ПЗ (Разработка тестера для определения технического состояния форсунок тепловозных дизелей Д49), страница 2

При разработке диагностических систем дизельных двигателей основное внимание уделяется работе топливной аппаратуре (ТА). Настройкой ТА определяются важнейшие характеристики процесса сгорания топлива – момент воспламенения топлива в цилиндре и качество его последующего сгорания. В зависимости от типа двигателя, его конструкции и совершенства на долю ТА приходится до 30 % неисправностей (отказов).

Современное состояние системы ремонта двигателей внутреннего сгорания предъявляет свои требования к диагностическим системам. В первую очередь это универсальность диагностического оборудования,

применяемость к различным типам двигателей. Во-вторых, это возможность выполнения диагностических работ в условиях эксплуатации на частичных режимах работы двигателя или даже на холостом ходу.

Эффективность работы двигателя в основном зависит от состояния ТА. Техническое состояние ТА можно определить по анализу давления в топливопроводе и анализу хода иглы распылителя форсунки. [11]

Диагностирование ТА проводят следующими методами:

1. Осциллографируют процесс подачи топлива, фиксируя импульс давления в топливопроводе. Полученную диаграмму сравнивают с эталонной (контрольной) диаграммой и определяют техническое состояние ТА.

2. Опытную диаграмму сравнивают с набором диаграмм, полученных с заведомо известными характерными неисправностями (например, потеря подвижности иглы распылителя). Эффективность данного метода диагностики зависит от набора имеющихся в базе данных диаграмм с известными неисправностями и сравнения их при помощи ЭВМ с контрольной диаграммой.

3. Сравнивают опытную характеристику подачи топлива с расчетной характеристикой. [12]

Неисправности топливной аппаратуры рекомендуется определять при помощи зажимного (съемного) датчика [4], пьезоплёнка 8 которого (рис.1.1) при помощи специального устройства прижимается к цилиндрической поверхности трубопровода высокого давления 7. Пленка датчика обладает пьезоэлектрическими свойствами. Такие свойства имеют, например, фторсодержащие полимерные пленки. Обе поверхности пленки металлизируются для возможности съема разности потенциалов.

При радиальной деформации трубки (до 0,001 мм) изменяется сопротивление пьезопленки, а при помощи усиливающей и регистрирующей аппаратуры фиксируется импульс давления, по анализу которого определяется состояние насоса высокого давления и форсунки.

В качестве отрицательного электрода используется топливопровод, который связан электрически с внутренней поверхностью через медную фольгу 5. Наружная поверхность пленки связана со штырьковой клеммой при помощи электрода 4.

Датчик давления зажимной выпускает австрийская фирма AVL с рычажным или с винтовым креплением. Размер внутренней полости датчика должен обязательно соответствовать значению наружного диаметра топливопровода (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 мм).

На рисунке 1.2 изображен датчик давления съемный (зажимной).

1 – неподвижный корпус датчика; 2 – подвижный корпус датчика;

3 – упругий элемент; 4 – наружный электрод; 5 – внутренний электрод

(медная фольга); 6 – петля; 7 – трубопровод; 8 – пьезопленка;

9 – ручка прижимного устройства; 10 – гнездо датчика

Рисунок 1.2– Датчик давления съемный (зажимной)

При определении момента начала подачи топлива (опережения впрыска) рекомендуется закреплять датчик у форсунки. Так, при скорости звука в топливе 1 200 м/с, частоте вращения вала насоса 2 000 мин-1, длине топливопровода 0,5 м погрешность при установке датчика у насоса составит 0,0004 с или 4,8 о. Это один из недостатков датчика, связанный с местом его установки для измерения импульса давления в топливопроводе.

На рис. 1.2 показана диаграмма изменения давления топлива тепловозного дизеля 10Д100, которая записана при помощи накладного пьезоэлектрического датчика [2]. На диаграмме показаны характерные точки, по анализу положения которых определяют состояние топливной аппаратуры.

Рисунке 1.3 изображена диаграмма давления топлива, записанная накладным датчиком.

1 – рост давления; 2 – начало впрыска

топлива; 3 – окончание нагнетания топлива плунжером;

4 – посадка иглы; 5 – колебание остаточного давления

Рисунок 1.3 – Диаграмма давления топлива, записанная

накладным датчиком

Расстояние между точками 2 и 4 по горизонтали представляет собой продолжительность впрыска. По положению точки 2 относительно ВМТ определяют угол опережения впрыска. Точка 1 позволяет определить величину остаточного давления, работу нагнетательного клапана и геометрическое начало подачи топлива насосом высокого давления. По точке 2 определяют начало подъема иглы (начало подачи топлива в камеру сгорания) и величину динамического давления открытия иглы распылителя. Точка 4 определяет конец посадки иглы на седло. По изменению характерных точек на диаграмме давления топлива определяют состояние насоса, форсунки и возможные их неисправности [2].

На рисунке 1.3 приведена диаграмма изменения давления в топливопроводе при работе ТА с потерей подвижности иглы распылителя форсунки.

Игла может быть защемлена в результате механических или термических напряжений, наличия абразивных частиц, кокса в зазоре между иглой и направляющей. При защемлении иглы в конце ее подъема форсунка работает, как открытая при малом постоянном давлении. В этом случае идет процесс выжимания топлива через открытые сопловые отверстия. На диаграмме (рис. 1.3) нет характерного пика высокого давления. Нарушается дальнобойность факела распыленного топлива. Мощность двигателя снижается, увеличивается расход топлива. Горячие газы проникают в полость распылителя, способствуя образованию кокса в сопловых отверстиях. Данное нарушение является отказом и требует замены распылителя.

На рисунке 1.4 изображена потея подвижности (заклинивание) иглы в направляющей корпуса распылителя

Рисунок 1.4 –Потея подвижности (заклинивание) иглы

в направляющей корпуса распылителя

Давление начала открытия иглы снижается в результате износа сопряженных поверхностей (штанга-игла, штанга-пружина, игла-конус). В эксплуатации допускается снижение давления начала открытия иглы до 20 % от требуемого заводом-изготовителем (например, нормативное 30 МПа, а допустимое 24 МПа). При уменьшении давления начала подъема иглы снижается максимальное давление в линии нагнетания. Продолжительность впрыска увеличивается, снижается мощность двигателя, повышается расход топлива. Разброс давления открытия иглы в отдельных форсунках способствует неравномерному впрыску топлива по цилиндрам, что повышает нагрузки в деталях КШМ.

Данный способ определения потери подвижности иглы обладает определенным недостатком. Он не определяет участок (место) защемления (начало, середина или конец хода иглы). Использование датчика для записи хода иглы определит место защемления, более точно позволит оценить начало (угол опережения впрыска топлива) и продолжительность впрыска.[5]

1.2.2. Анализ неисправностей форсунок тепловозных двигателей

по изменению хода иглы распылителя форсунки

Процесс топливоподачи у тепловозных дизелей с высоким остаточным давлением в топливопроводе отличается от подачи топлива для автотракторных двигателей с малым остаточным давлением.

На рисунке 1.5 приведены осциллограммы давления на входе в форсунку и перемещения иглы тепловозного двухтактного дизеля 2Д100 [6], работающего на режиме холостого хода (частота вращения вала дизеля 400 мин -1, подача топлива 0,116 г/цикл). Остаточное давление в топливопроводе (линии нагнетания) равно 4,5 МПа, по его колебанию от цикла к циклу определяют стабильность процесса впрыска.

Анализ условий эксплуатации дизелей типа 2Д100 показывает, что основную часть времени они работают на режимах холостого хода или малых нагрузках. На данных режимах наблюдается ухудшение процесса сгорания из-за некачественного распыливания топлива.

На диаграмме движения (хода) иглы выделены характерные точки и участки: 1 – начало подъема иглы (начало подачи топлива); 1–2 – участок подъема иглы; 2–3 – участок максимального подъема иглы; 3–4 – участок посадки иглы на седло; 4 – точка окончания посадки иглы. Эти точки на диаграмме хода иглы обозначены меньшей величиной цифр.

По расположению характерных точек на диаграммах давления топлива и хода иглы (по вертикали и горизонтали) можно определить техническое состояние насоса и форсунки.

у форсунки (1), движения (хода) иглы распылителя (2),

отметка геометрического начала подачи топлива (3) и ВМТ

Рисунок 1.5 – Осциллограммы давления в трубопроводе

Предлагается следующая последовательность диагностирования по анализу хода иглы распылителя:

– для топливной аппаратуры, параметры которой соответствуют требованиям завода-изготовителя, на режиме холостого хода или номинальной мощности фиксируется ход иглы с пояснением характерных точек и участков;

– для возможных неисправностей, встречающихся в эксплуатации (изменение угла опережения подачи топлива, продолжительности впрыска, скорости подъема и посадки иглы, появление дополнительных впрысков, зависание иглы), фиксируется форма движения (хода) иглы;

– ход иглы, определенный в текущий период эксплуатации дизеля, сравнивают с эталонным (контрольным) ходом. Путем сравнения эталонной диаграммы хода иглы с реальной (опытной) оценивается техническое состояние ТА и определяется возможный вид неисправности.

1.3 Способ диагностирования топливной аппаратуры по изменению температуры деталей

В процессе работы двигателя внутреннего сгорания химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию. В камере сгорания температура достигает более 2 000 К. Все детали и узлы двигателя нагреваются. Для отвода части теплоты (20 – 30 %) применяют систему охлаждения. На заданном установившемся режиме работы двигателя температура его деталей достигает определенного постоянного значения. При исправном состоянии всех механизмов и систем двигателя температурное поле поверхностей двигателя достигает определенного допустимого значения. Техническое состояние дизель-генераторной установки зависит от изменения температуры ее узлов.

К средствам контроля температуры относят:

– пирометры яркостные, цветовые, радиационные, действие которых основано на фотоэлектрической, визуальной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых тел до определенной температуры;

– тепловизоры с оптико-механическим сканированием, применяемые для анализа теплового излучения объектов на средневолновом участке (2 – 15 мкм).

Тепловизор позволяет выделить на тепловом изображении объекта область одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на кинескопе. В нижней части кадра формируется серая или цветная шкала, используемая для измерения температуры. Яркость отдельных участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад.

В работе исследовалось влияние технического состояния форсунок ТА от изменения температуры поверхности нагнетательного трубопровода [7]. Известно, что в процессе подачи топлива трубопровод, соединяющий насос высокого давления с форсункой, нагревается. Температура нагрева зависит от трения топлива о стенки трубопровода. Величина трения зависит от шероховатости внутренней поверхности трубопровода, давления, скорости движения и вязкости топлива. Трение в виде теплоты рассеивается в окружающем пространстве.

Для проведения бесконтактного теплового контроля использовались пирометр Raytek Minitemp, портативный компьютерный термограф (тепловизор) ИРТИС 2000, состоящий из приемной камеры, компьютера типа NOTERBOOK и специального программного обеспечения.

При работе двигателя 6ЧН 16/22,5 на режиме малых нагрузок с мощностью 22,7 кВт при 450 мин-1 для всех шести цилиндров определялись давление в конце сжатия, максимальное давление сгорания и температура поверхности нагнетательного трубопровода. Затем в двигателе была проведена замена местами (переустановка) форсунок. На цилиндры 1, 2, 3 были установлены форсунки 4, 5, 6 цилиндров, а на 4, 5, 6 – 1, 2, 3. Давление в конце сжатия практически осталось на прежнем уровне, поэтому влияние износа цилиндра и поршневых колец было исключено. Исследование показало, что повышение в первом цилиндре давления сгорания топлива с 2,6 до 5,2 МПа (увеличена цикловая подача топлива) способствовало росту температуры поверхности нагнетательного трубопровода с 33 до 42 С. Температура изменилась и в остальных нагнетательных трубопроводах [7].

Анализ результатов исследования показал, что по изменению температуры поверхности трубопровода можно определить техническое состояние форсунок. Если для известных неисправностей топливной аппаратуры (износ плунжерной пары, образование кокса в распылителях форсунок, потеря подвижности иглы, снижение давления открытия иглы) определить изменение температуры поверхности нагнетательного трубопровода, это позволит проводить диагностирование по изменению температуры, определять вид неисправности.

Недостатком данного способа является сложность проведения контроля технического состояния ТА, не исключено влияние температуры деталей двигателя на изменение температуры поверхности нагнетательного трубопровода.

1. Существующие механотестеры

В настоящее время отечественными и зарубежными предприятиями налажено производство большого числа разнообразных стендов для опрессовки форсунок дизелей различных марок. На рисунке 1.6 представлены некоторые модели опрессовочных стендов. Все они имеют ручной привод секции топливного насоса или отдельной плунжерной пары, контрольный манометр, закрепленные на установочной плите, с различными наборами переходников для крепления разных типов форсунок.