УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ДИЗЕЛЬНОЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ

Полезная модель относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания, более конкретно, к устройствам для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры (ДТА) и может найти применение при создании стендов для обкатки, испытаний и регулировки параметров ДТА, в том числе, топливных насосов высокого давления (ТНВД) дизельных двигателей различной мощности.
Известно устройство для определения параметров процесса топливоподачи ДТА, включающее ТНВД, топливные форсунки и средства для измерения параметров впрыскивания топлива (см. патент РФ на полезную модель №50262, БИПМ №36, 2005).
Известное устройство для определения технического состояния элементов ДТА содержит датчик давления, подключенный к входным элементам диагностируемых органов и дополнительные быстросъемные датчики давления, установленные на выходе ТНВД и на входе в форсунку, причем выходы указанных датчиков соединены через усилители и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) с ПЭВМ.
Известное устройство позволяет определить давление на входе в форсунки от нескольких линий ТНВД дизеля при цикловой подаче топлива, однако не обеспечивает точности измерения параметров впрыскивания топлива непосредственно на выходе из форсунок.
Известно устройство для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры, содержащее ТНВД, измерительную камеру для размещения топливных форсунок, пьезоэлектрический датчик для измерения давления струи топлива, средства для усиления и обработки полезного сигнала (см. авт. свид. СССР №1564373, бюл. №18, 1990).
Известное устройство включает средства для определения качества распыливания, подвижности иглы распылителя единственной форсунки и ее пропускной способности. Посредством известного устройства невозможно одновременно определять фазовые характеристики и цикловую подачу топлива на нескольких линиях нагнетания испытываемого ТНВД в период регулировки, обкатки и эксплуатации дизельных двигателей различного типа из-за отсутствия необходимых средств одновременного контроля параметров впрыска топлива у нескольких форсунок.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры, содержащее ТНВД, измерительную камеру конической формы для размещения нескольких топливных форсунок, средства для измерения параметров впрыскивания топлива, включающие пьезоэлектрический датчик давления струи топлива из форсунок и аппаратуру для усиления и обработки полезного сигнала (см. патент РФ №69167, опублик. 10.12.2007, бюл. №34 - прототип).
К недостаткам известного устройства следует отнести сравнительно низкую точность измерения основных параметров процесса подачи топлива, в том числе, из-за отсутствия средств для определения параметров распыла топлива проверяемых форсунок. Посредством известного устройства невозможно одновременно определять пространственно-временные характеристики подачи топлива на нескольких линиях нагнетания испытываемого ТНВД в период регулировки, обкатки и эксплуатации дизельных двигателей различного типа.
Решаемой задачей полезной модели является создание удобного в эксплуатации, сравнительно простого в реализации устройства для эффективного определения характеристик ДТА. Дополнительно к указанной решается задача создания автоматической системы измерений с использованием современной техники обработки информации на АЦП и ПЭВМ для совершенствования параметров эксплуатируемых и проектируемых компонентов ДТА.
Достигаемый технический результат заключается в повышении точности измерения массовых, частотно-временных и пространственных параметров топливоподачи, а также технического состояния топливных форсунок, в том числе, за счет изменения схемы измерений, обеспечивающей одновременное определение указанных характеристик по нескольким линиям нагнетания ТНВД.
Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигаются следующим образом. В устройстве для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры, содержащем топливный насос высокого давления, измерительную камеру конической формы для размещения топливных форсунок, средства для измерения параметров впрыскивания топлива, включающие пьезоэлектрический датчик давления струи топлива из форсунок и аппаратуру для усиления и обработки полезного сигнала, согласно полезной модели, измерительная камера содержит дополнительные пьезоэлектрические датчики для определения параметров технического состояния форсунок и фотоэлектрические датчики для определения параметров рассеяния оптического излучения от светодиодного или лазерного источника на диспергированных частицах топлива, причем дополнительные пьезоэлектрические датчики установлены на корпусе каждой из форсунок вне измерительной камеры, фотоэлектрические датчики размещены на боковой поверхности внутри измерительной камеры под соответствующими форсунками, источник оптического излучения установлен в отверстии на оси измерительной камеры с возможностью отражения и прохождения части потока излучения через область диспергированных частиц топлива на фотоэлектрические датчики, а выходы упомянутых датчиков соединены через многоканальный блок усилителя с полосой пропускания в ультразвуковой области и многоканальный блок аналого-цифрового преобразователя с входным портом персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением для определения массовых и пространственно-временных характеристик подачи топлива.
Кроме того, в измерительной камере могут быть установлены топливные форсунки-калибры, пьезоэлектрический датчик давления может включать пластину чувствительного элемента, снабженную центральным выступом и механически связанную с корпусом пьезоэлектрического акселерометра, отражатель оптического излучения может быть установлен на оси измерительной камеры и выполнен в виде конуса или многогранной пирамиды, а персональный компьютер может быть оснащен программой NI Lab VIEW 8.2 для интегрального анализа параметров дизельной топливной аппаратуры по данным измерений упомянутых датчиков.
Такое выполнение устройства для определения параметров процесса топливоподачи обеспечивает решение поставленной задачи по созданию достаточно простого в реализации и эксплуатации стендового устройства и достижение указанного технического результата по интегральному определению массовых, частотно-временных и пространственных характеристик топливоподачи одновременно по нескольким линиям нагнетания ТНВД. Эффективность предложенного устройства повышается, в том числе, за счет автоматизации измерений при использовании современной техники преобразования полезного сигнала с помощью указанных пьезо- и фотоэлектрических датчиков в совокупности с мощным программным обеспечением NI Lab VIEW 8.2 на базе IBM T-43. Предложенное устройство может быть использовано для контроля характеристик топливоподачи форсунок-калибров, определения параметров рабочих форсунок и других компонентов ДТА многоцилиндровых дизельных двигателей.
На фиг.1 представлена блок-схема предложенного устройства с ТНВД типа 4УТНМ дизельного двигателя Д-240.
Устройство для определения параметров процесса топливоподачи ДТА содержит ТНВД 1, установленного на дизельном двигателе 2, и полую измерительную камеру 3 конической формы с отверстиями на боковой поверхности для размещения топливных форсунок 4. Их оси размещены под углом к оси измерительной камеры 3 и сходятся на поверхности пластины чувствительного элемента 5 механически связанного с корпусом пьезоэлектрического датчика давления струи топлива в виде акселерометра 6, укрепленного на упругой мембране 7 в основании измерительной камеры 3. Измерительная камера 3 содержит дополнительные пьезоэлектрические датчики 8 для измерения параметров технического состояния форсунок 4 и фотоэлектрические датчики 9 для определения параметров рассеяния оптического излучения от лазерного источника 10 на диспергированных частицах топлива. Дополнительные пьезоэлектрические датчики 8 закреплены на корпусе каждой из форсунок 4 вне измерительной камеры 3, фотоэлектрические датчики 9 размещены на боковой поверхности внутри измерительной камеры 3 под соответствующими форсунками 4, а источник оптического излучения 10 в виде малогабаритного гелий-неонового лазера установлен в отверстии на оси измерительной камеры 3 с возможностью отражения и прохождения части потока излучения через область диспергированных частиц топлива на фотоэлектрические датчики 9.
Выходы упомянутых датчиков 6, 8, 9 соединены через многоканальный блок усилителя 11 с полосой пропускания в ультразвуковой области и многоканальный блок аналого-цифрового преобразователя 12 с входным портом персонального компьютера 13, оснащенного программным обеспечением для определения массовых, частотно-временных и пространственных характеристик подачи топлива. На фиг.1 поз. 14 обозначен источник питания лазера 10, а поз. 15 - отражатель оптического излучения, выполненный в виде многогранной пирамиды по числу форсунок 4 и установленный на опоре по оси внутри измерительной камеры 3. На фиг.1 пунктирными линиями обозначен путь от отражателя 15 лазерного излучения через область диспергированных частиц топлива к фотоэлектрическим датчикам 9. Персональный компьютер 13 оснащен программой NI Lab VIEW 8.2 для интегрального анализа параметров подачи топлива от каждой из топливных форсунок 4 для последующего отображения результатов измерений на дисплее.
В конкретном случае реализации предложенного устройства для испытаний ТНВД типа 4УТНМ дизеля Д-240 использовалась измерительная камера 3, содержащая несколько форсунок-калибров ФД - 22 с центральным отверстием жиклера. Для определения давления струй топлива из форсунок 4 использовался пьезоэлектрический акселерометр ДН - 4, механически закрепленный на резиновой мембране 7 с помощью стержня 16, на свободном конце которого размещена металлическая пластина чувствительного элемента 5 с пирамидальным выступом 17, грани которого выполнены преимущественно перпендикулярными к оси форсунок 4. Выходы акселерометра 6, дополнительных пьезоэлектрических датчиков 8 и фотоэлектрических датчиков 9 подсоединены через многоканальный блок 11 усилителя аналоговых сигналов с усилителем заряда РШ2731Э, имеющего полосу пропускания 100 кГц, и через многоканальный блок 12 многоразрядного АЦП типа NI USB-9201 (12 разрядов) с максимальной частотой преобразования 500 кГц к входному порту портативного компьютера 13 типа IBM T-43, оснащенного программным обеспечением NI Lab VIEW 8.2.
Устройство для определения параметров процесса топливоподачи ТНВД типа 4УТНМ функционирует следующим образом.
При испытании ТНВД 1, установленного на дизельном двигателе 2, в отверстия стендовой измерительной камеры 3 вставляют топливные форсунки-калибры 4, которые соединяют через нагнетательные трубопроводы (не показаны) с соответствующими нагнетательными линиями ТНВД 1. Одновременно на измерительной камере 3 устанавливают средства для измерения параметров впрыскивания топлива, включающие пьезо- и фотоэлектрические датчики, в частности, датчик давления струи топлива из форсунок 4, включающий пластину чувствительного элемента 5, соединенную с пьезоэлектрическим акселерометром 6, группу пьезо- и фотоэлектрических датчиков 8, 9, лазерный источник оптического излучения 10 и отражатель 15. Выходы указанных датчиков и акселерометра 6 соединяют с входами многоканального блока усилителя 11, выходы которого через многоканальный блок АЦП 12 соединяют с входным портом персонального компьютера 13.
В процессе определения параметров процесса топливоподачи запускают дизельный двигатель 2 и ТНВД 1, в результате чего происходит поочередное впрыскивание в измерительную камеру 3 дизельного топлива через соответствующие топливные форсунки 4 в порядке, заданном распределительным механизмом двигателя. Необходимый уровень давления топлива на входе в топливные форсунки 4, его расход и температура обеспечиваются известными средствами и системами двигателя 2. Поочередное впрыскивание топлива из различных топливных форсунок 4 внутрь измерительной камеры 3 в направлении перпендикулярных к ним площадок центрального выступа 17 на пластине чувствительного элемента 5 приводит к появлению на выходе пьезоэлектрического акселерометра 6 аналоговых сигналов сложной формы, что связано с разбросом скоростей частиц топлива и случайным характером пространственного распределения массы диспергированного топлива.
Анализ проведенных авторами работ по исследованию технического состояния форсунок позволяет ранжировать их основные неисправности по весомости влияния на формирование процесса впрыскивания топлива следующим образом: снижение давления начала впрыскивания топлива; закоксовывание и износ рабочих отверстий в корпусе форсунки; негерметичность по запирающему конусу, зависание и увеличение хода иглы в корпусе форсунки. Впрыскивание топлива каждой форсункой 4 происходит при регламентируемом значении давления, величина которого должна оставаться неизменной на различных нагрузочных и скоростных режимах работы ТНВД 1 двигателя 2. Давление начала впрыскивания определяет дальнобойность струи и дисперсность распыливания топлива. Первый параметр предопределяет степень охвата струей топлива пространства камеры сгорания, т.е. обусловливает качество микросмесеобразования топливовоздушной смеси. Дисперсность распыленного топлива определяет динамику испарения топлива, от которой зависит эффективность его сгорания. Наличие в камерах сгорания двигателя 2 крупных капель топлива размером до 200 мкм (нормативное значение - 10-30 мкм и менее) в конечной фазе впрыскивания приводит к неполному сгоранию топлива, сопровождающемуся увеличением его расхода и дымности отработавших газов. Экспериментальными исследованиями установлено, что при отклонении давления начала впрыскивания от номинального значения на 6,0-7,0 МПа расход топлива возрастает на 20-25%.
Негерметичность форсунок 4 по запирающему конусу (не показан) возникает вследствие гидроабразивного воздействия твердых механических частиц в топливе, которые проникая под иглу распылителя (не показана), вызывают образование рисок на поверхностях запирающего конуса иглы распылителя и запирающего конуса корпуса форсунки. Это приводит к неполному сгоранию топлива, вследствие чего возрастает нагарообразование в камере сгорания и увеличивается удельный расход топлива. С износом запирающего конуса увеличивается ход иглы и уменьшается первоначальное давление пружины (не показана) на иглу, что также приводит к увеличению количества топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя 2. Износ сопрягающихся цилиндрических поверхностей корпуса и иглы форсунок 4, в свою очередь, приводит к увеличению зазора между ними, при этом снижается гидроплотность форсунок 4, повышаются утечки топлива через зазор между иглой и корпусом, увеличивается неравномерность подачи топлива по цилиндрам дизельного двигателя 2.
Использование в предложенном устройстве дополнительных пьезоэлектрических датчиков 8 позволяет определить некоторые из указанных параметров технического состояния форсунок 4. При анализе спектров сигналов от датчиков 8 с использованием указанного программного обеспечения становится возможным более полное определение характеристик подачи топлива, в частности, выявление отклонений в значениях времени отсечки топлива, хода иглы распылителя, параметров жесткости пружины и негерметичности форсунок по запирающему конусу. В свою очередь, использование фотоэлектрических датчиков 9 обеспечивает по характеристикам рассеяния оптического излучения от лазерного источника 10 определение с помощью указанного программного обеспечения степени диспергирования частиц топлива, их пространственное распределение и др.
Полезные сигналы от давления струй топлива, формируемые пьезоэлектрическим акселерометром 6, а также сигналы от пьезоэлектрических датчиков 8 на форсунках 4 и от фотоэлектрических датчиков 9, установленных в корпусе измерительной камеры 3 поступают на вход многоканального блока усилителя 11 аналоговых сигналов с полосой пропускания в ультразвуковой области, а затем через многоканальный блок аналого-цифрового преобразователя 12 на вход персонального компьютера 13, оснащенного программным обеспечением для определения массовых и пространственно-временных характеристик подачи топлива.
Характеристики многоканального блока усилителя 11 с усилителем заряда РШ2731Э и полосой пропускания 100 кГц обеспечивают высокую чувствительность указанных измерений. Затем усиленные аналоговые сигналы поступают на вход 12-разрядного АЦП 12 типа NI USB-9201, имеющего максимальную частоту преобразования 500 кГц, достаточную для уверенного преобразования сложного аналогового сигнала в цифровую форму. Преобразованный выходной сигнал из АЦП поступает на входной порт портативного компьютера 13 типа IBM Т-43, который оснащен указанным программным обеспечением. Версия NI Lab VIEW 8.2 позволяет в режиме реального времени выделить группу полезных сигналов каждого впрыска топлива от каждой форсунки 4 на фоне многочисленных шумов, проинтегрировать последовательность полезных импульсов, выявить статистически достоверные значения частотно-временных параметров процесса впрыска топлива и произвести математические операции с каждой группой последовательностей сигналов для получения связи их параметров с цикловой подачей топлива. Результаты анализа в соответствии с указанной программой выводятся на монитор ПЭВМ 13 для наглядной оценки состояния проверяемых ТНВД и ДТА для выработки рекомендаций по регулировке их характеристик.
На мониторе ПЭВМ 13 отображаются следующие данные, являющиеся результатом обработки исходной информации от указанных датчиков: цикловая подача топлива (мг/цикл); количество топлива, впрыснутого на один градус поворота кулачкового вала насоса; продолжительность впрыскивания топлива (мс), скорость впрыскивания (м/с), характеристика давления впрыскивания (МПа), угол опережения впрыскивания (при подаче на АЦП сигнала от датчика положения коленчатого вала дизеля), тонкая структура распределения частиц топлива (мкм), некоторые параметры, характеризующие работоспособность форсунок и др. Эти параметры формируют комплексные показатели процесса топливоподачи или характеристику впрыскивания, которые несут информацию и о техническом состоянии ТНВД.
Указанные величины оказывают основное влияние на эксплуатационные показатели дизельного двигателя. Подача топлива имеет ярко выраженный импульсный характер (частота следования импульсов от 5 до 50 Гц, длительность импульсов 0,5-5 мс, скорость впрыскивания до 250 м/с). Однако дробление струи топлива на выходе из форсунок резко увеличивает требования к частотным характеристикам измерительной системы. Определение характеристик отдельных импульсов топливоподачи с необходимой точностью становятся возможными именно с использованием принятой цифровой технологии и программного обеспечения. Для примера, по ГОСТ 10578-86 отклонение средней по секциям ТНВД цикловой подачи топлива на номинальном режиме при испытании на безмоторном стенде должно быть не более ±1,5% от номинального значения, а неравномерность подачи топлива секциями насоса не должна превышать при проверке на стандартном контрольном стенде - 6%.
Программное обеспечение на основе технологий NI формирует виртуальный набор измерительной аппаратуры, позволяющей решить указанный круг задач и, в том числе, задачу измерения фазовых характеристик и цикловой подачи с точностью +/- 1% на номинальном режиме работы ТНВД, что является гораздо более высоким показателем в сравнении с известными методами решения той же задачи. Принятая система измерений параметров ДТА позволяет с высокой точностью определять основные характеристики стендовых и рабочих ТНВД, форсунок и топливопроводов, подобрать их по техническим характеристикам с заранее заданными допустимыми отклонениями. Предложенное устройство, разработанное в МГАУ им. В.П.Горячкина, дополняет и развивает возможности системы эталонирования ДТА в части повышения эффективности, чувствительности и удобства эксплуатации стендов, устройств и контрольных образцов, применяемых при ремонте и техническом обслуживании дизельных агрегатов.