ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8949| Title: | Вдосконалення методу оцінки ресурсу фільтра тонкої очистки палива системи Common Rail |
| Authors: | Шльончак , Ігор Анатолійович Шалагай, В’ячеслав Сергійович |
| Issue Date: | 2022 |
| Abstract: | Пояснювальна записка 88 с., 59 рис., 14 табл., 47 джерел посил. Мета дослідження – визначити залишковий ресурс фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail двигунів на основі оцінки стану його фільтруючого елемента. Об'єкт дослідження – характеристики фільтруючого елемента фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail. Предмет дослідження – зміна характеристик фільтруючого елемента фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail у процесі експлуатації. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі: 1. Виконати аналіз існуючих методів оцінки ресурсу фільтруючих елементів і систем визначення забруднення фільтрів; 2. Визначити аналітичні залежності, основані на застосуванні методу електромеханічних аналогій, що дозволяють ранжувати вплив параметрів паливоподачі та стану фільтруючого елемента на характеристики фільтра тонкого очищення палива; 3. Визначити аналітичні залежності, що дозволяють прогнозувати реальний ресурс фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail, що враховує стан його фільтруючого елемента; 4. Розробити обладнання для реалізації систем контролю стану фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail, що дозволить оцінити фактичний стан і його залишковий ресурс безпосередньо в період експлуатації транспортного засобу; 5. Оцінити працездатність обладнання для реалізації систем контролю стану фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail у виробничих умовах. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8949 |
| Appears in Collections: | 274 Автомобільний транспорт (Автомобільний транспорт) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Шалагай.pdf Restricted Access | 3.18 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний університет (ЧДТУ)
18006, м. Черкаси, бул. Шевченка, 460, тел./факс (0472) 71 00 92
ЗАТВЕРДЖУЮ
зав. кафедри автомобілів та
технологій їх експлуатації, доцент
______________ Л.А. Тарандушка
«___» __________________2022 р.
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА
ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДУ ОЦІНКИ РЕСУРСУ ФІЛЬТРА
ТОНКОЇ ОЧИСТКИ ПАЛИВА СИСТЕМИ COMMON RAIL
Рецензент:
_______________ _____________
(підпис), (дата) (Ініціали, прізвище)
Керівник роботи:
доц. кафедри АТЕ _______________ І.А. Шльончак
(підпис), (дата) (Ініціали, прізвище)
Виконавець:
студент 2 курсу, гр. мАВ-73
спеціальності 274 – Автомобільний
транспорт _______________ В.С. Шалагай
(підпис), (дата) (Ініціали, прізвище)
2022
2
3
РЕФЕРАТ
Пояснювальна записка 88 с., 59 рис., 14 табл., 47 джерел посил.
Мета дослідження – визначити залишковий ресурс фільтра тонкого
очищення палива системи Common Rail двигунів на основі оцінки стану його
фільтруючого елемента.
Об'єкт дослідження – характеристики фільтруючого елемента фільтра
тонкого очищення палива системи Common Rail.
Предмет дослідження – зміна характеристик фільтруючого елемента
фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail у процесі експлуатації.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
1. Виконати аналіз існуючих методів оцінки ресурсу фільтруючих
елементів і систем визначення забруднення фільтрів;
2. Визначити аналітичні залежності, основані на застосуванні методу
електромеханічних аналогій, що дозволяють ранжувати вплив параметрів
паливоподачі та стану фільтруючого елемента на характеристики фільтра тонкого
очищення палива;
3. Визначити аналітичні залежності, що дозволяють прогнозувати
реальний ресурс фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail, що
враховує стан його фільтруючого елемента;
4. Розробити обладнання для реалізації систем контролю стану фільтра
тонкого очищення палива системи Common Rail, що дозволить оцінити
фактичний стан і його залишковий ресурс безпосередньо в період експлуатації
транспортного засобу;
5. Оцінити працездатність обладнання для реалізації систем контролю
стану фільтра тонкого очищення палива системи Common Rail у виробничих
умовах.
4
Зміст
Вступ ................................................................................................................................. 6
РОЗДІЛ 1 СТАН ПИТАННЯ, МЕТА ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ................ 7
1.1 Аналіз палива, його забруднення при виробництві, зберіганні,
транспортуванні та експлуатації транспортних засобів .......................................... 7
1.2 Вплив забруднення дизпалива на надійність двигунів ...................................... 10
1.3 Вимоги до дизельного палива .............................................................................. 12
1.4 Методи очищення палива та обладнання для очищення в системах живлення
дизельних двигунів ..................................................................................................... 14
1.5 Методи оцінки ресурсу фільтруючих елементів і системи визначення
забруднення фільтрів .................................................................................................. 18
Висновок до першого розділу .................................................................................... 23
РОЗДІЛ 2 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ОЦІНКИ СТАНУ ФІЛЬТРА В ПРОЦЕСІ
ЕКСПЛУАТАЦІЇ ........................................................................................................... 25
2.1 Теоретичні положення методу аналогій .............................................................. 25
2.2 Застосування методу аналогій для оцінки стану фільтруючого елемента
фільтра тонкого очищення ......................................................................................... 28
2.3 Оцінка ресурсу фільтра тонкого очищення залежно від пробігу
автотранспортного засобу .......................................................................................... 37
Висновки до другого розділу ..................................................................................... 41
РОЗДІЛ 3 МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ...................... 43
3.1 Загальна структура дослідження ........................................................................ 43
3.2 Методика проведення вимірів параметрів палива ............................................ 44
3.3 Методика вимірювань пружності мембран фільтрів та їх ваги ...................... 49
3.4 Методика визначення розрідження в паливопроводі системи Common Rail за
допомогою калібратора «Метран» ........................................................................... 52
3.5 Методика оцінки викидів шкідливих речовин у відпрацьованих газах ......... 55
3.6 Методика експлуатаційних випробувань транспортних засобів,
укомплектованих системою Common Rail .............................................................. 61
5
3.7 Методика обробки результатів досліджень ...................................................... 62
Висновки до третього розділу .................................................................................. 63
РОЗДІЛ 4 РЕЗУЛЬТАТИ ВИПРОБУВАНЬ ОБЛАДНАНЬ ДЛЯ КОНТРОЛЮ
СТАНУ ФІЛЬТРА ТОНКОГО ОЧИЩЕННЯ ПАЛИВА СИСТЕМИ COMMON
RAIL ................................................................................................................................ 64
4.1 Розробка обладнання для оцінки забруднення фільтруючого елемента
фільтра тонкого очищення палива ........................................................................... 64
4.2 Результати дослідження димності дизельних двигунів, укомплектованих
фільтрами з різним пробігом .................................................................................... 76
4.3 Результати дослідження зміни коефіцієнта пружності фільтруючого
елемента при його обробці ультразвуком ............................................................... 77
4.4 Результати дослідження проходження палива фільтрами з різним пробігом 79
4.5 Результати досліджень фільтрів тонкого очищення із пробігом більше 10000
км ................................................................................................................................. 80
Висновки до четвертого розділу ............................................................................... 81
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ .............................................................................................. 83
ПЕРЕЛІК ДЖЕРЕЛ ПОСИЛАННЯ ................... Помилка! Закладку не визначено.
6
Вступ
Результатом застосування неякісних та забруднених палив є підвищений
викид токсичних речовин та парникових газів, зниження експлуатаційних
характеристик двигунів, зниження їх ресурсу.
Вимоги до якості палива, розміру їх часток (до 2 мкм), визначаються малими
зазорами у плунжерних парах паливних насосів високого тиску (ПНВТ) двигунів.
При відносному терміну служби плунжерних пар 1 та при очищенні палива до
розміру часток 20 мкм, строк служби ПНВТ збільшується в 1,8 разів, а при
очищенні палива до 5 мкм збільшується у 8,4 разів. Висока ступінь очищення
палива позитивно позначається на деталях циліндропоршневої групи (ЦПГ), їх
зношуванні, де площа робочої поверхні гільзи пружного контакту та поршневого
кільця визначає ступінь стиснення паливно-повітряної суміші в камері згоряння,
потужність та екологічну безпеку двигуна.
Підвищенню якості очищення палива від забруднень, оцінці стану ресурсу
елементів фільтрів присвячено велику кількість робіт. Однак, дана проблема
повністю не вирішена дотепер. Тому, дослідження з удосконалювання способів
фільтрації палива, конструкцій та обладнання для підвищення якості фільтрації
палива та оцінки стану фільтруючих елементів є актуальним завданням.
7
РОЗДІЛ 1 СТАН ПИТАННЯ, МЕТА ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ
1.1 Аналіз палива, його забруднення при виробництві, зберіганні,
транспортуванні та експлуатації транспортних засобів
При виробництві, транспортуванні, зберіганні і використанні моторного
палива в нього потрапляють частки, що перебувають у кристалічному, рідкому,
аморфному чи газоподібному станах. Дані домішки можуть мати високу твердість
або бути пластичними, можуть з’єднуватися та утворювати складні ланцюги,
вступати в хімічні реакції та утворювати хімічні сполуки. Забрудненнями є
частки, які потрапили в паливо, незалежно від їхньої структури, кількості та
складу, яка може суттєво змінюватися.
За діючими стандартами та технічними умовами виробники палива
обмежують кількість забруднень у дизельному паливі. Наприклад, частка сірки не
повинна перевищувати 350 мг/кг для класу К3 та 10 мг/кг для класу К5; масова
частка води ≤200 мг/кг; загальне забруднення ≤24 мг/кг.
Наявні методи оцінки забруднень виявляють вміст механічних забруднень у
випадку, якщо їх концентрація ≥0,005% [19]. Методом Діна-Старка можливо
визначити вміст води в паливі, якщо її більше 0,025% [14].
У дизельне паливо вносяться присадки, що поліпшують його експлуатаційні
властивості (рис. 1.1) [18].
Рисунок 1.1 – Типи присадок, що покращують властивості дизельних палив
8
Упакування, зберігання та транспортування дизельного палива повинно
здійснюватись згідно ДСТУ 1510, строк зберігання дизельного палива – 1 рік. В
даний період присадки в дизпаливі повинні бути нейтральними. Однак, під час
перевезення палива або його зберігання, в ньому може накопичуватися велика
кількість забруднень, які можуть хімічно реагувати з присадками.
Існує безпосередня залежність забруднення палива в паливних баках
транспортних засобів від пилу та від сезону експлуатації. Забрудненість може
досягати значень 200…400 г на 1 т палива [3, 5, 8, 15], а якщо транспортний засіб
працює в кар'єрах та часто використовується при переміщенні по грунтових
шляхах, то вміст забруднень може збільшуватися в 1,5 разів.
При транспортуванні, зберіганні чи заправці транспортних засобів влітку
забруднення палива має вигляд, представлений на рис. 1.2, у резервуарах
транспортних засобів – на рис. 1.3.
Рисунок 1.2 – Нагромадження забруднень
При вологості та коливаннях температури дизпаливо починає усмоктувати
пари вологи з повітря: більша площа поверхні палива - більше парів поглинено.
Пара може утворювати окремі мікрокраплі, а при перемішуванні з паливом -
водопаливну емульсію [14]. Перехід води в емульсійний стан з діаметром крапель
7…8 мкм відбувається при зменшенні температури палива, а осадження
9
мікрокрапель на поверхні холодного палива супроводжується збільшенням
температури, що ускладнює видалення вологи з дизпалива.
Рисунок 1.3 – Забруднення палива в баках автомобіля
У паливі вода перебуває у вигляді окремих молекул, і до точки насичення
вони не взаємодіють із молекулами вуглеводнів. Однак, вода може стати
«інкубатором» для мікроорганізмів та продуктів їх життєдіяльності: при
проведенні досліджень у резервуарі ємністю 4000 м3 в 1 мл відстояної води
виявлено 62 млн. колоній мікроорганізмів (при строку зберігання палива, що
перевищує 1 рік), а на межі розподілу «вода - дизельне паливо» - 196 млн.
колоній.
Таким чином, вихідний об’єм забруднень палива збільшується при його
зберіганні в ємностях на транспортних цистернах, складах і паливних баках
транспортних засобів та багаторазово перевершує дані, наведені в стандартах.
Безумовно, це негативно позначається на надійності паливної апаратури (ПА),
циліндропоршневої групи (ЦПГ) дизельного двигуна при його експлуатації.
10
1.2 Вплив забруднення дизпалива на надійність двигунів
«Від забруднення палива насамперед страждають деталі сполучення та вузли
паливної апаратури. Витрати, пов'язані з усуненням наслідків її відмов досить
значні та можуть становити близько 90 % всіх трудових витрат. Відхилення
потужності дизельного двигуна від номінального значення -7%...+5% можна
вважати відмовою. Зменшення потужності через граничне зношування основних
ресурсовизначних сполучень двигуна не повинно перевищувати 5%. Основною
причиною таких відмов вважають несправність паливної апаратури дизельного
двигуна [11, 14]. Більше половини відмов, що доводиться на паливну систему,
пов'язують із забрудненням дизпалива» [5, 13, 14, 16].
Ненормовані відхилення в технічному стані ПА суттєво знижують надійність
інших сполучень двигуна, прискорюючи процес їх зношування [13, 27]. На
рис. 1.4 наведено вплив технічного стану та регулювань ПА на зношування
верхньої зони циліндра дизельного двигуна [15].
Рисунок 1.4 - Зношування верхньої зони циліндра (ΔS) при різному технічному
стані ПА в залежності від напрацювання (t): 1 – нормальне регулювання ПА;
2 – жорсткість пружини форсунки знижена на 40%; 3 – циклова подача дизпалива
збільшена на 22,5%; 4 – кут випередження подачі палива менший на 29%;
5 – результат дії зазначених факторів
Прискореному процесу зношування сприяє потрапляння забруднень в камеру
згоряння із паливом. Тверді частки забруднень спочатку залишають подряпини на
11
поверхні гільз, так як робочі поверхні поршневих кілець покриті твердим
зносостійким покриттям – молібденом або хромом. Однак, подряпини при
подальшій роботі ДВЗ збільшуються в розмірах, можуть виникнути відколи та
викришування робочої поверхні гільз, що може привести до зниження ступеня
стиснення, як наслідок, знижуючи потужність ДВЗ та збільшуючи викид
шкідливих речовин в атмосферу.
«Відомо, що прецизійна пара нагнітального клапана із гніздом, плунжера та
голки з конусом розпилювача форсунки із втулкою високої чистоти обробки
поверхонь» [20]. При потраплянні абразивних часток у ПНВТ та форсунки процес
зношування деталей суттєво інтенсифікується. Результатом є погіршення процесу
вприскування палива та його сумішоутворення, що приводить до втрати стійкості
роботи ДВЗ, погіршенню характеристик потужності та пускових характеристик,
підвищенню токсичності, димності ВГ. Подальша експлуатація ДВЗ стає або
занадто затратною, або неможливою.
Наявність води в паливі, не будучи хімічно нейтральною, приводить до
утворення шламів, що забивають канали паливопроводів та пори фільтруючих
елементів фільтрів. Виникають хімічні сполуки, що викликають електрохімічну та
хімічну корозію деталей ПА. Змащення прецизійних деталей ПА проводиться в
процесі проходження по них палива, тому поява води в паливі приводить до
погіршення даного процесу та інтенсифікує зношування. Кристалізація води при
низьких температурах приводить до руйнування перегородок фільтруючих
елементів, може стати причиною повного припинення подачі палива в ДВЗ.
Зростання кількості мікроорганізмів викликає істотне збільшення кислотності
палива, йодного числа, вміст у ньому смол, в'язкості, знижує його хімічну
стабільність та випаровуваність [7]. Отже, збільшення ступеня забруднення
дизпалива в процесі експлуатації ТЗ збільшує та прискорює процес зношування
вузлів та деталей двигуна, вносячи незворотні зміни в експлуатаційні показники
ТЗ.
12
1.3 Вимоги до дизельного палива
Всі вищенаведені факти суттєво позначаються на вимогах до дизпалива. Для
економічної та надійної роботи дизельного двигуна паливо повинно відповідати
наступним екологічним і технічним вимогам:
− забезпечувати гарне сумішоутворення та тонке розпилювання;
− не викликати корозії паливних баків, паливопроводів та інших деталей
ДВЗ;
− не містити води та механічних домішок, мати потрібну в'язкість, необхідні
низькотемпературні властивості;
− повністю згоряти, щоб двигун легко запускався;
− забезпечувати мінімальний викид ВГ в атмосферу.
В Україні на виробництво ДП діє чинний державний стандарт ДСТУ 3868-
99 "Дизельне паливо Євро", що пред'являє високі вимоги по температурі спалаху
та цетановому числу. Дизпаливо можна використовувати в техніці класу II.
Впровадження стандартів пов'язано з декількома причинами, зокрема з
використанням системи паливоподачі Common Rail, що представляє собою
електронну систему розподілу палива в кожний циліндр двигуна по форсунках з
п'єзоелектричною високошвидкісною системою паливоподачі до 3...5
підвприскувань робочого заряду палива протягом одного циклу [23, 33]. Така
організація робочого процесу вимагає використання дизельного палива з високим
цетановим числом.
В Європі борються зі зменшенням викидів ВГ. Уряди стимулюють
використання ТЗ, обладнаних ДВЗ шляхом надання податкових пільг для їхніх
власників, а також утриманням цін на дизпаливо на «привабливому» рівні. У
2007 р. ЄС ввів нові стандарти Євро 5 і Євро 6 для автомобілів з ДВЗ. Згідно
Євро 5, викиди твердих часток не повинні перевищувати 5 мг/км, викиди оксидів
азоту 180 мг/км. Євро 6 обмежує вміст оксидів азоту на рівні 80 мг/км.
Швеція в 1991 р. ввела специфікації на дизпаливо класу I і II, що
передбачають вміст сірки 10 та 50 мг/кг. В 1993 р. в США введений стандарт, що
13
обмежує вміст сірки до 500 мг/кг, поліциклічних ароматичних вуглеводнів (ПАВ)
– до 1,7%, ароматичних вуглеводнів до 36 %. Південно-Східна Азія приводить
стандарти у відповідність до стандартів ЄС та США. Таким чином, Японія,
Південна Корея та Китай перейшли на виробництво низькосірчистих,
високоякісних дизпалив з вмістом сірки до 50 мг/кг. У Канаді з 2006 р. діє
стандарт, що обмежує вміст сірки до 15 мг/кг.
Слідом за вимогами по обмеженню вмісту шкідливих речовин у ВГ дизелів
стандарти Євро підвищують вимоги до якості самих дизельних палив (табл. 1.1)
[28].
Таблиця 1.1 - Вимоги стандартів Євро до якості дизельних палив
Стандарт по обмеженню вмісту шкідливих речовин у
Показник відпрацьованих газах двигунів
2000 р. Євро-3 2005 р. Євро-4 2009 р. Євро-5 2020 р. Євро-6
Вміст сірки, % не більше 0,035 0,005 0,001 0,0005
Цетанове число, не менше ≤51 ≤30
Змащувальна здатність при
60 40
60%, мкм не більше
Вміст ПАВ, % не більше 11 8
Густина при 15 °С, кг/м³ 820-845 740-725
Фракційний склад: 95%
360 320
переганяється до, °С
Окислювальна стабільність 25 20
Вміст метилових ефірів жирних
5 5
кислот, %
Досвід експлуатації техніки, обладнаної ДВЗ показує, що забруднення
дизпалив виявляє різний негативний вплив на показники дизельного двигуна.
Збільшення зазору в плунжерних парах з 0,8 мкм до 7 мкм супроводжує
збільшення індикаторної витрати дизпалива всього на 5 %, однак при цьому пуск
дизельного двигуна неможливий. Тому, для забезпечення безвідмовної роботи
прецизійних деталей ПА, з дизпалива необхідно видаляти частки забруднень
розміром, що перевищують половину величини зазору в плунжерній парі.
Номінальна тонкість очищення дизпалива не повинна перевищувати 5 мкм, а
абсолютна величина – 10 мкм [9, 15-20]. Результати досліджень показують, що
14
при очищенні палива 2÷5 мкм тривалість роботи плунжерних пар збільшується в
2…4 рази. Крім тонкості очищення дизпалива істотну роль відіграє повнота
очищення: за відсутність механічних домішок у дизпаливі приймається менше
50 г на 1 т (≤ 0,005%), а припустимий вміст води в дизельному паливі становить
0,025...0,03%.
Таким чином, підвищення вимог до очищення дизельного палива від різних
забруднень дозволяє суттєво збільшити ресурс дизельного двигуна та заощадити
на його обслуговуванні і ремонті.
1.4 Методи очищення палива та обладнання для очищення в системах
живлення дизельних двигунів
У системах живлення дизелів застосовується багатоступінчасте очищення
палива (рис. 1.5).
Рисунок 1.5 – Багатоступінчасте очищення палива
Конструктивні особливості паливної апаратури та умови експлуатації
транспортного засобу визначають як кількість фільтрів, так і їх розміщення.
Для паливних систем імпортних дизелів, наприклад, «Массей-Фергюрсон
205Х», «Татра 815» та ін., характерним є послідовне розміщення фільтрів,
відсутність фільтра в заливній горловині бака, а також відсутність крана для
15
зливу відстою з бака. Це пояснюється більш високими вимогами до вихідної
чистоти дизпалива, а також до умов його перевезення та зберігання [31, 39].
У більшості імпортних дизелів фільтр грубого очищення встановлений до
насоса низького тиску, фільтр тонкого очищення – після нього [17, 18].
За принципом дії способи фільтрації можуть бути розділені на дві групи:
1. способи очищення в силових полях (магнітне, силове, відцентрове,
гравітаційне, ультразвукове, електричне, їх комбінація);
2. способи очищення з використанням пористих матеріалів.
Єдиний недолік найпростішого та дешевого методу очищення палива –
відстоювання в гравітаційному полі – тривалий час відстоювання. У цьому
випадку безпосередньо на транспортному засобі з метою недопущення
перемішування палива з відстоєм встановлюються гравітаційні відстійники, а в
паливних баках організовують зони для збору та наступного видалення відстою,
що утворюється.
За допомогою магнітних полів видаляються забруднення, що мають
феромагнітні властивості, тому звичайно їх комбінують із іншими способами
очищення.
Відцентрові очисники підрозділяються на центрифуги – паливо рухається
разом з ротором, і гідроциклони – обертається потік палива.
Гідроциклони практично не застосовуються в паливних системах дизелів
транспортних засобів через те, що на вході в гідроциклон необхідно створювати
значний тиск. Це є наслідком дуже великого гідравлічного тиску при зміні
напрямку потоку рідини на 180о.
Центрифуги бувають низькооборотні – 5000…10000 об/хв та високооборотні
– 10000…20000 об/хв, а також можуть бути товстошаровими та тонкошаровими.
Обладнання приводу може бути пневматичним, газовим, електричним,
механічним та гідравлічним.
Переваги та недоліки центрифуг наведено на рис. 1.6- 1.7.
16
Рисунок 1.6 – Переваги центрифуг
Рисунок 1.7 – Недоліки центрифуг
Друга група містить гідравлічні фільтри, які мають корпус, фільтруючий
елемент або кілька фільтруючих елементів, встановлених у ньому. У таких
фільтрах використовуються штифтові, плунжерні, кулькові, плоскі запобіжні та
пропускні клапани. Фільтри виконуються литими із алюмінієвих сплавів або
чавуну, а також штампованими зі сталі для підвищення твердості конструкції.
Фільтраційні матеріали таких фільтрів повинні мати властивості, зазначені на
рис. 1.8.
17
Рисунок 1.8 – Властивості фільтраційних матеріалів гідравлічних фільтрів
Очищення палива фільтрами очищення дизельного палива регламентується
ДСТУ 53640-2009. Стандарт охоплює пористі фільтри, пористі фільтруючі
елементи, щілинні фільтруючі елементи та сітчасті фільтруючі елементи [39].
Деталі фільтрів і елементи повинні бути корозійностійкими відносно палива,
води, яка втримується в ньому, та хімічно активних забруднень. Корпуса фільтрів
і всіх їхніх елементів повинні бути герметичні в місцях з'єднання, ущільнення та
по зовнішніх поверхнях корпусних деталей.
Ресурс і термін служби фільтрів при періодичній зміні фільтруючих
елементів повинні бути не менші за ресурс і термін служби дизелів, для яких вони
призначені. Конкретні значення ресурсу та терміну служби фільтрів,
періодичність заміни змінних фільтрів і фільтруючих елементів визначають по
конструкторській документації на фільтри конкретного типу.
Гарантійний строк експлуатації та гарантійний наробіток фільтрів
встановлюють по конструкторській документації на фільтри конкретних типів,
18
але не менше гарантійного строку експлуатації та гарантійного наробітку
дизельного двигуна. Гарантійний строк зберігання фільтрів і елементів, що
поставляються в запасні частини - не менш двох років з моменту виготовлення, а
на вимогу замовника - не менш 5 років.
Таким чином, існуючі способи та обладнання очищення палива, створені на
основі вимог стандартів, дозволяють нівелювати потрапляння забруднень у паливо
на різних етапах виробництва, транспортування, зберігання палива та експлуатації
транспортних засобів, і реалізувати дизельному двигуну закладені в нього техніко-
економічні й екологічні характеристики.
1.5 Методи оцінки ресурсу фільтруючих елементів і системи визначення
забруднення фільтрів
Найбільше поширення останнім часом отримали фільтри другої групи (з
пористими перегородками). Тому будемо проводити аналіз ресурсу роботи даних
фільтрів.
Безпосередньо з фільтрацією палива велике значення має інформація про стан
фільтруючого елемента паливного фільтра. Це пов'язано з тим, що забруднення
палива залежить і від його вихідного стану, і від умов експлуатації. Створення
систем контролю стану фільтрів дизельного палива спрямовано на проведення
заміни фільтра, у першу чергу, залежно від ступеня забруднення фільтруючого
елемента, а не тільки від установленого виробником ресурсу [33]. При сильно
забрудненому паливі фільтруючі елементи фільтра тонкого очищення палива
закупорюються вже до проведення планових профілактичних робіт. У цьому
випадку проводиться дострокова заміна забрудненого фільтра тонкого очищення
дизельного палива. При використанні високої якості палива, фільтри тонкого
очищення дизельного палива заміняються передчасно, у результаті чого
відбувається заміна ще працездатного фільтра.
Системи оцінки ресурсу фільтрів базуються, в основному, на розрахунково-
експериментальному визначенні відразу декількох параметрів [6, 21, 32]. Як
19
приклад, приведемо розрахунки ресурсу фільтра, що базується на законі
фільтрації Дарсі. Цей закон застосовується для умовно суцільного циліндричного
пористого фільтруючого елемента (мембрани), з урахуванням лінійного
збільшення ступеня обтиснення фільтруючого матеріалу від периферії до центру
та зменшення проникності за гіперболічним законом:
Vv lnd
P = (P − P )= n lnd − (n −1) 1−
0 н в в в , (1.1)
2K H ( )d −1
0
де ΔР0 – перепад тиску на фільтруючому елементі;
V – витрата палива; v – кінематична в'язкість палива; ρ – густина;
K0 – коефіцієнт проникності фільтруючого матеріалу у вільному стані;
d – співвідношення зовнішнього та внутрішнього діаметрів фільтруючого
елемента; nв – ступінь обтиснення матеріалу на внутрішньому діаметрі.
Оскільки очищення забруднень досягає 95 %, із заданих умов виводиться
формула очищення палива фільтруючим елементом:
K
d = 5,134 0 , (1.2)
0,95
n 1− (1− )n
в 0 в
де Ψ0 – початкова пористість початкового матеріалу фільтра.
Далі вводиться умова, що пориста структура фільтруючого матеріалу
забезпечує процес фільтрування з поступовим закупорюванням пор. Дана умова в
остаточному підсумку допомагає визначити максимальний ресурс τ роботи
фільтруючого матеріалу, пов'язавши його з початковим ΔР0 і кінцевим ΔР
перепадом тиску на фільтруючому елементі:
P
P = 0 , (1.3)
( 2
1−m )
4c V
m = 0 , (1.4)
(d 2 − d 2 )Н
cp н в
20
= 0,5( + (1− (1− )п )); (1.5)
ср 0 0 в
де с0 – концентрація забруднень; φ – коефіцієнт повноти очищення;
λ – емпіричний коефіцієнт конкретного процесу очищення палива;
τ – час фільтрування; (d 2 − d 2 ) – різниця квадратів зовнішнього і
н в
внутрішнього діаметрів фільтруючого елемента; Н – висота фільтроелементу.
Потрібно мати на увазі, що для більшості сільськогосподарської техніки
параметр τ буде виражатися в мото-годинах, а для автотранспортної техніки – у
пробігу в кілометрах.
Зрозуміло, що в умовах експлуатації транспортного засобу провести
теоретико-експериментальну перевірку вищевказаних параметрів вкрай важко, і,
більше того, вимагає високої кваліфікації працівника і спеціального
високовартісного устаткування. Тому, часто бувають спроби оцінити в процесі
роботи дизельного двигуна стан фільтруючого елемента більш простими
методами та зробити висновок про необхідність заміни фільтра або, навпаки, про
продовження його експлуатації, наприклад, при використанні палива з низьким
ступенем забруднення.
Розглянемо найбільш ефективні технічні рішення в даній області. Наприклад,
індикатор забруднення фільтра, що складається з манометра, фільтра, у корпусі
якого встановлений фільтруючий елемент та зворотний клапан. Фільтр додатково
оснащений в каналі основного зворотного гідроклапана другим гідроклапаном і
дроселем, до якого приєднаний манометр (рис. 1.9) [11]. Однак, таке рішення має
істотний недолік – не має змоги інформувати водія транспортного засобу або
технічний персонал, що його обслуговує, про розгерметизацію фільтруючого
елемента.
21
Рисунок 1.9 - Індикатор забруднення фільтра: 1 – корпус; 2 – фільтруючий
елемент; 3 – зворотний гідроклапан; 4 – додатковий зворотний гідроклапан;
5 – перегородка; 6 – манометр; 7 – вхідний отвір; 8 – вихідний отвір; 9 – канал
Також відомий сигналізатор забруднення фільтра паливної системи двигуна
внутрішнього згоряння, що містить включену в ланцюг сигналізацію та
розміщений в корпусі манометричний датчик, порожнини якого з’єднані каналами
із входом і виходом фільтра. Відрізняється тим, що з метою усунення впливу
зміни параметрів палива на показання сигналізатора, він оснащений додатковим
чутливим елементом манометричного датчика, який встановлений за фільтром
датчиком опору. Його гідравлічна характеристика ідентична характеристиці
фільтра, а вхід і вихід опору з’єднані з порожнинами додаткового чутливого
елемента (рис. 1.10) [2].
22
Рисунок 1.10 - Сигналізатор забруднення фільтра паливної системи: 1 – фільтр;
2 – датчик опору; 3, 4, 7, 8 – канали; 5 – манометричний датчик; 6 – мембрана;
9 – додаткова мембрана; 10 – шток; 11 – контакти; 12 – упор; 13 – демпфери
Це технічне рішення має аналогічний недолік – система сигналізатора
фільтра не здатна реєструвати розгерметизацію фільтруючого елемента, тому що
при розгерметизації тиск після фільтра збільшується, і відповідно, зменшується
зусилля, що розвивається мембраною основного датчика, спрямоване вниз, а
мембрана залишається на упорі.
Також відома система контролю стану фільтра двигуна внутрішнього
згоряння, що містить фільтр, вимірювач тиску, порожнини якого з’єднані
каналами із входом, виходом фільтра та який підключений у ланцюг сигналізації
двигуна. Система обладнана електронним блоком керування, датчиками
температури охолоджуючої рідини та частоти обертання колінчатого вала
двигуна, при цьому один із входів електронного блоку керування з'єднаний з
вимірювачем тиску, а другий і третій входи блоку з'єднані відповідно із
23
зазначеними датчиками. Один з виходів електронного блоку керування з'єднаний з
виконавчим механізмом, а другий вихід з'єднаний із сигнальними елементами
ланцюга сигналізації двигуна [33].
Недоліки цього технічного рішення наступні: система контролю стану
фільтра ДВЗ вимагає зовнішнього джерела живлення, тому що підключена до
електронного блоку керування ДВЗ. Сигнальні елементи ланцюга сигналізації
двигуна встановлені стаціонарно в системі живлення ДВЗ. Сигналізатор у системі
живлення ДВЗ подає сигнал тільки про вже забруднений елемент. Тому, дана
система контролю стану фільтра не дозволяє завчасно попередити про наступаюче
погіршення якості очищення палива фільтруючим елементом.
Таким чином, існуючі методи оцінки ресурсу фільтруючих елементів
паливних фільтрів хоча й включають емпіричні та напівемпіричні дані досить
складні для реалізації, а пропоновані технічні розв'язки по визначенню
забруднення фільтрів мають істотні недоліки, пов'язані із своєчасністю ухвалення
рішення про проведення заміни.
Висновок до першого розділу
Ґрунтуючись на методах очищення палива та оцінки ресурсу паливних
фільтрів, а також впливу забруднення палива на надійність дизельних двигунів
можна констатувати наступне:
1. Фактичне забруднення дизельного палива в складських резервуарах,
транспортних цистернах і паливних баках транспортних засобів суттєво
перевершує вихідний об’єм забруднень, регламентований відповідними
стандартами, що негативно відображається на надійності паливної апаратури та
циліндропоршневої групи дизельного двигуна при його експлуатації.
2. Підвищення вимог до очищення дизельного палива від різних забруднень
дозволяє суттєво підвищити ресурс дизельного двигуна та заощадити на його
обслуговуванні і ремонті. Наприклад, при тонкості очищення палива 2÷5 мкм
тривалість роботи плунжерних пар збільшується в 2,5…4 разів.
24
3. Існуючі способи та обладнання очищення палива дозволяють суттєво
знизити потрапляння забруднень у паливну апаратуру та циліндропоршневу
групу дизельного двигуна і, тим самим, реалізувати закладені в ньому техніко-
економічні і екологічні характеристики.
4. Існуючі методи оцінки ресурсу фільтруючих елементів паливних фільтрів
досить складні для реалізації, а запропоновані технічні рішення по визначенню
забруднення фільтрів мають істотні недоліки, пов'язані зі своєчасністю прийняття
рішення про проведення заміни.
25
РОЗДІЛ 2 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ОЦІНКИ СТАНУ ФІЛЬТРА В
ПРОЦЕСІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
2.1 Теоретичні положення методу аналогій
При розрахунках математичних систем часто звертаються до
електромеханічної аналогії, порівнюючи механічну і електричну системи [12, 26].
Наприклад, при електромагнітних коливаннях змінюється q заряд
конденсатора та сила струму в ланцюзі I, при механічних коливаннях змінюється
координата тіла x та проекції швидкості v на вісі координат (vх, vy).
Аналогічність базується не на природі протиставлення величин, а на
процесах періодичної їх зміни [11]. Так, тіло на пружині, що попередньо стягнуто
або розтягнуто повертається під дією сили пружності F до положення рівноваги,
яка пропорційна зсуву тіла. Жорсткість пружини k є коефіцієнтом пропорційності:
F = −kx (2.1)
Розряд конденсатора дорівнює різниці потенціалів (напругою U) між його
пластинами. Напруга U при цьому пропорційна заряду q, а коефіцієнтом
пропорційності - величина зворотня ємності:
1
U = q.
(2.2)
C
Внаслідок інертності тіла у механічній системі, обумовленої наявністю ваги,
поступово збільшується швидкість під дією сили з 0 до максимального значення.
Після припинення дії сили дана швидкість не стає відразу рівною 0.
Розглядаючи конденсатор у складі коливального контуру можна
стверджувати, що електричний струм у котушці збільшується під дією напруги
поступово за рахунок явища самоіндукції та не зникає в момент, коли напруга стає
26
рівною 0. У цьому випадку індуктивність контуру L буде відіграти ту ж саму
роль, що й вага тіла m в механіці.
mv2
Наприклад, кінетичній енергії тіла може відповідати енергія магнітного
2
Li2
поля струму , а імпульсу тіла (mv) - потік магнітної індукції Li. Процес
2
kx2
заряду конденсатора може відповідати потенційній енергії (при зміщенні тіла
2
на відстань xm від положення рівноваги).
Таким чином, можна стверджувати, що початкова координата х відповідає
m
заряду q , а жорсткість пружини k відіграє при коливальному механічному
m
1
процесі таку ж роль, як при електромагнітних коливаннях. Відповідність між
С
електричними та механічними величинами при коливаннях наведено в табл. 2.1.
Таблиця 2.1 - Відповідність між механічними та електричними величинами
Електричні величини Механічні величини
Заряд q Координата х
Сила струму i=q' Швидкість vx=x'
Швидкість зміни сили тока i' Прискорення аx=vx
Індуктивність L Вага m
Величина, зворотна електроємності,1/С Жорсткість k
Напруга U Сила F
Опір R В'язкість
Енергія електричного поля Потенційна енергія деформованої
конденсатора q2/(2∙C) пружини kx2/2
Енергія магнітного поля котушки Li2/2 Кінетична енергія mv2/2
Потік магнітної індукції Li Імпульс mv
Згідно табл. 2.1 виведемо рівняння коливань горизонтального пружинного
маятника та вільних незатухаючих електромагнітних коливань у контурі.
Використовуючи до пружинного маятника закон збереження енергії, отримаємо
рівність:
27
Е + Е = Е, (2.3)
к п
mv2 kx2
де Е = - кінетична енергія; Е = - потенційна енергія,
к п
2 2
mv2 Li2 kx2 q2
→ та → , (2.4)
2 2 2 2C
mv2 kx2 kx2
+ = m = const, (2.5)
2 2 2
q2 Li2 q2
отримаємо: + = max = const (2.6)
2C 2 2C
Розв'яжемо рівняння (2.5) з урахуванням того, що похідна повної енергії за
часом дорівнює 0, тому що енергія постійна. Сума похідних за часом від енергій
електричного та магнітного полів дорівнює 0.
Li 2 q2
+ = 0 (2.7)
2 2C
Li 2 q 2
або = . (2.8)
2 2C
Рівняння (2.8) можна трактувати в такий спосіб: швидкість зміни енергії
магнітного поля по модулю дорівнює швидкості зміни енергії електричного поля.
Знак «мінус» вказує на те, що при зростанні енергії електричного поля енергія
магнітного поля зменшується (та навпаки). Таким чином, загальна енергія
системи не змінюється.
Обчислимо обидві похідні в рівнянні (2.8):
L 1
2ii = − 2qq (2.9)
2 2C
28
qq
Lii = − (2.10)
C
оскільки i→ q,
qi
Liq = − та i → q, (2.11)
C
qi
Lqi = − . (2.12)
C
Таким чином отримаємо рівняння, що може описати процес, який
відбувається в коливальному контурі:
1
q = − q. (2.13)
LC
2.2 Застосування методу аналогій для оцінки стану фільтруючого
елемента фільтра тонкого очищення
Дослідимо фільтрацію палива в системі паливоподачі ДВЗ. Вона
характеризується пульсацією палива із частотою, яка залежить від кількості
форсунок та обертів двигуна.
Введемо наступні допущення:
− пульсація палива не залежить від забруднення фільтруючого елемента
фільтра;
− сила, створена за рахунок розрідження на виході фільтра ПНВТ
прямопропорційна тиску, помноженому на площу перерізу паливопровода;
− пульсація палива змінюється за гармонійним законом;
− фільтр повністю заповнений паливом.
Форма імпульсу тиску палива прямокутна за рахунок високої швидкодії
форсунок (рис. 2.1). Зі збільшенням забруднення фільтра прямокутні лінії будуть
по обидві сторони. Пониження ліній пов'язано з уповільненням відгуку мембрани
29
фільтруючого елемента на зміну тиску – як при його пониженні, так і підвищенні
з мінімального до максимального рівня.
Рисунок 2.1 - Зміна форми імпульсу тиску палива, що пов'язана із розтягненням
мембрани та забрудненням фільтра
Знайдемо максимальну швидкість зміни положення мембрани фільтра, що
перебуває в середовищі палива при дії на неї змінної сили, обумовленої
пульсацією тиску в паливопроводі із частотою, що залежить від кількості
форсунок і обертів двигуна (рис. 2.2).
Рисунок 2.2 - Відхилення мембрани при пульсації тиску
30
Пульсація тиску ΔP пропорційна кількості форсунок n та частоті обертання
колінчатого вала ω. Сила F, що впливає на мембрану, пропорційна ΔP, пульсації
тиску. Зміна ваги мембрани m впливає на зміну тиску ΔP та швидкість
реагування відхилення мембрани. Відхилення мембрани δ пропорційно
жорсткості її кріплення k до стінок фільтра та пульсації тиску Δ P.
Розглянемо наступну схему фільтруючого елемента (рис. 2.3). Представимо
мембрану як тіло з вагою m, що перебуває у в’язкій рідині. Сила F виникає при
пульсації тиску в паливопроводі. Коефіцієнт жорсткості k показує жорсткість
кріплення мембрани до стінок фільтра.
Користуючись правилом аналогій складаємо електричну схему, яка виглядає
як коливальний контур та містить зовнішнє джерело змінного струму (рис. 2.4).
Закон зміни коливального контуру визначається законом пульсації палива.
Рисунок 2.3 - Схема фільтруючого елемента, напрямок сили якого наведено у
момент створення розрідження
Рисунок 2.4 - Коливальний контур
31
Застосовуючи закон Ома для ділянки ланцюга при визначенні змінного
струму знаходимо максимальну силу струму:
U U
I = M = M ,
M (2.14)
Z 2
2 1
R + L −
LC
де Z – повний опір ланцюга, Ом; R – активний опір, Ом; UM – максимальне
(амплітудне) значення напруги, В; L – індуктивність, Гн; C – ємність, Ф; ω -
-1
частота змушених коливань, c .
Встановимо відповідності характеристик електричної та механічної схем
(табл. 2.1):
m→ L; (2.15)
F →U ; (2.16)
k→1 C ; (2.17)
→ R (2.18)
F
Тоді ~ (2.19)
2
2 k
+ m −
Зміна коефіцієнта жорсткості (пружності) k кріплення мембрани до стінок
корпуса та ваги m мембрани можна визначити експериментально в новому
фільтрі та фільтрі, що виробив свій ресурс. В'язкість палива задається технічними
умовами та може бути визначена експериментально.
Для оцінки коефіцієнта пружності (жорсткості) k використовуємо
залежність, що описує силу пружності залежно від зсуву пружини (рис. 2.5):
F = −k( − )
пр 2 1 (2.20)
де δ - зсув, k – коефіцієнт пружності (жорсткості).
32
Визначаючи тангенс кута нахилу прямої можно знайти коефіцієнт k для
нового фільтра та фільтра, що виробив ресурс.
Рисунок 2.5 - Схема визначення коефіцієнта пружності (жорсткості) мембрани
фільтра
Були проведені експериментальні дослідження по вимірюванню коефіцієнта
пружності (жорсткості) мембрани (рис. 2.6). Результати наведено в табл. 2.2-2.4.
Рисунок 2.6 - Установка для
вимірювання коефіцієнта пружності
(жорсткості) мембрани фільтрів:
1 – мікроскоп; 2 – мембрана фільтра;
3 – динамометр
33
Таблиця 2.2 - Дані розрахунків коефіцієнта пружності (жорсткості) мембрани
нового фільтра
Номер Деформуюча Положення Коефіцієнт пружності,
Абсолютна деформація, м
досліду сила, Н показника Н/м
1 0 4,8 0,000000000
2 19,6 5,4 0,000115385 169866,67
3 9,8 5,1 0,000057692 169866,67
4 39,2 5,9 0,000211538 185309,09
5 29,4 5,6 0,000153846 191100,00
6 49 6,1 0,000250000 196000,00
Середнє арифметичне 182428,49
Коефіцієнт Стьюдента 2,1
(P=0,9, N=5)
Абсолютна статична 11340,76
похибка
Відносна похибка 6,22%
Таблиця 2.3 - Дані розрахунків коефіцієнта пружності (жорсткості) мембрани
фільтра із пробігом 10 тис. км.
Номер Деформуюча Положення
Абсолютна деформація, м Коефіцієнт пружності, Н/м
досліду сила, Н покажчика
1 0 6 0,000000000
2 19,6 6,7 0,000134615 145600,00
3 9,8 6,4 0,000076923 127400,00
4 39,2 7,4 0,000269231 145600,00
5 29,4 7,1 0,000211538 138981,82
6 49 7,7 0,000326923 149882,35
Середнє арифметичне 141492,83
Коефіцієнт Стьюдента 2,1
(P=0,9, N=5)
Абсолютна статична похибка 8254,83
Відносна похибка 5,83%
Таблиця 2.4 - Дані розрахунків коефіцієнта пружності (жорсткості) мембрани
фільтра із пробігом 20 тис. км. (фільтр замінений)
Номер Деформуюча Положення Абсолютна деформація, м Коефіцієнт пружності, Н/м
досліду сила, Н покажчика
1 0 6 0,000000000
2 19,6 6,9 0,000173077 113244,44
3 9,8 6,5 0,000096154 101920,00
4 39,2 7,7 0,000326923 119905,88
5 29,4 7,3 0,000250000 117600,00
6 49 8,1 0,000403846 121333,33
Середнє арифметичне 114800,73
Коефіцієнт Стьюдента 2,1
(P=0,9, N=5)
Абсолютна статична 7348,63
похибка
Відносна похибка 6,4%
34
На рис. 2.7 наведено зведений графік зміни коефіцієнта пружності
(жорсткості) мембрани фільтра залежно від пробігу.
Рисунок 2.7 – Залежність зміни коефіцієнта пружності мембрани фільтра від
пробігу
Методику розрахунків коефіцієнта пружності мембрани та похибок наведено
в розділі 3. На жаль, не можливо прямо замінити механічні аналоги на електричні.
З використанням співвідношень (2.19) можна оцінити відхилення величин у
заданих межах (прийнявши за одиницю (чи 100 %) вихідне значення, а граничне
розрахувавши у відсотках від вихідного).
Приймаємо наступні вхідні дані:
1. Паливопідкачуючий насос Feed pump, ПНВТ Denso HP3 (рис. 2.8).
Частота обертання валу підкачуючого насоса 1000 об/хв при якому прокачується
3
об’єм палива 245± 60 см /хв.
2
2. Розрідження в паливопроводі ΔР=5000…12000 Н/м .
2
3. 2
Кінематична в'язкість ДП: зимове 1,8÷5 мм /с, літнє 3÷6 мм /с.
4. 2
Площа паливопровода S=38,5∙10-6 м .
5. Процес вимірювання ваги нового фільтру, фільтру із пробігом 10 тис. км.
та фільтру із пробігом 20 тис. км. наведено на рис. 2.9-2.12.
35
Рисунок 2.8 - Паливопідкачуючий насос Feed pump
Рисунок 2.9 - Вага нового фільтра Рисунок 2.10 - Вага нового фільтра
після заповнення ДП та наступної
просушки
Рисунок 2.11 - Вага фільтра із Рисунок 2.12 - Вага фільтра із пробігом
пробігом 10 000 км 20 000 км
36
Приймаємо:
1. Частота пульсацій ДП в паливопроводі дорівнює частоті обертання вала
-1 -1
підкачуючого насоса 1000 хв (≈17 с );
2. Коефіцієнт жорсткості нового фільтра k0=182428 Н/м; із пробігом
10000 км. k10=141492 Н/м; із пробігом 20000 км. k20=114800 Н/м;
3. Вага нового фільтра після заповнення ДП і наступної просушки m0=124 г.;
із пробігом 10000 км. m10=157 г; із пробігом 20000 км. m20=173 г.;
4. Сила, що діє на мембрану при створенні розрідження:
F=РсрS =8,5∙103∙38,5∙10-6 ≈ 0,33 Н;
2
5. Середнє значення коефіцієнта в'язкості зимового палива βз=3,4∙10-6 м /с;
2
літнього палива βл=4,5∙10-6 м /с.
На основі отриманих даних, підставляючи їх у (2.14) та використовуючи
залежність (2.19) отримаємо залежність зміни швидкості реагування мембрани на
параметри паливоподачі та її забруднення.
Згідно аналізу даних, наведених у табл. 2.6, головним для швидкості коливань
мембрани є її стан – розтягування фільтруючого елемента та його забрудненість.
Закон зміни швидкості від стану фільтруючого елемента в період його
експлуатації близький до лінійного (рис. 2.13).
Таблиця 2.6 – Результати розрахунків зміни швидкості реагування мембрани
Швидкість руху
K, Н/м ω, с-1 m, кг 2
β, м /с F, Н
мембрани, υ
1 0 182428 0,124 літн. 4,5∙10-6 4,34∙10-8 -8
4,34∙10
2 20 114800 17 0,157 Зим. 3,4∙10-6 0,33 9,6∙10-8 9,6∙10-8
3 10 141492 0,157 зим. 3,4∙10-6 7,07∙10-8 7,07∙10-8
літнє зимове
паливо паливо
Стан
фільтра
Пробіг,
тис. км.
37
Рисунок 2.13 – Залежність зміни швидкості руху фільтруючого елемента залежно
від зміни параметрів та пробігу k, ω, m, β, F
2.3 Оцінка ресурсу фільтра тонкого очищення залежно від пробігу
автотранспортного засобу
В більшості конструкціях фільтруючих елементів при фільтруванні
відбувається поступове закупорювання їх пор. Ресурс фільтруючих елементів
визначається в період зміни розрідження при початковому ΔР0 та кінцевому ΔРк
значенні за час τфе. Закон фільтрування з закупорюванням пор визначається
наступним чином [21, 26]:
P G G c V
0 ф ф q 0 H T
P = ; = = ; m = , (2.21)
k ( )2 q
1−m G V c Q
q фе 0 H фе 0 T ф cее з
де ψсер – середня по об’єму пористість фільтруючого елемента;
Qф – об’єм фільтруючого елемента;
с0 – масова концентрація забруднення фільтруючого елементу на вході;
λq – емпіричний коефіцієнт ресурсних випробувань;
η – експлуатаційний коефіцієнт очищення палива;
VН – номінальна витрата палива; ρТ – густина палива.
38
Згідно (2.21) визначаємо ресурс фільтруючого елемента:
−0.5
1 P
= 1− k
, (2.22)
фе
m
q P0
Згідно вищенаведених формул, необхідно враховувати велику кількість
факторів для оцінки стану фільтруючого елемента. Спробуємо спростити даний
вираз. Визначимо ΔР0, ΔРк та τфе для фільтра тонкого очищення палива.
Розрідження в паливопроводі системи Common Rail із встановленим у ньому
фільтром тонкого очищення палива визначалося за рахунок встановленого
датчика калібратора тиску "Метран" (рис. 2.14) у систему живлення перед ПНВТ
Denso HP3.
Рисунок 2.14 - Вимірювання розрідження в паливопроводі системи Common Rail
калібратором тиску "Метран"
Результати вимірів залежності розрідження в паливопроводі від пробігу
автомобіля наведено на рис. 2.15-2.16.
39
Рисунок 2.15 - Залежність розрідження ΔР від пробігу L автомобіля
у паливопроводі
Рисунок 2.16 - Залежність розрідження ΔР від обертів двигуна у паливопроводі
для фільтрів з різним ресурсом
40
Залежності, наведені на рис. 2.15, описуються наступними рівняннями:
−8 2 −3
- при холостому ходу Р = 8,4 10 L +1,7 10 L + 50,5; (2.23)
−8 2 −3
- при 1400 об/хв Р = 7,2 10 L +1,935 10 L + 51,5; (2.24)
−8 2
- при 2000 об/хв Р = 6,65 10 L + 2,0310−3L + 52. (2.25)
Формули (2.23-2.25) дозволять оцінити розрідження в паливоподачі системи
Common Rail залежно від пробігу ТЗ при трьох режимах: при частоті обертання
колінчатого вала 1400 об/хв і 2000 об/хв, холостий хід.
Визначимо початкові значення розрідження ΔР0 при холостому ходу. Для
цього ΔР перенесемо у праву частину та згрупуємо:
8,4 10−8L2 +1,7 10−3L + (50,5− P)= 0. (2.26)
D = (1,7 10−3 )2 − 4 8,4 10−8 (50,5− P)0 (2.27)
Отже P 42мБар, що нижче даних системи Common Rail (48-49 мБар).
Отже, отримаємо:
−17 + 33,6 P −1407,8
L = 104 , км. (2.28)
16,8
Шукана залежність L=f(ΔP) - залежність ресурсу фільтруючого елемента
фільтра тонкого очищення від розрідження в паливопроводі τфе=f(ΔP) (рис. 2.17).
Аналізуючи розрідження, що є основним параметром стану фільтруючого
елемента та повинно відповідати технічній документації виробника, можна
стверджувати, чи потрібна заміна фільтра тонкого очищення, чи ні.
41
Рисунок 2.17 - Залежність терміну роботи паливного фільтра тонкого очищення
палива у паливопроводі системи Common Rail від розрідження ΔР
Аналогічні дії можна провести для двох інших режимів роботи двигуна.
Висновки до другого розділу
1. Використовуючи метод електромеханічних подібностей отримано
залежність зміни швидкості реагування мембрани фільтра тонкої очистки від
параметрів паливоподачі (сила, що діє на мембрану при створенні розрідження;
частота пульсацій палива), забруднення фільтруючого елемента (зміна ваги
мембрани; зміна коефіцієнта пружності) та в'язкості палива. Зроблено висновок,
що на швидкість коливань мембрани впливає її забрудненість. Отримано
закономірність зміни швидкості коливань від стану фільтруючого елемента.
2. У якості непрямого параметра стану фільтруючого елемента, який
регламентується технічною документацією виробника, запропоновано
використовувати розрідження в системі паливоподачі Common Rail, вимірюючи
яке можна однозначно стверджувати, чи потрібна заміна фільтра тонкого
очищення, чи ні.
42
3. Отримані аналітичні залежності, що дозволяють оцінити розрідження в
системі паливоподачі Common Rail залежно від пробігу транспортного засобу на
трьох режимах: частота обертання колінчатого вала 2000 об/хв та 1400 об/хв,
холостий хід.
4. Отримані аналітичні залежності ресурсу фільтруючого елемента паливного
фільтра тонкого очищення системи Common Rail від розрідження в паливопроводі.
43
РОЗДІЛ 3 МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ
3.1 Загальна структура дослідження
Дослідження включає в себе:
− вибір конструкцій обладнання для оцінки забруднення фільтруючого
елемента фільтра тонкого очищення палива, що встановлюється безпосередньо в
систему Common Rail, з можливістю оперативного одержання інформації про
його технічний стан;
− дослідження основних параметрів обладнання для оцінки забруднення
фільтруючого елемента фільтра тонкого очищення палива в складі системи
Common Rail;
− дослідження характеристик палива до та після його проходження через
фільтри, що мають різний наробіток (густина, динамічна в'язкість, температура);
− експлуатаційні дослідження дизельних двигунів для оцінки забруднення
фільтруючого елемента фільтра тонкого очищення палива;
− двигун Cummins ISF-дизельний, 4-тактний, з турбонаддувом,
охолодженням наддувного повітря, рідинного. Даний тип дизельних двигунів
встановлюється на Scania. Технічні характеристики двигуна наведено в табл. 3.1.
Таблиця 3.1 - Технічні характеристики дизельного двигуна Cummins ISBe
Показник Значення
Робочий об’єм, л. 6,7
Ступінь стиснення 19,2
Потужність, кВт (к.с.) 152 (210)
Частота обертання, об/хв 800
Максимальний крутний момент, Нм (кг·м) 491
Частота обертання при максимальному крутному моменті, об/хв 1700
Вибір конструкцій обладнання для оцінки забруднення фільтруючого
елемента фільтра тонкого очищення палива проводився на основі патентних
досліджень і огляду літератури. На основі проведеного аналізу вдосконалені дві
44
конструкції, що дозволяють оперативно отримувати інформацію про технічний
стан фільтруючого елемента.
3.2 Методика проведення вимірів параметрів палива
Для визначення густини дизельного палива до і після обробки застосовувався
вібраційний «ВІП-2М» (рис. 3.1), технічні характеристики якого наведено в
табл. 3.2.
Рисунок 3.1 – Густиномір вібраційний «ВІП–2М»: 1 – вимірювач густини рідин
вібраційний; 2 – підводка тефлонова з конусом Люера; 3 – шприц об’ємом 5 см3;
4 – мікрокомпресор; 5 – повітряввід для мікрокомпресора; 6 – заглушка з конусом
Люера; 7 – голка для забору проби; 8 – чаша Петрі; 9 – вентилятор
Методика проведення вимірів полягала в наступному. Перед заповненням
датчиків густиномірів досліджуваною пробою необхідно переконатися в тому, що
всі деталі, що змочуються (патрубки для заповнення та вимірювальна ємність) є
стійкими до досліджуваної проби.
Проба повинна перебувати в однорідному стані та бути без газових пухирців.
Суспензії або емульсії можуть зазнати поділу у вимірювальній ємності, що
приведе до помилкових результатів вимірювання. Такі проби слід тримати у
45
вимірювальній ємності короткий час. Якщо проба має тенденцію до утворення
пухирців, то перед проведенням вимірювання необхідно дегазувати даний зразок.
У випадку, якщо дана процедура неможлива, то пробу слід вводити після
нагрівання вище температури датчика.
3
Для забору проби використовується шприц 3 об’ємом 5 см з голкою 7. Забір
проби проводився шляхом повільного переміщення поршня шприца до риски
4 мл. Потім шприц повертався голкою нагору і поршень ще трохи тягнувся вниз,
щоб звільнити голку від залишків проби. Голку від'єднуємо від шприца та
приєднуємо до повітрявводу мікрокомпресора для продувки. Тримаючи шприц
вертикально, повітря здавлювали так, щоб межа рідини 1 перемістилася в конус
шприца.
Таблиця 3.2 – Технічні характеристики густиноміра вібраційного «ВІП–2М»
Параметри Діапазон вимірів
Діапазон показань густиномірів, г/см3 від 0 до 3,0
Діапазон вимірів густиномірів, г/см3 від 0 до 2,0
Межа припустимої абсолютної похибки вимірів, г/см3 ±0,0003
В'язкість контрольованого середовища, мПа·с не більш 300
Індикація вимірюваної густини цифрова
Ціна одиниці меншого розряду, г/см3 0,0001
Номінальний об’єм вимірювальної ємності, мл 1,5
Час прогріву густиноміра, год не більш 0,5
Час одного вимірювання при встановленій температурі у не більше 20
вимірювальній ємності, с
Діапазон температури термостата датчика, °С від +15 до +60
Матеріали, що контактують із аналізованими рідинами боросилікатне
скло, тефлон
Якщо датчик густиноміра перебуває в режимі гармонійних коливань,
вимірювальну ємність не слід заповнювати пробою, тому що при цьому в рідині,
що завантажується, можуть утворюватися пухирці. Необхідно попередньо
вимкнути датчик.
Для введення проби в густиномір після приєднання шприца до вхідного
патрубка 4 поршень повільно та без зупинок переміщався, заповнюючи
46
вимірювальну ємність до моменту появи рідини у вихідному патрубку 3. Після
заповнення датчика, щоб уникнути витікання проби, шприц залишався в
положенні завантаження.
Якщо вимірювання проводиться в ручному режимі, необхідно включити
датчик густиноміра. Зчитування результату можна робити після того, як на табло
з'явиться індикатор вирівнювання температур датчика та введеної проби 4. При
температурі термостата датчика +20 °C і температурі навколишнього середовища
+22–25 °C тривалість вимірювання становила 5…7 хвилин.
Для отримання достовірних результатів проводився повторний вимір
шляхом просування штока шприца на 1,5–2 мл. Результати цих двох послідовних
3
вимірів не повинні відрізнятися більше, ніж на ±0,0003 г/см . Відмінність на
більшу величину говорить про розшарування проби або наявність у ній пухирців
газу або механічних забруднень. У цьому випадку вимірювання доведеться
повторити.
Для введення у вимірювальну ємність проб, що містять легкокипячі
компоненти (наприклад, бензин або нафта) краще використовувати метод
всмоктування (рис. 3.2). Для цього шприц із всунутим до упору штоком
необхідно вставити у вихідний патрубок густиноміра, а підводку з конусом
Люєра — приєднати до вхідного. Протилежний кінець підводки занурити в
ємність із пробою. Для введення проби у вимірювальну ємність потрібно повільно
потягнути шток шприца на себе доти, поки в шприці не припинять з'являтися
пухирці повітря.
Після проведення вимірів проба палива замінялася розчинником,
проводилося промивання та чищення вимірювальної ємності.
Для вимірювання динамічної в'язкості використовувався набір устаткування
фірми Хааке (США) (рис. 3.3). Устаткування призначене для вимірювання
в'язкості ньютонівських рідин, що є прозорими. Мініатюрність використаних при
вимірювані куль дозволяє використовувати зразки рідин незначного об’єму.
47
Рисунок 3.2 - Процес вимірювання густини палива
Рисунок 3.3 – Обладнання фірми Хааке для вимірювання динамічної в'язкості
Прилад вимірює час падіння кулі, який пропорційний в'язкості вимірюваного
середовища. Шприц служить трубою, у якій падає куля, обрана з набору
відповідно до прогнозованої в'язкості або діапазону в'язкості рідини (рис. 3.4). Під
час падіння куля проходить два світлові бар'єри, один з яких запускає, а другий –
зупиняє електронний лічильник часу. Різниця в часі падіння кулі відображається в
цифровому виді в мілісекундах на індикаторі приладу. Після проведення вимірів
шприц промивається розчинником.
Розрахунок динамічної в'язкості проводиться за формулою:
48
= К ( − )t , (3.1)
1 2
де η - динамічна в'язкість, Па·с; К=59,3·10-5 – константа системи,
мПа·с·см3/(г·с); ρ1=7,8 – густина кулі, г/см3; ρ2 – густина дослідного середовища,
г/см3; t – час падіння кулі, с.
Рисунок 3.4 – Вибір діаметра кульки залежно від в'язкості палива
Для вимірювання температури палива застосовується радіаційний пірометр
0
CENTER 350 (рис. 3.5). Похибка його вимірювання ±2 С у діапазоні температур
0 0
-20…+350 С, дискретність показань – 0,5 С; час вимірювання – 0,5 с;
спектральний діапазон – 7…18 мкм; показник візування – 8:1.
Рисунок 3.5 – Зовнішній вигляд радіаційного пірометра CENTER 350
49
При проведенні вимірів лазерний промінь із відстані не більше 1 м
направлявся на паливопровід безпосередньо після фільтра тонкого очищення
палива. Після закінчення 1…3 с знімалися показники з рідкокристалічного
індикатору пірометра. Всі виміри проводилися триразово при температурі
навколишнього повітря 21 0С.
3.3 Методика вимірювань пружності мембран фільтрів та їх ваги
Мембрани (фільтруючі елементи) фільтрів тонкого очищення палива з
різним пробігом (0 км, 10000 км, 20000 км) вилучалися із фільтрів (рис. 3.6), після
чого на вагах Samsung проводилося їх зважування (рис. 2.9-2.12) (похибка вагів
±1 г).
Далі використовувалася методика визначення коефіцієнтів пружності
мембран. Мембрана одним кінцем жорстко закріплювалася на стійці мікроскопа,
а другий її кінець прикріплювався до динамометра (рис. 2.6). Прикладаючи різні
зусилля визначалося подовження мембрани.
Рисунок 3.5 – Вилучення фільтруючого
елемента (мембрани) з фільтра тонкого
очищення палива
Для кожного досліду були розраховані деформуючі сили: F = mg , F = mg ,
1 1 2 2
F = mg та т.п., де g – прискорення вільного падіння.
3 3
Обчислювався коефіцієнт пружності мембрани за результатами кожного
досліду:
50
F F F
K = 1 ; K = 2 ; K = 3 та т.п.
1 2 3
l l l
1 2 3
Середнє арифметичне значення коефіцієнта пружності мембрани
визначається за формулою:
k + k + ...+ k
k = 1 2 N , (3.2)
N
де N – кількість вимірів.
Відносна похибка вимірювання коефіцієнта пружності мембрани
визначається за формулою:
2 2
g l
k = П
П g + .l − l (3.3)
0
−4
Абсолютна похибка вимірювання положення показника l = 5 10 м
П
(половина ціни поділки шкали, тому що ціна поділки міліметрової шкали
10-3 м). Абсолютна похибка Δg табличного значення прискорення вільного падіння
g рівна п'яти одиницям десяткового розряду:
Δg 2 2
=0,005 м/с , якщо взяти до уваги значення g=9,81 м/с ;
Δg 2 2
=0,05 м/с , якщо g=9,8 м/с ;
Δg 2 2
= 0,5 м/с , якщо g=10 м/с .
Абсолютна похибка вимірювання коефіцієнта пружності мембрани
визначається за формулою:
k = k k.
П П
Середньоквадратична похибка результату серії вимірів коефіцієнта
пружності мембрани визначається за формулою:
51
( 2 2 2
k − k ) + ( k − k ) + ...+ ( k − k )
1 2 N
S = . (3.4)
k
N (N −1)
Абсолютна статистична похибка вимірювання коефіцієнта пружності
мембрани визначається за формулою:
k = t S . (3.5)
c P ,N k
Значення коефіцієнта Стьюдента tР,N з кількістю вимірів N=6 та довірчої
ймовірності Р(0,9) наведено в табл. 3.3.
Таблиця 3.3 - Значення коефіцієнтів Стьюдента tР,N
P 0,9 0,95 0,98 0,99
N
2 6,3 13 32 64
3 2,9 4,3 7,0 9,9
4 2,4 3,2 4,5 5,8
5 2,1 2,8 3,7 4,6
Абсолютна похибка вимірювання коефіцієнта пружності мембрани
визначається за формулою:
2 2
k = ( k ) + ( k ) . (3.6)
П C
Відносна похибка вимірювання коефіцієнта пружності мембрани
визначається за формулою:
k
k = 100%. (3.7)
k
52
3.4 Методика визначення розрідження в паливопроводі системи Common
Rail за допомогою калібратора «Метран»
З метою отримання точних значень параметрів працездатності фільтра
тонкого очищення палива системи Common Rail, датчик тиску встановлений у
системі живлення після фільтра, перед паливним насосом високого тиску Denso
HP3, що включає в себе насос Feedpump (рис. 2.8).
Для отримання інформації про технічний стан фільтруючого елемента та
реєстрацію результатів виміри проводяться за допомогою калібратора тиску
"Метран" (рис. 3.6, табл. 3.4), що пройшов тарування. При розташуванні
обладнання після фільтра, але перед паливним насосом можливий контроль, тому
що подача палива до паливного насоса здійснюється за рахунок розрідження.
Були зроблені дослідження при установці датчика перед фільтром. У цьому
випадку розрідження було незмінним. Незалежно від забруднення фільтра
тонкого очищення, воно було рівне розрідженню в системі живлення. Для
проведення вимірювань використовували модулі тиску 0,16 МПа, 1 МПа,
100 МПа.
Рисунок 3.6 - Схема вимірювання калібратором тиску "Метран"
53
Таблиця 3.4 – Основні технічні характеристики калібратора тиску "Метран"
Код Діапазон вимірювання Під діапазон вимірювання тиску, Межа
модуля модуля тиску, МПа МПа допустимого
тиску тиску, МПа
К2,5 0-0,0025 0-0,0016 0-0,0025 0,0035
К2,5Д 0,005
К6 0-0,006 0-0,004 0-0,006 0,0085
К6Д 0,012
К25 0-0,025 0-0,01 0-0,16 0-0,025 0,035
К25Д 0,05
М0,16 0-0,16 0-0,04 0-0,06 0-0,1 0-0,16 0,22
М0,16Д 0,32
М1 0-1,0 0-0,25 0-0,4 0-0,6 0-1,0 1,4
М1Д
М2,5 0-2,5 0-1,6 0-2,5 3,5
М10 0-10 0-4,0 0-6,0 0-10,0 14
М25 0-25 0-16,0 0-25,0 35
М60 0-60 0-40 0-60 70
Модулі вакуумметричного тиску (розрідження)
В25 -0,025…0 -0,025-0 -0,035
В63 -0,063…0 -0,063-0 -0,09
В100 -0,1…0 -0,1-0 -0,1
Основними елементами калібратора є:
− електронний блок;
− зовнішній модуль тиску;
− джерела створення тиску: помпа ручна пневматична, насос ручний
пневматичний, прес ручний гідравлічний, помпа ручна багатофункціональна
(пневмогідравлічна).
Електронний блок калібратора виконаний у вигляді портативного приладу в
пластмасовому корпусі, на поверхні якого розміщені клавіатура та
рідкокристалічний дисплей (РКД), а на бічних поверхнях – роз’єми для
підключення зовнішнього модуля тиску, зовнішнього джерела живлення,
тарувального датчика тиску, адаптера для зв'язку з персональним комп'ютером,
реле тиску та ланцюгів вимірювання і відтворення електричних сигналів від
тарованих приладів.
Зовнішній модуль тиску є засобом вимірювання тиску розрідження.
Основними елементами зовнішнього модуля тиску є: прецизійний сенсор тиску,
аналого-цифровий перетворювач (АЦП) та пам'ять (EEPROM). В пам'яті
зберігаються характеристики перетворення тарувального сенсора тиску, отримані
54
при його індивідуальному таруванні, тому модуль тиску може працювати з будь-
яким електронним блоком калібратора.
Модулі К2,5; К6; К25; М0,16; М1; В25; В63; В100 розраховані на вимірюване
середовище – тільки чисте повітря. При погано промитих порожнинах
тарувальних приборів залишки вимірюваного середовища можуть потрапити в
сенсор тиску, забруднити його або вивести з ладу. Для забезпечення нормальної
роботи зазначених модулів необхідно забезпечити їх роботу тільки із чистим
повітрям.
Модулі К2,5Д, К6Д, К25Д, М0,16Д, М1Д, М2,5, М10, М25, М60 мають у
своїй конструкції захисну діафрагму (мембрану) з нержавіючої сталі 12Х18Н10Т.
Ці модулі забезпечують роботу не тільки з повітрям, але й з рідким середовищем:
вода, масло, технічні рідини, які не викликають корозію захисної діафрагми
(мембрани).
Вимірюваний тиск, створений джерелом тиску, подається безпосередньо на
модуль тиску та через шланг – на тарувальний датчик. Електричний сигнал
прецизійного сенсора модуля тиску перетворюється в цифровий код з
урахуванням коефіцієнтів перетворення характеристики сенсора, що враховують
нелінійність і вплив температури. Вихідний цифровий код модуля, пропорційний
значенню вимірюваного тиску, через вхідний роз’єм електронного блоку
надходить у мікропроцесор калібратора, а після обробки виводиться на РКД
електронного блоку, як дійсне значення тиску, створене джерелом тиску в робочій
порожнині тарувального датчика тиску.
Вихідний електричний сигнал тарувального датчика через ланцюги захисту,
що захищають електронну схему блоку від перевантажень, потрапляє на вхід
багатоканального АЦП, що перетворює значення вимірюваного електричного
сигналу в цифровий код, що оброблюється мікропроцесором. Значення вихідного
електричного сигналу, тарувального датчика відображається на РКД калібратора.
На РКД калібратора передбачено два основні режими відображення
результатів вимірів датчика тиску.
55
У режимі 1 індикуються: поточне значення та одиниця вимірювання заданого
тиску, діапазон вихідного сигналу датчика та поточне значення вихідного сигналу.
У режимі 2: перший рядок – за аналогією з режимом 1, другий рядок –
похибка вимірювання, %.
В інших режимах індикуються значення тиску, функції обнулення та
усереднення тиску.
Під час перевірки (тарування) можна переходити з одного режиму в інший.
При перевищенні верхньої межі вимірів модуля на 10 % спрацьовує звукова
сигналізація про перевантаження. Для забезпечення перевірки або калібрування
вторинних приладів в калібраторі використовується режим відтворення сигналів.
У цьому режимі на відповідному виході електронного блоку відтворюється
значення струму або напруги, що задається за допомогою клавіатури. Задане
значення електричних сигналів відображається в цифровій формі на РКД
калібратора.
Вибір функціональних можливостей: установка режимів роботи, вибір
діапазонів вимірювання, введення даних і т.п. здійснюється за допомогою 4-х
основних клавіш клавіатури електронного блоку.
Використання апаратно-програмного інтерфейсу ПК (адаптер USB з
програмним забезпеченням "Перевірка СІД") дозволяє передавати дані
калібрування з калібратора в персональний комп'ютер, вести базу даних,
формувати протоколи перевірки датчиків тиску зразкових та технічних
манометрів. Протокол перевірки містить: загальні технічні відомості (тип,
міжперевірочний інтервал), умови перевірки, технічні характеристики (верхня
межа вимірів, встановлений діапазон вимірів і т.д.), графік зміни похибки та
параметри перевірки.
3.5 Методика оцінки викидів шкідливих речовин у відпрацьованих газах
Для оцінки димності використовувався димомір ІНФРАКАР Д, призначений
для вимірюванню димності відпрацьованих газів дизельних двигунів автомобілів,
56
а також для вимірювання частоти обертання колінчатого вала автомобілів і
температури масла двигуна.
Робочі умови застосування приладу:
1) живлення приладу:
- від бортової мережі автомобіля напругою (12 +2,8/-1,2) В;
- від мережі змінного струму напругою 220 В (-15/+10) % і частотою
50 Гц±1 Гц;
2) температура навколишнього повітря від 0 до 35 ºC;
3) діапазон відносної вологості навколишнього середовища до 80 % при
30 ºС;
4) атмосферний тиск 92…105 кПа;
5) спожита потужність у режимі вимірювання ВА, не більше 40;
6) час прогріву робочої камери не повинен перевищувати 10 хв.
Характеристику димоміра ІНФРАКАР Д наведено в табл. 3.5.
Коефіцієнт поглинання К визначається згідно Правил ЄЕК ООН №24, ДСТУ
52160-2003. При вимірах тиск відпрацьованого газу в камері димоміра не повинен
відрізнятися від тиску навколишнього повітря більше ніж на 735 Па (75 мм. вод.
ст.) – забезпечується обладнанням димоміра.
Таблиця 3.5 - Характеристики димоміра ІНФРАКАР Д
Характеристика що Діапазон Межі, допустимої похибки
Виконання
визначається вимірів абсолютної приведеної
Інфакар Д1 Коефіцієнт поглинання 0 – ∞ ±0,05м-1 при -
Інфакар Д1-1 (натуральний показник (0-10, при К=1,6÷1,8 м-1
Інфакар Д1-2 -1
ослаблення) К, м К>10, К=∞) -
Коефіцієнт ослаблення
Інфакар Д1-3 0-100 ±1,0%
світлового потоку N, %
Інфакар Д1-1 Частота обертання, об/хв 0 - 6000 - ±2,5%
Інфакар Д1-2 Температура масла, ºС 0 - 100 - ±2,5%
Частота обертання, об/хв 0 – 6000 - ±2,5%
Інфакар Д1-3 Температура масла, ºС 0 -100 - ±2,5%
57
Час спрацьовування показань Т0,9 електричного вимірювального ланцюга при
установці екрана, що повністю закриває фотоприймач, повинен бути рівним 0,9-
1,1 с. Час спрацьовування, викликаний проходженням диму від моменту входу в
прилад до моменту повного заповнення димової камери, не повинен
перевищувати 0,4 с.
Димомір складається з оптичного блоку, пульта керування та
пробовідбірного обладнання (рис. 3.7). В димомірі використаний метод
просвічування стовпа відпрацьованих газів, джерелом світла і його поглинання.
Довжина траєкторії променів світла називається ефективною оптичною базою L.
Ефективна оптична база димоміра L=0,43 м.
Джерело світла та фотоприймач мають спектральну характеристику,
відповідну до кривої людського ока в діапазоні від 430 до 680 Нм.
Рисунок 3.7 - Зовнішній вигляд димоміра: 1 – оптичний блок, 2 – пульт
керування, 3 – газозабірний зонд із пробовідбірним шлангом, 4 – зонд для
вертикально розташованої випускної системи, 5 - датчик частоти обертання
колінчатого вала, 6 - датчик температури масла, 7 – блок керування
Сигнал фотоприймача, пропорційний ступеню поглинання однорідного по
густині диму, обробляється контролером і відображається на дисплеї у вигляді
58
-1
коефіцієнта поглинання світлового потоку К, м , і коефіцієнта ослаблення
світлового потоку N, % (рис. 3.8). Випромінювання джерела світла 3 проходить
кювет 2, відбивається відбивачем 1, направляється в кювет 2 і попадає на
фотоприймач 4.
Рисунок 3.8 - Оптична схема димоміра: 1 – відбивач, 2 – кювета,
3 – джерело світла, 4 – фотоприймач
Конструктивно оптичний блок виконаний у вигляді прямокутного каркаса із
захисним кожухом, з'єднаний кабелем зв'язку з переносним пультом керування.
Газовий тракт складається з газозаборного зонда із пробовідбірним
шлангом, вхідного штуцера, що перемикає клапан і вентилятор.
Для правильного вимірювання димності слід пам'ятати, що вхідний отвір
зонда слід розташовувати в напрямку вісі випускної труби, де розподіл
відпрацьованих газів є найбільш рівномірним.
Клапан виконаний на базі рейкового електропривода зі штоком, що
переміщається. Максимальний пусковий струм електродвигуна 1 А, струм
утримання 0,35-0,06 А. Наявність клапана дозволяє налаштовувати нуль приладу
при встановленому газозаборному обладнанні у вихлопній трубі.
Димомір повинен бути встановлений так, щоб прямі сонячні промені не
потрапляли на його задню поверхню. Перед включенням необхідно переконатися
в наявності електричної розетки із заземленням. Мережний вимикач повинен
перебувати в положенні "0". Підключити мережевий кабель до роз’єму оптичного
блоку. Залежно від джерела електричного живлення до роз’єму на задній панелі
підключити кабель живлення 220 В, або кабель живлення 12 В з комплекту
59
приладів. Під'єднати кабель зв'язку до роз’єму оптичного блоку та до роз’єму
пульта керування. З'єднати елементи газовідбірної системи зі штуцером оптичного
блоку. Підключити роз’єм датчика температури до роз’єму оптичного блоку.
Підключити датчик частоти обертання колінчатого вала до оптичного блоку.
Перевести мережний вимикач у положення "I". На дисплеї у верхньому рядку
з'явиться зображення поточного часу та дати. У нижньому рядку – температури:
робочої камери оптичного блоку та навколишнього повітря. Після встановлення
температури робочої камери буде виконана операція "Установка нуля" і прилад
перейде в режим вимірювання поточної димності.
Для вибору операції натиснути кнопку "F1", на екрані з'явиться
ГОЛОВНЕ МЕНЮ "Вибір роботи" (рис. 3.9).
Підготовку до контролю димності на нерухомому автомобілі проводити в
наступній послідовності:
- заглушити двигун (при його роботі);
- встановити на стоянкове гальмо;
- встановити противідкатні упори під колеса ведучих мостів (для автобусів
категорії М3 і вантажних автомобілів категорій N2, N3;
- встановити зонд для відбору відпрацьованих газів з випускної труби в
димомір, для легкових автомобілів - зонд із наконечником;
- запустити двигун;
- включити зчеплення та встановити важіль перемикання передач у
нейтральне положення.
Рисунок 3.9 - Головне меню
60
Режим вимірюванню на вільному прискоренні. На екрані дисплея з'явиться
наступна інформація (рис. 3.10):
-1
- поточне значення коефіцієнта поглинання світла K, м ;
- поточне значення коефіцієнта ослаблення світла N,%;
- номер циклу вимірювання №;
- графік час - Димність (K) із кроком 0.1 сек (тривалість заповнення екрана
12 сек., потім його оновлення).
Перемістити рівномірно педаль подачі палива (далі по тексту – педаль) за 0.5-
1 сек до упору. Тримати педаль у цьому положенні 2-3 сек. Відпустити педаль і
через 8-9 сек приступити до повторного вимірювання. У нижньому рядку дисплея
з'явиться біжуча лінія для витримки часу цикла вимірювання. Цикли вільного
прискорення повторяться автоматично не менше 6 разів. Після першого циклу
вимірювання відбудеться автоматичний перехід до наступного циклу вимірювання
та обновиться екран. Після шостого циклу на дисплеї з'явиться результат
вимірювання.
Рисунок 3.10 – Режим вимірювання на вільному прискоренні
Залежно від отриманих циклів вимірювання в рядку результат вимірювання
з'явиться напис "дійсний", якщо:
- число циклів вимірювання 6;
- максимальні значення чотирьох останніх циклів не створюють спадаючої
-1
послідовності в зоні шириною 0,25 м ;
61
Перервати вимірювання та повернутися в режим вимірювання поточної
димності кнопкою "F1". Запуск вимірювання в 1 циклі відбувається тільки при
перевищенні встановленого порога димності (5%).
У передостанньому рядку дисплея, якщо вимір дійсний, з'явиться середнє
значення вимірюваної димності. Якщо результат вимірювання недійсний, то
повторити пункт «Режим вимірюванню на вільному прискоренні» до отримання
дійсного результату.
Вихід з режиму вимірювання та перехід у Головне меню після проведення
вимірювання здійснюється кнопкою "Enter".
3.6 Методика експлуатаційних випробувань транспортних засобів,
укомплектованих системою Common Rail
Для проведення випробувань двигунів, укомплектованих системами Common
Rail, запропонована наступна схема добору фільтрів тонкого очищення палива з
виробленим (за умовами фірми-виготовлювача) ресурсом (рис. 3.11).
Рисунок 3.11 – Схема оцінки фільтрів тонкого очищення палива
У процесі експлуатаційних випробувань у двигунів раз у зміну вимірювалася
величина розрідження (за допомогою приладу «Метран») після фільтра тонкого
62
очищення палива. У випадку перевищення рекомендованих значень (120 мБар)
транспортний засіб виключався з експерименту.
3.7 Методика обробки результатів досліджень
Статистична обробка проводилася з використанням електронних таблиць
Еxcel, що дозволяють визначати:
n
xi
− середнє значення х = i=1 ,
n
n 2
(x − x)
i
− середнє квадратичне відхилення = i=1 .
n −1
Середня арифметична помилка визначалася за формулою:
m = (3.8)
n
Показник точності експерименту визначався за формулою:
t m
= 100%,
x (3.9)
де t – критерій Стьюдента.
Для обробки отриманих експериментальних даних на ПК використовували
об'єктно-орієнтовану мову QВasic та додатки MSOffice.
63
Висновки до третього розділу
Для визначення густини дизельного палива до і після обробки застосовувався
вібраційний «ВІП-2М».
Визначено коефіцієнти пружності мембран. Мембрана одним кінцем
жорстко закріплювалася на стійці мікроскопа, а другий її кінець прикріплювався
до динамометра. Прикладаючи різні зусилля визначалося подовження мембрани.
З метою отримання точних значень параметрів працездатності фільтра
тонкого очищення палива системи Common Rail датчик тиску був встановлений у
системі живлення після фільтра, перед паливним насосом високого тиску Denso
HP3, що включає в себе насос Feedpump.
Для оцінки димності використовувався димомір ІНФРАКАР Д, призначений
для вимірюванню димності відпрацьованих газів дизельних двигунів автомобілів,
а також для вимірювання частоти обертання колінчатого вала автомобілів і
температури масла двигуна.
Для обробки отриманих експериментальних даних на ПК використовували
об'єктно-орієнтовану мову QВasic та додатки MSOffice.
64
РОЗДІЛ 4 РЕЗУЛЬТАТИ ВИПРОБУВАНЬ ОБЛАДНАНЬ ДЛЯ КОНТРОЛЮ
СТАНУ ФІЛЬТРА ТОНКОГО ОЧИЩЕННЯ ПАЛИВА СИСТЕМИ
COMMON RAIL
4.1 Розробка обладнання для оцінки забруднення фільтруючого елемента
фільтра тонкого очищення палива
Система вприску Common Rail розроблена фахівцями фірми Bosch. Вона
застосовується на дизельних двигунах Cummins ISF і YD25 та є сучасною
системою вприску палива. Робота системи Common Rail основана на подачі
палива до форсунок від загального акумулятора високого тиску паливної рампи
(рис. 4.1). Це є першою відмінністю системи Common Rail від традиційних
дизелів із ПНВТ, кулачковим приводом та низьким тиском подачі палива.
Рисунок 4.1 - Загальна схема системи Common Rail: 1 – паливний бак;
2 – паливний фільтр; 3 – паливний насос високого тиску; 4 – паливопроводи;
5 – датчик тиску палива; 6 – паливна рампа; 7 – регулятор тиску палива;
8 – форсунки; 9 – електронний блок керування; 10 – сигнали від датчиків;
11 – підсилюючий блок (на деяких моделях автомобілів)
65
Друга відмінність системи Common Rail від двигунів зі звичайним ПНВТ
кулачкового типу це те, що підйом голки форсунки здійснюється за допомогою
соленоїда, а не тиском палива. Циклова подача палива визначається діями водія, а
кут випередження та тиск вприску – закладеною в блок керування програмою.
При цьому створення тиску та безпосередній процес вприску в системі Common
Rail повністю розділені. Головна перевага такого розподілу – можливість
формувати процес двофазного і багатофазного вприску, і, більше того, це
дозволяє застосовувати кілька фаз вприску за один робочий такт.
Поява системи Common Rail обумовлена жорсткими вимогами до двигунів по
економічності та екологічності, які підвищуються з кожним роком. Вона
забезпечує економію палива за рахунок підвищеного тиску палива і його більш
тонкого розпилюванню в камері згоряння. Це приводить до більш повного та
ефективного згорання паливно-повітряної суміші з найменшим викидом
шкідливих речовин, зростанню потужності при меншій витраті палива та рівні
шуму.
Однак, система Common Rail більш вимоглива до чистоти і якості дизельного
палива, більш складна по конструкції та настроюванню параметрів, а, отже, і
більш дорога, ніж традиційна.
Цей факт накладає додаткові вимоги до її обслуговування в процесі
експлуатації, а саме, відповідності параметрів кожного вхідного в неї елемента
встановленим технічним вимогам. Вихід характеристик одного елемента системи
за встановлені межі може привести до виходу всієї системи з ладу. Особливо це
стосується фільтра тонкого очищення палива, оскільки безпосередньо після нього
перебувають прецизійні та одні з ресурсовизначальних елементів двигуна –
форсунки ПНВТ.
Для оперативного отримання інформації про технічний стан фільтруючого
елемента, а також з метою реєстрації точних результатів розроблена система
інформування про його забруднення з використанням калібратора тиску "Метран"
(рис. 4.2) [10, 12, 13].
66
Схема реалізації та система контролю стану фільтра двигуна внутрішнього
згоряння складається з: паливного бака 1, фільтра 2 тонкого очищення дизельного
палива, магістралі 3 низького тиску, паливного насоса 4 високого тиску (ПНВТ),
магістралі 5 високого тиску, паливної рампи 6, клапана 7 контролю потоку
палива, інжекторів 8; магістралі 9 зворотного потоку палива, електромагнітного
клапана 10, калібратора тиску "Метран" 11.
Рисунок 4.2 - Система контролю стану фільтра тонкого очищення палива
Калібратор тиску "Метран" знаходиться в кабіні водія. У зв'язку з тим, що
калібратор тиску "Метран" не призначений для постійного режиму роботи,
застосовується електромагнітний клапан для відключення та короткочасного
включення калібратора тиску "Метран".
Система контролю стану фільтра двигуна внутрішнього згоряння працює в
такий спосіб. При роботі двигуна внутрішнього згоряння із системою живлення
Common Rail паливо подається з бака 1 у систему живлення за рахунок
розрідження, створеного паливним насосом 4 високого тиску. Паливо проходить
67
очищення від смолистих утворень, парафіну, механічних та інших домішок у
фільтрі тонкого очищення 2 і подається на паливну рампу 6. Фільтруючий елемент
фільтра 2 засмічується абразивними частками, механічними домішками, а також
закоксовується важкими смолами, парафінами, що перебувають у паливі. В
паливопроводі після фільтра 2 тонкого очищення дизельного палива, перед
паливним насосом 4 утворюється розрідження. У процесі роботи двигуна
внутрішнього згоряння в результаті забруднення фільтруючого елемента фільтра
2 (рис. 4.1) розрідження в паливопроводі між фільтром тонкого очищення та
паливним насосом змінюється. Розрідження в паливопроводі змінюється залежно
від ступеня забруднення фільтруючого елемента. Розрідження в паливопроводі
перед фільтром 2 фіксується калібратором тиску "Метран" 11. Для зняття
показань вимірювання розрідження в паливопроводі після фільтра 2 тонкого
очищення використовується електромагнітний клапан 10, який відкриває канал
подачі розрідження до калібратора тиску "Метран" 11. Електромагнітний клапан
10 включається водієм з кабіни автомобіля (кабіна автомобіля на схемі не
представлена).
Дане технічне рішення було реалізовано на базі автомобілі КрАЗ-7238С4
43255 із системою живлення Common Rail (рис. 4.3), результати
експериментальних досліджень представлено в табл. 4.1.
Рисунок 4.3 - Практична реалізація запропонованого технічного рішення на базі
автомобіля
68
Таблиця 4.1 – Результати вимірів розрідження в паливопроводі залежно від
пробігу та режимів роботи двигуна
Номер Розрідження, мБар
Режим
фільтра пробіг 0 км пробіг 10000 км пробіг 20000 км
1 Холостий хід 50,5 76 118
-1
1400 хв 51,5 78 119
-1
2000 хв 52 79 119
2 Холостий хід 49 75 120
-1
1400 хв 50,5 76 122
-1
2000 хв 51 77 123
3 Холостий хід 50 80 114
-1
1400 хв 51 81 112
-1
2000 хв 54 83 111
4 Холостий хід 53 73 118
-1
1400 хв 52 74 119
-1
2000 хв 53 75 119
5 Холостий хід 50 75 121
-1
1400 хв 50,5 79 122
-1
2000 хв 51 79 123
6 Холостий хід 51 76 119
-1
1400 хв 52 77 120
-1
2000 хв 52 78 120
7 Холостий хід 49 75 122
-1
1400 хв 50 77 125
-1
2000 хв 53 78 125
8 Холостий хід 52 80 121
-1
1400 хв 52 81 121
-1
2000 хв 55 82 121
9 Холостий хід 53 70 110
-1
1400 хв 53 70 110
10 Холостий хід 53 70 110
-1
1400 хв 53 70 110
-1
2000 хв 54 71 110
11 Холостий хід 51 65 105
1400 хв-1 51 66 105
-1
2000 хв 52 66 105
Для проведення аналізу результатів вимірів наведено гістограми розподілу
розрідження на виході фільтра при різних обертах двигуна залежно від пробігу
автомобіля (рис. 4.4-4.9).
69
Рисунок 4.4 - Зміна розрідження на виході нового фільтра при збільшенні обертів
-1 -1
двигуна: 1 – холостий хід; 2 – при 1400 хв ; 3 – при 2000 хв
Згідно рис. 4.4 при збільшенні частоти обертання колінчатого вала
розрідження зростає (за винятком 4-го фільтра).
Рисунок 4.5 - Зміна розрідження на виході фільтра із пробігом 10000 км при
збільшенні обертів двигуна (позначення ті ж самі)
Згідно рис. 4.5 зі збільшенням пробігу значення розрідження вирівнюються і
не значно відрізняються одне від одного при збільшенні обертів.
70
Рисунок 4.6 - Зміна розрідження на виході фільтра із пробігом 20000 км при
збільшенні обертів двигуна (позначення ті ж самі)
Згідно рис. 4.6 зі збільшенням пробігу фільтрів з'являються істотні
відхилення в значеннях розрідження. Фактично, тільки фільтри 3, 9 і 10 мають
запас пробігу, за умови, що 120 мБар є граничним значенням розрідження.
Згідно рис. 4.7 зі збільшенням пробігу у фільтрів з'являються істотні
відхилення в значеннях розрідження.
Рисунок 4.7 - Зміна розрідження на виході фільтрів зі збільшенням пробігу на
холостих обертах: 1 – новий фільтр; 2 – фільтр із пробігом 10000 км;
3 – фільтр із пробігом 20000 км
71
Рисунок 4.8 - Зміна розрідження на виході фільтрів зі збільшенням пробігу при
-1
1400 хв (позначення ті ж самі)
Рисунок 4.9 - Зміна розрідження на виході фільтрів зі збільшенням пробігу при
-1
2000 хв (позначення ті ж самі)
Залежності, представлені на рис. 4.7-4.9, практично не відрізняються -
збільшення частоти обертання не приводить до істотного збільшення
розрідження.
При цьому, виходячи з даних (табл. 4.1), у зоні припустимих значень
розріджень перебуває 23 з 30 фільтрів (76,7%). Аналіз показує, що запас пробігу
фільтрів, що перебувають у зоні 105…108,3 мБар становить у середньому 11%; у
зоні 108,3…111,7 мБар – 8,3%; у зоні 111,7…115 мБар – 5,5%; у зоні
115…118,3 мБар – 2,8%; у зоні 118,3…120 мБар – 0,7%. Таким чином, існує запас
72
пробігу фільтрів, що попадають у зону 105…111,7 мБар, кількість яких становить
7 шт. (23%).
Початкове середнє значення розрідження на виході для всіх нових фільтрів,
що використовуються в експерименті, становить 51,63 мБар (середнє квадратичне
відхилення 1,43). У процесі експлуатації група фільтрів розпадається на дві
підгрупи. Перша – фільтри, що швидко втрачають пружність фільтруючого
елемента та швидко наближаються до максимально припустимих значень
розрідження на виході (кількість фільтрів при пробігу 10000 км – 22 шт. або
73%, при пробігу 20000 км – 23 шт. або 77%). Друга «помірно» наближається до
максимально припустимих значень розрідження на виході (кількість фільтрів при
пробігу 10000 км – 8 шт. або 27%, при пробігу 20000 км – 7 шт. або 23%).
Побудуємо залежності зміни розріджень окремо для цих двох підгруп (рис. 4.10).
На рис. 4.10 наведені лінії апроксимуючих залежностей y та величини
2
вірогідності апроксимації R .
Рисунок 4.10 – Зміна середніх значень розрідження на виході фільтрів для двох
підгруп залежно від пробігу
Аналіз наведених залежностей показує, що існує можливість продовження
строку експлуатації частини фільтрів (23…27% від загальної кількості) після
встановленого виробником строку їх заміни (10000 км) аж до 20000 км.
73
Крім того, знайдені за результатами вимірів залежності – рис. 2.15 та 2.17,
формули (2.23-2.25), дозволяють водієві транспортного засобу, перебуваючи в
кабіні, контролювати залишковий ресурс фільтра тонкого очищення палива,
прогнозувати ймовірність його відмови або дати рекомендації із заміни фільтра
безпосередньо за показниками калібратора тиску "Метран" шляхом періодичного
включення електромагнітного клапана.
При низькій температурі навколишнього середовища в'язкість дизельного
палива висока. При збільшенні в'язкості дизельного палива збільшується опір
фільтруючого елемента, що приводить у свою чергу до збільшення розрідження в
системі живлення. При високій в'язкості можливий пробій фільтруючого елемента
та наступний вихід з ладу паливного насоса високого тиску через високе
розрідження в системі паливоподачі.
З метою отримання інформації про температуру та в'язкість дизельного
палива в паливопроводі перед фільтром тонкого очищення в систему двигуна
Common Rail був встановлений електронний температурний датчик.
Температурний датчик показує температуру дизельного палива, як при запуску
дизельного двигуна, так і при інших навантаженнях роботи двигуна. При
отриманні температурного стану дизельного палива можна аналізувати та мати
інформацію по в'язкості палива, яка впливає на працездатність фільтруючого
елемента. При роботі двигуна відслідковувати температуру дизельного палива
немає необхідності, тому система живлення дизельного двигуна укомплектована
електровимикачем. З метою оперативного отримання інформації по температурі
та в'язкості дизельного палива перед фільтром тонкого очищення встановлений
електровимикач у кабіні водія в зручному для нього місці. Водій має можливість
у будь-який час при різних режимах роботи двигуна включити електровимикач і
мати інформацію про температуру та в'язкість дизельного палива.
Розроблена система контролю стану фільтра двигуна внутрішнього згоряння
(рис. 4.11), що складається з паливного бака 1, фільтра 2 тонкого очищення
дизельного палива, магістралі 3 низького тиску, паливного насоса високого тиску
4, магістралі 5 високого тиску, паливної рампи 6, клапана 7 контролю потоку
74
палива, інжекторів 8, магістралі 9 зворотного потоку палива, електромагнітного
клапана 10, калібратора тиску "Метран" 11, електронного датчика температури 12,
електровимикача 13, електронного контрольного приладу 14, виконаного у вигляді
циферблата, що показує температуру та в'язкість дизельного палива.
Рисунок 4.11 - Схема реалізації системи контролю стану фільтра з урахуванням
температури та в'язкості палива
Для зняття показників в'язкості і температури дизельного палива
електронний температурний датчик 12 встановлюється перед фільтром тонкого
очищення 2, тому що в цьому випадку мінімальні втрати на опір у системі
паливопровода.
При робочій температурі двигуна відслідковувати температуру дизельного
палива немає необхідності. Тому система живлення дизельного двигуна
укомплектована електровимикачем 13. Для зручності контролювання показань
температурного датчика, електронний контрольний прилад 14 виведений на
щиток приладів автомобіля.
На циферблаті електронного контрольного приладу 14 відтаровані
температурні значення від -30 до +40 °C. Дані значення дозволяють визначити
75
температуру дизельного палива в паливопроводі перед фільтром тонкого
очищення. При цьому можливо дати рекомендацію з експлуатації (запуску)
двигуна внутрішнього згоряння в умовах низьких температур.
Розглянемо приклад роботи запропонованого обладнання. Всі сектори
циферблата виконані у вигляді ділянок різного кольору, причому кожна ділянка
відповідає за певний діапазон температури та в'язкості дизельного палива.
2
В'язкість дизельного палива виміряється в мм /c (сСт). Температура фільтрації
дизельного палива становить Тф=-26 °C.
Можливі наступні варіанти при роботі обладнання.
1. Білий сектор (-5 до +40) °C. В'язкість дизельного палива становить
2
1,5 мм /с (сСт). Сприятливі умови експлуатації дизельного палива.
2. Зелений сектор (-5-15) °C. В'язкість дизельного палива становить
2
2,5 мм /с (сСт). Сприятливі умови експлуатації дизельного палива.
2
3. Синій сектор (-15-20) °C. В'язкість дизельного палива становить 3 мм /с
(сСт). Сприятливі умови експлуатації дизельного палива.
4. Жовтий сектор (-20-25) °C. В'язкість дизельного палива становить
2
4 мм /с (сСт). Сприятливі умови експлуатації дизельного палива.
2
5. Червоний сектор (-25-30) °C. В'язкість дизельного палива становить 5 мм /с
(сСт). Критично. Необхідно зробити нагрівання дизельного палива до зниження
2
в'язкості до 4,0 мм /с (сСт).
2
6. Чорний сектор (-30-35) °C. При в'язкості дизельного палива 6,5 мм /с (сСт)
і більше робити запуск двигуна внутрішнього згоряння заборонено, тому що
можливе ушкодження фільтруючого елемента фільтра тонкого очищення.
76
4.2 Результати дослідження димності дизельних двигунів,
укомплектованих фільтрами з різним пробігом
Згідно з методикою, викладеною в Розділі 3, були проведені дослідження
дизельного ДВЗ з фільтрами тонкого очищення, що мають різний пробіг (5000 км,
10 000 км, 15 000 км), а також новим фільтром без пробігу. Газовідбірний зонд із
пробовідбірним шлангом розміщався у вихлопній трубі автомобіля, фільтри по
черзі встановлювалися на двигун (рис. 4.12).
Рисунок 4.12 – Фільтр, встановлений на ДВЗ автомобіля
На рис. 4.13-4.16 наведено виміри 3, 4, 5 та шість вимірів (три виміри при
обчисленні kср не враховуються, оскільки є каліброваними).
Рисунок 4.13 – Вимірювання димності Рисунок 4.14 – Вимірювання димності 4
3
77
Рисунок 4.15 – Вимірювання димності Рисунок 4.16 – Шість вимірювань
5 димності
При проведенні досліджень не було виявлено різниці в показниках димності
ДВЗ залежно від використання фільтра з тим або іншим пробігом.
4.3 Результати дослідження зміни коефіцієнта пружності фільтруючого
елемента при його обробці ультразвуком
Для оцінки зміни коефіцієнта пружності фільтруючого елемента при зміні
навколишнього тиску в паливі без його безпосереднього прокачування через
фільтр були проведені наступні дослідження. Із шести нових фільтрів без пробігу
були витягнуті фільтруючі елементи та поміщені в ємності з паливом, при цьому,
в одній ємності безпосередньо під елементом була розміщена ультразвукова
машинка «Ретона» (рис. 4.17). Випробування проводилися протягом 100 год., при
цьому, 3 фільтруючих елемента не піддавались ніякій обробці (контрольні
елементи), 3 – піддавались (ультразвукова обробка).
Рисунок 4.17 – Фільтруючі елементи, розміщені в ємностях з паливом
78
Характеристики ультразвукової машинки «Ретона»:
− напруга живлення - 220 ±15%, частота 50 Гц;
− спожита потужність - не більше 5 Вт;
− частота акустичних коливань випромінювачів - 100±6 кГц;
− температура миючого розчину - не більше 90 °С;
− режим роботи - тривалий, без обмежень;
− вага виробу - не більше 0,36 кг.
Після 100 год. випробувань обидва фільтруючих елемента були просушені на
повітрі та досліджені на зміну ваги і коефіцієнта пружності – аналогічно тому як
показано на рис. 2.10 і рис. 2.6, відповідно.
Вимірювання показали наступне:
1. Вага фільтруючого елемента, який оброблений ультразвуковом,
збільшилася в середньому на 2 г у порівнянні з контрольним елементом;
2. Коефіцієнт пружності фільтруючого елемента, який оброблений
ультразвуковом, знизився в середньому на 8100 Н/м.
Даний ефект пояснюється тим, що коливання палива, що оточує
фільтруючий елемент, втягуючи його в коливальний процес, приводять до
подовження елемента із втратою ним пружних властивостей. При цьому частки
забруднень, що перебувають у паливі, посилюють процес, оскільки осаджуючись
у порах фільтруючого елемента, збільшують його вагу, що збільшує відхилення
при коливаннях і ще більше «витягає» його. Більше того, чим брудніше паливо,
тим більша вага приєднаної рідини, і тим більше буде подовження фільтруючого
елемента, навіть якщо він абсолютно чистий.
Ґрунтуючись на результатах досліджень, можна зробити наступний висновок:
принципово неможливо відновлювати працездатність фільтруючих елементів,
наприклад, ультразвуковою обробкою, внаслідок втрати ними пружних
властивостей. Про це свідчать дані розрахунків, наведені в табл. 2.6, по
залежностях (2.5) з урахуванням (2.6) – визначальним фактором є пружність
мебрани (фільтруючого елемента).
79
З використанням густиноміра вібраційного «ВІП–2М» була визначена
в'язкість палива до та після обробки ультразвуком, густина неопрацьованого
3 3
палива склала 0,8323 г/см ; густина обробленого палива – 0,8321 г/см . Таким
чином, істотних відмінностей у густині палива не виявлено.
Температура палива в процесі проведення експерименту вимірювалася через
кожні 5 хвилин: не виявлено істотного відхилення від початкової температури
(21 0С).
4.4 Результати дослідження проходження палива фільтрами з різним
пробігом
Методика вимірювань проходження палива через фільтри з різним пробігом
полягала в наступному [36]. Три фільтри з різним пробігом (новий, 10021 км та
14783 км – рис. 4.18) приєднували одним штуцером до підкачуючого насоса, що
створює розрідження на виході фільтра, а іншим – до паливного бака. Двигун
-1
запускався, і при частоті обертання колінчатого вала 820 хв протягом 20 с через
фільтр паливо прокачувалося в мірну ємність. Двигун глушився, і до його повної
зупинки паливо зливалося також у мірну ємність. Після чого проводився вимір
прокачаного через фільтр палива. Експеримент повторювався п'ятикратно,
результати вимірів представлено на рис. 4.19-4.21.
Результати дослідження пропущення палива фільтром залежно від його
пробігу показали істотне зниження об’єму (на 20 %). У результаті, при досягненні
певної межі (що може бути встановлена на основі вимірювання розрідження на
виході фільтра тонкого очищення) двигун буде відчувати «голодання».
80
Рисунок 4.18 – Фільтри: 1 – новий; 2 – із Рисунок 4.19 – Ємність палива,
пробігом 10021 км; 3 – із пробігом прокачаного через новий фільтр
14783 км (без пробігу)
Рисунок 4.20 – Ємність палива, Рисунок 4.21 – Ємність палива,
прокачаного через фільтр із пробігом прокачаного через фільтр із пробігом
10021 км 14783 км
4.5 Результати досліджень фільтрів тонкого очищення із пробігом
більше 10000 км
Результати контролю стану відпрацьованих фільтрів із пробігом більше 10
тис. км. наведено в табл. 4.2.
81
Таблиця 4.2 – Результати вимірювання розрідження після фільтрів тонкого
очищення палива з виробленим ресурсом
Пробіг до Пробіг після
Початкові значення Кінцеві значення
початку досліду, закінчення досліду,
розрідження, мБар розрідження, мБар
км км
67 10023 19024 117
65 9832 19823 119
68 10102 20754 120
66 11250 20891 120
Згідно проведених досліджень можна стверджувати:
− всі фільтри тонкого очищення по закінченню другого строку пробігу мали
розрідження на виході в припустимих межах 117-120 мБар;
− жоден з обраних фільтрів у процесі виконання експериментальних
досліджень не вийшов за 120 мБар, межі припустимих розряджень.
Отже, строк експлуатації фільтрів тонкого очищення дизпалива, що мають
розрідження на виході 70-71 мБар при пробігу 10 тис. км. може бути продовжено
до досягнення 20 тис. км. вірна.
Висновки до четвертого розділу
1. Запропоновані технічні рішення реалізовані на практиці та дозволяють
діагностувати фільтри тонкого очищення палива системи Common Rail, а також
встановлювати межі експлуатації двигуна, укомплектованого цієї системою, у
холодний період.
2. Встановлено, що:
- при збільшенні частоти обертання колінчатого вала розрідження на виході
фільтра зростає;
- при встановленому фірмою-виготовлювачем пробігу (10000 км) значення
розріджень на виході фільтра вирівнюються і не суттєво залежать від частоти
обертання колінчатого вала;
82
- при перевищенні встановленого фірмою-виготовником пробігу
проявляються істотні відхилення в значеннях розрідження для різних фільтрів;
- у частини фільтрів існує запас пробігу (встановлено по величині
розрідження на їх виході) і він становить - у фільтрів, що перебувають у зоні
105…108,3 мБар - 11%; у зоні 108,3…111,7 мБар - 8,3%; у зоні 111,7…115 мБар -
5,5%; у зоні 115…118,3 мБар - 2,8%; в зоні 118,3…120 мБар - 0,7%;
- існує можливість продовження строку експлуатації частини фільтрів
(23…27% від загальної кількості) після встановленого виробником строку їх
заміни 10000 км до 20000 км.
3. При проведенні досліджень не виявлена різниця в показниках димності
дизельного двигуна залежно від використання фільтра з тим або іншим пробігом.
4. На основі проведених досліджень зміни коефіцієнта пружності
фільтруючого елемента при його обробці ультразвуком встановлено, що
принципово неможливо відновлювати працездатність фільтруючих елементів,
наприклад, ультразвуковою обробкою, внаслідок втрати ними пружних
властивостей.
5. Результати дослідження пропускання палива фільтром, в залежності від
його пробігу, показали істотне зниження об’єму (на 20 %). У результаті, при
досягненні певної межі (що може бути встановлена на основі вимірювання
розрідження на виході фільтра тонкого очищення) двигун буде відчувати
«голодання».
6. Строк експлуатації фільтрів тонкого очищення палива, що мають
розрідження на виході та не перевищує 70-71 мБар при пробігу 10000 км може
бути подовжено до 20000 км.
83
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. Підвищення вимог до очищення дизельного палива від різних забруднень
дозволяє збільшити ресурс дизельного двигуна та заощадити на його
обслуговуванні і ремонті. При цьому, існуючі способи та обладнання очищення
дозволяють значно знизити потрапляння забруднень у паливну апаратуру та
циліндропоршневу групу дизельного двигуна. Однак, методи оцінки ресурсу
фільтруючих елементів паливних фільтрів досить складні для реалізації, а
запропоновані технічні рішення по визначенню забруднення фільтрів мають істотні
недоліки, пов'язані зі своєчасністю прийняття рішення про проведення заміни.
2. Отримана залежність зміни швидкості реагування мембрани від
параметрів паливоподачі (частота пульсацій палива в паливопроводі; сила, що діє
на мембрану при створенні розрідження) та забруднення фільтру тонкого
очищення (зміна ваги мембрани; зміна коефіцієнта пружності). На швидкість
коливань мембрани впливає її забрудненість. Закономірність зміни швидкості
коливань мембрани від стану фільтруючого елемента в період експлуатації
двигуна близька до лінійної.
3. У якості непрямого параметра стану фільтруючого елемента
запропоновано використовувати розрідження в системі паливоподачі Common
Rail, вимірюючи яке можна однозначно стверджувати чи потрібна заміна фільтра
тонкого очищення, чи ні. У процесі досліджень встановлено, що:
− при збільшенні частоти обертання колінчатого вала розрідження на
виході фільтра зростає;
− при встановленому фірмою-виробником пробігу (10000 км) значення
розріджень на виході фільтра вирівнюються і не суттєво залежать від частоти
обертання колінчатого вала;
− при перевищенні встановленого фірмою-виготовлювачем пробігу
проявляються істотні відхилення в значеннях розрідження для різних фільтрів;
− у частини фільтрів існує запас пробігу і він становить – у фільтрів, що
перебувають у зоні 105…108,3 мБар – 11 %; у зоні 108,3…111,7 мБар – 8,3 %; у
84
зоні 111,7…115 мБар – 5,5 %; у зоні 115…118,3 мБар – 2,8 %; у зоні
118,3…120 мБар – 0,7 %;
− існує можливість продовження строку експлуатації частини фільтрів
(23…27 % від загальної кількості) після встановленого виробником строку їх
заміни (10000 км).
4. Отримані аналітичні залежності дозволяють оцінити розрідження в системі
паливоподачі залежно від пробігу транспортного засобу в трьох режимах:
-1 -1
холостий хід, частота обертання колінчатого вала 1400 хв та 2000 хв , а також
аналітичні залежності ресурсу фільтруючого елемента паливного фільтра тонкого
очищення від розрідження в паливопроводі.
5. Розроблені технічні рішення реалізовані на практиці та дозволяють
діагностувати фільтри тонкого очищення палива системи Common Rail, а також
встановлювати межі експлуатації двигуна, укомплектованого цієї системою, у
холодний період.
6. На основі проведених досліджень зміни коефіцієнта пружності
фільтруючого елемента при його обробці ультразвуком встановлено, що
принципово неможливо відновлювати працездатність фільтруючих елементів,
наприклад, ультразвуковою обробкою, внаслідок втрати ними пружних
властивостей.
7. У результаті проведення експлуатаційних випробувань встановлено, що
об’єм палива, що пропускається, через фільтр зі збільшенням пробігу падає на
18…20%; різниця в показниках димності дизельного двигуна залежно від
використання фільтра з тим або іншим пробігом відсутня; значення розрідження
на виході фільтрів із пробігом від 19024 км до 20891 км, попередньо відібраних
після пробігу 10000 км із величинами розрідження ≤70-71 мБар, не виходять за
межі встановленої норми (120 мБар).