dis_volkova_l_yu

31

Недостатком данного способа диагностирования является невозможность записи полного хода иглы, что не позволяет определить ход иглы до упора,

скорость подъема и посадки.

Рисунок 1.10 – Неисправности форсунки: а – поломка пружины;

б– защемление иглы в направляющей распылителя

1.5.Способ диагностирования топливной аппаратуры по изменению

температуры деталей

В процессе работы двигателя внутреннего сгорания химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию. В камере сгорания температура достигает более 2 000 К. Все детали и узлы двигателя нагреваются. Для отвода части теплоты (20 – 30 %) применяют систему охлаждения. На заданном уста-

новившемся режиме работы двигателя температура его деталей достигает опре-

деленного постоянного значения. При исправном состоянии всех механизмов и

32

систем двигателя температурное поле поверхностей двигателя достигает опре-

деленного допустимого значения. Техническое состояние дизель-генераторной установки зависит от изменения температуры ее узлов.

Ксредствам контроля температуры относят:

–пирометры яркостные, цветовые, радиационные, действие которых осно-

вано на фотоэлектрической, визуальной и фотографической регистрации ин-

тенсивности теплового излучения нагретых тел до определенной температуры;

– тепловизоры с оптико-механическим сканированием, применяемые для анализа теплового излучения объектов на средневолновом участке (2 – 15 мкм).

Тепловизор позволяет выделить на тепловом изображении объекта область одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на кинескопе.

В нижней части кадра формируется серая или цветная шкала, используемая для измерения температуры. Яркость отдельных участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад.

В работе [26] исследовалось влияние технического состояния форсунок ТА от изменения температуры поверхности нагнетательного трубопровода. Из-

вестно, что в процессе подачи топлива трубопровод, соединяющий насос высо-

кого давления с форсункой, нагревается. Температура нагрева зависит от тре-

ния топлива о стенки трубопровода. Величина трения зависит от шероховато-

сти внутренней поверхности трубопровода, давления, скорости движения и вязкости топлива. Трение в виде теплоты рассеивается в окружающем про-

странстве.

Для проведения бесконтактного теплового контроля использовались пиро-

метр Raytek Minitemp, портативный компьютерный термограф (тепловизор)

ИРТИС 2000, состоящий из приемной камеры, компьютера типа NOTERBOOK

и специального программного обеспечения.

При работе двигателя 6ЧН 16/22,5 на режиме малых нагрузок с мощностью

22,7 кВт при 450 мин-1 для всех шести цилиндров определялись давление в конце сжатия, максимальное давление сгорания и температура поверхности

33

нагнетательного трубопровода. Затем в двигателе была проведена замена ме-

стами (переустановка) форсунок. На цилиндры 1, 2, 3 были установлены фор-

сунки 4, 5, 6 цилиндров, а на 4, 5, 6 – 1, 2, 3. Давление в конце сжатия практи-

чески осталось на прежнем уровне, поэтому влияние износа цилиндра и порш-

невых колец было исключено. Исследование показало, что повышение в пер-

вом цилиндре давления сгорания топлива с 2,6 до 5,2 МПа (увеличена цикловая подача топлива) способствовало росту температуры поверхности нагнетатель-

ного трубопровода с 33 до 42 оС. Температура изменилась и в остальных нагне-

тательных трубопроводах [26].

Анализ результатов исследования показал, что по изменению температуры поверхности трубопровода можно определить техническое состояние форсу-

нок. Если для известных неисправностей топливной аппаратуры (износ плун-

жерной пары, образование кокса в распылителях форсунок, потеря подвижно-

сти иглы, снижение давления открытия иглы) определить изменение темпера-

туры поверхности нагнетательного трубопровода, это позволит проводить диа-

гностирование по изменению температуры, определять вид неисправности.

Недостатком данного способа является сложность проведения контроля технического состояния ТА, не исключено влияние температуры деталей дви-

гателя на изменение температуры поверхности нагнетательного трубопровода.

1.6. Диагностирование топливной аппаратуры по анализу импульса давления в топливопроводе

1.6.1. Диагностирование топливной аппаратуры с использованием накладного пьезоэлектрического датчика давления

При разработке диагностических систем дизельных двигателей основное внимание уделяется работе топливной аппаратуре (ТА). Настройкой ТА опре-

деляются важнейшие характеристики процесса сгорания топлива – момент вос-

пламенения топлива в цилиндре и качество его последующего сгорания. В за-

34

висимости от типа двигателя, его конструкции и совершенства на долю ТА приходится до 30 % неисправностей (отказов).

Современное состояние системы ремонта двигателей внутреннего сгора-

ния предъявляет свои требования к диагностическим системам. В первую оче-

редь это универсальность диагностического оборудования, применяемость к различным типам двигателей. Во-вторых, это возможность выполнения диагно-

стических работ в условиях эксплуатации на частичных режимах работы двига-

теля или даже на холостом ходу.

Эффективность работы двигателя в основном зависит от состояния ТА.

Техническое состояние ТА можно определить по анализу давления в топливо-

проводе и анализу хода иглы распылителя форсунки.

Диагностирование ТА проводят следующими методами:

1.Осциллографируют процесс подачи топлива, фиксируя импульс давления

втопливопроводе. Полученную диаграмму сравнивают с эталонной (контроль-

ной) диаграммой и определяют техническое состояние ТА.

2. Опытную диаграмму сравнивают с набором диаграмм, полученных с за-

ведомо известными характерными неисправностями (например, потеря по-

движности иглы распылителя). Эффективность данного метода диагностики за-

висит от набора имеющихся в базе данных диаграмм с известными неисправ-

ностями и сравнения их при помощи ЭВМ с контрольной диаграммой.

3. Сравнивают опытную характеристику подачи топлива с расчетной харак-

теристикой.

Неисправности топливной аппаратуры рекомендуется определять при по-

мощи зажимного (съемного) датчика [23, 27], пьезоплёнка 8 которого (рисунок

1.11) при помощи специального устройства прижимается к цилиндрической поверхности трубопровода высокого давления 7. Пленка датчика обладает пье-

зоэлектрическими свойствами. Такие свойства имеют, например, фторсодер-

жащие полимерные пленки. Обе поверхности пленки металлизируются для возможности съема разности потенциалов.

35

При радиальной деформации трубки (до 0,001 мм) изменяется сопротивле-

ние пьезопленки, а при помощи усиливающей и регистрирующей аппаратуры фиксируется импульс давления, по анализу которого определяется состояние насоса высокого давления и форсунки. В качестве отрицательного электрода используется топливопровод, который связан электрически с внутренней по-

верхностью через медную фольгу 5. Наружная поверхность пленки связана со штырьковой клеммой при помощи электрода 4.

Датчик давления зажимной выпускает австрийская фирма AVL с рычаж-

ным или с винтовым креплением. Размер внутренней полости датчика должен обязательно соответствовать значению наружного диаметра топливопровода

(6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 мм).

Рисунок 1.11– Датчик давления съемный (зажимной):

1 – неподвижный корпус датчика; 2 – подвижный корпус датчика;

3 – упругий элемент; 4 – наружный электрод; 5 – внутренний электрод

(медная фольга); 6 – петля; 7 – трубопровод; 8 – пьезопленка;

9 – ручка прижимного устройства; 10 – гнездо датчика

При определении момента начала подачи топлива (опережения впрыска)

рекомендуется закреплять датчик у форсунки. Так, при скорости звука в топли-

ве 1 200 м/с, частоте вращения вала насоса 2 000 мин-1, длине топливопровода

0,5 м погрешность при установке датчика у насоса составит 0,0004 с или 4,8 о.

36

Это один из недостатков датчика, связанный с местом его установки для изме-

рения импульса давления в топливопроводе.

На рисунке 1.12 показана диаграмма изменения давления топлива тепло-

возного дизеля 10Д100, которая записана при помощи накладного пьезоэлек-

трического датчика [23]. На диаграмме показаны характерные точки, по анали-

зу положения которых определяют состояние топливной аппаратуры.

Рисунок 1.12 – Диаграмма давления топлива, записанная накладным датчиком: 1 – рост давления; 2 – начало впрыска топлива; 3 – окончание нагнетания топлива плунжером;

4 – посадка иглы; 5 – колебание остаточного давления

Расстояние между точками 2 и 4 по горизонтали представляет собой про-

должительность впрыска. По положению точки 2 относительно ВМТ опреде-

ляют угол опережения впрыска. Точка 1 позволяет определить величину оста-

точного давления, работу нагнетательного клапана и геометрическое начало подачи топлива насосом высокого давления. По точке 2 определяют начало подъема иглы (начало подачи топлива в камеру сгорания) и величину динами-

ческого давления открытия иглы распылителя. Точка 4 определяет конец по-

садки иглы на седло. По изменению характерных точек на диаграмме давления топлива определяют состояние насоса, форсунки и возможные их неисправно-

сти [23].

На рисунке 1.13 приведена диаграмма изменения давления в топливопро-

воде при работе ТА с потерей подвижности иглы распылителя форсунки.

37

Игла может быть защемлена в результате механических или термических напряжений, наличия абразивных частиц, кокса в зазоре между иглой и направляющей. При защемлении иглы в конце ее подъема форсунка работает,

как открытая при малом постоянном давлении. В этом случае идет процесс вы-

жимания топлива через открытые сопловые отверстия. На диаграмме (см. рису-

нок 1.13) нет характерного пика высокого давления. Нарушается дальнобой-

ность факела распыленного топлива. Мощность двигателя снижается, увеличи-

вается расход топлива. Горячие газы проникают в полость распылителя, спо-

собствуя образованию кокса в сопловых отверстиях. Данное нарушение являет-

ся отказом и требует замены распылителя.

Рисунок 1.13 –Потея подвижности (заклинивание) иглы в направляющей корпуса распылителя

Давление начала открытия иглы снижается в результате износа сопряжен-

ных поверхностей (штанга-игла, штанга-пружина, игла-конус). В эксплуатации допускается снижение давления начала открытия иглы до 20 % от требуемого заводом-изготовителем (например, нормативное 30 МПа, а допустимое

24 МПа). При уменьшении давления начала подъема иглы снижается макси-

мальное давление в линии нагнетания. Продолжительность впрыска увеличива-

ется, снижается мощность двигателя, повышается расход топлива. Разброс дав-

ления открытия иглы в отдельных форсунках способствует неравномерному впрыску топлива по цилиндрам, что повышает нагрузки в деталях КШМ.

38

Данный способ определения потери подвижности иглы обладает опреде-

ленным недостатком. Он не определяет участок (место) защемления (начало,

середина или конец хода иглы). Использование датчика для записи хода иглы определит место защемления, более точно позволит оценить начало (угол опе-

режения впрыска топлива) и продолжительность впрыска.

1.6.2. Диагностирование топливной аппаратуры с использованием датчика давления тензометрического типа

В качестве носителя информации о техническом состоянии форсунки мо-

жет быть изменение давления топлива в топливопроводе или изменение хода иглы [28]. Любое нарушение технического состояния форсунки будет влиять на величину и характер давления в трубопроводе в момент впрыска и в период между впрысками. Для регистрации давления использовался мембранный тен-

зометрический датчик. Наиболее точную информацию о состоянии форсунки определяет датчик при установке его на входе в форсунку.

Для определения различных неисправностей форсунки необходим такой режим работы, при котором анализ осциллограммы давления топлива на входе в форсунку давал бы однозначный ответ. Кроме того, на больших цикловых по-

дачах и частотах вращения вала двигателя увеличение зазора в распылителе выше предельного незначительно влияет на изменение давления в трубопрово-

де. В данном случае игла достигает упора и за период впрыска топлива своим торцом плотно прижимается к ограничивающей поверхности корпуса форсун-

ки, закрывая путь утечкам топлива. На малых частотах вращения вала насоса nн

увеличение зазора в распылителе значительно уменьшает давление в трубопро-

воде (игла не достигает упора и топливо вытекает из форсунки через зазор в распылителе в период впрыска), ухудшая процесс подачи топлива.

Для проведения диагностирования по изменению давления был предложен контрольный режим работы топливной аппаратуры дизеля Д-440 с цикловой подачей qц =100 мм3 и частотой вращения вала насоса nн = 600 мин-1. Фор-

39

сунка была отрегулирована на давление открытия иглы 16 МПа. Вид неисправ-

ности форсунки определялся сравнительным способом по изменению харак-

терных точек и участков на диаграмме давления. Для этого были сняты осцил-

лограммы (импульсы давления) с известными неисправностями форсунки.

Последовательность диагностирования сравнительным способом по

изменению давления на входе в форсунку следующая:

1. Для ТА с данными, соответствующими нормативно-технической или конструкторской документации, на режиме малых нагрузок при помощи датчи-

ка фиксируют эталонный (контрольный) импульс давления топлива в трубо-

проводе 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 (контроль-

ным). Если он изменен, то путем сравнения, с заранее снятыми осциллограм-

мами, определяется вид неисправности.

На контрольном режиме для исправной топливной аппаратуры была снята эталонная осциллограмма (рисунок 1.14), имеющая характерные точки и участ-

ки. Для анализа импульса давления топлива в трубопроводе Pф на осцилло-

грамме имеется линия атмосферного давления Pо и отметка времени 0,002 с.

Рисунок 1.14 – Эталонный импульс давления топлива у форсунки Рф и линия атмосферного давления Ро

40

На эталонной (контрольной) диаграмме давления выделим характерные точки и участки: 1 − остаточное давление в топливопроводе; 2 − начало по-

вышения давления на входе в форсунку; 3 − изменение давления вследствие поднятия нагнетательного клапана; 4−5 − падение давления в результате подъ-

ема 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 отра-

женной волны.

На рисунке 1.15 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 волной, снижение амплитуды отраженной волны.

Рисунок 1.15 – Снижение давления открытия иглы на 20 %

Для форсунки с закоксованными сопловыми отверстиями характерным яв-

ляется наличие двух отраженных волн, давление в трубопроводе увеличивает-

ся, удлиняется участок 2−8, возрастает величина остаточного давления, умень-

шается проходное сечение, что приводит к увеличению продолжительности впрыска, понижению подачи топлива, уменьшению мощности и экономичности двигателя.