CC BY
185
УДК 621.43.038-225
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЬНОЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ПО БАЛАНСУ
РАСХОДОВ
А.Н. Пойда, профессор, д.т.н., А.Н. Врублевский, доцент, к.т.н., Е.Ю. Зенкин, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Предложена методика оценки технического состояния элементов топливной аппаратуры аккумулирующего типа. Рассмотрена возможность оптимизации регулирования подачи топлива на основе двухканального управления системой.
Ключевые слова: диагностика дизельного двигателя, аккумуляторная система топливоподачи, регулятор давления топлива, топливный насос высокого давления (ТНВД).
Введение
Топливная аппаратура (ТА) аккумулирующего типа с электронным управлением быстроходных дизелей обеспечивает высокую точность и равномерность дозирования топлива от цикла к циклу и по цилиндрам двигателя, что в свою очередь повышает экономичность дизеля и снижает выбросы вредных веществ. Вместе с этим большинство находящихся в эксплуатации аккумуляторных систем топ-ливоподачи имеют значительные затраты мощности (до 4 кВт [1]) на обеспечение высокого (до 150 МПа и выше) уровня давления в системе. Обычно цикловая подача составляет всего от 0,1 % до 1 % от общего количества топлива, находящегося в линии высокого давления.
Из этого следует, что для эффективного впрыскивания топлива в цилиндр дизеля необходимо располагать значительным запасом производительности топливных насосов. Соответственно, снижение производительности может привести к уменьшению величины цикловой подачи. Основываясь на определении расходов топлива в линии низкого давления системы, можно решать такие задачи:
- оценить техническое состояние находящейся в эксплуатации топливной системы;
- оптимизировать баланс топливоподачи в опытной ТА аккумулирующего типа и тем
самым снизить затраты мощности на функционирование системы.
Состояние проблемы
В настоящее время оценка расходов в линиях обратного слива топлива используется только для определения равномерности работы форсунок и их технического состояния [2]. При проведении диагностирования автомобиля расходы в линиях регулятора и ТНВД не измеряются. В ходе испытаний опытной ТА аккумулирующего типа для высокооборотного отечественного дизеля серии ДТ также не уделяется достаточно внимания балансу расходов топлива [3].
Цель и постановка задачи
Для определения технического состояния элементов дизельной ТА аккумуляторного типа необходимо располагать данными по расходам топлива в линии низкого давления. Обоснование выбора контрольных точек замера расхода топлива, разработка методики определения баланса расхода являются задачами данного исследования.
Решение поставленной задачи
Для аккумуляторной системы топливоподачи общее количество топлива, поступающего из бака автомобиля, можно разделить на сле-
дующие отдельные потоки - расход через форсунки (цикловая подача и техническая подача на управление форсункой), расход топлива через регулятор давления топлива. Необходимый уровень давления в аккумуляторе Рак поддерживается дросселированием топлива на выходе из аккумулятора, которое осуществляется регулятором давления. Проходное сечение электромагнитного клапана регулятора давления зависит от скважности сигнала ШИМ, подаваемого на катушку электромагнита. В большинстве современных систем управления регулятор подключен по схеме с постоянной массой и коммутацией напряжением +12 В.
Положение клапана зависит от баланса сил давления топлива Рт, пружины Рпр, магнитодвижущей силы Рм (рис. 1). Сила предварительной деформации пружины регулятора такова, что при отключенном электромагните в аккумуляторе устанавливается
/
12 3 4
Рис. 1. Регулятор давления топлива: 1 - запорный элемент клапана; 2 - якорь электромагнита; 3 - обмотка электромагнита; 4 - пружина регулятора
Расход топлива через регулятор можно определить по формуле
где Ц/рдт - эффективное проходное сечение клапана; Рак и Р0 - давления в аккумуляторе и в линии низкого давления, соответственно; рт - плотность топлива.
В регуляторе давления вероятны следующие отказы: поломка пружины, потеря жесткости пружины, короткое замыкание в обмотке
электромагнита, переходное сопротивление в электрическом разъеме регулятора, попадание микрочастиц на седло запорного элемента клапана, деформация сферы клапана. Предложенный метод выявления неисправностей регулятора давления топлива базируется на следующих особенностях работы системы: регулирование топливоподачи в аккумуляторных системах должно осуществляться в широком диапазоне давлений 16 -200 МПа и расходов [1, 2, 4]. Так как регулирование одноканальное - по регулятору давления, то проходное сечение регулятора и баланс сил на его клапане также меняются в широком диапазоне.
Как показал эксперимент, существуют такие режимы работы регулятора, когда истечение топлива через его проходное сечение становится неустойчивым. Скачкообразно смещается баланс сил на запорном клапане регулятора, и происходит неконтролируемый сброс давления из аккумулятора. В условиях эксплуатации транспортного средства система управления с обратной связью устанавливает требуемый уровень давления, производительность ТНВД и проходное сечение регулятора таким образом, что во всем рабочем диапазоне двигателя не возникает ситуаций, когда регулятор попадает в зону своей неустойчивой работы.
Методика диагностирования регулятора давления топлива основана на том, что при отклонении технических параметров регулятора давления топлива от номинальных существует возможность выхода его за пределы допустимого диапазона по расходам даже при штатных режимах работы ТА дизеля. При возникновении дисбаланса сил на клапане регулятора давления возникают значительные по амплитуде колебания якоря электромагнита и, соответственно, запорного элемента клапана, что может быть зафиксировано с помощью датчика давления топлива в гидроаккумуляторе. Также дополнительной проверкой, подтверждающей наличие неисправности, является измерение расхода топлива в линии обратного слива топлива с гидроаккумулятора. Резкое увеличение расхода в ней на определенном режиме при прежних уровнях расходов в линиях обратного слива с ТНВД и форсунок будет свидетельствовать о неполадке. На рис. 2 представлен фрагмент осциллограммы сигнала датчика давления, записанный диагностическим комплексом,
О ; N юо ; ; 200 ; зоо ; I 400 ; 500 ; ; боо; ■ ; ?оо ; ; 800 ; ; 7, мс
Рис. 2. Изменение характера колебаний давления Рак при неисправности регулятора давления
на котором представлен момент неконтролируемого расхода топлива через регулятор давления. Необходимо отметить, что при попадании в зону неустойчивой работы регулятора давления моментов впрыскивания топлива цикловая подача будет отличаться от требуемой для данного режима работы двигателя, что визуально проявится в самопроизвольно изменяющихся оборотах и неравномерной работе двигателя. Как было указано выше, диагностирование различных узлов и агрегатов дизельного двигателя должно осуществляться не только в процессе эксплуатации транспортного средства, но и в период испытаний и доводки.
Методика выявления нестабильной работы регулятора давления топлива по сигналу датчика давления топлива и расходу в линии обратного слива используется при испытаниях топливной аппаратуры аккумуляторного типа для дизельного двигателя серии 4ДТНА. Как показал эксперимент, величина расхода топлива из гидроаккумулятора на слив и давление Рак являются основными факторами, которые вызывают нестабильную работу регулятора давления. В ходе проведения испытаний перспективной аккумуляторной ТА предложенная методика выявления нестабильных режимов работы регулятора позволила сделать следующий вывод. Организация баланса топливоподачи в аккумуляторной системе при противоречивом требовании обеспечения, с одной стороны, больших подач топлива на режиме максимального крутящего момента и номинальном режиме, с другой стороны, предельно малых (до 5 мм3) цикловых подач на холостом ходу, невозможна при одноканальном регулирова-
нии давления с помощью регулятора давления. В условиях низкой производительности ТНВД регулятор давления работает устойчиво, но при этом невозможно обеспечить увеличение давления Рак на переходном режиме при набросе нагрузки. Увеличение активного хода плунжеров насоса обеспечивает рост давления Рак до 120 МПа и более. Но в данном случае при Рак < 30 МПа, вследствие повышения расхода топлива через регулятор, возможно возникновение нестабильной работы клапана регулятора. Решением, позволившим расширить диапазон цикловых подач и исключить попадание в зону неустойчивой работы регулятора давления, является 2-канальное регулирование Рак., где в дополнение к дросселированию топлива на выходе из гидроаккумулятора изменяется объем топлива, нагнетаемый секциями ТНВД.
Рис. 3. Зависимость Рак от управляющего сигнала на регуляторе давления и производительности ТНВД
пдв мин
Рис. 4. Зависимость расходов в линиях ТА от пдв: 2швд - расход в линии обратного слива с ТНВД; QРдТ - расход в линии регулятора давления топлива; QФoС - расход в линии обратного слива с форсунки; РАК - давление в топливном аккумуляторе
На рис. 3 представлена экспериментально полученная карта, по которой возможно определить рациональные положения дозирующей рейки ТНВД и скважности сигнала ШИМ для обеспечения заданного давления и расхода топлива на впрыскивание и управление электрогидравлической форсункой. Информативностью обладает расход в линии обратного слива ТНВД. В аккумуляторных системах топливоподачи эта величина зависит от давления, развиваемого топливоподкачивающим насосом (ТПН). По компоновке исполнения топливоподкачивающий насос может быть внешним или встроен в корпус ТНВД. Как показали эксперименты, количество сливаемого с ТНВД топлива определяется давлением, развиваемым ТПН и проходным сечением клапана или жиклера на сливе в ТНВД (зависит от конструктивного исполнения ТНВД). Предложена методика, позволяющая оценивать общее техническое состояние топливной аппаратуры по изменению расходов в линии обратного слива топлива с ТНВД и регулятора давления топлива.
На рис. 4 представлено изменение основных расходов по топливным линиям при увеличении оборотов двигателя и давления в топливном аккумуляторе в процентном соотношении для двигателя ОМ611. При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя пдв происходит рост давления Рак вследствие двух факторов - увеличения частоты вращения вала ТНВД, а соответственно, и подачи топлива в аккумулятор, и увеличения продолжительности импульса управления форсункой. При увеличении пдв с 800 до 1500 мин-1 (см. рис. 4) расход топлива на установку Рак увеличивается линейно в среднем на 35 см3/мин на 100 мин-1. При этом подача ТНВД с ростом пдв увеличивается, а Рак изменяется с 30 до 40 МПа. По достижении частоты вращения 2500 - 2600 мин-1 расход в линии обратного слива регулятора давления начинает снижаться. Одновременно с этим наблюдается рост давления топлива. Это обусловлено тем, что, несмотря на увеличивающуюся подачу топлива ТНВД, проходное сечение регулятора уменьшается при
увеличении длительности импульса управления. Расход в линии подкачивающего насоса увеличивается по мере увеличения оборотов двигателя при росте давления в корпусе подкачивающего насоса и ТНВД. По достижении давления 250 кПа открывается редукционный клапан, после чего расход в этой линии стабилизируется. При дальнейшем увеличении оборотов двигателя давление в корпусе ТНВД начинает снижаться, редукционный клапан закрывается. Данный эффект обусловлен следующими особенностями - при больших расходах в линии низкого давления топливный фильтр начинает оказывать значительное сопротивление потоку, причем это сопротивление будет тем более выражено, чем хуже его техническое состояние. Одновременно происходит увеличение требуемого количества топлива для ТНВД. Для расхода топлива в линии обратного слива с форсунки наблюдается следующая зависимость - при росте давления топлива в аккумуляторе давление повышается и в управляющей камере форсунки, соответственно расход в линии обратного слива форсунок растет.
Заключение
Предложен метод, позволяющий определять баланс расходов в аккумуляторной топливной аппаратуре.
Произведен выбор линий низкого давления, измерения расходов топлива, в которых позволяют составить достаточно достоверную
картину топливного баланса в системе топ-ливоподачи.
Предложена методика выявления неисправностей регулятора давления топлива.
Произведена оценка расходов топлива в линиях низкого давления для аккумуляторной топливной аппаратуры двигателей ОМ611 и 4ДТНА2.
Литература
1. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А.
Топливная аппаратура и системы управления дизелей: - М.: Легион-Автодата,
2004. - 344 с.
2. Зенкин Е.Ю. Диагностирование неисправ-
ностей топливной аппаратуры системы Common Rail путём измерения расхода топлива в линиях слива // Автомобильный транспорт. - Харьков: ХНАДУ. -
2005. - Вып. 17.
3. Губертус Гюнтер. Диагностика дизельных
двигателей. Серия «Автомеханик». - М.: ЗАО «КЖИ «За рулём», 2004. - 175 с.
4. BOSCH. Системы управления дизельными
двигателями. Узлы и агрегаты: Пер. с нем. - 1-е русское издание. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулём», 2004. - 480 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 5 июня 2008 г.
