Приведено теоретическое обоснование метода, позволяющего по данным, полученным при индицировании двигателя, определить объем его камеры сжатия и положение верхней мертвой точки на индикаторной диаграмме. Для решения поставленной задачи использованы данные по давлению и его производной по углу поворота коленчатого вала, полученные на участке сжатия в окрестности точки максимальной скорости роста давления: по данным для двух точек составляется система уравнений, результатом решения которой являются искомые величины.

Рассмотрен анализ индикаторной диаграммы поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в точке максимальной скорости изменения давления на участке сжатия. Для ДВС этот участок начинается от момента закрытия органов газораспределения до начала сгорания. Скорость повышения давления P' при сжатии имеет свой максимум на этом участке и предполагается, что сгорание топлива в цилиндре начинается после него, что является типичным для всех известных типов ДВС. Произведен вывод очень интересного и неочевидного, на первый взгляд, свойства координаты точки максимума P' - независимости его координаты от давления в цилиндре. Показано, что координата P' зависит только от конструктивных данных двигателя и, соответственно, может быть рассчитана еще до индицирования, что сделает более надежным и устойчивым от помех метод алгоритмической синхронизации при индицировании ДВС.

Рассмотрен анализ параметров процесса сжатия, который осуществляется по результатам индицирования двигателя. Решение этой задачи позволяет оценить техническое состояние деталей цилиндропоршневой группы. По требованиям большинства классификационных обществ отклонение давления сжатия на данном цилиндре от среднего по двигателю не должно отличаться более, чем на 2,5 %. Зависимость величины давления сжатия от давления наддува затрудняет получение верных диагностических выводов о состоянии цилиндропоршневой группы при ухудшении технического состояния газотурбонагнетателя. В уже имеющихся публикациях исследовалось положение на индикаторной диаграмме точки, в которой скорость роста давления сжатия достигает максимума, и показано, что её положение практически инвариантно относительно давления. Этот факт позволяет рассчитывать её положение относительно верхней мёртвой точки двигателя ещё до начала индицирования и принимать рассчитанную величину в качестве первого приближения при алгоритмической синхронизации результатов индицирования. Однако при этом протечки рабочего тела, неизбежно присутствующие у реального двигателя, не учитывались. Поэтому правомерной является задача о смещении координаты точки максимальной скорости роста давления при наличии протечек. Поставленная задача решается с применением математической модели, состоящей из трёх уравнений (состояния, сохранения массы и первого закона термодинамики), записанных в дифференциальном виде и интегрируемых на каждом расчётном шаге. В качестве аргумента выбран угол поворота коленчатого вала двигателя. Тем не менее, аналитически решить такие системы уравнений с учётом протечек в полной постановке крайне затруднительно. Поэтому при моделировании рабочего процесса была задана эффективная площадь проходного сечения поршневых колец, принимаемая постоянной на всём протяжении расчёта. По результатам моделирования определяется положение точки максимальной скорости нарастания давления на индикаторной диаграмме, которое может быть использовано как косвенный показатель при интегральном анализе технического состояния двигателя.

В практике эксплуатации и ремонта тепловозных дизелей нередки случаи выпуска дизеля в эксплуатацию после ремонта с не до конца устраненным набором дефектов топливной аппаратуры высокого давления, цилиндропоршневой группы и механизма газораспределения и достаточно большой (7 - 10 %) неравномерностью распределения мощностей по цилиндрам. Известно, что в процессе эксплуатации, особенно в условиях частых изменений нагрузок, число эксплуатационных дефектов увеличивается. Трудно выявляемые дефекты топливной аппаратуры, цилиндропоршневой группы и механизма газораспределения приводят к неравномерному распределению мощностей по цилиндрам, повышению общего уровня вибрации, существенному повышению удельного расхода топлива и еще большему выбросу сажи и вредных веществ на переходных режимах. При этом плановые ремонтные работы не всегда устраняют все имеющиеся на двигателе дефекты потому, что, во-первых, отсутствует детальная картина дефектов отдельных узлов перед ремонтом и, во-вторых, отсутствует параметрический контроль состояния топливной аппаратуры высокого давления, цилиндропоршневой группы и механизма газораспределения после проведения ремонтных работ. Актуальной является задача эффективной и достоверной диагностики технического состояния узлов двигателя перед проведением ремонтных работ для точной детализации объема предстоящего ремонта. А также последующий контроль качества проведенных ремонтных работ, в результате которого могут быть выявлены оставшиеся не устранённые дефекты. После устранения дефектов необходимо равномерно распределить нагрузку между цилиндрами, что должно производиться выравниванием средних индикаторных давлений при допустимых отклонениях, давлений в конце сжатия и температур выпускных газов. Исследования рабочего процесса, проведенные сотрудниками кафедры СЭУ и ТЭ Одесского национального морского университета (ОНМУ), показали, что во время реостатных испытаний дизелей K6S310DR можно оперативно получать достоверную диагностическую информацию. Это производится с помощью параллельного анализа индикаторных диаграмм и вибродиаграмм топливной аппаратуры высокого давления, цилиндропоршневой группы и механизма газораспределения дизеля. Спектральный анализ виброакустических сигналов газотурбонагнетателя и аналитический метод устранения эффекта утечки мощности в дискретном спектре позволяет осуществлять оперативную диагностику уровня колебаний ротора газотурбонагнетателя. Указанные методы, реализованные в системе DEPAS, разработанной специалистами ОНМУ, могут быть эффективно применены в практике эксплуатации тепловозных дизелей.

Предложен способ расчета среднего показателя политропического сжатия n при проведении алгоритмической синхронизации индикаторных диаграмм двигателей внутреннего сгорания. В предыдущих публикациях автора показано, что угол, соответствующий максимальной скорости роста давления сжатия, зависит от геометрических размеров деталей кривошипно-шатунного механизма, объема камеры сжатия и показателя политропы. Последняя величина, строго говоря, будет каждый раз иной. Поэтому, несмотря на то, что для каждого двигателя ее величина изменяется в известных пределах, было бы правильным использовать значение n, наиболее точно отображающее анализируемый процесс. Для этого предлагается вначале аппроксимировать участок экспериментальной кривой сжатия полиномом четвертого порядка. Конец аппроксимируемого участка, который соответствует большему значению угла поворота коленчатого вала, лежит в точке наискорейшего роста давления сжатия. Выбор именно такого участка позволяет значительно упростить искомый полином. Для расчета его коэффициентов используются известные из эксперимента граничные условия, которые дополнены уравнением равенства нулю второй производной давления в точке максимальной скорости роста давления сжатия. При этом уравнение полинома может быть выведено еще до отыскания положения верхней мертвой точки индикаторной диаграммы. Далее значение среднего коэффициента политропы n отыскивается исходя из того, что работа сжатия на данном участке будет одинаковой вне зависимости от способа, которым выражается давление - полиномом или уравнением политропы. Найденная таким образом величина показателя n показала хорошее совпадение с экспериментальными данными. Это, в свою очередь, дает возможность рассчитывать угол, при котором скорость роста давления сжатия максимальна с использованием реального значения показателя n, которое соответствует данному процессу. Предлагаемый способ, кроме того, обладая расчетной простотой, позволяет рассчитывать величину n быстро, создавая при необходимости массив ее значений, что позволяет дополнительно уточнить результат.

Предложен способ расчета среднего показателя политропического сжатия n при проведении алгоритмической синхронизации индикаторных диаграмм двигателей внутреннего сгорания. В предыдущих публикациях автора показано, что угол, соответствующий максимальной скорости роста давления сжатия, зависит от геометрических размеров деталей кривошипно-шатунного механизма, объема камеры сжатия и показателя политропы. Последняя величина, строго говоря, будет каждый раз иной. Поэтому, несмотря на то, что для каждого двигателя ее величина изменяется в известных пределах, было бы правильным использовать значение n, наиболее точно отображающее анализируемый процесс. Для этого предлагается вначале аппроксимировать участок экспериментальной кривой сжатия полиномом четвертого порядка. Конец аппроксимируемого участка, который соответствует большему значению угла поворота коленчатого вала, лежит в точке наискорейшего роста давления сжатия. Выбор именно такого участка позволяет значительно упростить искомый полином. Для расчета его коэффициентов используются известные из эксперимента граничные условия, которые дополнены уравнением равенства нулю второй производной давления в точке максимальной скорости роста давления сжатия. При этом уравнение полинома может быть выведено еще до отыскания положения верхней мертвой точки индикаторной диаграммы. Далее значение среднего коэффициента политропы n отыскивается исходя из того, что работа сжатия на данном участке будет одинаковой вне зависимости от способа, которым выражается давление - полиномом или уравнением политропы. Найденная таким образом величина показателя n показала хорошее совпадение с экспериментальными данными. Это, в свою очередь, дает возможность рассчитывать угол, при котором скорость роста давления сжатия максимальна с использованием реального значения показателя n, которое соответствует данному процессу. Предлагаемый способ, кроме того, обладая расчетной простотой, позволяет рассчитывать величину n быстро, создавая при необходимости массив ее значений, что позволяет дополнительно уточнить результат.

Задача аналитической синхронизации данных мониторинга рабочего процесса является базовой при решении общей проблемы параметрической диагностики транспортных двигателей в режиме эксплуатации. Эта задача актуальна для диагностики всех видов транспорта (авиационного, железнодорожного, морского, и т.д.). Недостаточная точность решения задачи синхронизации является причиной значительных ошибок в определении мощности и расхода топлива, а также ошибок в диагностике основных узлов и систем двигателя. Расчет индикаторной и эффективной мощности транспортных дизелей необходим не только для диагностики и контроля технического состояния. Точный расчет мощности также важен для определения показателей энергоэффективности, согласно требованиям Международной морской организации. Задачей аналитической синхронизации считается перевод данных мониторинга рабочего процесса, полученных при индицировании двигателя, из функций времени в функции по углу поворота коленчатого вала. Наибольшее влияние на точность решения задачи синхронизации оказывает погрешность определения координаты верхней мертвой точки (ВМТ) поршня. Метод базируется на использовании трех последовательных этапов определения ВМТ: линейного, синусоидального и метода решения уравнения P' = 0 (равенства нулю первой производной сигнала давления на участке сжатия от закрытия впускных клапанов до момента начала сгорания в цилиндре). Применение трех последовательных этапов обеспечивает определение координаты ВМТ с абсолютной погрешностью 0,1 - 0,3 градуса коленчатого вала. Такая точность обеспечивает расчет мощности и других параметров рабочего процесса с максимальной относительной погрешностью менее 2,5 %, что соответствует требованиям классификационных обществ. Для переносных систем мониторинга рабочего процесса морских дизелей предлагаемый метод аналитического определения ВМТ и последующей синхронизации данных дает ряд преимуществ. Во-первых, уменьшается количество датчиков и кабелей при индицировании, что снижает вероятность сбоев и ошибок. Во-вторых, автоматически учитываются смещения ВМТ за счет разных факторов во время эксплуатации. Автоматически учитывается влияние канала индикаторного крана. Погрешность метода аналитического определения ВМТ и последующей синхронизации индикаторных диаграмм значительно меньше, чем при аппаратном методе определения. Также отсутствует необходимость предварительной подготовки двигателя.

Запропоновано розрахунковий метод визначення об'єму камери стиснення та ступеня стиснення в циліндрі за даними індикаторної діаграми дизеля. Використовується точка на кривій стиснення, в якій швидкість наростання тиску максимальна. У цій точці друга похідна від кривої тиску за кутом повороту колінчастого вала дорівнює нулю. Записано вираз для другої похідної від кривої стиснення у вигляді політропи. При вирішенні цього рівняння скорочений показник політропи, що дозволило вивести вираз для об'єму циліндра в зазначеній точці в аналітичному вигляді. В результаті по відомим геометричним параметрам циліндра та даними, отриманими з індикаторної діаграми дизеля, можна з інженерної точністю визначити ступінь стиснення, що особливо актуально для сучасних малооборотних дизелів MAN, WARTSILA в документації яких цей параметр не вказано.