CC BY
86
ГРНТИ 73.01.77
Л. Ю. Волкова1, Ю. П. Макушев2
'к.т.н., доцент, кафедра «Судовые энергетические установки и теплоэнергетика», Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, 236000, Российская Федерация;
2к.т.н., доцент, кафедра «Тепловые двигатели и автотракторное оборудование», Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ), г. Омск, 644080, Российская Федерация e-mail: 'volkova0969@mail.ru; 2makushev321@mail.ru
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛяХ
В статье рассмотрены датчики для определения давления топлива и записи перемещения движущихся деталей топливной аппаратуры (ТА). Предложен комбинированный датчик для определения давления в штуцере насоса и хода нагнетательного клапана. Корпус датчика является одновременно штуцером насоса, что позволяет работать датчику во время эксплуатации дизеля и по изменению осциллограммы процесса впрыска определять техническое состояние ТА.
Для измерения давления топлива в любом месте трубопровода предложено использовать конструкцию накладного датчика типаПД-6 или фирмы AVL. Исследования показали, что движение иглы, записанное индуктивным датчиком в виде «проставки» и изменение давления в замкнутом объеме форсунки равнозначны друг другу. Движение иглы распылителя рекомендовано определять при помощи датчика низкого давления, установленного в линию слива утечек топлива из форсунки.
Предложена методика диагностирования технического состояния ТА по анализу характерных точек и участков осциллограммы давления топлива.
Ключевые слова: насос, штуцер, трубопровод, форсунка, датчик, диагностирование, распылитель.
ВВЕДЕНИЕ
Топливная аппаратура (ТА) с механическим или электронным управлением хода иглы является одной из основных систем дизелей. Она в значительной степени влияет на его мощность, экономические, экологические показатели, надежность и долговечность. Технические показатели ТА можно определить по анализу давления в топливопроводе и перемещения иглы распылителя форсунки.
Для исследования и диагностирования ТА необходимы датчики, усиливающая, преобразующая и измерительная аппаратура. При исследовании оценивают интенсивность впрыска топлива (величину давления, продолжительность впрыска, характеристику впрыска). Протекание процесса подачи топлива в камеру сгорания дизеля должно обеспечить малый расход топлива, минимальную токсичность отработавших газов и допустимую жесткость сгорания.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Для проведения диагностирования по изменению величины давления был предложен контрольный (наиболее характерный) режим работы ТА дизеля 4ЧН 13/14 с цикловой подачей qu =100 мм3 и частотой вращения вала насоса
п= 600 мин-1. Форсунка была отрегулирована на давление открытия иглы 18 МПа. Вид исправности форсунки определялся сравнительным способом по изменению характерных точек и участков на диаграмме давления. Для этого были сняты осциллограммы (импульсы давления) с известными неисправностями форсунки.
Последовательность диагностирования сравнительным способом по изменению давления на входе в форсунку следующая:
1 Для ТА с данными, соответствующими конструкторской документации, на режиме малых нагрузок при помощи датчика давления фиксируют эталонный (контрольный) импульс давления топлива в трубопроводе у форсунки с пояснением характерных точек и участков;
2 Для каждого вида неисправностей (уменьшение давления подъема иглы, образование кокса в распылителе, потеря подвижности иглы, увеличение зазора между иглой и корпусом распылителя) фиксируется импульс давления;
3 Полученный импульс давления сравнивается с эталонным (контрольным). Если он изменен, то путем сравнения, с заранее снятыми осциллограммами, определяется вид неисправности.
На контрольном режиме для исправной топливной аппаратуры была снята эталонная осциллограмма при помощи тензометрического датчика давления (рисунок - 1), имеющая характерные точки и участки. Для анализа импульса давления топлива в трубопроводе Рф на осциллограмме приведена линия атмосферного давления Ро и отметка времени, равная 0,002 с.
На эталонной (контрольной) диаграмме давления выделим характерные точки и участки: 1 - остаточное давление в топливопроводе; 2 - начало повышения давления на входе в форсунку; 3 - изменение давления вследствие поднятия нагнетательного клапана; 4-5 - падение давления в результате подъема иглы форсунки; 5-6 - продолжение впрыска топлива; 7 - начало посадки иглы на седло; 8 - завершение снижения давления; 2-8 - период превышения давления в топливопроводе над остаточным давлением Ро ; 8-9 - расстояние между прямой и отраженной волнами давления топлива; 10 - колебания отраженной волны.
Рисунок 1 - Эталонный импульс давления топлива у форсунки Рф и линия атмосферного давления Р
На рисунке 2 приведена диаграмма давления топлива при снижении на 20 % давления начала открытия иглы форсунки. Для данной неисправности характерным является уменьшение максимального давления в трубопроводе (22 МПа вместо 25 МПа), увеличение расстояния между прямой и отраженной волнами, снижение амплитуды отраженной волны.
Рисунок 2 - Снижение давления открытия иглы на 20 %
Для форсунки с закоксованными сопловыми отверстиями характерным является наличие двух отраженных волн, давление в трубопроводе увеличивается, удлиняется участок 2-8, возрастает величина остаточного давления, уменьшается проходное сечение, что приводит к увеличению продолжительности впрыска, понижению подачи топлива, уменьшению мощности и экономичности двигателя.
Таким образом, имея эталонную (контрольную) осциллограмму давления для исправной форсунки и набор осциллограмм с характерными неисправностями, сравнительным способом можно определить вид неисправности. Для этого компьютер (электронный блок) сравнивает реальные осциллограммы давления на входе в форсунку, полученные в процессе диагностирования, с контрольной осциллограммой и определяет вид неисправности.
Недостатком данного способа диагностирования является повышение трудоемкости установки датчика в линию высокого давления.
Для исследования и диагностирования ТА необходимы датчики различной конструкции, сигналы с которых усиливаются и регистрируются специальной аппаратурой. Ряд датчиков выпускают отечественные или зарубежные фирмы (например, австрийская фирма AVL, С1атр-Оп Trandsduser) [1]. В современных датчиках давления и перемещения возможно применение встроенных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), что упрощает процесс исследования или диагностирования ТА [2].
На рисунке 3 приведено оборудование и персональный компьютер, которые при помощи накладного пьезодатчика ПД-6 записывают импульс давления топлива в трубопроводе высокого давления.
Рисунок 3 - Приборы для исследования процесса впрыска топлива
На фото показаны необходимые приборы для осцилографирования процесса впрыска топлива накладным пьезоэлектрическим датчиком ПД-6 (он устанавливается на трубопроводе высокого давления). На переднем плане виден датчик ПД-6, в центре расположен усилитель заряда (предназначен для усиления сигнала от датчика ПД-6). К усилителю сигнала (PIEZO AMPLIER) подводится питание от аккумуляторной батареи 12 вольт (провода красный и черный). Сигнал от усилителя черным проводом подводится к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП). Далее АЦП соединяется с компьютером, в который должна быть устанавлена программа, способная сигнал с датчика преобразовать в импульс (осциллограмму), по анализу которого определяется величина и форма пульсирующего давления и начало подачи топлива. Сравнение полученного импульса с контрольным (эталонным) позволяет определить техническое состояние топливной аппаратуры.
На рисунке 4 показаны пьезодатчики ПД-4 и ПД-6 для диаметра топливопровода 4 и 6 мм, состоящие из двух частей с винтовым зажимом. Датчики предназначены для преобразования радиальной деформации топливного трубопровода высокого давления в электрический заряд (токовый сигнал). Сигнал пропорционален не силе, с которой топливопровод воздействует на пьезоэлемент датчика, а скорости изменения этой силы. В усилителе токовый сигнал с датчика преобразуется в сигнал напряжения. Емкость датчика должна быть не менее 250 нФ.
Рисунок 4 - Общий вид датчиков ПД-4 и ПД-6
При затяжке винтов следует руководствоваться следующими правилами: 1 верхняя и нижняя половины корпуса датчика должны быть строго паралельны относительно друг друга;
22
2 вначале винты затягивают до касания двух половин;
3 затем винты доворачивают на 30-40 градусов.
Установка (крепление) датчика ПД-6 на топливопровод высокого давления показана на рисунке 5. Кабель с усилителя сигнала (например, типа РIEZO АMPLIFIER) подсоединяется к разъёму пьезодатчика. Массовый зажим одевается на зачищенную трубку высокого давления системы питания двигателя.
Рисунок 5 - Установка датчика ПД-6 на топливопроводе
На рисунке 6 приведён импульс давления топлива, записанный при помощи зажимного пьезоэлектрического датчика ПД-6.
3« U 31
I
а 2 6 U 2J 1 1* К U U
Рисунок 6 - Импульс давления топлива
Рассмотрим другие виды датчиков, которые могут быть использованы в процессе исследования или диагностирования ТА.
На рисунке 7 показана конструкция комбинированного датчика [3], позволяющего одновременно записывать изменение давления в штуцере насоса высокого давления и перемещение нагнетательного клапана.
Корпус 1 является одновременно штуцером насоса. Объем полости датчика должен соответствовать внутренним размерам штуцера. К нагнетательному клапану припаивается шток из немагнитной стали со стальным сердечником в верхней части. При установке клапана в штуцер длина штока должна быть равна расстоянию до центра между катушками 6. Катушки выполнены из провода ПЭЛ
диаметром 0,15 мм с числом витков 100. Площадь отверстия корпуса 7 должна быть не менее площади сечения трубопровода.
1 - корпус датчика; 2 - вытеснитель; 3 - стакан с упругим элементом; 4 - крышка; 5 - рабочий и компенсационный тензорезисторы; 6 - катушки индуктивности; 7 - корпус датчика перемещения нагнетательного клапана; 8 - прокладка; 9 - винт; 10 - разъём.
Рисунок 7 - Датчик комбинированный
Корпус 7 выполнен из немагнитной стали Х18Н9Т. Стакан 3 с упругим элементом изготовлен из стали 45ХНМФА. Мембрана имеет диаметр 20 мм с толщиной 1-3 мм в зависимости от величины максимального давления топлива.
Для исследования процесса подачи топлива возможно использование кварцевых датчиков с усилителем [4, 5, 6, 7]. На рисунке 8 показана конструкция пьезоэлектрического датчика для измерения давления на выходе из насоса или входе в форсунку. При повышении давления мембрана деформируется и через опорный диск 10 передает усилие на кварцевые пластины 8. Электрический заряд, создаваемый при деформации кварцевой пластины, передается от медной пластины с проводником на контакт 5 и поступает к усилителю.
1 - корпус датчика; 2 - сильфон; 3 - стакан с измерительной мембраной; 4 - изолятор; 5 - контакт; 6 - корпус модуля; 7 - контргайка; 8 - кварцевые пластины; 9 - медная пластина с проводником; 10 - опорный диск. Рисунок 8 - Датчик давления пьезоэлектрический
Для записи перемещения иглы распылителя форсунки рекомендуется индуктивный датчик в виде «проставки» [8]. На рисунке 9 приведён разрез форсунки дизеля с установкой индуктивного датчика 3, при помощи которого записывается движение иглы, и тензометрического датчика 8 для оценки изменения давления в полости форсунки. Корпус датчика 3 и штанга 4 выполнены из немагнитной стали Х18Н9Т. Рабочая катушка 10 изготовлена 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 форсунки [7].
1 - игла распылителя; 2 - корпус распылителя; 3 - датчик перемещения иглы; 4 - штанга; 5 - корпус форсунки; 6 - пружина; 7 - регулировочный винт;
8 - датчик давления; 9 - проставка с проточкой для катушки 10.
Рисунок 9 - Установка датчиков в форсунке для записи давления и перемещения иглы
В условиях эксплуатации двигателя применение индуктивного датчика, расположенного между корпусом форсунки и распылителем, связано с определенными трудностями. В данной работе рассмотрена возможность записи хода иглы датчиком давления, который устанавливается в линии отвода утечек топлива из форсунки [9].
В момент подъема иглы 1 (рисунок 9) в полости корпуса форсунки 5, заполненной топливом, давление повышается и может быть зафиксировано датчиком давления 8. Упругим элементом датчика является мембрана с наклеенным проволочным тензорезистором [2].
На рисунке 10 приведены осциллограммы процесса впрыска топлива, зафиксированные при работе дизеля 4ЧН13/14 на номинальном режиме с частотой вращения вала насоса 875 мин-1 и цикловой подачей топлива 100 мм3. На представленных осциллограммах показаны отметка времени 1 (0,001 с.), давление
топлива в штуцере насоса 2, ход нагнетательного клапана 3, давление в замкнутом объеме форсунки 4 (полости пружины), ход иглы 5, давление перед сопловыми отверстиями 6. Сравнение осциллограмм изменения давления в замкнутом объёме форсунки 4 и хода иглы 5 показывает их идентичность [9].
и
2
■■■■■■■■■■иииииж I
Рисунок 10 - Осциллограммы процесса впрыска топлива
Таким образом, закономерность движения иглы распылителя форсунки для топливных систем с низким остаточным давлением, можно определить при помощи датчика давления, установленного в дренажную магистраль (линию отвода утечек). На рисунке 10 при помощи комбинированного датчика (см. рисунок 7) записаны осциллограммы изменения давления в штуцере насоса 2 и движения нагнетательного клапана 3. Ход иглы 5 записан датчиком в виде «проставки», изменение давления в замкнутой полости корпуса форсунки 5 зафиксировано при помощи датчика давления 8 (см. рисунок 9).
Движение иглы распылителя форсунки может фиксироваться индуктивным выносным датчиком, корпус которого изготовлен из немагнитной стали (рисунок 11). В корпусе датчика 5 расположены две катушки 4. К штанге форсунки приварен шток 3, выполнен также из немагнитной стали. На конце штока 3 припаяна короткая стальная трубка, расположенная в середине катушек 4. При движении иглы и штанги шток 3 перемещается, изменяя индуктивность катушек 4, что позволяет фиксировать ход иглы.
Для определения давления в трубопроводе возможно применение съёмного датчика [10], пьезоэлектрическая плёнка 8, которая при помощи специального устройства прижимается к поверхности трубопровода 7 (рисунок 12).
При деформации трубки высокого давления изменяется сопротивление пьезоэлектрической пленки. Используя усиливающую и регистрирующую аппаратуру, фиксируют импульс давления. Датчик давления с рычажным креплением выпускает австрийская фирма AVL. Размер внутренней полости датчика должен соответствовать значению наружного диаметра трубопровода (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 мм).
1 - корпус форсунки; 2 - винт регулировочный; 3 - шток; 4 - катушки; 5 - корпус датчика; 6 - штуцер. Рисунок 11 - Верхняя часть форсунки дизеля 16ЧН 26/26 с датчиком индуктивного типа для записи хода иглы
1 - неподвижный корпус датчика; 2 - подвижный корпус датчика;
3 - упругий элемент; 4 - наружный электрод; 5 - внутренний электрод;
6 - петля; 7 - трубопровод; 8 - пьез плёнка;
9 - ручка прижимного устройства; 10 - гнездо датчика.
Рисунок 12 - Датчик давления съёмный (зажимной)
Относительная погрешность датчиков для измерения перемещения движущихся деталей насоса и форсунки, а также давления топлива не превышает 3-5 %.
ВЫВОДЫ
Предложена конструкция комбинированного датчика для определения хода нагнетательного клапана и давления топлива в штуцере насоса.
Разработаны индуктивные датчики для записи движения иглы распылителя форсунки в виде проставки, расположенной между корпусом распылителя и форсунки, а также на выходе из форсунки.
Предложен способ записи движения иглы датчиком давления, который устанавливается в линии отвода утечек топлива из форсунки.
Предложен съёмный пьезоэлектрический датчик типа ПД-6 или AVL для записи давления в любых сечениях трубопровода.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Коньков, А. Ю. Диагностирование дизеля на основе идентификации рабочих процессов : моногр. / А. Ю. Коньков, В. А. Лашко. - Владивосток : Дальнаука, 2014. - 365 с.
2 Тензорезисторы, тензодатчики, барристоры, датчики давления SMS. Производство, изготовление, применение. СМС-Тензо. - 2006. [Электронный ресурс]. - Ы1р :/www.tenzo-sms.ru.
3 Датчик комбинированный. Патент на изобретение № 2272168. Патентообладатель : Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ). / Автор Макушев Юрий Петрович. Заявка № 2004120817. Приоритет изобретения 07 июля 2004 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 марта 2006.
4 Файнлейб, Б. Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей : Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Машиностроение. Ленинг. отд-ние, 1990. - 352 с.
5 INA 155. Single-Supply, Rail-to-Rail Output, CMOS Instrumentation Amplifier [Text] - Burr-Brown Corporation. - 1999 - 11 p.
6 Шарапов, В. М. Пьезоэлектрические датчики / В. М. Шарапов, М. П. Мусиенко, Е. В. Шарапова; под ред. В. М. Шарапова. - М. : Техносфера, 2006. - 632 с.
7 Туричин, А. М. Электрические измерения неэлектрических величин / А. М. Туричин, П. В. Новицкий, Е. С. Левшина; под ред. П. В. Новицкого. - Л. : Энергия, 1975. - 576 с.
8 Живоченко, А. В. Датчик для записи подъема иглы форсунки дизеля / А. В. Живоченко, Л. Ю. Михайлова. // Вестник Павлодарского университета. Научный журнал. - № 4. - Павлодар, 2001. - С. 110-112.
9 Михайлова, Л. Ю. Датчик давления для осциллографирования хода иглы распылителя форсунки. // Материалы всероссийской 65 научно-технической конференции ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Ориентированные фундаментальные прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России. -Книга 2. - Омск, 2011. - С. 397-402.
10 Коньков, А. Ю. Основы технической диагностики локомотивов : учеб. пособие / А. Ю. Коньков. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2007. - 98 с.
Материал поступил в редакцию 15.05.18.
Л. Ю. Волкова1, Ю. П. Макушев2
Дизельдерде отын беру Yрдiсiн диагностикалау
Калининград мемлекетлк техникалык университет^ Калининград к., 236000, Ресей Федерациясы;
2Ci6ip мемлекетлк автомобиль-жол университетi (СибАДИ),
Омск к., 644080, Ресей Федерациясы.
Материал баспаFа 15.05.18 тYстi.
L. Y. Volkova1, Y. P. Makushev2
Diagnosis of fuel delivery process in diesel engines
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, 236000, Russian Federation;
2Siberian State Automobile and Highway Academy (SibADI),
Omsk, 644080, Russian Federation.
Material received on 15.05.18.
Мацалада отын цысымын анъщтауга жэне отын аппаратурасыныц (ОА) жылжымалы бвлшектерШц орын ауыстыруын жазуга арналган тYрлендiргШтер царастырылган. Сораптыц штуцерiндегi цысымды жэне айдагыш цацпацшаныц журкт аныцтауга арналган аралас тyрлендiргШ усынылды. ТyрлендiргШтiц тулгасы 6ip мезгшде сорап штуцерi болады, бул оган дизельдi пайдалану кезтде жумыс жасауга жэне ОА техникалыц жагдайын аныцтауга мумкшдж бередi.
Кубырлы жолдыц кез-келген жершде отынныц цысымын влшеу ушт AVL фирмасыныц немесе ПД-6 жапсырма тyрлендiргШiнiц цурылысы усынылган. Зерттеулер нэтижелерi бойынша индуктивтi тyрлендiргШi жазган инешц цозгалысы мен форсунканыц жабыц квлемiндегi цысымныц взгеруi бiр-бiрiне сэйкес. Тозацдатцыш инестщ цозгалысын отынныц форсункадан агу жолында орнатылган твмен цысымды тyрлендiргШтiц квмегiмен аныцтау усынылган.
ОА техникалыц жагдайын отын цысымы осциллограммасыныц сипатты нуктелер мен телiмдер талдауы бойынша диагностикалау тэсш усынылды.
The article deals with sensors to determine the fuel pressure and to record the action of moving parts of the fuel equipment (FE). A combined sensor is proposed to determine the pressure in the pump and the positive progress of the valve. The sensor housing is both fitting pump that allows function of the sensor during operation of a diesel engine and to determine FE technical condition by the change in the waveform injection process.
To measure the fuel pressure anywhere in the pipeline it is proposed to use the surface sensor PD-6 or AVL. Studies have shown that the movement of the needle recorded by the inductive sensor in the form of a «spacer» and the pressure change in the closed volume of the injector are equivalent to each other. It is recommended to determine the movement of the sprayer needle using a low-pressure sensor installed in the drain line of fuel leaks from the injector.
A technique for diagnosing the technical state of FE by analyzing the characteristic points and sections of the oscillogram of the fuel pressure is proposed.
