Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1 Особенности технической эксплуатации аккумуляторных топливоподающих систем сельскохозяйственных в условиях России 7
1.2 Эксплуатационные показатели аккумуляторных топливоподающих систем 10
1.3 Структурные и диагностические параметры аккумуляторных топливоподающих систем 16
1.4 Методы и средства диагностирования аккумуляторных топливоподающих систем 20
1.5 Цель и задачи исследования 33
2 Расчетно-теоретический анализ процесса работы инжектора с учетом эксплуатационного износа 35
2.1 Информационная модель функционирования инжектора 35
2.2 Выбор структурных и диагностических параметров 37
2.3 Результаты расчетно-теоретических исследований влияния структурных параметров на показатели работы инжектора 41
3 Методика проведения экспериментов 56
3.1 Экспериментальное оборудование 56
3.2 Измерительное оборудование, аппаратура и датчики 58
3.3 Обработка экспериментальных данных, оценка погрешностей измерений 64
4 Экспериментальные исследования рабочего процесса инжекторов 69
4.1 Влияние структурных параметров инжекторов на их диагностические параметры 69
4.2 Оценка технологических режимов работы инжекторов 79
5 Разработка диагностического стенда для инжекторов аккумуляторных топливоподающих систем 83
5.1 Применение средств и систем диагностирования 83
5.2 Стенд для диагностирования инжекторов и выбор его компонентов. 85
5.3 Технология диагностирования инжекторов с использованием предложенного стенда 89
6 Оценка экономической эффективности 94
Выводы 96
Библиографический Список 98
Приложения 109
- Эксплуатационные показатели аккумуляторных топливоподающих систем
- Выбор структурных и диагностических параметров
- Измерительное оборудование, аппаратура и датчики
- Оценка технологических режимов работы инжекторов
Введение к работе
Актуальность работы. Дизельные двигатели являются основным источником энергии для современной автотракторной и сельскохозяйственной техники. С конца 90-х годов для соответствия экологическим нормам выбросов вредных веществ с отработавшими газами, они в большинстве случаев, оснащены аккумуляторной топливоподающей системой (ТПС) типа Common Rail, основным элементом которой является электрогидроуправ-ляемый инжектор (форсунка).
В настоящее время заявленный ресурс работы инжектора дизельного двигателя составляет около 100 000 км пробега или 2500 мото-часов. Однако в эксплуатации наблюдаются более частые его отказы, что приводит к вынужденным простоям автотракторной и сельскохозяйственной техники.
В связи с небольшим сроком производства аккумуляторных ТПС фирмы-изготовители еще не разработали подробную технологию и средства для диагностирования инжекторов и прогнозирования остаточного ресурса их работы. Согласно имеющимся рекомендациям при испытании введены допус-ковые значения только для новых инжекторов по двум параметрам: цикловой подаче и расходу на управление. При несоответствии данным значениям инжектор подлежит замене, т.е. согласно заводской технологии ремонт не предусмотрен. В технологии диагностирования не прописаны процедуры выявления конкретной неисправности инжектора, а средства, которые используются при этом, не рассчитаны на его поэлементное исследование.
В этой связи научные исследования, направленные на разработку новых эффективных средств диагностирования инжекторов дизельных двигателей представляются актуальными и практически значимыми.
Цель работы. Повышение эффективности диагностирования инжекторов автотракторных и комбайновых дизелей путем разработки метода и средств их испытания с возможностью уточненного диагноза и прогнозирования остаточного ресурса. Объект исследований. Электрогидроуправляемый инжектор аккумуляторных топливоподающих систем автотракторных и комбайновых дизелей.
Предмет исследования. Процесс подачи топлива инжектором аккумуляторной топливоподающей системы дизельного двигателя.
Научная новизна. Получены теоретические зависимости, описывающие влияние конструктивных параметров запорного клапана инжектора на показатели его работы и ресурс. Установлены функциональные зависимости диагностических параметров инжектора от фактического состояния его конструктивных элементов. Предложены новые эффективные средства диагностирования инжекторов аккумуляторных топливоподающих систем дизелей, позволяющие при нарушении его работы выявить конкретные, вышедшие из строя элементы инжектора.
Практическая ценность. Получены конкретные поля допусков отклонения конструктивных и регулировочных параметров инжектора сельскохозяйственного дизеля Д-245.9 (ЕВРО-3) в процессе эксплуатации. Разработаны программный продукт и автоматизированный диагностический модуль, позволяющие при некачественной работе инжектора путем математической обработки полученных диагностических данных при его испытании не только выявить его конкретный неисправный элемент, что снижает трудоемкость ремонта ТПС, но и спрогнозировать остаточный ресурс работы инжектора для предотвращения возможных отказов техники в период сельскохозяйственных работ. Новизна предложенных технических разработок подтверждена патентом РФ на изобретение № 2388929.
Связь с планами научных исследований и производством. Отдельные разделы диссертационной работы выполнены в соответствии с федеральной программой исследований ГНУ ГОСНИТИ «Программа фундаментального и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2006...2010 гг.» (№09.03.03.02 Разработка технологии и информационно-измерительного комплекса для диагностирования топливной аппаратуры и дизельного двигателя отечественной и импортной сельскохозяйственной техники) и тематическим планом НИОКР ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ» по теме «Совершенствование технологий и средств техобслуживания и диагностирования современной автотракторной и мобильной техники» (ГР№01201058945).
Внедрение результатов исследования. Результаты исследований внедрены в Представительстве фирм Bosch и Denso ООО «Башдизель» г.Уфа, дилере фирмы Volkswagen ООО «Премьера-центр» (г.Тольятти), а также используются в учебном и научно-исследовательском процессах ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ.
Апробация. Основные положения исследования обсуждались на международных научно-практических конференциях и семинарах Башкирском ГАУ (2007...2010гг.), Челябинском ГАУ (2007...2008гг.), Санкт-Петербургском ГАУ (2007...2010 гг.), Московском ГАУ (2008...2009гг.), ГНУ ГОСНИТИ (2007... 2009 гг.), Московском ГТУ им Н.Э.Баумана (2008, 2010гг.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований, из них 13 на иностранном языке, изложена на 109 страницах, включая 50 рисунков, 14 таблиц и 4 приложений.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе одна публикация в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент РФ на изобретение № 2388929.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- теоретические зависимости, описывающие влияние конструктивных параметров запорного клапана инжектора на показатели его работы и ресурс;
- рекомендации по допусковым значениям структурных параметров инжектора аккумуляторной топливоподающей системы дизеля Д-245.9 (ЕВРО-3), обоснованные расчетно-численными и экспериментальными исследованиями;
- новые средства диагностирования инжекторов с прогнозированием остаточного ресурса их работы.
Эксплуатационные показатели аккумуляторных топливоподающих систем
Топливная аппаратура является одним из основных элементов дизеля и в значительной степени предопределяет его мощностные и экономические показатели, долговечность и надежность, токсичность отработавших газов.
Существенное ухудшение мощностных и топливно-экономических показателей дизелей объясняется в первую очередь изменением технического состояния элементов топливоподающих систем и параметров топливоподачи и в меньшей степени зависит от износа двигателя. Так, проведенная исследователями [75] стендовая проверка двигателей 8413/14 после длительной эксплуатации показала, что мощность и топливная экономичность понижена, а дымность ОГ повышена. При установке на двигатели контрольных комплектов ТА максимальное снижение мощности (по сравнению с новым двигателем) составило 5%, а увеличение удельного расхода топлива - не более 4% [73]. После регулировки ТА мощностные показатели дизелей были, как правило, не хуже, чем при работе с контрольной. При этом даже у двигателей с нормально отрегулированной ТА и большим износом деталей цилиндропоршневой группы не отмечалось падения мощностных и экономических показателей более чем на 5%.
В современных условиях аккумуляторная ТПС должна обеспечить выполнение следующих функций [9,32,66,81,94,107,110,125,132,133]: - выбор режимов работы дизеля в соответствии с заданными условиями эксплуатации (при выполнении различных видов сельскохозяйственных работ в различных природно-климатических условиях), что достигается пу тем гибкого регулирования цикловой подачей, угла опережения впрыска топлива и др. параметрами топливоподачи при высоких показателях экономичности, мощности и шумности работы, величины выбросов вредных веществ с ОГ, надежности пуска, коэффициента приспособляемости, соблюдение ограничений по давлению в цилиндре, жесткости сгорания, тепловым нагрузкам, температуры газов перед турбиной; - обеспечение стабильности конструктивно-регулировочных параметров агрегатов в течение определенного периода эксплуатации; - полное использование ресурса предупредительно восстанавливаемых объектов путем оперативного диагностирования текущего технического состояния и прогнозирования элементов и параметров работы АТПС, компенсации выбывших из строя его элементов резервными программами и ДР-Качество работы ТПС в процессе эксплуатации определяется стабильностью конструктивно-регулировочных параметров и процесса топливоподачи и оценивается равномерностью цикловой подачи, идентичностью продолжительности впрыскивания, закона подачи, угла опережения впрыскивания и др. Стабильность конструктивно-регулировочных параметров и параметры топливоподачи определяются техническим состоянием узлов и агрегатов ТПС.
ТПС тракторного дизеля должна обеспечить подачу топлива за короткий промежуток времени (0,001...0,01 с) точно дозированных относительно малых порций топлива (10...200 см ), в заданный период рабочего цикла в цилиндры дизеля в соответствии с порядком их работы под высоким (130 МПа и более) давлением, изменяющимся по определенному закону, причем стабильность основных показателей процесса топливоподачи от цикла к циклу должна быть достаточно высокой.
Одним из важных показателей топливоподачи является цикловая подача, которая представляет объем или весовое количество топлива подаваемого в цилиндр двигателя за один впрыск.
В соответствии с ГОСТІ 0578-96 отклонение часовой или средней цикловой подачи на номинальной частоте вращения его вала или частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту при регулировании на стенде, для автотракторных дизелей не должно выходить за пределы ±1,5%. Анализ технологических карт (тест-планов) диагностирования инжекторов аккумуляторных ТПС показал, что у большинства производителей ТПС допуски на среднецикловые подачи на режиме максимального крутящего момента и номинальном режиме составляют, соответственно, не более ±3% и ±2 %.
Важнейшим параметром процесса топливоподачи наряду с цикловой подачей топлива является угол опережения впрыскивания топлива. Он показывает (в градусах поворота коленчатого вала двигателя) положение поршня относительно ВМТ в момент начала впрыскивания.
Опережение впрыскивания определяет продолжительность и расположение участка сгорания относительно ВМТ поршня и, как следствие, величину удельного эффективного расхода топлива, динамические показатели процесса сгорания. Оптимальная величина 0 (в град. п.к.в.) зависит, кроме конструктивных особенностей двигателя, и от режима его работы. Т.е. каждому режиму работы соответствует свое оптимальное с точки зрения топливной экономичности значение 0.
Выбор структурных и диагностических параметров
В качестве объекта исследования был выбран инжектор двигателя Д-245.9 (ЕВРО-3), который устанавливается на тракторе МТЗ-82.1, широко распространенном в АПК России. Инжектор имеет наиболее традиционное конструктивное исполнение, вследствие чего результаты и методики исследования могут быть интерпретированы для других мотелей инжекторов.
Для выявления всех конструктивных и эксплуатационных факторов, влияющих на рабочий процесс инжектора была произведена его полная разборка и проанализирована каждая его деталь - назначение, принцип работы и рабочие поверхности. Например, управляющий поршень (шток) инжектора управляет процессом открытия и закрытия иглы распылителя. По ходу работы инжектора, когда запорный клапан находится в закрытом положении, давление топлива в надплунжерной полости воздействует на верхний торец поршня, а его нижний конец при этом, упираясь в хвостовик иглы распылителя, препятствует впрыскиванию топлива через распыливающие отверстия. При открытии клапана надплунжерная полость разгружается и воздействием давления топлива в подыгольнои полости распылителя происходит подъем иглы распылителя и, соответственно, впрыск топлива.
Структурными параметрами, определяющими рабочий процесс управляющего поршня, являются прецизионное сопряжение «плунжер клапан», характеризующееся гидроплотностью, обеспечивающей стабильность высокого давления в надплунжерной полости, и длина управляющего поршня, определяющая объем надплунжерной полости.
Аналогичным образом были рассмотрены и другие детали.
За структурные параметры были приняты те, которые самопроизвольно изменяются в процессе эксплуатации или корректируются путем регулировки при техническом обслуживании топливной системы. Например, гидроплотность плунжера (уменьшается из-за износа) или ход якоря (регулируется при помощи дистанционных шайб). К диагностическим параметрам были отнесены показатели, которые возможно измерить без разборки инжектора. Например, давление у входного штуцера (измеряется при помощи датчика давления) или цикловая подача (оценивается расходомером стенда).
Поэлементный анализ конструкции инжектора фирмы Bosch дизеля Д-245.9 (ЕВРО-3) позволил описать 21 структурных и 6 диагностических параметров (рисунок 2.2).
Были установлены способы оценки состояния каждого из структурных параметров - они могут быть определены непосредственно на двигателе (V), на стендах (X) или после разборки (О), соответственно, при этом рассматривалось, необходим ли при этом демонтаж и монтаж инжектора (W) или можно обойтись без данных операций (Т). Изменение каждого из структурных параметров возможно производить путем замены деталей (3), их восстановления (В) или соответствующей регулировкой (Р).
Следующим шагом исследования предполагается оценить влияние изменения каждого из структурных параметров инжектора на его диагностические показатели. При этом рассматривались процессы, происходящие внутри инжектора. Была составлена схема взаимовлияния данных параметров, которая показана на рисунке 2.3.
Анализ полученной схемы показал, что воздействовать на диагностические параметры инжектора легче всего через изменение структурных параметров запорного клапана, т.к. параметры его работы в большей мере определяют расход на управление, цикловую подачу, продолжительность впрыскивания и другие диагностические показатели, большинство из которых проверяется при дефектовке инжекторов по заводской технологии. Важно отметить, что запорный клапан наиболее просто регулируется.
В этой связи можно сказать, что структурные параметры, относящиеся к запорному клапану инжектора, представляются наиболее значимыми и явно влияющими на его диагностические параметры. Это указывает на необходимость более подробного исследования рабочего процесса запорного клапана инжектора.
Измерительное оборудование, аппаратура и датчики
Для уточнения полученных экспериментальных исследований, безмоторные испытания проводились по ГОСТ 8670-82 и ISO 9002 согласно тест-планам с использованием специализированного стенда для регулировки и испытаний дизельной ТА EPS 815 с безмензурочной электронной измерительной системой КМА 802 фирмы Bosch с комплектом дооснашения CRI для испытания форсунок Common Rail.
Стенд имеет водяное охлаждение, что позволяет регулировать температуру технологической жидкости на входе в ТНВД. После соответствующего доукомплектования стенд позволяет проводить регул ировоч но-настроечные работы всего спектра многообразия ТНВД, производимых фирмой Bosch, а также некоторых топливных насосов других производителей. Характеристики стенда приведены в таблице 3.1.
Электронная система вместо измерительных мензурок работает с модулем обслуживания КМА 802, а также с расчетным и экранным модулями. Все 3 модуля объединены в единый блок 6 (рисунок 3.6), устанавливаемый на испытательном стенде EPS 815.
Регулирующий поршень подсоединяется параллельно ко входу и выходу шестеренчатого подкачивающего насоса. Если производительность насоса одинакова с величиной цикловой подачи технологической жидкости через стендовые форсунки, поршень находится в среднем положении. Если жидкости течет больше, поршень сдвигается влево, а если меньше - вправо. Таблица 3.1 Характеристики контрольно-испытательного стенда EPS 815 с измерительной системой КМА 802
При смещении поршня большее или меньшее количество света от светодиода попадает на фотоэлемент. Электронный блок измеряет эти отклонения, измеряя затем частоту вращения вала насоса таким образом, что производительность насоса опять становится равной расходу жидкости через форсунки. Регулирующий поршень снова передвигается в среднее положение. Величину цикловой подачи топлива можно очень точно определить по частоте вращения вала насоса.
В испытательном стенде имеются две измерительные ячейки. Компьютер соединяет по очереди все проверяемые секции ТНВД в двух группах с этими измерительными ячейками.
Применение безмензурочной электронной измерительной системой КМА 802 позволяет исключить погрешности осаждения топлива и слива, градуировки мерных емкостей при измерении цикловой подачи, визуального считывания уровня топлива, а также исключить влияние на процесс измерения субъективного человеческого фактора.
В случае использования измерительной системы КМА 802 измерение цикловой подачи топлива происходит много быстрее, т.е. в процессе одного измерения можно считать температуру топлива внутри ТНВД постоянной. Использование электронной измерительной системы позволяет исключить влияние температуры топлива на процесс измерения цикловой подачи. Данная электронная измерительная система обладает также и рядом других преимуществ, таких как: - быстрота измерения и высокая точность цикловой подачи (единицы измерения цикловой подачи см3/1000 циклов при этом не изменяются); - наглядное представление результатов измерений в цифровом и графическом виде; - распечатка протокола испытаний.
Регистрация мгновенных значений давления топлива в ЛВД производилась тензометрическими преобразователями МД-10 V ТУ 4212-163-00227459-98 (рисунок 3.7).
Оценка технологических режимов работы инжекторов
Следующим этапом работы является анализ состояния каждого диагностического параметра при выходе из допуска структурного при разных режимах работы дизеля (номинальный, пуска и холостого хода). Если отклонение диагностического параметра не выходит за пределы допускаемых отклонений, то данный диагностический параметр на данном режиме по отношению к данному структурному параметру не информативен «-» . Если отклонение выше допустимого, причем так, что увеличение значения
По результатам таблиц можно проследить конкретную неисправность инжектора, т.е. при выходе из допуска диагностического параметра в ту или иную сторону можно выявить, какой структурный параметр вышел из допустимого предела отклонения от заданного значения и требует корректировки путем регулировки или замены. Например, увеличение расхода на управление может быть вызвано увеличением утечек через уплотнительную шайбу или уменьшением усилия пружины якоря.
Выводы по четвертой главе. 1. Путем экспериментальных исследований были откорректированы и подтверждены с теоретическими значения допусковых отклонений структурных параметров и выявлена их взаимосвязь с диагностическими параметрами. 2. Впервые получена таблица неисправностей для разных режимов работы дизеля (номинального, пуска, холостого хода. Использование полученной таблицы неисправностей позволяет на основе данных, полученных в ходе безразборного диагностирования инжектора выявить его конкретный неисправный элемент.
Процесс совершенствования конструкций ТПС выдвигает высокие требования к используемому при испытаниях оборудованию, которое должно обеспечивать достоверность и высокую точность замеряемых параметров, быстроту измерения и удобство анализа полученной информации. Экспериментальные исследования циклических, высоко динамичных процессов, происходящих в топливной аппаратуре дизелей, охватывают широкий спектр измеряемых величин (давление, расход топлива, линейные перемещения и ряд других параметров). В этой связи, система отбора и обработки информации должна быть универсальной и обеспечивать измерение одновременно нескольких параметров. Оценка потенциальных возможностей и область применения измерительных средств и систем приведена на рисунке 5.1
Наиболее целесообразным является преобразование всех измеряемых величин в аналогово-электрический сигнал с последующим цифрованием и дальнейшего анализа в цифровом виде. В процессах диагностирования состояние элементов инжектора может использоваться разработанный измерительный комплекс.
В предложенной установке процесс топливоподачи, а в частности, величины цикловой подачи, расхода на управление, давления топлива на входе, величину силы тока импульса, давления впрыскивания непосредственно определяются датчиками, в которых значения измерения преобразуется в электрический аналоговый сигнал. Современные электронные датчики обладают высокой стабильностью параметров и долговечностью.
Функции АЦП, в соответствии с требованиями к исследоваемому процессу определения измеряемых величин, предоставляется следующими: - оценка измеряемых величин в строго определенный момент времени; - преобразование информации к виду, удобному для ввода в ПК; - передача полученной информации по каналам связи к ПК.
АЦП должен обладать высокой точностью измерений и достаточно большим быстродействием. Последнее объясняется тем, что на проведение измерения величин уделяется не более 0.035мс.
Применение АЦП и ПК в составе единой измерительной системы и определение ПК в качестве основного и управляющего звена над всеми процессами измерения и обработки информации на основе специализированной программы позволяет автоматизировать и значительно ускорить процессы измерения и обработки полученных данных. Такой подход позволяет использовать широкие возможности ПК для статического анализа, математической обработки и хранения информации.
