Всем нам известно и очевидно, что нарушение работы топливной системы негативно сказывается на показателях выхлопа ДВС — что бензинового, что дизельного. Причина этому лежит на поверхности: чрезмерная подача топлива приводит к его неполному сгоранию, и излишки топлива окисляются не полностью с превращением в газ, а образуют сажу. Не слишком углубляясь в химию (у автора, надо признаться, были сложные взаимоотношения с этим предметом), можно простейшим образом представить себе реакцию "C+O₂", результатом которой при недостатке кислорода становится не только CO₂, но и чистый C, то есть фактически сажа.
У экологов от такой красоты волосы на голове начнут шевелиться, и небезосновательно: помимо сажи, в таких режимах работы двигатель исторгает из себя много различной гадости, которой потом дышим и мы, и деревья в лесу, и мимимишные зайчики. Фу так делать!
Но экология экологией, а нам как инженерам было бы намного интереснее понять, что же именно вызвало повышение номинальных концентраций примесей в выхлопе нашего двигателя. Опытные мастера могут по цвету, звуку и другим косвенным показателям локализовать неисправность. Опыт таких людей бесценен, но не везде можно найти специалиста такого высокого класса. Частично решить эту задачу призваны экспертные системы (о них поговорим как-нибудь потом), которые на текущий момент вполне себе развились до нейросетей — но и те, и другие либо не слишком точны в диагнозе, либо требуют на входе конкретных числовых данных, в данном случае — о составе выхлопа.
Измерить содержание составных элементов выхлопных газов призваны газоанализаторы, различающиеся по количеству исследуемых параметров. Более простые модели способны выделить только CO и CH (многие помнят на городских улицах будки и фургончики с надписью CO/CH — это не группа, делающая каверы на AC/DC, а как раз ребята с газоанализаторами), а вот техника посерьёзнее способна различать порядка пяти, а то и больше, различных газов.
Один из таких газоанализаторов, а именно Инфракар 5М2.02, и попал в наши цепкие лапы на временное пользование, в связи с чем был немедленно привлечён к экспериментальной работе.
Чтобы продать что-нибудь ненужное понять, какие значения каких показателей свидетельствуют о неисправности, нужно в первую очередь понять, а как же с точки зрения газоанализатора выглядит здоровый двигатель. Заголовок статьи ясно даёт понять, что целью исследования были форсунки (вернее, была форсунка), поэтому для начала их нужно настроить на номинальное давление впрыска, для дизеля Д-240 равное 175...180 атм. К счастью, у нас есть какой-никакой механотестер, поэтому снимать форсунки и таскать на стенд не нужно, вся настройка делается на двигателе:
Выставив всё в номинал, измеряем "выхлоп здорового человека". Подопытный дизель не новый (впрочем, моточасы там достаточно смехотворные, но понятно, что подопытному кролику живётся достаточно несладко — live fast die young, как говорится), поэтому номинал здесь достаточно относителен. Тем не менее, по тридцати экспериментальным точкам были получены следующие графики в зависимости от оборотов двигателя:
Для трёх первых газов зависимость выражена достаточно чётко (оставим её статистический анализ за рамками статьи), а вот для CH и O₂ получили какой-то непонятный хаос. Давайте дополнительно построим графики в зависимости от времени — может быть, полнота прогрева двигателя влияет на точность измерений?
Пять точек для каждого графика (различные цвета — различные обороты двигателя) — не очень много, но в целом какую-то асимптоту выделить можно.
Ой, а что это за смешные червячки?
Значения O₂ и CH, которые были какой-то бесформенной кучей по оси оборотов двигателя, показали красивые зависимости от времени, причём с разрывами в одних и тех же точках. Как показало задумчивое чесание в голове, разрывы вызваны перекалибровкой газоанализатора "на лету" (при этом на другие параметры влияния нет), а вместо реальных значений по этим двум газам прибор, к сожалению, показывал нам паутину. Что ж, не всё всегда получается как задумано, но у нас ещё три показателя, есть что исследовать! Поэтому оставим O₂ и CH за бортом и будем экспериментировать с тем, что отображается исправно.
В качестве "возмутителя спокойствия" была выбрана форсунка 4-го цилиндра, для которой давление впрыска было установлено равным 100 атмосферам. Соответственно, в камеру сгорания будет подаваться сильно больше топлива, чем необходимо, что не может не сказаться на составе выхлопа. Но как именно, нам только и предстояло выяснить. Делаем 18 измерений и смотрим:
Для оксидов углерода изменение не особо значительно и больше похоже на погрешность. Смотрим дальше и...
...бинго! Оксиды азота, за которые дизелистов в основном и ругают экологи, подскочили аж в несколько раз на минимальной частоте вращения вала. При этом увеличение оборотов не слишком влияет на содержание NOₓ при неисправной форсунке (и это, вспомним, только одна!). Надо полагать, вызван данный эффект тем, что увеличение цикловой подачи топлива достигается в ТНВД более длинным импульсом давления, а поскольку у нашей форсунки импульс подачи и так завышен, то фактически она всегда работает на полную цикловую подачу. Однако, особого повышения мощности при этом не происходит:
• Во-первых, остальные цилиндры работают в номинале и не дают этому произойти. Эффективность сгорания топлива зависит в том числе от скорости сжатия смеси, а соответственно, оборотов двигателя. На дизелях с распределённым ТНВД (например, тепловозном Д49) можно вручную увеличить подачу топлива конкретной плунжерной парой, и услышать из этого цилиндра недовольные звуки детонации, которые многие называют "звон пальцев" (поршневых, разумеется). При этом если большой компанией (по человеку на каждые два цилиндра) увеличить подачу всех плунжерных пар, дизель начнёт послушно разгоняться, а регулятор — сходить с ума и дёргать рейку в сторону уменьшения подачи.
• Во-вторых, снижение давления впрыска приводит к заметному ухудшению качества распыливания (и соответственно ухудшению процесса сгорания), почему и говорят "форсунка льёт":
Помимо ухудшения показателей выхлопа, льющая форсунка также будет приводить к перерасходу топлива, особенно на двигателях с небольшим количеством цилиндров (один цилиндр из четырёх более заметен, чем один из восьми). Здесь уже неудобные вопросы пойдут со стороны руководства, которому пережог явно придётся не по душе...
Подводя итоги, положим в нашу копилку диагностических признаков ещё один показатель, который оказался крайне наглядным. Конечно, газоанализатор стоит не слишком дёшево, но в применении для достаточно большого парка эксплуатируемых тракторов из него можно извлечь изрядную пользу как в плане мониторинга состояния техники, так и в возможной экономии средств на топливо и неплановые ремонты.
---
Вячеслав Егоров,
к.т.н., старший преподаватель кафедры ЭМТП
Ал-Жавхар Али Еззат Махди,
аспирант кафедры ЭМТП