Методы, средства, оборудование для диагностирования системы питания дизельного двигателя — Диагностирование системы питания дизельных двигателей

При разработке диагностических систем дизельных двигателей традиционно основное внимание уделяется работе топливной аппаратуры (ТА). Вызвано это двумя причинами. Во-первых, именно настройкой топливной аппаратуры определяются важнейшие характеристики процесса сгорания — момент воспламенения топлива в цилиндре и качество его последующего сгорания. Во-вторых, как показывают многочисленные исследования, на долю топливной аппаратуры приходится значительное количество отказов в эксплуатации. В зависимости от типа двигателя и его конструкции процент неисправностей, приходящихся на ТА, колеблется в пределах 12-30 %. Следует отметить, что официальные цифры занижены. Вызвано это тем, что не всегда удается в эксплуатации достоверно определить отклонения в работе топливной аппаратуры. Специально проведенные исследования показали, что при обследовании 100 двигателей ЯМЗ238НБ, установленных на тракторах «Кировец» К-700 55 % форсунок имели заниженное и 12 % завышенное давление начала подъема иглы. 60 % двигателей имели отклонения в цикловой подаче (30 % в сторону увеличения и 30 % в сторону уменьшения). 54 % двигателей имели отклонения в момент начала подачи топлива: 30 % до 4° п.к.в. и 24 % до 3° п.к.в.

Современное состояние системы ремонта локомотивов предъявляет свои специфические требования к диагностическим системам. В первую очередь это универсальность диагностического оборудования, применимость его к различным типам двигателей. Во-вторых, это возможность выполнения диагностических работ на частичных режимах работы двигателей или даже на холостом ходу. При выборе метода диагностики топливной аппаратуры традиционно рассматриваются три метода: виброакустический, по ходу иглы форсунки и по давлению в топливопроводе высокого давления (ТВД).

Обзор методов диагностики ТА

Виброакустический метод диагностики ТА

Основная идея метода базируется на том, что при работе форсунки возникают периодические ударные импульсы, которые могут быть зафиксированы виброизмерительной аппаратурой. С точки зрения проведения диагностического эксперимента метод отличается простотой. Роль первичного преобразователя выполняет, как правило, пьезоэлектрический акселерометр, устанавливаемый с помощью магнита на корпус форсунки или, как это показано на (рисунке 1), с помощью винтовой струбцины на трубку высокого давления. И в том и другом случае причиной измеряемых колебаний являются, преимущественно, ударные явления в форсунке.

По фазовым характеристикам этих возмущений могут быть определены такие важнейшие показатели работы ТА, как момент начала подачи топлива, момент окончания подачи топлива, а значит, и продолжительность подачи топлива рисунок 1 По форме и амплитуде вибрации можно определить ряд характерных неисправностей форсунок (рисунок 2).

Рисунок 1 — Установка виброакселерометра на ТВД

Как показала практика и специально проведенные исследования, достоверное определение характеристик топливоподачи оказывается крайне затруднительным. Сложности возникают, в частности, по причине отсутствия ожидаемых ударных импульсов у форсунок даже с незначительными отклонениями в работе, что приводит к неработоспособности метода в этих случаях. С другой стороны, в связи с тем, что для анализа фазовых характеристик невозможно применить методы спектрального анализа высокочастотной вибрации, рассматриваются «шумы» низкой частоты. Последние, как известно, хорошо распространяются по металлическим деталям дизеля, а значит, наряду с полезным сигналом от элементов форсунки, на виброграмму будут наложены посторонние «шумы» от перекладки поршня, ударов клапанов и др. Ситуация усугубляется в многоцилиндровых дизелях. По этим причинам, несмотря на заманчивую простоту оборудования и диагностического эксперимента, этот метод в последнее время применяется редко, как правило, на безмоторных стендах.

Диагностика ТА по ходу иглы форсунки

Значительно большей достоверностью и диагностической ценностью, по сравнению с сигналом вибрации, обладает диаграмма, полученная с помощью датчика перемещения. Как правило, это индуктивный датчик, установленный на форсунке таким образом, что его приемная часть — подвижный шток, перемещается вместе с иглой форсунки (рисунок 3). Очевидно, что не всякая конструкция двигателя это позволяет.

Рисунок 2 — Установка индуктивного датчика на форсунке

С точки зрения универсальности этот метод не может быть оценен высоко. Типичная диаграмма хода иглы форсунки приведена на рисунок 3.

Рисунок 3 — Диаграмма хода иглы форсунки: Ф — начало подачи топлива (начало движения иглы); К — окончание подачи топлива (посадка иглы)

Наряду с фазовыми характеристиками по диаграмме определяется высота подъема иглы, наличие колебаний иглы в процессе топливоподачи, «подвпрыски». Рассчитываются темп (скорость) подъема иглы, темп посадки иглы и другие характеристики. В совокупности, все эти параметры позволяют определить многие неисправности форсунки и топливного насоса высокого давления.

Недостатком метода, кроме отмеченной выше малой универсальности, является и низкая надежность индуктивного датчика, имеющего в своей конструкции изнашиваемые подвижные механические элементы. Это сказывается не только на работоспособности оборудования, но и может привести к заметным искажениям действительной картины

Диагностика ТА по диаграмме давления

Диагностический анализ диаграммы давления получает в последнее время все большее распространение, в первую очередь, благодаря появлению легко устанавливаемых на топливопровод высокого давления датчиков накладного типа (рис. 4.4). Чувствительным элементом такого преобразователя является пленка 8, обладающая пьезоэлектрическим эффектом, благодаря которому незначительные деформации стальной трубки, вызванные в свою очередь изменяющимся давлением топлива, преобразуются в электрический сигнал. Разность потенциалов на выводах датчика прямо пропорциональна усилию, воспринимаемому пьезоэлементом, а, следовательно, и давлению.

Необходимо отметить, что наряду с очевидными для условий рядовой эксплуатации достоинствами такой способ измерения давления вносит и некоторое ограничение, заключающееся в сложности точного определения величины давления.

Вызвано это тем, что усилие, создаваемое деформирующейся трубкой на чувствительную часть датчика зависит не только от давления, но и от жесткости стенок трубопровода, их толщины, качества поверхности трубопровода и от расположения в пространстве датчика при установке его на трубке.

Учесть все эти факторы и оттарировать показания датчика возможно лишь в лабораторных условиях.

В эксплуатации ограничиваются качественной характеристикой изменения давления от угла поворота коленчатого вала, без его количественной оценки.

Рисунок 4 — Накладной датчик давления: а — фотография; б — конструкция; 7 — упругий элемент; 8 — чувствительный элемент; 9 — защитный элемент

На Рисунке 4 приведена типичная для двигателя 10Д100 диаграмма давления в ТВД.

Рисунок 5 — Диаграмма давления топлива в ТВД дизеля типа 10Д100 (участок впрыска)

Рассмотрим связь между работой топливной аппаратуры дизеля и характером изменения давления в топливопроводе. На протяжении большей части цикла дизеля давление в ТВД остается постоянным и равным величине остаточного давления. В точке 1 (рисунок 5) начинается рост давления, вызванный нагнетательным ходом плунжера насоса и открытием нагнетательного клапана насоса, вследствие чего надплунжерная полость насоса и ТВД сообщаются друг с другом. Открытие нагнетательного клапана вызывает волну давления, наблюдаемую на фоне продолжающегося роста давления (зона 2 диаграммы). Игла форсунки остается неподвижной до тех пор, пока давление в ТВД не превысит усилие затяжки пружины форсунки. Начавшийся в точке 3 впрыск топлива форсункой приводит к снижению давления в трубопроводе, но продолжающийся в это время нагнетательный ход плунжера может вызвать новое повышение давления, на которое накладываются прямые и отраженные волны давления топлива в трубе. В зависимости от цикловой подачи и расходного коэффициента форсунки количество и амплитуда колебаний давления после точки 3 может отличаться от приведенных на рисунке. Окончание нагнетательного хода плунжера сопровождается падением давления (точка 4). Момент закрытия (окончание посадки) иглы форсунки обычно связывают с точкой 5 диаграммы, когда давление достигает своего минимума. После этого топливопровод оказывается вновь закрытым как со стороны насоса, так и со стороны форсунки, что способствует лучшему отражению волны на границах трубки, и как следствие этого появлению на диаграмме слабозатухающих колебаний остаточного давления (зона 6).

Таким образом, к диагностическим признакам диаграммы давления в общем случае можно отнести следующие параметры:

— величины давлений в момент начала подачи топлива (точка 3) и в других характерных точках диаграммы;

— фазовые характеристики топливоподачи:

а) начало подачи топлива насосом;

б) начало впрыска топлива форсункой;

в) окончание подачи топлива насосом;

г) окончание подачи топлива форсункой;

д) продолжительность перечисленных участков;

— амплитуда колебаний давления на участке «сжатия» топлива;

— амплитуда колебаний остаточного давления.

Примеры выявления неисправностей ТА по диаграмме давления в ТВД

Влияние цикловой подачи топлива

На рисунке 6 приведены диаграммы, полученные экспериментально на одном комплекте ТА с различными цикловыми подачами. Видно, что увеличение количества впрыскиваемого топлива можно обнаружить не только по увеличению продолжительности впрыска Дц_ВПР, но и по увеличению площади диаграммы на участке впрыска (показано штриховкой).

Рисунок 6 — Диаграммы давления в ТВД при различных цикловых подачах топлива: а — BЦ = 0,19 г/цикл; б — BЦ = 0,37 г/цикл

Действительно, цикловая подача топлива может быть определена с помощью известного из курса гидравлики уравнения

, (4.1)

где м — коэффициент расхода сопел (определяется формой и размерами сопел); f_c — суммарная площадь сопловых отверстий форсунки; p_ф,р_ц — соответственно давление перед соплами форсунки (давление топлива в ТВД) и давление после сопел (давление в цилиндре);

с_m — плотность топлива; n —число оборотов вала.

Упрощенно полагая, что все входящие в уравнение параметры, за исключением p_ф, величины постоянные, уравнение (4.1) можно привести к виду, показывающему, что площадь диаграммы на участке впрыска пропорциональна квадрату цикловой подачи. При проведении диагностических работ следует учитывать, что суммарная площадь сопловых отверстий форсунки изменяется в процессе эксплуатации как в сторону увеличения — при износе сопел, так и в сторону уменьшения — при коксовании.

Влияние усилия затяжки пружины форсунки

Наиболее типичным отклонением в работе форсунок является ослабление затяжки пружины, приводящее к соответствующему снижению давления начала впрыска. Наиболее просто эта неисправность могла бы быть обнаружена при количественном анализе диаграммы по ординате точки, соответствующей началу впрыска. Однако в силу указанных выше причин такой анализ при применении датчиков деформации ТВД ограничен.

В случаях, когда другие дефекты в форсунке отсутствуют, неисправность можно локализовать по перепаду давлений на участке «начало подачи форсункой — отсечка топлива плунжером».

а — 21,5 МПа; б — 17,5 МПа

Рисунок 7 — Диаграммы давления при различном давлении впрыска:

Для режима максимальной подачи топлива и близких к нему координат этих точек на диаграммах, полученных вблизи штуцера насоса, определяются достаточно просто, как два локальных максимума. Так как величина максимального давления в процессе впрыска определяется преимущественно скоростью движения плунжера и расходной характеристикой форсунки, значение этого максимума существенно не изменится при изменении давления начала подачи топлива.

При анализе диаграмм обнаруживается также и изменение темпа и величины снижения давления после открытия форсунки по мере уменьшения усилия предварительной затяжки пружины форсунки, что объясняется снижением расхода топлива через форсунку при меньшем перепаде давлений в полостях до и после сопел распылителя. В совокупности отмеченные признаки позволяют идентифицировать данную неисправность по результатам только качественного анализа диаграммы впрыска.

Следует отметить, что выявленные признаки обнаруживаются и на диаграммах, полученных вблизи форсунки, однако их анализ затруднен из-за более развитых в этом сечении колебательных процессов.

Снижение плотности распылителя форсунки

Появление неплотностей в распылителе форсунки может произойти в результате использования низкокачественного топлива, дефектов изготовления или сборки форсунки. Наличие неплотностей приводит к «подтеканию» форсунки, что в условиях высоких температур способствует повышенному коксообразованию.

При стендовых исследованиях на различных нагрузочных и температурных режимах работы наиболее повторяемым признаком оказалась частота колебаний остаточного давления. Для форсунок с пониженной герметичностью запорного конуса и малых нагрузочных режимах наблюдался заметный рост высокочастотной составляющей этих колебаний (рисунок 7). Возможным объяснением этого является следующее. При малых цикловых подачах топлива импульс давления, порождающий колебания топлива вблизи насоса имеет трапециидальную форму. Этим колебаниям остаточного давления характерен сравнительно большой период и своей формой они напоминают основной участок диаграммы (рисунок 7а). При неплотном запорном конусе распылителя появляется дополнительный возбудитель — просачивание топлива в цилиндр, что, вероятно, и приводит к резкому снижению давления топлива уже после посадки иглы. Последнее явление может служить причиной возникновения высокочастотных колебаний, наблюдаемых не только вблизи форсунки, но и вблизи насоса (рисунок 7б).

При больших нагрузках насоса отмеченные закономерности сохраняются вплоть до режима максимальной подачи топлива. Однако из-за роста энергии основных возмущений картина может становиться менее отчетливой. Другим фактором, влияющим на интенсивность этого процесса, является температура топлива. При снижении температуры до 30 °С высокочастотные колебание были менее выраженные, что можно рассматривать косвенным подтверждением наблюдаемого явления. Действительно, рост температуры снижает вязкость топлива, и, следовательно, приводит к большему расходу топлива через неплотность запорного конуса форсунки.

Рисунок 8 — Диаграммы давления: а — эталонная; б — при сниженной герметичности запорного конуса распылителя

Влияние неплотности плунжерной пары

Развитие данного дефекта в эксплуатации связано с износом трущихся поверхностей плунжерной пары, который протекает особенно интенсивно при работе на низкокачественном топливе. Увеличение радиального зазора между плунжером и гильзой приводит к повышению доли топлива, перетекающего через зазор в полости с низким давлением, что вызывает рост расхода топлива в дренажной магистрали насоса. При равных значениях скорости плунжера повышенные перетекания топлива приводят к «затягиванию» участка сжатия топлива и к уменьшению угла опережения подачи топлива форсункой (рисунок 8) Наиболее четко границы этого участка видны при измерении диаграмм вблизи форсунки.

При частоте вращения 400 об/мин продолжительность этого участка для топливной аппаратуры дизеля 10Д100 увеличивается примерно на 2,5°.

Из-за соответствующего сокращения расходного хода плунжера (при открытой форсунке) снижается продолжительность подачи топлива и цикловая подача, что также хорошо видно на диаграммах. Необходимо отметить, что из-за одинаковой природы возникновения к аналогичным изменениям диаграммы приводит и уменьшение вязкости топлива, например с ростом температуры. Для эталонного комплекта ТА с плотностью плунжерной пары более 25 с изменение температуры от 30 до 70 °С увеличило протяженность этого участка при прочих равных условиях примерно на 2° п.к.в. Еще большее влияние на протяженность участка сжатия топлива оказывает уменьшение числа прокладок ТНВД, приводящее к снижению скорости движения плунжера из-за работы на «наполнительном» участке профиля кулачка. В этом случае увеличение продолжительности сжатия может составлять 100 % и более.

Рисунок 9 — Диаграммы давления при нормальной (а) и браковочной (б) плотности плунжерных пар

Влияние герметичности нагнетательного клапана насоса

Причиной неплотности нагнетательного клапана является чаще всего его износ. Как и в случае неплотности распылителя форсунки нарушается герметичность ТВД после впрыска топлива, что приводит к отмеченным выше особенностям — снижению амплитуды колебаний остаточного давления.

Отличительной особенностью диаграммы с неплотным нагнетательным клапаном является отсутствие колебаний давления на участке сжатия, равно как и плавное нарастание давления в начале этого участка (рисунок 9). Вызвано это тем, что из-за имеющих место неплотностей, давление перед самим нагнетательным клапаном нарастает плавно, в результате чего и открытие клапана происходит с меньшей начальной скоростью. Поэтому энергии движения клапана оказывается недостаточно для формирования наблюдаемой выше волны давления.

Рисунок 10 — Диаграммы давления в ТВД при потере герметичности нагнетательного клапана измеренные: а — вблизи форсунки; б — вблизи насоса

Повышение давления в ТВД наступает раньше, так как топливо начинает перетекать из надплунжерного пространства в ТВД еще до того, как перекроется наполнительное отверстие. Этому способствует снижение остаточного давления из-за перетеканий топлива из ТВД в наполнительную магистраль. Этот признак является третьим характерным признаком, который наиболее заметен на диаграммах, полученных вблизи насоса (рисунок 10).

Влияние серьезных повреждений форсунки

Рассмотренные выше неисправности форсунки хотя и ухудшают рабочий процесс дизеля, но в целом остаются работоспособными. По диаграмме давления топлива легко определяются неисправности другой группы, приводящие к отказам в работе форсунки и цилиндра дизеля. Для эксплуатации дизеля 10Д100 типичными для этой группы дефектами являются заедание иглы форсунки (в открытом или закрытом состояниях) и поломка пружины форсунки.

В случае с поломанной пружиной, как и при зависании иглы в открытом состоянии, впрыск осуществляется, по сути, через форсунку открытого типа. На диаграммах давления во всех сечениях отсутствуют заметные колебания вплоть до окончания нагнетательного хода плунжера при любых нагрузочных режимах, в том числе и при максимальной подаче топлива (рис. 4.11). Наиболее удобными, и в этом случае, являются диаграммы, полученные вблизи насоса по причине отсутствия колебаний и на участке остаточного давления. Диаграммы этого сечения имеют форму неравнобокого треугольника, высота которого определяется продолжительностью нагнетательного хода плунжера. Волна давления, вызванная подъемом нагнетательного клапана, выражена слабо, что объясняется начавшимся к этому времени расходом топлива через распылитель форсунки. Снижение скорости нарастания давления, наблюдаемое на диаграмме, объясняется малой величиной остаточного давления в ТВД из-за того, что трубка оказывается практически всегда открытой со стороны форсунки.

Рисунок 11 — Диаграмма при поломке пружины форсунки и максимальной подаче топлива

В случае, когда игла потеряла подвижность, находясь в закрытом состоянии, диаграмма давления при положении рейки «на упоре» выглядит так, как показано на рисунке 12

Рисунок 12 — Диаграмма при заклинивании иглы форсунки в закрытом состоянии

При таком дефекте значение остаточного давления достигает чрезмерно больших значений, так как на протяжении всего нагнетательного хода плунжера трубопровод остается закрытым. Высокое остаточное давление приводит к резкому нарастанию давления на переднем фронте импульса, после которого линия на диаграмме, полученной возле штуцера насоса, принимает форму горизонтальной прямой, с маловыраженными колебаниями давления. На диаграмме давления, полученной вблизи форсунки, эти колебания более заметны, в остальном закономерности повторяются. Субъективно работа ТА воспринимается как жесткая, с заметным увеличением расхода топлива в дренажной магистрали. Продолжительная работа двигателя с такой неисправностью влечет за собой выход из строя насоса.