Диагностика форсунок высокооборотных судовых дизелей

УДК [621.431.74: 621.436.038]: 658.58

К. О. Сергеев, А. А. Панкратов ДИАГНОСТИКА ФОРСУНОК ВЫСОКООБОРОТНЫХ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Рассматривается метод определения технического состояния форсунки высокооборотного дизеля методом контроля вибрации на корпусе форсунки. Сигнал вибрации измеряется акселерометром и фильтруется 1/3-октавным фильтром с центральной частотой 63 кГц. Измерения выполнялись на холостом ходу, на 20 %, 33 %, 66 % и 100 %-й номинальной мощности, а также на номинальной мощности с искусственно введенным дефектом форсунки -поломкой пружины. Для диагностики используется временная реализация сигнала. Сделаны выводы о характере изменения временной реализации сигнала вибрации в зависимости от мощностного режима и наличия неисправностей. Оценена возможность определения цикловой подачи и мощности цилиндра по сигналу вибрации. Предложено направление дальнейших исследований для повышения точности диагностики.

Ключевые слова: высокооборотные дизели, топливная аппаратура, форсунка, диагностика, вибрация.

Введение

Топливная аппаратура - один из наиболее ответственных узлов судового дизеля. От нормального технического состояния топливной аппаратуры зависят показатели рабочего процесса дизеля: его экономичность, эксплуатационные и экологические показатели. Поэтому к топливной аппаратуре дизелей предъявляют высокие требования. Наиболее напряженным узлом топливной аппаратуры, работающим в условиях больших тепловых и механических нагрузок, является форсунка, поэтому отказ форсунок является наиболее частой причиной выхода из строя дизельного двигателя.

Методы контроля технического состояния форсунок

Как правило, техническое состояние форсунки определяется путем проверки ее на специальном стенде. При этом контролируются такие параметры, как давление впрыска, качество распыла топлива, гидравлическая плотность и пр. Но для проверки требуется снятие форсунки с двигателя. Так как неудовлетворительная работа форсунки приводит к нарушению рабочего процесса в цилиндре дизеля, исправность форсунки, как и топливной аппаратуры в целом, можно контролировать опосредованно по индикаторным показателям рабочего процесса. Но в настоящее время судовые малоразмерные и высокооборотные (а иногда и среднеоборотные) дизели не имеют индикаторных кранов, что практически сводит контроль рабочего процесса только к отслеживанию температур выпускных газов. Будучи удобным и универсальным показателем, температура выпускных газов может меняться не только из-за неисправностей топливной аппаратуры, но и по многим другим причинам, что делает контроль исправности топливной аппаратуры проблематичным.

Другим методом контроля рабочего процесса можно считать контроль по неравномерности вращения коленчатого вала, по которому строится индикаторная диаграмма процесса. Такой метод применяется, например, на двигателях типа Caterpillar. Но указанный метод показывает только неисправный цилиндр, не давая возможности точно определить причину. А индикаторную диаграмму можно получить только при помощи специального программного обеспечения, имеющегося, как правило, только у сервисных инженеров.

Установив датчик в топливную магистраль высокого давления, можно определять амплитудно-фазовые параметры изменения давления. В этом случае качество процесса впрыска, а косвенно и состояние деталей топливной аппаратуры оцениваются по таким параметрам, как продолжительность впрыска, угол опережения подачи, максимальное и среднее давление впрыскивания. Определяется также и фактор динамичности цикла (отношение количества топлива, подаваемого в цилиндр двигателя за период задержки воспламенения, к цикловой подаче топлива) и др. [1]. Диаграмма изменения давления в процессе подачи топлива, используемая для диагностики топливной аппаратуры, представлена на рис. 1.

Г

Рис. 1. Диаграмма давления в топливной трубке: 1 - момент открытия форсунки;

2 - максимальное давление впрыска; 3 - закрытие иглы распылителя;

4 - начало колебательного процесса в трубке высокого давления [1]

По диаграмме давления определяется угол опережения подачи топлива, максимальное давление подачи, наличие колебательного процесса и т. д. Методики диагностики топливной аппаратуры по кривой давления в трубке высокого давления широко освещены в литературе [1, 2].

По вполне понятным причинам этот метод контроля, несмотря на большую информативность, имеет ряд ограничений, обусловленных необходимостью установки датчика давления непосредственно в каждую магистраль. Использование одного датчика, подключаемого поочередно к разным трубкам высокого давления, имеет ряд ограничений, т. к. требует установки специальных переходных устройств, позволяющих быстро устанавливать датчик давления. Установка переходников может быть затруднена из-за отсутствия места для установки, сложной конфигурации трубок высокого давления и пр.

Существуют и пленочные накладные тензодатчики, которые устанавливаются непосредственно на трубку высокого давления (рис. 2). Преимуществом таких датчиков является отсутствие необходимости разбирать трубопровод, быстрота монтажа и возможность регистрировать сигналы в одном срезе времени.

Рис. 2. Накладные датчики давления топлива

Судовые двигатели имеют трубки высокого давления, заключенные в специальный экран, предотвращающий разбрызгивание в случае обрыва или трещины трубки. Такая конструкция делает установку датчика невозможной. Кроме того, датчик показывает только ориентировоч-

ное значение и форму изменения кривой давления, т. к. деформация трубки может нелинейно зависеть от давления в ней. Поэтому используются только сравнительные показатели процесса подачи топлива форсункой.

Еще один метод контроля технического состояния форсунок - контроль по вибрации корпуса форсунки. Метод контроля по вибрации достаточно информативен, несмотря на простоту приборной реализации. По возможностям он, безусловно, уступает методу измерения давлений. Метод предложен давно, в частности, он изложен в [1], где и доказано, что вибрация форсунки порождается в основном гидродинамическими явлениями при истечении топлива через отверстия распылителя. При практическом применении метода возникает ряд вопросов, требующих опытного разрешения.

Проведение замеров для получения вибрационных характеристик форсунок

Аппаратура и оборудование. Замеры проводились на двигателе 6ЧН12/14 в лаборатории двигателей внутреннего сгорания кафедры судовых энергетических установок Мурманского государственного технического университета. Цель проведения замеров заключалась в определении информативности сигнала вибрации, полученного с корпуса форсунки.

Двигатель 6ЧН12/14 - дизельный, четырехтактный, шестицилиндровый, с наддувом, с верхним расположением клапанов, с объемно-пленочным смесеобразованием, с камерой сгорания в поршне. Впускной тракт выполнен с воздушным фильтром или шумоглушителем. Двигатель оснащен форсункой с длиннокорпусным многодырчатым распылителем, давление открытия форсунки - 14,7-15,2 МПа.

Данные дизели двигатели применяются для работы в качестве главных судовых двигателей на катерах и баржах, а также в качестве приводных двигателей генераторов постоянного и переменного тока, водометных движителей, лебедок, различного рода насосных установок в судовых, стационарных и передвижных условиях.

Дизель дооборудовался малогабаритным переходником для подключения датчика давления в цилиндре и комплектом термопар для контроля температур выпускных газов.

Измерения вибрации проводились на корпусе форсунки, высокочастотный акселерометр АП-15 крепился при помощи болтового соединения непосредственно на его верхнюю часть (рис. 3).

Акселерометр Корпус форсунки

Рис. 3. Установка акселерометра на форсунку

Для измерения давления топлива в трубке высокого давления устанавливался пьезоэлектрический датчик. Датчик устанавливался на штуцере топливного насоса, т. к. расположить его на штуцере фрсунки не представлялось возможным из-за особенностей конструкции крышек двигателя (рис. 4).

Датчик давления

Рис. 4. Установка датчика давления топлива

Для регистрации временной реализации сигнала вибрации форсунки, давления в топливной трубке высокого давления и индикаторной диаграммы использовалась схема, приведенная на рис. 5.

Рис. 5. Схема измерительного тракта: 1 - двигатель; 2 - форсунка;

3 - высокочастотный акселерометр АП-15; 4 - датчик давления топлива;

5 - датчик давления GT-20; 6 - усилитель УЗ-ФТФ-1; 7 - усилитель датчика давления топлива;

8 - усилители GE-11

С высокочастотного акселерометра АП-15 сигнал подавался на усилитель со встроенным полосовым 1/3-октавным фильтром (средняя частота 63 кГц). Это обеспечивало фильтрацию от возможных помех, возникающих в результате работы механизма газораспределения, набегания кулачков распределительного вала на толкатели и т. п. Для контроля давления в топливной трубке использовался усилитель заряда, а давление в цилиндре измерялось датчиком с усилителем и измерительным устройством К-748, с него же бралась и отметка верхней мертвой точки (ВМТ). Для обработки и визуализации сигналов использовался аналогово-цифровой преобразователь 2ЕТ-210 и программное обеспечение 2ЕТЬаЬ в функции многоканального осциллографа. Поскольку установлено, что величина амплитуды вибрации форсунки диагностической информации не содержит, ее величина при изменении не определялась, и фиксировалась только осциллограмма вибрации [1].

Проведение замеров. Сигнал вибрации форсунки фиксировался на частоте вращения 1500 об/мин. Измерения проводились на следующих мощностных режимах: работа без нагрузки, работа последовательно с нагрузкой 15, 25, 50, 75 кВт, что соответствовало 20 %, 33 %, 66 % и 100 % номинальной мощности дизеля.

Для изучения влияния качества распыла топлива на сигнал вибрации форсунки записывался режим с паспортным давлением впрыска, но с менее качественным распылом топлива, и режим со сломанной форсуночной пружиной. Качество распыла оценивалось визуально при проверке форсунки на стенде.

Для увеличения разборчивости осциллограммы была проведена запись огибающей вибрационного сигнала. Выделение огибающей выполнялось средствами программного обеспечения

Результаты измерений. Полученные результаты приведены на рис. 6-10, расположенных в порядке увеличения нагрузки дизеля.

Рис. 6. Осциллограммы при работе дизеля без и нагрузки и вид огибающей сигнала вибрации: 1 - сигнал вибрации; 2 - кривая давления топлива

Рис. 7. Осциллограммы при нагрузке 15 кВт: 1 - сигнал вибрации; 2 - кривая давления топлива

Рис. 8. Осциллограммы при нагрузке 25 кВт: 1 - сигнал вибрации; 2 - кривая давления топлива

Рис. 9. Осциллограммы при нагрузке 50 кВт: 1 - сигнал вибрации; 2 - кривая давления топлива

Рис. 10. Осциллограммы при нагрузке 75 кВт: 1 - индикаторная диаграмма; 2 - сигнал вибрации; 3 - кривая давления топлива

На осциллограммах фиксировался вибрационный сигнал, кривая изменения давления в топливной трубке и индикаторная диаграмма или отметка ВМТ. Результаты оценивались визуально с учетом временного промежутка между импульсами вибрации, соответствующими открытию и закрытию форсунки [1]. Продолжительность подачи топлива на разных мощностных режимах рассчитывалась по временному промежутку А между вибрационным импульсом начала подачи и импульсом окончания подачи (рис. 9). Данные усреднялись по 5-и временным реализациям. Результаты обработки, выраженные во временном интервале и градусах поворота коленчатого вала, приведены в таблице.

Результаты обработки экспериментальных данных по продолжительности подачи

Мощность, кВт Начало импульса открытия форсунки, с Начало импульса закрытия форсунки, с Продолжительность подачи А, с Продолжительность подачи, град. п.к.в.

25 0,020 652 0,017 976 0,002 676 24,1

50 0,023 72 0,019 44 0,004 28 38,5

75 0,018 80 0,014 04 0,004 76 42,8

Из полученных осциллограмм подачи топлива видно, что на режиме холостого хода и нагрузке до 25 кВт импульсы начала и окончания подачи сливаются, на режиме номинальной мощности происходит заполнение промежутка между импульсами начала и конца подачи, что делает затруднительным определение ее продолжительности.

Заполнение промежутка между импульсами начала и конца подачи и сама структура импульсов, скорее всего, обусловены относительно длинной для такого малоразмерного двигателя трубкой высокого давления. Большая длина трубки приводит к возникновению длительного колебательного процесса, что хорошо видно на всех осциллограммах давления.

Начало импульса, соответствующего посадке иглы, не всегда бывает четким и одинаковым по амплитуде. Это обстоятельство, несмотря на статистическую обработку, делает некорректным определение продолжительности впрыска по осциллограмме вибросигнала и определение по ней цикловой подачи.

Более стабильным наблюдается импульс начала подачи топлива, что позволяет использовать его для определения действительного угла опережения подачи топлива, отсчитывая угол от отметки ВМТ (рис. 9).

При испытании форсунки с менее качественным распылом топлива значительных отличий в вибросигнале не было выявлено (осциллограмма в статье не приводится) - скорее всего, по причине установки паспортного давления впрыска, такого же, как для форсунки с «качественным» распылом. Давление, видимо, является более весомым фактором, определяющим вибрацию форсунки; с другой стороны, качество распыла определялось визуально, т. е. с большой степенью субъективизма.

Поломка пружины, приводящая к значительному уменьшению амплитуды и изменению формы обоих импульсов вибрации, идентифицируется достаточно легко (рис. 11).

1

Д| hur !  1 L,w '

l!'

оно зюе* -жгаг ЙРНЧЧт (41 1'М тЗЯИИУ :»В1 41 и ип 10-1 Olli #a 5iij 1 * 14 ¡Щ

-ÜW

llü JL

) y . \Ш — и

l ' ^

—у

Ш .ч:ч 9Ы Ml Нч IM : ."ij i . i L* :.

Рис. 11. Осциллограммы при дефектной форсунке (поломка пружины): 1 - сигнал вибрации; 2 - кривая давления топлива

Отличие осциллограммы давления в топливной трубке от эталонной, приведенной на рис. 1, объясняется установкой датчика давления на штуцере топливного насоса, а не на штуцере форсунки. Это также приводит и к некоторому запаздыванию кривой давления относительно виброимпульсов.

Для повышения четкости изображения вибросигнала была предпринята попытка дополнительной обработки сигнала с использованием выделения огибающей высокочастотной компоненты. Следует отметить, что огибающая вибросигнала имеет более крутые фронты импульсов и более удобный для визуальной оценки формы сигнала вид (рис. 6).

Заключение

В результате проведенных замеров установлено, что по виброакустическому сигналу можно достоверно определить отдельные серьезные неисправности (зависание иглы, поломка пружины), а также оценить качество работы форсунки высокооборотного дизеля в целом без ее демонтажа с двигателя и контроля на стенде.

По вибросигналу, возбуждаемому форсункой, возможна реализация алгоритма контроля действительного угла опережения подачи топлива, в том числе и в автоматизированных системах. Контроль нагрузки цилиндра по длительности цикловой подачи, определяемой по виброимпульсам, при применении существующих методов обработки сигнала сложно реализуем и может быть использован только для весьма грубой ее оценки. При работе на малых нагрузках такой контроль, видимо, не реализуем вообще.

Учитывая наличие малогабаритных (и сравнительно недорогих) датчиков вибрации, разработку этого метода диагностики целесообразно продолжить. Малогабаритный датчик вибрации может устанавливаться на каждую форсунку и использоваться для определения ее технического состояния автоматизированными системами контроля и управления.

Метод следует доработать с целью повышения помехозащищенности и однозначности сигнала вибрации, используя для этого, например, выделение огибающей. Целесообразно провести исследования и по определению наиболее информативных частот колебаний для форсунок каждого конкретного дизеля, выяснить влияние нагнетательного клапана насоса на процесс вибрации форсунки. Все это также может повысить информативность и достоверность сигнала.

Для более обоснованной диагностики технического состояния форсунок, а возможно, и топливной аппаратуры в целом, необходимо создавать атласы с эталонными виброграммами для каждого конкретного типа дизеля или разрабатывать конкретные диагностические признаки, пригодные для машинной обработки

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Никитин Е. А., Станиславский Л. В., Улановский Э. А. Диагностирование дизелей. М.: Машиностроение, 1987. 227 с.

2. Возницкий И. В. Топливная аппаратура судовых дизелей. Спб.: Моркнига, 2007. 128 с.

Статья поступила в редакцию 10.01.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Сергеев Константин Олегович — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры судовых энергетических установок; kepstr@rambler.ru.

Панкратов Андрей Адольфович — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры технической механики и инженерной графики; Pankratovaa@mstu.edu.ru.

K. O. Sergeev, A. A. Рankratov DIAGNOSIS OF INJECTORS OF HIGH-SPEED MARINE DIESEL ENGINES

Abstract. The method of determining the technical condition of the injector of high-speed diesel using the method of vibration control on the injector body is considered. Vibration signal is measured by the accelerometer and is filtered by 1/3 - octave filter with a center frequency of 63 kHz. The measurements were performed at idle, 20%, 33%, 66% and 100% of rated power, as well as on the nominal power with an artificially introduced defect of the injector - spring breakage. The temporal realization of the signal is used for diagnosis. The conclusions about the nature of the change in the temporal realization of vibration signal depending on the power state and the presence of faults have been made. The possibility of determining of the cyclic supply and cylinder output using the vibration signal was estimated. The direction of further research to improve the accuracy of diagnosis has been proposed.

Key words: high-speed diesel engines, fuel equipment, injector, diagnostics, vibration.

REFERENCES

1. Nikitin E. A., Stanislavskii L. V., Ulanovskii E. A. Diagnostirovanie dizelei [Diagnostics of diesels].

Moscow, Mashinostroenie Publ., 1987. 227 p.

2. Voznitskii I. V. Toplivnaia apparatura sudovykh dizelei [The fuel equipment of marine diesel engines].

Saint-Petersburg, Morkniga Publ., 2007. 128 p.

The article submitted to the editors 10.01.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Sergeev Konstantin Olegovich — Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technicai University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Marine Power Plants; kepstr@rambler.ru.

Pankratov Andrew Adol'fovich — Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Technical Mechanics and Engineering Graphics; Pankratovaa@mstu.edu.ru.