Применение тестового метода при экологическом мониторинге каталитических нейтрализаторов

В настоящее время разработчики автотракторных средств придерживаются принципов минимизации абсолютного и относительного количества отработавших газов [1–3]. Главным вопросом эксплуатации автотракторной техники является обеспечение минимального расхода топлива при предельно малых выбросах отработавших газов [4–6]. Однако множественные факторы, влияющие на правильность выполнения функций ДВС, приводят к изменению выходных показателей процессов. Одним из таких показателей выступает коэффициент избытка воздуха [7, 8]. Данный параметр корректируется электронным блоком управления и поддерживается в заданных пределах для обеспечения эффективной и экономичной работы автотракторных средств [9, 10]. В случае изменения технического состояния систем ДВС в первую очередь электронный блок управления воздействует на данный параметр [11, 12]. Коэффициент избытка воздуха может значительно изменяться от своей номинальной величины, что может послужить диагностическим признаком появления неисправностей отдельных элементов и систем ДВС [13, 14]. В частности, каталитический нейтрализатор является наиболее уязвимым элементом среди всех систем ДВС [15–17]. Также от его правильной работы зависит количество токсичных компонентов, выбрасы- ваемых в систему выпуска. Кроме того, важно производить контроль длительности впрыска и рабочее положение дроссельной заслонки для адекватной оценки изменений работы ДВС. Параметры СО и СН традиционно считаются одними из самых токсичных компонентов выпуска современных ДВС [18, 19]. Любое изменение процесса выпуска, впуска, сгорания сопровождается значительным изменением этих параметров. В частности, изменение сопротивления на выпуске приводит к изменению параметров СО и СН [20].

Однако неизвестно, с какой скоростью изменяются параметры токсичности, что и требуется определить в результате экспериментальной работы. На первый план выходят новые контролируемые параметры, которые раньше не регламентировались. К таким параметрам можно отнести компоненты отработавших газов – СО2 и О2. Так, например, концентрацию СО2 на выпуске пытаются снизить до уровня 70–100 г/км [15, 21].

Контроль СО 2 до сих пор реализован только выносными приборными средствами, хотя вопрос ставится о непрерывном контроле СО₂ и активном отслеживании данного параметра за весь срок службы автотракторного средства. Контроль параметра О 2 реализован в современном автотракторостроении за счет установки в систему выпуска λ-зонда с широкополосным диапазоном. Принцип контроля параметра О₂ выполнен на постоянной основе. Любые изменения технического состояния узлов и систем ДВС сказываются на величине концентрации О₂ на выпуске. С учетом сказанного целью статьи является повышение эффективности диагностирования каталитического нейтрализатора путем контроля параметров токсичности отра-ботавших газов.

Материалы и методы

В теории расчета КН используется множество подходов, зависящих от конкретных условий эксплуатации автотракторного средства. В технических расчетах удобнее пользоваться характеристикой изменения технического состояния КН – пневматическим сопротивлением. Пневматическое сопротивление КН можно определяется:

АР ~ =АР + АР + АР общ      пор      тепл      стр , где АРобщ — суммарное обобщенное пневматическое сопротивление, Па; АРпор - сопротивление пористой структуры КН, Па; АРтепл - сопротивление, возникающее в результате термического действия в КН, Па; АРстр - сопротивление, возникающее в результате противодействия структу- ры используемого материала в КН, Па.

Сопротивление пористой структуры КН можно определить из формулы Хаген–Пуазейля:

Р ' L ' v ^пор К п f .д ф ’

где К_п - коэффициент пористости КН, %; р - вязкость ОГ, поступающих в выпускной тракт,

Па∙с; L – длина активной части КН, м; v – скорость потока ОГ на КН, м/с; F – площадь поперечного сечения КН, м 2 ; А Ф - пористость, %.

Сопротивление, возникающее в результате термического действия в КН, определяется:

АР тепл

Rтепл р ( Твх Т вых ) ,

где R_тепл – термическое сопротивление активных сот КН (коэффициент термического расширения), Па∙м²/°C; Т – температура на входе в КН, °С; Т – температура на выходе из КН, °С.

Сопротивление, возникающее в результате противодействия структуры используемого материала в КН, определяется:

АР стр

2 р ■ L ■ v ² стр D .А Ф ² ,

где R_cmp - коэффициент, учитывающий сопротивление материала структуры КН; р - плотность ОГ, поступающих в выпускной тракт, кг/м³; D – диаметр активной части КН, м.

Для реализации экспериментальной части исследования были поставлены задачи: спроектировать экспериментальный стенд, выбрать диагностическое оборудование, разработать методики проведения экспериментов, выбрать программный продукт для обработки экспериментальных данных.

Экспериментальный стенд (рис. 1) представляет собой двигатель, оснащенный всеми необходимыми системами для его функционирования: система питания с топливным баком, панель управления, система выпуска с вытяжкой для отвода ОГ, рама.

Для проведения контроля параметров токсичности использовался газоанализатор Инфракар М1-01, заборный зонд которого присоединялся к точкам контроля в выпускном коллекторе (рис. 2).

Рис. 2. Заборный зонд газоанализатора Инфракар М1-01, присоединенный к точкам контроля в выпускном коллекторе

Рис. 1. Экспериментальный стенд

Fig. 1. Experimental stand

Fig. 2. Intake probe of the Infracar M1-01 gas analyzer, connected to the control points in the exhaust manifold

Заборный зонд при помощи резьбового соединения присоединен к выпускному коллектору. Для охлаждения ОГ был использован промежуточный охладительный змеевик с учетом того, чтобы температура в месте контроля не превышала допустимой величины.

В качестве нагрузочного средства был выбран прибор ДБД-4 для тестового диагностирования (рис. 3).

Рис. 3. Прибор ДБД-4 для тестового диагностирования

Fig. 3. DBD-4 device for test diagnostics

Основой приборного диагностирования выступает тестовый метод, реализуемый прибором ДБД-4 [22]. Сочетание тестового контроля и газоанализа позволяет вывести диагностируемую систему в такое состояние, при котором степень проявления неисправности максимально коррелирует с созданным режимом и выходными параметрами состояния.

При проведении эксперимента была выбрана матрица на основе схемы 33 и реализованы все 27 возможных сочетаний. Полученные данные подвергались обработке стандартными методиками регрессионного анализа в программном продукте - SigmaPlot 14.5. По полученным точечным данным строились трехмерные полигоны связей входных и выходных параметров, после чего подбирались уравнения регрессии из числа стандартных функций.

Результаты и обсуждения

В основной части исследований был проведен пробный эксперимент. Выходным показателем контроля выступал коэффициент избытка воздуха α. При проведении эксперимента варьируемыми входными величинами являлись сечение каталитического нейтрализатора R (мм) и длительность впрыска t (мс).

Были обработаны данные 60 единичных опытов многофакторного пробного эксперимента. Пробный эксперимент проводился с учетом максимального разброса уровня варьирования входных параметров. По ходу его проведения изучалась возможность коррекции отдельных параметров эксперимента, достижения максимума или минимума варьируемых величин, оценки достоверности и точности контролируемых параметров. В результате реализации матрицы эксперимента в приложении Sigma Plot в режиме автоматической обработки данных получена табл. 1.

Таблица 1

Результаты экспериментальных данных по искомому параметру α при варьировании входных факторов

Table 1

The results of experimental data on the desired parameter α with varying input factors

Коэффициент	Значение коэффициента		Стандартная ошибка оценивания			t			P
R	0,9379		0,0849
R2	0,8796
Adj R2	0,8708
y 0	3,1685		0,2445			12,9605			<0,0001
a	–0,0082		0,0101			–0,8150			0,4186
b	–0,2824		0,0377			–7,4851			<0,0001
c	0,0001		0,0003			0,4354			0,6650
d	0,0086		0,0016			5,5267			<0,0001
Дисперсионный анализ
	DF			SS			MS
Регрессия	5			65,2883			13,0577
Остаточный	55			0,3967			0,0072
Общий	60			65,6850			1,0948
Скорректированное на среднее значение наблюдений
	DF	SS			MS			F		P
Регрессия	4	2,8970			0,7242			0,9531		0,0218
Остаточный	55	0,3967			0,0072
Общий	59	3,2937			0,0558

Обработка данных и их многомерная интерпретация представлена на рис. 4.

Взаимосвязь искомой величины выходного параметра α (см. рис. 4) с высокой достоверностью R2 = 0,879 % определяется:

a = 3,168 - 0,008 • R - 0,282 • t + 0,0001- R ² + 0,0086 • t ² .                                           (5)

Как видно из рис. 4, зависимость представлена множественными точками с единичными пиками экстремумов. Эти экстремумы имеют местное значение и на базовую форму поверхности отклика сильно не влияют. При малых длительностях впрыска ( t = 8 мс) обнаруживается максимальное значение параметра α = 1,58, т. е. при смешивании воздуха с топливом образуется бедная топливно-воздушная смесь. По мере увеличения длительности впрыска до 17 мс наблюдается плавный тренд снижения коэффициента избытка воздуха α, объясняется это обогащением топливно-воздушной смеси. Степень снижения α достигает значений 0,6…0,7.

В результате предварительного эксперимента были получены экспериментальные зависимости параметров СО (%) и СН (млн–1) от размера эквивалентного сечения каталитического нейтрализатора R и длительности впрыска t. Все занесенные в матрицу эксперимента и обработанные с помощью приложения Sigma Plot данные были отображены в виде поверхностей отклика второго порядка (рис. 5 и 6).

x^°

1,8

1,6

Рис. 4. Зависимость параметра α от размера эквивалентного сечения каталитического нейтрализатора и длительности впрыска

Fig.

of the catalytic converter and the duration of injection

-5

-10

^

Рис. 5. Зависимость СО от размера эквивалентного сечения каталитического нейтрализатора и длительности впрыска

Fig. 5. The dependence of CO on the size of the equivalent section of the catalytic converter and the duration of injection

График на рис. 5 описывается полиномом второго порядка с точностью подборки уравнения R ²= 0,81 %:

СО = -5,0884-0,0511- R + 0,2389• t + 0,0016• R ² + 0,0465• t ² .                                    (6)

Зависимость (6) при минимальных длительностях впрыска t = 8 мс дает незначительное содержание концентрации СО в отработавших газах. Минимум содержания СО говорит о лучших условиях процесса сгорания ТВС. Далее по мере увеличения длительности впрыска содержание СО начинает повышаться, достигая в ряде промежуточных точек максимумов. При максимальной длительности впрыска среднее содержание СО в отработавших газах составляет более 10 %. Высокое содержание параметра СО говорит об избыточном переобогащении ТВС и худших ус- ловиях процесса сгорания. Из рис. 5 следует, что повышение сопротивления каталитического нейтрализатора не приводит к заметному изменению содержания СО в ОГ. Уменьшение сечения выпускного тракта еще не говорит о том, что каталитический нейтрализатор стал хуже работать или ТВС стала хуже гореть. Изменяющееся сопротивление каталитического нейтрализатора не влияет на его термические и химические свойства. Он сохраняет свою работоспособность по преобразованию токсичных компонентов отработавших газов. Но при этом ограничение сечения на выпуске тормозит поток вытесняемых газов, не изменяя их химический состав. Если сечение каталитического нейтрализатора будет уменьшаться ниже значений, установленных в эксперименте, то будет происходить нарушение баланса впуска и выпуска ОГ на возросшем сопротивлении и степень связи может существенно усилиться.

Графическая зависимость параметра СН (млн^–1) от размера эквивалентного сечения каталитического нейтрализатора R и длительности впрыска t представлена на рис. 6 и описывается полиномом с точностью R ² = 0,53 %:

СН = 27,2758 - 4,4627 ^ -3,6924 4+0,1153 - Л2 +0,8336- Г2. (7)

-200 -100 0 100 200

сн, млн

-100

-200

Рис. 6. Зависимость СH от размера эквивалентного сечения каталитического нейтрализатора и длительности впрыска

Fig. 6. The dependence of CH on the size of the equivalent section of the catalytic converter and the duration of injection

Как видно из рис. 6, зависимость параметра СН от величины t имеет ломаный характер. Явные пики максимумов обнаруживаются при значениях t = 12 мс, t = 14 мс и t = 16 мс. Общий тренд зависимости СН от величины t имеет восходящий характер, т. е. с увеличением t возрастает величина СН. Анализ взаимосвязи параметра СН от величины эквивалентного сечения каталитического нейтрализатора R показывает на ряд характерных областей с пиковыми значениями СН и минимумами.

Разложение графика, приведенного на рис. 6, на отдельные сектора даст более достоверные результаты и обнаружит явные связи. В области максимальных t с ростом пневматического сопротивления тренд зависимости СН резко понижается, так же как и при t = 12 мс. В зоне малых длительностей впрыска явной взаимосвязи СН со значениями R не обнаруживается.

Следует вывод, что параметр СН пригоден для контроля технического состояния каталитического нейтрализатора. Высокая степень связи СН с сопротивлением каталитического катализатора обнаруживается при больших длительностях впрыска и предпредельных значениях пневматического сопротивления. Однако низкое значение достоверности аппроксимации ( R ² = 0,53 %) говорит о слабой связи входных факторов с выходными.

На следующем этапе контролировался параметр СО 2 при вариации входных факторов. В результате была построена поверхность отклика (рис. 7), которая описывается полиномом ( R ²= 0,54 %):

СО 2 =- 3,3607 + 0,1979 • R + 2,6103 - 1 - 0,0049 • R ² - 0,1251 - 1 ² . (8)

Зависимость параметра СО₂ при малых длительностях впрыска находится в синей зоне в пределах СО₂ = (10 ± 1) % (см. рис. 7). По мере увеличения длительности впрыска наблюдается заметный рост СО₂, обнаруживая максимальное значение при t =12 мс. Последующий рост длительности впрыска вызывает заметное уменьшение параметра СО₂ до уровня СО₂ = (9 ± 4) %. Анализ изменения эквивалентного сече что рост пневматического сопротивления вызывает значительное увеличения показателя СО₂ при R = 8^10 мм.

с

Рис. 7. Зависимость СО 2 от размера эквивалентного сечения каталитического нейтрализатора и длительности впрыска

Fig. 7. The dependence of СО 2 on the size of the equivalent section of the catalytic converter and the duration of injection

Максимум значения СО2 достигает 20^22 % (см. рис. 7). Следует вывод, что параметр СО2 пригоден для контроля технического состояния каталитического нейтрализатора.

На втором этапе контролировался параметр О2 (%), графическая интерпретация поверхности отклика которого приведена на рис. 8.

Поверхность отклика на рис. 8 описывается при точности подбора уравнения R ² = 0,78 %:

О₂ = 29,0868 - 0,205 • R - 3,7508 • t + 0,0037 • R ² + 0,1316 • t ² .                                      (9)

Из рис. 8 видна зависимость параметра О2 от параметра t. Прослеживается нелинейная взаимосвязь в виде возрас                                                  ых длительностей впрыска от 8 до 12 мс наблюдается резкое сниженые О2 с величины 8,2 до 0,2 %.

f

6 о2

-2

^с

Рис. 8. Зависимость О 2 от размера эквивалентного сечения каталитического нейтрализатора и длительности впрыска

Fig. 8. The dependence of О 2 on the size of the equivalent section of the catalytic converter and the duration of injection

В зоне больших длительностей впрыска от 12 до 17 мс наблюдается пологая характеристика без явных изменений на уровне 0,1 % (см. рис. 8). Объяснить это можно наличием большого объема свободного кислорода при бедной смеси и его существенным уменьшением при росте степени обогащения ТВС.

Выводы

В результате проведенных исследований были получены поверхность отклика и уравнение регрессии, при использовании которых можно определять техническое состояние каталитического нейтрализатора. Расчет корреляции показал, что взаимосвязи параметра R с коэффициентом избытка воздуха α фактически не наблюдается (проверка корреляции по методу Пирсона). Корреляция входного параметра t с выходным показателем α высокая и составляет –0,898. Знак минус показывает на корреляционную обратную связь, т. е. при возрастании параметра t параметр α уменьшается. Разработанная методика может применяться в практике диагностирования ДВС и, в частности, для контроля каталитических нейтрализаторов.

В будущих исследованиях необходимо проверить предельно возможное увеличение сопротивления на выпуске для установления связи концентрации параметров ОГ с динамикой изменения сопротивления каталитического нейтрализатора. Корреляции параметра R с параметром СО фактически не наблюдается (проверка корреляции по методу Пирсона показала результат 0,03). Корреляция входного параметра t с выходным показателем СО высокая и составляет 0,897.

Для увеличения корреляции параметров необходимо разбить зависимость на рис. 6 на меньшие сектора и рассмотреть их независимо. Корреляции параметра R с параметром СН фактически не наблюдается (проверка корреляции по методу Пирсона показала результат 0,01). Она в неявном виде прослеживается в зоне больших значений t = 16…17 мс и R = 8…15 мм. Корреляция входного параметра t с выходным показателем СН (млн^–1) находится на среднем уровне и составляет 0,721.

Высокая степень связи СО 2 с сопротивлением каталитического катализатора обнаруживается при малых длительностях впрыска и предпредельных значениях пневматического сопротивления. Однако низкое значение достоверности аппроксимации ( R ² = 0,54 %) говорит о слабой связи входных факторов с выходными. Для увеличения корреляции параметров необходимо разбить зависимость на рис. 7 на меньшие сектора и рассмотреть их независимо. Корреляции параметра R с параметром СО 2 фактически не наблюдается (проверка корреляции по методу Пирсона показала результат 0,01). Она в неявном виде прослеживается в зоне малых значений t = 8…12 мс и R = 8…15 мм. Корреляция входного параметра t с выходным показателем СО 2 (%) ниже среднего и составляет (–0,583).

Следует вывод, что параметр О₂ совсем не обнаруживает связи с входным параметром R. При этом коэффициент корреляции составляет – 0,01. В тот же момент весовую тесноту связи обнаруживают параметры О₂ с длительностью впрыска t . Коэффициент корреляции этой взаимосвязи составил –0,74.