Диагностирование топливной аппаратуры тепловозных дизелей по анализу движения иглы форсунки

Расчеты, выполненные с помощью разработанной математической модели, показали хорошую сходимость с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований работы разработанного циклона-электрофильтра при испытаниях его на дизеле Д242. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 7 %. Следовательно, можно сделать вывод об адекватности расчетных исследований циклона-электрофильтра, адаптированного к тепловозу ЧМЭ3. Вероятность воспроизводимости полученной расчетным путем степени очистки составит 95 - 98 %.

Список литературы

1. Пат. 117321 Российская Федерация, МПК B 03 С 3/15. Циклон-электрофильтр [Текст] / Носырев Д. Я., Свечников А. А.; заявитель и патентообладатель Самарский гос. ун-т путей сообщения; заявл. 24.11.2011; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18.

2. Носырев, Д. Я. Разработка устройства очистки отработавших газов тепловозного дизеля от твердых загрязнителей [Текст] / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников // Молодой ученый. -Чита, 2012. - № 10 (45). - С. 67 - 69.

3. Носырев, Д. Я. Моделирование процесса очистки газовых выбросов тепловозных дизелей от сажи в циклоне-электрофильтре [Текст] / Д. Я. Носырев, А. А. Свечников // Вестник Ростовского гос. ун-та путей сообщения / Ростовский гос. ун-т путей сообщения. - Ростов-на-Дону, 2012. - № 4 (48). - С. 31 - 35.

4. Носырев, Д. Я. Экспериментальные исследования работы циклона-электрофильтра в качестве устройства очистки отработавших газов тепловозных дизелей [Текст] / Д. Я. Носы-рев, А. А. Свечников // Вестник транспорта Поволжья / Самарский гос. ун-т путей сообщения. - Самара, 2012. - № 6 (36). - С. 13 - 20.

УДК 621.236.038

Е. И. Сковородников, Л. Ю. Михайлова

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО АНАЛИЗУ ДВИЖЕНИЯ ИГЛЫ ФОРСУНКИ

Предложен способ диагностирования, позволяющий на работающем двигателе определить диаграмму движения иглы распылителя с использованием датчика давления, установленного в полости над иглой форсунки, оценить фактический угол опережения подачи топлива и техническое состояние форсунки дизеля.

Основным конструктивным элементом топливной форсунки дизельных двигателей является распылитель, работоспособность которого определяется величиной хода и подвижностью иглы, величиной зазора в паре «игла - корпус распылителя», давления подъема иглы, герметичностью посадочного конуса, значением изменения площади сопловых отверстий. Очевидно, что информацию о техническом состоянии форсунки и начале подачи топлива в камеру сгорания можно получить по анализу движения иглы.

Движение иглы топливной форсунки можно определить индуктивным датчиком, выполненным в виде проставки (рисунок 1), которая располагается между корпусами распылителя и форсунки [1]. В условиях эксплуатации двигателей применение индуктивного датчика в виде проставки между корпусами распылителя и форсунки затруднено, так как связано с необходимостью снятия форсунки с двигателя и ее разборки.

В предложенном способе диагностирования работоспособности форсунки показана возможность записи хода иглы съемным датчиком давления, который устанавливается на колпаке форсунки в линии отвода утечек (линия слива чистого топлива).

№.4!16) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 35

В момент подъема иглы 1 (см. рисунок 1) в полости корпуса форсунки 5, заполненной топливом, давление повышается, что может быть зафиксировано датчиком давления. Конструкция датчика для оценки величины давления в объеме над иглой форсунки косвенно определяет ход иглы [2].

В корпусе 9 расположено уплотнительное кольцо, на котором находится мембрана 10 диаметром 20 мм и толщиной 1 мм. Мембрана прижата к уплотнительному кольцу стаканом 11. Рабочий тензоэлемент (проволочный датчик) наклеен на мембрану 10, а компенсационный - на поверхность стакана 11. Для удаления воздуха из объема форсунки и датчика предусмотрен шариковый клапан, управляемый винтом 8.

Изменение давления в полости форсунки определяется выражением:

К= V /

где Ри - давление, создаваемое насосным ходом иглы в

замкнутом объеме форсунки Уф;

<хт - коэффициент сжимаемости топлива;

У - объем топлива, вытесняемый при движении иглы.

Очевидно, что величина Уи может определяться по формуле:

У =<К /4,

где < и Ни -

Рисунок 1 - Форсунка с установкой датчиков перемещения иглы и записи давления

в ее полости: 1 - игла распылителя; 2 - корпус распылителя; 3 - индуктивный

датчик перемещения иглы; 4 - штанга; 5 - корпус форсунки; 6 - пружина;7 - регулировочный винт; 8 - винт для удаления воздуха; 9 - корпус датчика давления; 10 - мембрана с тензоэлементом; 11 - стакан; 12 - уплотняющая стенка корпуса датчика; 13 - катушка

соответственно диаметр и ход иглы рас пылителя.

Из анализа формул (1) и (2) следует, что при постоянных значениях ат, Уф, ^ величина Ри пропорциональна ходу иглы Иа. Тогда справедлива и обратная задача, т. е. по измене-

нию давления Ри с достаточной для практики точностью можно определять изменение хода иглы форсунки.

На рисунке 2 приведены графики, характеризующие движение иглы, записанное индуктивным датчиком 3, и изменение давления в объеме над иглой форсунки при ее движении, которое записано датчиком давления, расположенным в корпусе 9.

Как видно из рисунка 2, виды графиков практически идентичны, что позволяет использовать график изменения давления при подъеме иглы форсунки и интерпретировать его в определенном масштабе как график подъема иглы.

В связи с этим технологию диагностирования работоспособности форсунок на работающем двигателе по анализу хода иглы можно представить в следующем виде.

Рисунок 2 - Давление в объеме над иглой при ее движении

36 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 4(16) 2013

= _

1. Демонтируют сливную магистраль топливной форсунки первого цилиндра двигателя.

2. Устанавливают герметично датчик давления в полость слива утечек чистого топлива, удаляя из нее воздух.

3. Соединяют датчик давления и индуктивный датчик для отметки внутренней мертвой точки (ВМТ) с контроллером (переносным компьютером).

4. Запускают и прогревают двигатель, включают контроллер, на его экране появляются отметка ВМТ в градусах поворота коленчатого вала и диаграмма движения иглы.

Действительный, фактический угол опережения подачи топлива рекомендуется определять путем записи хода иглы и отметки ВМТ. Движение иглы фиксируется при помощи индуктивного датчика или съемного датчика давления, который устанавливается в дренажную, сливную, магистраль форсунки [2].

Схема подключения измерительной аппаратуры для диагностирования форсунки представлена на рисунке 3. В простейшем случае в измерительной схеме необходим дополнительный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Датчик ВМТ Усилитель, устройство согласования сигналов, АЦП -^

Датчик хода иглы

ПК

Рисунок 3 - Схема измерительного прибора

В простейшем случае измерительная аппаратура включает в себя индуктивный датчик для отметки ВМТ и фиксированного угла поворота коленчатого вала (например, 15 °), датчик хода иглы, усилитель и двухканальный осциллограф.

В схеме измерительного прибора возможно применение персонального переносного компьютера. В этом случае в измерительной схеме необходим дополнительный аналого-цифровой преобразователь.

На рисунке 4 показаны индуктивный датчик 1 и диск 2 (закрепленный на маховике коленчатого вала дизеля) с пазами для отметки 4 положения внутренней мертвой точки и угла поворота коленчатого вала 5 (для определения продолжительности впрыска и угла опережения). Число пазов на диске должно соответствовать числу цилиндров дизеля.

Рисунок 4 - Схемы диска и датчика (а) и фиксирования отметок ВМТ (б): 1 - индуктивный датчик; 2 - диск с пазами; 3 - линия хода иглы; 4 - отметка ВМТ первого цилиндра; 5 - отметка поворота коленчатого вала

По моменту подъема иглы относительно отметки ВМТ (см. рисунок 4) определяют действительный, фактический угол опережения подачи топлива на контролируемом режиме, оценивают точность установки геометрического угла опережения подачи топлива и при

№204(1з6) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 37

необходимости корректируют его. По анализу формы диаграммы движения иглы (кривая 3 на рисунке 4) определяют возможные неисправности топливной форсунки.

На рисунке 5 показана форсунка тепловозного двигателя 8ЧН 26/26 с установкой датчика давления в линии слива утечки топлива из форсунки (линия слива чистого топлива) для записи движения иглы. Для топливных систем дизельных двигателей с высоким остаточным давлением в корпусе 13 необходима установка предохранительного клапана с давлением открытия 4,0 - 5,0 МПа.

Характерные неисправности форсунки четырехтактного тепловозного дизеля 8ЧН 26/26, определяемые по анализу графика движения иглы, предствавлены на рисунке 6.

Рисунок 5 - Форсунка дизеля 8ЧН 26/26: 1 - сопловый наконечник распылителя; 2 - корпус распылителя; 3 - игла; 4 - канал для слива топлива при демонтаже; 5 - гайка стяжная; 6 и 10 - уплотнительные кольца; 7 -

штанга; 8 - корпус форсунки; 9 -пружина; 11 - регулировочный винт; 12 - контргайка; 13 - датчик давления; 14 - штуцер

Рисунок 6 - Основные неисправности форсунки, определяемые по анализу движения иглы: а - эталонная осциллограмма движения иглы; точка 1 - начало подъема, 2 - достижение упора, 3 - начало посадки иглы, 4 - посадка на седло, 1 - 4 - продолжительность впрыска; б - ранний (-15 ) и поздний (-5 ) впрыск топлива; в - активный подъем иглы (1 - 2 ),

вялый подъем иглы (1 - 2//), активная посадка иглы на седло (3 - 4 ), вялая посадка иглы на седло (3 - 4//); г - дополнительный

впрыск топлива; д - зависание иглы при ходе 0,4 мм

Эталонная осциллограмма движения иглы топливной форсунки в зависимости от угла поворота коленчатого вала дизеля (°п.к.в.) приведена на рисунке 6, а. Согласно приведенной осциллограмме подача топлива начинается в точке 1 за 10 °п.к.в. до ВМТ поршня. По анали-

38 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №.4!16)

зу положения точки 1 определяют геометрический угол опережения подачи топлива и его отклонение от нормативного значения (осциллограмма б на рисунке 6).

На осциллограммах в - д рисунка 6 показаны следующие характерные неисправности:

1 - изменение скорости подъема и скорости посадки иглы (в), которая характеризует величину давления подъема иглы (начало подачи топлива) и степень износа прецизионных пар топливного насоса высокого давления и форсунки;

2 - дополнительный впрыск (подвпрыск) топлива (г), который возможен в результате снижения давления подъема иглы или образования нагара в сопловых отверстиях распылителя форсунки;

3 - потеря подвижности иглы (д), которая обычно происходит в результате действия термического или монтажного напряжения, недостаточной фильтрации топлива в щелевом фильтре или образования кокса в полости распылителя.

На рисунке 7 показан индуктивный датчик, который также может быть использован для записи хода иглы и самодиагностики топливной аппаратуры. Датчик постоянно соединен с

форсункой, подключается к АЦП и ПК и по изменению хода иглы определяет возможные неисправности (отказы) топливной аппаратуры в процессе ее эксплуатации (непрерывная диагностика, мониторинг).

Представленные в настоящей статье материалы позволяют сделать следующие выводы.

1. Предложенный способ диагностирования позволяет на работающем двигателе определить диаграмму движения иглы распылителя при помощи датчика давления, установленного в полости над иглой форсунки либо в магистрали слива чистого топлива.

2. По фазовому сдвигу начала подъема иглы форсунки относительно отметки ВМТ определяется действительный, фактический угол опережения впрыска топлива, на основании чего возможна корректировка установки геометрического угла опережения подачи топлива.

3. По изменению формы кривой движения иглы можно определять техническое состояние форсунки дизеля и возможные ее неисправности или отказы в условиях эксплуатации.

Список литературы

1. Роганов, С. Г. Малогабаритный индуктивный датчик для записи перемещения иглы форсунки автотракторных дизелей [Текст] / С. Г. Роганов, Ю. П. Макушев, А. А. Дамер // Известия вузов. - М., 1976. - № 8. - С. 91 - 93.

2. Михайлова, Л. Ю. Датчик давления для осциллографирования хода иглы распылителя форсунки [Текст] / Л. Ю. Михайлова // Ориентированные фундаментальные прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России: Материалы всерос. науч.-техн. конф. / Сибирская автомобильно-дорожная акад. - Омск, 2011. - Кн. 2. - С. 397 - 402.

№ 0(16) ЛЛ Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 39

2013

Рисунок 7 - Форсунка дизеля 8ЧН26/26 с индуктивным датчиком для записи хода иглы: 1 - корпус форсунки; 2 - винт регулировочный; 3 - шток; 4 - катушки; 5 - корпус датчика; 6 - штуцер