Оперативный контроль мощностных показателей дизельных двигателей с топливной системой типа Common Rail

К настоящему времени около половины себестоимости продукции растениеводства в АПК приходится на энергозатраты при ее производстве и дальнейшем транспортировании. В сельскохозяйственном производстве основным источником энергии стали дизельные двигатели (далее дизели), устанавливаемые на автомобили, тракторы, комбайны и многие стационарные агрегаты. По топливной экономичности, надежности, экологичности они существенно превосходят бензиновые двигатели [1–4]. Проблема снижения энергоемкости сельскохозяйственного производства может решаться дальнейшим повышением работоспособности и топливной экономичности дизелей.

Количество потребляемого дизелями топлива зависит от их технического 194

состояния, ухудшающегося по мере эксплуатации. Это состояние диагностируется и восстанавливается при техническом обслуживании и ремонте [5–7]. Техническое состояние дизелей диагностируют по результатам их испытаний в условиях мастерских с использованием сложных тормозных стендов. Обусловленная этим необходимость выполнения большого объема демонтажных, транспортных и монтажных работ затрудняет своевременное восстановление их технического состояния.

В процессе эксплуатации не могут применяться сложные тормозные устройства. Их диагностируют с использованием трудно и субъективно определяемых косвенных параметров технического состояния – мощности и расхода топлива. Дизели, «показавшиеся» по этим параметрам изношенными, направляются на ремонт, а уже в мастерских выявляется, что многие из них и не нуждаются в нем – восстанавливаются регулировкой их отдельных механизмов и систем, причем в большинстве случаев их топливной аппаратуры (ТА). Однако из-за отсутствия применимых в условиях эксплуатации простых регулировочных стендов ТА приходится снимать с дизеля и везти в мастерские, что существенно повышает сроки и стоимость ремонта, вследствие чего на практике данная операция проводится крайне редко.

Обзор литературы

На основе анализа работ И. И. Габитова, Л. В. Грехова, А. В. Гриценко, С. Н. Де-вянина, Н. С. Ждановского, С. Н. Кривцова, В. М. Михлина, С. Н. Ольшевского, Б. Н. Файнлейба и промышленных образцов заводов НЗТА, ЯЗТА, Robert Bosch, Denso, Delphi выявлен ряд эффективных методов определения технического состояния ТА и в целом дизелей.

Авторами установлено, что существующие методы, средства и технологии точной оперативной оценки технического состояния дизелей и их ТА не получили широкого использования. Это связано с тем, что детально не проанализирована зависимость технического состояния дизелей от особенностей функционирования их топливных систем.

Применимый в условиях эксплуатации успешным оказался предложенный Башкирским ГАУ метод оперативного диагностирования и регулирования ТА, заключающийся в использовании самого дизеля в качестве регулировочного стенда при его работе без нагрузки на номинальной частоте вращения с пропуском впрысков топлива в отдельные цилиндры для обеспечения номинальной цикловой подачи топлива в других цилиндрах [2]. Особенностью метода [8; 9] является возможность по результатам регулирования ТА определить механический КПД дизеля, представляющий собой отношение эффективной мощности к индикаторной, который можно определить по одному из следующих выражений:

₌ N e. ₌    N e   ₌ N i - N _М

N  Ne + N м    Ni  ’ где Ni (ем) - мощности индикаторная (i), эффективная (е) и механических потерь (м).

Механический КПД показывает, какая доля вырабатываемой дизелем индикаторной мощности используется для совершения полезной работы. У современных четырехтактных дизелей механический КПД доходит до 0,70-0,88 (0,70-0,80 в дизелях без наддува и 0,78–0,88 – с наддувом) [2]. Зависит он не только от внутренних механических потерь ( N м ), но и от внутренних тепловых ( N _i ) потерь энергии дизеля. Отсюда следует, что для повышения точности определения механического КПД дизелей следует предварительно тщательно отрегулировать все его системы и механизмы, особенно топливную систему, работа которой наиболее явно влияет на индикаторную мощность. При этом выбор типа системы топливоподачи (непосредственного или аккумуляторного) по-своему влияет на выбор того или иного метода диагностирования [10–15].

Материалы и методы

Разработанный в Башкирском ГАУ метод оперативной оценки механического КПД двигателя внутреннего сгорания успешно прошел испытания на дизелях с ТА непосредственного действия [16; 17]. Особенностью метода является то, что механический КПД определяется как отношение количества впрысков пропущенных на холостом ходу и полных впрысков на номинальном режиме работы дизеля

Л _м -      - - ,          (2)

X X где y и z и х — числа впрысков, реализованных (y = х — z) и пропущенных на холостом ходу и полных впрысков на номинальном режиме работы дизеля.

Из приведенного выражения получается, что механический КПД вычисляется по расходам топлива. Это оказывается возможным благодаря тому, что в предложенном методе реализована возможность работы двигателя без нагрузки с имитацией номинального режима работы, т. е. максимальной подачи топлива в часть цилиндров. Количество впрысков на номинальном режиме работы дизеля определяется расчетно, а на холостом ходу – экспериментально. Техническое состояние дизеля тем лучше, чем меньше количество впрысков на холостом ходу.

Для определения количества работающих цилиндров дизеля на холостом ходу предложено следующее выражение:

ippx = ( 1 "  П M ) • i , ⁽³⁾

где i – общее число цилиндров дизеля; i _рхх – число работающих цилиндров для обеспечения номинальной частоты вращения без нагрузки.

Для четырехтактных дизелей и встречающихся на практике значений механического КПД (0,70 ‒ 0,88) по выражению (3) можно определить количество цилиндров, необходимое для обеспечения номинальной частоты вращения без нагрузки. Расчетные данные приведены в таблице 1.

Как видно, количество работающих цилиндров не является целым числом – в данном случае целые числа соответствуют цилиндрам, работающим без пропуска впрысков, а доли – части впрысков цилиндра, работающего с пропуском впрысков. Получается, что независимо от количества цилиндров у двигателя с частичным пропуском впрысков работает только один, т. е. устройство пропуска впрысков устанавливается только на одну секцию ТА. Само устройство представляет из себя электронно управляемый перепускной клапан, встраиваемый в топливопровод высокого давления, выполненный на основе клапанного узла фирмы Denso [18].

Необходимая для регулирования ТА номинальная частота вращения обеспечивается пропуском впрысков в работающие цилиндры. Секции ТА неработающих цилиндров регулируются при работе их с впрыском топлива в камеру с противодавлением, аналогичным цилиндровому при впрыске топлива. После этого отрегулированные секции ТА устанавливаются на свои места, а секции работавших цилиндров снимаются для регулирования и операции повторяются. Определенный по выражению (2) механический КПД при первом этапе характеризует техническое состояние дизеля до регулировки ТА, а при втором – его состояние после регулировки. Разница между ними показывает влияние регулировки ТА на показатели работы дизеля.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Зависимость числа работающих цилиндров iрхх четырехтактных дизелей от их общего количества i и механического КПД η _м

Dependence of the number of operating cylinders iрхх of four-stroke diesel engines on their total number i and mechanical efficiency η _м

Механический КПД η м / Mechanical efficiency η м	Число цилиндров / Number of cylinders
	общее i / general i	1	2	4	6	8

0^,70            работающих без нагрузки i_рхх /   0^,30    0^,60    1^,20    1^,80    2^,40

0,88                  ^{working at idling i} рхх         0,12    0,24    0,48    0,72    0,96

Доказано, что точность определения механического КПД возрастает при регулировании ТА с впрыскиванием топлива в камеру с противодавлением (КПВ), меняющимся аналогично таковому в цилиндре дизеля [19–21].

Результаты исследования

В дизелях с аккумуляторной электронно управляемой ТА функцию устройства пропуска впрысков можно возложить на электронный блок управления (ЭБУ) ТА дизеля. При этом на точность определения механического КПД двигателя могут повлиять следующие особенности ЭБУ:

• - параметры топливоподачи, в частности цикловые подачи топлива, корректируются по техническому состоянию цилиндров, определяемому по сигналам датчика мгновенной частоты вращения коленчатого вала [22; 23];

  – давление впрыскивания топлива существенно выше, чем у ТА непосредственного действия, и влияние противодавления будет незначительно, как следствие, специальная КПВ может не применяться.

Для проверки этих гипотез были проведены исследования на четырехцилиндровом дизеле D4EA 2,0 автомобиля Hyundai Tuscon с аккумуляторной ТА типа Common Rail (фирмы Bosch). Номинальная мощность дизеля 110,3 кВт (при частоте вращения 3800 мин–1), степень сжатия – 17,7, диаметр цилиндра и ход поршня – 83 мм и 92 мм соответственно.

Система топливоподачи опытного дизеля была дополнена электронным блоком 11 (рис. 1), встроенным между форсункой и штатным ЭБУ 12. Основным элементом его является контроллер STM32F407G-DISC1, пропускающий впрыски, разрывом линии передачи сигналов ЭБУ к форсунке.

Алгоритм программы управления дополнительного электронного блока пропуска впрысков приведен на рисунке 2 [24].

Максимально возможная корректировочная доза цикловой подачи топлива, принятой для исследований ТА фирмы Bosch, равна 4 мм3/цикл. Для определения откорректированных значений цикловой подачи использовался диагностический сканер 20 (рис. 1) марки Bosch KTS 540. В ходе экспериментов выявилось, что данный сканер может определять параметры топли-воподачи только до частоты вращения 1450 мин–1 коленчатого вала (табл. 2); при большей частоте он не успевает считывать и обновлять информацию. С учетом этого дальнейшие исследования проводились без диагностического сканера.

Количество пропускаемых впрысков на холостом ходу определялось при номинальной частоте вращения и полной подаче топлива. Дизель запускался и прогревался при работе на всех цилиндрах (рис. 3). После прогрева три цилиндра отключались (отключением управляющего кабеля форсунок), а номинальная частота вращения устанавливалась пропуском впрысков топлива (через блок 1).

На рисунке 4 условными осциллограммами изображен процесс работы секции ТА с пропуском четырех впрысков из пяти.

Номинальная частота вращения на холостом ходу достигалась при работе на одном цилиндре с 475 пропусками впрысков в него и полным отключением трех цилиндров. Механический КПД при этом составил

η _м = (1 900 ∙ 3 + 475) / 7 600= 0,813.

Влияние корректировки цикловой подачи на механический КПД определялось расчетным путем по часовому расходу топлива при работе дизеля на холостом ходу с номинальными частотой вращения и цикловой подачей топлива. Часовой расход топлива составил G чхх = 4,4 кг/ч.

Р и с. 1. Опытная система топливоподачи типа Common Rail: 1 и 6 – топливный бак и фильтр;

• 2 и 5 – линии низкого и высокого давления; 3 – топливный насос высокого давления;

• 4 – насос подкачки; 7 – ограничитель давления; 8 – топливная рампа;

• 9    и 19 – датчики давления топлива и наддува воздуха; 10 – электронно управляемая форсунка;

11 – электронный блок пропуска впрысков топлива; 12 – ЭБУ; 13, 14 и 15 – датчики положения педали подачи топлива и коленчатого и распределительного валов дизеля;

• 16, 17 и 18 – датчики скорости и температуры топлива и охлаждающей жидкости;

20 – диагностический сканер

F i g. 1. Experimental Common Rail type fuel supply system: 1 and 6 – fuel tank and filter;

• 2 and 5 – lines of low and high pressure; 3 – high pressure fuel pump; 4 – boost pump;

• 7 – pressure limiter; 8 – fuel rail; 9 and 19 – fuel pressure and boost air pressure sensors;

• 10    – electronically controlled nozzle; 11 – electronic block for skipping fuel injections; 12 – ECU;

• 13 , 14 and 15 – sensors for the position of the fuel supply pedal and the crankshaft and camshaft of the diesel engine; 16, 17 and 18 – speed and temperature sensors for fuel and coolant;

• 20 – diagnostic scanner

  

Инициализация портов ввода и вывода / Port initialization input and output

Считывание информации no количеству проходящих сигналов в единицу времени / Reading information by quantity passing signals per unit of time

Определение частоты вращения и вывод на экран /

Determination of rotational speed and output on display

I

Считывание информации с клавиатуры и вывод на экран /

Reading information from the keyboard and output on display

Реализация пропуска впрысков топлива / Implementation of skipping fuel injections

Р и с. 2. Алгоритм программы управления блока пропуска впрысков F i g. 2. Algorithm of the control program of the injection skip

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Корректировочные значения цикловых подач при различной частоте вращения коленчатого вала

Correction values of cyclic supply at different crankshaft speeds

Номер цилиндра / Cylinder number	Корректирующий объем топлива, мм3/цикл при частоте вращения / Corrective fuel volume, mm3/cycle at rotational speed
	720 мин–1 (холостой ход) / 720 min–1 (idling)	1000 мин–1 / 1000 min-1	1450 мин–1 / 1450 min–1
1	0,07	–0,21	–0,26
2	–0,60	–0,52	–0,59
3	0,26	0,52	0,55
4	0,29	–0,23	–0,20

1       2 3

Р и с. 3. Вид дизеля с установленным в него электронным блоком для диагностики его технического состояния и топливной системы: 1 - электронный блок;

• 2,    3 и 4 - разъемы питания, входного и выходного сигналов;

• 5 – электроуправляемая форсунка, работающая с пропуском впрысков топлива

F i g. 3. Type of diesel engine with an electronic unit installed in it for diagnosing its technical condition and fuel system: 1 - electronic unit;

• 2 , 3 and 4 - connectors for power supply, input and output signals;

• 5    – electrically controlled nozzle, working with skipping fuel injections

  
  
  

Р и с. 4. Условные осциллограммы сигналов, направляемых ЭБУ к форсунке и не пропущенных встроенным электронным блоком (не заштрихованные столбики) и пропущенных (сплошные заштрихованные): 1 ‒ 5 – порядковые номера впрысков

F i g. 4. Conditional oscillograms of signals sent by the ECU to the injector and not passed by the built-in electronic unit (unshaded bars) and missed (solid shaded): 1 ‒ 5 – sequence numbers of injections

Этому расходу соответствует откорректированная цикловая подача

g ц.н

G™   • 10 9 =

60 • у • р

4,4

60 • ( I 900 - 475 ) • 830

• 10⁹ =

62,0 мм3/цикл,

где ρ – плотность топлива, кг/м³.

200

Поскольку некорректированная величина цикловой подачи была меньше на 4 мм3/цикл, т. е. составляла 58 мм3/цикл, то количество реализованных впрысков при работе без корректировки оказалось бы

7 = --- G ™<-- 10 ⁹

⁶⁰ ' g ц.н ' Р

4,4

60 ■ 58 ■ 830

■ 10⁹

= 1 523.

При этом количество пропущенных впрысков было бы z = х — Y =

= 7 600 – 1 523=6 077, а механический КПД составил бы η _м = 6 077/7 600 = 0,800.

Получается, что при определении механического КПД без учета корректировки цикловой подачи погрешность составила

А =

0,813 - 0,800

0,813

• 100 = 1,6 %.

Это указывает на то, что механический КПД, в принципе, может определяться и без учета коррекции, вносимой ЭБУ.

Эксплуатационные показатели работы ТА и дизелей, определенные по итогам регулирования ТА предложенным методом, приведены в таблице 3.

Экспериментально было установлено, что предложенным методом можно определять также техническое состояние отдельных цилиндров, чередуя отключенные и работающие цилиндры.

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Эксплуатационные параметры работы электронно управляемой аккумуляторной ТА и дизелей

Operating parameters of electronically controlled storage fuel equipment and diesel engines

№

Наименование параметра / Parameter name

Обозначение / Designation

Единица измерения / Unit of measurement

Выражение (метод) для определения / Expression (method) to define

Результаты испытаний / Test results

Итоги регулирования ТА / Results of regulation of fuel equipment

Количество впрысков / Number of shots: 1 на номинальном режиме / in nominal mode χ n∙i∙τ (расчетный или экспериментальный) / n • i • т (calculated or experimental) 7 600 на холостом ходу / at idle γ (экспериментальный) / (experimental) 1 425 пропущенных на холостом ходу / z χ – γ 6 175 missed at idle

Эксплуатационные параметры работы дизелей /

Operating parameters of diesel engines
2	Часовая производительность ТА (подача топлива) / Hourly productivity of fuel equipment (fuel supply)	G ч	кг/ч	60 • д ц * • x • P *	23,47
3	Мощность, соответствующая часовой подаче топлива / Power corresponding to the hourly fuel supply	N Т	кВт	708,6 ∙ gц ∙ χ ∙ ρ	277,1
4	Механический КПД / Mechanical efficiency Примечание :* gц – м3; ρ – Note : * gц – m 3; ρ – kg/m3.	ηм кг/м3.		z /χ	0,813

Обсуждение и заключение

Предложенный оперативный метод определения механического КПД для дизелей с топливной аппаратурой непосредственного действия успешно может применяться и для диагностики дизелей с аккумуляторными электронно управляемыми системами топливо-подачи с тем отличием, что в данном случае не требуется использования

Том 33, № 2. 2023

камер с противодавлением, а функция устройства пропуска впрысков возлагается на разработанный блок, пропускающий впрыски разрывом сигнальной линии от ЭБУ к форсунке. Практикуемая при этих системах корректировка (увеличение) цикловой подачи по мере износа дизеля незначительно снижает механический КПД и может не учитываться.

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.