Особенности диагностирования двигателей пожарных автомобилей

Особыми условиями эксплуатации пожарных автомобилей (ПА) являются их частота использования и режим работы двигателей.

На основании статистической обработки сведений о реальных процессах тушения пожаров в городах РФ ВНИИПО МЧС России [1] были получены данные об использовании основных и специальных ПА (табл. 1).

Как видно из анализа приведенных данных, пожарные автоцистерны используются при тушении практически всех пожаров.

В течение суток пожарные автомобили могут вызываться на пожары по нескольку раз [2]. О частоте пожаров судят по числу выездов на пожары оперативных подразделений пожарной охраны. Установлено [2], что потоки выездов ПА на пожары подчиняются распределению Пуассона.

Таблица 1 – Частота применения ПА в городах РФ

Типы ПА	Частота использования, % от общего числа пожаров
Автоцистерны	99,4
Автонасосы   (на сосно-рукавные ПА)	2,7
Автомобили пенного и порошкового тушения	0,4
Автолестницы, коленчатые подъемники	1,4
Автомобили связи и освещения	1,6
Автомобили  тех нической службы	0,6

В соответствии с этим законом вероятность P k (т) того, что за любой промежуток времени произойдет к выездов ПА, равна

Pk (t) = ^ГТ e~“, (1) k!

где: X - среднее число выездов в единицу времени; т - любой промежуток времени; е = 2,72 - основание натурального логарифма; к ! = 1-2-3^^^ к .

Распределение числа выездов ПА по суткам для крупного города на протяжении года показано на рис. 1. Как видно, действительное распределение и теоретическое, вычисленное по формуле (1), достаточно хорошо согласуются. Такое распределение, по данным [2], является типичным для города с населением 300 ... 400 тыс. человек.

Случайный характер возникновения пожаров во времени определяет сто-хастичность режимных состояний ПА. В течение суток ПА может находиться в состоянии дежурства, боевых действий или технического обслуживания. Вероятность пребывания пожарного автомобиля P i в каждом из этих состояний определяется отношением

Pi = М Т , (2)

где T i - продолжительность пребывания в одном из состояний, ч; т с -достаточно длинный промежуток времени в часах, равный нескольким суткам.

Рисунок 1 - Распределение выездов по жарных подразделений в городе с населением 340 - 400 тыс. человек [2]: — - дей ствительное распределение выездов; --теоретическое распределение выездов.

При каждом вызове на пожар всегда выполняется ряд боевых действий: выезд и следование на пожар, разведка пожара, боевое развертывание, тушение пожара, возвращение в пожарную часть. Такие боевые действия принято называть постоянными. Другие боевые действия (спасание людей, удаление дыма и т. д.) выполняются далеко не на всех пожарах (таблица 1).

Эксплуатация пожарных автомобилей осуществляется в жестких, а при тушении пожаров и в экстремальных условиях, на режимах, нехарактерных для транспортных шасси, на базе которых они созданы. Как было отмечено ранее, основным видом ПА являются пожарные автоцистерны (АЦ). Сегодня их количество составляет около 73% от общей численности всех ПА [3]. Средние интервалы времени, характеризующие режимы использования пожарной автоцистерны при тушении одного пожара приведены на рис. 2).

на пожар ванне тушению довання часть пожара

Рисунок 2 - Распределение среднего времени работы пожарной АЦ [4].

Рассмотрим особенности работы двигателя на характерных режимах применения АЦ.

В режиме ожидания при использовании непрогретого двигателя на холостом ходу следует ожидать повышенные дымность ОГ и выбросы с ОГ СО, СН, альдегидов.

При выезде и следовании АЦ на пожар движение автомобиля начинается, как правило, с непрогретым двигателем (уже через 50 - 60 секунд после запуска и работы двигателя в режиме холостого хода). В городском режиме движения со средней скоростью около 40 км/час, средняя дальность поездки не превышает 7 км [4]. При этом температура двигателя достигает не более 50 – 60 % от оптимального значения [5].

Данный режим наиболее кратковременный в общем времени функционирования пожарного автомобиля: при каждом боевом выезде время движения составляет 10 – 12 мин. Между тем именно этим режимом определяются наиболее многочисленные и серьезные требования к двигателю базового шасси АЦ. Эти требования можно объединить в две группы: обеспечение высоких скоростных качеств, включая динамические показатели; создание конструкционными решениями условий безопасного движения (с наименьшим выбросом загрязняющих веществ). Выполнение этих требований обеспечивается такими мерами, как форсирование мощности двигателя, ускорение с помощью технических устройств выхода на оптимальный тепловой режим, улучшение выходных характеристик трансмиссии.

Работающее на пожаре шасси должно иметь высокую проходимость и запас мощности ( N e max – рис. 3), необходимые для преодоления труднопроходимых участков непосредственно в зоне пожара.

При этом двигатель может эксплуатироваться на всех режимах внешней «ветви» скоростной характеристики, включая режим номинальной мощности и наиболее неблагоприятный по безопасности (повышенная дымность) режим максимального крутящего момента. Чем круче поднимается кривая М е при уменьшении частоты вращения (больше значение коэффициента приспособляемости – М e max / М e N max ), тем меньше снизится скорость ПА при увеличении сопротивления движению.

Следовательно, можно будет преодолевать более крутые подъемы и препятствия, не переходя на низшую передачу. Таким образом, чем больше коэффициент приспособляемости, тем лучше тя- говые качества автомобиля, выше средняя скорость и легче управление.

Из рис. 2 видно, что наиболее длительный режим использования пожарной автоцистерны – это работа с насосной установкой при тушении пожара. В этом режиме двигатель может использоваться вначале для заполнения пожарного насоса водой с помощью встроенного в систему выпуска ОГ устройства всасывающего газоструйного (УВГ). Эксплуатация двигателя в этом режиме характеризуется повышенным противодавлением в газовыпускном тракте и, как следствие, – перерасходом топлива, обильным дымлением и повышенным выбросом СО и СН.

Однако, согласно статистическим данным [4], на каждые 200 выездов на пожар в городах только 2 или 3 раза производится забор воды из открытого водяного источника. В то же время, проверка исправности вакуумной системы при помощи УВГ производится ежедневно при смене караула.

Таким образом, основное требование к двигателю базового шасси, работающему на пожаре, – возможность съема стационарной мощности для привода ПЦН. Время допускаемой непрерывной работы двигателя в этом режиме – не менее 6 ч (в случае необходимости – с устройством для дополнительного охлаждения двигателя, устанавливаемым заводом-изготовителем пожарных машин).

Особенностью эксплуатации АЦ на пожаре является то, что двигатели при тушении пожаров, приводя во вращение рабочее колесо центробежного насоса, работают на частичных нагрузочных и скоростных режимах (рис. 3). Для пожарных АЦ максимальная потребляемая мощность наиболее распространенного насоса ПН-40УВ не превышает 62,2 кВт [4] (рис. 4, кривая 3).

Графики рис. 4 свидетельствуют о крайне неблагоприятном сочетании режимов совместной работы насоса и двигателя. Эксплуатационные режимы отбора мощности на привод насоса соответствуют частичным (неэкономичным) режимам работы двигателя. Так, при подаче насоса 40 л/с и напоре 100 м удельный расход топлива по сравнению с номинальным режимом может быть больше на 15%, а при подаче 3,6 л/с и напоре 50 м (режим, на который приходится около 50% продолжительности работы ПА на пожарах [4]) он может быть больше уже на 70% [4].

Рисунок 4 - Совмещение внешних характеристик дизельных двигателей : КамАЗ-7403.10 (1) и КамАЗ-740.10 (2) с областью отбора мощности на привод насоса ПН-40УВ (3)

Рисунок 3 - Внешняя скоростная характеристика двигателя ПА : 1, 2, 3 – соответственно, изменение эффективной мощности ( N _e), крутящего момента ( М ) и удельного расхода топлива ( g e ) по внешней скоростной характеристике; 4 – изолинии одинаковых удельных расходов топлива по частичным нагрузочным и скоростным режимам работы двигателя; n М – частота вращения вала двигателя ( n ), соответствующая максимальному крутящему моменту ( М e max ); n N – частота вращения вала двигателя ( n ), соответствующая максимальной эффективной мощности ( N_{e max} при М e N max ); n^I – частота вращения вала двигателя, соответствующая предельной мощности ( N e ^I ); n max – максимальная частота вращения вала двигателя; n разн – частота вращения, при которой двигатель уходит «в разнос».

По мере роста нагрузки на двигатель, при работе пожарного насоса, происходит более эффективное сгорание топлива, увеличивается максимальная температура рабочего цикла, что, в целом, приводит к увеличению образованию окислов азота и снижению содержания продуктов неполного сгорания топлива в ОГ.

Таким образом, специфика эксплуатации ПА, в отличие от гражданских условий, для которых создаются базовые шасси, состоит в том, что при следовании на пожар и боевом развертывании («подруливании» к очагу пожара) к двигателю ПА предъявляется требование форсирования рабочего процесса по мощности, а при работе на насос, – применение мероприятий, направленных на минимизацию потребления топлива. Все это должно достигаться, прежде всего, изменением соответствующих регулировок ТА (их оптимизацией).

Кроме того, как показывает практика, большинство отечественных автомобильных двигателей, эксплуатирующихся в настоящее время, не удовлетворяют действующим и перспективным требованиям стандартов по экологической безопасности. Например, выбросы вредных веществ с ОГ у наиболее распространенного дизеля КамАЗ-740.10 составляют по СО – 9,17

г/кВт^ч, по С n Н _m - 1,63 г/кВтч, по NO_x -10,29 г/кВт-ч [5].

При разработке норм по эмиссии вредных веществ с ОГ [6-11] всегда рассматривался вопрос о распространении их не только на новые, но и на находящиеся в эксплуатации автомобили, поскольку именно они и загрязняют окружающую среду. В результате естественного износа деталей в механизмах двигателя и разрегулировок в системах управления топливоподачей, воздухоснабже-ния, газовыпуска и т. д., - ухудшается состав ОГ.

В этой связи, контроль соблюдения норм по эмиссии ОГ должен быть тесно взаимосвязан с контролем и диагностикой технического состояния двигателей автомобилей, находящихся в эксплуатации, и качеством проведения технического обслуживания двигателя, в частности регулировочных работ на основе изучения связи дымности и токсичности ОГ транспортных средств с топливопода-чей и режимами эксплуатации ДВС.

Выполненный анализ показал, что двигатели ПА работают в особых условиях, что может привести к их аварийному состоянию между плановопредупредительными техническими об-служиваниями. Это делает актуальным применение методов безразборного технического диагностирования двигателей ПА в условиях пожарных депо.

Для решения данной задачи был разработан метод технического диагностирования двигателей ПА с целью выявления аварийных режимов их эксплуатации, сопровождающихся повышенным выбросом с ОГ токсичных веществ и перерасходом топлива.

Теория метода основана на широко апробированных детерминированных термохимических зависимостях [12 - 15], устанавливающих в соответствии с теорией рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей [6] связи между цикловой подачей топлива (gц), воздуха (Св), числом цилиндров (i), теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания топлива (Lo), частоты вращения коленчатого вала дви- гателя (n), концентрациями О2, СО2, в дальнейшем, - дымностью отработавших газов.

g ц = 1,2-10⁵ [(СО 2 -О в )/ ( i • L o 'CO 2max ^ П )];

g ц = 1,2^10⁵[((О_В - О 2 )-6 в )/( i • L o -О в ^ n )].

Для сравнения топливных показателей различных двигателей удобно воспользоваться понятием удельной цикловой подачи топлива gц = gц/iVh, тогда будем иметь gц = 1,2•105[(CO2■Gв)/(i-Vh-Lo^max" П)];

g ц = 1,2-10⁵[((О в - ОУО в )/( i -V h - L o O n )],

(6) где: g _ц - мг/цикл^л, V h - рабочий объем цилиндра двигателя.

Значения констант L _o и CO_2max, входящих в уравнения (3 - 6) в общем случае должны быть вычислены по результатам химического анализа применяемого топлива. Выражение для L o с учетом наличия серы в составе топлива будет иметь вид

L o = (8/3С т + 8Н т + S т - О т )(87,5/О в + 1/8),

(7) где: С т , Н_т, S_т и О т - соответственно содержание углерода, водорода, серы и кислорода в топливе, массовые доли.

Выражение для определения величины CO_2max по химическому составу топлива с учетом содержания серы может быть получено из соотношения мольных концентраций компонентов сухих ОГ. При совершенном сгорании 1 кг топлива в общем случае выделится (в к∙моль) (СО 2 )' = C т /12, (SO 2 )' = S т /32, кроме того, в ОГ будет присутствовать остаточный азот

(N 2 )' = (1 - O в /100)•L o ', где: L _o' = L _o/ m _в - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания единицы массы топлива в мольном выражении; m_в - средняя относительная молекулярная масса воздуха, у.е. Количество СО₂, отнесённое к общему количеству ОГ, дает величину СО_2макс.

СО 2max = 10²[(С т /12)/(С т /12 + S т /32 + L о '(1

• - О в /100))],                         (8)

Полученные соотношения для g ц ' являются однако приближенными, так как не учитывают достаточно строго изменения объема газов до и после сгорания. В работе [16] указывается, что изменение объема газов в рассматриваемом случае вызвано влиянием водорода, входящего в состав топлива и сгорающего с образованием водяных паров. Проведенный расчетный анализ [9] показал, что методическая погрешность, вносимая в результаты расчетов g ц ' по вышеприведенным зависимостям, имеет в области номинальной нагрузки дизеля величину порядка 2% и растет по мере снижения нагрузки, достигая величины порядка 5,5% в области холостого хода. Для устранения неточности расчетов, вызванных данным обстоятельством, предлагается использовать уточненные соотношения для удельной цикловой подачи топлива могут быть представлены в виде g ц '     =     1,2∙10⁵[((100     +     μ)∙G в )/

/((i∙V h ∙L 0 ∙O в )∙([(100 – О в + μ)/ /(1 + β)]∙(1/СО 2 ) + 1)∙n];             (9)

g ц ' = 1,2∙10⁵∙G в / ((i∙V h ∙L 0 )∙[((100 – O в + μ)∙О в )/[(100 + μ)∙(О в + О 2 )] + (О в /(100 + μ)]∙n)

После преобразования и вынесения константных величин полученные выражения могут быть представлены также в следующей форме gц' = 1,2∙105∙[(100 + μ)∙(Oв∙i∙Vh∙L0)]∙[Gв/ /[((100 – Oв + μ)/((1 + β)∙CО2) + 1)∙n]);

(10) g ц ' = 1,2∙10⁵∙[(100 + μ)∙(O в ∙i∙V h ∙L 0 )]∙[G в / /[((100 – O в + μ)/(O в – О 2 ) + 1)∙n]),

(11) где μ – коэффициент, учитывающий элементарный состав водородосодержащего топлива, равный

μ = 32,82[(C т + 0,37S т )/(Н т – 0,125О т + 0,002С т )].                          (12)

Применение последних зависимостей позволит повысить точность определения g ц ' по данным простого анализа ОГ.

Однако последние зависимости не учитывают возможность неполного окисления топлива и связывания кислорода азотом. Для снижения данной погрешности необходимо при расчетах учи- тывать и то количество кислорода, которое потребуется для полного окисления продуктов реакций и кислород, связываемый азотом воздуха. Кроме того, потребуется внести поправки в значения содержания двуокиси углерода в ОГ с учетом наличия в составе ОГ компонентов, содержащих не окисленный углерод. Важнейшими из таких компонентов, которые желательно учитывать при анализе ОГ, являются следующие: окись углерода СО, метан и другие углеводороды (СН), окислы азота NО и сажа Сог.

В работах [9, 16] на основе анализа химизма образования указанных соединений выводятся соотношения для скорректированных значений содержания кислорода и двуокиси углерода в ОГ О 2 ' = O 2 – 0.5CO – 2CH + 0.5NO –

0.187C ог ,                    (13)

СО 2 ' = CO 2 + CO + CH + 0.187C ог . (14)

Определение          массового сажесодержания  в  ОГ  представляет известную трудность для условий эксплуатации. В то же время между показателями дымности ОГ и сажесодержанием, как это было показано в главе 1, существует корреляционная связь. Выполненный статистический анализ экспериментального материала показал возможность описания данной связи (с вероятностью 0,95 полиномом 4ой степени

С ог = 1,26255∙10^-4∙К² – 1,97748∙10^-3∙К +

3,67243∙10-2,                 (15)

где С ог – г/м³; К – коэффициент ослабления светового потока по шкале Hartridge, %. Рассчитанные значения O 2 ' и СО 2 ' подставляются далее в соответствующие выражения для g ц .

Полученные выше соотношения могут быть представлены в более конкретной форме. Так, для применяемых в настоящее время бессернистых дизельных топлив среднестатистического состава (С т = 0,857; Н т = 0,133; О т = 0,01) и работе в ординарных климатических условиях (O 2 = 21%, N 2 = 79%), входящие параметры принимают конкретные значения: L 0 = 14,39; CO 2max = 15,39; β = 0,364; μ = 210,74 и зависимости (10, 11) преобразуются к упрощенному виду:

g ц ' = 1.239∙10⁵∙(1/(i∙V h ∙n))∙[G в /

(289,74/СО 2 + 1)],          (16)

g ц ' =  1.239∙10⁵∙(1/(i∙V h ∙n))∙

[G в /(289,74/(21 – O 2 ) + 1)]. (17)

Применительно к топливу утяжеленного фракционного состава (ТУФС), содержащему серу: С т = 0,865; Н т =0,12; О т = 0,01; S т = 0,005; L 0 = 13,99; СO 2max = 15,33; β = 0,325 и μ = 236,14 зависимости приобретают вид:

g ц ' = 1,373∙10⁵(1/(i∙V h ∙n))∙(G в / (237,8/CO 2 + 1));                                     (18)

g ц ' = 1,373∙10⁵(1/(i∙V h ∙n))∙(G в /(315,14/(21 – O 2 ) + 1)).                            (19)

По рассчитанным значениям g ц ' могут быть определены и другие топливные показатели дизеля, например, часовой (G т ) и удельный эффективный (g е ) расходы топлива G т = (g ц '∙i∙V h ∙n)/(0.6∙10⁵), g е = (3.6∙10³∙G т )/N e ,                 (20)

где: V h – рабочий объем цилиндра, л; N е – эффективная мощность дизеля, кВт.

Дымность (оптическая непрозрачность) являясь характеристикой содержания в ОГ продуктов неполного сгорания топлива в цилиндрах дизелей, может служить своеобразным индикатором совершенства организации рабочего процесса с точки зрения завершенности окислительных реакций горения и, следовательно, экономии расхода топлива [9-16].

На рис. 5 показаны данные статистических исследований [9 – 15] по взаимосвязи дымности ОГ с удельным расходом топлива. Данные получены на нескольких десятках двигателей, находящихся в эксплуатации и из серийной продукции, в том числе: не приработанные двигатели, дизели к которым были предъявлены претензии при контроле качества изготовления. Зависимость рис. 5 соответствует значениям дымности на режимах полной нагрузки при отношении частот вращения n/n H = 0,45; 0,6; 0,8; 1,0, где n – частота вращения коленчатого вала двигателя; n H – номинальная частота вращения.

Для последующей математической обработки, с целью получения зависимо- сти Gту = f (mКсу), полученные результаты сводились в общую таблицу.

В результате математической обработки данных по результатам исследований на наиболее массовом в системе ГПС МЧС России двигателя Д-245 для ПА с шасси Зил-130 была получена зависимость

G т ^у = f ( m Ксу ),               (21)

где G т ^у – расход топлива дизеля при его работе на условном режиме, определяемом интегральной суммой статистически взвешенных во времени стационарных эксплуатационных режимов работы, определявшемся методом численного интегрирования по выражению

G^ = 2029/»^/ + 20,29/wG/ + Z042/1-G/

>1                 /-I                 7=1

Рисунок 5 – Связь дымности ОГ (К) с удельным расходом топлива (ge) на режиме номинальной мощности где:Gтi, Gтj, Gтk – соответственно расходы топлива на режимах, составляющих совокупности характерных режимов эксплуатации по нагрузке и частоте вращения коленчатого вала двигателя n, m, l ; mКсу – математическое ожидание дымности в режиме свободного ускорения по всей совокупности эксплуатационных режимов работы двигателя.

Эта зависимость, для дизелей с уровнем форсирования рабочего процес- са близким к уровню двигателя Д-245, может быть описана уравнением

G т ^у = 0.02K су + 7.64 , (23)

где K су – дымность, определяема в соответствии с требованиями ГОСТ Р 521602003 [9].

Рассмотренные взаимосвязи между дымностью, составом ОГ и топливноэкологическими показателями, благодаря развитию быстродействующей газоаналитической аппаратуры, основанной на физических методах измерения, делают реальным применение анализа ОГ для оценки аварийных режимов работы двигателей ПА в условиях реальной эксплуатации.