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

Полный текст

Введение

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 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. Девянина, 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:

 

 ${\eta }_{М}=\frac{N_e}{N_i}=\frac{N_e}{N_e+N_{М}}=\frac{N_i-N_{М}}{N_i}$  (1)

где N_i (е,м) – 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

 

${\eta }_{М}=\frac{\chi -\gamma }{\chi }=\frac{z}{\chi }$                (2)

где γ и z и χ – числа впрысков, реализованных (γ = χ – 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:

  $i_{ppx}=\left(1-{\eta }_{М}\right)\cdot i$               (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.

 

Таблица  1 Зависимость числа работающих цилиндров i_рхх четырехтактных дизелей
от их общего количества i и механического КПД η_м

 

Table  1 Dependence of the number of operating cylinders i_рхх of four-stroke diesel engines
on their total number i and mechanical efficiency η_м

Механический КПД ηм / Mechanical efficiency ηм	Число цилиндров / Number of cylinders
	общее i / general i	1	2	4	6	8
0,70	работающих без нагрузки iрхх / working at idling iрхх	0,30	0,60	1,20	1,80	2,40
0,88		0,12	0,24	0,48	0,72	0,96

 

 

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.

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.

 

 

Рис. 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

 

Fig. 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

 

 

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

 

 

 

Рис. 2. Алгоритм программы управления блока пропуска впрысков

Fig. 2. Algorithm of the control program of the injection skip

 

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 топливоподачи 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.

 

Таблица  2  Корректировочные значения цикловых подач при различной частоте вращения
коленчатого вала

 

Table  2  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

 

 

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).

 

 

Рис. 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

Fig. 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

 

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

 

 

Рис. 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

Fig. 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

 

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.
Этому расходу соответствует откорректированная цикловая подача

 

  $\begin{array}{c}{g}_{Ц,Н}=\frac{G_{ЧХХ}}{60\cdot \gamma \cdot \rho }\cdot {10}^9=\\ \frac{\mathrm{4,4}}{60\cdot \left(1900-475\right)\cdot 830}\cdot {10}^9=\\ \mathrm{62,0}М{М}^3\text{/ЦИКЛ}\end{array}$  (7)

где ρ – плотность топлива, кг/м³.

 

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

 

$\gamma =\frac{G_{ЧХХ}}{60\cdot g_{Ц,Н}\cdot \rho }\cdot {10}^9=\frac{\mathrm{4,4}}{60\cdot 58\cdot 830}\cdot {10}^9=1523.$

 

При этом количество пропущенных впрысков было бы z = χ – γ = 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

 

$\Delta =\frac{\mathrm{0,813}-\mathrm{0,800}}{\mathrm{0,813}}\cdot 100=\mathrm{1,6}\%.$

 

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.

 

Таблица  3 Эксплуатационные параметры работы электронно
управляемой аккумуляторной ТА и дизелей

 

Table  3 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
1	Количество впрысков / Number of shots:
	на номинальном режиме / in nominal mode	χ		n∙i∙τ (расчетный или экспериментальный) / n∙i∙τ (calculated or experimental)	7 600
	на холостом ходу / at idle	γ		(экспериментальный) / (experimental)	1 425
	пропущенных на холостом ходу / missed at idle	z		χ – γ	6 175
Эксплуатационные параметры работы дизелей / Operating parameters of diesel engines
2	Часовая производительность ТА (подача топлива) / Hourly productivity of fuel equipment (fuel supply)	Gч	кг/ч	60 ∙ gц* ∙ χ ∙ ρ*	23,47
3	Мощность, соответствующая часовой подаче топлива / Power corresponding to the hourly fuel supply	NТ	кВт	708,6 ∙ gц ∙ χ ∙ ρ	277,1
4	Механический КПД / Mechanical efficiency	ηм		z/χ	0,813

 

Примечание:* g_ц – м³; ρ – кг/м³.

Note: * g_ц – m³; ρ – kg/m³.

 

 

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

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 топливоподачи с тем отличием, что в данном случае не требуется использования 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

Андрей Владимирович Неговора

Башкирский государственный аграрный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: negira@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-5133-7602

доктор технических наук, профессор кафедры мобильных
энергетических и транспортных средств

Россия, 450001,г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34

Филюс Раисович Сафин

Башкирский государственный аграрный университет

Email: fils02@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2228-3278

кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения
и автоматизации технологических процессов

Россия, 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34

Радик Минниханович Баширов

Башкирский государственный аграрный университет

Email: basharov@mail.ru

член-корреспондент Академии наук Республики Башкортостан, доктор технических наук, профессор

Россия, 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34

Сергей Кимович Корабельников

Академия транспортных технологий

Email: negira@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-5262-1357

доктор технических наук, доцент

Россия, (192102, г. Санкт-Петербург, ул. Салова, д. 63

Николай Виктрович Раков

Национальный исследовательский Мордовский государственный университет

Email: nikolaymgu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3687-9371

кандидат технических наук, доцент

Россия, 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68

Список литературы

Дополнительные файлы