Особенности технического диагностирования топливной аппаратуры дизельных двигателей

Введение. Своевременное обнаружение повреждений и причин отказов топливной аппаратуры приводит к снижению интенсивности отказов и увеличению времени наработки дизеля на отказ.

В последние годы в связи с форсированием дизелей и задачами, направленными на повышение топливной экономичности, улучшение экологических качеств, и связанной с этим интенсификацией топливоподачи вводится целый комплекс критериев для оценки топливных систем, с точки зрения их энергетических и качественных параметров [1]:

• -    критерий интенсификации впрыскивания;

• -    коэффициент стабильности распыливания топлива, равный отношению среднего давления распыливания топлива к максимальному;

• -    динамический коэффициент подачи, равный отношению средней объемной скорости истечения топлива через сопловые отверстия распылителя к средней объемной скорости вытеснения топлива плунжером топливного насоса, приведенной к продолжительности полного цикла дизеля, с учетом смещения на время распространения импульса по нагнетательному трубопроводу;

• -    коэффициент относительной мощности распыливания топлива к средней эффективной мощности обслуживаемого цилиндра дизеля.

Используемые на практике методы определения технического состояния дизелей [2, 3, 4], как правило, требуют временной остановки автомобиля для частичной разборки узла или агрегата, а любая разборочно-сборочная операция, даже если деталь не ремонтируется, снижает срок службы узла до 15-20 %. Поэтому для определения технического состояния стремятся использовать современные бесконтактные и неразборные методы диагностирования, основанные на анализе выходных параметров, функционально связанных со структурными параметрами. Бесконтактное диагностирование дизелей, являясь подсистемой информации для управления техническим состоянием автомобильного транспорта (АТ), позволит определить повреждения систем и элементов дизеля без разборки до наступления неисправности или отказа [5, 6, 7].

Этим объясняется тот факт, что в настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию новых и совершенствованию известных методов диагностирования топливной аппаратуры дизелей ведущими учеными ГОСНИТИ, МАДИ, 21 НИИАТ и другими научными учреждениями [2, 3, 6, 8, 9, 10].

В то же время вопросы определения технического состояния топливной аппаратуры дизелей АТ без частичной разборки узла или агрегата исследованы недостаточно глубоко. Имеются определенные наработки по определению технического состояния тракторных и комбайновых дизелей [2, 7, 10]. Вместе с тем идентичность процесса топливоподачи автомобильных, танковых и тракторных дизелей позволяет применить некоторые методы и средства диагностики топливной аппаратуры тракторных двигателей к дизелям АТ.

Существующие методы определения технического состояния топливной аппаратуры дизелей [1, 2, 6, 7, 8, 9, 10,] можно разделить по диагностическим показателям и параметрам на три группы:

• -    диагностирование по показателям работы двигателя;

• -    диагностирование по параметрам топливной аппаратуры;

• -    диагностирование по характеристикам работы топливной аппаратуры.

Рассмотрим возможности использования указанных методов диагностики для оценки технического состояния топливной аппаратуры двигателей АТ. Оценка технического состояния системы топливоподачи по основным показателям работы дизеля является наиболее распространенным методом. При контроле технического состояния топливной аппаратуры по показателям работы дизеля оценку производят по косвенным признакам. При этом выявление неисправностей даже опытными механиками более чем в 50 % случаев может быть ошибочным. По данным профессора Н.С. Ждановского [5], субъективным методом (по косвенным признакам) не всегда возможно обнаружить снижение мощности двигателя на 15 – 20 %, а, следовательно, ухудшение технического состояния системы топливоподачи.

По максимальному и минимальному числу оборотов дизеля на холостом ходу контролируют работу регулятора. В то же время холостые обороты двигателя не всегда отражают скоростной режим, удерживаемый регулятором под нагрузкой [2, 7, 11]. Поэтому рекомендуется проверять число оборотов дизеля под нагрузкой. Достоверность субъективного определения технического состояния топливной аппаратуры по дымности выхлопа и по стукам невысока. Среди методов инструментального определения мощностных показателей быстроходного четырехтактного дизеля наиболее приемлемыми являются:

• -    безтормозной метод профессора Н. С. Ждановского [5];

• -    парциальный метод [5, 7];

• -    метод определения мощности дизеля по пробегу [2, 6].

Сущность двух первых методов заключается в том, что двигатель работает с несколькими выключенными цилиндрами. Нагрузка на работающие цилиндры осуществляется за счет механических потерь в выключенных цилиндрах и нагрузочных устройств. По числу оборотов, развиваемых двигателем, определяется мощность работающего цилиндра. Одновременно производят замер расхода топлива работающими цилиндрами. Предложенные методы позволяют определять общее техническое состояние дизеля. Однако оценка состояния топливной аппаратуры по показателям работы дизеля может привести к значительным ошибкам, так как снижение мощности и повышение расхода топлива не всегда бывают вызваны неисправностями топливной аппаратуры [3, 5]. Так, потеря компрессии в цилиндрах двигателя сопровождается увеличением расхода топлива на 4 – 6%. При образовании нагара в камере сгорания или при снижении температуры в системе охлаждения ниже 75 – 85 °С расход топлива увеличивается на 7 – 12 %.

Таким образом, ухудшение показателей работы дизеля может быть вызвано нарушением работы не только топливной аппаратуры, но и других агрегатов и систем двигателя. Поэтому показатели работы дизеля не характеризуют однозначно состояние его топливной аппаратуры и не могут служить диагностическим критерием.

Газоаналитический метод оценки состояния топливной аппаратуры (ТА) по содержанию в отработавших газах дизеля Д-240 рассматривается в работе [12]. По содержанию в отработавших газах сажи и СО 2 оценивается качество процессов смесеобразования и сгорания, и на этой основе предлагается определять техническое состояние топливной аппаратуры.

С введением нормирования выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей охват параметров этим методом диагностирования существенно расширился. Вместе с тем по результатам диагностирования трудно судить о конкретном дефекте в топливоподающих системах и количественных характеристиках параметров технического состояния ТА.

Методика оценки технического состояния топливной аппаратуры по параметрам её работы сводится к определению состояния основных элементов и качества регулировки топливной аппаратуры. Так, например, состояние плунжерной пары оценивают по максимальному давлению впрыска, коэффициенту подачи, количеству подаваемого топлива.

Как известно, процесс топливоподачи в дизеле в значительной мере определяется работой плунжерной пары. Износ плунжерной пары приводит к нарушению процесса топливоподачи: увеличению неравномерности подачи топлива на всех скоростных режимах, и особенно - в режиме пуска двигателя [3, 5].

Потери подачи топлива при износе плунжерной пары на пусковых режимах могут доходить до 70 – 75 %, в отличие от подачи топлива новой плунжерной парой [5]. Неравномерность подачи топлива при номинальном скоростном режиме увеличивается до 10 – 15 %, тогда как у новой плунжерной пары она составляет всего 3 – 5 %. При износе плунжерной пары происходит также заметное изменение продолжительности впрыска и запаздывание начала подачи топлива на малых оборотах. Это приводит к снижению эффективной мощности двигателя на 10 – 12 % и увеличению часового расхода топлива на 5 – 6 %. В целом прогрессирующий износ плунжерной пары существенно меняет закономерность подачи топлива.

Значительное влияние износов плунжерной пары на параметры впрыска и показатели работы дизеля привело к появлению различных методов оценки её технического состояния.

Наиболее распространенным из них является оценка состояния плунжерной пары по максимальному давлению. Впрыск топлива при оценке плунжерной пары может быть произведен в атмосферу или в глухую замкнутую камеру. Первым способом оценивают работу плунжерной пары с помощью максиметра [8, 10]. Основной недостаток этого способа – непригодность его для количественной оценки гидравлической плотности плунжерной пары из-за малой точности прибора, неизбежных утечек топлива через иглу и малого диапазона давления (до 50 МПа).

Для оценки состояния плунжерной пары на двигателе может быть использовано измерение количества топлива, поданного через форсунку, при определенной скорости вращения вала насоса. Этот метод вследствие утечки топлива вдоль направляющей иглы распылителя вносит дополнительную погрешность при малых подачах, из-за большой трудоемкости и сравнительно малой точности он не получил широкого распространения.

Износ плунжерной пары можно оценивать и по коэффициенту подачи как отношению подачи топлива при работе плунжерной пары с форсункой к подаче при работе без нее. Однако этот способ, являясь разновидностью предыдущего метода, имеет те же недостатки.

Таким образом, на основе анализа методов эксплуатационной оценки технического состояния плунжерной пары можно сделать вывод, что существующие способы оценки имеют малую точность и малопроизводительны. Кроме того, они не могут быть использованы для целей диагностики вследствие необходимости значительного количества разборочных работ.

Влияние нагнетательного клапана на характеристики топливной аппаратуры определяется износом разгрузочного пояска, что ухудшает качество отсечки топлива, повышает остаточное давление в трубопроводе и приводит к образованию подвпрыска. Это в значительной мере снижает экономические и мощностные параметры дизеля.

Наиболее распространенным для топливных насосов является контроль состояния клапана по запорному конусу с помощью моментоскопа. Присоединив моментоскоп к штуцеру топливного насоса, в него подают топливо, медленно вращая вал насоса. Если столб топлива падает за время менее двух минут, то нагнетательный клапан признают изношенным [2, 9]. Этот метод позволяет проверить состояние нагнетательного клапана лишь по запорному конусу, но не учитывает состояние разгрузочного пояска.

Как уже отмечалось, важным параметром, характеризующим работу системы топливоподачи, является продолжительность и опережение подачи топлива [5]. В процессе эксплуатации угол опережения впрыска топлива изменяется вследствие износа прецизионных деталей насоса высокого давления и деталей механизма привода вала насоса. Изменение угла опережения впрыска приводит к плохому пуску дизеля, снижению мощности и повышенной дымности отработавших газов [1, 5, 13]. При чрезмерно большом угле опережения впрыска топлива двигатель работает жестко, со стуком.

Большинство методов, предложенных для определения угла опережения и продолжительности впрыска, используются для диагностирования тракторных дизелей. При эксплуатации автомобильных дизелей [3, 8, 6, 14, 15] рекомендуется определять угол опережения подачи топлива по моментоскопу. Прибор присоединяют к штуцеру первой секции топливного насоса. В момент начала движения мениска топлива в трубке проверяют совпадение риски на шкиве коленчатого вала с риской на крышке шестерен распределения. Этот метод определения угла опережения подачи топлива дает удовлетворительные результаты при новой плунжерной паре и новом нагнетательном клапане. Износ этих сопряжений топливного насоса может привести к существенным ошибкам. Вследствие износа нагнетательного клапана и утечки топлива через неплотности запорного конуса или разгружающего пояска мениск топлива в моментоскопе будет двигаться с опережением, а при исправном нагнетательном клапане и износе плунжерной пары - с запаздыванием.

Известны приборы [3, 16], разработанные для определения углов опережения подачи и продолжительности впрыска, использование которых связано с минимальным вмешательством в работу топливной аппаратуры. Общий их принцип в том, что датчик монтируют в трубопровод высокого давления (поршневого типа, язычковый, пластинчатый) либо устанавливают в ответвление трубопровода форсунки.

Неудобство этих методов определения угла начала впрыска заключается в необходимости доступа к маховику или какому-нибудь шкиву двигателя, имеющему угловые метки, по которым стробоскопом делают замеры. Перспективу устранения этого неудобства видят в установке на двигатель импульсного датчика, соответствующего верхней мертвой точке (подобные датчики нашли широкое применение в системах впрыска топлива бензиновых двигателей легковых автомобилей), при сопоставлении сигнала которого с контролируемым импульсом можно определить значение угла опережения впрыска топлива.

Производительность секции насоса высокого давления является одним из важных показателей топливной аппаратуры. Замер расхода топлива может быть произведен со снятием отдельных форсунок диагностируемого дизеля или по эталонной форсунке [3, 7, 8, 14, 17].

Необходимо отметить, что при работе на отдельных цилиндрах трудно добиться работы двигателя на скоростном номинальном режиме и устойчивой работы на малых оборотах. Поочередное снятие и установка форсунок снижает эффективность проверки насоса. Кроме того, результаты замера могут иметь существенные ошибки, так как действительная подача топлива в цилиндр определяется не только производительностью плунжерной пары, но и техническим состоянием форсунки. Поэтому при эталонной форсунке контрольная подача топлива может значительно отличаться от подачи фактической. По данным [10], неисправности форсунок составляют до 60 % от общего числа неисправностей дизеля. Неисправности форсунок приводят к падению мощности двигателя, повышению расхода топлива, ухудшению устойчивости работы на малых оборотах и повышению дымности отработавших газов.

Наиболее распространенный метод контроля технического состояния форсунки, применяемый в ремонтных подразделениях, заключается в определении давления начала подъема её иглы [18]. Однако для наиболее полной оценки состояния форсунки необходимо определение и таких параметров, как качество распыла, гидравлическая плотность и характер отсечки топлива. Поскольку форсунка при проверке давления впрыска снимается с двигателя, рекомендуется одновременно с контролем давления произвести оценку качества распыла топлива (визуально).

Над совершенствованием этого метода успешно работают в ГОСНИТИ. Разработан прибор КИ-35460 для испытания и регулировки форсунок автотракторных дизелей, в конструкции которого используется электронный способ определения качества распыливания форсунок на основе оптоэлектронного измерителя и фотодатчика [8, 10, 19, 20]. Однако при снятии форсунки условия её работы изменяются, оценка качества распыливания принимает чисто условный характер.

Более удобными являются приборы, позволяющие определить давление начала впрыска без снятия форсунки. Приборы подключаются к испытуемой секции насоса последовательно. По показателям этих приборов возможен также контроль максимального давления, развиваемого плунжерной парой. К недостаткам этих приборов следует отнести ограниченное число контролируемых параметров.

Выводы: Проведя анализ методов контроля технического состояния топливной аппаратуры выявлено, что: 1. основной недостаток методов диагностирования топливной аппаратуры с помощью механических средств – неизбежное вмешательство в нормальную эксплуатацию (работоспособность) системы питания. Помимо этого, производимая частичная разборка отрицательно сказывается на работоспособности топливной аппаратуры;              2. большинство методов контроля разрабатывалось применительно к тракторным двигателям. Установка приборов на топливную аппаратуру дизелей многоцелевых гусеничных и колесных машин технологически неудобна, так как необходим значительный объем разборочно-сборочных работ; 3. методы контроля направлены на определение отдельных параметров, поэтому для комплексной оценки технического состояния топливной аппаратуры необходимо применять одновременно несколько приборов и приспособлений.

В связи с перечисленными причинами требуется новый подход к определению технического состояния топливной аппаратуры высокого давления дизелей. Таким методом может быть контроль технического состояния ТАВД по волновым явлениям в топливных трубопроводах высокого давления дизелей [1, 21].

The specific character of a variety of agricultural operations, tractor units (TU) is characterized by the fact that 90% of the total time of the power unit of the TU, as a rule, diesel, are working on unsteady modes. Load fluctuations caused by the constant variation of traction and the overall resistance of TU, lead to a change in parameters of the engine work, including the process of fuel supply, which are determined by the size of the cyclic supply of high pressure fuel pumps (pump).

Taking the geopolitical situation and the possible increase in economic sanctions against our country into consideration, we can safely say that in the near foreseeable future, the classic version of the fuel equipment will remain the main split type to be installed on diesel engines of domestic production. Therefore, increasing the stability of this type of fuel equipment of high pressure (common rail) to improve the performance of a diesel engine in operation is an actual task.

The efficiency of a diesel engine is largely influenced by the technical condition of the fuel equipment of high pressure and disruptions to its separate elements result in lower power and economic indicators of diesel.

It is necessary to estimate the technical condition quickly to ensure maintenance in proper operation.

Resolution problems providing sound, focused and systematic diagnosis of the common rail during the operation to assess the nature and extent of the influence of the technical state of the elements in the common rail diesel engine performance.

Solution of complex and multifaceted problem of quality control of fuel equipment of high pressure during operation depends on the efficiency of the engine diagnostic system as a whole.