Анализ научно-исследовательских работ по надежности систем ДВС показывает, что общее количество отказов системы питания составляет – 18–30 % [1, 2, 3, 4, 5]. Разработка новых методов и средств диагностирования системы топливоподачи должна быть направлена на обеспечение дифференциации величины параметров функционирования механизмов систем в зависимости от изменчивости условий и режимов эксплуатации машин, стабильности величин технических параметров в пространстве.
Целью настоящей работы является повышение эффективности процесса диагностирования электромагнитных форсунок по изменению качественного состава топливной смеси.
Теоретические исследования
Рассмотрим процесс изменения пропускной способности форсунки во времени в соответствии с электрическим импульсом, подаваемым на форсунку блоком управления [2].
Изменение пропускной способности ЭМФ μf бензинового ДВС во времени t, с, под действием электромагнитного импульса U, В, на всех трех этапах работы ЭМФ представлено на рис. 1.
Общий расход топлива за цикл работы форсунки на трех этапах ее работы определяется:
Рис. 1. Изменение пропускной способности ЭМФ μf, м2, бензинового ДВС во времени t, с, под действием электромагнитного импульса U, В: t1 – время открытия иглы ЭМФ, с; tИМП – время действия электромагнитного импульса, с; t2 – время полного открытия иглы ЭМФ, с; t3 – время закрытия (опускания) иглы ЭМФ, с; I этап – увеличение пропускной способности ЭМФ; II этап – постоянство пропускной способности ЭМФ; III этап – уменьшение пропускной способности ЭМФ
(1)
где μ1, μ2, μ3 – коэффициенты расхода ЭМФ на трех этапах; fср1, f2, fср3 – средняя площадь сечения распылителя ЭМФ на трех этапах, м2; ΔР – разность давления топлива в рампе и впускном коллекторе, H/м2; ρ – плотность топлива, кг/м3.
Во время эксплуатации ЭМФ происходит изменение цикловой подачи топлива за счет изменения параметров на I, II и III этапах ее работы. Проанализируем уравнение (1). Средняя пропускная способность I этапа меньше пропускной способности на II этапе, потому что величина подъема запорной иглы на II этапе максимальна. Поэтому расход топлива за первый и второй этапы работы форсунки с ростом времени t1 по причине изменения технического состояния элементов форсунки уменьшается, и с уменьшением времени t1 увеличивается (2):
(2)
Подача топлива на III этапе связана с техническим состоянием форсунки. Суммарное время работы форсунки на I и II этапе равняется времени импульса, задаваемого электронным блоком управления двигателя. На продолжительность III этапа работы форсунки электронный блок управления двигателем не оказывает никакого влияния. Поэтому подача топлива на этом этапе неуправляема, чем больше время III этапа, тем больше топлива подается за этот неуправляемый этап. Следовательно, III этап может только увеличивать цикловую подачу топлива [2, 3].
Очевидно, что контроль пропускной способности ЭМФ необходимо вести как минимум на двух режимах работы двигателя при малых и больших подачах топлива: при 25 % открытия дроссельной заслонки для оценки изменений пропускной способности, вызванных изменением времени (открытия, закрытия) ЭМФ; при 70 % открытия дроссельной заслонки для определения изменения пропускной способности ЭМФ при полном под нятии иглы [2].
При изменении сопротивления топливного фильтра будет ограничена подача ЭБН. При этом максимально возможная частота вращения коленчатого вала ДВС уменьшится. Для оценки сопротивления топливного фильтра можно записать
(3)
где nmax p – максимальная частота вращения диагностируемого ДВС, мин–1; nmax н – максимальная частота вращения эталонного ДВС, мин–1.
Однако неисправности – значительное сопротивление топливного фильтра и уменьшение подачи ЭБН – проявляются одинаково. Для их разделения предлагается измерять ток питания ЭБН. В этом случае можно записать условие для топливного фильтра:
при Iр >> Iн, (4)
где Iр – ток питания диагностируемого ЭБН, А; Iн – ток питания нового ЭБН, А.
По мере роста сопротивления топливного фильтра ток питания ЭБН будет пропорционально возрастать, данный диагностический параметр при условии (4) является чувствительным диагностическим параметром оценки технического состояния топливного фильтра.
При чистом фильтре условие (4) примет вид
при Iр = Iн. (5)
Ток примет значение тока для работы нового ЭБН, это говорит о том, что причиной снижения частоты вращения является износ ЭБН.
Методика исследований
Для проведения экспериментальных исследований необходимо было подготовить форсунки с предельно допустимой пропускной способностью и эталонной пропускной способностью [2]. За эталонную форсунку была выбрана новая форсунка, параметры которой соответствовали нормативно-технической документации завода изготовителя BOSCH 0 280 150 711 – производительностью 192 см3/мин. Выходные параметры форсунки проверялись на диагностическом стенде «Форсаж» [2, 3].
Изменения пропускной способности форсунок представлены в таблице.
Параметры пропускной способности форсунки
|
Пропускная способность форсунки |
Значение |
|
|
см3/мин |
% |
|
|
Предельно увеличенная |
203 |
+6 |
|
Увеличенная |
197 |
+3 |
|
Эталонная |
192 |
0 |
|
Уменьшенная |
186 |
–3 |
|
Предельно уменьшенная |
180 |
–6 |
Результаты экспериментальных исследований
Экспериментальное исследование изменения пропускной способности ЭМФ проводилось при условиях [2, 3]: диагностический режим при частоте вращения коленчатого вала ДВС n = 2300 мин–1; загрузка одного работающего цилиндра осуществлялась мощностью механических потерь трех других (2-й, 3-й, 4-й цилиндры выключены); первый цилиндр работает при открытии дроссельной заслонки на 25 %.
По полученным экспериментальным данным была построена зависимость изменения частоты вращения коленчатого вала ДВС n, мин–1 от пропускной способности ЭМФ μf, % на режиме открытия дроссельной заслонки 25 % (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость изменения частоты вращения коленчатого вала ДВС n, мин–1, от пропускной способности ЭМФ μf, % на режиме открытия дроссельной заслонки 25 %
Экспериментальное исследование изменения пропускной способности ЭМФ проводилось при условиях [2, 3]: диагностический режим при частоте вращения коленчатого вала ДВС n = 2900 мин–1; загрузка одного работающего цилиндра осуществлялась мощностью механических потерь трех других (2-й, 3-й, 4-й цилиндры выключены); первый цилиндр работает при открытии дроссельной заслонки на 70 %.
По полученным экспериментальным данным была построена зависимость изменения частоты вращения коленчатого вала ДВС n, мин–1, от пропускной способности ЭМФ μf, % на режиме открытия дроссельной заслонки 70 % (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость изменения частоты вращения коленчатого вала ДВС n, мин–1, от пропускной способности ЭМФ μf, % на режиме открытия дроссельной заслонки 70 %
а б в
Рис. 4. Характеристики работы электрического бензинового насоса на холостом ходу работы ДВС: а – зависимость напряжения U, В от величины тока питания насоса I, А; б – зависимость давления Р, кПа, создаваемого насосом от величины тока питания насоса I, А; в – зависимость давления Р, кПа, создаваемого насосом от величины напряжения питания насоса I, А
Кроме того, для эталонного ЭБН были сняты различные характеристики на холостом ходу работы ДВС (рис. 4).
Из зависимости, приведенной на рис. 4, а, видно, что при изменении величины напряжения питания насоса от 15 до 8 В его ток питания изменяется в пределах от 3,5 до 2,65 А. Из рис. 4, б видно, что при изменении величины тока питания насоса от 2,65 до 1,5 А давление в топливной рампе изменяется в пределах от 250 до 60 кПа. Из рис. 4, в видно, что при изменении величины напряжения питания насоса от 8 до 3,5 В давление в топливной рампе изменяется в пределах от 250 до 60 кПа.
Возникающие неисправности ЭБН, форсунок, топливных фильтров приводят к нарушению характеристик, приведенных на рис. 4. Так, при забивании топливного фильтра зависимости на рис. 4, б и в при тех же значениях тока и напряжения питания дают несколько меньшую величину давления в топливной рампе. В то же время ток питания насоса возрастает, т.к. насос работает на дополнительное сопротивление в линии нагнетания.
При износе самого насоса при тех же значениях тока и напряжения питания зависимости на рис. 4, б и в дают несколько меньшую величину давления в топливной рампе. В то же время ток питания насоса не меняется или немного снижается, т.к. насос работает с утечками при меньшем противодавлении в линии нагнетания.
Выводы
Анализ научно-исследовательских работ по надежности систем ДВС показывает, что общее количество отказов системы питания составляет – 18–30 %. Разработан новый метод диагностирования системы топливоподачи, основанный на контроле выходных характеристик системы топливоподачи. Возникающие неисправности ЭБН, форсунок, топливных фильтров приводят к нарушению характеристик, приведенных на рис. 4. Так, при забивании топливного фильтра зависимости на рис. 4, б и в при тех же значениях тока и напряжения питания дают несколько меньшую величину давления в топливной рампе. В то же время ток питания насоса возрастает, т.к. насос работает на дополнительное сопротивление в линии нагнетания. При износе самого насоса при тех же значениях тока и напряжения питания зависимости на рис. 4, б и в дают несколько меньшую величину давления в топливной рампе. В то же время ток питания насоса не меняется или немного снижается, т.к. насос работает с утечками при меньшем противодавлении в линии нагнетания.
Рецензенты:Машрабов Н.М., д.т.н., профессор кафедры «Технология и организация технического сервиса», Челябинская государственная агроинженерная академия, г. Челябинск;
Ерофеев В.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедры «Технология и организация технического сервиса», Челябинская государственная агроинженерная академия, г. Челябинск.
Работа поступила в редакцию 28.11.2014.