CC BY
27
УДК 621.436:681.586'33
ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ
Ю.П. Макушев, Л. Ю. Михайлова,
Сибирская государственная автомобильнодорожная академия, г. Омск, И.В. Ставрова
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Достигнутый уровень научно-технического прогресса в области двигателес-трония предопределяет жёсткие требования к приборам и средствам индициро-вания. Это обуславливается увеличением частоты вращения коленчатого вала, уменьшением размеров цилиндра, широким пределом изменения температуры газов при изменении их давления в цилиндре двигателя.
Из наиболее известных средств диагностирования рабочего процесса высокофорсированных дизелей можно выделить индикаторы типа МАИ-2. Наряду с ними широкое распространение получили тензометрические датчики давления, которые отличает простота конструкции, хорошие динамические качества и стабильность характеристик [1,2].
Наиболее ответственным узлом приборов индицирования является датчик давления, отвечающий условиям эксплуатации и обладающий следующими свойствами: малая инерционность, высокая частота собственных колебаний, высокая чувствительность, линейная зависимость от давления, стабильность характеристик во времени, достаточный ресурс работы, минимальные размеры.
Авторами данной работы разработана, изготовлена и испытана конструкция малогабаритного датчика для замера давления газов в цилиндре, чувствительный элемент которого состоит из двух тонкостенных мембран, жёстко связанных штоком.
В корпусе 1 (рисунок 1) устанавливается чувствительный элемент 2, который от прорыва газов уплотняется медной прокладкой 3. Чувствительный элемент 2 представляет собой две мембраны, жестко соединенные между собой штоком. Между мембранами расположена втулка 4, которая для обеспечения сборки выполнена из двух частей (разрезана). Втулка имеет канавку с отверстиями, через которые циркулирует вода, охлаждающая датчик. Резиновое кольцо 5 служит для уплотнения полости охлаждения датчика. Гайкой 6 чувствительный элемент прижат к корпусу датчика. Рабочий тензометр 7 наклеен на поверхность тонкой мембраны, которая при изменении давления в цилиндре прогибается, изменяя его сопротивление. Компенсационный тензометр 8 наклеен на внутреннюю поверхность гайки. Выводы тензометров припаяны к разъёму 9, образуя полумост. Чувствительный элемент изготовлен
79
из стали 4Х15 с последующей термообработкой. Рабочий диаметр мембран 20 мм, толщина мембран 0,5 мм, расстояние между ними 15 мм. Датчик через отверстие с резьбой соединяется с камерой сгорания двигателя.
9
Рисунок 1 - Датчик для измерения давления
Принцип действия тензометрического преобразователя давления основан на изменении электрического сопротивления проводника при его деформации.
Привлекательность тензометрических датчиков давления определяется простотой усиления сигнала [3]. Выводы полумоста из проволочных тензометрических элементов припаяны к разъему датчика, которые при помощи экранированных проводов присоединяются к усилителю. Усилитель работает совместно с осциллографом, который фиксирует процессы изменения давления в цилиндре.
На рисунке 2 показана осциллограмма давления газов в цилиндре дизеля, снятая датчиком давления, изображенным на рисунке 1. Для полного анализа протекания рабочего процесса на осциллограмме приведен ход иглы (Ьи), зафиксированный индуктивным датчиком и отметка времени.
Процесс сгорания топлива у дизеля условно разбивают на четыре фазы:
1) индукционный период (период задержки воспламенения, от точки 1 до точки 2); 2) период резкого нарастания давления (фаза быстрого сгорания, от 2 до 3); 3) период основного горения (от 3 до 4); 4) период догорания.
Индукционный период начинается от момента впрыска топлива до начала горения. Период резкого нарастания давления наблюдается от начала горения до максимального значения давления в цилиндре.
Период основного горения продолжается от максимального давления до максимальной температуры в цилиндре двигателя. Процесс сгорания в цилиндре начинается при постоянном объеме, завершается при постоянном давлении.
Периодом задержки воспламенения называется время от начала поступления топлива в камеру сгорания (начало подъема иглы форсунки), до момента, когда в результате 80
химических реакций количество теплоты будет достаточно для прогрева, испарения и воспламенения топлива.
Чем больше скорость химической реакции, тем меньше период задержки воспламенения (т1) или интервал времени от момента впрыска топлива в нагретый воздух до момента появления пламени.
1 Л Tz
с \
\
1 к
2 г Л Рс \
1' /Гь \ V
/ / > \
/ 1 мс
К 2200
2100 |
-40 -20 ВМТ 20
Рисунок 2 - Осциллограммы изменения хода иглы (Ьи) и давления газов в цилиндре
(Рг) дизеля Д - 440 (п = 1700 мин-1, № = 66 кВт): 1 - действительное начало подачи топлива; 2 - отрыв линии сгорания от линии сжатия (начало видимого сгорания); 3 - максимальное давление при сгорании топлива;
4 - максимальная температура в цилиндре двигателя
Период задержки воспламенения точнее можно определить по анализу осциллограмм. Он равен времени от начала подъема иглы форсунки распылителя (точка 1 начало подачи топлива в камеру сгорания) до начала сгорания распыленного топлива (точка 2 характеризует начало отрыва линии сгорания от линии сжатия).
Для дизелей с объёмным смесеобразованием и степенью сжатия 15 - 17, работающих на топливе с цетановым числом 45 - 55, давлением распыленного топлива 50 - 100 МПа значение т1 достигает 0,001 - 0,002 с.
На участке 2-3 определяют жесткость процесса сгорания, которая равна отношению
изменения давления на 1 градус поворота коленчатого вала ( к = А Р / А ] ).
Жёсткость процесса сгорания определяется по индикаторной диаграмме на участке резкого повышения давления. От жесткости сгорания зависят экономичность двигателя, вибрации и стуки.
Считается, что при повышении давления на один градус поворота коленчатого вала на 0,2 - 0,5 МПа двигатель работает мягко, при повышении давления до 0,6 - 0,9 МПа - жестко, а при повышении давления более 0,9 МПа - очень жестко. Жесткость процесса сгорания зависит от способа смесеобразования.
7
6
Т
5
4
Р
3
2
0
81
Различают три основных способа смесеобразования:
1. Объёмный (КамАЗ) - распыленное топливо подаётся в объём камеры сгорания, жёсткость сгорания достигает 0,6 - 1 МПа/град.
2. Плёночный («Икарус») - топливо подаётся на горячую стенку, испаряется и плавно сгорает. Жёсткость снижается до 0,2 - 0,4 МПа/град. Двигатель работает мягко, неэкономично с плохими пусковыми качествами.
3. Объёмно-плёночный (ЗИЛ 645) - часть топлива подаётся на стенку, а часть в объём. Жёсткость достигает 0,4 - 0,6 МПа/град при удовлетворительной экономичности и средней жёсткости процесса сгорания.
По анализу и обработке индикаторной диаграммы определяют среднее индикаторное давление, а по нему индикаторную мощность двигателя. При необходимости определяют неравномерность процесса сгорания (по анализу 50 максимальных значений давления газов в цилиндре).
По максимальному значению давления газов в цилиндре Рг (точка 3) производят расчет на прочность деталей двигателя.
При расчете герметичности газового стыка между блоком и головкой цилиндра определяют силу вспышки (Рг), приходящуюся на одну шпильку:
Fz = РzFk / ш , (1)
где Рк - площадь проекции поверхности камеры сгорания на плоскость стыка (площадь цилиндра);
ш - число силовых шпилек (4 или 6).
Экономичность, токсичность выхлопных газов, надежность работы двигателя зависит от состояния распылителей. В процессе эксплуатации давление открытия иглы распылителя снижается и газы из камеры сгорания могут проходить в полость распылителя. В газах имеются твердые частицы сажи, которые поступая в каналы горячего распылителя способствуют их закоксовыванию (уменьшению проходных сечений). Для устранения закоксовывания распылителей необходимо, чтобы в период посадки иглы на седло давление топлива перед сопловыми отверстиями было больше давления газов.
Для анализа величины давления газов за сопловыми отверстиями конструкция датчика для измерения давления газов в цилиндре изменена.
На рисунке 3 показана конструкция датчика давления газов, выполненного совместно с сопловым наконечником распылителя дизеля Д-440.
Конструкция этого датчика отличается от представленной выше тем, что он предназначен измерять не только давление газов в цилиндре и его стабильность, но и давление газов за сопловыми отверстиями. Для этого в канал датчика устанавливается носик распылителя 1 с сопловыми отверстиями. Запись давления газов за сопловыми отверстиями необходима для оценки воздействия газов на иглу, динамики её посадки, нагрева распылителя, причин закоксовывания сопловых отверстий. Обычно в расчётах давление за сопловыми отверстиями берут равным максимальному давлению газов в цилиндре. Однако в действительности из-за дросселирования газов в сопловых отверстиях, площадь которых очень мала (0,2 - 0,4 мм2), давление за сопловыми отверстиями меньше давления газов в цилиндре на 5 - 10
82
Рисунок 3 - Датчик для измерения давления газов за сопловыми отверстиями
При расчёте сил, действующих на иглу, указанное давление действует на иглу до начала её подъёма. Эта сила равна
Р = /и Рс %.
(2)
где
I
Уи
площадь иглы в районе посадочного конуса;
Рс - давление за сопловыми отверстиями (0,9 - 0,95 Рг) .
Представленные датчики давления газов с предлагаемым чувствительным элементом могут быть использованы для исследования рабочего процесса в ДВС и совершенствования распылителей форсунок.
ЛИТЕРАТУРА
1 Кривцов Ю.Г. Применение тензометров сопротивления для измерения давления газов в цилиндре двигателя. Ю.Г. Кривцов, Г.Л. Молчанов. Известия ВУЗов, Машиностроение, №11, 1973.
2 Розенблит Г.Б. Датчики с проволочными преобразователями. М.: Машиностроение, 1966.
3 Коньков А.Ю. Средства и метод диагностирования дизелей по индикаторной диаграмме рабочего процесса: моногр./А.Ю. Коньков, В.А. Лашко. - Хабаровск. Изд-во ДВГУПС, 2007. - 147 с.
Тушндеме
Осы жумыстыц авторларымен штокпен цатты байланысцан ек жуцацабыргалы мембраналардан туратын сезiмтал элементi бар
83
^nuHdpbmda гaздapдblц ^bicbiMbiH eJweугe apHajeaH кimiга6ариттi damu^im^ KOHcmpy^uncbi 93ipjemn, wacajbin, cbmamaH. YcbiHbueaH damuuKmepdi ffBC-maeu wyMbic ypdiciH зеpmmеуге woHe rftppcyHKajapdb^ wawbipamh;biwmapbiH wemijdipy ywiH KpndaHyea 6pjadbi.
Resume
The authors of this work developed, produced and tested the construction of a small-sized sensor for gas pressure measuring in cylinder, sensitive element of which is composed of two rigidly bound with rod thin-walled membranes. Presented sensors can be used in internal-combustion engine's work process researching and improving of spray cones.
84
