Способ диагностики системы топливоподачи и контура низкого давления инжекторных ДВС
DIAGNOSTIC METHOD OF FUEL-FEED SYSTEM AND LOW PRESSURE LOOP OF INJECTOR ICE

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемый способ относится к области контроля и технической диагностики аппаратуры топливоподачи автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), оснащенных системами впрыска бензина, что согласно рубрике Международной патентной классификации МПК-2019.01 относится к классу F02M 65/00 - испытания аппаратуры систем подачи жидкого топлива для двигателей, работающих от сжигания топлива вообще.
Объектом диагностики (ОД) является система топливоподачи (СТП) системы впрыска топлива (СВТ) во впускной тракт (ВТ) или контур низкого давления (КНД) системы непосредственного впрыска (СНВ) топлива в цилиндры ДВС. Основным компонентом ОД является электрический топливный насос низкого давления (ТННД), создающий напор (приращение механической энергии массы топлива между входом и выходом ТННД), достаточный для обеспечения необходимого давления и производительности СТП в топливной рампе (TP), а КНД - в топливном насосе высокого давления (ТНВД). ТННД, как правило, встроен в топливный бак, реже в топливную магистраль (ТМ), состоящую из всасывающей (ВМ; до входа в насос), напорной (НМ; между выходом насоса и регулятором давления (РД) топлива) и питающей (ПМ; между РД и ТР/ТНВД) магистралей.
Углеводороды, содержащиеся в бензине, являются источником химической энергии, преобразуемой в цилиндрах ДВС в тепловую энергию, а затем посредством цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма - в механическую энергию, обусловливающую крутящий момент на коленчатом валу (KB), которая в свою очередь зависит от напора, с учетом компенсации неизбежных потерь в самом ТННД, магистралях, фильтрах и иных компонентах СТП/КНД, поэтому техническое состояние СТП/КНД является одним из факторов, в решающей степени влияющим на характеристики ДВС. Компоненты СТП/КНД при эксплуатации непрерывно подвергаются интенсивному износу, снижению напора, подачи и производительности, увеличению потерь энергии от неплотностей, примесей, загрязнений, парогазообразования и кавитации, что негативно влияет на топливодозирование, токсичность отработавших газов (ОГ), функционирование ТНВД, форсунок и ДВС в целом, поэтому совершенствование средств и способов диагностики СТП и КНД является весьма актуальной необходимостью.
Уровень техники
Технический результат диагностирования заключается в быстром определении достоверного технического диагноза ОД без его демонтажа и разборки, с рассоединением ТМ. Диагностирование включает: определение текущих значений диагностических параметров и признаков путем подключения измерительных средств к штатным разъемам и отводам, местам рассоединения ТМ; распознавание вида технического состояния ОД и его компонентов; определение и локализацию дефекта; постановку диагноза. Распознавание заключается в сопоставлении текущих значений параметров и признаков с нормативными значениями, на основании чего делают вывод о наиболее правдоподобном их соответствии, и отнесении технического состояния ОД и его компонентов к установленному виду (исправен или нет, работоспособен или нет, функционирующий или нет).
Диагностическими параметрами СТП/КНД являются давление, производительность топлива, подача ТННД; диагностическим признаком - парогазовые пузырьки и пробки в потоке топлива (BOSCH. Системы управления бензиновыми двигателями. Пер. с нем. - 1-е русское изд. - М.: ООО «Книжное изд-во «За рулем», 2005, с. 132, 133, 138). Нормативные значения параметров содержатся в нормативно-технической документации на СТП/КНД. При их отсутствии используют эталонные значения параметров работоспособного эталона, образца, аналогичного ОД, а если и они отсутствуют, то расчетные значения, которые определяют посредством физико-математических расчетов.
Как правило, всегда известны нормативные значения давления топлива, и в ОД имеются специальные гидравлические отводы и разъемы для подключения манометра, что обеспечивает определение текущего значения давления. Однако, достоверный диагноз ОД, как и любого источника энергии, возможен не менее, чем по двум параметрам: для оценки СТП и КНД вторым необходимым параметром является производительность, а для оценки ТННД - подача, нормативные и эталонные значения которых чаще всего не известны, вследствие чего прибегают к определению их расчетных значений с помощью аналогов предлагаемого изобретения. Поскольку и производительность, и подача зависят прежде всего от требуемой цикловой подачи, эффективной мощности и рабочего объема двигателя, то такими аналогами являются известные физико-математические зависимости, изложенные в многочисленных источниках, посвященных теории, техническому устройству и конструированию ДВС и топливной аппаратуры, где математически обосновано требуемое количество топлива (Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. М., «Машиностроение», 1977, с. 150, 151; BOSCH. Системы управления бензиновыми двигателями. Пер. с нем. - 1-е русское изд. - М.: ООО «Книжное изд-во «За рулем», 2005, с. 132÷435, 138, 139; Хрулёв А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практ. изд. - М.: Изд-во «За рулем», 1998, с. 126; BOSCH. Автомобильный справочник: Пер. с англ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004, с. 424; BOSCH. Системы управления дизельными двигателями. Пер. с нем. С40. 1-е русское изд. - М.: ООО «КЖИ «За рулем», 2004, с. 60 и мн. др.). Прототипом изобретения по расчету подачи ТННД Q является выражение (Ерохов В.И. Системы впрыска бензиновых двигателей (конструкция, расчет, диагностика). Учебник для вузов. - М: Горячая линия - Телеком, 2011, с. 132), объем/время:
зап
где k - коэффициент запаса подачи топлива;
z - количество цилиндров двигателя;
max
Q - максимальная цикловая подача для цилиндра;
max
τ - длительность управляющего импульса при максимальной цикловой подаче;
min
T - минимальный период следования цикловых подач;
max
n - максимальная частота вращения КВ;
рд
Q - минимальный расход топлива через РД.
max
ном
max
ном
кнд
max
e
3
Однако, на практике расчетная подача, исчисленная согласно (1), не соответствует нормативной, так как фактическая длительность впрыска отличается от длительности управляющего импульса τ из-за инерционности подвижных частей форсунок, которой можно пренебречь лишь в отдельных системах впрыска, оснащенных быстродействующими форсунками. Прототип непригоден для диагностики систем непрерывного впрыска, у которых управляющий импульс и цикличность впрыска отсутствуют в принципе. ДВС развивает номинальную эффективную мощность N, как правило, не на максимальной n, а на номинальной частоте вращения n (BOSCH. Системы управления бензиновыми двигателями. Пер. с нем. - 1-е русское изд. - М.: ООО «Книжное изд-во «За рулем», 2005, с. 23, рис. 1). Масса топлива в диапазоне температур -20÷+80°С изменяется более чем на 25%, однако прототип не учитывает влияние температуры топлива и температуры воздуха на впуске. Также не учтен возврат топлива через клапан регулирования (КР) в контуре высокого давления (КВД) СНВ, что не позволяет рассчитать производительность КНД Q. Значительные затруднения вызывает исчисление максимальной цикловой подачи Q с приемлемой точностью. Расчет эффективной цикловой подачи Q для ДВС возможен через эффективную мощность двигателя (BOSCH. Автомобильный справочник: Пер. с англ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004, с. 424; BOSCH. Системы управления дизельными двигателями. Пер. с нем. С40. 1-е русское изд. - М.: ООО «КЖИ «За рулем», 2004, с. 60), мм/цикл:
e
где N - эффективная мощность двигателя, кВт;
e
b - удельный эффективный расход топлива, г/кВт⋅ч;
-1
n - частота вращения KB, мин;
б
3
ρ - плотность бензина, мг/мм.
Повысить точность вычислений можно путем перепроверки результата, найденного посредством (2), через рабочий объем двигателя; для 4-тактного ДВС (И.В. Алексеев и др. Учебное пособие по курсовому проектированию двигателей внутреннего сгорания, Ч. 1. Методика выполнения теплового расчета. М.: 2004, Ротапринт МАДИ (ГТУ), согласно (9.1), с. 40) посредством аналога:
е
где р - среднее эффективное давление в цилиндре, МПа;
H
V - рабочий объем двигателя, л.
е
e
ном
ном
Существенным недостатком (2) и (3), препятствующим достижению технического результата диагностирования, является неизвестность нормативных и эталонных значений р и b конкретного диагностируемого двигателя, вследствие чего прибегают к эталонной массе воздуха в составе топливовоздушной смеси (ТВС), а поскольку она чаще всего не известна, то к определению ее расчетного значения (M_STEP. MPI - система многоточечного впрыскивания, с. 2-13) на режиме номинальной мощности N (n); для 4-тактного двигателя:
в
где m - масса воздуха;
μ - коэффициент наполнения цилиндров;
вт
р- давление во впускном тракте;
R - газовая постоянная;
в
t - температура воздуха на впуске.
Коэффициент избытка воздуха λ (Хрулёв А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. Производственно-практ. изд. - М.: Изд-во «За рулем», 1998, с. 7):
0
где L=14,7 - стехиометрическое отношение массы воздуха к массе топлива;
т
m - масса топлива.
p
Из (3) и (4) вытекает объемный расход топлива двигателем Q на режиме номинальной мощности, объем/время:
v
-1
где k=1+ε - коэффициент использования рабочего объема двигателя;
ε - степень сжатия;
в
ρ - плотность воздуха на впуске;
б
e
e
п
η=Q/(Q+Q) - коэффициент использования объема бензина;
п
Q - цикловой расход бензина на продувку цилиндров и потери на каплеобразование.
Учитывая, что в ТВС на режиме номинальной мощности коэффициент избытка воздуха λ=0,85 (BOSCH. Системы управления бензиновыми двигателями. Пер. с нем. - 1-е русское изд. - М.: ООО «Книжное изд-во «За рулем», 2005, с. 40, рис. 1):
H
ном
вт
В (7), как правило, из баз технических данных (БТД) автомобилей известны нормативные значения V, n и ε. На режиме полного дросселя можно принять р=1.
в
в
3
Значение ρ на уровне моря при температуре воздуха t, °С, кг/м:
0в
3
где ρ - стандартная плотность воздуха, кг/м;
в
П - температурная поправка плотности воздуха.
б
3
Значение ρ определяют путем измерения ареометром или вычисляют в зависимости от его температуры, кг/м:
0б
3
где ρ - стандартная плотность бензина (Европейский стандарт EN 228; ГОСТ Р 51866-2002. Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Табл. 1, п. 13), кг/м;
б
П - температурная поправка плотности бензина (Григорьева Н.А. и др. Определение плотности нефтепродуктов. М.: ИЦ РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016, с. 3, 4);
б
t - температура бензина, °С.
б
Вместе с тем, существенным недостатком (7) является неизвестность нормативных и эталонных значений μ и η конкретного диагностируемого двигателя, значительно затрудняющим, а чаще всего препятствующим достижению технического результата диагностирования.
е
e
б
Таким образом, перечисленные недостатки препятствуют достижению технического результата диагностирования СТП и КНД, в силу чего прототип (1) в совокупности с известным номинальным, эталонным или расчетным значением давления топлива на практике обеспечивает определение расчетного значения подачи ТННД и производительности лишь СТП системы дискретного впрыска топлива, оснащенной быстродействующими форсунками, и при наличии точных значений р и b или μ и η.
В изобретении исключены недостатки прототипа и учтены потребности практической диагностики СТП/КНД. Предложенный способ определения расчетных значений диагностических параметров ТННД, СТП и КНД позволяет достичь технического результата диагностирования. Способ не известен из уровня техники, для специалиста не следует из уровня техники явным образом, и может быть применен в отрасли автомобильного сервиса, в силу чего является новым, промышленно применимым изобретением, имеющим изобретательский уровень.
Согласно изобретению, предложен способ диагностики системы топливоподачи (СТП) инжекторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), включающий в себя измерение таких текущих значений диагностических параметров, как текущее давление и производительность топлива в СТП систем дискретного и непрерывного впрыска топлива во впускной тракт, а также текущее давление и производительность топлива в контуре низкого давления (КНД) системы непосредственного впрыска топлива и подачи входящих в СТП и КНД электрических топливных насосов низкого давления, определение расчётных значений указанных параметров в функции от номинальной мощности ДВС, температуры топлива и температуры воздуха на впуске, сопоставление расчётных значений с измеренными текущими значениями и определение технического диагноза СТП и КНД.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения заключается в реализации диагностической модели (ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения, табл. 1, п. 20), отражающей нормативные требования к СТП и КНД по непрерывному обеспечению работающего ДВС таким потоком топлива, текущие значения давления, подачи и производительности которого находятся в пределах допусков нормативных значений:
где t - текущее время;
q (t) - текущая подача ТННД;
Q - нормативная подача ТННД;
од
q(t) - текущая производительность ОД;
од
Q - нормативная производительность ОД;
р(t) - текущее давление;
Р - нормативное давление;
ΔР - допуск нормативного давления;
тр
p(t) - текущее давление в топливной рампе рециркуляционной СТП;
вт
U - нормативное разрежение во впускном тракте;
max
_
p текущее максимальное давление;
max
_
P нормативное максимальное давление.
В общем случае поток топлива ОД включает в себя расходный и два возвратных потока (в топливный бак через РД в СТП/КНД и через КР в КВД).
р
и
п
рд
кр
Соответственно, текущая подача q(t) включает в себя текущий эффективный расход q(t) (состоит из индикаторного расхода q(t) и потерь q(t) на конденсацию, продувку и пр.), текущий возврат q(t) ОД и текущий возврат КВД q(t), объем/ время:
где текущая производительность ОД:
од
p
рд
кр
зап
Аналогичным является соотношение нормативных, эталонных и расчетных подачи Q, производительности Q, расхода Q и возвратов Q и Q СТП и КНД, но с учетом требования создания запаса топлива в k раз, объем/время.
где производительность ОД:
где β - коэффициент пропорциональности между расходом и возвратом через КР.
ном
Значение N указано во всех БТД и техническом паспорте автомобиля.
На основе анализа вышеуказанных источников информации, характеристик ДВС, приведенных в БТД (Autodata 3.38, «Autodata Limited», 2012 и др.) и руководствах по ремонту и техническому обслуживанию (Фольксваген Пассат/Вариант 1988-1996. Руководство по ремонту, эксплуатации и техническому обслуживанию. П.: Машсервис, 2002, с. 80-81 и мн. др.), рабочих точек РД, сплошности потока, запаса бензина в ТНВД, практики построения СТП и КНД и статистических данных, накопленных в процессе практической диагностики, установлено, что:
где
а
, с, d, x, y - постоянные коэффициенты.
Из (2) и (16) вытекает для 4-тактного двигателя, л/мин:
рд
зап
e
а
С учетом перераспределения потоков топлива в режиме полного дросселя в сторону увеличения расхода и уменьшения возврата, можно принять по умолчанию Q=0,36 л/мин; k=1,1; β=0,1; =-0,374; с=94,95; d=286580; х=0,335; у=-0,665. В двигателях с наддувом b выше (И.В. Алексеев и др. Учебное пособие по курсовому проектированию двигателей внутреннего сгорания, Ч.1. Методика выполнения теплового расчета. М.: 2004, Ротапринт МАДИ (ГТУ), с. 54) за счет увеличения номинальной мощности ДВС на 10÷40% по сравнению с аналогичным ДВС без наддува.
+
-
Верхняя Ри нижняя Р границы диапазона расчетного давления любой СТП определяются согласно (10) техническими характеристиками или рабочим давлением РД:
вт
вт
вт
Верхняя  и нижняя  границы диапазона расчетного давления между входом и выходом форсунок распределенной СВТ, оснащенной тупиковой СТП, определяется техническими характеристиками, (19) и разрежением воздуха U во впускном тракте; по умолчанию на режиме холостого хода U= 65 кПа, полной нагрузки U=0 кПа:
Верхняя  и нижняя  границы диапазона расчетного давления между входом и выходом форсунок распределенной СВТ, оснащенной рециркуляционной СТП:
Верхняя  и нижняя  границы диапазона расчетного давления в топливной рампе рециркуляционной СТП системы распределенного впрыска:
Верхняя  и нижняя  границы диапазона расчетного давления в топливной рампе тупиковой СТП системы распределенного впрыска:
+
-
В КНД верхняя Ри нижняя Р границы диапазона расчетного давления определяются согласно (10) техническими характеристикам или рабочим давлением РД:
max
рд
Расчетное максимальное давление ТННД P превышает рабочее давление Р:
Таким образом, в отличие от прототипа посредством изобретения рассчитывают не только значения подачи ТННД и производительности СТП системы дискретного впрыска топлива, оснащенной быстродействующими форсунками, но также расчетные значения производительности СТП системы непрерывного впрыска, КНД системы непосредственного впрыска, оснащенных любыми форсунками, и подачи входящих в них ТННД в функции от номинальной мощности ДВС, температуры топлива и воздуха на впуске, что обеспечивает технический результат диагностирования СТП и КНД всех типов.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Алгоритм №1 расчета значений параметров КНД.
Фиг. 2. Алгоритм №2 расчета значений параметров рециркуляционной СТП системы центрального впрыска.
Фиг. 3. Алгоритм №3 расчета значений параметров рециркуляционной СТП системы распределенного впрыска.
Фиг. 4. Алгоритм №4 расчета значений параметров тупиковой СТП системы распределенного впрыска..
Осуществление изобретения
Диагностическую модель реализуют путем применения формул (8), (9), (13)÷(24), согласно алгоритмам №№1÷4 (фиг. 1÷4), определяя расчетные значений параметров КНД, рециркуляционной и тупиковой СТП распределенной и центральной СВТ в ДВС без наддува и с наддувом.
Достигнутый технический результат подтвержден экспериментальными данными, полученными при многократном практическом диагностировании СТП и КНД.
Пример 1. Диагностирование КНД автомобиля Mitsubishi Pajero 3,5 GDI 2004, engine code 6G74, без наддува. Номинальная мощность двигателя 149 кВт. Давление топлива 3,29 бар. Система непосредственного впрыска. Возврат топлива через регулятор давления 0,4 л/мин. Температура топлива +40°С. Температура воздуха на впуске +30°С.
Расчетные значения параметров КНД определяют по алгоритму №1 (фиг. 1):
кнд
кнд
кнд
кнд
+
-
+
-
По причине недоступности напорной магистрали для измерения подачи, данный КНД неконтролепригоден (ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения, табл. 1, п. 14), в связи с чем измеряют текущие значения р(t)=3,4 бар и q(t)=1,48 л/мин и сопоставляют их с соответствующими расчетными значениями Р, Р и Q: Р≤р(t)≤Р, что удовлетворяет требованию (7), но q(t)<Q, что свидетельствует о неработоспособности КНД. Диагноз: засорены топливные фильтры/магистрали или повышенный износ ТННД. При демонтаже фильтра тонкой очистки установлено, что он работоспособен; необходим демонтаж модуля ТННД из топливного бака. После демонтажа модуля ТННД установлено, что ТННД не обеспечивает необходимую подачу по причине засора фильтра грубой очистки, который нуждается в замене.
Пример 2. Диагностирование рециркуляционной СТП автомобиля Volkswagen Golf sedan 1,4 л 1993, engine code ABD, без наддува. Номинальная мощность двигателя 44 кВт. Центральная система впрыска. Давление топлива 0,8÷4,2 бар. Возврат топлива через регулятор давления 0,42 л/мин. Температура топлива +35°С. Температура воздуха на впуске +30°С.
Расчетные значения параметров СТП определяют по алгоритму №2 (фиг. 2):
max
в
в
max
Данная СТП контролепригодна (имеется доступ к напорной магистрали), поэтому измеряют текущие значения p(t)=0,95 бар, p=3,9 бар и q(t)=1,06 л/мин и сопоставляют их с соответствующими расчетными значениями Р, Р, P и Q.
+
-
max
max
Р≤p(t)≤Р, что удовлетворяет требованию (7), но q(t)<Q, что свидетельствует о дефекте ТННД или засоренности топливных фильтров и/или магистралей. Но поскольку p>P ТННД является работоспособным. Диагноз: СТП неработоспособна, требуется замена топливных фильтров и очистка магистралей.
Пример 3. Диагностирование рециркуляционной СТП автомобиля BMW 520i 2,0 л 1984 rengine code 20 6 ЕВ, без наддува. Номинальная мощность двигателя 92 кВт. Система распределенного впрыска. Давление топлива 2,5±0,05 бар. Возврат топлива через регулятор давления 0,36 л/мин. Температура: топлива +20°С; воздуха на впуске +15°С.
Расчетные значения параметров СТП определяют по алгоритму №3 (фиг. 3):
max
тр
Данная СТП контролепригодна (имеется доступ к напорной магистрали); измеряют текущие значения р(t)=2,5 бар, q(t)=1,67 л/мин, p=5,6 бар, p(t)=1,83 бар на холостом ходу, что удовлетворяет требованию (10). Диагноз: СТП работоспособна, дефект имеет место в другой системе двигателя.
Пример 4. Диагностирование рециркуляционной СТП автомобиля Geely МК sedan 1,5 л 16 кл. 2013, engine code Toyota 5A-FE, без наддува. Номинальная мощность двигателя 94 л.с. Система распределенного впрыска. Давление топлива 3,5 бар. Температура топлива +38°С. Температура воздуха на впуске +32°С.
Номинальная мощность двигателя в кВт: 69,14.
Расчетные значения параметров СТП определяют по алгоритму №3 (фиг. 3):
тр
тр
Данная СТП контролепригодна (имеется доступ к напорной магистрали), поэтому измеряют текущие значения давления р(t)=3,5 бар, давления в рампе на холостом ходу p(t)=3,1 бар и подачи q(t)=1,97 л/мин и сопоставляют их с соответствующими расчетными значениями: p(t) не удовлетворяет требованию (10), что свидетельствует о неправильной регулировке давления топлива регулятором давления. Диагноз: СТП неработоспособна, дефект регулятора давления топлива.
Пример 5. Диагностирование тупиковой СТП автомобиля LADA Granta sedan 1,6 л 16 кл. 2019, 5 МТ, engine code 21127, динамический наддув. Номинальная мощность двигателя 78 кВт. Система распределенного впрыска. Давление топлива 3,8÷4,0 бар. Возврат топлива через регулятор давления 0,45 л/мин. Температура топлива +30°С. Температура воздуха на впуске +26°С.
Расчетные значения параметров СТП определяют по алгоритму №4 (фиг. 4):
Поскольку данная СТП неконтролепригодна (нет доступа к напорной магистрали), то измеряют текущие значения на холостом ходу p(t)=3,95 бар и при эмуляции полной нагрузки q(t)=1,63 л/мин и сопоставляют их с соответствующими расчетными значениями, что удовлетворяет требованию (10) и свидетельствует о работоспособности СТП. Диагноз: СТП работоспособна, дефект находится в другой системе двигателя.
Пример 6. Диагностирование тупиковой СТП автомобиля Subaru Forester 2,5 Turbo, engine code EJ255, турбонаддув. Номинальная мощность двигателя 169 кВт. Система распределенного впрыска. Давление топлива 4,0 бар. Возврат топлива через регулятор давления 0,46 л/мин. Температура топлива +36°С. Температура воздуха на впуске +28°С.
Расчетные значения параметров СТП определяют по алгоритму №4 (фиг. 4):
стп
Поскольку данная СТП неконтролепригодна (нет доступа к напорной магистрали), то измеряют текущие значения на холостом ходу p(t)=3,8 бар, при эмуляции полной нагрузки q(t)=1,15 л/мин и сопоставляют их с соответствующими расчетными значениями, что не удовлетворяет требованию (10), свидетельствует о неработоспособном состоянии СТП и требует демонтажа топливного модуля из топливного бака, в результате которого установлено неработоспособное состояние ТННД. Диагноз: СТП неработоспособна, требует замены ТННД.
Полученные экспериментальные данные подтверждают соответствие технического результата диагностирования заявленному назначению изобретения.