Роботизированная диагностика чрезвычайно-опасных режимов эксплуатации двигателей пожарных машин в парадигме интеллектуализации транспортных систем

Вводная часть

На современном этапе эволюции транспорта [1, 2], включая пожарные автомобили (ПА) [3], становится все более востребованным применение на них наукоемких интеллектуально-логических систем [4], средств автоматики и безраз-борной диагностики [5], управляемых процессорами с помощью встроенных датчиков [6]. В этой связи, появление на дизельных пожарных автомобилях 4-5 экологических классов электронноуправляемых топливно-каталитических систем

(ТКС) высокой сложности [7], повысило риски специфических аварийных режимов их эксплуатации, приводящих к потере каталитической активности [8], экологической эффективности [9] и высокой пожарной опасности [10].

Нивелирование рисков аварийных режимов эксплуатации дизельных двигателей ПА, оснащенных современными ТКС, из-за высокого уровня зависимости от импорта зарубежных запасных частей и оборудования, столкнулось с

EDN CTJJFN проблемой организации надлежащего их сервисного обслуживания и ремонта с целью поддержания приемлемого уровня конструктивной безопасности. Решение данной проблемы потребовало гармонизации отмеченных реалий с требованиями действующих регламентов [11] и, входящих в них, стандартов.

Проанализированные обстоятельства актуализировали необходимость постановки настоящей научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы по обоснованию инструментального метода диагностики аварийно-опасных режимов эксплуатации дизельных двигателей ПА оригинальными роботизированными средствами.

Теория, методика и результаты исследования

Научная теоретическая гипотеза, на которой базируется разработанный оригинальный метод технического диагностирования пред-аварий-ных режимов эксплуатации дизельных двигателей ПА, состоит в ранее доказанном автором утверждении [1, 5, 7, 9] того, что отработавшие газы (ОГ) двигателей с воспламенением от сжатия (дизелей), «по умолчанию», содержат информацию о качестве (завершенности) протекания химических процессов сгорания углеводородного топлива в цилиндрах и, в последующем, преобразования веществ на катализаторах.

В основу методики экспериментальных исследований была взята уточненная процедура испытаний дизельного двигателя ПА на режиме «свободного ускорения» (СУ) по действующему стандарту ГОСТ 33997-2016. Уточнение процедуры испытаний касалось изменения времени воздействия на педаль управления топливопода-чей в режиме СУ. Это время (с), по ГОСТ 339972016, определяет интервал времени t С.У (рис. 1), в течение которого дизельный двигатель разгоняется на холостых ходах от n min , мин ^–1 , до n max , мин ^–1 .

Согласно ГОСТ 33997-2016, время t С.У «вывода» двигателя с n min до n max (рис. 1) должно обеспечиваться плавным перемещением педали управления топливоподачей от исходного положения, соответствующего минимальной частоте вращения коленчатого вала (поз. «а», рис. 1), до положения ее «упора в пол», за время – 0,5 …1,0 с.

Предполагается, что при такой продолжительности воздействия на педаль управления топ-ливоподачей двигатель кратковременно выйдет на внешнюю регуляторную характеристику (известно, что при работе по внешней регуляторной характеристике дизельный двигатель показывает максимальные значения дымности ОГ [5]). Однако, принимая во внимание чувствительность реакции двигателя к скорости перемещения педали топливоподачи, проявляющейся в росте углового ускорения коленчатого вала и, как следствия, – наборе инерционной нагрузки, сопровождающейся ростом инерционного тормозного момента и инерционной мощности, возникла потребность в экспериментальной проверке надежности вывода дизельных двигателей ПА на внешнюю регуляторную характеристику во всем временном диапазоне 0,5 … 1,0 с. Для этого, ранее, одним из авторов статьи совместно с к.т.н. А.И. Фомичевым, на моторо-испытательной станции ООО ЦНИТА (Санкт-Петербург) были организованы и проведены экспериментальные исследования (рис. 2) режимов СУ на дизельном двигателе 4Ч11/12.5.

Рисунок 1 – Графики изменения частоты вращения коленчатого вала n (поз. 1) и дымности ОГ k (поз. 2) от времени t в единичном цикле процедуры СУ дизельного двигателя (ГОСТ 33997-2016,

Приложение Е): а – начало цикла СУ; б – завершение цикла СУ и начало последующего цикла СУ;

X M – максимальное значение дымности, достигаемое в единичном цикле СУ; t С.У – время свободного ускорения дизельного двигателя; t Н.П.У – время, в течение которого, начиная от момента времени «а», педаль управления топливоподачей остается нажатой «до упора в пол»; t X.X – время работы дизельного двигателя для стабилизации режима n min на холостых ходах; t 0 –продолжительность единичного цикла процедуры

СУ (12-15 с)

Авторы использовали электромеханический манипулятор, контролирующий закон перемещения рычага управления топливоподачей на режимах СУ. Из рис. 2 видно, что при разгонах дизельного двигателя 4Ч11/12.5, воспроизводимых на режимах СУ, он устойчиво выходит на внешнюю регуляторную характеристику при времени перемещения рычага управления топливо-подачей до 0,5 с (смотри графики ε и h р рис. 2, а). Используя выявленную процедуру испытаний для режима СУ, авторы разработали инструменталь-

Динамика отказов машин, устраняемых предприятиями технического сервиса ную методику контроля отказов топливной аппаратуры в виде, характерных для условий реальной эксплуатации, отклонений от оптимальных значений (по критериям пожарной, санитарно-гигиенической и топливно-энергетической безопасности) «установочных параметров» топливоподачи с использованием анализа состава ОГ: k, СО, NOx, СН, СО2 и методологии корреляционного анализа уравнений множественной регрессии [5].

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 г, с

Робототехническим развитием методологии диагностирования конструктивной безопасности эксплуатации дизельных двигателей применительно к ПА стали, разработанные авторами, оригинальные конструкции (устройства) и электронные программы нового поколения (с элементами процессорного искусственного интеллекта) – рис. 3.

Диагностические испытания дизельных двигателей ПА проводятся с помощью робототехнического устройства, показанного на рис. 3, и блока управления. Микроконтроллер в соответствии с заданной программой (свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2023688413 РФ «Программа управления робота-манипулятора на базе Arduino для выполнения операций в рамках проверки дизельных пожарных автомобилей на дымность в режиме СУ» : № 2023688453 : заявл. 22.12.2023 : опубл. 22.12.2023 / И. В. Сацук, В. Н. Ложкин ; заявитель ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России) обеспечивает формирование командных сигналов на релейный блок, производящий переключения/изменения направлений движения потоков сжатого воздуха электромагнитным клапаном.

С помощью встроенного в устройство редуктора компрессора, давление на выходе может регулироваться в диапазоне значений 0,01 … 0,2 МПа, обеспечивая этим возможность изменения времени полного перемещения педали топливо-подачи «до упора в пол» (педаль соединяется со штоком пневматического цилиндра исполнительного механизма устройства) в интересующем диагноста диапазоне значений 0,1 … 2,4 с.

Рисунок 2 - Изменение во времени т угловой скорости е, ускорения ю вращения коленчатого вала, перемещения рейки ТНВД h р и рычага топливоподачи

а)                                         б)

Рисунок 3 - Диагностирование ПА АЦ-3,2-40/4 (43265), модель 014-МС с дизельным двигателем Cummins

ISB6.7E5310 ( Euro-5) с помощью «устройства контроля конструктивной безопасности по дымности ОГ в режиме СУ»: а) фото устройства в кабине ПА; б) фото устройства со стороны кабины ПА

Проведенные авторами диагностические исследования на ПА актуальных экологических классов: АЦ-3,2-40/4 (43265), модель 014-МС с дизельным двигателем Cummins ISB6.7E5310 , Euro-5 ; АЦ-3,2-40/4 (43253), модель 001-МС с дизельным двигателем Cummins 6ISBe210 ( Euro -3); АКП-32 (43118) с дизельным двигателем КамАЗ 740310, Euro -0 (данные испытаний, в виду большого их объема, не приводятся в настоящей статье), – позволили сформулировать следующие выводы и рекомендации :

• 1)    реализуемый оригинальными роботизированными средствами закон перемещения педали управления топливоподачей на режиме СУ удовлетворяет требованию надежного «перевода» дизельного двигателя на кратковременную работу по внешней регуляторной нагрузочной характеристике;

• 2)    тем самым, обеспечивая максимальное проявление в составе ОГ вероятных неисправностей (отказов) предаварийной работы технических систем и агрегатов двигателя;

• 3)    применительно к современному парку ПА с дизельными двигателями рекомендуется контроль дымности ОГ разработанным устройством производить в диапазоне значений времени полного перемещения педали топливоподачи на режиме СУ в диапазоне значений 0,3-0,5 секунды.

Заключение

Разработанная новая инструментальная методология диагностики дымности ОГ в режиме СУ дизельных двигателей ПА, оригинальность которой подтверждена официальными документами интеллектуальной собственности, – существенно расширяет возможности действующего международного ГОСТ 33997-2016 по контролю актуальных показателей конструктивной безопасности автомобильных двигателей с воспламенением от сжатия применительно к условиям реальной эксплуатации.