Устройство для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры

Авторы патента:

Полезная модель относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания, более конкретно, к устройствам для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры и может найти применение при создании стендов для обкатки, испытаний и регулировки параметров дизельной топливной аппаратуры, в том числе, топливных насосов высокого давления дизельных двигателей в широком диапазоне мощностей. Решаемой задачей полезной модели является создание удобного в эксплуатации, сравнительно простого в реализации и достаточно чувствительного устройства для определения индивидуальных и интегральных характеристик цикловой подачи топлива, а также фазовых параметров процесса топливоподачи ТНВД, в частности, при помощи топливных форсунок-калибров ДТА. Дополнительно к указанной решается задача создания автоматической системы измерений с использованием современной техники АЦП, ПЭВМ и аппаратуры отображения выходной информации для совершенствования параметров эксплуатируемой и проектируемой ДТА. Указанная задача решается тем, что в устройстве для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры, содержащем измерительную камеру для размещения топливных форсунок, пьезоэлектрический датчик для измерения давления струи топлива, средства для усиления и обработки полезного сигнала, согласно полезной модели, измерительная камера выполнена конической формы с отверстиями на боковой поверхности для размещения топливных форсунок, оси которых сходятся на поверхности пластины чувствительного элемента, механически связанного с корпусом пьезоэлектрического акселерометра, укрепленного на упругой мембране в основании измерительной камеры, выход которого соединен через блок усилителя заряда с полосой пропускания в ультразвуковой области и блок аналого-цифрового преобразователя с входным портом персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением для определения фазовых характеристик и цикловой подачи топлива. Кроме того, топливные форсунки могут быть установлены на стенках измерительной камеры группами по ее круговым сечениям. Кроме того, в измерительной камере могут быть установлены топливные форсунки-калибры, а персональный компьютер может быть оснащен программой NI Lab VIEW 8.2. Описание на 7 л., илл. 1.

Известно устройство для определения параметров процесса топливоподачи ДТА, включающее ТНВД, топливные форсунки и средства для измерения параметров впрыскивания топлива (см. патент РФ на полезную модель №50262, БИПМ №36, 2005 г.).

Известное устройство для определения технического состояния элементов ДТА содержит датчик давления, подключенный к входным элементам диагностируемых органов и дополнительные быстросъемные датчики давления, установленные на выходе ТНВД и на входе в форсунку, причем выходы указанных датчиков соединены через усилители и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) с ПЭВМ.

Известное устройство позволяет определить давление на входе в форсунки от нескольких линий ТНВД дизеля при цикловой подаче топлива, однако не обеспечивает точности измерения параметров впрыскивания топлива непосредственно на выходе из форсунок.

Известно устройство стендов серии КИ для определения параметров процесса топливоподачи ДТА, содержащее систему измерения объемных и фазовых параметров впрыскивания топлива (см. Кривенко П.М., Федосов И.М., Аверьянов В.Н. Ремонт дизелей сельхозназначения. М., Агропромиздат, 1990 г., с 127).

Известный стенд серии КИ-15716 предназначен для испытания и регулирования ТНВД дизелей мощностью более 150 кВт. Стенд оборудован регулируемым гидроприводом, цифровым тахометром и блоком мензурок для измерения объема топлива, подаваемого ТНВД.

Стенд КИ-15739 предназначен для эталонирования ДТА, именно для проверки и настройки топливных форсунок дизелей. В комплект оснастки такого стенда входят система топливоподачи и система измерения параметров стендовых и рабочих форсунок методом замера цикловой подачи топлива от эталонного топливного насоса.

К недостаткам известного устройства стендов серии КИ следует отнести сравнительно низкую точность измерения основных параметров процесса подачи топлива, в том числе, из-за необходимости использования мензурочного метода при определении цикловой подачи топлива, а также достаточно высокую трудоемкость при единичных испытаниях большого числа рабочих форсунок или форсунок-калибров с набором дозирующих жиклеров.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры, содержащее измерительную камеру для размещения топливных форсунок, пьезоэлектрический датчик для измерения давления струи топлива, средства для усиления и обработки полезного сигнала (см. авт. свид. СССР №1564373, бюл. №18, 1990 г. - прототип).

Известное устройство обладает сравнительно сложным аппаратурным оформлением измерительной системы для определения параметров процесса впрыска топлива (качества распыливания, подвижности иглы распылителя единственной форсунки и ее пропускной способности). Кроме того, посредством известного устройства невозможно одновременно определять фазовые характеристики и цикловую подачу топлива на нескольких линиях нагнетания испытываемого ТНВД в период регулировки, обкатки и эксплуатации дизельных двигателей различного типа из-за отсутствия соответствующей измерительной камеры с несколькими форсунками, полной системы подачи топлива и необходимых средств одновременного контроля параметров впрыска топлива.

Решаемой задачей полезной модели является создание удобного в эксплуатации, сравнительно простого в реализации и достаточно чувствительного устройства для эффективного определения характеристик ДТА, в том числе, цикловой подачи топлива по нескольким линиям нагнетания, а также фазовых параметров процесса топливоподачи ТНВД.

Дополнительно к указанной решается задача создания автоматической системы измерений с использованием современной техники переработки информации на АЦП и ПЭВМ для повышения точности указанных измерений, совершенствования параметров эксплуатируемых и проектируемых компонентов ДТА.

Указанная задача решается тем, что в устройстве для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры, содержащем измерительную камеру для размещения топливных форсунок, пьезоэлектрический датчик для измерения давления струи топлива, средства для усиления и обработки полезного сигнала, согласно полезной модели, измерительная камера выполнена конической формы с отверстиями на боковой поверхности для размещения топливных форсунок, оси которых сходятся на поверхности пластины чувствительного элемента, механически связанного с корпусом пьезоэлектрического акселерометра, укрепленного на упругой мембране в основании измерительной камеры, выход которого соединен через блок усилителя заряда с полосой пропускания в ультразвуковой области и блок аналого-цифрового преобразователя с входным портом персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением для определения фазовых характеристик и цикловой подачи топлива.

Кроме того, топливные форсунки могут быть установлены на стенках измерительной камеры группами по ее круговым сечениям.

Кроме того, в измерительной камере могут быть установлены топливные форсунки-калибры, а персональный компьютер может быть оснащен программой NI Lab VIEW 8.2.

Такое выполнение устройства для определения параметров процесса топливоподачи решает задачу создания достаточно простого в реализации и эксплуатации стендового устройства для эффективного определения массовых и частотно временных характеристик топливоподачи одновременно по нескольким линиям нагнетания ТНВД с использованием топливных форсунок-калибров. Эффективность предложенного устройства повышается, в том числе, за счет автоматизации измерений при использовании современной техники преобразования полезного сигнала с помощью чувствительного пьезоэлектрического акселерометра в совокупности с мощным программным обеспечением NI Lab VIEW 8.2 на базе IBM T-43. Предложенное устройство может быть использовано также и для определения характеристик топливоподачи рабочих форсунок и других компонентов ДТА многоцилиндровых дизельных двигателей.

На фиг.1 представлена блок-схема предложенного устройства.

Устройство для определения параметров процесса топливоподачи ДТА содержит ТНВД 1, установленный на дизельном двигателе 2 и полую измерительную камеру 3 конической формы с отверстиями на боковой поверхности для размещения топливных форсунок-калибров 4. Их оси размещены под углом к оси измерительной камеры 3 и сходятся внутри нее на поверхности пластины чувствительного элемента 5, механически связанного с корпусом пьезоэлектрического акселерометра 6, укрепленного на упругой мембране 7 в основании измерительной камеры 3. Акселерометр 6 находится внутри защитного кожуха 8, а его выход соединен, через блок 9 усилителя аналогового сигнала с усилителем заряда, имеющего полосу пропускания в ультразвуковой области и через блок 10 АЦП, с входным портом персонального компьютера 11, оснащенного программным обеспечением для определения фазовых характеристик и цикловой подачи топлива от каждой из топливных форсунок 4 для последующего отображения результатов измерений на дисплее ПК 11.

В конкретном случае реализации предложенного устройства для испытаний ТНВД типа 4УТНМ дизеля Д-240 использовалась измерительная камера 3, содержащая несколько форсунок-калибров ФД-22 с центральным отверстием жиклера. Для определения давления струй топлива из форсунок 4 использовался пьезоэлектрический акселерометр ДН-4, механически закрепленный на резиновой мембране 7 с помощью стержня 12, на свободном конце которого размещена металлическая пластина чувствительного элемента 5. Выход акселерометра 6 подсоединен через блок 9 усилителя аналогового сигнала с усилителем заряда РШ2731Э, имеющего полосу пропускания 100 кГц, и через блок 10 12-разрядного АЦП типа NI USB-9201, с максимальной частотой преобразования 500 кГц, к входному порту портативного компьютера 11 типа IBM Т-43, оснащенного программным обеспечением NI Lab VIEW 8.2.

Измерительная камера 3 может содержать отверстия для размещения нескольких топливных форсунок по числу линий нагнетания испытываемого ТНВД дизеля. При этом форсунки 4 могут быть расположены одной или двумя группами по круговым сечениям измерительной камеры 3. На фиг.1 показано сечение измерительной камеры 3 с одной группой из четырех форсунок 4. Корпус измерительной камеры 3 конической формы, цилиндрический защитный кожух 8 и фланец 13 выполнены из конструкционной стали и стянуты между собой с помощью крепежных винтов.

Устройство для определения параметров процесса топливоподачи ТНВД типа 4УТНМ дизеля Д-240 функционирует следующим образом.

При испытании ТНВД 1, установленного на дизельном двигателе 2, в отверстия стендовой измерительной камеры 3 вставляют калиброванные топливные форсунки-калибры 4 типа ФД-22, которые соединяют через нагнетательные трубопроводы (не показаны) к соответствующим нагнетательным линиям ТНВД 1.

В полости измерительной камеры 3 на расстоянии до 10 мм от сопл форсунок 4 размещают пластину чувствительного элемента 5. Оси форсунок 4 при этом сходятся на поверхности пластины чувствительного элемента 5, укрепленного на упругой мембране 7 для передачи механических колебаний на корпус пьезоэлектрического акселерометра 6. Полезный сигнал от давления струй топлива из форсунок 4 на элемент 5 передается на пьезоэлектрический акселерометр 6, электрический сигнал от которого поступает через блок 9 усилителя аналогового сигнала с усилителем заряда, имеющего полосу пропускания в ультразвуковой области и через блок 10 АЦП, с входным портом персонального компьютера 11, оснащенного программным обеспечением для определения фазовых характеристик и цикловой подачи топлива от каждой из топливных форсунок 4 для последующего отображения результатов измерений на дисплее ПК 11.

После этого осуществляют включение ТНВД 1 дизельного двигателя 2, в результате чего происходит поочередное впрыскивание в измерительную камеру 3 дизельного топлива через соответствующие топливные форсунки 4 в порядке, заданном распределительным механизмом двигателя. Необходимый уровень давления топлива на входе в топливные форсунки 4, его расход и температура обеспечиваются известными средствами и системами двигателя. Поочередное впрыскивание топлива из различных топливных форсунок 4 в направлении пластины чувствительного элемента 5 приводит к появлению на выходе пьезоэлектрического акселерометра 6 аналоговых сигналов сложной формы, что связано с разбросом скоростей частиц топлива и случайным характером пространственного распределения массы распыленного топлива.

Полученные аналоговые сигналы от пьезоэлектрического акселерометра ДН-4 поступают на вход усилителя 9 аналогового сигнала, с полосой пропускания 100 кГц. Высокая чувствительность усилителя 9, снабженного усилителем заряда РШ2731Э, обеспечивает

выявление тонкой структуры распределения частиц топлива на выходе из топливных форсунок 4.

Затем усиленный сигнал поступает на вход 12-разрядного АЦП 10 типа NI USB-9201, имеющего максимальную частоту преобразования 500 кГц, достаточную для уверенного преобразования сложного аналогового сигнала в цифровую форму. Преобразованный выходной сигнал из АЦП поступает на входной порт портативного компьютера 11 типа IBM Т-43, который оснащен указанным программным обеспечением.

Версия NI Lab VIEW 8.2 позволяет в режиме реального времени выделить полезный сигнал от каждого впрыска топлива на фоне шума, проинтегрировать последовательность многих импульсов, выявить статистически достоверные значения времени начала и конца впрыска и произвести математические операции с каждым из последовательности сигналом для получения связи его параметров с цикловой подачей топлива. Результаты анализа в соответствии с указанной программой выводятся на монитор ПК 11 для наглядной оценки состояния проверяемого ТНВД и выработки рекомендаций по регулировке его характеристик.

На мониторе ПК 11 отображаются следующие данные, являющиеся результатом обработки исходной информации от пьезоэлектрического акселерометра: цикловая подача топлива (мг/цикл), продолжительность впрыскивания топлива (мс), скорость впрыскивания (м/с), характеристика давления впрыскивания (МПа), угол опережения впрыскивания (при подаче на АЦП сигнала от датчика положения коленчатого вала дизеля). Эти параметры формируют комплексные показатели процесса топливоподачи или характеристику впрыскивания, т.е. количество топлива, впрыснутого на один градус поворота кулачкового вала насоса, которое, как известно, несет информацию и о техническом состоянии ТНВД.

Указанные величины оказывают основное влияние на эксплуатационные показатели дизеля. Подача топлива в дизель имеет ярко выраженный импульсный характер (частота следования импульсов от 5 до 50 Гц, длительность импульсов 0,5...5 мс, скорость впрыскивания до 250 м/с). Однако дробление струи топлива на выходе из форсунки резко увеличивает требования к частотным характеристикам измерительной системы. При этом то определение характеристик отдельных импульсов топливоподачи с необходимой точностью становятся возможными именно с использованием принятой цифровой технологии и программного обеспечения.

Для примера, по ГОСТ 10578-86 отклонение средней по секциям ТНВД цикловой подачи топлива на номинальном режиме при испытании на безмоторном стенде должно быть не более ±1,5% от номинального значения, а неравномерность подачи топлива секциями насоса не должна превышать при проверке на стандартном контрольном стенде - 6%.

Программное обеспечение на основе технологий NI формирует виртуальный набор измерительной аппаратуры, позволяющей решить указанный круг задач и, в том числе, задачу измерения фазовых характеристик и цикловой подачи с точностью +/- 1% на номинальном режиме работы ТНВД, что является гораздо более высоким показателем в сравнении с известными методами решения той же задачи. Принятая система измерений параметров ДТА позволяет с высокой точностью определять основные характеристики стендовых и рабочих ТНВД, форсунок и топливопроводов, подобрать их по основным техническим характеристикам с заранее заданными допустимыми отклонениями.

Предложенное устройство, разработанное в МГАУ им. В.П.Горячкина, дополняет и развивает возможности системы эталонирования ДТА в части повышения эффективности, чувствительности и удобства эксплуатации стендов, устройств и контрольных образцов, применяемых при ремонте и техническом обслуживании дизельных агрегатов.

1. Устройство для определения параметров процесса топливоподачи дизельной топливной аппаратуры, содержащее измерительную камеру для размещения топливных форсунок, пьезоэлектрический датчик для измерения давления струи топлива, средства для усиления и обработки полезного сигнала, отличающееся тем, что измерительная камера выполнена конической формы с отверстиями на боковой поверхности для размещения топливных форсунок, оси которых сходятся на поверхности пластины чувствительного элемента, механически связанного с корпусом пьезоэлектрического акселерометра, укрепленного на упругой мембране в основании измерительной камеры, выход которого соединен через блок усилителя заряда с полосой пропускания в ультразвуковой области и блок аналого-цифрового преобразователя с входным портом персонального компьютера, оснащенного программным обеспечением для определения фазовых характеристик и цикловой подачи топлива.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что топливные форсунки установлены на стенках измерительной камеры группами по ее круговым сечениям.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в измерительной камере установлены топливные форсунки-калибры, а персональный компьютер оснащен программой NI Lab VIEW 8.2.