эксплуатации ПА (частые перепады нагрузок, длительная стационарная работа) не рассматривалась.

Большинство существующих методов диагностирования ориентированы на выявление грубых неисправностей (отказ форсунок, износ топливного насоса высокого давления) и не позволяют проводить количественную оценку эффективности систем нейтрализации ОГ [19, 20]. При диагностировании по дымности, как отмечено в [21], не учитывается взаимосвязь между процессом сгорания и фактической мощностью, развиваемой двигателем на режиме СУ, хотя ухудшение качества сгорания должно проявляться одновременно в росте дымности и снижении углового ускорения коленчатого вала. Отсутствие комплексных диагностических моделей снижает информативность контроля и не позволяет идентифицировать причины отклонений.

Таким образом, эксплуатация ПА сопряжена с экологическими рисками, а современные экологические классы предъявляют жёсткие требования к эффективности систем нейтрализации ОГ. Существующие инструментальные методы контроля дымности характеризуются недостаточной воспроизводимостью, не учитывают влияние накопленного пробега и не позволяют раздельно оценивать техническое состояние двигателя и его систем нейтрализации. Отсутствуют научно обоснованные референсные диапазоны дымности для парка ПА экологических классов Евро-4 и Евро-5. Цель настоящего исследования - разработка и апробация метода диагностирования экологической безопасности энергетических установок ПА, основанного на автоматизации цикла свободного ускорения и количественной оценке референсных значений дымности отработавших газов.

Теория, методика и результаты исследования

Дымность ОГ дизельного двигателя представляет собой физическую величину, характеризующую поглощение светового потока частицами сажи [3, 4]. В условиях эксплуатации ПА основным нормируемым режимом контроля выступает режим свободного ускорения (СУ), при котором двигатель разгоняется от минимальной частоты вращения коленчатого вала n min до максимальной П тах при резком нажатии педали топливоподачи без внешней нагрузки [8]. На режиме СУ работа двигателя подчиняется уравнению динамического равновесия (1):

M i ( го ) - M f ( го ) = J s ' £ , (1) где M i (го) - индикаторный крутящий момент, развиваемый газами в цилиндрах, Н^м;

Mf ( т ) - момент сил трения и внутренних потерь, Н^м;

J £ - суммарный приведённый момент инерции вращающихся и возвратно-поступательно движущихся масс энергетической установки, кым²;

е - угловое ускорение коленчатого вала, рад/с2.

В отличие от установившихся режимов, на СУ основная доля индикаторной работы расходуется на разгон инерционных масс. Мощность, развиваемая двигателем на режиме СУ ( N су ), вычисляется по формуле (2):

N су — J s ' £ ' ГО + k тр • ГО , (2) где к тр - обобщённый коэффициент вязкого трения, Н^с.

Суммарный приведённый момент инерции J £ определяется как сумма моментов инерции отдельных элементов, приведённых к оси коленчатого вала (3):

J S ^-’ J кв + J м + J шп + J сц + J пв , ⁽³⁾

где    J кв — момент инерции коленчатого вала;

J м - момент инерции маховика;

J шп — приведённый момент инерции шатунно-поршневой группы;

Jсц  - приведённый момент инерции сцепления;

J пв — приведённый момент инерции первичного вала коробки передач.

Значения указанных моментов инерции определяются по геометрическим параметрам и плотностям материалов деталей, что позволяет проводить расчёты без разборки двигателя. Диагностический принцип заключается в том, что любые неисправности, ведущие к изменению качества сгорания топлива (износ форсунок, снижение давления впрыска, закоксовывание клапана системы рециркуляции выхлопных газов, деградация катализатора), вызывают рост дымности ОГ и одновременно снижают угловое ускорение е и фактическую мощность N Су относительно паспортной внешней скоростной характеристики [9, 21].

Для экспериментальной проверки предложенных теоретических положений проведено исследование парка основных и специальных ПА ГПС МЧС России по Красноярскому краю [5]. Выборка сформирована из 41 автомобиля экологических классов Евро-4 и Евро-5 годов выпуска 2015-2020 с двигателями ЯМЗ, Cummins 6ISBe210, Cummins ISB6.7E5310 и ISUZU, проходивших плановое техническое обслуживание в ООО «Краевой УралАвтоЦентр» в течение 2023 года. Пробег автомобилей варьировался от 12 000 до 380 000 км. Для регистрации дымности ОГ использован портативный ды-момер «МЕТА-01 МП 0.1».

Для исключения человеческого фактора разработано автоматизированное устройство изменения скоростного режима дизеля (АУИСРД), обеспечивающее программируемое перемещение педали топливоподачи за время 0,4±0,05 с. Схема измерительного комплекса представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Схема измерительного комплекса с АУИСРД :

1 - диагностируемый ПА; 2 - программно-аппаратный модуль для считывания информации с электронного блока управления двигателем; 3 - АУИСРД; 4 - пневмокомпрессор;

5 - измеритель дымности ОГ; 6 - компьютер для взаимодействия с АУИСРД;

7 - испытатель-диагност

Для количественной оценки влияния АУИСРД на воспроизводимость результатов проведены серии измерений на автомобиле АЦ-6,0-40 (5557) с пробегом 16 272 км в двух режимах: ручное управление педалью водителем и автоматизированное с использованием АУИСРД. Результаты представлены на рис. 2.

При ручном управлении разброс значений составляет от 0,22 до 0,41 м⁻¹, причём наблюдается явный выброс (0,41 м⁻¹), что свидетельствует о нестабильности процедуры, связан- ной с человеческим фактором. При автоматизированном управлении разброс сужается до диапазона 0,27-0,33 м-1, выбросы отсутствуют, медианное значение приближается к среднему. Статистическая значимость различий подтверждена F-тестом Фишера. Таким образом, автоматизация цикла СУ обеспечивает принципиальную возможность верификации начальных стадий деградации систем нейтрализации ОГ, которые проявляются в изменениях дымности и ранее были неразличимы на фоне вариабельности, вносимой водителем.

управлении

Рисунок 3 - Сравнение разброса значений дымности ОГ при ручном и автоматизированном

На следующем этапе проведён статистический анализ распределения дымности ОГ на режиме СУ по всей выборке из 41 технически исправного ПА. Проверка гипотезы о нормальности распределения по критерию Колмого- рова–Смирнова дала расчётный уровень значимости p = 0,735, математическое ожидание ц = 0,36 м-1, стандартное отклонение о = 0,08 м-1. Плотность нормального распределения представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Плотность нормального распределения вероятности дымности ОГ дизелей ПА стандартов Евро-4 и Евро-5 на режиме СУ

Из графика видно, что распределение имеет классический колоколообразный вид с максимумом при k = 0,36 м_1. В соответствии с правилом «трёх сигм» интервал ц ± 3о охватывает 99,73 % значений. Это позволило устано- вить референсный диапазон дымности для исправных ПА: kреф 6 [0,12;0,60] м_1. Превышение верхней границы этого диапазона с вероятностью 99,73 % указывает на наличие неисправности. На основе полученных данных разработана матрица диагностических порогов (табл. 1).

Таблица 1 – Диагностические пороги дымности ОГ на режиме СУ

Состояние энергетической установки	Диапазон k , м⁻¹	Рекомендуемое действие
Технически исправное	до 0,60	Плановое обслуживание
Предаварийное	0,61 – 1,49	Углублённая диагностика
Аварийное	≥ 1,50	Запрет эксплуатации

Важно отметить, что предложенный порог 0,60 м⁻¹ существенно ниже нормативного значения 1,50 м⁻¹, установленного ГОСТ 33997– 2016, что позволяет выявлять предаварийные состояния на ранней стадии.

Для выявления зависимости дымности ОГ от накопленного износа проведён регрессионный анализ. В качестве независимой переменной принят общий пробег S общ (км), объединяющий пробег по спидометру и приведённую наработку пожарного насоса (1 час работы насоса эквивалентен 40 км пробега). Методом наименьших квадратов получено уравнение линейной регрессии (4):

k s =- 2,58 - 10 - 6 • S общ + 0,281 ,

Коэффициент детерминации равный 0,73 указывает, что 73 % вариации дымности объясняется изменением пробега. Это означает, что для каждого автомобиля может быть рассчитана индивидуальная норма дымности с учётом матрице диагностических признаков (табл. 2) принимается решение о техническом состоя-

его фактического пробега. Коэффициент регрессии показывает, что каждые 100 000 км пробега приводят к росту дымности примерно на 0,26 м⁻¹.

Для комплексной оценки технического состояния энергетической установки предложен интегральный диагностический показатель D , вычисляемый по формуле (5):

D = max f 0, k факт - k s ] + N пасп - N СУ . (5)

I k s ) N пасп

Первое слагаемое в (5) обнуляется при kфакт ≤ ks, так как дымность ниже расчётного уровня не считается дефектом. Второе слагаемое всегда неотрицательно. Алгоритм диагностирования с использованием показателя D представлен в виде блок-схемы на рис. 6. Как следует из алгоритма, на первом этапе измеряется дымность и рассчитывается расчётное значение по пробегу, на втором определяется фактическая мощность на режиме СУ, на третьем вычисляется показатель D и на четвёртом по нии.

Таблица 2 – Матрица диагностических признаков

Сочетание отклонений	k факт >  k s	k факт ≤ k s
N СУ ≥ N пасп	Снижение эффективности систем нейтрализации ОГ	Технически исправное состояние
N СУ <  N пасп	Комплексная неисправность	Износ цилиндро-поршневой группы, неисправности топливной аппаратуры

Матрица позволяет дифференцировать четыре основных состояния: технически исправное (отклонения отсутствуют), снижение эффективности систем нейтрализации ОГ (повышена дымность при нормальной мощности), износ ЦПГ или неисправности топливной аппаратуры (снижена мощность при нормальной дымности), комплексная неисправность (отклонены оба параметра).

Апробация метода проведена на двух ПА, находящихся в реальной эксплуатации. Результаты измерений и расчётов сведены в табл. 3.

Для автомобиля АЦ-3,2-40/4 (43253) фактическая дымность составила 0,55 м⁻¹, что на 52 % выше расчётного значения ks = 0,36 м⁻¹, а фактическая мощность на режиме СУ оказалась на 14 % ниже паспортной. Показатель D = 0,66 указал на предаварийное состояние. Для второго автомобиля отклонения незначительны (D = 0,01), что соответствует технически исправному состоянию. На основании диагностического заключения для первого автомобиля проведено углублённое диагностирование, которое выявило углеродные отложения на клапане EGR. После механической очистки и программной адаптации повторные измерения показали снижение дымности до 0,38 м⁻¹, рост фактической мощности до 151 кВт и уменьшение показателя D до 0,04. Этот результат подтверждает чувствительность метода к деградации систем нейтрализации ОГ и его пригодность для выявления предаварийных состояний.

На основе полученных результатов выполнена количественная оценка экологического воздействия парка дизельных ПА Красноярского края. Годовая наработка, соответствующая режиму свободного ускорения, принята равной 570 часов (доля 0,4 от общего интенсивного времени эксплуатации). Удельные выбросы сажи и оксидов азота для парка ПА экологических классов Евро-4 и Евро-5 составили

1,11 г/час и 8,9 г/час соответственно. Выбросы  зельного топлива (15 л/ч) и коэффициента эмис-

CO₂ рассчитаны на основе среднего расхода ди-  сии 3,15 кг CO₂ на 1 кг топлива. Результаты рас чёта представлены в табл. 4.

Таблица 3 – Результаты апробации метода

Параметр	АЦ-3,2-40/4 (43253)	АЦ-3,2-40/4 (43265)
Двигатель	Cummins 6ISBe210	Cummins ISB6.7E5310
Пробег, км	31 404	15 073
k факт , м⁻¹	0,55	0,30
k s , м⁻¹	0,36	0,32
Отклонение по дымности, %	+52	–6
N СУ , кВт	132	224
Отклонение по мощности, %	–14	–1
Показатель D	0,66	0,01
Диагноз	Предаварийное состояние	Исправное состояние

Таблица 4 – Оценочный годовой объем выбросов от парка дизельных ПА Красноярского края

Загрязняющее вещество	Удельный выброс (г/час)	Годовой объем выбросов, тонн	Вклад в углеродный след, тонн
Сажа (PM)	1,11	0,153	459
Оксиды азота (NOx)	8,9	1,22	323
Диоксид углерода (CO₂)	47 400	6 511	6 511
ИТОГО CO₂-эквивалент	-	-	7 293

Как следует из табл. 4, годовой углеродный след парка составляет 7 293 тонны CO₂-эквивалента. Основной вклад (89 %) вносит прямой выброс CO₂. Вклад сажи и оксидов азота в пересчёте на CO₂-эквивалент составляет соответственно 459 т и 323 т, или 6,3 % и 4,4 % от общего следа. Сажа (черный углерод) обладает значительным потенциалом глобального потепления (ПГП = 3000 на 20-летнем горизонте), что объясняет её существенный вклад при относительно небольшой массе выброса. Снижение нормируемого порога дымности с действующего значения 1,50 м⁻¹ до предложенного референсного уровня 0,60 м⁻¹ позволяет пропорционально уменьшить выбросы сажи и, соответственно, углеродный след парка ПА.

Заключение

В результате выполнения теоретических и экспериментальных исследований разработан и апробирован инструментальный метод диагностирования экологической безопасности энергетических установок ПА, основанный на автоматизации цикла свободного ускорения с использованием АУИСРД. Получены следующие основные результаты.

• -    уточнённая физико-математическая модель работы двигателя на режиме СУ, описываемая уравнениями (1)-(3), устанавливает прямую связь между дымностью ОГ, фактической мощностью и угловым ускорением коленчатого вала, что создаёт теоретическую основу для без-разборного диагностирования энергетических установок по измеряемым параметрам;

• -    применение АУИСРД обеспечивает снижение коэффициента вариации измерений дымности с 18,1 % до 6,9 % (рис. 2), что является статистически значимым и необходимым условием для достоверного обнаружения начальных стадий деградации систем нейтрализации отработавших газов;

• -    впервые для парка ПА экологических классов Евро-4 и Евро-5 на основе статистического анализа 41 автомобиля установлено, что распределение дымности отработавших газов на режиме свободного ускорения подчиняется нормальному закону с математическим ожиданием;

• -    обоснован референсный диапазон технически исправного состояния k реф ∈ [0,12;0,60] м⁻¹ превышение верхней границы которого предложено в качестве критерия предаварийного состояния;

• -    выявлена регрессионная модель зависимости дымности ОГ от общего пробега, описываемая уравнением (4), которая позволяет рассчитывать индивидуальную норму дымности для каждого автомобиля с учётом его фактического пробега;

• -    предложен интегральный диагностический показатель D , вычисляемый по формуле (5);

• - разработана матрица диагностических признаков (табл. 2), позволяющие дифференцировать неисправности систем нейтрализации отработавших газов от неисправностей цилиндропоршневой группы и топливной аппаратуры;

• -    выполнена количественная оценка экологической нагрузки парка дизельных ПА Крас-

• ноярского края (табл. 4), в ходе которого установлено, что годовой углеродный след составляет 7 293 тонны CO₂-эквивалента.