dis_volkova_l_yu

111

Корпус датчика 3 и штанга 4 изготавливаются из немагнитной жаропроч-

ной стали Х18Н9Т. Рабочая катушка 10 выполнена из провода ПЭЛ диаметром

0,13 мм с числом витков 35. Принцип работы датчика основан на изменении индуктивного сопротивления рабочей катушки в зависимости от зазора между торцом иглы и корпусом датчика.

Установка индуктивного датчика в виде проставки трудоемка, требует сня-

тия форсунки и ее разборки. Применение датчика данной конструкции целесо-

образно при проведении научных исследований. Датчик индуктивный с по-

движным штоком, припаянным к штанге форсунки, имеет более простую кон-

струкцию, но его использование в быстроходных двигателях может привести к неточной записи перемещения иглы ввиду возможного разрыва связей.

Если форсунка не имеет встроенных датчиков для записи перемещения иг-

лы, то для анализа хода иглы в условиях эксплуатации предлагается съемный тензометрический датчик давления [50].

На рисунке 4.2 показана конструкция датчика для оценки величины дав-

ления в объеме над иглой и косвенного определения хода иглы.

Рисунок 4.2 – Датчик для измерения давления

вполости форсунки и хода иглы

Вкорпусе 1 расположено уплотнительное кольцо 2, на котором находится мембрана 3, выполненная из бериллиевой бронзы диаметром 20 мм и толщиной

1 мм. Мембрана прижата к уплотнительному кольцу втулкой 4. Рабочий тен-

зоэлемент (проволочный датчик) 5 наклеен на мембрану, а компенсационный 6

112

на поверхность втулки 4. Для удаления воздуха из объема форсунки и датчи-

ка предусмотрен клапан, управляемый винтом 7. Конструкция датчика предна-

значена для систем подачи топлива с малым остаточным давлением в топливо-

проводе.

Методика диагностирования форсунок на работающем двигателе заключа-

ется в записи отметки ВМТ, угла поворота коленчатого вала, осциллограммы хода иглы датчиком давления, ее анализе и определении возможных неисправ-

ностей.

На рисунке 4.3 приведены графики перемещения иглы (а) и давления в объеме над иглой при ее движении (б), полученные экспериментальным путем.

Вид графиков абсолютно одинаков, что позволяет рекомендовать запись дви-

жения иглы форсунки на работающем двигателе съемным датчиком давления.

Это очень важно для организации процесса диагностирования форсунки, не

имеющей встроенных датчиков для записи хода иглы.

Рисунок 4.3 – Изменение перемещения иглы (а) и давления в объеме над иглой при ее движении (б)

113

При проведении сравнительного эксперимента использовалась топливная аппаратура дизеля Д-440 (4ЧН 13/14, Алтайдизель). Частота вращения вала насоса равнялась 875 мин-1, а цикловая подача − 105 мм3.

Форсунки тепловозных двигателей мощностью до 3 000 кВт конструктив-

но отличаются от автотракторных форсунок только размерами. Используя тео-

рию подобия, с достаточной для практики точностью можно констатировать,

что процесс сжатия топлива при подъеме иглы в тепловозных и в автотрактор-

ных форсунках не отличаются друг от друга.

Ряд тепловозных двигателей имеет ТА с высоким остаточным давлением.

Это позволяет повысить равномерность работы дизеля на режимах холостого хода. Датчик для измерения давления в полости пружины форсунки должен об-

ладать повышенной надежностью. На рисунке 4.4 приведен датчик давления с более жесткой конструкцией, имеющий предохранительный клапан.

Рисунок 4.4 – Датчик для записи давления и полости форсунки и хода иглы:

1 – корпус; 2 – прокладка уплотнительная;

3 – стакан с мембраной; 4 и 5 – тензоэлементы;

6 – клапан предохранительный

114

Форма корпуса датчика давления и его размеры зависят от конструкции форсунки. На рисунке 4.5 показан общий вид форсунки тепловозного дизеля

16ЧН 26/26 (Д49) с установкой в ее полости тензометрического датчика давле-

ния для определения перемещения (хода) иглы.

Рисунок 4.5 – Форсунка дизеля 16ЧН 26/26 с датчиком давления для записи перемещения иглы:

1 – сопловый наконечник; 2 – корпус распылителя; 3 – игла;

4 канал для слива топлива; 5 – гайка стяжная;

6 и 10 уплотнительные кольца; 7 – штанга; 8 – корпус форсунки;

9 – пружина; 11 – регулировочный винт; 12 – контргайка;

13 – датчик давления для записи хода иглы; 14 штуцер

115

Датчик давления 13 при помощи резьбы соединяется с регулировочным винтом 11 форсунки. Конструкция датчика позволяет измерять давление топ-

лива в полости форсунки и перемещение иглы для систем с высоким остаточ-

ным давлением в топливопроводе.

На рисунке 4.6 приведены осциллограммы давления на входе в форсунку и перемещения иглы тепловозного двухтактного дизеля 2Д100 [29], работающего на номинальном режиме при частоте вращения вала 850 мин-1 (мощность

1 470 кВт). На осциллограмме указаны характерные точки, по расположению которых можно определить техническое состояние ТА.

Рисунок 4.6 – Осциллограммы изменения давления у форсунки

иперемещения иглы тепловозного дизеля 2Д100 при работе

счастотой вращения коленчатого вала 850 мин-1 и цикловой подачей 400 мм3: 1 – давление на входе в форсунку;

2 – ход иглы форсунки; 3 – отметка геометрического начала подачи топлива

Основные характеристики ТА приведены ниже. Геометрический угол опе-

режения подачи топлива до ВМТ поршня в градусах поворота коленчатого ва-

ла равен 16 ±1. Диаметр и ход плунжера 13 и 15,8 мм, давление начала впрыс-

кивания топлива форсункой 21 МПа, диаметр сопловых отверстий 0,56 мм,

число сопловых отверстий 3, эффективное проходное сечение распылителя

116

0,5 мм2. Подача топлива из одной форсунки за впрыск составляет 0,34 г. На каждом цилиндре установлены две форсунки, расположенные друг против друга. Диаметр направляющей части иглы форсунки 7 мм, внешний диаметр посадочного конуса 4 мм, подъем иглы нового распылителя 0,5 мм. Длина трубки высокого давления равна 250 мм. По конструктивному исполнению и принципу работы ТА дизеля 2Д100 практически не отличается от ТА дизеля Д49.

По приведенным осциллограммам и указанным характерным точкам мож-

но оценить настройку ТА и качество ее работы. По положению точки а опреде-

ляют остаточное давление (7 МПа) в топливопроводе. По положению точке б можно оценить момент и давление начала подъема иглы (26 МПа). На осцилло-

грамме хода иглы это точка д, по ней определяют угол начала впрыска относи-

тельно отметки геометрического начала подачи (7,5 о).

Впрыск топлива в цилиндр двигателя начинается за 8,5о до ВМТ поршня.

Угол наклона линии давления на участке а–б позволяет оценить скорость нарастания давления в топливопроводе, которая зависит в основном от износа плунжерной пары насоса высокого давления и направляющей распылителя. В

точке в с учетом масштаба давления определяют максимальную величину им-

пульса давления (45,6 МПа). В точке г оценивают величину давления топлива,

при котором осуществляется посадка иглы на седло. Момент посадки иглы на седло точнее определяется по точке з. Продолжительность впрыска определя-

ется по расстоянию от точки д до точки з. В точке е игла достигает упора, что позволяет определить максимальный ее ход (0,5 мм). На участках д–е и ж–з

определяется скорость подъема и посадки иглы.

Таким образом, по расположению характерных точек на диаграммах дав-

ления топлива и движения иглы можно определить состояние насоса, форсунки и возможные их неисправности.

Техническое состояние форсунок точнее определяется по анализу хода иг-

лы распылителя, чем по анализу изменения давления в топливопроводе.

В работе [38] дано распределение неисправностей ТА дизеля Д-49:

117

1. Отклонение (3 – 5 о) угла опережения подачи топлива от нормативного

значения 40 %.

2.Неточность цикловой подачи – 37 %.

3.Зависание иглы распылителя форсунки – 5 %.

4.Ухудшение качества распыливания – 15 %.

5.Неисправность форсунок (поломка пружины, потеря герметичности стыка между корпусом форсунки и распылителем) – 3 %.

Вданной диссертационной работе диагностирование ТА в условиях эксплуатации рекомендуется проводить по анализу хода иглы, записанно-

го съемным датчиком давления.

На рисунке 4.7 показаны характерные неисправности форсунки четырех-

тактного дизеля 8ЧН 26/26, определяемые по анализу движения иглы. Эталон-

ная (контрольная) осциллограмма хода иглы распылителя форсунки дизеля в зависимости от угла поворота коленчатого вала (П Кол В) приведена на рисун-

ке 4.7, а. Впрыск топлива начинается в точке 1 за 10 о до ВМТ поршня. По ана-

лизу положения данной точки определяют правильность установки угла опере-

жения впрыска.

Увеличение хода иглы (например, до 0,8 мм вместо 0,6 мм) уменьшает участок 2 – 3, что способствует запаздыванию посадки иглы. Последнее ухуд-

шает распыливание топлива в конечной фазе впрыска, повышает расход топли-

ва, способствует прорыву газов в полость распылителя. При значительном уве-

личении хода иглы характеристика впрыска искажается насосным действием иглы и способствует образованию кокса в сопловых отверстиях [88].

На рисунке 4.7, б показаны осциллограммы с ранним (прямая 1/ – 2/) и

поздним (прямая 1// – 2//) впрыском топлива [73]. Поздний впрыск возможен при износе плунжерной пары и увеличении зазора между иглой и корпусом распылителя [86]. Ранний или поздний впрыск возможен при ошибке оператора во время установки угла опережения впрыска. Отклонение угла опережения впрыска от нормативного значения обычно приводит к увеличению расхода топлива, снижению мощности дизеля.

118

Рисунок 4.7 – Изменение осциллограмм хода иглы в зависимости от вида неисправности форсунки: а – эталонная (контрольная)

осциллограмма хода иглы; точка 1 начало подъема;

2 – достижение упора; 3 – начало посадки иглы; 4 – посадка на седло; 1 – 4 продолжительность впрыска; б – ранний (-15 о) и

поздний (-5 о) впрыск топлива; в – активный подъем иглы (1 2/);

вялый подъем иглы (1 – 2//); активная посадка иглы на седло (3 – 4/); вялая посадка иглы на седло (3 – 4//); г дополни – тельный впрыск топлива; д – зависание иглы

119

В процессе повышения давления насосом высокого давления игла переме-

щается с определенной скоростью и достигает упора в точке 2. Зная пройден-

ный путь (в нашем примере у = 0,6 мм) и время подъема t = φ / 6 n , опре-

деляют среднюю скорость иглы (n – частота вращения вала насоса, 375 мин-1).

Для нашего примера при φ = 5 о величина средней скорости vср = 0,3 м/с. По изменению скорости на участках подъема и посадки иглы определяется ускоре-

ние. Зная массу подвижных частей, рассчитывают силу удара и контактные напряжения в посадочном конусе распылителя. При подъеме иглы учитывается только ее масса, а при посадке масса иглы, штанги и 1/3 массы пружины.

Если скорость подъема иглы меньше 0,3 м/с (см. рисунок 4.7, в, линия

1 – 2//), то причиной данной неисправности (вялое начало впрыска) может быть износ плунжерной пары насоса, увеличение зазора между иглой и корпусом распылителя, потеря плотности в сопряжении «корпус форсунки и корпус рас-

пылителя», деформация корпуса распылителя от механических (нарушение условий монтажа при сборке форсунки) и термических напряжений.

Увеличение скорости подъема иглы (см. рисунок 4.7, в, линия 1 – 2/) про-

исходит реже. Это может произойти в результате увеличения цикловой подачи,

повышения вязкости топлива или образования кокса в сопловых отверстиях распылителя форсунки.

В точке 3 начинается, а в точке 4 завершается посадка иглы на седло. Ско-

рость посадки иглы замедляется (см. рисунок 4.7, в линия 3 – 4//) по причине снижения давления открытия иглы или уменьшения проходного сечения рас-

пылителя (образование кокса в сопловых отверстиях). Продолжительность впрыскивания (прямая 1 – 4//) увеличивается, что приводит к повышению рас-

хода топлива. Скорость посадки иглы повышается (линия 3 – 4/) в результате увеличения давления открытия иглы или увеличения проходных сечений сопловых отверстий в результате их износа. При этом увеличиваются контакт-

ные напряжения в запорном конусе, его износ и снижение герметичности.

На рисунке 4.7, г показано изменение хода иглы с фиксацией дополнитель-

ного впрыска топлива, который возникает при значениях амплитуды отражен-

120

ной волны больше давления начала подъема иглы. Причиной может быть зави-

сание нагнетательного клапана насоса (нет разгрузки линии высокого давле-

ния), уменьшение проходных сечений сопловых отверстий. Дополнительные впрыски топлива приводят к увеличению расхода топлива, образованию сажи в отработавших газах, закоксовыванию сопловых отверстий.

На рисунке 4.7, д показана осциллограмма при зависании (потеря подвиж-

ности) иглы форсунки. Зависание происходит на различных участках подъема

(посадки) иглы. Причинами зависания могут быть малая величина диаметраль-

ного зазора в направляющей распылителя (менее 2 мкм), наличие в зазоре твер-

дых частиц, механических и термических напряжений. При зависании иглы форсунка работает как открытая, с проникновением цилиндровых газов в по-

лость распылителя и образованием кокса в сопловых отверстиях. Распыливание топлива ухудшается, увеличивается угол опережения впрыска топлива, процесс сгорания протекает с образованием дыма, расход топлива увеличивается.

В работе [91] приведены результаты оптимизация параметров ТА высоко-

форсированного дизеля 6ЧН 18/22 при среднем эффективном давлении, равном

1,7 МПа, и частоте вращения коленчатого вала 1 000 мин-1. Качество процессов топливоподачи оценивалось комплексными параметрами, характеризующими продолжительность впрыска, величиной давления в системе топливоподачи,

скоростью посадки иглы, количеством топлива, поданного за конечную фазу впрыска, повторными впрысками. Диаметр плунжера насоса высокого давления изменялся от 12 до 16 мм, диаметр сопловых отверстий – от 0,3 до 0,4 мм при их общем количестве 8.

Результаты оптимизации и испытания двигателя по винтовой и нагрузоч-

ной характеристике показали, что наименьший расход топлива был получен при диаметре плунжера 16 мм и распылителе 8 х 0,35мм. Применение распыли-

теля 8 х 0,3 мм повысило расход топлива на 4 г/(кВт·ч). Поэтому можно пред-

положить, что уменьшение проходного сечения распылителя в результате

его закоксовывания также увеличит расход топлива.