СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ФИЛЬТРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам контроля состояния фильтрующих элементов.
Изобретение может быть использовано в качестве системы, сигнализирующей о засоренности фильтрующего элемента.
Известен индикатор засоренности фильтра, включающий манометр, фильтр, в корпусе которого установлен фильтрующий элемент, и обратный клапан, фильтр дополнительно снабжен установленным в канале основного обратного гидроклапана вторым гидроклапаном и дросселем, к которому присоединен манометр. (А.С. СССР №1643052, МПК В01D 35/14, опубл. 23.04.91. бюл. №15).
Известный индикатор засоренности фильтра имеет недостатки, не сообщает о разгерметизации фильтрующего элемента.
При разгерметизации фильтрующего элемента неочищенная жидкость начнет поступать к топливному насосу, что может привести к преждевременной поломке двигателя. Также индикатор засоренности фильтра не учитывает расход дизельного топлива и вязкость, от этого зависит давление в системе.
Также известен сигнализатор засорения фильтра топливной системы двигателя внутреннего сгорания, содержащий включенный в цепь сигнализации и размещенный в корпусе манометрический датчик, полости которого сообщены каналами с входом и выходом фильтра, отличающийся тем, что с целью устранения влияния изменения параметров топлива на показания сигнализатора, он снабжен дополнительным чувствительным элементом манометрического датчика и установленным за фильтром сопротивлением, гидравлическая характеристика которого идентична характеристике фильтра, а вход и выход сопротивления сообщены с полостями дополнительно чувствительного элемента. (А.С. СССР №317396, МПК В01d 35/14, опубл. 19.10.1971. Бюл. №31).
Отличительной особенностью данного сигнализатора фильтра является то, что он снабжен дополнительным чувствительным элементом, соединенным с чувствительным элементом манометрического датчика и установленным за фильтром сопротивлением.
Сигнализатор фильтра работает следующим образом. Мембрана датчика развивает усилие, направленное вниз и пропорциональное перепаду давлений на фильтре. Мембрана развивает усилие, направленное вверх и пропорциональное перепаду давлений на топливо-масляном радиаторе. При незаморенном фильтре усилие, действующее вверх, превосходит усилие, действующее вниз, мембрана находится на упоре, шток в крайнем верхнем положении, а контакты замкнуты. По мере засорения фильтрующего элемента перепад давлений на фильтре увеличивается, и когда этот перепад достигнет такой величины, что усилие мембраны превысит усилие мембраны дополнительного чувствительного элемента, шток переместится вниз и разомкнет контакты. При этом происходит выдача сигнала о недопустимом засорении фильтрующего элемента.
Также известный сигнализатор фильтра имеет недостатки.
Система известного сигнализатора фильтра не способна регистрировать разгерметизацию фильтрующего элемента, т.к. при разгерметизации давление после фильтра увеличивается, и соответственно, уменьшается усилие, развиваемое мембраной основного датчика, направленное вниз. Мембрана остается на упоре.
Гидравлическая характеристика дополнительного сопротивления известного сигнализатора фильтра при попадании неочищенного дизельного топлива будет меняться, что может привести к появлению ложных сигналов. Введение дополнительного сопротивления в систему приводит к увеличению сопротивления в системе питания и к дополнительной потере энергии на преодоление сопротивления топлива в системе питания двигателя внутреннего сгорания.
Также известна система контроля состояния фильтра двигателя внутреннего сгорания, содержащая фильтр, измеритель давления, полости которого сообщены каналами с входом и выходом фильтра и который включен в цепь сигнализации двигателя, система снабжена электронным блоком управления, датчиками температуры охлаждающей жидкости и частоты вращения коленчатого вала двигателя, при этом один из входов электронного блока управления соединен с измерителем давления, а второй и третий входы блока соединены соответственно с указанными датчиками, один из выходов электронного блока управления соединен с исполнительным механизмом, а второй выход соединен с сигнальными элементами цепи сигнализации двигателя. [Патент РФ №2252811, МПК B01D 37/04, B01D 35/14, F02M 37/22, опубл. 27.05.2005].
Система контроля состояния фильтра работает следующим образом. При работе двигателя на фильтре создается перепад давления. Этот перепад давления зависит от расхода топлива через фильтр, который учитывается скоростным режимом двигателя с помощью датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя. Также перепад давления зависит от вязкости жидкости, которая, в свою очередь, зависит от температуры жидкости и учитывается датчиком температуры охлаждающей жидкости. Датчик температуры может контролировать непосредственно температуры фильтруемой жидкости.
Перепад давления для данного скоростного и температурного режима двигателя находиться в определенных пределах. Перепад давления меньше минимально допустимого перепада давлений обусловленного сопротивлением нового фильтрующего элемента. Перепад давления жидкости в системе питания двигателя внутреннего сгорания свидетельствует о разгерметизации фильтрующего элемента. В результате чего в двигатель начнет поступать не фильтрованная жидкость, вызывая повышенный абразивный износ двигателя, что уменьшает надежность работы двигателя. Увеличение перепада давления выше максимально допустимого свидетельствует о засоренности фильтрующего элемента и о необходимости проведения технического обслуживания фильтра.
Перепад давления по каналам передается в рабочие полости измерителя давления, вызывая прогиб мембраны на определенную величину. Мембрана прогибаясь, вызывает перемещение стального сердечника, который, в свою очередь, входит в катушку индуктивности, изменяя индуктивность цепи. Катушка индуктивности связана электронной цепью с электронным блоком управления. Сигнал, поступающий с катушки на электронный блок управления, сравнивается с сигналом, соответствующим перепаду давления для данной частоты вращения коленчатого вала двигателя и температуры охлаждающей жидкости. Если перепад давления на фильтре находится в допустимых пределах, то система не выдает сигналов о состоянии фильтра.
Известная система, контроля состояния фильтра двигателя внутреннего сгорания имеет недостатки.
Система, контроля состояния фильтра двигателя внутреннего сгорания требует внешнего источника питания, так как подключена к электронному блоку управления двигателем внутреннего сгорания.
Сигнальные элементы цепи сигнализации двигателя установлены стационарно в системе питания двигателя внутреннего сгорания.
Сигнализатор в системе питания двигателя внутреннего сгорания подает сигнал только о наступившем загрязнении. Поэтому известная система контроля состояния фильтра двигателя внутреннего сгорания не позволяет заблаговременно предупредить о наступающем ухудшении качества очистки топлива фильтрующим элементом.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленная система контроля состояния фильтра тонкой очистки системы Common Rail двигателя внутреннего сгорания соответствует критерию «новизна», так как имеет существенные отличия от прототипа:
1. Устройство устанавливается в системе питания между фильтром и топливным насосом.
2. Система выполнена в виде калибратора давления «Метран».
3. Калибратор давления "Метран" снабжен электромагнитным клапаном.
С целью, получения точных значений параметров работоспособности фильтра тонкой очистки топлива системы Common Rail двигателя внутреннего сгорания, система контроля состояния фильтра установлена в системе питания после фильтра, перед топливным насосом. Для оперативного получения информации о техническом состоянии фильтрующего элемента, а также с целью регистрации точных результатов, т.к. измерения производятся с помощью одного калибратора давления "Метран". При расположении устройства после фильтра, но перед топливным насосом возможен контроль, так как подача топлива до топливного насоса осуществляется за счет разряжения. С целью снятия показания калибратором давления "Метран" в любое время эксплуатации автомобиля в топливопровод установлен электромагнитный клапан. При включении электромагнитного клапана водителем из кабины автомобиля происходит подача разряжения из топливопровода между фильтром и топливным насосом на калибратор давления "Метран". Прибор калибратор давления "Метран" находится в кабине водителя. В связи с тем, что калибратор давления "Метран" не предназначен для постоянного режима работы, поэтому электромагнитный клапан предназначен для отключения и кратковременного включения калибратора давления "Метран" из кабины водителя.
При загрязненном фильтрующем элементе фильтрация становится недостаточной, т.е. при нехватке топлива становится невозможным пуск двигателя, а самое неприятное, что в системе Common rail установлен электрический топливный насос высокого давления (ТНВД) роторного типа, из-за создаваемого разряжения (топливо не проходит через фильтрующий элемент). Велика вероятность что устройство (ТНВД) может выйти из строя, а это ведет к потере времени из-за ремонта, затратам денежных средств.
Замена фильтров производиться, через регулярные промежутки времени, например, во время проведения профилактических работ системы подачи топлива, которые осуществляются через регулярные промежутки времени. При сильно загрязненном топливе фильтрующие элементы фильтра тонкой очистки топлива закупориваются уже до проведения плановых профилактических работ. В этом случае производится досрочная замена загрязненного фильтра тонкой очистки дизельного топлива. При использовании высокого качества топлива, фильтры тонкой очистки дизельного топлива заменяются преждевременно, в результате чего происходит замена еще рабочего фильтра.
Регламент замены топливного фильтра дизельного двигателя вызывает много разногласий. Производители рекомендуют менять его по регламенту или когда уменьшается мощность двигателя. Но привязка к километражу не прямо пропорциональна степени загрязнения. Для контроля за состоянием фильтра необходимо установить устройство для контроля за состоянием фильтра тонкой очистки дизельного топлива. Замена фильтра тонкой очистки дизельного топлива будет, проводится по мере загрязнения фильтрующего элемента, так как срок службы фильтра тонкой очистки зависит от качества используемого дизельного топлива.
Техническое решение было использовано в опытном образце и доказало свою эффективность.
В основу полезной модели поставлена задача - создание системы контроля и определения степени загрязнения фильтрующего элемента двигателя внутреннего сгорания во время эксплуатации автомобиля.
Технический результат заключается в том, что создана система, контроля степени загрязнения фильтрующего элемента двигателя внутреннего сгорания, позволяющая определить фактическое состояние и остаточный ресурс фильтра тонкой очистки топлива двигателя внутреннего сгорания во время эксплуатации автомобиля, провести прогноз безотказной работы фильтра тонкой очистки дизельного топлива.
Технический результат достигается тем, что система контроля состояния фильтра тонкой очистки дизельного топлива системы Common Rail двигателя внутреннего сгорания, содержащая топливный бак, фильтр тонкой очистки дизельного топлива, топливный насос высокого давления, магистраль высокого давления, топливную рампу, клапан контроля потока топлива, инжектор, магистрали обратного потока топлива, а система контроля снабжена устройством, выполненным в виде калибратора давления "Метран", снабжена электромагнитным клапаном, и установленными в системе питания между фильтром тонкой очистки и топливным насосом.
На фиг.1 - представлена система питания Common Rail двигателя внутреннего сгорания с системой контроля состояния фильтра тонкой очистки; на фиг.2 - зависимость степени загрязнения фильтрующего элемента от выработанных моточасов, отработавших двигателем внутреннего сгорания; на фиг.3 - зависимость вероятности отказа от выработанных моточасов;
Система контроля состояния фильтра двигателя внутреннего сгорания состоит из, топливного бака 1, фильтра 2 тонкой очистки дизельного топлива, магистрали 3 низкого давления, топливного насоса 4 высокого давления (ТНВД), магистрали 5 высокого давления, топливной рампы 6, клапана 7 контроля потока топлива, инжекторов 8; магистрали 9 обратного потока топлива, электромагнитного клапана 10, калибратора давления "Метран" 11.
Система контроля состояния фильтра двигателя внутреннего сгорания работает следующем образом.
При работе двигателя внутреннего сгорания с системой питания Common Rail топливо подается из бака 1 в систему питания за счет разряжения, создаваемого топливным насосом 4 высокого давления ТНВД. Топливо проходит очистку от смолистых образований, парафина, механических и других примесей в фильтре тонкой очистки 2 и подается на топливную рампу 6.
Топливо очищается от смолистых образований, парафина, механических и других примесей фильтром 2 тонкой очистки топлива.
Фильтрующий элемент фильтра 2 засоряется абразивными частицами, механическими примесями, а также закоксовывается тяжелыми смолами, парафинами, находящимися в топливе. Вследствие этого в топливопроводе после фильтра 2 тонкой очистки дизельного топлива, перед топливным насосом 4 создается разряжение.
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания в результате засорения фильтрующего элемента фильтра 2 разряжение в топливопроводе между фильтром тонкой очистки и топливным насосом изменяется. Разряжение в топливопроводе изменяется в зависимости от степени загрязнения фильтрующего элемента.
Разряжение в топливопроводе перед фильтром 2 фиксируется калибратором давления "Метран" 11. Для снятия показаний измерения разряжения в топливопроводе после фильтра 2 тонкой очистки используется электромагнитный клапан 10, который открывает канал подачи разряжения к калибратору давления "Метран" 11. Электромагнитный клапан 10 включается водителем из кабины автомобиля (кабина автомобиля на схеме не представлена).
Пример.
Исследование загрязнения фильтра 2 тонкой очистки дизельного топлива при помощи заявляемой системы контроля состояния фильтра двигателя внутреннего сгорания было произведено на автомобиле Nissan Navara с системой питания Common rail двигателя внутреннего сгорания.
Заявляемая система контроля состояния фильтра двигателя внутреннего сгорания позволяет определить пропускную способность фильтра тонкой очистки топлива системы Common rail, выявить остаточный ресурс, прогнозировать вероятность отказа пропускной способности, дать рекомендации по очистке или замене фильтра 2 тонкой очистки дизельного топлива.
Определение пропускной способности фильтра 2 тонкой очистки дизельного топлива без демонтажа из системы питания двигателя внутреннего сгорания осуществляется при помощи калибратора давления «Метран». (фиг.1).
Разработан математический анализ и оценка значений разряжения в топливопроводе системы питания между фильтром тонкой очистки дизельного топлива и топливным насосом (величины давления топлива из-за степени загрязнения фильтра тонкой очистки) (фиг.2).
Разработан графический метод определения вероятности отказа фильтра тонкой очистки топлива двигателя внутреннего сгорания (фиг.3).
При эксплуатации автомобиля с системой питания Common Rail дизельного двигателем внутреннего сгорания снабженной заявленной системой контроля состояния фильтра тонкой очистки дизельного топлива установлен калибратор давления "Метран" 11 при открытом электромагнитном клапане 10 показывает значение разряжения в топливопроводе системы питания между фильтром 2 тонкой очистки дизельного фильтра и топливным насосом 4 высокого давления.
Например, калибратор давления "Метран" при работе дизельного двигателя 800 моточасов показывает разряжение 70 МБар. При работе 1200 моточасов калибратор давления "Метран" показывает разряжение 80 МБар, а при 1600 моточасов - 95 МБар.
Это говорит о том, что из-за загрязнения фильтрующего элемента фильтра разряжение при эксплуатации автомобиля увеличивается.
По разработанному графическому методу определяем вероятность отказа фильтра тонкой очистки дизельного топливо двигателя внутреннего сгорания (фиг.3).
Определяют вероятность отказа фильтра тонкой очистки дизельного топливо двигателя внутреннего сгорания в зависимости от выработанного двигателем внутреннего сгорания моточасов.
При выработанных 800 моточасах, вероятность отказа работы фильтра тонкой очистки составляет 15%, при 1200 моточасов - 25%, при 1600 моточасов составляет 60%. Таким образом, по графику представленному на фиг.3 определяется вероятность отказа фильтра тонкой очистки дизельного топлива двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.2 приведены данные по определению технического состояния и остаточного ресурса. График построен на основании системы уравнений холостого хода 1400 об/мин, 2000 об/мин.
Система уравнений холостого хода имеет вид:
-8
2
Р = 4.7*10х+0,00208х+50,5,
-8
2
где: 4.7*10х - разряжение, показывающее калибратором давления "Метран", при выработанном моторесурсе 2000 - моточасов;
0,00208х - разряжение, показывающее калибратором давления "Метран", при выработанном моторесурсе 1000 моточасов.
50,5 - разряжение, показывающее калибратором «Метран», при новом фильтре тонкой очистки дизельного топлива.
Из результатов, приведенных на фиг.2, система уравнений однозначно определяет техническое состояние и остаточный ресурс фильтра тонкой очистки, при помощи приведенной системы с большой точностью определяется фактическое состояние, прогнозирование ресурса фильтра тонкой очистки системы Common Rail. Определение разряжения производится калибратором давления «Метран» с погрешностью 0.04% протокол поверки №275 выдано 3.02.2011 г. ФГУ "РЦСМ".
При математической обработке полученных данных, определяют техническое состояние и остаточный ресурс фильтра тонкой очистки по фиг.3 из формулы:
,
где: σ - вероятностное отклонение;
х - срок работы двигателя внутреннего сгорания в моточасах;
mx - ресурс фильтра тонкой очистки.
При использовании заявленной системы контроля состояния фильтра тонкой очистки дизельного топлива проводится замена фильтра в зависимости от степени загрязнения фильтрующего элемента.
Заявленная система контроля состояния фильтра тонкой очистки дизельного топлива дает точную оценку технического состояния фильтрующего элемента, позволяет прогнозировать отказ, остаточный ресурс, что увеличивает работоспособность и надежность системы питания двигателя внутреннего сгорания.