автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Диагностирование электромагнитных форсунок бензиновых двигателей автомобилей, эксплуатируемых в сельском хозяйстве

На правах рукописи

005051840

БАКАЙКИН Дмитрий Дмитриевич

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ФОРСУНОК БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 АПРШ

Челябинск-2013

005051840

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация автотранспорта и производственное обучение» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агро-инженерная академия».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Михайлов Юрий Егорович

Официальные оппоненты: Плаксип Алексей Михайлович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Эксплуатация машинно-тракторного парка» ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия»

Редреев Григорий Васильевич,

кандидат технических наук, доцент, заведующий кофедрой «Инженерная графика и механика» ФГБОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет имени П. А. Столыпина»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный

аграрный университет»

Защита состоится «26» апреля 2013 г., в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.069.01 на базе ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Челябинская государственная агроинженерная академия».

Автореферат разослан «25» марта 2013 г. и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО ЧГАА http://wvm.csaa.ru.

Ученый секретарь ^

диссертационного Возмилов

совета Т Александр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автомобильный транспорт является важным звеном сельскохозяйственного производства. От эффективности его работы в значительной мере зависят снижение себестоимости продукции, своевременная уборка урожая, доставка его потребителям, заготовка кормов и другие производственные и хозяйственно-бытовые процессы. Фермерское хозяйство располагает различными моделями грузовых автомобилей общего и специального назначения, среди которых предпочтение отдается автомобилям малой и средней грузоподъемности.

В настоящее время наибольшее распространение на автомобилях малой грузоподъемности получили бензиновые двигатели с распределительным впрыском топлива. Данные топливные системы входят в число главных и сложных составляющих систем двигателя, от которых зависят такие показатели, как приёмистость, экономичность, мощность и легкость пуска двигателя. Но эти показатели реализуются только на двигателе с технически исправной системой топливоподачи. Недопустимые изменения технического состояния форсунок (пропускная способность изменяется более чем на 6%) происходят у 40% автомобилей при пробеге 15-30 тыс. км, что свидетельствует об их низкой эксплуатационной надежности. Так как явно отказ форсунок не проявляется, то говорить об обслуживании форсунок по потребности неправомерно. Разработка методов и средств диагностирования является важной задачей в системе технического обслуживания для предупреждения отказов СТ.

Работа выполнена в соответствии со Стратегией машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 г., разработанной в соответствии с Федеральным законом «О развитии сельского хозяйства» от 29.12.2006 г. № 264, Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы.

Цель работы. Повышение эффективности эксплуатации бензиновых двигателей с электронной системой управления за счет диагностирования пропускной способности электромагнитных форсунок и их технического обслуживания по результатам диагноза.

Объект исследования. Процессы работы и диагностирования форсунок бензиновых двигателей с электронной системой управления.

Предмет исследования. Закономерности изменения пропускной способности форсунок в зависимости от технического состояния их элементов на различных режимах работы двигателя, а также взаимосвязь частоты вращения коленчатого вала двигателя с пропускной способностью бензиновой форсунки на тестовых режимах.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:

1. Установлены закономерности изменения пропускной способности бензиновых электромагнитных форсунок во время эксплуатации и дано аналитическое описание процесса изменения пропускной способности форсунок в зависимости от технического состояния их элементов.

2. Раскрыта взаимосвязь частоты вращения коленчатого вала двигателя с пропускной способностью бензиновой электромагнитной форсунки на режимах минимальной и номинальной подачи топлива. Установлено, что частота вращения коленчатого вала двигателя является диагностическим параметром, отражающим техническое состояние элементов форсунок. Выявлены предельные значения диагностического параметра.

3. Разработаны методика и средства диагностирования бензиновой электромагнитной форсунки, позволяющие задавать тестовые режимы работы двигателя и фиксировать изменение пропускной способности форсунки с точностью 0,5... 1,0%.

4. Получены экспериментальные данные изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в зависимости от величины пропускной способности бензиновой электромагнитной форсунки на тестовых режимах диагностирования при работе двигателя на одном цилиндре.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов:

1. Разработаны метод и технология диагностирования пропускной способности бензиновой форсунки, позволяющие в условиях сервисного предприятия своевременно устранять отказы и неисправности бензиновых форсунок (метод защищен патентом на изобретение РФ № 2418190).

2. Результаты исследований могут быть использованы научно-исследовательскими, ремонтными, автообслуживающими организациями при определении технического состояния форсунок бензиновых двигателей с электронной системой управления.

3. Способ диагностирования, технология и средство диагностирования используются при определении технического состояния ЭМФ техническим центром ООО «ЮРМА-сервис», СТО «Интервал», в учебном процессе Челябинской государственной агроинже-нерной академии.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО ЧГАА (г. Челябинск, 2006-2013 гг.), ГОСНИТИ (г. Москва, 2007 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах, в том числе три - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 132 страницах, включает в себя 24 таблицы, 31 рисунок. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 105 наименований, и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава «Состояние вопроса и задачи исследования» посвящена анализу основных причин снижения эксплуатационной надежности СТ двигателей с электронной системой управления.

Отсутствие средств диагностирования, достоверно определяющих техническое состояние форсунок, приводит к большим затратам на устранение отказов форсунок (порядка 1 600...5 600 руб. на один автомобиль). Вопросами технического диагностирования системы топливоподачи двигателей с электронной системой управления занимались Ю. А. Васильев, С. С. Куков, Е. А. Киндеев, И. П. Залознов, Г. В. Овчинников, А.Ю. Верютин и др.

На основании проведенного анализа существующих методов оценки технического состояния элементов CT можно сделать вывод, что такие элементы, как бензонасос, фильтр грубой и тонкой очистки, регулятор давления, оцениваются достаточно точно, но имеют высокую трудоемкость. Наиболее сложнодиагностируемым элементом системы топливоподачи является электромагнитная форсунка.

Перспективным методом оценки технического состояния форсунки, который способен удовлетворить всем требованиям, является метод диагностирования по изменению частоты вращения коленчатого вала. В основу разработки метода положено предположение о существовании чувствительной связи между качеством топливно-воздушной смеси и индикаторной мощностью двигателя. Это предположение подтверждается регулировкой холостого хода карбюраторных бензиновых двигателей: так, изменение положения винта качества системы холостого хода на пол-оборота может изменить частоту вращения коленчатого вала двигателя на 100... 150 мин-1. Изложенное позволило сформулировать следующую гипотезу: изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя на тестовых режимах его диагностирования при работе на одном цилиндре коррелирует с пропускной способностью форсунки.

Основой для разработки метода диагностирования форсунки послужил метод, защищенный авторским свидетельством № 1430789 (кл. G01 М15/00), разработанный Ю. А. Васильевым и С. С. Куковым (ЧГАА). Суть метода состоит в том, что за счет полного отключения части цилиндров двигателя или частично работающих цилиндров можно создать любой нагрузочный режим для работающих цилиндров. Двигатель при этом работает с постоянной частотой вращения коленчатого вала. Если индикаторная мощность работающих цилиндров равняется мощности механических потерь в двигателе, то любые причины, которые вызывают изменение индикаторной мощности (качество TBC, угол опережения зажигания и др.), нарушают это равновесие и вызывают изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Этот метод позволяет фиксировать изменение индикаторной мощности в долях процента. Однако на изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя на тестовых режимах могут оказывать влияние не только техническое состояние форсунки, но и износ цилиндропоршневой группы и газораспределительного механизма.

Следовательно, необходимо при проведении исследований учитывать влияние этих факторов на оценочный показатель технического состояния бензиновой электромагнитной форсунки. Остальные неисправности, которые влияют на качество топливно-воздушной смеси, диагностируемы и могут быть устранены в процессе технического обслуживания.

С учетом изложенного и в соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследования.

1. Установить закономерности изменения пропускной способности бензиновых электромагнитных форсунок в зависимости от технического состояния их элементов при эксплуатации автомобилей.

2. Определить закономерности изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в зависимости от пропускной способности форсунок, обосновать режим их диагностирования.

3. Разработать методику и средства диагностирования, проверить результаты теоретических исследований и провести оценку эффективности разработанных средств диагностирования.

Во второй главе «Обоснование тестовых режимов для диагностирования бензиновых электромагнитных форсунок» представлена математическая модель процесса топливоподачи на различных этапах процесса впрыска топлива, разработанная с целью выбора режимов диагностирования и диагностических параметров форсунок.

С целью выделения информации о влиянии технического состояния отдельных элементов форсунки на ее пропускную способность весь процесс топливоподачи был разбит на три временных интервала - три этапа процесса топливоподачи (рисунок 1).

Таким образом, на основе анализа рисунка 1 получаем суммарное время трех этапов изменения пропускной способности ЭМФ:

(1)

На первом этапе происходит подъем запорной иглы на максимальную величину, при этом пропускная способность ЭМФ увеличивается. Движение иглы вверх при открытии ЭМФ осуществляется под действием ряда сил: тяговой силы электромагнита Ртз, силы предварительного сжатия пружины Р , силы давления топлива на иглу ^ и сил трения Р (рисунок 2).

II/, мм1

Л.

и, в

1(Г.) Н(/2) Ш(Г,)

1,С

Рисунок 1 — Изменение пропускной способности ЭМФ у^, мм2, бензинового ДВС во времени с, под действием электромагнитного импульса и, В: — время открытия ишы ЭМФ, с; / — время действия электромагнитного импульса, с; 12 — время полного открытия иглы ЭМФ, с; /3 - время закрытия (опускания) иглы ЭМФ, с; этап — увеличение пропускной способности ЭМФ; И(/2) этап — постоянство пропускной способности ЭМФ; Ш(/3) этап — уменьшение пропускной способности ЭМФ

Рисунок 2 — Схема соотношения сил, действующих на иглу форсунки

X

F

* пр.с

У

Равнодействующая всех сил, действующих на иглу ЭМФ, описывается уравнением

где - тяговая сила электромагнита, Н; ц0 - магнитная проницаемость в вакууме; В - магнитная индукция, Тл;

площадь поперечного сечения запорной иглы, м2; ^ - сила предварительного сжатия пружины, Н; к - коэффициент жесткости пружины, Н/м; х - перемещение иглы ЭМФ, м; Р — давление топлива в рампе, Па; - силы трения, Н.

Перемещение запорной иглы Х1 на первом этапе открытия ЭМФ при условии, что тяговая сила электромагнита, создаваемая однородным магнитным потоком при малых перемещениях, принимается постоянной, описывается уравнением

где т - масса запорной иглы, кг;

Г, - время открытия ЭМФ, с;

Р - давление топлива, Па.

При подаче электрического импульса на ЭМФ открытие запорной иглы происходит не мгновенно. Время открытия ЭМФ включает в себя время трогания иглы ^ измеряемое от момента подачи напряжения на обмотку до момента начала движения иглы, и время движения иглы /д. Следовательно, время открытия ЭМФ более полно описывается уравнением

(3)

дД5 1 | __

2х.т

,(4)

шр

где ю — число витков;

/- сила тока в обмотке, А;

Я - активное сопротивление обмотки электромагнита, Ом;

/ - ток трогания подвижной системы, А; 1у - установившееся значение тока в обмотке, А; г—средний радиус катушки, м; И - магнитная проницаемость среды.

Анализ уравнений (3), (4) показывает, что на длительность первого этапа оказывают влияние тяговая сила электромагнита, сила предварительного сжатия пружины, сила давления топлива в рампе, силы трения в период ее открытия, т.е. структурные параметры технического состояния ЭМФ. Время открытия ЭМФ является выходным параметром процесса топливоподачи, комплексно отражающим все структурные параметры технического состояния ЭМФ.

Второй этап работы ЭМФ характеризуется неизменной пропускной способностью во времени, так как игла находится в неподвижном, максимально поднятом состоянии. Время полного открытия форсунки описывается уравнением

Графическое изображение изменения пропускной способности ЭМФ за время действия электрического импульса представлено на рисунке 3.

— 'иМП •

(5)

I,

и с

Рисунок 3 - Зависимость пропускной способности ЭМФ (1/, мм2, от времени действия электрического импульса и, В

Если время tl по причине изменения технического состояния увеличивается, то общая подача топлива ЭМФ на этапах I и II умень-

шается, и наоборот, уменьшение времени г, вызывает увеличение подачи топлива. Кроме этого, степень влияния первого этапа на второй зависит от времени импульса: чем больше время импульса, тем меньше степень влияния на общую пропускную способность ЭМФ, оказываемая первым этапом.

Третий этап характеризуется уменьшением пропускной способности ЭМФ; в ходе этапа выключается подача электрического сигнала и игла запирает проходной канал ЭМФ. При этом перемещение иглы запорного клапана происходит под действием силы сжатой пружины, давления топлива на иглу и силы трения между запорной иглой и корпусом ЭМФ. Перемещение иглы определяется по уравнению

Время закрытия ЭМФ при отключении обмотки от источника питания складывается из времени спадания магнитного потока отсчитываемого от момента разрыва цепи обмотки до момента тро-гания запорной иглы, и времени возвратного движения запорной иглы г :

где Ч* - потокосцепление обмотки при установившемся токе;

¥ - потокосцепление, соответствующее току трогания при отпускании;

Я - сопротивление короткозамкнутой обмотки.

Анализ уравнений (6), (7) показывает, что на длительность третьего этапа закрытия ЭМФ, следовательно, и на пропускную способность за этот период могут оказывать влияние сила предварительного сжатия пружины, сила давления топлива в рампе, сила трения.

Общий расход топлива за цикл работы ЭМФ на трех ее этапах:

(6)

(7)

Обо, = [ц.Лр/, + И2/2 ('ими - о ■+ Из/срз'э ] ^АР/р, (8)

где ц,, ц2, ц3 - коэффициенты расхода ЭМФ на трех этапах;

/ср1,/2,/ср3 - средняя площадь сечения распылителя ЭМФ на трех этапах, м2;

АР - разность давлений топлива в рампе и впускном коллекторе, Н/м2;

р — плотность топлива, кг/м3.

Если время импульса, подаваемого на ЭМФ, намного больше, чем время поднятия и время закрытия /3 запорной иглы, то степень влияния первого и третьего этапов подачи топлива на работу ЭМФ минимальна (рисунок 4 а).

а б

Рисунок 4 - Процесс работы ЭМФ: а — при импульсе С/, В, значительно большем времени открытия ЭМФ с; б - при импульсе и, В, соизмеримом с временем открытия ЭМФ с

Если время импульса соизмеримо со временем открытия или закрытия ЭМФ, то цикловая подача топлива определяется продолжительностью времени открытия ^ и закрытия tг запорной иглы. Влияние второго этапа работы ЭМФ при этом минимально (рисунок 4 б). Так как время импульса связано с режимом работы двигателя, можно сделать вывод, что средняя пропускная способность форсунки за время действия электрического импульса зависит не только от ее технического состояния, но и от режима работы двигателя. Следовательно, пропускную способность форсунки необходимо определять на двух режимах:

— на режиме малых подач топлива, где пропускная способность форсунки зависит от процесса открытия и закрытия форсунки;

- на режиме больших подач топлива, где влияние процесса открытия и закрытия форсунки на пропускную способность минимально.

С целью обоснования выбора диагностических параметров и режимов диагностирования проведен поисковый эксперимент. По результатам его получена математическая модель, отражающая влияние качества топливно-воздушной смеси на частоту вращения коленчатого вала двигателя при работе последнего на различных нагрузочных режимах. Данная модель представлена уравнением регрессии:

и = (45,984 г2-4,8171032 + 8,096 104)а2 + +(—72,584-г2 +7,425-103 - г —1,195-10')-а +

+27,754 • г2 - 2,748 • 103 • г + 4,383 • 104, (9)

где а - коэффициент избытка воздуха;

г - степень открытия дроссельной заслонки, %.

Анализ этой модели позволил установить, что максимальная чувствительность изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя при изменении качества смеси для режимов малых подач достигается при а = 1,17, для режимов больших подач - при а = 0,95 с работой двигателя на одном цилиндре.

Величина изменения диагностического параметра на режиме малых подач топлива такова: при увеличении номинальной пропускной способности форсунки на предельную величину +6% частота вращения коленчатого вала двигателя увеличивается на 250 мин-1, при уменьшении на -6% - уменьшается на 470 мин-1. На больших подачах топлива при увеличении номинальной пропускной способности форсунки на предельную величину частота вращения коленчатого вала двигателя увеличивается на 740 мин-1, при уменьшении — уменьшается на 1 190 мин-1.

Существующее диагностическое оборудование (мотор-тестеры и сканеры) позволяет измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя с погрешностью 40 мин1. Этого достаточно для нахождения предельных изменений пропускной способности форсунки на выбранных режимах работы двигателя, то есть частота вращения коленчатого вала двигателя может служить диагностическим параметром для определения пропускной способности форсунки.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» приведено описание общей и частных методик экспериментальных исследований. Общая методика предусматривает решение поставленных задач путем проведения лабораторных исследований. Для проведения экспериментальных лабораторных исследований разработан исследовательский комплекс (рисунок 5), который включает в себя моторную установку на базе двигателя ЗМЗ-406.10.

Разработан прибор (рисунок 6), который позволяет изменять нагрузку на тестируемый цилиндр в широких пределах и длительность впрыска топлива от 0,1 до 50,0 %.

Рисунок 5 — Исследовательский стенд для испытаний двигателя ЗМЗ-406.10

Рисунок 6 — Отключатель электромагнитных форсунок

Так как в ходе теоретических исследований была установлена связь между качеством смеси и частотой вращения коленчатого вала двигателя, то мы предположили, что износ ЦПГ и ГРМ оказывает

влияние на частоту вращения коленчатого вала двигателя. Степень влияния износа ЦПГ и ГРМ на диагностический параметр планировалось оценить экспериментально.

Для оценки этих факторов разработан план трехфакторного эксперимента, в процессе которого определялась степень связи этих факторов с частотой вращения коленчатого вала двигателя.

Для исследования зависимости изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя от пропускной способности форсунки разработана методика однофакторного эксперимента, который позволил установить зависимость между степенью изменения пропускной способности форсунок в процентах от эталонной и частотой вращения коленчатого вала двигателя.

В четвертой главе представлены результаты многофакторного эксперимента, на основании которого сделан вывод, что значимым параметром, влияющим на диагностический параметр, является только пропускная способность форсунки.

Обработка результатов однофакторного эксперимента позволила установить связь между изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя от пропускной способности форсунок в процентах от эталонной форсунки для режимов малой и максимальной подачи топлива (рисунки 7, 8).

9 1500 -------

«г

1000 -------

500 -------

о --—--1----

0 1 2 3 4 5 6

Рисунок 7 — Экспериментальная зависимость изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя от пропускной способности форсунок на режиме малой подачи топлива

Данная связь для режима малой подачи топлива аппроксимируется следующим уравнением:

я = —1,825-ц/"2+38,333-ц/"+2,343-103. (10)

Дн£ %

Рисунок 8 — Экспериментальная зависимость изменения частоты вращения

коленчатого вала двигателя от пропускной способности форсунок на режиме номинальной подачи топлива

Данная связь для режима номинальной подачи топлива аппроксимируется уравнением

Л = -8,841-ц/2+125,5-Ц/+3,098-103. (И)

Среднеквадратическое отклонение экспериментальных исследований от теоретических не превышает 40 мин-1 точности измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя мотор-тестером (40 мин-1).

Получено, что чувствительность диагностического параметра на режиме малых подач топлива не менее К= 35 мин~'/%, на режиме больших подач топлива— К = 106 мин"7%.

Среднеквадратическое отклонение диагностического параметра для пропускной способности технически исправной форсунки

а = 38,7 мин-1; для предельно увеличенной пропускной способности форсунки о = 20 мин-1; для предельно уменьшенной пропускной способности форсунки а = 25,2 мин-1.

Таким образом, стабильность диагностического параметра не превышает значений дискретности измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Информативность диагностического параметра определяется по формуле

/..Щ-Ч (12)

а,+<т2

где П, — частота вращения коленчатого вала двигателя для исправной форсунки, мин-1;

П2 - частота вращения коленчатого вала двигателя для форсунки с предельной пропускной способностью, мин-1;

а, - среднеквадратическое отклонение технически исправной форсунки, мин-1;

с2 - среднеквадратическое отклонение форсунки с предельной пропускной способностью, мин-1.

Минимальная информативность диагностического параметра для режима малых подач топлива /= 3,4; для режима больших подач/=9.

В результате проведения эксплуатационных испытаний была разработана маршрутная технологическая карта процесса диагностирования пропускной способности форсунок. Хронометрирование операций процесса диагностирования показало, что общее время диагностирования пропускной способности форсунок безразборным методом для одного автомобиля ГАЗ составляет 23 чел.-мин. Время, затрачиваемое на определение технического состояния форсунок с использованием проливочного стенда, составляет 105 чел.-мин.

Таким образом, определение технического состояния форсунок разработанным способом осуществляется почти в пять раз быстрее. В связи с тем, что наработка на отказ электромагнитной форсунки бензинового двигателя составляет 40% при пробеге 15-30 тыс. км, необходимо проводить проверку ее технического состояния для предупреждения отказов во время ТО - 2 автомобиля.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Использование системы топливоподачи с распределенным впрыском топлива ведет к повышению тягово-экономических показателей автомобиля при эксплуатации, однако изменение пропускной способности бензиновой электромагнитной форсунки (БЭМФ) более чем на ±6 % от номинала приводит к функциональному отказу системы топливоподачи, что наблюдается у 8... 10% автомобилей в гарантийный период их эксплуатации. Поэтому обоснование параметров диагностирования пропускной способности форсунок и режима диагностирования позволит своевременно предупреждать или устранять последствия их отказов.

2. Установлено, что пропускная способность форсунки является чувствительным выходным параметром технического состояния таких элементов форсунки, как пропускная способность фильтров форсунок, седел запорной иглы, усилия предварительного сжатия пружины, сопротивление обмотки катушки соленоида, герметичность седла форсунки.

3. Раскрыта взаимосвязь между пропускной способностью форсунок и частотой вращения коленчатого вала двигателя. В частности, на номинальном режиме работы двигателя изменение пропускной способности обусловлено техническим состоянием седла запорной иглы и пропускной способностью фильтров форсунок, а на режиме холостого хода изменение пропускной способности БЭМФ зависит от технического состояния усилия предварительного сжатия пружины, сопротивления обмотки катушки соленоида, герметичности седла форсунки.

4. Определено, что частота вращения коленчатого вала двигателя является чувствительным диагностическим параметром, комплексно отражающим техническое состояние электромагнитной форсунки. Режимами диагностирования является работа двигателя при малой подаче топлива с качеством смеси 1,17, при номинальной подаче топлива с качеством смеси 0,95.

5. Экспериментально подтверждена высокая чувствительность изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя от пропускной способности электромагнитной форсунки, которая описывается уравнениями регрессии: для режима на малой подаче топлива и = -1,825 • 2 + 3 8,333 • ц/Ч 2,343 ■ 103, для режима на номинальной

подаче топлива и = -8,841-и/-2+125,5-ц/Ч3,098-103. Расхождение экспериментальных данных и теоретической зависимости изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя от пропускной способности форсунки не превышает 0,5.„1,0%.

6. В результате реализации разработанного метода и средств диагностирования при лабораторных исследованиях и производственной проверке установлено, что чувствительность диагностического параметра изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя на режиме малой подачи топлива не менее К= 35 мшг'/%, для номинальной подачи топлива К = 106 мин~'/%, достоверность диагноза составляет 0,98.

7. Установлено, что разработанный безразборный метод диагностирования пропускной способности БЭМФ позволяет сократить трудоемкость оценки ее технического состояния на 1,25 чел.-ч на каждый автомобиль, т.е. на 70—75% меньше, по сравнению с существующим методом проливки форсунок на стендах. Для предупреждения отказов электромагнитных форсунок бензиновых двигателей целесообразно диагностировать их пропускную способность разработанным методом при ТО — 2 автомобиля.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Бакайкин Д. Д., Гриценко А. В. Результаты экспериментальных исследований пропускной способности бензиновых форсунок // Вестник КрасГАУ. -2012. -№ 12. - С. 120-127.

2. Куков С. С., Бакайкин Д. Д., Гриценко А. В. Теоретические исследования работы бензиновой форсунки и ее влияние на процесс топливоподачи // Вестник ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». -2012. -№ 3. — С. 40-42.

3. Куков С. С., Бакайкин Д. Д., Гриценко А. В. Экспериментальные исследования пропускной способности электромагнитных форсунок бензиновых двигателей внутреннего сгорания // Вестник ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В. П. Горячкина». - 2012. - № 5. — С. 40-42.

Публикации в других изданиях

4. Бакайкин Д. Д., Гриценко А. В., Куков С. С. Способ диагностирования системы топливоподачи двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей // Вестник ЧГАА. - 2011. - Т 59. -С. 30-32.

5. Бакайкин Д. Д., Гриценко А. В., Куков С. С. Способ диагностирования системы топливоподачи двигателя : информ. л. № 74-034-11 / Челябинский ЦНТИ. - 2011.

6. Бакайкин Д. Д., Гриценко А. В., Куков С. С. Техническое обслуживание элементов системы топливоподачи бензинового двигателя с электронной системой управления // Вестник ЧГАУ. - 2006. -Т47.-С. 10-13.

7. Бакайкин Д. Д., Гриценко А. В., Куков С. С. Отключатель электромагнитных форсунок (догружатель двигателя) : информ. л. № 74-006-10 / Челябинский ЦНТИ. - 2010.

8. Бакайкин Д. Д., Куков С. С., Михайлов Ю. Е. Диагностирование пропускной способности бензиновых электромагнитных форсунок // Труды Всерос. науч.-исслед. технолог, института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка ГОСНИТИ. - М., 2008.-Т. 101.-С. 89-91.

9. Бакайкин Д. Д., Огнев И. Г. Методика диагностирования инжекторного двигателя на тестовых статических режимах его работы // Известия Международной академии аграрного образования. -СПб., 2009. - Вып. № 8.

10. Пат. 2418190 1Ш Б 02 М 65/00. Способ диагностирования системы топливоподачи двигателя / Д. Д. Бакайкин, А. В. Гриценко, С. С. Куков. -№ 2009123798 ; заявл. 22.06.09 ; опубл. 10.05.11, Бюл. № 13.

Подписано в печать 13.03.2013 г. Формат 60x84/16 Гарнитура Times. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 48

ФГБОУ ВПО ЧГАА 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 75

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Челябинская государственная агроинженерная академия»

На правах рукописи

БАКАЙКИН Дмитрий Дмитриевич

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ФОРСУНОК БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность 05.20.03. - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук доцент Ю.Е. Михайлов

Челябинск - 2013

Содержание

Введение......................................................................................6

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования................................12

1.1 Причины, снижающие эксплуатационную надёжность системы топливо-подачи двигателей с электронной системой управления..........................12

1.1.1. Качество топлива....................................................................12

1.1.2.Способы промывки.................................................................13

1.2. Анализ существующих способов оценки технического состояния элементов системы топливоподачи двигателей с электронной системой управления.............................................................................................16

1.3. Выводы по главе.......................................................................32

1.4 Цель и задачи исследований.........................................................33

Глава 2. Обоснование тестовых режимов для диагностирования бензиновых электромагнитных форсунок............................................................34

2.1. Цели и задачи теоретических исследований....................................34

2.2. Исследование влияния параметров технического состояния форсунки на

её пропускную способность..............................................................35

2.2.1. Моделирование процесса топливоподачи на первом этапе открытия форсунки......................................................................................37

2.2.2 Моделирование процесса топливоподачи на втором этапе при полном открытии форсунки..........................................................................41

2.2.3 Моделирование процесса топливоподачи на третьем этапе закрытия форсунки......................................................................................43

2.3. Теоретический анализ зависимости изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя от качества топливно-воздушной смеси..................48

2.3.1. Анализ зависимости частоты вращения коленчатого вала от качества топливно-воздушной смеси при работе двигателя на одном цилиндре при открытии дроссельной заслонки на 25%................................................................54

2.3.2. Анализ зависимости частоты вращения коленчатого вала двигателя от качества топливно-воздушной смеси при работе двигателя на одном цилиндре при открытии дроссельной заслонки на 70%.................................................57

2.4. Выводы по главе.......................................................................60

Глава 3. Методика экспериментальных исследований.............................62

3.1. Общая методика экспериментальных исследований..........................62

3.2. Методика лабораторных исследований..........................................64

3.2.1. Выбор оборудования для исследований.......................................64

3.2.2. Методика изменения технического состояния форсунок и технического состояния фаз ГРМ и ЦПГ...............................................................70

3.2.3. Планирование многофакторного эксперимента на режиме 25 и 70% открытия дроссельной заслонки...........................................................75

3.2.4. Планирование однофакторного эксперимента на режиме 25 и 70% открытия дроссельной заслонки...........................................................81

3.3. Выводы по главе......................................................................84

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований............................85

4.1. Результаты многофакторного эксперимента при открытии дроссельной заслонки на 25%.....................................................................................................85

4.2. Результаты многофакторного эксперимента при открытии дроссельной заслонки на 70%.....................................................................................................90

4.3. Исследование изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в зависимости от изменения пропускной способности форсунки на режиме 25% дроссельной заслонки................................................................93

4.4. Исследование зависимости изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя от изменения пропускной способности форсунки на режиме 70% дроссельной заслонки...............................................................98

4.5. Результаты эксплуатационных испытаний.....................................103

4.6. Оценка экономической эффективности использования результатов проведенных испытаний.....................................................................106

4.7 Выводы по главе.....................................................................111

Основные выводы........................................................................113

Список литературы.......................................................................115

Приложение................................................................................124

Перечень сокращений

СТ - система топливоподачи

ЭМФ - электромагнитная форсунка

БЭМФ - бензиновая электромагнитная форсунка

ЭСУД - электронная система управления двигателем

АТП - автотранспортное предприятие

СТО - станция технического обслуживания

МТ-2А - манометр

ТВС - топливно-воздушная смесь

ДМРВ - датчик массового расхода воздуха

ЗМЗ - Заволжский моторный завод

ГРМ - газораспределительный механизм

ЦПГ - цилиндропоршневая группа

Введение

Актуальность. Автомобильный транспорт является важным звеном сельскохозяйственного производства. От эффективности его работы в значительной мере зависят снижение себестоимости продукции, своевременная уборка урожая, перевозка его потребителям, заготовка кормов и другие производственные и хозяйственно-бытовые процессы. Фермерское хозяйство располагает различными моделями грузовых автомобилей общего и специального назначения, среди которых предпочтение отдается автомобилям малой и средней грузоподъемности.

В настоящее время наибольшее распространение на автомобилях получили бензиновые двигатели с распределительным впрыском топлива [1,2,3,4,5]. Данные топливные системы входят в число главных и сложных составляющих систем двигателя, от которых зависят такие показатели, как приемистость, экономичность, мощность и легкость пуска двигателя. Pix использование ведёт к повышению тягово-экономических показателей и уменьшению выброса отравляющих веществ в окружающую среду. Но эти показатели реализуются только на двигателе с технически исправной системой топ-ливоподачи. Поэтому к техническому состоянию системы топливоподачи (CT) должно уделяться особое внимание, причем требования по экологическим показателям выбросов отработавших газов со временем ужесточаются несоизмеримо быстрее, чем по другим эксплуатационным показателям [6,7,8].

Количество и состав отработавших газов определяются конструктивными особенностями автомобилей, режимом работы их двигателей и техническим состоянием системы питания. Особенностями работы автомобильных двигателей являются переменные нагрузки, то есть периодические изменения режима работы: холостой ход, разгон, установившееся движение и торможение; наиболее высокая концентрация оксида углерода (СО) в отработавших газах наблюдается при работе двигателя на установившемся режиме и при повышенных нагрузках. Так, по данным НИИАТ, при работе двигателя на

холостом ходу содержание оксида углерода в выхлопных газах может в два с лишним раза превышать его содержание при установившемся режиме. Вместе с тем, когда автомобиль разгоняется и движется с установившейся скоростью, в отработавших газах отмечаются наибольшие концентрации оксидов азота. [9]

Содержание окиси углерода в выхлопных газах автомобилей контролируют на режимах холостого хода, а на остальных режимах, составляющих 60% всего времени работы двигателя, содержание отработавших газов не контролируется. Обеспечить же минимальное содержание окиси углерода на всех режимах работы двигателя можно только за счет исправного технического состояния СТ.

Неисправности СТ приводят не только к повышенному выбросу токсичных компонентов, но и к уменьшению мощности двигателя на 15...23% [10,11], следовательно, и снижению эффективности транспортного процесса.

Система поддержания работоспособности двигателя предусматривает техническое обслуживание электронной системы управления двигателем (ЭСУД) через 20000 км пробега. Однако в этой системе операции по техническому обслуживанию таких элементов как форсунка, бензонасос, регулятор давления, не предусмотрены. Завод-изготовитель предлагает проводить ремонтные операции по потребности. Отсутствие регламентных воздействий на элементы СТ предполагает достаточный уровень их эксплуатационной надёжности [12,13,14].

Проведя исследовании надёжности форсунок на автомобилях, поступивших в течение месяца в сервисный центр ЮРМА г. Челябинска одного из дилеров Горьковского автомобильного завода, мы выявили, что из всех элементов СТ форсунка имеет наиболее низкую эксплуатационную надежность. Отказ форсунок наступает у 10% автомобилей эксплуатирующихся в сельском хозяйстве в период гарантийного срока. Недопустимые изменения технического состояния форсунок (пропускная способность изменяется более чем на 6%) происходят у 40% автомобилей при пробеге 15...30 тыс. км. Это

говорит о их низкой эксплуатационной надёжности. Однако используемое диагностическое оборудование, рекомендованное заводом-изготовителем, изменение пропускной способности форсунок не фиксировало. Отсюда можно сделать вывод о недостаточной точности предлагаемых заводом-изготовителем методов диагностирования технического состояния форсунок. Следовательно, говорить об обслуживании их по потребности в нашем случае неправомерно.

Эксплуатационная надежность СТ определяется не только конструктивной надежностью всей системы, но и качеством используемого топлива.

Высокая конструктивная надёжность системы топливоподачи реализуется при эксплуатации на топливе высокого качества. Так, на автомобилях, эксплуатирующихся в европейских странах, при использовании качественного бензина ресурс форсунок составляет 120-140 тыс. км. Однако при эксплуатации автомобилей в России и странах СНГ из-за низкого качества бензина СТ неизбежно загрязняется не только твердыми частицами, но и смолистыми, лаковыми отложениями, и необходимость чистки СТ возникает уже через 15...30 тыс. км пробега. [15]. Многие сервисные станции рекомендуют мыть систему питания не реже чем через 20.. .40 тыс.км.

Загрязнение элементов СТ проявляется снижением мощности двигателя и приемистости, детонационными стуками при разгоне автомобиля, неустойчивой работой двигателя на режимах холостого хода, затрудненным запуском двигателя, увеличением расхода топлива, отклонением от экологических норм по выбросу отработавших газов.

При эксплуатации двигателя с электронной системой управления часто используют пропанобутановые смеси. Как следствие, это приводит к повышенному температурному режиму работы форсунок и впоследствии, вызывает преждевременное нарушение их технического состояния [16,17,18].

Таким образом, основными причинами снижения эксплуатационной надежности СТ двигателей с электронной системой управления являются: - отсутствие регламентных работ по их обслуживанию;

- работа двигателя на другом виде топлива;

- несоответствие топлива стандарту.

Двигатели с электронной системой управления не снижают объемов обслуживающих работ по системе питания в сравнении с карбюраторными двигателями в связи с более жесткими требованиями к токсичности выхлопа и сложности их конструкции [19,20,21]. Технические возможности АТП и СТО на сегодняшний день не позволяют достоверно определить техническое состояние системы топливоподачи, так как нет точных методов и средств их диагностирования. По этой причине система топливоподачи обслуживается по потребности, т.е. эксплуатируется до отказа. Отказавший элемент определяется в процессе разборки СТ и контроля технического состояния её отдельных элементов. Внедрение планово-предупредительной системы обслуживания СТ по диагностической информации позволило бы значительно снизить затраты на текущий ремонт и повысить эксплуатационную надёжность системы топливоподачи.

Разработка методов и средств диагностирования является важной задачей в системе технического обслуживания для предупреждения отказов СТ. В связи с этим тема диссертационной работы связана с повышением эффективности диагностирования системы топливоподачи бензинового двигателя с электронной системой управления. Изложенное предопределило цель нашего исследования.

Цель работы. Повышение эффективности эксплуатации бензиновых двигателей с электронной системой управления за счет диагностирования пропускной способности электромагнитных форсунок и их технического обслуживания по результатам диагноза.

Объект исследования. Процессы работы и диагностирования форсунок бензиновых двигателей с электронной системой управления.

Предмет исследования. Закономерности изменения пропускной способности форсунок в зависимости от технического состояния их элементов на различных режимах работы двигателя. Взаимосвязь частоты вращения ко-

ленчатого вала двигателя с пропускной способностью бензиновой форсунки на тестовых режимах.

Научная новизна

1. Установлены закономерности изменения пропускной способности бензиновых электромагнитных форсунок во время эксплуатации и дано аналитическое описание процесса изменения пропускной способности форсунок в зависимости от технического состояния их элементов.

2. Раскрыта взаимосвязь частоты вращения коленчатого вала двигателя с пропускной способностью бензиновой электромагнитной форсунки на режимах минимальной и номинальной подачи топлива. Установлено, что частота вращения коленчатого вала двигателя является диагностическим параметром, отражающим техническое состояние элементов форсунок. Выявлены предельные значения диагностического параметра.

3. Разработаны методика и средства диагностирования бензиновой электромагнитной форсунки, позволяющие задавать тестовые режимы работы двигателя и фиксировать изменение пропускной способности форсунки с точностью 0,5... 1,0%.

4. Получены экспериментальные данные изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в зависимости от величины пропускной способности бензиновой электромагнитной форсунки на тестовых режимах диагностирования при работе двигателя на одном цилиндре.

Практическая ценность работы и реализация ее результатов

1. Разработаны метод и технология диагностирования пропускной способности бензиновой форсунки, позволяющие в условиях сервисного предприятия своевременно устранять последствия отказа и неисправности бензиновых форсунок (метод защищен патентом на изобретение РФ № 2418190).

2. Результаты исследований могут быть использованы научно-исследовательскими, ремонтными, автообслуживающими организациями при определении технического состояния форсунок бензиновых двигателей с электронной системой управления.

3. Способ диагностирования, технология и средство диагностирования используются при определении технического состояния ЭМФ техническим центром ООО «ЮРМА-сервис», СТО «Интервал», в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО ЧГАА (Челябинск, 2006-2013 гг.), ГОСНИТИ (Москва, 2007 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах, в том числе три - в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 132 страницах, включает 24 таблицы, 31 рисунок. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, содержащего 105 наименований, и приложений.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Причины, снижающие эксплуатационную надёжность системы топливоподачи. 1.1.1. Качество топлива

Одной из причин недостаточной надёжности СТ является загрязненность топлива, способствующая образованию смолистых отложений и нагара на форсунках, что ведёт к зависанию игл клапанов и нарушению нормальной работы двигателя. Известно, что средняя наработка фильтров грубой и тонкой очистки по России составляет 25000 км пробега [15,22,23], в то время как завод-изготовитель рекомендует менять фильтры через 110000-130000 км, т.е. 75...90% времени автомобиль эксплуатируется с неисправной СТ. На нефтебазах и заправочных станциях загрязнения попадают в топливо из железнодорожных и автомобильных цистерн. Кроме того, в топливо попадают продукты коррозии резервуаров, трубопроводов и другой арматуры, продукты износа деталей перекачивающих средств, атмосферная пыль и влага, продукты окисления и уплотнения нестабильных углеводородов топлива [24].

Сильное загрязнение наблюдается в баках авто