dis_volkova_l_yu

51

Эталонная (контрольная) осциллограмма хода иглы распылителя дизеля

8ЧН 26/26 приведена на рисунке 1.22 и имеет 4 характерные точки. Подача топлива начинается в точке 1 за 10 о до ВМТ поршня. По анализу положения данной точки (по горизонтали) определяют фактический угол опережения впрыска топлива. По расстоянию между точками 1 и 4 оценивают продолжи-

тельность впрыска.

Рисунок 1.22 – Эталонная осциллограмма хода иглы:

точка 1 начало подъема иглы; 2 – достижение упора;

3 – начало посадки игл; 4 – посадка на седло;

1 – 4 – продолжительность впрыска

Техническое состояние ТА при работающем двигателе удобнее определять по изменению хода иглы, который можно зафиксировать индуктивным датчи-

ком (датчиком перемещения) при установке его в линии слива утечек топлива из форсунки.

1.10. Влияние технического состояния форсунок тепловозных дизелей на протекание рабочего процесса дизеля

Анализ экспериментальных данных [23,38], полученных с применением диагностического комплекса «Магистраль» в ряде локомотивных депо России и ближнего зарубежья, показал, что для тепловозных двигателей типов Д-49 и 11Д45 наиболее характерными неисправностями в эксплуатации являются:

– отклонение от нормативного значения угла опережения подачи топлива;

52

–разброс (неравномерность) цикловой подачи по цилиндрам;

–ухудшение качества распыливания (рисунок 1.23).

Известно, что на процесс горения топлива наибольшее влияние оказывает качество работы ТА. По данным диагностического центра локомотивного депо

«Основа» им. Кирова ЮЖД [40], разброс такого параметра, как фактический угол опережения впрыска топлива по цилиндрам двигателя 10Д100 после пяти лет эксплуатации увеличился на 3–5 о поворота коленчатого вала, что сказыва-

ется на изменении мощности.

Рисунок 1.23 – Распределение неисправностей тепловозных дизелей за период 1999 – 2002 гг.: а – дизель Д49; б – дизель 11Д45

В работе [23] предложены методика и программа расчета индикаторной диаграммы дизельного двигателя с учетом следующих диагностических пара-

метров:

–утечек заряда через зазоры между поршнем и цилиндром;

–изменения дифференциальной характеристики подачи топлива;

–угла опережения подачи топлива;

53

– цикловой подачи топлива.

Для построения математической модели процесса горения топлива и рас-

ширения взята модель, разработанная проф. Н.Ф. Розлейцевым [41, 42].

Для расчета скорости тепловыделения использованы следующие парамет-

ры:

–дифференциальная характеристика впрыскивания топлива;

–угол, соответствующий началу подачи топлива;

–угол начала воспламенения топлива в цилиндре;

–угол, соответствующий окончанию подачи топлива;

–размеры цилиндра и камеры сгорания;

–массовый заряд воздуха.

На рисунке 1.24 показана индикаторная диаграмма двигателя 16ЧН 26/26,

полученная экспериментальным (импульс 1) и расчетным (кривая 2) путем.

Рисунок 1.24 – Индикаторная диаграмма дизеля 16ЧН 26/26:

1 – экспериментальная; 2 – расчетная

54

Двигатель 16ЧН 26/26 работал на 15-й позиции контроллера при умень-

шенной цикловой подаче. Данная неисправность возможна при потере началь-

ной регулировки насоса высокого давления и уменьшения его цикловой пода-

чи, например, с 0,948 до значения 0,618 г/цикл. На рисунке 1.24 показано, что индикаторные диаграммы, полученные экспериментальным и расчетным пу-

тем, идентичны друг другу. Это говорит о том, что программа расчета, приве-

денная в работах [38, 39], с достаточной для практики точностью идентифици-

рует неисправности двигателя и ТА по анализу расчетной индикаторной диа-

граммы.

Протекание рабочего процесса зависит не только от компрессии (утечек заряда), но и от технического состояния форсунок и насоса высокого давления.

Следует отметить, что в форсунке окончательно формируется процесс топ-

ливоподачи. Она должна в нужное время подавать распыленное топливо в ка-

меру сгорания (это определяется углом опережения впрыска), обеспечивать не-

обходимую дисперсность (мелкость) распыливания и дальнобойность топлив-

ного факела.

1.11. Топливные системы аккумуляторного типа с электронным управлением

Современная система подачи топлива в КС дизеля должна автоматически изменять угол опережения впрыска, количество топлива, баллистику топливно-

го факела (тонкость распыливания, дальнобойность), форму дифференциальной характеристики впрыска в зависимости от режима работы двигателя.

Конструкция топливных систем с гидромеханическим управлением иглой распылителя форсунки не позволяет управлять процессом впрыска топлива.

Управлять процессом впрыска возможно путем применения аккумуляторных систем с электронным управлением иглы распылителя форсунки.

В последнее время создаются электронные устройства для управления углом опережения впрыска и законом (характеристикой) подачи топлива в со-

55

ответствии с режимом работы дизеля. К таким системам относится система электронного управления подачей топлива ЭСУВТ.01 [43] для дизеля

6ЧН31,8/33 тепловозов ТЭМ2, созданная в ООО «ППП Дизельавтоматика»

(г. Саратов). Система позволяет автоматически регулировать частоту вращения коленчатого вала дизеля. При этом обеспечивается регулирование угла опере-

жения впрыска топлива в пределах ±5 о по углу поворота коленчатого вала в за-

висимости от его частоты вращения. Система ЭСУВТ.01 позволяет индивиду-

ально по каждому цилиндру изменять продолжительность подачи топлива в пределах ±2 % от расчетной, полученной в процессе регулирования частоты вращения. Это позволяет обеспечить равномерную нагрузку по цилиндрам.

Кроме того, система обеспечивает:

–восьмипозиционное задание частоты вращения коленчатого вала;

–увеличение и снижение частоты вращения коленчатого вала при изме-

нении позиции контроллера машиниста;

–отключение любого цилиндра или части цилиндров путем выключения подачи управляющих сигналов на соответствующие электромагниты форсунок;

–ограничение величины подачи топлива по заданному закону в зависи-

мости от частоты вращения коленчатого вала, давления наддува, формирование двухфазной топливоподачи;

– остановку дизеля при выключении сигнала «Работа» с пульта управле-

ния и выключении питания системы, обрыве цепей датчиков частоты вращения коленчатого вала, фазовой отметке распределительного вала и синхронизации,

достижении предельной частоты вращения коленчатого вала, снижении давле-

ния в масляной системе дизеля ниже допустимой величины.

Электронная система впрыска уменьшает расход топлива на холостом ходу при минимальной частоте вращения коленчатого вала с 7,5 до 6,23 кг/ч. Систе-

ма обеспечивает устойчивую работу дизеля силовой установки 1-ПДГ4Д на хо-

лостом ходу с пониженной частотой вращения коленчатого вала , что приводит к дополнительному снижению расхода топлива.

Современный тепловозный дизель должен быть интеллектуальным [44] с

56

микропроцессорным управлением, что улучшит экологические и экономиче-

ские характеристики за счет высокого уровня индивидуальной оптимизации рабочего процесса в каждом цилиндре.

Наиболее эффективными из серийно выпускаемых аккумуляторных систем являются форсунки с электрогидравлическим и пьезоэлектрическим управле-

нием иглы, которые выпускает зарубежная фирма «Bosch». Внедрение в про-

изводство новых систем подачи топлива связано с необходимостью разработки современных методов диагностирования.

Рассмотрим систему подачи топлива Common Rail [45] c электрогидравли-

ческим управлением иглы форсунки, которая позволяет получать характери-

стики топливоподачи различной формы – однофазную, многофазную, ступен-

чатую. Многофазные характеристики применяют для снижения жесткости про-

цесса сгорания, повышения экономичности и уменьшения оксидов азота.

При ранней подаче в цилиндр малой (запальной) порции топлива (5 −

10 %) оно самовоспламеняется и горит, повышая температуру в камере сгора-

ния. В этот момент подается основная порция топлива, которая воспламеняется без задержки и сгорает более эффективно с малой жесткостью.

На рисунке 1.25 приведена аккумуляторная система впрыска с электрогид-

равлическим управлением иглы распылителя форсунки.

Из бака 1 топливо при помощи насоса низкого давления 6 подается через фильтр 7 в головку насоса высокого давления 3. Насос имеет три плунжера ма-

лого диаметра, расположенные радиально по окружности через 120 о. Величи-

на создаваемого давления регулируется клапаном, открытие которого происхо-

дит при помощи электромагнита, управляемого блоком 16.

На режиме холостого хода давление топлива достигает 40 – 50 МПа, а на режиме номинальной (полной) мощности и близких к нему – 100 – 200 МПа.

Давление, создаваемое насосом, по трубопроводу высокого давления 5 переда-

ется в аккумулятор 9. Аккумулятор 9 и форсунка 11 соединены при помощи трубопровода высокого давления. Полость распылителя заполнена топливом под давлением, которое создается в аккумуляторе 9. Дополнительно топливо

57

под давлением поступает через впускное отверстие в камеру управления иглой форсунки.

Рисунок 1.25 – Схема системы питания дизелей типа Common Rail:

1 – топливный бак; 2 – сливная магистраль; 3 – ТНВД;

4 – регулятор давления; 5 – топливопровод; 6 – подкачивающий насос;

7 – фильтр; 8 – предохранительный клапан; 9 – гидроаккумулятор;

10 –датчик давления; 11 – электрогидравлическая форсунка;

12 – датчик педали акселератора; 13 – датчик частоты вращения коленчатого вала; 14 – датчик температуры; 15 – другие датчики;

16 – блок управления; 17 – другие исполнительные устройства

По конструктивному исполнению форсунки с электронным управлением могут быть различного вида [45, 46]. На рисунке 1.26 приведена схема форсун-

ки с электрогидравлическим управлением.

58

Рисунок 1.26 – Схема форсунки с электромагнитным управлением:

1 – электромагнит; 2, 7 – пружины; 3 – якорь с конусом уплотнения; 4 – отсечное отверстие (жиклёр); 5 – поршень;

6 – корпус форсунки; 8 – игла распылителя; 9 – сопловые отверстия; 10 – подводящий канал (жиклёр); 11 – впускное отверстие; 12 – аккумулятор; 13 – камера управления

Под действием пружины 2 якорь 3 находится в нижнем положении и ко-

нусом штока закрывает отсечное отверстие 4. Из аккумулятора 12 топливо по-

ступает в подводящий канал 10 форсунки, а через впускной канал 11 – в каме-

ру управления 13.

Так как площадь управляющего поршня 5 больше площади иглы, то сила со стороны поршня превышает силу со стороны иглы 8 и она находится в закры-

том состоянии. Впрыск топлива в камеру сгорания не происходит. При подаче управляющего сигнала на обмотку электромагнита 1 якорь 3, преодолевая уси-

лие пружины 2, движется вверх, открывая отсечное отверстие 4. Давление в ка-

59

мере управления 13 резко снижается, усилие со стороны иглы 8 будет превы-

шать усилие со стороны поршня 5 и игла начнет движение вверх. Под действи-

ем давления в аккумуляторе 12 топливо поступает к сопловым отверстиям 9.

Объемная подача топлива за впрыск зависит от величины давления в акку-

муляторе 12 и продолжительности управляющего сигнала в обмотке электро-

магнита 1. Применение форсунки данного типа позволяет изменять угол опе-

режения подачи топлива и форму характеристики впрыска.

На рисунке 1.27 показаны различные формы дифференциальных характе-

ристик впрыска топлива. Изменяя продолжительность и частоту подачи тока на катушку электромагнита, можно получить характеристики впрыска ступенча-

тую (а), двухфазную (б) и многофазные (в и г).

Рисунок 1.27 – Формы дифференциальных характеристик впрыска топлива

В процессе диагностирования форсунки с электрогидравлическим управ-

лением величина сливаемого топлива, которое расходуется на управление,

служит для оценки ее состояния. При номинальной частоте вращения коленча-

того вала количество топлива на сливе не должно превышать 150 см3 в минуту через одну форсунку дизеля. Если утечки топлива более 150 см3, то форсунка должна быть заменена [47]. Причиной повышенного слива топлива (утечек) из дренажной системы может быть потеря герметичности управляющего клапана или износ направляющей иглы распылителя и втулки управляющего поршня.

60

1.12. Постановка задач исследования и пути их решения

Всоответствие с проведенным анализом состояния исследуемого вопроса

впредлагаемой работе были поставлены следующие задачи:

–оценить возможность диагностирования технического состояния форсунок тепловозных дизелей и определения их неисправностей методом сравнения харак-

терных точек эталонной (контрольной) диаграммы хода иглы распылителя с реаль-

ной (опытной);

– уточнить методику гидродинамического расчета ТА, позволяющую до-

полнительно определять давление в замкнутой полости форсунки над иглой, а

по изменению давления – осциллограмму хода иглы распылителя;

– усовершенствовать систему диагностирования форсунок тепловозных дизелей по изменению хода иглы, зафиксированного датчиком давления, уста-

новленным в сливной магистрали форсунки;

– предложить конструкцию датчика для измерения давления над иглой

(хода иглы), а в период всего времени эксплуатации – индуктивного датчика хода иглы с постоянным креплением его в корпусе форсунки;

– уточнить основные причины образования кокса в сопловых отверстиях распылителей, оценить величину закоксовывания сопловых отверстий по изменению продолжительности впрыска топлива, определить влияние закоксовывания сопловых отверстий на параметры топливного факела;

– уточнить математическую модель расчета рабочего цикла, позволяющую определять технико-экономические параметры дизеля при изменении угла опережения впрыска топлива;

– оценить износ пары «игла – корпус распылителя» форсунок с механиче-

ским и электронным управлением иглы по величине утечек топлива;

– предложить методику определения фактического угла опережения пода-

чи топлива по началу движения иглы распылителя форсунки относительно ВМТ;

– провести апробацию разработанной технологии контроля ТА в усло-

виях эксплуатации и оценить ее экономическую эффективность.