Диагностирование системы топливоподачи автомобильных ДВС тестовым методом

В Российской Федерации с введением норм ЕВРО наблюдается достаточно серьезное отставание по сравнению с европейскими странами и Америкой. Даже в сумме автомобили с нормами ЕВРО 4, 5, 6 не составляют 50 % от всего автопарка страны. В связи с этим экологическая ситуация во многих российских городах имеет критический уровень [1, 2].

Теоретические исследования

Вся топливная система имеет различные последовательные и параллельные гидравлические сопротивления [3, 4]. Так, фильтры грубой и тонкой очистки установлены последовательно в системе питания и их засорение вызывает рост последовательного сопротивления. К последовательным сопротивлениям можно отнести топливопроводы [5, 6]. Сам же ЭТН и износ его роликов приводит к росту параллельных утечек [7–10]. Из энергетического баланса следует, что полная потеря напора равна сумме потерь напора на всех последовательно соединенных участках [11, 12]. При изменении структурных параметров (сопротивления, утечек в топливной системе) будут изменяться параметры электрического топливного насоса: сила тока, напряжение питания [13–15]. Эти параметры являются косвенными параметрами структурных: давления в топливной системе и подачи топлива [16–21].

Рассмотрим зависимость в виде уравнения баланса энергии источника тока ЭТН с энергией по перемещению жидкости в топливной магистрали:

Е = Е Е

подв перед, где Еподв – подведенная энергия к рабочим контактам ЭТН, Дж; Еперед – переданная энергия топливу, подаваемому в топливопровод, Дж.

Представим левую и правую части в раскрытом виде:

U²     A P      „

I " U " t —-- 1 +--- 1 + Ц" S₀6ш "

R р " g         общ

где I – сила тока потребления ЭТН, А; U – напряжение питания на контактах ЭТН, В; t – время работы ЭТН, с; R – сопротивление ЭТН, Ом; Δ Р – перепад давления на участке, кПа; µ – коэффициент расхода топлива; S общ – общая площадь проходного сечения топливопровода, которая зависит от вида неисправности (засоренность последовательных элементов или утечки в насосной части ЭТН, параллельное гидравлическое сопротивление), м²; ρ – плотность, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

Общая площадь проходного сечения топливопровода при загрязнении последовательных элементов топливной системы определяется по формуле

Ц " ⁸общ = Ц " S 1 ⁺ Ц " S 2 , (3) где S 1 – площадь проходного сечения первого засорившегося элемента, м²; S ² – площадь проходного сечения второго засорившегося элемента, м².

Общая площадь проходного сечения топливопровода при утечках в ЭТН (параллельных элементах) определяется по формуле:

1  11

---------- —1

Ц " S o6^ Ц " S 1 Ц " S 2

где S ꞌ 1 – площадь проходного сечения топливопровода нагнетающей стороны, м²; S ꞌ 2 – суммарная площадь проходного сечения утечек, м².

Приравняем левую и правую части уравнения (1), сократив на время работы t в формуле (2), выразим из нее силу тока потребления ЭТН:

U²     A P    _е

—" t +---+ Ц" S "

I _— R р" g общ U

2 A P³

ρ

.

Таким образом, установлена теоретическая зависимость силы тока потребления ЭТН от электрических параметров приводного двигателя ( U , R ) и технического состояния основных элементов ЭТН ( µ · Sобщ , Δ P ). Проведем моделирование и последующий анализ по уравнению (5) неисправностей в топливной системе. Результаты моделирования представлены на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Закономерности изменения силы тока I при имитации засорения топливных элементов D (эквивалентный диаметр сечения) и степени засорения ε

Рис. 2. Закономерности изменения силы тока I при моделировании утечек у в насосной секции ЭТН (параллельном гидравлическом сопротивлении)

При анализе данных на рис. 1 выявлено, что при уменьшении диаметра сечения топливопровода последовательно загрязненных элементов (например, засорился топливный фильтр тонкой очистки, топливопровод) сила тока потребления увеличивается.

Увеличение силы тока потребления ЭТН связано с повышением гидравлического сопротивления в топливной системе, по этой причине ротор ЭТН вращается под значительно большей нагрузкой, вследствие чего поглощается большее количество энергии. Причем из рис. 1 видно, что существенный рост силы тока наблюдается с эквивалентного сечения 1 мм. Чем больше напряжение питания ЭБН, тем больше ток, протекающий в его обмотках.

Проведем анализ данных, представленных на рис. 2. При анализе данных по рис. 2 выявлено, что при увеличении диаметра утечек в насосной части ЭТН сила тока потребления заметно снижается. Из-за наличия зазоров, неплотностей в насосной секции ЭТН топливо не поступает в нагнетающую полость насоса, из-за чего ротор вращается свободно, потребляемая энергия снижается с увеличением эквивалентного диаметра утечек.

Методика экспериментального исследования

Экспериментальные исследования предусматривают исследования различных факторов, влияющих на диагностические параметры электрического бензонасоса. Исследования предусматривали статические режимы (при неработающем двигателе) и динамические (при функционирующем двигателе).

В качестве экспериментальной установки использовался исследовательский стенд на базе двигателя ВАЗ-2114, установленный на раму, который представлен на рис. 3 а.

а)

Рис. 3. Экспериментальная установка: а) исследовательский стенд на базе двигателя ВАЗ-2114, установленный на раму; б) прибор ДБД-4 для полного и частичного отключения искрообразований в цилиндре двигателя и изменения длительности впрыска

Для формирования тестовых воздействий на систему топливоподачи, а конкретнее на ЭТН, использовался прибор ДБД-4 (рис. 3 б). Прибор подключается при помощи разъемов «+» и «–» к аккумулятору исследовательского стенда и питается бортовым напряжением 12 В, а также другим разъемом подсоединяется в разрыв электромагнитных форсунок, для чего к штатному разъему форсунок присоединяется разъем прибора. В рабочем режиме экран прибора ДБД-4 представлен на рис. 4 а и 4 б.

Из рис. 4 а и б видно, что коррекцию топливоподачи можно осуществлять как в сторону «–», так и «+». Коррекция отсчитывается от базового значения времени впрыска, установленного программно для данного типа двигателя. В коррекции топливоподачи и заключается тестовое воздействие на ЭТН.

При проведении экспериментальных исследований были выбраны три значения величины напряжения: 6, 9 и 12 В. Минимальное значение напряжения 6 В выбрано по причине его ограничения в технических условиях завода-изготовителя. Предлагается для идеального технического состояния снять характеристики для напряжений 6, 9 и 12 В, а после провести экспериментальные исследования с искусственно сформированными неисправными состояниями ЭТН. Таким образом, методом сравнения по разности полученных характеристик можно определить степень износа ЭТН.

а)

б)

Рис. 4. Экран прибора ДБД-4 в эксплуатационном режиме при одном работающем цилиндре ДВС при трех отключенных: а) базовое время впрыска форсунки – 8,8 мс; коррекция составляет – 1,2 мс; итоговое время впрыска форсунки 8,8–1,2 = 7,6 мс; б) базовое время впрыска форсунки – 9,6 мс; коррекция составляет + 3,1 мс; итоговое время впрыска форсунки 9,6 + 3,1 = 12,7 мс

Результаты экспериментальных исследований

Целью проведения многофакторного эксперимента являлось определение степени влияния калиброванных отверстий жиклеров, установленных в топливную систему одновременно при последовательном и параллельном соединении, а также влияния напряжения питания ЭТН, задаваемое блоком управления на силу тока потребления ЭТН I давление в системе питания P и объем утечек топлива Q . Эксперимент проводился по схеме на рис. 5.

Для параллельного соединения устанавливались калиброванные жиклеры J пар 0,2 мм, 0,6 мм, 1,0 мм, где интервал изменения Δ = 0,4 мм (рис. 6). Для последовательного соединения в топливопровод устанавливались J пос : 0,2 мм, 0,7 мм, 1,2 мм с интервалом Δ = 0,5 мм. Данный эксперимент также проводился при искусственной имитации одновременно утечек топлива в корпусе ЭТН и засоренности топливных фильтров. Блоком управления задавалось 3 значения напряжения: 6,5 В, 9,5 В и 12,5 В.

Контролирующими факторами (см. рис. 6) являются: J пос – диаметр калиброванного отверстия жиклера, установленного последовательным соединением в топливопровод, J пар – диаметр калиброванного отверстия жиклера, установленного параллельным соединением в топливопровод, U – напряжение питания ЭТН, устанавливаемое внешним блоком управления «Вымпел-50», В.

Откликом являются следующие показатели: сила тока потребления ЭТН I , давление в системе питания Р и объем утечек топлива Q . Интервалы и уровни варьирования факторов приведены в таблице.

Исследование влияния показателей U, J пар , J пос на диагностический параметр Р

Для всех значений отклика в MathCad 14 задавалось общее уравнение регрессии, которое выглядит следующим образом:

Given ^

i = 1

vy 1 , -

" a b( M il ) 2 + bl • ( M ,2 ) b ² + cl • ( M i ,3 ) c ² +

+ g ' M i 1 ' M i 2 + m ' M i 1 • M i 3 + n • M i 2 • M i 3

,

где a 1 b 1 c 1 g m n – коэффициенты регрессии; i – число опытов (равное 27); M i 1 – 1-й фактор – напряжение питания ЭТН В; М i 2 – 2-й фактор – жиклер установленный параллельно топливопроводу мм; М i 3 – 3-й фактор – жиклер установленный последовательно топливопроводу мм; a 2 b 2 c 2 – коэффициенты наилучшего приближения функции.

Рис. 5. Схема проведения трехфакторного эксперимента: 1 – топливная рампа; 2 – топливопровод; 3 – жиклер последовательного соединения; 4 – жиклер параллельного соединения; 5 – топливный насос; 6 – топливный бак

Рис. 6. Входные и выходные параметры при проведении трехфакторного эксперимента

Уровни и интервалы варьирования факторов

Фактор	Кодированное обозначение	Уровень варьирования			Интервал, Δ
		–1 (нижний)	0	+1 (верхний)
1	2	3	4	5	6
Калиброванный жиклер, соединенный последовательным способом, J пос , мм.	M i,1	0,3	0,75	1,2	0,5
Калиброванный жиклер, соединенный параллельным способом, J пар , мм.	M i,2	0,2	0,6	1	0,4
Напряжение питания ЭТН, U , В.	M i,3	6,5	9,5	12,5	3

После ввода значений опытов было получено следующее уравнение регрессии для давления Р в системе топливоподачи:

Р(U , J nap , J no= ) = 12,328 - U ^1,1 + 33,133 - J 0   - 0,025 " J^ +

+ 2,808 - U - J nap + 2,82 - U - J noc + 33,585 - J nap - J noc

Исследование влияния показателей U, J пар , J пос на диагностический параметр – силу тока I питания ЭТН

Было получено следующее уравнение регрессии, полученное путем вычислений, аналогично давлению в системе топливоподачи:

I (U , J nap , J ) = 0,978 - U °"⁴⁹⁵ + 0,052 - J     + 2,049 - J    +

+ 0,263 - U - J nap - 0,4 - U - J no_C - 0,667 - J nap - J noe

Исследование влияния показателей U, J пар , J пос на диагностический параметр – количество топлива, утекающего через параллельно ЭТН установленный жиклер Q

В результате исследований получили следующее уравнение регрессии:

QU , J nap , J noc ) = - 1,27 - U ¹¹⁸⁵⁶ + 294,986 - J^ + 0,939 - J -3 C ²⁶¹ +

+ 56,125 - U - J nap + 9,715 - U - J _1l0C - 472,949 - J nap - J _1l0C

Полученные уравнения регрессии (7)–(9) в раскодированном виде позволили построить по- верхности откликов критерия оптимизации – давления в системе топливоподачи, силы тока потребления насоса и объема утечек топлива через параллельно ЭТН установленный жиклер от Jпос, Jпар и U (рис. 7–12).

Для построения поверхностей отклика критерия оптимизации от выбранных факторов использовались средства пакета программы Statistica 12. Рассмотрим попарные влияния входных факторов на выходные параметры.

Рассмотрим зависимость величины давления P в системе топливоподачи от установленных калиброванных жиклеров при параллельном J пар и последовательном соединении J пос в топливопроводе (см. рис. 7).

Зависимость на рис. 7 можно представить в виде уравнения:

Р ( J nap ; J noc ) = 202,7469 + 37,5 - J nap + 116,8724 - J noc -- 69,4444 - J^ ap + 37,037 - J nap - J noc - 63,1001 - J^ oc

Анализ данных, представленных на рис. 7, показывает, что уменьшение эквивалентного сечения последовательного жиклера приводит к уменьшению давления в топливной магистрали. Это связано с тем, что образуется перепад давления на жиклере, который заметно увеличивается по мере роста гидравлического сопротивления.

С увеличением сечения параллельно ЭТН установленного жиклера давление уменьшается. Это объясняется тем, что большая часть топлива начинает уходить в параллельном потоке, в то время как последовательный поток заметно уменьшается.

Рис. 7. Зависимсть величины давления P в системе топливоподачи от установленных калиброванных жиклеров при параллельном J пар и последовательном соединении J пос в топливопроводе

Рис. 8. Зависимость силы тока I в СТ от установленных калиброванных жиклеров при параллельном J пар и последовательном J пос соединении в топливопроводе

Рис. 9. Зависимость силы тока питания ЭТН от напряжения питания насоса и установленного калиброванного жиклера при последовательном

J пос соединении в топливопроводе

Рис. 10. Зависимость объема утечек топлива через параллельно ЭТН установленный жиклер Q от калиброванных сечений жиклеров при последовательном J пос и параллельном соединении J пар в топливопроводе

Рис. 11. Зависимость объема утечек топлива через параллельно ЭТН, установленный жиклер от значения силы тока, потребляемого насосом и напряжения при последовательном и параллельном соединении жиклеров в топливопроводе

Рис. 12. Зависимость объема утечек топлива через параллельно ЭТН установленный жиклер Q от значения силы тока I потребляемой насосом при параллельном J пар соединении жиклера в топливопроводе

Рассмотрим зависимость величины тока питания ЭТН в системе топливоподачи от установленных калиброванных жиклеров при параллельном J пар и последовательном соединении J пос в топливопроводе (см. рис. 8).

Зависимость на рис. 8 можно представить в виде уравнения:

I ( J nap , J noc ) = 3,44 - 0,3611 " J nap + 0,7613 " J noc -

— 0,7986 - J „²ap + 1,111 1 - J nap - J noc - 1,1248 - J „ ² oc

На рис. 8 с уменьшением сечения последовательного жиклера возрастает сила тока потребления ЭТН (область, выделенная темно-серым цветом). Данный фактор имеет наибольшую значимость на изменение силы тока. При возрастании гидравлического сопротивления в последовательных магистралях сила тока резко растет. С увеличением сечения параллельного жиклера сила тока заметно снижается. Снижение тока можно объяснить некоторой разгрузкой напорной линии, так как часть топлива сливается через жиклер (имитация утечек через неплотности ЭТН).

Проведем анализ зависимости силы тока питания ЭТН от напряжения питания и установленного калиброванного жиклера при последовательном J пос соединении в топливопроводе (см. рис. 9).

Зависимость на рис. 9 можно представить в виде уравнения:

I ( u , J noc ) = - 2,1256 + 2,6008 - J noc + 0,6864 - U -

- 1,1248 - J „²oc - 0,1235 - J noc - U - 0,016 - U ²

На рис. 9 с увеличением напряжения при последовательно установленном жиклере возрастает сила тока потребления ЭТН. Причем сила тока увеличивается интенсивнее при установленном сечении жиклера меньшего размера. Это объясняется увеличением гидравлического сопротивле- ния в последовательном топливопроводе.

Проведем анализ зависимости объема утечек топлива через параллельно ЭТН установленный жиклер Q от калиброванных сечений жиклеров при последовательном J пос и параллельном соединении J пар в топливопроводе (см. рис. 10).

Зависимость на рис. 10 можно представить в виде уравнения:

Q ( J noc , J nap ) = 48,8225 - 206,9547 - J noc + 666,1111 - J nap + + 291,6324 - J ^ - 748,1481 - J noc - J nap + 371,1806 - J „ ² ap

На рис. 10 с увеличением сечения жиклера, параллельно установленного ЭТН, значительно увеличиваются утечки топлива через него, достигая при 1,1 мм значения 930 см3/мин, в то время как при сечении 0,1 мм утечки не превышают 100 см3/мин. При увеличении последовательно установленного жиклера утечки возрастают в зоне малых сечений параллельных жиклеров и, наоборот, уменьшаются в зоне больших сечений параллельных жиклеров.

Проведем анализ зависимости объема утечек топлива через параллельно ЭТН установленный жиклер Q от значения силы тока I , потребляемого насосом, и напряжения U при последовательном и параллельном соединении жиклеров в топливопроводе (см. рис. 11).

Зависимость на рис. 11 можно представить в виде уравнения:

Q ( I , U ) = 128,8102 - 258,3644 - 1 + 777,9588 - U + + 32,2314 - 1 ² - 241,4565 - 1 - U + 440,2246 - U ²

На рис. 11 с увеличением напряжения питания на насосе сила тока возрастает слабо или не изменяется, это говорит о больших утечках топлива в системе.

Рассмотрим зависимость объема утечек топлива через параллельно ЭТН установленный жиклер Q от значения силы тока I , потребляемой насосом при параллельном J пар соединении жиклера в топливопроводе (см. рис. 12).

Зависимость на рис. 12 можно представить в виде уравнения:

Q ( J nap , I ) = 866,8039 - 537,3294 - J nap + 515,5308 - 1 +

+ 482,7916 - J² - 167,4379 - J_na„ - 1 + 74,2468 - 1² пар                   пар

На рис. 12 видно, что при увеличении диаметра проходного сечения жиклера параллельного соединения значительно возрастают утечки топлива. При увеличении тока питания насоса утечки также возрастают.

Расхождение величин давления, подачи топлива и силы тока, полученных экспериментально при тестовом диагностировании и на основе реализации математических моделей, не превышает 4–6 %, что подтверждает корректность результатов теоретических исследований и высокую эффективность тестового диагностирования ЭТН и других элементов топливной магистрали.

Выводы

Таким образом, основным итогом проведенных экспериментальных исследований является разработка методологии диагностирования электрических топливных насосов. Разработан принципиально новый тестовый метод диагностирования ЭТН, заключающийся в формировании тестового воздействия путем отключения ряда цилиндров, управления длительностью впрыска и напряжением питания ЭТН. Обосновано применение приборных средств, реализующих разработанную методику: ДБД-4, МТ-10, «Вымпел-50». Основным техническим результатом является повышение эффективности процесса диагностирования системы топливоподачи и достоверности определения технического состояния ЭТН.

Научная ценность разработанной технологии тестового диагностирования, средств для ее реализации состоит в возможности повышения эффективности проведения экспериментальных исследований ЭТН, других элементов топливной магистрали для обоснования их технологической способности при эксплуатации автотракторных двигателей.