Диагностика форсунок

4.  Диагностика форсунок

Под системой технического диагностирования понимается совокупность средств технического диагностирования и, при необходимости, исполнителей, состояние и прогнозировоние ресурса безотказной работы объекта и выдача рекомендаций для устранения неисправностей.

По связи с объектом контроля системы диагностирования разделяются на следующие:

встроенные, в которых средства диагностирования постоянно связаны с объектом контроля;

приставные, когда средства контроля периодически подключаются к объекту;

специальные, которые не имеют непосредственной связи с объектом.

В зависимости от того, как подается управляющее воздействие на объект контроля, система диагностирования разделяется на:

функциональные, в которых состояние объекта контролируется в рабочем режиме. При этом никакие воздействия на объект со стороны средств диагностироввания не подаются. Эти системы решают как задачи проверки, так и задачи поиска неисправностей;

тестовые, в которых состояние объекта проверяется тогда, когда объект не функционирует. Этот вид диагностирования предусматривает подачу тестовых воздействий на объект от средств диагностирования.

По назначению различают системы диагностирования для:

проверки неисправности;

проверки работоспособности;

проверки функционирования;

поиска дефектов.

Функциональное или тестовое воздействие, подаваемое на объект, а так же совокупность признаков или параметров, образующих ответную реакцию объекта, составляют одну элементарную проверку состояния объекта диагностирования. Состав и порядок проведения таких элементарных проверок и правила анализа их результатов определяются алгоритмом технического диагностирования.

Поскольку в условиях эксплуатации получить большое количество информации крайне затруднительно, то основной задачей технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации. Алгоритмы распознавания часто основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов. При этом главной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений.

Решение диагностической задачи (отнесение объекта к исправному или неисправному) всегда связано определенным риском пропустить неисправный объект и забраковать годный. Поэтому для принятия обоснованного решения чаще всего привлекают методы теории статистических решений.

Алгоритм диагностирования успешно реализуется только в том случае, если проверяемая техническая система обладает свойством контролеспособности, т.е. обеспечивает достоверную оценку ее технического состояния и раннее обнаружение неисправностей и отказов.

Под контролеспособностью тепловоза понимают приспособленность его к диагностическим операциям, обеспечивающим в заданных условиях необходимую достоверность диагностирования при минимальных затратах труда, времени и средств. Контролепригодность – это составная часть эксплуатационной технологичности тепловозов и диагностического обеспечения их производства, эксплуатации и ремонта.

Таким образом, техническая диагностика характеризуется двумя взаимопроникающими и взаимосвязанными направлениями: теорией распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания содержит разделы, связанные с построением алгоритмов распознавания, решающих правил и диагностических моделей. Теория контролеспособности включает разработку средств и методов получения диагностической информации, автоматизированный контроль и поиск неисправностей.

Одним из наиболее важных и сложных элементов дизеля, в значительной степени определяющих его технико-экономические и эксплуатационные показатели, является топливная аппаратура. при работе на дизеле топливная аппаратура должна обеспечивать:

впрыскивание под высоким давлением точно дозированного количества топлива за цикл в соответствии с нагрузочным и скоростным режимами работы дизеля в строго определенный момент, скоординированный с положением поршня, и по заданному закону теплоподачи.

В период эксплуатации ввиду изнашивания прецизионных поверхностей топливных насосов высокого давления и форсунок в топливной аппаратуре происходят следующие изменения:

уменьшается цикловая подача топлива в цилиндр дизеля;

уменьшается давление впрыскивания и угол опережения подачи топлива;

увеличивается продолжительность впрыскивания топлива в цилиндр дизеля;

повышается неравномерность подачи топлива по цилиндрам.

Таким образом, зазор между прецизионными деталями топливной аппаратуры, изменяющийся в результате изнашивания в период эксплуатации, является структурным параметром, характеризующим запас их работоспособности. Фазы, продолжительность впрыскивания и интенсивность нарастания давления могут служить диагностическими параметрами по оцене их технического состояния.

Такие изменения в работе топливной аппаратуры вызывают увеличенный расход топлива, токсичность и дымность отработанных газов. Поэтому техническая диагностика топливной аппаратуры и современная ее регулировка имеют особо важное значение для повышения работоспособности и экономичности дизеля в период его эксплуатации.

В качестве диагностических параметров, характеризующих работоспособность топливной аппаратуры, необходимо выбрать такие, которые достаточно тесно связаны со структурными, т. к. любое изменение технического состояния элементов топливной аппаратуры отражается на величине диагностического параметра.

О степени работоспособности аппаратуры можно судить по структурным диагностическим параметрам, приведенным в табл. .

Таблица 4

Связь структурных и диагностических параметров

Структурные параметры	Диагностические параметры
Износ деталей топливоподкачивающего насоса	Давление топлива перед фильтром тонкой очистки
Загрязненность фильтрующих элементов	Перепад давления до и после фильтра тонкой очистки
Объемный расход топлива	Расход топлива отдельными секциями
Износ плунжерной пары	Длительность нарастания и волны давления в насосе и коэффициент подачи топлива по отдельным секциям износа
Износ сопряжения: разгружающий поясок - гнездо клапана	Остаточное давление в нагнетательном трубопроводе
Продолжительность впрыскивания топлива	Перемещение иглы распылителя форсунки
Износ распылителя и регулировка силы затяжки пружины форсунки	Давление топлива под иглой (давление впрыскивания)

Одной из основных характеристик, определяющих технико-экономические показатели, является зависимость изменения давления газа в цилиндрах дизеля в процессе сгорания топлива и газообмена от угла поворота коленчатого вала. Качество процесса сгорания топлива обычно оценивают по величине амплитудно-фазовых параметров на отдельных этапах, а также величиной среднего индикаторного давления. Характер протекания процесса сгорания и индикаторная мощность дизеля в значительной степени зависят от закона подачи и качества распыления топлива. При этом продолжительность и давление впрыскивания имеют доминирующее значение. Последние зависят от точности проведения регулировочных операций, а также от технического состояния отдельных деталей топливной аппаратуры.

Таким образом, качество протекания процесса впрыскивания и техническое состояние деталей топливной аппаратуры могут быть оценены по таким параметрам, как угол опережения подачи топлива и продолжительность впрыскивания, максимальное и среднее значение впрыскивания, фактор динамичности цикла, равный отношению количества топлива, подаваемого в цилиндры дизеля за период задержки самовоспламенения к цикловой подаче топлива и др. Эти параметры в условиях эксплуатации колеблются в весьма широких пределах, иногда значительно превышающих допустимые значения, поэтому их нужно периодически проверять и при необходимости регулировать.

Рассмотрим влияние параметров процесса впрыскивания топлива на процесс сгорания с помощью развернутой по времени (углу поворота коленчатого вала φ⁰_п.к.в. ) индикаторной диаграммы и давления газов Р_ц в рабочем цилиндре и совмещенных с ней зависимостей давления топлива в насосе Р_н , в камера под иглой форсунки и хода иглы распределителя h_и . Точка О соответствует моменту начала повышения давления в над плунжерной полости топливного насоса высокого давления (момент перекрытия всасывающего окна гильзы верхней кромкой плунжера), т. е. геометрическому началу подачи топлива. Точка I соответствует началу повышения давления в под игольной полости распылителя форсунки.

Точка 2 соответствует началу подъема иглы форсунки, т. е. действительному началу впрыскивания топлива в цилиндр при давлении в под игольной полости форсунки Р_{0. ф.}.

Точка 3 соответствует положению поршня в верхней мертвой точке.

В точке 4 произошла отсечка топлива, т. е. начало открытия отсечного окна гильзы отсечной кромкой плунжера.

В точке 5 начинается посадка иглы форсунки при давлении в под игольной полости Р_{з. ф.} .

В точке 6 игла форсунки садится на седло и заканчивается процесс впрыскивания топлива в цилиндр продолжительностью φ _д.п. (продолжительность действия подачи).

Под впрыскивание (дополнительное впрыскивание φ _доп. ) возможно за счет отраженной волны давления топлива после посадки иглы распылителя.

Из диаграмм видно, что действительные фазы характеристики впрыскивания отличаются от геометрических за счет сжимаемости топлива и упругости топливопровода, гидродинамических колебаний в топливопроводе высокого давления, дросселирования при всасывании и перепуске и др.

Геометрический угол опережения подачи топлива соответствует периоду от точки 2 (начало подъема иглы форсунки) до ВМТ поршня (точка 3).

При настройке топливной аппаратуры на стендах регулируют геометрический угол опережения подачи топлива насосом высокого давления и давление начала подъема иглы форсунки Р_{0. ф.} .

Наиболее слабым звеном топливоподающих систем дизелей являются форсунки. В период эксплуатации встречаются следующие дефекты форсунок: изменение затяжки пружины (в основном в сторону снижения против установленных норм); изменение эффективного проходного сечения распыливающих отверстий распылителя (в сторону уменьшения за счет закоксовывания и увеличения за счет изнашивания); износ запорных конусов иглы и корпуса распылителя, что приводит к увеличению подъема иглы и подтеканию топлива в период между впрыскиваниями; увеличение зазора между прецизионными поверхностями распылителя, что приводит к уменьшению цикловой подачи, давления впрыскивания и угла опережения подачи, а также к увеличению продолжительности впрыскивания. Закоксовывание сопловых поверхностей распылителя и уменьшение величины затяжки форсунки являются наиболее частыми причинами отказов форсунок. Поэтому проверка работоспособности форсунок выполняется на каждом техническом обслуживании тепловозов ТО-3.

Практика эксплуатации показывает, что работоспособность распылителя определяется величиной износа его прецизионных поверхностей, а также потерей герметичности уплотняющего конуса. В результате износа опорной торцевой поверхности иглы и просадки, вызванной износом уплотнительного конуса, величина подъема иглы в процессе эксплуатации увеличивается и может превысить допустимый предел. Ход иглы распылителя является одним из параметров, определяющих техническое состояние форсунки.

Диагностирование топливной аппаратуры можно выполнить следующими методами:

1)  анализом параметров процесса впрыскивания топлива по осциллограммам;

2)  виброакустическим методом;

3)  по параметрам отработавших газов.

При диагностировании топливной аппаратуры по осциллограммам процесса впрыскивания выделяются характерные участки. Постановка диагноза в этом случае производится на основании сравнения критериев, заранее определенных для исправных элементов комплекта топливной аппаратуры, с критериями, установленными для контролируемого комплекта. В качестве выходных параметров используются, как правило, величины, доступные и удобные для измерения – давление топлива и продолжительность впрыскивания. Простейший способ – анализ изменения давления путем постановки простейших устройств с датчиками давления в разрыв линии нагнетания. При анализе осциллограммы давления на ней выделяются характерные участки (рис. ).

Участок 1 характеризует давление в нагнетательном трубопроводе перед началом подачи топлива. Постоянство данного давления на установившихся режимах работы дизеля свидетельствует о том, что нагнетательный клапан и игла распылителя работают нормально. Участок 2 показывает начало подачи топлива насосом (геометрическое начало подачи в момент перекрытия всасывающего окна гильзы верхней кромкой плунжера). Участок 3 – момент открытия нагнетательного клапана и начало формирования волны давления от насоса к форсунке. На участке 4 происходит падение давления в результате подъема иглы форсунки. На участке 5 давление топлива продолжает увеличиваться за счет продолжающегося нагнетательного хода плунжера и достигает максимума Р_max . На участке 6 давление падает после отсечки (открытие отсечного окна гильзы отсечной кромкой плунжера). На участке 7 давление несколько возрастает в результате посадки иглы распылителя. Участок 8 – момент закрытия нагнетательного клапана насоса (разъединение топливопровода высокого давления от надплунжерной полости), и за счет отсасывающего действия клапана происходит резкое падение давления до Р_ост. . На участке 9 происходят затухающие колебания давления под действием отраженных волн от концов нагнетательного трубопровода.

По осциллограммам протекания давления топливоподачи и по их расположению относительно отметки ВТМ можно обнаружить большинство неисправностей топливной аппаратуры.

Как правило, датчики состоят из чувствительного элемента и промежуточных преобразователей. По принципу действия в зависимости от используемого преобразователя датчики можно условно разделить на две группы: параметрические и генераторные.

Параметрические датчики преобразуют неэлектрические величины (например, давление) в параметр электрическое цепи: сопротивление, емкость, индуктивность и др. Для работы этих датчиков требуется дополнительный источник питания. Для диагностики элементов топливоподающих систем применяются следующие типы параметрических датчиков: контактные, которые под действием струи топлива вырабатывают дискретный сигнал, свидетельствующий о моменте начала подачи топлива и окончании процесса впрыскивания; магнитоупругие, основанные на свойстве изменения индуктивности в зависимости от механического напряжения ферромагнитного сердечника; фоторезисторные, в которых изменение сопротивления фотоэлементов происходит в зависимости от их освещенности; емкостные, работающие на свойстве изменения емкости в зависимости от упругих деформаций чувствительного элемента; тензометрические, основанные на изменении сопротивления проводника под воздействием различных деформаций.

К числу генераторных датчиков можно отнести индукционные и пьезоэлектрические.

Перспективным направлением безразборной диагностики топливной аппаратуры тепловозных дизелей является виброакустическая диагностика. Преобразование механических колебаний в электрические осуществляется с помощью вибродатчика, устанавливаемого на корпусе форсунки или топливного насоса посредством присоски или зажима. Сигнал о начале впрыскивания топлива в цилиндр поступает при ударе иглы об ограничитель ее подъема, а о конце – при ее ударе по запорному конусу при посадке. Период времени (угол поворота коленчатого вала) между этими ударами характеризует продолжительность впрыскивания топлива в цилиндр дизеля. Вибродатчик также фиксирует момент подъема и посадки нагнетательного клапана. Анализируя осциллограммы вибраций корпусов топливного насоса и форсунки, можно также определить давление впрыскивания топлива в цилиндр. Недостатками этого способа является чувствительность датчиков к качеству их крепления и необходимость использования сложной измерительной аппаратуры, способной устранять помехи, вносимые работающим дизелем, соизмеримые по амплитуде с полезным сигналом. Однако указанные недостатки в некоторой степени компенсируются простотой и удобством замера выходных параметров.

При диагностировании топливной аппаратуры по параметрам отработавших газов следует учитывать, что химический состав, температура и цвет отработавших газов зависят не только от состояния и регулировки топливной аппаратуры, но также и от качества сгорания топлива в цилиндре, неисправности системы воздухоснабжения и газообмена и, кроме того, от технического состояния цилиндропоршневой группы. В связи с этим по параметрам отработавших газов можно проводить лишь косвенную оценку работы топливной аппаратуры дизеля.

В последнее время для диагностирования топливной аппаратуры дизелей применяют автоматизированные комплексы на базе электронно-вычислительной техники. Исходной информацией служат сигналы от датчика верхней мёртвой точки ДВМТ нижнего поршня первого цилиндра и от датчиков подъёма иглы форсунки ДПИФ, установленных вместо сливных трубок. Сигнал от ДВМТ проходит через модуль ввода инициативных сигналов МВИС, поступает на вход процессора СМ-1П и служит сигналом запуска ЭВМ и опорным сигналом для определения угла опережения подачи топлива. Сигналы от ДПИФ через усилитель, бесконтактный коммутатор КБ и аналого-цифровой преобразователь АЦП поступают в процессор и далее записываются в оперативной ОЗУ или внешней ВЗУ памяти. Датчики подключаются к усилителю через контактные модули кодового управления МКУК, которые в свою очередь управляются от процессора через бесконтактный модуль МКУБ.

Для изменения частоты вращения коленчатого вала с помощью ЭВМ или включения и выключения группы топливных насосов процессор вырабатывает сигналы управления согласно алгоритму диагностирования и подаёт их через МКУБ и МКУК на электромагниты МР1-МР4 регулятора частоты вращения и электропневматические вентили ВП6 и ВП9. Результаты обработки полученной информации выдаются на устройство быстрой печати УБП в виде таблиц или знакосинтезирующее устройство печати УПЗ в виде графиков.

Состояние форсунки определяют по расшифровке комплексного сигнала в ДПИФ, который несёт в себе такую информацию как максимальный ход иглы, начальное давление впрыска, состояние отверстий сопла распылителя, затем сравнивают эти данные с эталонными. По результатам анализа технического состояния и сравнения выбраковывают неисправные форсунки и выдают рекомендации на ремонтные работы.

Управление процессом диагностирования выполняется по программе в автоматическом режиме с пульта оператора. В качестве ДВМТ используется индукционный датчик, устанавливаемый на указательной стрелке градуировочного диска валопроворотного механизма дизеля. Датчик подъёма иглы форсунки дифференциальный, индуктивный с линейной зависимостью хода сердечника от амплитуды выходного сигнала. Чувствительность датчика 5В на 1мм хода иглы форсунки, а погрешность измерения угла опережения подачи топлива 0,2 на 15-й и 0,08 на 0-й позициях контроллера машиниста.

Безразборное диагностирование. Угол опережения подачи топлива измеряют стробоскопом (используются виброакустические сигналы от форсунки) и используя стенд А-1926 (ПКБ ЦТ МПС). Однако все эти методы требуют обслуживающего персонала в дизельном помещении при работающем дизеле, что не совсем удобно.

Диагностирование топливной аппаратуры всегда связано с измерением действительного угла опережения подачи топлива поэтому система дополняется датчиком определения верхней мёртвой точки. Для уменьшения числа вибропреобразователей и повышение уровня автоматизации процесса диагностирования можно использовать в качестве контролируемой поверхности топливной аппаратуры наружную поверхность нагнетательного трубопровода. При таком способе контроля давление топлива в трубопроводе преобразуется в деформацию трубопровода. Виброускорение его наружной поверхности пьезокварцевым акселерометром преобразуется в электрический сигнал, который поступает в устройства обработки информации. Данные устройства контроля топливной аппаратуры используются в составе системы диагностировавния “Иртыш”, внедрённой в ряде локомотивных депо.

Заключение

При выполнении данной курсовой работы я получил обширный круг знаний по ремонту форсунок дизелей типа Д49, что в дальнейшем будет иметь большое значение при работе в локомотивном депо.

Список использованных источников

1.  Скепский В. П., Какоткин В. З. Основы ремонта тепловозов. Методические указания. – М.; МИИТ, 1997.

2.  Скепский В. П. Топливная аппаратура тепловозных дизелей. Учебное пособие. – М.; МИИТ. – 1990. – 123 с.

3.  Пойда А. А. и др. Тепловозы. Механическое оборудование. Устройство и ремонт: Учебник для техникумов, школ, учебное пособие для СПТУ. – М.: Транспорт, 1986. – 328 с.

4.  Находкин В. М., Черпашенец Р. Г. Технология ремонта тягового подвижного состава. – М.: Транспорт, 1998. 461 с.

5.  Скепский В. П., Пузанков А. Д., Аникиев И. П. Диагностика тепловозов: Учебное пособие. – М.: МИИТ. – 1993. – 108 с.

6.  Бервинов . Диагностика тепловозов.

7.  Инструкция ЦТ-468.

8.  Инструкция 1А-9ДГ 18РЭ.