Диагностика форсунки дизеля по анализу хода иглы распылителя и утечкам топлива

Предложена конструкция съемного датчика давления, позволяющая фиксировать изменение движения иглы и производить диагностику форсунки дизеля. Приведена методика оценки зазора в паре «игла - корпус  распылителя» по величине утечек топлива из форсунки. 

Диагностика – определение технического состояния двигателя или его узлов без разборки. До 30% неисправностей системы топливоподачи приходится на форсунку. Главным узлом форсунки является распылитель, работоспособность которого зависит от величины хода и подвижности иглы, зазора в  паре «игла-корпус распылителя», величины давления открытия, герметичности посадочного конуса, изменения проходных сечений сопловых отверстий. Дополнительную информацию о состоянии форсунки можно получить по анализу движения иглы.

Ход иглы форсунки топливной аппаратуры обычно определяют индуктивным датчиком (рисунок 1), который располагается между корпусом иглы и корпусом форсунки [1]. В процессе диагностики форсунки на двигателе в условиях эксплуатации применение датчика в виде проставки затруднено, поэтому рекомендуется съемный датчик давления, который устанавливается на колпаке форсунки (в линии отвода утечек). При заполнении топливом герметичного пространства полости форсунки при подъеме иглы давление топлива повышается, которое фиксирует датчик.

На  рисунке  2  показана  конструкция  датчика  давления  для  измерения  хода  иглы.   В    корпусе 1 расположено уплотнительное кольцо 2, на котором находится мембрана 3, выполненная из бериллиевой бронзы диаметром 20 мм и толщиной 1 мм. Мембрана прижата к уплотнительному кольцу стаканом 4. Мембрана 3 и стакан 4 могут быть выполнены совместно. Рабочий тензоэлемент 5 наклеен на мембрану, а компенсационный 6 расположен на поверхности стакана. Для удаления воздуха из объема форсунки предусмотрен шариковый клапан управляемый винтом 7. Для топливных систем с высоким остаточным давлением  рекомендуется  в  корпусе  1  установка  перепускного  клапана  с  давлением  открытия 3,0-5,0 МПа.

Применение съемного датчика давления позволит проводить диагностику форсунки и определять фазовые характеристики топливоподачи:

  • начало впрыска (угол опережение впрыска относительно ВМТ поршня);
  • окончание подачи топлива и продолжительность впрыска.

Форсунка с установкой датчиков перемещения иглы и записи давления в полости форсунки         

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

  • – корпус
  • - уплотнительное кольцо 3 - мембрана
  • - стакан.
  • - рабочий тензоэлемент
  • - компенсационный тензоэлемент, расположен на поверхности стакана.
  • - винтом. 

 Датчик для измерения давления в полости форсунки  и хода иглы

Рисунок 2 - Датчик для измерения давления в полости форсунки  и хода иглы 

Дополнительно по увеличению продолжительности подачи топлива можно определить образование нагара в каналах сопловых отверстий (коксообразование). Образование кокса приводит к уменьшению проходных сечений сопловых отверстий или их полную забивку. Увеличение хода иглы позволит определить износ ограничивающих поверхностей при ее движении (торцовые поверхности иглы и корпуса форсунки, посадочный конус). По анализу движения иглы определяют скорость и ускорение в момент подъема и посадки иглы. По значению ускорения и известной массе иглы определяют ударные нагрузки в посадочном конусе и его износ. При «заклинивании» (зависании) иглы от термических, механических напряжений или попадания в зазор твердых частиц игла не совершает возвратно-поступательных  движений.  На  осциллограмме  хода  иглы  видна  прямая  линия,  вместо   ее колебаний. По анализу осциллограммы определяют участок «заклинивания» (начало, середина или конец подъема). При диаметральном зазоре между иглой и корпусом распылителя не превышающим 12 мкм изменение давления в полости форсунки  зависит от  хода иглы и определяется выражением 

Из  анализа  формулы  1  и  2  следует,  что  при  постоянных    значениях     αн,  Vн   dи       величина Pи пропорциональна hи. Таким образом, по изменению Pи с достаточной для практики точностью можно определить изменение хода иглы. Определение хода иглы датчиком давления позволяет на работающем двигателе производить диагностику форсунки и определять ее неисправности.

На рисунке 3 приведены осциллограммы процесса впрыскивания топлива. Насос двигателя Д-440 (Алтайдизель) работал на номинальном режиме при  частоте  вращения  875  мин-1  и  цикловой подаче 103 мм3. На осциллограмме показана отметка времени, давление топлива в штуцере насоса, у форсунки и перед сопловыми отверстиями, ход нагнетательного клапана, изменения давления в объеме форсунки и ход иглы. Сравнение осциллограмм хода иглы и давления в объеме форсунки показывает их идентичность. Ход иглы можно определить при помощи датчика давления, установленного в дренажную магистраль (колпак форсунки). 

 Осциллограммы процесса впрыска топлива (снизу вверх)

Рисунок 3 -  Осциллограммы процесса впрыска топлива (снизу вверх) 

Диагностику форсунки дизеля по анализу хода иглы в условиях эксплуатации рекомендуется определять датчиком давления. Для исследования топливных систем и определения более точного значения хода иглы рекомендуется индуктивный датчик в виде проставки [1]. В процессе работы форсунки топливо перетекает по зазору между иглой и направляющей. При зазоре более 10 мкм утечки топлива уменьшают подачу топлива в камеру сгорания. По величине утечек топлива можно определить зазор в паре «игла-корпус распылителя». Для этой цели в лабораторных условиях определяют утечки топлива в зависимости от величины диаметрального зазора. Распылители с различным зазором выполняют на заводе-изготовителе. По величине утечек топлива в эксплуатации (обратным способом) определяется зазор в распылителе, его износ и делается заключение о целесообразности дальнейшей эксплуатации.

На рисунке 4 показаны утечки топлива в см3 за час в зависимости от диаметрального зазора на различных скоростных режимах работы двигателя типа Д-440. Пусть при частоте вращения 875 мин-1 утечки топлива из системы с малым остаточным давлением за час при температуре 300С составили 80 см3. Анализ рис. 4 показывает, что данная величина утечек соответствует среднему диаметральному зазору 12 мкм. Температура топлива в каналах форсунки на работающем двигателе достигает 800С, вязкость топлива снижается, а утечки топлива увеличиваются примерно в 2 раза.

На рисунке 5 показано изменение утечек топлива за цикл (впрыск) для режима пуска (I, 120 мин-1, 160 мм3), режима номинальной мощности (II, 875 мин-1, 103 мм3) и холостого хода (III, 300 мин-1, 20 мм3). Наибольшее значение утечек топлива составляет на режиме пуска. Для диаметрального зазора 12 мкм утечки топлива за цикл составили 3 мм3. Зазор в распылителе более 12 мкм принят предельно-допустимым [2]. При больших зазорах нарушается герметичность посадочного конуса, распыливание топлива ухудшается.

Утечки топлива через пару «игла-корпус распылителя» в объеме форсунки в зависимости от диаметрального зазора

Рисунок 4 - Утечки топлива через пару «игла-корпус распылителя» в объеме форсунки в зависимости от диаметрального зазора

  Изменение утечек топлива в мм3 за цикл от величины зазора распылителя на различных режимах  работы топливной аппаратуры

Рисунок 5 - Изменение утечек топлива в мм3 за цикл от величины зазора распылителя на различных режимах  работы топливной аппаратуры 

Из анализа рисунка 5 видно, что игла на режимах пуска и холостого хода не достигает упора и утечки топлива за цикл больше, чем на номинальном режиме, у которого игла достигает упора, закрывая путь утечкам, что уменьшает их величину. При износе ограничивающей поверхности корпуса форсунки и увеличении хода иглы она не достигает упора, и утечки топлива увеличиваются. По изменению утечек можно определить увеличение хода иглы и  износ распылителя.

Максимальный ход иглы можно определить при помощи приспособления, изображенного на рисунке 6. Перед началом измерения торец штока 1 и корпуса 2 устанавливают в равное положение (например,  при  помощи   притирочной   плиты).   Положение   индикатора   устанавливается   на  нуль. В отверстие штока 1 вводится хвостовика иглы и плотно прижимается приспособление к торцевой поверхности корпуса распылителя. Шток 1 опускается на глубину хода иглы. По показанию стрелки индикатора определяется величину хода иглы.

 Приспособление для определения хода иглы

Рисунок 6 - Приспособление для определения хода иглы 

Утечки топлива за цикл зависят от величины остаточного давления, давления топлива в каналах форсунки, диаметра иглы, зазора в паре «игла-корпус распылителя», длины уплотняющей поверхности и вязкости топлива. При высоких остаточных давлениях (например, 10 МПа) топливо вытекает из полости форсунки в течение всего цикла (3600) и достигает значений в несколько раз больше, чем в системах с малым остаточным давлением или разрежением. В таких системах топливо движется по зазору в паре «игла-корпус распылителя» не более 40 0 поворота вала насоса. Для различных конструкций насосов высокого давления и форсунок утечки через пару «игла-корпус распылитель» в м3 за время t можно определить расчетным путем по формулам:

По формуле (3) определяются утечки в системах без остаточного давления. Время утечек (от t1 до t2) зависит от продолжительности процесса изменения давления в форсунке (30-400). По формуле (4) определяются утечки в системах подачи топлива с остаточным давлением. Топливо вытекает через зазор между иглой и корпусом распылителя как в период между впрысками (320-3300), так и в период подачи топлива насосом высокого давления.

В таблице 1 приведены расчетные значения утечек топлива из форсунки за цикл в зависимости от величины  зазора в распылителях и остаточного давления для тепловозных двигателей Д 50, 2Д100, Д 49.

Таблица  1  -  Утечки топлива     в  мм3      за  цикл     через     пару  «игла  –  корпус  распылителя» в зависимости от величины зазора и остаточного давления ΔРо . 

 Утечки топлива     в  мм3      за  цикл     через     пару  «игла  –  корпус  распылителя» в зависимости от величины зазора и остаточного давления ΔРо .

Частота вращения коленчатого вала принята 750 мин-1, диаметр иглы 8 мм, длина направляющей части распылителя 50 мм, максимальное давление в форсунке 50 МПа (среднее давление равно 0,6 от максимального), продолжительность превышения давления в форсунке над остаточным 400, динамическая вязкость топлива 1,5·10-3 Па·с.

На величину  утечек  значительное  влияние  оказывает  вязкость  топлива,  зависящая  от  его сорта и температуры форсунки. Утечки топлива увеличиваются при повышении остаточного давления. По этой причине системы топливоподачи с высоким остаточным давлением более «чувствительны» к увеличению зазора в распылителях. При подборе комплекта форсунок для конкретного двигателя он должен иметь одинаковые проходные сечения распылителей, зазор  и ход.

Время t (с) и продолжительность подачи топлива (φ) в градусах зависят от частоты вращения кулачкового вала  (n ) в мин-1 и связаны  выражением 

φ = 6·n·tоткуда   t = φ/ (6·n).                                                        (5) 

На рисунке 7 показана форсунка тепловозного двигателя 8ЧН 26/26. Утечки топлива из форсунки отводятся при помощи трубопровода 14. В конструкции датчика давления необходимо изменить его соединение с форсункой. Резьбовая соединительная часть датчика должна быть выполнена с учетом размеров штуцера 13. Соединения дренажной системы должны быть уплотнены. 

1 - сопловой наконечник распылителя; 2 -  корпус распылителя;

  • - игла;
  • - дренажный канал; 5 - накидная гайка;

6, 10 - уплотнительные кольца;

  • - штанга;
  • - корпус форсунки;
  • - пружина запирания;

11 - регулировочный винт; 12 - контргайка;

  • - штуцер;
  • - трубопровод отвода утечек; 15 - щелевой фильтр

 Форсунка двигателя  8ЧН 26/26

Рисунок 7 - Форсунка двигателя  8ЧН 26/26 

Выводы:

  • по анализу хода иглы можно определить фазовые характеристики процесса топливоподачи (начало и конец впрыска), угол опережения подачи, продолжительность впрыска;
  • величина хода иглы позволяет определить максимальный ее подъем и износ ограничивающих поверхностей;
  • кинематика иглы позволяет определить ее путь скорость, ускорение;
  • определение ускорения на участках подъема и посадки позволяет определить ударные нагрузки и износ торцевой и конической поверхностей;
  • показана конструкция приспособления для определения максимального хода иглы;
  • запись хода иглы индуктивным датчиком, расположенным между распылителем и корпусом форсунки, целесообразна для научных исследований;
  • для диагностики форсунки по анализу хода иглы в условиях эксплуатации двигателя предлагается съемный датчик давления;
  • по величине утечек топлива через пару «игла-корпус распылителя» предлагается определение зазора в распылителе и определение его допустимого значения;
  • для получения высоких технико-экономических показателей  дизеля  комплект его форсунок должен содержать одинаковые параметры распылителей - ход игл, зазоры в паре «игла-корпус распылителя», эффективные проходные сечения сопловых отверстий, а также давление начала подъема иглы и угол опережения впрыска относительно ВМТ.

 

Литература

  1. Живоченко А.В., Михайлова Л.Ю. Датчик для записи подъема иглы форсунки дизеля // Вестник Павлодарского университета. - 2001. - № 4. - С. 110 -
  2. Роганов С.Г.,  Макушев  Ю.П.  Влияние  зазора  в  распылителе  форсунки  на  процесс впрыска и некоторые показатели дизеля // Известие высших учебных заведений. Серия «Машиностроение». -  1978. -  №1. -  С. 97 -  101.
Фамилия автора: Л.Ю. Михайлова
Год: 2011
Город: Павлодар
Яндекс.Метрика