(В полном объеме данная статья опубликована в журнале "Тракторы и сельскохозяйственные машины", 2005г., № 12).

Бобрышев Г.П., Моносзон А.А.(к.т.н.), Радченко Ю.Г. (к.т.н.), Вальков В.А.

Модернизация топливных стендов для испытания и регулировки топливных насосов дизелей.

Дизельные двигатели в мировой системе энергетических средств занимают значительную долю. Такими двигателями оснащается подавляющее большинство грузовых автомобилей, автобусов, самоходной сельско-хозяйственной, судоходной, железнодорожной и буровой техники. Расширяется применение дизелей и на легковых автомобилях. Так, по данным фирмы R. Bosch, доля находящихся в эксплуатации легковых автомобилей с дизельными двигателями в Западной Европе в 2000г. равнялась 32,5%, а в 2005г. составит уже 40 – 48%.

Дизели, работающие с повышенными степенью сжатия и коэффициентом избытка воздуха, в большей степени, чем другие двигатели, отвечают современным тенденциям двигателестроения, и в первую очередь – улучшению экономических показателей и экологического влияния на окружающую среду (в выхлопных газах дизелей, по сравнению с бензиновыми двигателями, обнаруживается очень малое содержание окиси углерода (СО), углеводородов (СН) и окиси азота (NO).

Однако реализация этого принципиального преимущества будет невозможна без обеспечения оптимальных характеристик и параметров топливоподачи в соответствии с режимом работы двигателя и условиями его эксплуатации. Надежность работы двигателя, его экономичность и выброс вредных веществ в атмосферу во многом зависит от качества настройки топливной аппаратуры и своевременного ее технического обслуживания.

Любые, даже незначительные, неисправности или отклонения от заданных регулировочных параметров в топливной системе двигателя приводят к снижению мощности, перерасходу топлива, наблюдаются повышенные вибрация двигателя и дымность выхлопных газов, нагарообразование и закоксовывание распылителей форсунок. Снижается общий ресурс двигателя.

Так, например, начало нагнетания топлива секциями насоса и равномерность чередования подачи существенно сказываются на показателях работы двигателя. Допускаемое рассогласование составляет не более 0,5 градуса. В результате износа, ремонтов, замены плунжерных пар оно может достичь нескольких градусов.

Качественно отрегулировать насос можно только на стенде с высокоточной измерительной системой, обеспечивающей измерение углов срабатывания секций насоса (равномерности чередования подачи). Общие требования к топливным насосам высокого давления (ТНВД) и средствам для их испытания и регулировки изложены в ГОСТ 10578-95 «Насосы топливные дизелей».

Значительную часть стендов, эксплуатируемых в нашей стране, составляют стенды КИ-921М, КИ-22205 и их модификации производства Красноуфимского опытно-экспериментального завода.

В достаточно большом количестве эксплуатируются стенды зарубежного производства - «Minor-8», «Star-12F» и «Motorpal» различных модификаций.

Несколько меньшую долю занимают стенды типа КИ-15711 производства Малоярославецкого завода.

Основная часть стендов эксплуатируется уже в течение 20 и более лет, физически и морально устарела, некоторые типы стендов не позволяют испытывать современные ТНВД.

Краткие характеристики стендов представлены ниже в таблице.



№ п/п

Марка стенда

Краткая характеристика стенда

1

КИ-921М

(Россия, КОЭЗ)

Кол-во испытываемых секций

8

Мощность привода, кВт

3,0

Частота вращения вала, об/мин

120-1600

Способ регулирования частоты вращения

механический клиноременный вариатор

Измерительная система

стрелочный тахометр, механический счетчик циклов, стробоскоп

2

КИ-22205

(Россия, КОЭЗ)

Кол-во испытываемых секций

8

Мощность привода, кВт

3,0

Частота вращения вала, об/мин

120-1600

Способ регулирования частоты вращения

механический клиноременный вариатор

Измерительная система

электронный блок с цифровой индикацией

3

КИ-

22205-01

(Россия, КОЭЗ)

Кол-во испытываемых секций

12

Мощность привода, кВт

а) 4,75 б) 5,6

Частота вращения вала, об/мин

а) 40-1500 б) 40-3000

Способ регулирования частоты вращения

электропривод постоянного тока с электронным блоком управления

Измерительная система

электронный блок с цифровой индикацией

4

КИ-22210

(Россия, КОЭЗ)

Кол-во испытываемых секций

12

Мощность привода, кВт

а) 4,0 б) 5,6

Частота вращения вала, об/мин

а) 60-1800 б) 40-3000

Способ регулирования частоты вращения

индукционная муфта скольжения с электронным блоком управления

Измерительная система

электронный блок с цифровой индикацией, стробоскоп

5

КИ-15711М-03

(Россия, МОПАЗ)

Кол-во испытываемых секций

12

Мощность привода, кВт

16,5

Частота вращения вала, об/мин

70-3000

Способ регулирования частоты вращения

гидропривод

Измерительная система

электронный блок с цифровой индикацией, стробоскоп

6

КИ-15711М-05

(Россия, МОПАЗ)

Кол-во испытываемых секций

8

Мощность привода, кВт

7,5

Частота вращения вала, об/мин

70-3000

Способ регулирования частоты вращения

регулируемый электропривод переменного тока

Измерительная система

электронный блок с цифровой индикацией, стробоскоп

7

«Motorpal»

(Чехия)

Кол-во испытываемых секций

12

Мощность привода, кВт

а) 2,8 б) 4,0

Частота вращения вала, об/мин

80-1400

Способ регулирования частоты вращения

гидропривод

Измерительная система

стрелочный тахометр или электронный блок, электрический счетчик циклов, стробоскоп

8

«Star-12F»

(Венгрия)

Кол-во испытываемых секций

12

Мощность привода, кВт

4,0

Частота вращения вала, об/мин

65-2500

Способ регулирования частоты вращения

регулируемый 3-фазный коммутационный электродвигатель

Измерительная система

стрелочный тахометр, механический счетчик циклов, стробоскоп

9

«Minor-8»

(Венгрия)

Кол-во испытываемых секций

8

Мощность привода, кВт

2,8

Частота вращения вала, об/мин

65-2500

Способ регулирования частоты вращения

регулируемый 3-фазный коммутационный электродвигатель

Измерительная система

стрелочный тахометр, механический счетчик циклов, стробоскоп



К сожалению, производство современных отечественных стендов для испытания и регулировки ТНВД очень невелико, к тому же непростое экономическое положение многих предприятий не позволяет произвести замену стендов, поскольку современные отечественные стенды стоят от 250 тысяч до 1 миллиона руб., а импортные в несколько раз дороже.

В связи с этим большой интерес вызывает модернизация находящихся в эксплуатации стендов, которая позволит поднять их до современного уровня при меньших вложениях.

Рассмотрим основные пути ее проведения.

Топливные стенды состоят из следующих основных систем:

  1. Регулируемый привод выходного вала стенда (далее – силовой привод);
  2. Система измерения частоты вращения вала стенда, углов чередования подачи топлива, отсчета числа циклов впрыскивания (далее – измерительная система);
  3. Система стабилизации температуры топлива (технологической жидкости) – (далее – система термостабилизации);
  4. Система измерения количества подаваемого насосом топлива (далее – блок мензурок);
  5. Система топливоподачи низкого давления;
  6. Система смазки испытываемого насоса.

Силовые приводы стендов различаются по мощности и способам регулирования частоты вращения выходного вала.

Наиболее простой и дешевый способ, использующийся на стендах КИ 921 и его модификациях – механический клиноременной вариатор. Главными недостатками такого решения являются небольшой диапазон регулирования, что потребовало введения двух поддиапазонов регулирования, переключаемых переброской ремня на приводных шкивах, быстрый износ приводных ремней и небольшая передаваемая мощность.
Высокая трудоемкость переключения поддиапазонов ограничивает возможность регулировки ТНВД в области пусковых режимов.

Как альтернатива, был разработан и выпускался Красноуфимским ОЭЗ стенд КИ-22205-01 с электродвигателем постоянного тока и электронным блоком управления. Этот вариант отличался широким диапазоном изменения частоты вращения – от 40 до 3000 об/мин, высокой стабильностью и удобным регулированием.
К сожалению, он был снят с производства во времена распада СССР из-за проблем с комплектацией.

Стенды с гидроприводом (Motorpal, КИ-15711) имеют очень хорошие эксплуатационные качества – удобную регулировку частоты вращения, большой крутящий момент на низкой частоте вращения, высокую стабильность скоростного режима.
При правильной эксплуатации они имеют очень высокую надежность.
Недостатком гидроприводов является высокая стоимость, большое количество прецизионных деталей и низкая ремонтопригодность.

На стендах «Star-12F» и «Minor-8» используются 3-фазные коммутационные электродвигатели переменного тока с регулировкой частоты вращения.
Достоинством этого решения является простота регулирования, а недостатком – сильная зависимость частоты вращения от момента на валу, что затрудняет поддержание скоростного режима при испытаниях насоса.
При выходе из строя двигатель восстановить практически невозможно.

Используемые на некоторых стендах для регулирования частоты вращения индукционные муфты скольжения в настоящее время не применяются из-за малого передаваемого крутящего момента и низкого к.п.д.

Современным решением регулирования частоты вращения приводного вала стенда является применение асинхронных электродвигателей с блоком преобразования частоты. Относительно невысокая стоимость, широкий диапазон и удобство регулирования, высокая стабильность, простота использования ставят его вне конкуренции по сравнению с другими способами.
В связи с этим, при модернизации силового привода стенда рекомендуется применение асинхронного электродвигателя необходимой мощности и соответствующего ему преобразователя частоты.
Такие преобразователи частоты изготавливают многие отечественные и зарубежные фирмы. Как хорошо зарекомендовавшие себя можно отметить, например, преобразователи фирм «MITSUBISHI ELECTRIC», «LG» и другие.
При этом необходимо иметь в виду, что для испытаний современных насосов с увеличенной энергией впрыска, например, «КамАЗ-Евро», необходим электродвигатель мощностью не менее 10 кВт.
Дополнительно при модернизации силового привода может быть заменен на более усиленный выходной вал стенда с установкой на нем соединительной муфты, обеспечивающей беззазорное соединение валов стенда и испытываемого насоса.

Модернизация измерительной системы – наиболее ответственная часть работы, т.к. она во многом определит технический уровень стенда, возможности качественной регулировки ТНВД и производительность труда оператора.
Измерительные системы в основном различаются способами измерения углов чередования работы секций насоса.
Существует два режима измерения углов чередования – статический и динамический.
В статическом режиме геометрические углы начала нагнетания топлива секциями насоса измеряются по лимбу стенда способом моментоскопа, либо способом проливки. Моментоскоп представляет собой прозрачную трубку небольшой длины, устанавливаемую на штуцер испытываемой секции насоса. При повороте вала, когда торец плунжера перекрывает наполнительное отверстие, уровень жидкости в трубке страгивается, что и принимается за начало нагнетания топлива данной секцией. Способ отличается низкой точностью, поэтому большее распространение получил способ проливки. При этом способе в головку насоса подается топливо под давлением, превышающем давление открытия нагнетательных клапанов (в перепускное отверстие головки ставится заглушка). Пока плунжер секции не перекрывает наполнительное отверстие, топливо протекает из головки насоса в сливные трубки. Когда плунжер испытываемой секции перекрывает наполнительное отверстие, истечение прекращается. Точность способа выше, чем у предыдущего, но она ограничивается неопределенностью фиксации момента прекращения истечения топлива и составляет 1 – 1,5 градуса.
Способы не требуют сложного оборудования, но отличаются высокой трудоемкостью измерений. Кроме того, эти способы не учитывают влияния гидроплотности плунжерных пар, которое проявляется в динамическом режиме работы насоса и снижает скорость нарастания давления в трубопроводе. По этой причине ошибки в углах чередования подачи при работе насоса на двигателе могут достигать нескольких градусов.

В динамическом режиме, т.е. при вращении вала насоса, проверяется начало впрыскивания топлива секциями насоса.
Самым распространенным способом определения начала впрыскивания топлива является стробоскопический. При этом топливо впрыскивается форсункой в прозрачный стеклянный уловитель, который освещается лампой стробоскопа. Регулируя задержку включения лампы, наблюдают за появлением из носика распылителя форсунки факела распыленного топлива. В зависимости от задержки величина его меняется от минимальной до максимальной. Это изменение укладывается примерно в 10 градусов угла поворота вала насоса.
Для идентичности измерений по всем секциям насоса размер этого факела выбирают одинаковым для всех секций и равным нескольким миллиметрам. Трудность выдерживания этого размера «на глаз» в условиях наличия случайной составляющей ограничивает точность измерений.
Направляя затем лампу стробоскопа на лимб стенда, считывают угол начала впрыскивания топлива испытываемой секции.
Существенное влияние на угол начала впрыскивания оказывает величина давления подъема иглы распылителя форсунки. При изменении этого давления на 10 кг/см2 угол впрыскивания изменяется на 0,2 – 0,3 градуса.
Это требует очень тщательной регулировки стендовых форсунок и постоянного контроля за их состоянием.
Результирующая погрешность способа составляет порядка +/- 1 градус.

Применение контактных датчиков впрыскивания в комплексе с электронным блоком на стендах КИ-22205, КИ-22205-01 устраняет влияние субъективного фактора, а применение цифровой индикации измеренного значения и усреднение позволили снизить погрешность измерения до +/- 0,5 градуса.
Недостатком контактных датчиков является крайне низкая надежность работы, обусловленная их конструкцией.

В последнее время появились бесконтактные пьезоэлектрические датчики впрыскивания (стенд ДД 10-05), обладающие более высокой надежностью и стабильностью по сравнению с контактными. Однако в обоих случаях остается влияние параметров форсунки на результат измерения.

Промежуточное положение между статическим режимом определения геометрического угла начала нагнетания и динамическим режимом угла начала впрыскивания занимает способ, основанный на измерении давления топлива в топливных трубках в динамическом режиме и фиксации момента достижения им заданной пороговой величины. Для снижения влияния отраженной волны эту величину выбирают примерно равной 50% давления открытия распылителя, т.е. около 100 кг/см2.
Такое решение позволяет, с одной стороны, учитывать влияние гидроплотности плунжерных пар, поскольку давление в трубопроводе достаточно высокое, и, с другой стороны, исключить влияние регулировки форсунок, т.к. они не участвуют в процессе измерения.
Высокая точность, быстродействие, стабильность параметров датчиков давления с учетом последующей обработки сигналов позволяют достичь точности измерений не хуже +/- 0,2 градуса. Датчики давления включаются, как правило, между трубкой высокого давления и форсункой.
Дополнительным достоинством данного способа является возможность по характеру изменения давления производить диагностику технического состояния элементов топливоподающего тракта.
Рабочий диапазон датчиков давления должен быть не менее 1500 кг/см2.
Основным недостатком этого способа является высокая (около 3-х тысяч рублей за 1 шт.) стоимость датчиков.

Кроме углов чередования подачи топлива для быстроходных двигателей очень важна проверка и регулировка характеристики автоматической муфты опережения впрыскивания топлива – зависимости угла разворота полумуфт от частоты вращения (угла муфты).
В статическом режиме такая проверка невозможна, а в динамическом режиме, при использовании стробоскопа или других датчиков, расположенных у форсунки, в результат измерения включается время распространения волны давления по длине топливной трубки. Это время создает дополнительный угол, изменяющийся вместе с изменением частоты вращения вала и вычитающийся из угла работы муфты.
В связи с этим, устройство для измерения угла муфты должно иметь механизм компенсации влияния длины топливной трубки.

При измерении объемной подачи насоса измерительная система должна позволять задавать число циклов впрыскивания с шагом в 1 цикл в диапазоне до нескольких тысяч.
Для сокращения времени на перенастройки счетчика циклов при измерениях пусковой и номинальной подач топлива желательно, чтобы система имела два независимых счетчика циклов с общим выходом для управления электромагнитом заслонки блока мензурок.

Дополнительно современная измерительная система должна обеспечивать оператора сервисной информацией – отклонением углов чередования секций насоса от номинальных значений, запоминание углов и отклонений для использования их при регулировке насоса.

Наиболее полно предъявляемым требованиям отвечает универсальная измерительная система «Блок электроники топливного стенда БЭСТ-12М» производства Научно-производственного предприятия «Диагностические приборы». Эта система может работать с любыми датчиками: давления, контактными, пьезоэлектрическими.

Еще одна система, влияющая на качество регулировки топливных насосов – система стабилизации температуры дизельного топлива (технологической жидкости), подающейся в головку насоса. Эта система должна поддерживать температуру топлива с погрешностью не более +/- 10С. Для подогрева используются, как правило, электрические подогреватели.
На мощных стендах возникает необходимость охлаждения технологической жидкости, которое обычно производят водопроводной водой через змеевик, расположенный в топливном баке, или специальными холодильниками.
Для регулирования температуры применяют современные регуляторы с цифровым управлением, имеющие невысокую стоимость, небольшие габариты и высокую надежность работы.
Типичными представителями таких регуляторов являются регуляторы ТРМ1 и 2ТРМ1 производства ПО "ОВЕН". Последний регулятор – двухканальный, поэтому он может управлять как нагревом, так и охлаждением топлива. Эти регуляторы могут непосредственно управлять нагрузкой мощностью до 1,5 кВт.

При модернизации блока мензурок желательно заменить механический счетчик циклов (стенды КИ-921, «Minor-8», «Star-12F») на привод с электромагнитом и управлением от измерительной системы. Мерные емкости (мензурки) могут быть заменены на емкости большего объема.

Система топливоподачи низкого давления в модернизации обычно не нуждается. На ней проводятся необходимые ремонтные работы и замена фильтрующих элементов.

Как правило, топливные стенды не имеют в своем составе отдельной системы смазки испытываемых насосов. Для испытания насосов, не имеющих собственной системы смазки, необходимо использовать отдельную смазочную станцию. Такие станции смазки изготавливаются Малоярославецким заводом МОПАЗ под маркой ДД-3100.

Модернизированный стенд желательно доукомплектовать кронштейнами и полумуфтами для установки на нем ТНВД различных марок, наборами спецключей, а также дополнительными приспособлениями для регулировки их узлов (корректоров подачи топлива по наддуву, величины подъема плунжеров).

В дальнейших публикациях мы подробно расскажем о модернизации каждой из систем стендов.



Список использованной литературы:


1. Тракторные дизели: Справочник / Б.А. Взоров, А.В. Адамович, А.Г. Арабян и др.; Под общ. ред. Б.А. Взорова - М.: Машиностроение, 1981. - 535 с.

2. Топливная аппаратура тракторных и комбайновых дизелей: Справочник / В.Г. Кислов, В.А. Павлов, А.П. Трусов и др. – М.: Машиностроение, 1981. – 208с.

3. Руководство по испытанию и регулировке топливной аппаратуры тракторных, комбайновых и автомобильных дизелей - .М.: ГОСНИТИ, 1990. – 186с.

4. Топливные системы и экономичность дизелей / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И. Трусов и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 288с.



Возврат к списку