CC BY
174
уДК 621.43.032:629.083 Д. М. СМИРНОВ
С. В. РОСЛОВ Е. С. ТЕРЕЩЕНКО Д. В. ШАБАЛИН
Омский автобронетанковый инженерный институт
МЕТОД ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЕЙ
Проведен анализ методов диагностирования топливной аппаратуры высокого давления, определены основные недостатки существующих методов диагностирования топливной аппаратуры высокого давления и предложен метод диагностирования по дифференциальным характеристикам топливоподачи. Метод отличается достаточно низкой трудоемкостью и возможностью применения диагностирования в эксплуатационных условиях.
Ключевые слова: топливоподача, топливная аппаратура, диагностирование, дизель.
Используемые на практике методы определения технического состояния дизелей, как правило, требуют временной остановки, для частичной разборки узла или агрегата, а любая разборочно-сбороч-ная операция, даже если деталь не ремонтируется, снижает срок службы узла до 15 — 20 % [1]. Поэтому для определения технического состояния стремятся использовать современные бесконтактные и неразборные методы диагностирования, основанные на анализе выходных параметров, функционально связанных со структурными параметрами. Бесконтактное диагностирование дизелей является подсистемой информации для управления техническим состоянием многоцелевых гусеничных и колесных машин и позволяет определить повреждения систем и элементов дизеля без разборки до наступления неисправности или отказа [2].
Этим объясняется тот факт, что в настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию новых и совершенствованию известных методов диагностирования топливной аппаратуры дизелей ведущими учеными, научно-исследовательским институтом бронетанковой техники, научно-исследовательским институтом автомобильной техники и другими научными учреждениями [1, 3].
Существующие методы диагностирования и определения технического состояния топливной аппаратуры дизелей [2, 4] можно разделить по диагностическим показателям и параметрам на три группы:
— диагностирование по показателям работы двигателя;
— диагностирование по параметрам топливной аппаратуры;
— диагностирование по характеристикам работы топливной аппаратуры.
Рассмотрим возможности использования указанных методов диагностики для оценки технического состояния топливной аппаратуры двигателей многоцелевых гусеничных и колесных машин.
Оценка технического состояния системы топливо-подачи по основным показателям работы дизеля является наиболее распространенным методом. При контроле технического состояния топливной аппаратуры по показателям работы дизеля оценку производят по косвенным признакам. При этом выявление неисправностей даже опытными механиками более чем в 50 % случаев может быть ошибочным. По данным профессора Н. С. Ждановского, субъективным методом по косвенным признакам не всегда возможно обнаружить снижение мощности двигателя на 15 — 20 %, а следовательно, ухудшение технического состояния системы топливоподачи [1].
По максимальному и минимальному числу оборотов дизеля на холостом ходу контролируют работу регулятора. В то же время холостые обороты двигателя не всегда отражают скоростной режим, удерживаемый регулятором под нагрузкой [3]. Поэтому рекомендуется проверять число оборотов дизеля под нагрузкой. Достоверность субъективного определения технического состояния топливной аппаратуры по дымности отработавших газов и по стукам невысока.
Анализ источников технической литературы показал, что среди методов инструментального определения мощностных показателей быстроходного четырехтактного дизеля наиболее приемлемыми являются [3, 5, 6]:
— безтормозной метод профессора Н. С. Жда-новского;
— парциальный метод;
— метод определения мощности дизеля по пробегу.
Сущность двух первых методов заключается в том, что двигатель работает с несколькими выключенными цилиндрами. Нагрузка на работающие цилиндры осуществляется за счет механических потерь в выключенных цилиндрах и нагрузочных устройств. По числу оборотов, развиваемых двигателем, определяется мощность работающего цилин-
дра. Одновременно производят замер расхода топлива работающими цилиндрами. Предложенные методы позволяют определять общее техническое состояние дизеля. Однако оценка состояния топливной аппаратуры по показателям работы дизеля может привести к значительным ошибкам, так как снижение мощности и повышение расхода топлива не всегда бывают вызваны неисправностями топливной аппаратуры. Так, потеря компрессии в цилиндрах двигателя сопровождается увеличением расхода топлива более чем на 4 — 6 %. При образовании нагара в камере сгорания или при снижении температуры в системе охлаждения ниже 75 — 85 °С расход топлива увеличивается на 7—12 % [1, 6].
Таким образом, ухудшение показателей работы дизеля может быть вызвано нарушением работы не только топливной аппаратуры, но и других агрегатов и систем двигателя. Поэтому показатели работы дизеля не характеризуют однозначно состояние его топливной аппаратуры и не могут служить диагностическим критерием.
Рассмотренный газоаналитический метод оценки состояния топливной аппаратуры (ТА) по содержанию в отработавших газах на дизеле Д-240 показал, что по содержанию в отработавших газах сажи и СО2 можно оценивать качество процессов смесеобразования и сгорания. И на основе результатов этого эксперимента предлагается определять техническое состояние топливной аппаратуры высокого давления различных дизелей [5].
С введением нормирования выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, охват параметров этим методом диагностирования существенно расширился. Вместе с тем по результатам диагностирования трудно судить о конкретном дефекте в топливоподающих системах и количественных характеристиках параметров технического состояния топливных насосах высокого давления.
Анализ источников литературы и опыт эксперимента показал, что процесс топливоподачи в дизеле в значительной мере определяется работой плунжерной пары топливного насоса высокого давления. Износ плунжерной пары приводит к нарушению процесса топливоподачи, который заключается в увеличении неравномерности подачи топлива на всех скоростных режимах, и особенно — на режиме пуска двигателя [1, 6].
Потери подачи топлива при износе плунжерной пары на пусковых режимах могут доходить до 70 — 75 %, в отличие от подачи топлива новой плунжерной парой [6]. Неравномерность подачи топлива при номинальном скоростном режиме увеличивается до 10—15 %, тогда как у новой плунжерной пары она составляет всего 3-5 %. При износе плунжерной пары происходит также заметное изменение продолжительности впрыска и запаздывание начала подачи топлива на малых оборотах. Это приводит к снижению эффективной мощности двигателя на 10—12 % и увеличению часового расхода топлива на 5 — 6 %. В целом прогрессирующий износ плунжерной пары существенно меняет закономерность подачи топлива [1, 4, 6].
Значительное влияние износов плунжерной пары на параметры впрыска и показатели работы дизеля привело к появлению различных методов оценки её технического состояния.
Наиболее распространенным из них является оценка состояния плунжерной пары по максимальному давлению. Впрыск топлива при оценке плунжерной пары может быть произведен в атмосфе-
ру или в глухую замкнутую камеру. Первым способом оценивают работу плунжерной пары с помощью максиметра. Опыт использования этого метода показал, что основной недостаток этого метода является непригодность его для количественной оценки гидравлической плотности плунжерной пары из-за малой точности прибора, неизбежных утечек топлива через иглу и малого диапазона давления (до 50 МПа) [1, 5].
Для оценки состояния плунжерной пары на двигателе может быть использовано измерение количества топлива, поданного через форсунку, при определенной скорости вращения вала насоса. Этот метод вследствие утечки топлива вдоль направляющей иглы распылителя вносит дополнительную погрешность при малых подачах, из-за большой трудоемкости и сравнительно малой точности он не получил широкого распространения [1, 2].
Таким образом, на основе анализа методов эксплуатационной оценки технического состояния плунжерной пары можно сделать вывод, что существующие методы оценки имеют малую точность и малопроизводительны. Кроме того, они не могут быть использованы для целей диагностики вследствие необходимости значительного количества разборочных работ [1, 6].
Влияние нагнетательного клапана на характеристики топливной аппаратуры определяется износом разгрузочного пояска, что ухудшает качество отсечки топлива, повышает остаточное давление в трубопроводе и приводит к образованию подвпрыска. Это в значительной мере снижает экономические и мощностные параметры дизеля.
Наиболее распространенным для топливных насосов является контроль состояния клапана по запорному конусу с помощью моментоскопа. Присоединив моментоскоп к штуцеру топливного насоса, в него подают топливо, медленно вращая вал насоса. Если столб топлива падает за время менее двух минут, то нагнетательный клапан признают изношенным. Этот метод позволяет проверить состояние нагнетательного клапана лишь по запорному конусу, но не учитывает состояние разгрузочного пояска [3, 5].
Важным параметром, характеризующим работу системы топливоподачи, является продолжительность и опережение подачи топлива. В процессе эксплуатации угол опережения впрыска топлива изменяется вследствие износа прецизионных деталей насоса высокого давления и деталей механизма привода вала насоса. Изменение угла опережения впрыска приводит к плохому пуску дизеля, снижению мощности и повышенной дымности отработавших газов. При чрезмерно большом угле опережения впрыска топлива двигатель работает достаточно жестко [2].
Большинство методов, предложенных для определения угла опережения и продолжительности впрыска, используются для диагностирования тракторных дизелей. При эксплуатации автомобильных дизелей рекомендуется определять угол опережения подачи топлива по моментоскопу. Этот метод определения угла опережения подачи топлива дает удовлетворительные результаты только при новой плунжерной паре и новом нагнетательном клапане [1, 3, 5].
Известны методы диагностирования топливных насосов высокого давления, которые реализуют, разработанный для определения углов опережения подачи и продолжительности впрыска, использова-
ние которых связано с минимальным вмешательством в работу топливной аппаратуры. Общий их принцип в том, что датчик монтируют в трубопровод высокого давления, либо устанавливается в ответвление трубопровода форсунки [1, 4].
Отрицательные стороны этих методов определения угла начала впрыска заключается в необходимости доступа к маховику или какому-нибудь шкиву двигателя, имеющему угловые метки, по которым стробоскопом делают замеры. Перспективу устранения этого неудобства видят в установке на двигатель импульсного датчика, соответствующего верхней мертвой точке (подобные датчики нашли широкое применение в системах впрыска топлива бензиновых двигателей легковых автомобилей), при сопоставлении сигнала которого с контролируемым импульсом можно определить значение угла опережения впрыска топлива.
Одним из важных показателей топливной аппаратуры является производительность секции насоса высокого давления. Замер расхода топлива может быть произведен со снятием отдельных форсунок диагностируемого дизеля или по эталонной форсунке [1—3].
Вышесказанное свидетельствует о невысокой эффективности существующих методов диагностирования топливной аппаратуры высокого давиении.
Проведённый анализ методов диагностирования топливной аппаратуры по параметрам её работы позволяет сделать следующие выводы:
— основной недостаток методов диагностирования топливной аппаратуры с помощью механических средств — неизбежное вмешательство в нормальное функционирование системы питания, с производимой частичной разборкой топливной аппаратуры;
— большинство методов диагностирования разрабатывалось применительно к тракторным да ига -телям;
— установка приборов на топливную аппаратуру дизелей многоцелевых гусеничных и колесиых машин технологически неудобна, так как необходим значительный объем разборочно-сборичных работ;
— методы диагностирования направлены еа определение отдельных параметров, поэтому для комплексной оценки технического состояния топливной аппаратуры необходимо применятьодно-временно несколько приборов и приспособлений.
Большой потенциал в диагностировании топеив-ных насосов высокого давления по осцшсоограм-мам давления топлива в линии нагнетания отмечают многие ученые [1—3]. Так как процесс топливо-подачи формируют все элементы топливной аппаратуры, то давление топлива, как показатеоь этого процесса должно отражать все изменения состояния элементов при их взаимосвязи друг с др^дм, и метод диагностирования по дифференциальоым характеристикам топливо подачи отвечает данным требованиям.
Современное развитие измерительной тахники, электроники, эксплуатации топливных насосов,из-учения теории процесса топливоподачи позволила избежать указанных ошибок при разработке отгго перспективного метода.
Более глубокая проработка этого метода с учетом требований, предъявляемых к нему на основе проведенного выше анализа, позволит получать более полную и точную информацию о работоспособности ТА, её функционировании и техническом со-
стоянии с учетом всех элементов системы. Такой объем диагностической информации позволит перейти к обслуживанию ТА по техническому состоянию.
Таким образом, исходя из результатов проведенных теоретических исследований, можно предположить, что применение разработанного в Омском автобронетанковом инженерном институте метода диагностирования топливных насосов высокого давления по дифференциальным характеристикам топливоподачи позволит более точно оценить техническое состояние ТА при рациональных ресурсных затратах.
В Омском автобронетанковом инженерном институте на кафедре двигателей разработан метод диагностирования топливной аппаратуры высокого давления, который заключается в диагностировании топливного насоса высокого давления по дифференциальным характеристикам топливоподачи.
Метод диагностирования топливной аппаратуры высокого давления основан на изменении характеристики нагнетания топливного насоса высокого давления.
На протекание процесса топливоподачи существенное влияние оказывают характеристики на-гиеганиятоалива топлпеным нгсосои гысокоги -ае-ления:
аУи(Фи) / Ы = 4Со - Н-о4л/(2/ Р)^(Ри - Рве) -- (2/ Р К/(Ри - Рве) - {кЫК / Ы
(1)
где а — коэффициент сжимаемости топлива; V — объем топлива в надплунжерном пространстве;
рн — давление топлива в надплунжерном пространстве;
1С0 — скорость объемного вытеснения топлива при движении плунжера;
10 — эквивалентное проходное сечение отсечного тракта;
рВС — давление во всасывающей полости насоса; ¡ищ Щ — эквивалентноепроходноесечениенагнета-тельного клапана;
1 — площадь нагнетательного клапана по разгрузочному пояску;
hк — подъем нагнетательногоклапана.
Разработанный диагностический метод, обеспечивает повышение производительности диагностирования на15 %,не снижая достоверности выносимого диагноза, что положительносказывается на общей боеготовности подразделения, за счет снижения времени технического диагностирования и снижения количества личного состава, задействованного в процесстехническогообслуживания. Разработаны рекомендации по внедрению разработанного метода диагностированиявсистему сервисного обслуживания многоцелевых гусеничных и колесныхмашин и технические условия на проведение диагностирования. Проведен расчет экономической эффективности предлагаемого метода диагностирования, который показал, что данный способ окупится через 0,9 года и принесет экономию денежных средств в размере 1200 рублейнаодинобъект диагностирова-ния,оснащенный дизелем.
Существенным преимуществом данного метода перед другими является возможность достаточно полного расчета характеристики нагнетания топливного насоса высокого давления с учетом возникающих дифференциальных явлений, что по-
зволяет проводить оценку проводимых изменений конструкции топливного насоса высокого давления с точки зрения их эффективности, значительно сокращая затраты времени и материалов на проведение диагностирования топливной аппаратуры высокого давления.
Библиографический список
1. Ждановский, Н. С. Надежность и долговечность автотракторных дизелей [Текст] / Н. С. Ждановский, А. В. Нико-лаенко. — Л. : Колос, 1981. — 296 с.
2. Ковалевский, Б. Г. Влияние износов прецизионных пар на показатели работы топливного насоса в режимах неустановившихся нагрузок [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : защищена 18.04.1984 : утв. 25.10.1984 / Б. Г. Ковалевский. — М., 1984. — 191 с.
3. Гольверк, О. А. Исследование эксплуатационной надежности топливной аппаратуры тракторов Т-74 [Текст] / О. А. Гольверк, В. Д. Бойко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1991. — Вып. № 15. — С. 55 — 60.
4. Прокопенко, Н. И. Разработка внешних средств диагностирования технического состояния танков и БМП [Текст] / Н. И. Прокопенко, В. И. Денисенко, С. Э. Дадаян // Вестник
академии военных наук. — М. : Воениздат, 2010. — № 3 (32). — С. 300-303.
5. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей [Текст] / Под ред. А. С. Орли-на. — М. : Машиностроение, 1998. — 455 с.
6. Ждановский, Н. С. Диагностика автотракторных двигателей [Текст] / Н. С. Ждановский. — Л. : Колос, 1977. — 264 с.
СМИРНОВ Антон Михайлович, адъюнкт кафедры двигателей.
РОСЛОВ Сергей Валерьевич, адъюнкт кафедры двигателей.
ТЕРЕЩЕНКО Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.
ШАБАЛИН Денис Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 28.04.2014 г. © А. М. Смирнов, С. В. Рослов, Е. С. Терещенко, Д. В. Шабалин
УДК 62143 068 А. М. СМИРНОВ
Д. В. ШАБАЛИН С. А. ПЕРОВ С. Э. ДАДАЯН
Омский автобронетанковый инженерный институт
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕЙ В ОСОБЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Специфические требования к двигателям армейских машин вытекают из той роли, которая отводится объектам ВАТ в условиях ведения боевых действий. Традиционной задачей военного двигателестроения является обеспечение устойчивой работы силовой установки в особых условиях эксплуатации. Под особыми условиями эксплуатации следует понимать экстремальные климатические условия, а также условия повышенной запыленности, высокогорья и т.д. Ключевые слова: двигатель, низкие температуры, наддувочный воздух, турбо -компре ссор.
Наибольший научный интерес представляет ра-босвкомбиниронанного ддселя в услодисх вкстре-молвно нсских семпооатур Крайнело Оевера.
Совершенство рабочего процсивли дизеле оценивается индикаторным КПД, обобщенное выражение котородо ямеееиид
л, =црава |1 - — МхПрТр
(1)
где Цравн — коэффициент равномеряости, улядытв-ющий изменение ц. вследствие изменениястрпе-ни равномерности распределения топлива пообъ-ему КС, ц — коэффициент состава смеси, учиты-
вающий изменение ц. при переходе от теоретически нес йтодимиао ооотснаспвтис любсму другому ц — коэффициент динамичности цикла, учитвша-ющян язмоненил г). с итменением степени повышения давления газов при сгорании, цр — коэффициент пспянвтся, учивыввющий итмнянние о- вслвд-ствие изменения плотности воздуха, поступающе-то в двнгaтeль, — относительное изменение ц вследствие перехода с оптимального скоростного режима,обеспечивающего Ц1гтх, к любому другому скоростному режиму, е — степеньсжатия дизеля, а — коэффициент избытка воздуха. Среди приведенных параметров наибольшее влияние на индика-
