СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И КАЧЕСТВА РАСПЫЛЕНИЯ ТОПЛИВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ФОРСУНОК
METHOD FOR DETERMINING DEGREE OF CONTAMINATION AND QUALITY OF SPRAYING FUEL OF ELECTROMAGNETIC NOZZLES

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для определения технического состояния электромагнитных форсунок.
2
2
Известен прототип способа для определения степени загрязнения и качества распыления топлива электромагнитных форсунок реализованный устройством [1], который заключается в непрерывном измерении угловой скорости и ускорения коленчатого вала в режиме холостого хода при закрытой дроссельной заслонке, в принудительном увеличении и измерении длительности управляющего сигнала выбранной топливной форсунки, при этом, если увеличение цикловой подачи топлива приводит к увеличению образования в составе выхлопных газов углеводорода (СН) и уменьшению двуокиси углерода (CO) и происходит увеличение среднего значения углового ускорения коленчатого вала на тактах рабочего хода выбранного цилиндра, то это свидетельствует о загрязнении форсунки и увеличение длительности управляющего сигнала необходимо осуществлять до тех пор, пока угловое ускорение коленчатого вала и двуокись углерода (CO) в составе отработавших газов примут максимальное значение и перестанут увеличиваться, при этом наличие углеводорода (СН) примет минимальное значение, что будет свидетельствовать о достижении необходимого состава топливной смеси в цилиндре (α ≈0,9…1,05) и максимально возможной мощности двигателя в данном режиме, при этом степень загрязнения выбранной форсунки пропорционально зависит от разницы длительностей управляющего сигнала, выбранного с помощью устройства и сигнала управления, поступающего с электронного блока управления, при временном шунтировании первичной обмотки катушки зажигания на период времени накопления энергии и подачи искры в выбранный цилиндр, принудительно плавно увеличивается длительность сигнала впрыска форсунки от установленного значения электронным блоком управления двигателя, при этом, если значение углового ускорения коленчатого вала на тактах сжатия уменьшается пропорционально увеличению длительности сигнала впрыска, то это свидетельствует о том, что топливо при впрыске достаточно хорошо распыляется и испаряется, и создает в выбранном цилиндре противодавление и момент сопротивления при вращении коленчатого вала на соответствующем такте, если значение углового ускорения коленчатого вала уменьшается незначительно при увеличении длительности сигнала впрыска, то это свидетельствует о том, что форсунка имеет заниженную пропускную способность, и топливо при впрыске распыляется плохо, создавая струю.
Недостатком данного способа является сложность и низкая точность в связи с тем, что определение искомой величины осуществляется только относительное.
Технический результат направлен на упрощение, снижение трудоемкости и повышение точности диагностирования при определении степени загрязнения электромагнитных форсунок в эксплуатационных условиях.
Технический результат достигается тем, что в способе для определения степени загрязнения и качества распыления топлива электромагнитных форсунок, заключающийся в непрерывном измерении угловой скорости и ускорения коленчатого вала в режиме холостого хода при закрытой дроссельной заслонке, при временном шунтировании первичной обмотки катушки зажигания на период времени накопления энергии и подачи искры в выбранный цилиндр, принудительно плавно увеличивается длительность сигнала впрыска форсунки от установленного значения электронным блоком управления двигателя, при этом, если значение углового ускорения коленчатого вала на тактах сжатия уменьшается пропорционально увеличению длительности сигнала впрыска, то это свидетельствует о том, что топливо при впрыске достаточно хорошо распыляется и испаряется, и создает в выбранном цилиндре противодавление и момент сопротивления при вращении коленчатого вала на соответствующем такте, если значение углового ускорения коленчатого вала уменьшается незначительно при увеличении длительности сигнала впрыска, то это свидетельствует о том, что форсунка имеет заниженную пропускную способность, и топливо при впрыске распыляется плохо, создавая струю, при этом, при постоянном измерении массового расхода воздуха двигателем на тактах рабочего хода диагностируемого цилиндра, на такте рабочего хода диагностируемого цилиндра принудительно увеличивается и измеряется длительность сигнала впрыска форсунки от установленного значения электронным блоком управления двигателя до максимального значения ускорения коленчатого вала, по полученным значениям длительности управляющего сигнала форсункой, при заведомо известном значении коэффициента избытка воздуха, рассчитывается производительность выбранной форсунки и степень ее загрязнения.
Отличительными признаками от прототипа в способе для определения степени загрязнения и качества распыления топлива электромагнитных форсунок является постоянное измерение массового расхода воздуха двигателем на тактах рабочего хода диагностируемого цилиндра, на такте рабочего хода диагностируемого цилиндра принудительно увеличивается и измеряется длительность сигнала впрыска форсунки от установленного значения электронным блоком управления двигателя до максимального значения ускорения коленчатого вала, по полученным значениям длительности управляющего сигнала форсункой, при заведомо известном значении коэффициента избытка воздуха рассчитывается производительность выбранной форсунки и степень ее загрязнения.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для определения степени загрязнения и качества распыления топлива электромагнитных форсунок.
На фигуре 2 представлен график скорости сгорания бензино-воздушной смеси в зависимости от коэффициента избытка воздуха.
На фигуре 3 представлен график ускорения коленчатого вала при различной цикловой подаче топлива
Известно, что максимальная скорость распространения фронта пламени при сгорании, и наиболее высокая температура в зоне окисления топлива наблюдается при коэффициенте избытка воздуха α=0,85÷0,95. Очевидно, что в данных условиях ДВС имеет максимальную мощность. При отклонении соотношения «воздух-топливо» от указанного значения, температурный уровень в камере сгорания снижается, а скорость распространения пламени - уменьшается, что хорошо заметно на фигуре 2 [2].
В процессе эксплуатации ДВС с комплексной системой управления двигателем (КСУД) корпус топливных форсунок нагревается до температуры около 100°С. При этом, легкие фракции бензина испаряются, а тяжелые оседают на стенках каналов форсунок. Процесс образования отложений достигает своего пика в момент остановки двигателя, когда прекращается охлаждающее действие потока бензина. Образовавшиеся отложения имеют коксовую и смолисто-асфальтовую структуру с высокими молекулярными массами и устойчивы к растворителям. При этом наблюдается тенденция к росту скорости образования смолистых отложений, которые нарушают нормальную работу форсунок.
ц
е
e
На основании проведенных исследований при засорении форсунок ухудшается их пропускная способность. Как следствие этого, на тактах рабочего хода выделится меньшее количество цикловой теплоты Q (1), что отразится на уменьшении эффективного давления р (2) в цилиндрах ДВС и эффективной мощности N (3, 4):
ц
i
где g - цикловая подача топлива; η - индикаторный КПД двигателя.
H
в
v
М
3
где Q - теплота сгорания топлива, (Дж); - теоретически необходимое количество воздуха для полного окисления 1 кг топлива (для бензина  (кг возд./кг топл.)); ρ - плотность воздуха на впуске в двигатель, (кг/м); η - коэффициент наполнения (как правило, меньше единицы); α - степень насыщения воздушного циклового заряда топливом; η - механический КПД двигателя.
h
3
-1
где V - рабочий объем цилиндра, (м); i - число цилиндров двигателя; n - частота вращения коленчатого вала, мин; Z - коэффициент тактности, для двухтактных двигателей Z=1, для четырехтактных - Z=2.
Кроме этого известно, что ускорение коленчатого вала является косвенным показателем мощности двигателя, при этом:
д
i
i
2
-2
где J - приведенный к валу двигателя момент инерции вращающихся и поступательно-движущихся масс, кг⋅м, ω - угловая скорость коленчатого вала, (рад/с), ε - угловое ускорение коленчатого вала, (рад/с).
При проведенных исследованиях на двигателе ЗМЗ-4062.10 выполнялось измерение углового ускорения коленчатого вала по его углу поворота на тактах рабочего хода в режиме холостого хода, которое изображено на фигуре 3, при изменении цикловой подачи топлива в сторону уменьшения и увеличения от установленного значения, заданного электронным блоком управления двигателя. Исследования показали, что в данном случае максимальное значение ускорения коленчатого вала ДВС имеет место при 140% цикловой подачи топлива от установленного значения электронным блоком управления, что соответствует составу смеси α=0,85÷0,95.
В связи с тем, что проведение исследования проводилось на одних оборотах ДВС, и, как следствие этого, изменение расхода воздуха в зависимости от изменения цикловой подачи топлива было не значительным, то, используя опыт исследования, появляется возможность осуществления контроля изменения степени загрязнения топливной форсунки путем измерения углового ускорения коленчатого вала.
Для определения степени загрязнения топливных форсунок без их снятия с двигателя в режиме холостого хода при закрытой дроссельной заслонке необходимо увеличивать длительность управляющего сигнала каждой форсунки в отдельности с помощью блока регулировки длительности импульсов 2 устройства, изображенного на фигуре 1, измеряя при этом длительность управляющих сигналов.
пp
В ходе выполнения диагностирования непрерывно и многократно измеряется угловая скорость и угловое ускорение коленчатого вала на тактах рабочего хода диагностируемого цилиндра. Вместе с этим осуществляется измерение массового количества воздуха, расходуемое двигателем. Изменение цикловой подачи необходимо осуществлять до максимального значения ускорения коленчатого вала на такте рабочего хода диагностируемого цилиндра. По результатам полученных показателей по уравнению коэффициента избытка воздуха α рассчитывается производительность форсунки g с учетом ее загрязнения (5, 6):
в
в
m
где G - массовый расход воздуха диагностируемого цилиндра; t время впрыска, G - массовый расход топлива за время впрыска;  - теоретически необходимое количество воздуха для окисления 1-го килограмма бензина.
Тогда, принимая во внимание, что α - является заведомо известной величиной:
пр испр
При известных значениях производительности исправной (чистой) форсунки g и производительности проверяемой форсунки, рассчитанной по формуле (6), рассчитывается степень загрязнения Z диагностируемой форсунки:
Для определения качества распыления топлива электромагнитных форсунок, непрерывно измеряется угловая скорость и ускорение коленчатого вала в режиме холостого хода при закрытой дроссельной заслонке, при временном шунтировании первичной обмотки катушки зажигания на период времени накопления энергии и подачи искры в выбранный цилиндр, принудительно плавно увеличивается длительность сигнала впрыска форсунки от установленного значения электронным блоком управления двигателя, при этом, если значение углового ускорения коленчатого вала на тактах сжатия уменьшается пропорционально увеличению длительности сигнала впрыска, то это свидетельствует о том, что топливо при впрыске достаточно хорошо распыляется и испаряется, создавая при этом в выбранном цилиндре противодавление и момент сопротивления при вращении коленчатого вала на соответствующем такте, если значение углового ускорения коленчатого вала уменьшается незначительно при увеличении длительности сигнала впрыска, то это свидетельствует о том, что форсунка имеет заниженную пропускную способность, и топливо при впрыске распыляется плохо, создавая струю.
Способ для определения степени загрязнения и качества распыления топлива электромагнитных форсунок осуществляется устройством, структурная схема которого изображена на фигуре 1.
Устройство для определения степени загрязнения и качества распыления топлива электромагнитных форсунок, (фиг. 1) содержит формирователь импульсов 1, блок регулировки длительности импульсов 2, усилитель 3, коммутатор 4, частотомер 5, анализатор 6, преобразователь 7, блок расчета ускорения 8.
Устройство для определения степени загрязнения и качества распыления топлива электромагнитных форсунок работает следующим образом: сигналы управления форсункой с электронного блока управления ДВС поступают на вход формирователя импульсов 1. Импульс правильной формы, поступающий с выхода формирователя импульсов 1, запускает блок регулировки длительности импульсов 2, где происходит установка длительности сигнала управления топливной форсункой, за счет чего устанавливается цикловая подача топлива, соответствующая максимальному значению углового ускорения коленчатого вала. Установленный сигнал управления усиливается в усилителе 3 и после коммутатора 4 поступает на форсунку, при этом выполняется измерение его длительности с помощью частотомера 5. Информация о длительности установленного сигнала управления форсункой поступает с частотомера 5 на первый сигнальный вход в анализатор 6. На его второй и третий сигнальные входы соответственно поступают сигнал ускорения коленчатого вала, полученный в блоке расчета ускорения 8 при преобразовании сигнала датчика положения коленчатого вала (ДПКВ), и величина массового расхода воздуха, полученная после преобразования сигнала датчика массового расхода воздуха (ДМРВ) в преобразователе 7. В анализаторе 6 обрабатывается полученная информация, рассчитывается степень загрязнения форсунок.
Таким образом, с помощью предлагаемого способа в режиме холостого хода по уравнению коэффициента избытка воздуха при максимальном значении углового ускорения коленчатого вала на такте рабочего хода диагностируемого цилиндра без демонтажа топливных форсунок при непосредственном функционировании двигателя определяется степень их загрязнения, чем достигается повышение качества диагностирования систем питания ДВС при наименьших трудозатратах.
Источники информации
1. Пат. 91115 Российская Федерация МПК F02M 65/00. Устройство для определения степени загрязнения и качества распыления топлива электромагнитных форсунок [Текст] / Жеглов В.Н., Шевченко Н.П., Воротынцев Е.А., Минин А.О.; заявитель и патентообладатель: Рязанский военный автомобильный институт. - №2009135521/22(050102); заявл. 23.09.2009 опубл. 27.01.2010., Бюл. №3. - 2 с.: ил.
2. Железко, Б.Е. Основы теории и динамика автомобильных и тракторных двигателей. / [Текст] / Б.Е. Железко - Учеб. пособие для вузов. - Минск: Высшая школа, 1980. - 302 с.: ил.