УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ, СИСТЕМ И МЕХАНИЗМОВ ДИЗЕЛЯ

Полезная модель относится к устройствам для измерения параметров системы питания, системы электростартерного пуска, определения технического состояния генератора переменного тока и определения компрессии в цилиндрах дизеля, может быть использовано для диагностирования топливной аппаратуры, стартера, стартерной цепи, генератора и состояния цилиндропоршневой группы как на стендах так и непосредственно на работающих двигателях.
Известно устройство для диагностирования систем дизеля (патент на изобретение РФ №2370745 МПК G01М 15/04 от 20.10.2009 г.) [1] содержащее основание стенда, на котором размещены испытываемый топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки, мерные цилиндры, распределитель топлива, верхний и нижний топливные баки, подкачивающий насос стенда, топливный фильтр, демпфер манометра, манометр, топливный цилиндр, через который проходят топливопроводы высокого давления (ТВД), причем топливный цилиндр соединен с аккумулятором высокого давления топлива и с гасителем гидравлических колебаний топлива в цилиндре, а на валу испытываемого ТНВД размещен диск с установленным на нем постоянным магнитом управления открытием золотника гасителя гидравлических колебаний топлива и постоянным магнитом отметчика верхней мертвой точки (ВМТ) первого цилиндра; электрическую схему регистрации изменения давления топлива в ТВД, содержащую датчик давления топлива, размещенный в топливном цилиндре и соединенный включателем и электрическими цепями с усилителем тока, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), портом и компьютером, причем компьютер соединен с дисплеем; электрическую схему отметчика ВМТ первого цилиндра, содержащую электрическую катушку, размещенную на корпусе ТНВД и соединенную через электрическую цепь с электрическим блоком; электрическую схему управления золотником сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, состоящую из электрической катушки, закрепленной на корпусе ТНВД, усилителя постоянного тока и электрической катушки золотника сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, соединенных между собой электрической цепью, вольтметр постоянного тока, подключенный параллельно аккумуляторной батареи автомобиля и амперметр с датчиком тока, устанавливаемым на провод, соединяющим плюсовой вывод аккумуляторной батареи со стартером и обхватывающим его своими зажимами, закрепленные на основании стенда.
Недостатком данного устройства является малое число диагностируемых параметров дизельного двигателя, влияющих на его работоспособность.
Технический результат направлен на расширение числа диагностируемых параметров приборов, систем и механизмов дизеля.
Технический результат достигается тем, что в устройство для диагностирования систем дизеля, содержащее основание стенда, на котором размещены испытываемый топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки, мерные цилиндры, распределитель топлива, верхний и нижний топливные баки, подкачивающий насос стенда, топливный фильтр, демпфер манометра, манометр, топливный цилиндр, через который проходят топливопроводы высокого давления (ТВД), причем топливный цилиндр соединен с аккумулятором высокого давления топлива и с гасителем гидравлических колебаний топлива в цилиндре, а на валу испытываемого ТНВД размещен диск с установленным на нем постоянным магнитом управления открытием золотника гасителя гидравлических колебаний топлива и постоянным магнитом отметчика верхней мертвой точки (ВМТ) первого цилиндра; электрическую схему регистрации изменения давления топлива в ТВД, содержащую датчик давления топлива, размещенный в топливном цилиндре и соединенный включателем и электрическими цепями с усилителем тока, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), портом и компьютером, причем компьютер соединен с дисплеем; электрическую схему отметчика ВМТ первого цилиндра, содержащую электрическую катушку, размещенную на корпусе ТНВД и соединенную через электрическую цепь с электрическим блоком; электрическую схему управления золотником сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, состоящую из электрической катушки, закрепленной на корпусе ТНВД, усилителя постоянного тока и электрической катушки золотника сообщения топливного цилиндра с гасителем гидравлических колебаний топлива, соединенных между собой электрической цепью, вольтметр постоянного тока, подключенный параллельно аккумуляторной батареи автомобиля и амперметр с датчиком тока, устанавливаемым на провод, соединяющим плюсовой вывод аккумуляторной батареи со стартером и обхватывающим его своими зажимами, дополнительно введены операционный усилитель, соединенный с аккумуляторной батареей и пиковыми детекторами максимального и минимального значений, индикатор разности напряжений, осциллографическое устройство с усилителем сигнала и усилителем развертки соединенное с генератором переменного тока, нагрузочный резистор, преобразователь напряжения, подключенный к аккумуляторной батарее, переменный резистор, закреплены на основании стенда.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается введением в него дополнительных элементов и схемой их подключения к системе электростартерного пуска и к системе электроснабжения автомобиля, а именно: операционный усилитель, соединенный с аккумуляторной батареей и пиковыми детекторами максимального и минимального значений, индикатор разности напряжений, осциллографическое устройство с усилителем сигнала и усилителем развертки соединенное с генератором переменного тока, нагрузочный резистор, преобразователь напряжения, подключенный к аккумуляторной батарее, переменный резистор, закреплены на основании стенда.
Введение указанных элементов позволяет дополнительно контролировать состояние генератора переменного тока системы электроснабжения, определять состояние цилиндропоршневой группы, что расширяет число диагностируемых параметров и позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию: «Существенные отличия».
Устройство поясняется чертежами:
на фиг.1 и 2 представлено устройство для диагностирования систем и механизмов дизеля, на фиг.3 - вольтамперная характеристика батареи, на фиг.4 - диаграмма изменения давления топлива в ТВД в зависимости от угла поворота распределительного вала, на фиг.5 - фигуры Лиссажу, появляющиеся на экране осциллографического устройства в зависимости от состояния генератора.
Устройство для диагностирования систем дизеля содержит основание стенда 1 (фиг.1), на котором размещены испытываемый ТНВД 2, форсунки 3, мерные цилиндры 4, распределитель топлива 5, верхний 6 и нижний 7 топливные баки, подкачивающий насос 8, топливный фильтр 9, демпфер манометра 10, манометр 11, топливный цилиндр 12, через который проходят ТВД 13, соединен трубопроводом 14 с аккумулятором высокого давления топлива 15, а трубопроводом 16 - с гасителем гидравлических колебаний топлива 17 в цилиндре 12. Гаситель гидравлических колебаний топлива 17 выполнен в виде шара, соединенного трубопроводом 16 с топливным цилиндром 12 через отверстие 18 (фиг.2), выполненное в золотнике 19, который предназначен для сообщения гасителя гидравлических колебаний 17 с топливным цилиндром 12 в промежутки времени между подачами топлива отдельными секциями ТНВД 2. Над золотником 19 в его корпусе 20 размещена возвратная пружина 21, над другой частью золотника 19 установлена электрическая катушка 22, образующая соленоид. Электрическая катушка 22 соленоида соединена электрическими линиями 23 и 24 через выпрямитель постоянного тока 25 с электрической катушкой 26, закрепленной на передней части ТНВД 2. На переднем конце кулачкового вала 27 ТНВД 2 закреплен подвижный диск 28 вместе с установленными на нем четырьмя постоянными магнитами 29. Электрическая катушка 26 вместе с постоянными магнитами 29, усилителем постоянного тока 25, электрическими цепями 23 и 24 и электрической катушкой 22 соленоида образуют электрическую схему регистрации изменения давления топлива в ТВД, содержащую тензометрический датчик давления топлива 30, размещенный в топливном цилиндре 12. Датчик 30 соединен электрическими цепями 31, 32, 33 и 34 с усилителем тока 35, АЦП 36, портом 37, компьютером 38 и дисплеем 39. Отметчик ВМТ первого цилиндра, состоящий из электрической катушки, соединен электрическими цепями 40, 32, 33 и 34 с АЦП 36, портом 37, компьютером 38 и дисплеем 39. Все электрические схемы включаются в работу с помощью включателя 41. Вольтметр постоянного тока 42, подключенный параллельно аккумуляторной батареи автомобиля 43 и амперметр 44 с датчиком тока 45, устанавливаемым на провод, соединяющим плюсовой вывод аккумуляторной батареи 43 со стартером 46 и обхватывающим его своими зажимами, операционный усилитель 47, соединенный с аккумуляторной батареей 43 и пиковыми детекторами 48 и 49 максимального и минимального значений, индикатор 50 разности напряжений, осциллографическое устройство 52 с усилителем сигнала 54 и усилителем развертки 53 соединенное с генератором переменного тока 57, нагрузочный резистор 55, преобразователь напряжения 51, подключенный к аккумуляторной батарее 43, переменный резистор 56, которые закреплены на основании стенда 1.
Аккумулятор высокого давления топлива 15 предназначен для поддержания в топливном цилиндре 12 избыточного давления топлива, равного 150 МПа. Такая величина избыточного давления исключает как эрозионное разрушение наружных поверхностей ТВД 13 вследствие исключения возникновения явления кавитации, так и для увеличения быстродействия срабатывания электрической схемы регистрации давления в ТВД.
1
2
3
4
5
6
7
8
Для четырехцилиндрового четырехтактного дизеля углы φ, φ, φ, φ между постоянными магнитами 29 составляют 20° поворота распределительного вала, так как известно, что продолжительность полной подачи дизелей не превышает 40° поворота коленчатого или 20° поворота распределительного вала. Углы φ, φ, φ. φ составляют 70° поворота распределительного вала. Эта величина соответствует углам поворота кулачкового вала ТНВД 2 в промежутках между подачей топлива к форсункам 3 отдельными секциями ТНВД 2.
Устройство для диагностирования систем дизеля работает в двух режимах: 1-ый режим диагностирования пусковых показателей дизеля, 2-ой режим диагностирования генератора переменного тока, цилиндропоршневой группы и топливной аппаратуры дизеля.
б
пт
ст
элм
ст
кз
б
На первом режиме работы двигатель при включении прямой передачи в коробке передач затормаживается стояночным и рабочим тормозом. Под колеса автомобиля подкладываются специальные упоры. При подключении устройства вольтметр 42 показывает ЭДС батареи 43 (Е). При включении выключателя приборов и стартера автомобиля включается стартер 46. Через стартер будет протекать ток полного торможения I, который регистрируется амперметром 44, вольтметр 42 в этом случае показывает напряжение на стартере (U). По полученным результатам оцениваются максимальная электромагнитная мощность стартера Р, полное сопротивление цепи R и строится вольтамперная характеристика аккумуляторной батареи по двум точкам (фиг.3), которая позволяет определить ток короткого замыкания I батареи 43 и ее внутреннее сопротивление R.
Расчеты проводятся по формулам:
По полученным результатам делается заключение о техническом состоянии стартера и стартерной цепи.
На втором режиме работы двигатель растормаживается. Первоначально определяется состояние цилиндропоршневой группы и топливо в цилиндры двигателя не подается. При включении стартера 46 коленчатый вал дизеля начнет вращаться, сигнал с аккумуляторной батареи 43 усиливается операционным усилителем 47 и поступает на выходы пиковых детекторов 48 и 49 максимального и минимального значений. На выходе пиковых детекторов вырабатывается напряжение, соответственно пропорциональное максимальной и минимальной амплитуде тока стартера. Разность амплитуд тока стартера, фиксируемая индикатором 50 разности напряжений, получается из-за различных величин компрессий в цилиндрах двигателя и определяет состояние цилиндропоршневой группы. Показания индикатора 50 разности напряжений будут пропорциональны разности напряжений пиковых детекторов и позволят судить о техническом состоянии цилиндропоршневой группы, если в одном из цилиндров компрессия будет меньше, соответственно уменьшается напряжение на выходе пикового детектора минимального значения. Показания индикатора 50 разности напряжений отградуированы в процентной разности величины компрессий в цилиндрах.
Затем диагностируется топливная аппаратура дизеля и топливо подается к ТНВД 2 из нижнего топливного бака 7 через распределитель топлива 5 и топливный фильтр 9 с помощью топливоподкачивающего насоса 8. ТНВД 2 подает топливо к форсункам 3 под высоким давлением по ТВД 13.
Для диагностирования технического состояния ТНВД 2, форсунок 3 и ТВД 13 необходимо замкнуть контакты включателя 41. При этом будут работать электрические схемы управления золотником сообщения топливного цилиндра 12 с гасителем гидравлических колебаний топлива 17, регистрации изменения давления топлива в ТВД 13 и отметчика ВМТ первого цилиндра.
Электрическая схема управления золотником сообщения топливного цилиндра 12 с гасителем гидравлических колебаний топлива 17 работает следующим образом: при протекании топлива по ТВД 13 с переменным по величине давлением они подвержены вибрациям, которые передаются топливу в топливном цилиндре 12. Под воздействием вибраций ТВД 13 в топливе возникают волновые явления, которые отрицательно влияют на работу датчика давления топлива 30. Это происходит вследствие возникновения резонанса при сложении колебаний, вызванных вибрациями ТВД 13, по которым топливо подается к форсункам.
1
4
2
5
6
7
8
При повороте подвижного диска 28 на угол 45° постоянный магнит 29 перемещается у витков электрической катушки 26, в которой возникает электрический ток. Электрический ток по электрическим цепям 24 и 23 через усилитель тока поступает в электрическую катушку 22. Под действием электрического поля, возникшего в катушке 22, золотник 19 перемещается влево, сжимая возвратную пружину 21. При этом отверстие 18 в золотнике 19 совмещается с отверстием трубопровода 16. В этом случае часть топлива из топливного цилиндра 12 будет перетекать в гаситель гидравлических колебаний топлива 17, в котором находится воздух. Вследствие периодического сжатия воздуха в гасителе гидравлических колебаний топлива 17 происходит быстрое затухание волновых колебаний в цилиндре 12. При повороте кулачкового вала на углы φ, φ, φ и φ происходит подача топлива к первой, третьей, второй и четвертой секциям ТНВД 2 и к первой, третьей, второй и четвертой форсункам соответственно. При этом гаситель гидравлических колебаний 17 не работает. В промежутки времени, соответствующие углам φ, φ, φ и φ, гаситель гидравлических колебаний топлива 17 через отверстие 18 в золотнике 19 сообщается с топливным цилиндром 12, в котором происходит затухание гидравлических колебаний в топливе.
Таким образом, гашение волновых явлений, возникающих в топливном цилиндре 12 вследствие вибраций ТВД 13, происходит в промежутках времени между подачами топлива ТНВД 2 к форсункам 3.
Принцип работы электрической схемы регистрации изменения давления топлива в ТВД 13 заключается в том, что изменение давления регистрируется датчиком давления топлива 30, электрический сигнал, поступающий на датчик 30, усиливается усилителем тока 35 и поступает на АЦП 36, который преобразует аналоговый сигнал в соответствующий ему код. Этот код через порт 37 поступает в компьютер 38, выход которого соединен с дисплеем 39, на котором отображается информация об изменении давления топлива в ТВД 13.
При вращении кулачкового вала 27 ТНВД 2 топливо секциями нагнетается под высоким давлением в порядке работы цилиндров дизеля через ТВД 13 к форсункам 3. При протекании топлива по участку ТВД 13, размещенному в топливном цилиндре 12, импульс давления топлива передается через стенки ТВД 13 и топливо, находящееся под давлением 150 МПа в топливном цилиндре 12, к датчику давления 30, от которого электрический сигнал поступает по электрической цепи 31 к усилителю тока 35 и АЦП 36. Точность регистрации процесса топливоподачи определяется амплитудно-частотными характеристиками измерительных приборов, под которыми обычно понимают зависимость коэффициента трансформации сигнала от частоты. Представление о необходимом спектре частот, описывающих процессы в топливной аппаратуре с заданной точностью, можно получить на основании треугольного и прямоугольного импульсов, форма которых близка к осциллограммам процессов, исследуемых в топливной аппаратуре (например, кривой изменения давления впрыскивания топлива в зависимости от угла поворота кулачкового вала ТНВД 2).
Пределы необходимого спектра можно установить на примере анализа треугольного импульса, описываемого функцией в виде ряда:
0
где A - величина входного сигнала;
а - длина волны входного сигнала;
κ - порядок учитываемой гармоники.
н
При регистрации процесса топливоподачи с крутыми фронтами необходимый спектр можно определить по величине фазового сдвига, вызванного тем, что амплитуда пропускного импульса достигает номинального значения не сразу, а через какой-то промежуток φ, который обычно называют временем нарастания.
Наибольшая величина нарастания фронта топливоподачи наблюдается у импульсов, приближающихся по форме к прямоугольным, и описываются следующим выражением в виде ряда:
Сигнал от АЦП 36 поступает по электрическим цепям 32, 33 и 34 в порт 37, компьютер 38 и на дисплей 39 в виде графической зависимости изменения давления топлива в ТВД 13 от угла поворота кулачкового вала ТНВД 2 (фиг.4).
В случае подачи топлива первой секцией ТНВД 2 срабатывает электрическая схема отметчика ВМТ первого цилиндра, так как при перемещении постоянного магнита 39 у электрической катушки 42 в зазоре между этими деталями возникает магнитный поток Ф, причем в какой-то момент времени τ он достигает максимума, а затем убывает. В соответствии с изменением магнитного потока изменяется и величина ЭДС, создаваемой в катушке 42, определяемая по формуле;
В соответствии с выражением (4) ЭДС достигает максимальных значении при максимуме , между которыми кривая ЭДС проходит через ВМТ. Электрический импульс от электрической катушки 42 передается по электрическим цепям 40, 32, 33 и 34 на дисплей 39 в виде импульса 8 (фиг.4).
На диаграмме изменения давления впрыскивания топлива в цилиндры двигателя в зависимости от угла поворота распределительного вала (фиг.4) точка 1 соответствует началу повышения давления, совпадающего с подъемом нагнетательного клапана. В точке 2 давление топлива достигает величины, при которой преодолевается усилие затяжки пружины форсунки, игла отрывается от своего седла, и происходит впрыск. На участке 3-4 происходит снижение темпа прироста давления впрыскивания вследствие увеличения объема в распылителе при подъеме иглы форсунки. В точке 5 давление впрыскивания достигает максимального значения. Точка 6 соответствует моменту посадки иглы форсунки в седло, а в точке 7 происходит посадка нагнетательного клапана в седло.
На диаграмме в качестве примера представлены измерения впрыскивания топлива в цилиндры за один рабочий цикл четырехтактного четырехцилиндрового дизеля. Эти диаграммы можно сравнивать с эталонными расчетными диаграммами и определять неисправности в работе секций ТНВД и форсунок как на стенде, так и на двигателе, установленном на стенде или на транспортном средстве. Например, на фиг.4 видно, что секция ТНВД третьего цилиндра имеет низкие давления в точках 1 и 7, что свидетельствует о неплотной посадке нагнетательного клапана в седло и об износе плунжерной пары. Секция четвертого цилиндра имеет недостаточную затяжку пружины иглы форсунки, которая вследствие этого поднимается раньше. Давление в точке 5 этой секции не достигает максимального значения. Это приведет к ухудшению распыливания топлива в камере сгорания и к ухудшению протекания процесса сгорания.
Объем топлива, впрыскиваемого форсунками 3 (фиг.1), определяется с помощью мерных цилиндров 4.
Кроме того, на втором режиме диагностируется генератор переменного тока. Для этого на обмотку возбуждения диагностируемого генератора 57 будет подаваться переменное напряжение небольшой амплитуды, контролироваться сигнал на выходе генератора при помощи осциллографического устройства 52. Амплитуда и частота контролируемого сигнала определяется техническим состоянием генератора и при различных неисправностях имеет различный вид. Полное изменение сигнала происходит при повороте ротора на угол определяемый по формуле:
где P - число пар полюсов генератора.
Для определения неисправности необходимо иметь эталонный сигнал, в качестве которого используется напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения генератора 57 и одновременно на усилитель развертки 53 осциллографического устройства 52, а на вертикальный вход подается контролируемый сигнал с выхода генератора 57.
Обмотка возбуждения диагностируемого генератора переменного тока 57 своими клеммами "Ш" подключается к одноименным клеммам устройства, то есть к преобразователю напряжения 51, усилитель сигнала 54 осциллографического устройства 52 подключается к клеммам "+" и "-" диагностируемого генератора переменного тока 57, нагрузочный резистор 55 включается между "+" и "-" диагностируемого генератора переменного тока 57, при этом напряжение аккумуляторной батареи 43 преобразованное в переменное преобразователем напряжения 51 величиной 25 В будет подаваться на обмотку возбуждения диагностируемого генератора 57, которая будет возбуждать переменное магнитное поле. В результате чего на трехфазной обмотке статора будет наводиться переменное напряжение, которое через выпрямительный блок подается на выход генератора 57. С выхода генератора переменного тока 57 выпрямленное напряжение будет поступать на усилитель сигнала 54 осциллографического устройства 52. Одновременно с этим переменное напряжение от преобразователя напряжения 51 через переменный резистор 56 будет подаваться на усилитель развертки 53 осциллографического устройства 52. В результате взаимодействия сигнала с выходных клемм диагностируемого генератора 57 и эталонного сигнала на экране осциллографического устройства 52 будут фиксироваться фигуры Лиссажу (фиг.5). Поворачивая ротор генератора и сравнивая фигуру зафиксированную на осциллографическом устройстве 52 с фигурами, которые определяют техническое состояние генератора, представленные на фигуре 5, можно судить о характере неисправности диагностируемого генератора 57.
Таким образом, устройство для диагностирования приборов, систем и механизмов дизеля в режимах диагностирования пусковых показателей дизеля, диагностирования цилиндропоршневой группы, топливной аппаратуры и генератора переменного тока измеряет максимальную электромагнитную мощность стартера, полное сопротивление стартерной цепи, ЭДС, внутреннее сопротивление, ток короткого замыкания аккумуляторной батареи, компрессию, проверяется работоспособность топливной аппаратуры и состояние генератора, а в случае неисправного состояния генератора указывается характер неисправности. Число контролируемых параметров расширено.
Источники информации:
1 Нечаев В.В. и др. Устройство для диагностирования систем дизеля [Текст] Патент на изобретение РФ №2370745 МПК G01М 15/04, F02M 65/00 Заявитель и патентообладатель Ряз. воен. автомоб. ин-т. - 2008115352/06; заявл. 18.04.2008; опубл. 20.10.2009, Бюл. №29.