Исследование влияния турбокомпрессора на динамическую разгонную характеристику дизеля ISf 2. 8 с системой топливоподачи Common Rail

УДК 629.113

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА НА ДИНАМИЧЕСКУЮ РАЗГОННУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ ДИЗЕЛЯ ISF 2.8 С СИСТЕМОЙ ТОПЛИВОПОДАЧИ COMMON RAIL

_ л о

© С.Н. Кривцов1, Е.В. Гавриш2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлены результаты применимости динамического метода диагностирования для автомобильных дизелей, оснащенных топливоподающей системой Common Rail и газотурбинным наддувом. Теоретически обоснованы режимы диагностирования и диагностические параметры, в качестве которых принято среднее ускорение коленчатого вала на такте расширения проверяемого цилиндра. Приведены результаты диагностирования дизелей ISf 2.8 на основе предлагаемой методики. Рассмотрено влияние наличия турбокомпрессора на динамическую характеристику разгона.

Ключевые слова: дизельный двигатель; угловое ускорение; динамический метод; диагностирование дизеля; система Common Rail.

STUDY OF TURBOCHARGER EFFECT ON DYNAMIC ACCELERATION CHARACTERISTICS OF DIESEL ISF 2.8 WITH FUEL INJECTION SYSTEM COMMON RAIL S.N. Krivtsov, E.V. Gavrish

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper presents the applicability results of a dynamic diagnosis method for automotive diesel engines equipped with a fuel injection system Common Rail and a gas-turbine boost. Diagnostic modes and parameters which are taken as a mean acceleration of a crankshaft in the expansion stroke of the engine under investigation are theoretically proved. The results of ISF 2.8 diesel engine diagnosis performed on the basis of the proposed methodology are given. The effect of turbocharger presence on acceleration dynamic is examined.

Keywords: diesel engine; angular acceleration; dynamic method; diesel diagnosing; Common Rail system.

Современный дизельный двигатель автомобиля - высокотехнологичный силовой агрегат, отвечающий существующим требованиям по токсичности отработавших газов и экономичности. Для выполнения самых жестких требований дизели оснащаются электронной системой управления топливоподачей. Одной из самых перспективных и гибких является система Common Rail (от англ. - общая магистраль) [1, 2]. Безусловным преимуществом подобного технического решения является разделение процессов создания давления и впрыска, в связи с чем становится возможным выполнение самых строгих требований по выбросам. Это подчеркивается тем фактом, что один из лидеров дизельного сегмента - фирма Delphi, для выполнения

экологических норм Евро-6 на тяжелой технике стала применять аккумуляторы высокого давления вместо привычных насос-форсунок [3, 4]. Непрерывно совершенствуется и система самодиагностики, в том числе по показателям внутрицикловых изменений угловой скорости коленчатого вала в функциональном режиме. Использование внешних универсальных средств диагностирования, базирующихся на общепризнанных методах, также возможно и целесообразно [5, 6]. Одним из перспективных и оперативных безразборных методов является динамический. Обзор литературы показал, что динамический метод исследован для двигателей с внешним смесеобразованием и дизелей с традиционным управлением топливоподачей, в то время

1Кривцов Сергей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, тел.: 89086619729, e-mail: Krivcov_sergei@mail.ru

Krivtsov Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Automobile Transport Department, tel.: 89086619729, e-mail: Krivcov_sergei@mail.ru

2Гавриш Евгений Владимирович, магистрант кафедры автомобильного транспорта, тел.: 89025772400, e-mail: ylx@mail.ru

Gavrish Evgeny, Master's Degree Student of the Automobile Transport Department, tel.: 89025772400, e-mail: ylx@mail.ru

как особенности переходного режима для диагностики современных дизелей, в первую очередь оснащенных электронным управлением и аккумуляторной топливопо-дающей системой Common Rail, практически не освещены.

Теоретические предпосылки. Запишем уравнение динамики поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в общем виде:

da a2 dId L — +---д = М -М -М ,

д 1. ^ / / i м пот ' V /

dt 2 df

где 1д - приведенный момент инерции дви-

2 da

гателя; кгм2; — - угловое ускорение ко-

dt

о

ленчатого вала, рад/с2; ш - угловая скорость коленчатого вала, рад/с;

М,Мм,Мпот - соответственно индикаторный момент, момент механических потерь и внешний (потребителя) момент двигателя, Нм.

Полагая для бесстендового нагру-жения внешний момент Мпот=0, запишем уравнение динамического режима в общем виде:

Т da a2 dId w w

L — +---д = z М -М ,

д dt 2 df р 1 м '

где zp - число работающих цилиндров.

Приведенный момент инерции двигателя для одной марки - величина достаточно стабильная, а значит, угловое ускорение коленчатого вала будет пропорционально эффективному крутящему моменту дизельного двигателя.

Известно, что переменная составляющая момента инерционных сил от возвратно-поступательно движущихся масс поршней и части массы шатуна, отнесен-

dL

ных к оси поршневых пальца

dф

, кратна

угловым интервалам поворота коленчатого вала соответствующих ходов цилиндров [7]. Во избежание усложнения методики обработки данных мгновенного ускорения коленчатого вала для цилиндров в режиме разгона-выбега предлагается способ его усреднения. Наиболее близкий по техниче-

ской сути способ [7] предусматривает усреднение углового ускорения как отношения разницы начала и конца разгона к его длительности. Способ зарекомендовал себя для двигателей с внешним смесеобразованием; для применения динамического метода к диагностике дизелей необходима модернизация.

Модернизация заключается в следующем. Производится резкий разгон дизельного двигателя с минимальной частоты вращения на холостом ходу до некоторой частоты вращения (например, номинальной) быстрым перемещением педали управления подачи топлива. Таким образом, дизель на определенное непродолжительное время нагружается инерционным моментом полностью, а цилиндры в это время работают с максимальной подачей топлива, определяемой текущим давлением в аккумуляторе и калибровочными значениями электронного блока управления (ЭБУ). После чего педаль устанавливается в нулевое положение - частота вращения снижается до минимально устойчивых оборотов холостого хода.

Начало углового интервала усреднения, соответствующего положительному ускорению, соответствует положению поршня приблизительно 8 град после верхней мертвой точки (ВМТ) (обозначим индексом ф1, рис. 1). Таким образом, для интервала расширения выражение для определения среднего ускорения дизеля рядной компоновки примет вид:

Е1 = -Г2£

где М - длительность интервала увеличения угловой скорости в пределах угла поворота коленчатого вала дизеля ф ф2).

Интервал ускорений от работы газовых сил на участках разгон-выбег в предлагаемом способе жестко фиксирован. Чередование угловых ускорений осуществляется в соответствии с порядком работы дизельного двигателя (в приведенном примере чередование составляет 1, 3, 4, 2).

Методика экспериментирования. Проверка теоретических предпосылок предлагаемой методики диагностирования динамическим методом осуществлялась в

ООО «БайкалГазСервис» (г. Иркутск). В качестве примера далее приводятся данные по дизелям ISf 2.8, объемом 2,8 л с газотурбинным наддувом фирмы Cummins. Данный тип выбран благодаря его широкому распространению на грузовых автомобилях ГАЗ, собираемых на территории Российской Федерации. При проведении экспериментальных исследований использован аналого-цифровой преобразователь Zet 210 фирмы ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы» с комплектом программного обеспечения «Энко-дер» («Торсиограф»). Синхронизация обеспечивалась с помощью токовых клещей, работающих на эффекте Холла, собранных на базе микросхемы AD21151, а также - по штатному датчику распределительного вала. Мгновенная угловая скорость измерялась с индуктивного датчика со стороны маховика, задающий диск которого имеет формулу 60-2 зубьев и с помощью оптического инкрементного энкодера ЛИР 238А с 720 угловыми метками, устанавливаемого с торца шкива коленчатого вала.

Результаты и обсуждения. Двигатели ISf 2.8 как типичные представители семейства дизелей с Common Rail оснащены газотурбинным наддувом. Поэтому представляет интерес анализ особенностей функционирования этого двигателя в режиме динамического нагружения. Рас-

сматривались варианты диагностирования как с функционирующим нагнетательным трактом, так и без него (свободный впуск воздуха при отсоединенном нагнетательном патрубке). Зависимости углового ускорения и скорости от времени являются неудобными для анализа (рис. 2), поэтому целесообразнее применять в качестве аргумента угловую скорость коленчатого вала двигателя.

Анализ данных, представленных на рис. 3 и 4, позволяет заключить, что в режиме резкого разгона дизеля ^ 2.8 с функционирующим турбокомпрессором и в режиме свободного впуска зависимости угловых ускорений от угловой скорости отличаются между собой. В частности, рис. 2 и 3 иллюстрируют скачкообразное увеличение среднего углового ускорения во второй фазе разгона, при этом в начальном диапазоне угловые ускорения при работающем турбокомпрессоре меньше, чем при отсоединенном нагнетательном патрубке. Указанное обстоятельство обусловлено наличием турбокомпрессора, у которого жесткая механическая связь с коленчатым валом дизельного двигателя отсутствует. В результате наблюдается некоторое запаздывание ускорения из-за инерционности ротора турбокомпрессора и механизма изменения геометрии турбины (при его наличии). Дальнейший рост угловой скорости

Рис. 1. Изменение угловой скорости коленчатого вала четырехцилиндрового дизельного двигателя при резком разгоне в фазе максимальной подачи топлива

1200

Время, с

ш > 1 цил, Ш 2 цил, т 3 цил. > 4 цил.

Рис. 2. Зависимость углового ускорения и угловой скорости коленчатого вала двигателя № 2.8

при резком разгоне

1200

Угловая скорость, рад/с

Рис. 3. Зависимость средних угловых ускорений цилиндров от угловой скорости коленчатого вала двигателя ISf 2.8 при резком разгоне с функционирующим турбокомпрессором

Рис. 4. Зависимость средних угловых ускорений цилиндров от угловой скорости коленчатого вала двигателя № 2.8 при резком разгоне с отсоединенным нагнетательным патрубком

коленчатого вала и ротора турбокомпрессора приводит к повышению давления воздуха во впускной системе, регистрируемое датчиком давления наддува. Как следствие, увеличивается цикловая подача топлива и средние угловые ускорения коленчатого вала в фазе расширения для каждого из цилиндров в диапазоне угловой скорости свыше 210 рад/с.

Величина среднего углового ускорения коленчатого вала в фазе расширения для каждого из цилиндров пропорциональна текущей цикловой подаче топлива. При диагностировании важно, чтобы разница между ними для каждого из цилиндров дизельного двигателя была минимальна, а значит, среднее угловое ускорение каждого из цилиндров на всем протяжении разгона характеризует техническое состояние электрогидравлических форсунок топливопо-дающей системы Common Rail автомобильного дизеля. В то же время значение углового ускорения каждого из цилиндров будет зависеть и от технического состояния цилиндров, например, герметичности надпоршневого пространства и работы механизма газораспределения. В связи со сказанным, правильный диагноз о техническом состоянии электрогидравлических форсунок топливоподающей системы Common Rail автомобильного дизеля при использовании в качестве диагностического параметра средних угловых ускорений

Библиогра

1. Common Rail System (CRS) Service Manual: General Edition. Denso Corporation Service Department. Showa-cho, Kariya, Aichi Prefecture, 2008. 185 p.

2. Bosch Diesel Injection Systems. Automotive aftermarket. R Bosch Gmbh, 2007. 167 p.

3. Volvo D13K. Diesel information advance note DT 5282 (EN). Delphi Diesel Aftermarket, Jan 2015.

4. Daf MX13. Diesel information advance note DT 5265 (EN). Delphi Diesel Aftermarket, Jan 2015.

5. Кривцов С.Н., Варзин В.Н., Петухов С.А. Особенности диагностики топливоподающих систем типа

коленчатого вала в фазе расширения возможен только при равномерности распределения компрессии по цилиндрам, а также правильности функционирования механизма газораспределения.

Все вышеизложенное позволяет сделать следующие выводы:

• Для двигателей с газотурбинным наддувом возможны варианты диагностирования как с функционирующим нагнетательным трактом, так и без него (свободный впуск воздуха при отсоединенном нагнетательном патрубке), причем для диагностики именно инжекторов Common Rail, оба варианта равнозначны.

• Параметр среднего углового ускорения разгона для каждого из цилиндров в фазе расширения, полученный в виде отношения разницы угловых скоростей интервала начала увеличения угловой скорости (начало интервала 8-9 град после ВМТ) и угловой скорости в фиксированном угловом интервале (2лУз- для четырехцилиндровых дизелей) к его длительности, является информативным диагностическим параметром, характеризующим техническое состояние цилиндров.

• Значение среднего углового ускорения разгона пропорционально текущей цикловой подаче, а также герметичности надпоршневого пространства цилиндра.

Статья поступила 20.05.2015 г.

чий список

Common Rail // Повышение эффективности эксплуатации автотранспортных средств на основе современных методов диагностирования: материалы II науч.-практ. конф. Иркутск, 2009. С. 48-53.

6. Ритт Х., Вурст Л. EDC7 COMMON RAIL. Диагностика. MAN Nutzfahrzeuge Aktiengesellschaft, 2007. 262 с.

7. Гребенников А.С. Диагностирование автотракторных двигателей динамическим методом. Саратов: Изд-во СГТУ, 2002. 196 с.