CC BY
222
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
УДК 621.236.038
Л. Ю. МИХАЙЛОВА
Омский государственный университет путей сообщения
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ФОРСУНКИ И НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПО АНАЛИЗУ ДВИЖЕНИЯ ИГЛЫ
В статье предложена методика диагностирования топливной аппаратуры дизеля в условиях эксплуатации по анализу движения иглы, записанного съемным датчиком давления. Приведены основные неисправности насоса высокого давления и форсунки, определяемые по расположению характерных точек на диаграмме движения иглы. По увеличению продолжительности впрыска топлива определено уменьшение проходного сечения распылителя и его закоксовывание.
Ключевые слова: методика, диагностирование, форсунка, распылитель, закоксовы-вание, движение иглы, ход.
При разработке диагностических систем дизельных двигателей основное внимание уделяется работе топливной аппаратуре (ТА). Настройкой ТА определяются важнейшие характеристики процесса сгорания топлива — момент воспламенения топлива в цилиндре и качество его последующего сгорания. В зависимости от типа двигателя, его конструкции и совершенства на долю ТА приходится до 30 % неисправностей (отказов).
Современное состояние системы ремонта двигателей внутреннего сгорания представляет свои требования к диагностическим системам. В первую очередь, это универсальность диагностического оборудования, применяемость к различным типам двигателей. Во-вторых, это возможность выполнения диагностических работ в условиях эксплуатации на частичных режимах работы двигателя или даже на холостом ходу.
Эффективность работы двигателя в основном зависит от состояния ТА, неисправности которой можно определить по анализу давления в топливопроводе и движения иглы распылителя форсунки.
Значительной достоверностью и диагностической ценностью обладает диаграмма, полученная с помощью датчика перемещения иглы. Наибольшую точность записи хода иглы обеспечивает индуктивный датчик в виде проставки, расположенной между корпусом распылителя и форсунки [1].
На рис. 1 приведен разрез форсунки дизеля с установкой индуктивного датчика 3, при помощи которого записывается движение иглы, и тензометри-ческого датчика 8 для оценки изменения давления в полости форсунки при движении иглы. Корпус датчика 3 и штанга 4 выполнены из немагнитной жаропрочной стали Х18Н9Т. Рабочая катушка 10 намотана из провода ПЭЛ диаметром 0,13 мм с числом витков 35. Компенсационная катушка имеет те же параметры и размещается вне форсунки. Принцип работы датчика основан на изменении индуктивного сопротивления рабочей катушки в зависимости от зазора между торцом иглы и корпусом.
Установка индуктивного датчика в виде проставки трудоемка, требует снятия форсунки и ее разборки. Применение датчика (индуктивного, тензо-метрического) с подвижным штоком, припаянным к штанге форсунки, искажает ход иглы ввиду воз-
Рис. 1. Установка датчиков в форсунке для записи перемещения иглы и давления в дренажной магистрали:
1 — игла распылителя; 2 — корпус распылителя;
3 — датчик перемещения иглы; 4 — штанга;
5 — корпус форсунки; 6 - пружина;
7 — регулировочный винт; 8 — датчик давления;
9 — корпус датчика с проточкой для катушки 10
можного разрыва связей. По этой причине для диагностирования топливной аппаратуры дизеля в условиях эксплуатации по анализу движения иглы предлагается съемный тензометрический датчик давления.
Датчик давления 8 имеет мембрану диаметром 20 мм и толщиной 1 мм. Рабочий тензоэлемент (проволочный датчик) наклеен на мембрану, а компенсационный — на поверхности стакана. Для удаления воздуха из объема форсунки предусмотрен клапан.
р.
<р
Рис. 2. Изменение перемещения иглы (а) и давления в объеме над иглой при ее движении (б)
Рис. 3. Форсунка дизеля 8ЧН 26/26 с датчиком давления для записи хода иглы:
1 — сопловый наконечник распылителя;
2 — корпус распылителя; 3 - игла;
4 — канал для слива топлива при демонтаже;
5 — гайка стяжная; 6 и 10 — уплотнительные кольца;
7 — штанга; 8 — корпус форсунки; 9 — пружина;
11 — регулировочный винт; 12 — контргайка;
13 — датчик давления для записи движения иглы
На рис. 2 приведены графики перемещения иглы
(а) и давления в объеме над иглой при ее движении
(б), полученные экспериментальным путем. Вид графиков одинаков, что позволяет рекомендовать запись пути (хода) иглы датчиком давления.
При проведении сравнительного эксперимента использовалась топливная аппаратура дизеля Д-440 (4ЧН 13/14, Алтайдизель). Частота вращения вала насоса равнялась 875 мин-1, а цикловая подача — 105 мм3.
Рис. 4. Осциллограммы изменения давления у форсунки и перемещения иглы тепловозного дизеля 2Д100 при работе с частотой вращения коленчатого вала 850 мин-1 и цикловой подачей 400 мм3:
1 — давление на входе в форсунку;
2 — перемещение иглы форсунки;
3 — отметка геометрического начала подачи топлива
Форма корпуса датчика давления и его размеры зависят от конструкции форсунки. На рис. 3 показан общий вид форсунки тепловозного дизеля 8ЧН 26/26 (Д49) с установкой в ее полости тензометри-ческого датчика давления для определения хода иглы.
Датчик 13 при помощи резьбы соединяется с регулировочным винтом 11, имеет мембрану, выполненную совместно со стаканом. Конструкция датчика позволяет измерять давление топлива в полости форсунки и ход иглы для систем с высоким остаточным давлением, имеет предохранительный клапан.
На рис. 4 приведены осциллограммы давления на входе в форсунку и перемещения иглы тепловозного двухтактного дизеля 2 Д100 [2], работающего на номинальном режиме при частоте вращения вала 850 мин-1 (мощность 1470 кВт). На осциллограммах дополнительно указаны характерные точки, по расположению которых определяется состояние ТА.
Основные характеристики ТА приведены ниже. Геометрический угол опережения подачи топлива до ВМТ поршня в градусах поворота коленчатого
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 5. Основные неисправности форсунки, определяемые по анализу движения иглы: эталонная осциллограмма движения иглы; точка 1 — начало подъема, 2 - достижение упора, 3 - начало посадки иглы,
4 — посадка на седло, 1-4 продолжительность впрыска; б — ранний (-15°) и поздний (-5°) впрыск топлива; в — активный подъем иглы (1-2), вялый подъем иглы (1-20,
активная посадка иглы на седло (3-40, г — дополнительный впрыск топлива;
вялая посадка иглы на седло (3-4"); д — зависание иглы при ходе 0,4 мм
а
вала равен 16±1°. Диаметр и ход плунжера 13 и 15,8 мм, давление начала впрыскивания топлива форсункой — 21 МПа, диаметр сопловых отверстий 0,56 мм, число сопловых отверстий 3, эффективное проходное сечение распылителя 0,5 мм2. Подача топлива из одной форсунки за впрыск составляет 0,34 г. Всего у дизеля 2Д100 цилиндров 10, а форсунок 20. На каждом цилиндре ставятся две форсунки, расположенные друг против друга. Диаметр направляющей части иглы форсунки 7 мм, внешний диаметр посадочного конуса 4 мм, подъем иглы нового распылителя 0,5 мм. Длина трубки высокого давления равна 250 мм.
По приведенным осциллограммам и указанным характерным точкам можно оценить настройку ТА и качество ее работы. По положению точки (а) опре-
деляют остаточное давление (7 МПа) и начало резкого повышения давления. По точке (б) оценивают момент и давление начала открытия иглы (26 МПа). На осциллограмме хода иглы это точка (д), по ней определяют угол начала впрыска относительно отметки геометрического начала подачи (7,5°). Впрыск топлива в цилиндр двигателя начинается за 8,5° до ВМТ поршня. Угол наклона линии давления на участке (а — б) позволяет оценить скорость нарастания давления, которая зависит в основном от износа плунжерной пары и направляющей распылителя. В точке (в) с учетом масштаба давления определяют максимальную величину импульса (45,6 МПа). В точке (г) оценивают величину давления топлива, при котором осуществляется посадка иглы на седло.
Момент посадки иглы точнее определяется по точке (з). Продолжительность впрыска (16,8° поворота кулачкового вала) определяется по расстоянию от точки (д) до точки (з). В точке (е) игла достигает упора, что позволяет определить максимальный ее ход (0,5 мм). На участках (д — е) и (ж —з) определяется скорость подъема и посадки иглы.
Таким образом, по расположению характерных точек на диаграммах давления топлива и движения иглы можно определить состояние насоса, форсунки и возможные их неисправности.
В работе [3] дано распределение неисправностей ТА тепловозного дизеля Д-49:
1. Неверный (3 — 5°) угол опережения подачи топлива — 40 %.
2. Неточность цикловой подачи — 37 %.
3. Зависание иглы распылителя форсунки — 5 %.
4. Ухудшение качества распыливания — 15 %.
5. Неисправность форсунок (поломка пружины, потеря герметичности стыка между корпусом форсунки и распылителем) — 3 %.
Некоторые неисправностей ТА определялись при помощи съемного датчика [3], пьезопленка которого прижималась к цилиндрической поверхности трубопровода высокого давления. При деформации трубки фиксировался импульс давления, по анализу которого определялось состояние насоса высокого давления и форсунки.
В данной работе диагностирование ТА в условиях эксплуатации рекомендуется проводить по анализу движения иглы, записанного съемным датчиком давления.
На рис. 5 показаны характерные неисправности форсунки четырехтактного дизеля, определяемые по анализу движения иглы. Эталонная осциллограмма движения иглы распылителя форсунки дизеля в зависимости от угла поворота коленчатого вала (П Кол В) приведена на рис. 5а. Подача топлива начинается в точке 1 за 10 градусов до ВМТ поршня. По анализу положения данной точки определяют правильность установки угла опережения впрыска.
Увеличение хода иглы (например, 0,8 мм вместо 0,6 мм) уменьшает участок 2 — 3, что способствует запаздыванию посадки иглы. Последнее ухудшает распыливание топлива в конечной фазе впрыска, повышает расход топлива, способствует прорыву газов в полость распылителя. При значительном увеличении хода характеристика впрыска искажается насосным действием иглы и способствует закок-совыванию сопловых отверстий [4].
На рис. 5б показаны осциллограммы с ранним (прямая 1/ — 2/) и поздним (прямая 1// — 2//) впрыском топлива. Поздний впрыск возможен при износе плунжерной пары и увеличении зазора между иглой и корпусом распылителя. Ранний или поздний впрыск имеет место при ошибке оператора во время установки угла опережения впрыска, приводит к увеличению расхода топлива, токсичности отработавших газов, снижению мощности дизеля.
В процессе повышения давления насосом игла перемещается с определенной скоростью и достигает упора в точке 2. Зная пройденный путь (в нашем примере Ду=0,6 мм) и время подъема Дf =Дф/6п определяют среднюю скорость иглы (п — частота вращения вала насоса, 850 мин-1). Для нашего примера при Дф = 5° величина иср = 0,6 м/с. По изменению скорости на участках подъема и посадки иглы определяется ускорение (вторая производная пути по времени). Зная массу подвижных частей, рассчитывают силу удара и контактные напряжения. При подъеме
иглы учитывается только масса иглы, а при посадке — масса иглы, штанги и 1/3 массы пружины.
Если скорость меньше 0,6 м/с (рис. 5в, прямая 1-2//), то причиной данной неисправности (вялое начало впрыска) может быть износ плунжерной пары насоса, увеличение зазора между иглой и корпусом распылителя, потеря плотности в сопряжении корпус форсунки и корпус распылителя, деформация корпуса распылителя от механических (нарушение условий монтажа при сборке форсунки) и термических напряжений.
Увеличение скорости подъема иглы (рис. 5в, прямая 1 -2/) происходит реже. Это возможно в результате увеличения цикловой подачи, повышения вязкости топлива, закоксовывания сопловых отверстий распылителя форсунки.
В точке 3 начинается, а в точке 4 завершается посадка иглы на седло. Скорость посадки иглы замедляется (рис. 5в, прямая 3-4//) по причине снижения давления открытия иглы или уменьшения проходных сечений распылителей (образование кокса в сопловых отверстиях). Продолжительность впрыскивания (прямая 1 -4//) возрастает, что обычно приводит к повышению расхода топлива. Скорость посадки иглы увеличивается (прямая 3-4/) в результате увеличения давления открытия иглы или увеличения проходных сечений сопловых отверстий в результате их износа. При этом увеличиваются контактные напряжения в запорном конусе, его износ и снижение герметичности.
На рис. 5г показано изменение движения иглы с фиксацией дополнительного впрыска топлива. Дополнительный впрыск возникает при значениях амплитуды отраженной волны больше давления начала подъема иглы. Причиной может быть зависание нагнетательного клапана насоса (нет разгрузки линии высокого давления), уменьшение проходных сечений сопловых отверстий. Дополнительные впрыски топлива приводят к увеличению расхода топлива, дымности отработавших газов, закоксовыванию сопловых отверстий.
На рис. 5д показана осциллограмма при зависании иглы форсунки. Зависание (потеря подвижности) может быть на различных участках подъема (посадки) иглы. Зависание может произойти от малой величины диаметрального зазора в направляющей распылителя (менее 2 мкм), наличия в зазоре твердых частиц, механических и термических напряжений. При зависании иглы форсунка работает как открытая, с проникновением цилиндровых газов в полость распылителя и образованием кокса в сопловых отверстиях. Распыливание топлива ухудшается, увеличивается угол опережения впрыска топлива, процесс сгорания протекает с образованием дыма, расход топлива увеличивается.
Для тепловозных и судовых двигателей мощностью более 500 кВт при выборе эффективного проходного сечения распылителя (|1.Р) в зависимости от цикловой подачи (дч) и продолжительности впрыска (фг) рекомендуется номограмма, приведенная на рис. 6. Номограмма построена для частоты вращения вала двигателя 750 мин-1, максимального давления топлива перед сопловыми отверстиями 70 МПа.
Из анализа рис. 6 видно, что при уменьшении ^ увеличивается продолжительность впрыскивания фг, что является важным при диагностировании распылителей форсунок. Обычно уменьшение [1р в эксплуатации происходит в результате образования кокса в сопловых отверстиях. Например, в начале эксплуатации двигателя при цикловой подаче
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
мм 2000
1900
1800
1700
1600
| 1500 Ш Цц 1300
1200
1100
1000
900
800
11 12 13 /4 15 16 17 18 19 20 21 22 <Р°в —-
Рис. 6. Номограмма изменения |и.Р в зависимости от дц и фв:
1 — |иР =0,4 мм2; 2 — |иР =0,5 мм2;
3 — |иР =0,6 мм2; 4 — |иР =0,7 мм2;
5 — |иР =0,8 мм2; 6 — |иР =0,9 мм2;
7 — |иР = 1,0 мм2
дц=1100 мм3 (0,93 грамма) продолжительность впрыска (по углу поворота кулачкового вала насоса) ФВ = 16°, а через 1000 часов эксплуатации результаты диагностирования показали, что она увеличилась до 20°. По номограмме (рис. 6) определяем, что в результате образования кокса эффективное проходное сечение распылителя уменьшилось с 0,5 до 0,4 мм2.
Выводы:
— предложена методика диагностирования форсунок дизеля в условиях эксплуатации, позволяющая
определять неисправности в работе топливной аппаратуры по анализу движения иглы, зафиксированного датчиком давления;
— методика позволяет определять по расположению характерных точек на осциллограмме движения иглы изменение угла опережения подачи топлива, продолжительность впрыска, увеличение хода иглы, изменение скорости подъема, посадки и потерю подвижности иглы, дополнительные впрыски топлива;
— разработана номограмма изменения эффективного проходного сечения распылителей в зависимости от продолжительности впрыска, позволяющая определять величину закоксовывания сопловых отверстий.
Библиографический список
1. Живоченко, А. В. Датчик для записи подъема иглы форсунки дизеля / А. В. Живоченко, Л. Ю. Михайлова // Вестник Павлодарского университета. Научный журнал. — Павлодар, 2001. - № 4. - С. 110-112.
2. Испытания тепловозных и судовых дизелей типа Д100 /
A. Э. Симсон [и др.]. — М. : Машгиз, 1960. — 264 с.
3. Коньков, А. Ю. Средства и метод диагностирования дизелей по диаграмме рабочего процесса : моногр. / А. Ю. Коньков, В. А. Лашко. — Хабаровск : ДВГУПС, 2007. — 147 с.
4. Трусов, В. И. Форсунки автотракторных дизелей /
B. И. Трусов, В. П. Дмитриенко, Г. Д. Масляный. — М. : Машиностроение, 1977. — 167 с.
МИХАЙЛОВА Лариса Юрьевна, аспирантка кафедры « Локомотивы».
Адрес для переписки: шакиБЬеу321@mail.ru
Статья поступила в редакцию 13.01.2012 г.
© Л. Ю. Михайлова
Книжная полка
Мухин, В. Ф. Электронные устройства блоков управления в тиристорных источниках питания для дуговой сварки : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. 150700 «Машиностроение» / В. Ф. Мухин, Е. Н. Ерёмин ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 90 с. - 18БЫ 978-5-8149-1229-9.
Приведены сведения из промышленной электроники о принципах построения схем электронных устройств, наиболее часто применяемых для управления тиристорами. Рассмотрены схемные особенности и работа этих устройств в блоках управления источниками питания и сварочного оборудования для дуговой сварки.
Еланский, Г. Н. Сталь и Периодическая система элементов Д. И. Менделеева : учеб. пособие для вузов по направлению «Металлургия» / Г. Н. Еланский ; Моск. гос. веч. металлург. ин-т. - М. : Изд-во МГВМИ, 2012. - 195 с. - ISBN 978-5-94475-059-4.
В представленном пособии рассмотрена связь стали как сплава на основе железа с различными элементами Периодической системы Д. И. Менделеева. Большинство элементов Периодической системы в той или иной мере участвуют в процессах производства железа, чугуна и стали. Задача пособия — проследить движение элементов от недр Земли или из атмосферы до готового продукта. Из рассмотрения исключены радиоактивные элементы (упомянуты только те, которые используются в системах контроля и регулирования металлургических процессов).
