Оценка работоспособности бензиновых электромагнитных форсунок по величинам среднего абсолютного отклонения объема тестовой жидкости

Полный текст

Введение Известно, что техническое состояние (ТС) электромагнитных форсунок (ЭМФ) оказывает влияние на работу бензинового двигателя [1-10]. Проявлениями нарушений ТС устройства впрыска топлива являются неустойчивая работа двигателя (рывки и провалы при увеличении нагрузки на силовой агрегат), снижение его мощности, увеличение расхода топлива, повышенная токсичность отработавших газов [1-3]. Очистку форсунок от загрязнений проводят с помощью добавляемых в находящийся в топливном баке бензин химических реагентов или непосредственной подачей специальной жидкости на вход топливной рампы. Снятые с двигателя форсунки очищают от загрязнений, используя метод extra flushing (химическая обработка без ультразвука), и в ультразвуковых ваннах, в водных растворах, содержащих поверхностно-активные вещества [4; 10]. Техническое состояние ЭМФ оценивают по отклонениям пропускной способности (статической и динамической производительности) от эталонного значения (новые форсунки) или по отклонению от среднего расхода тестовой жидкости (ТЖ) при испытании снятых с двигателей форсунок на стендах [1; 2; 5; 6; 8; 11-14]. При этом пропускная способность, расход тестовой жидкости, выраженные в относительных единицах, могут быть как со знаком плюс (увеличенная пропускная способность, увеличенный расход), так и со знаком минус (уменьшенная пропускная способность, уменьшенный расход). Такое условное деление не позволяет провести градацию загрязненности форсунок. Поэтому целью данной работы стали стендовые испытания снятых с двигателей форсунок и оценка по рассчитанным средним абсолютным отклонениям объема тестовой жидкости технического состояния устройств, присутствия в них загрязнений. 1. Экспериментальная часть Объекты исследования - электромагнитные форсунки бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Форсунки эксплуатировались в силовых агрегатах автомобилей BMW F10, Skoda Fabia, KIA Optima, KIA Sorento. Испытания проводили на четырех комплектах форсунок (в каждом комплекте четыре форсунки), снятых с двигателей автомобилей с пробегом от 120 до 190 тыс. км. Испытывали форсунки Siemens Bosch 0261 500 109 (а/м BMW F10), VAG 04E 906 036 AF (а/м Skoda Fabia), Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) и Continental 35310-2G710 (а/м KIA Sorento). Техническое состояние ЭМФ оценивали, используя стенд для очистки и тестирования форсунок с ультразвуковой ванной и функцией extra flushing. В качестве тестовой использовали жидкость LAVR Ln 2004. Проверку форсунок на герметичность осуществляли с помощью функции «Тест на утечки» при давлении 8 бар. Опыты проводили, принимая во внимание не только уровень тестовой жидкости в измерительном цилиндре, но и формирование менисков на соплах форсунок. Работоспособность ЭМФ проверяли в автоматическом режиме (АР). Параметром, связанным с производительностью форсунок, был объем (q, мл) тестовой жидкости, поступающей в мерные цилиндры при испытании ЭМФ на стенде. Объем ТЖ оценивали по ее уровню в цилиндрах. Параметр q полностью открытой форсунки определяли по данным, полученным на режиме «Пролив» (АР-1). Оценивали также q в режиме имитации работы двигателя на холостом ходу (800 об×мин-1; АР-2). Объем тестовой жидкости измеряли в режиме имитации частоты вращения коленчатого вала n = 3500 об×мин-1 (АР-3), n = 5200 об×мин-1 (АР-4), а также имитируя режим (АР-5) динамических разгонов (800-5200 об×мин-1) и торможений (5200-800 об×мин-1). Минимальное число измерений q, определяемым по объему ТЖ в мерных цилиндрах, рассчитывали по формуле [15]: , (1) где - коэффициент, зависящий от доверительной вероятности (аналогичный коэффициент Стьюдента только при n = ¥); - коэффициент вариации; - относительная погрешность вычисления случайной величины (требуемая точность результата %). В результате проведенных расчетов установлено, что число повторных испытаний для требуемой точности составило ~ 1 измерение. Форму факела распыла форсунок оценивали при давлении ТЖ 4-6 бар. Для лучшей визуализации формы, принимаемой порцией выходящей из сопла жидкости, использовали специальное устройство, позволяющее подавать в ЭМФ под давлением воздух. Очистку форсунок от загрязнений проводили поэтапно, в две стадии. На первом этапе использовали режим extra flushing (без ультразвука). Моющим средством при таком способе очистки была выбрана безводная моющая жидкость BG-210, состоящая из гидроочищенной тяжелой и легкой нефти, растворителя Стоддарда, 2-бутоксиэтанола, изопропилового спирта, ксилола. Процедура extra flashing является аналогом проточного метода очистки форсунок, но отличается от него тем, что для повышения степени очистки в поток моющей жидкости через специальный клапан подается воздух под давлением на 2 бара ниже давления моющей жидкости в рампе. Насыщение моющей жидкости воздушными пузырьками усиливает очищающее действие средства за счет эффектов «кипения» и гидростатического удара, возникающего в момент запирания распылителя форсунки. Все это повышает динамическое давление внутри форсунки и приводит к разрыву пузырьков воздуха, что можно считать схожим с процессом кавитации при воздействии на жидкость ультразвука. На втором этапе в течение 10 мин проводили ультразвуковую очистку форсунок от загрязнений. В качестве моющей жидкости использовали LAVR Ln 2003. После каждого этапа очистки проверяли с помощью тестовой жидкости работоспособность форсунок. 2. Обсуждение результатов В результате проведенных исследований получены данные, позволяющие после статистико-математической обработки результатов опытов судить о работоспособности форсунок. Статистико-математическую обработку данных проводили, используя табличный процессор Microsoft Office Excel [16]. Техническое состояние комплекта форсунок оценивали по среднему абсолютному отклонению (среднее линейное отклонение): , (2) где - объем тестовой жидкости, поступающей в мерные цилиндры при испытании ЭМФ на стенде (i от 1 до 4), мл; - среднее значение объема тестовой жидкости, мл. Таблица 1 Значения объема ТЖ в измерительных цилиндрах qАР-1 при испытании (режим «Пролив») форсунок до процедур воздействия на устройства жидкости BG-210 и ультразвука, среднее значение объема АР-1, величины отклонений объема от среднего АР-1, среднее абсолютное отклонение ЭМФ qАР-1, мл АР-1, мл АР-1, мл , мл Bosch 0 261 500 109 (а/м BMW F10) 67 46 58 66 59 +8 -13 -1 +7 7,3 VAG 04E 906 036 AF (а/м Skoda Fabia) 31 32 32 23 30 +2 +3 +3 -7 3,8 Continental 35310-2G710 (а/м KIA Sorento) 69 69 67 67 68 +1 +1 -1 -1 1,0 Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) 70 70 70 70 70 0 0 0 0 0,0 Table 1 Values of the volume of test fluid in measuring cylinders qAM-1 during testing (“Spill” mode) of injectors before the procedures for exposing devices to BG-210 liquid and ultrasound, the average value of the volume AM-1, the volume deviations from the average AM-1, mean absolute deviation EMI qAM-1, ml AM-1, ml AM-1, ml , ml Bosch 0 261 500 109 (vehicle BMW F10) 67 46 58 66 59 +8 -13 -1 +7 7.3 VAG 04E 906 036 AF (vehicle Skoda Fabia) 31 32 32 23 30 +2 +3 +3 -7 3.8 Continental 35310-2G710 (vehicle KIA Sorento) 69 69 67 67 68 +1 +1 -1 -1 1.0 Continental 35310-2G710 (vehicle KIA Optima) 70 70 70 70 70 0 0 0 0 0.0 Таблица 2 Значения объема ТЖ в измерительных цилиндрах q при испытании (в режиме АР-1-5) форсунок Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) до процедур воздействия на устройство жидкости BG-210 и ультразвука, среднее значение q (), величины отклонений объема от среднего и среднее абсолютное отклонение Режим испытания q, мл , мл , мл , мл АР-1 70 70 70 70 70 0 0 0 0 0,0 АР-2 33 30 33 34 33 0 -3 0 +1 1,0 АР-3 36 35 37 37 36 0 -1 +1 +1 0,8 АР-4 32 30 32 28 31 +1 -1 +1 -3 1,5 АР-5 30 29 31 31 30 0 -1 +1 +1 0,8 Table 2 Values of the volume of test fluid in the measuring cylinders q during testing (in the AM-1-5 mode) of Continental 35310-2G710 injectors (KIA Optima vehicles) before the procedures for exposing the device to BG-210 fluid and ultrasound, the average value of q (), the magnitude of the deviations of the volume from the mean and the mean absolute deviation Test mode q, ml , ml , ml , ml АM-1 70 70 70 70 70 0 0 0 0 0.0 АM-2 33 30 33 34 33 0 -3 0 +1 1.0 АM-3 36 35 37 37 36 0 -1 +1 +1 0.8 АM-4 32 30 32 28 31 +1 -1 +1 -3 1.5 АM-5 30 29 31 31 30 0 -1 +1 +1 0.8 Таблица 3 Значения объема ТЖ в измерительных цилиндрах q при испытании (в режиме АР-1-5) форсунок Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) после химической обработки устройств, среднее значение q (), величины отклонений объема от среднего и среднее абсолютное отклонение Режим испытания q, мл , мл , мл , мл АР-1 70 70 70 70 70 0 0 0 0 0,0 АР-2 33 30 33 34 34 0 -3 0 +1 1,0 АР-3 35 35 37 37 36 -1 -1 +1 +1 1,0 АР-4 32 30 32 28 31 +1 -1 +1 -3 1,5 АР-5 30 29 31 31 30 0 -1 +1 +1 0,8 Table 3 Values of the volume of test fluid in measuring cylinders q during testing (in AM-1-5 mode) of Continental 35310-2G710 injectors (KIA Optima vehicles) after chemical treatment of devices, average value q (), deviations volume from the mean and the mean absolute deviation Test mode q, ml , ml , ml , ml АM-1 70 70 70 70 70 0 0 0 0 0.0 АM-2 33 30 33 34 34 0 -3 0 +1 1.0 АM-3 35 35 37 37 36 -1 -1 +1 +1 1.0 АM-4 32 30 32 28 31 +1 -1 +1 -3 1.5 АM-5 30 29 31 31 30 0 -1 +1 +1 0.8 Таблица 4 Значения объема ТЖ в измерительных цилиндрах q при испытании (в режиме АР-1-5) форсунок Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) после воздействия ультразвука, среднее значение q (), величины отклонений объема от среднего и среднее абсолютное отклонение Режим испытания q, мл , мл , мл , мл АР-1 70 70 70 70 70 0 0 0 0 0,0 АР-2 33 30 33 34 34 0 -3 0 +1 1,0 АР-3 36 35 37 37 36 -1 -1 +1 +1 1,0 Ар-4 32 31 32 28 31 +1 -1 +1 -3 1,5 АР-5 30 29 31 31 30 0 -1 +1 +1 0,8 Table 4 Values of test fluid volume in measuring cylinders q during testing (in AM-1-5 mode) of Continental 35310-2G710 injectors (KIA Optima vehicles) after exposure to ultrasound, average value q (), volume deviations from the mean and the mean absolute deviation Test mode q, ml , ml , ml , ml АР-1 70 70 70 70 70 0 0 0 0 0.0 АР-2 33 30 33 34 34 0 -3 0 +1 1.0 АР-3 36 35 37 37 36 -1 -1 +1 +1 1.0 Ар-4 32 31 32 28 31 +1 -1 +1 -3 1.5 АР-5 30 29 31 31 30 0 -1 +1 +1 0.8 В табл. 1 приведены величины объема тестовой жидкости в измерительных цилиндрах при испытании форсунок до процедур воздействия на устройства жидкости BG-210 и ультразвука. Из сопоставления данных (табл. 1) следует, что параметр АР-1 в режиме, когда форсунки открыты полностью, изменяется от -13 до +8 мл, а от 0 до 7. Аналогичный эффект наблюдается и на других режимах испытания, даже и для тех устройств, у которых (табл. 1). Так, в табл. 2 приведены результаты испытаний форсунок Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) с . Из сопоставления данных (табл. 2-4) следует, что изменение отклонений от среднего и варьирование параметра идентично для форсунок Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) как до их очистки, так и после химической обработки или воздействия ультразвуком. Поэтому полученные здесь отклонения, отличающиеся от значений и (табл. 1), являются погрешностями измерения объема тестовой жидкости на стенде. Из анализа представленных данных следует сделать вывод, что техническое состояние испытанных на стенде комплектов форсунок различно. Если форсунки Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) можно отнести к разряду чистых устройств, то форсунки (за исключением комплекта Bosch 0 261 500 109 (а/м BMW F10); = 7,3) с параметром от 1 до 3,8 (табл. 1) однозначно охарактеризовать как грязные нельзя. Поэтому было принято решение оценивать присутствие в форсунках загрязнений с помощью проверки данных на грубый промах. Проведенный по уравнению (2) расчет показал, что в значениях для форсунок Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) грубый промах отсутствует. Поэтому считалось, что наличие в значениях средних абсолютных отклонений грубого промаха является свидетельством присутствия в форсунках загрязнений. Наличие в данных грубого промаха проводили по величине максимального относительного отклонения [15]: , (3) где - максимальное значение ; - среднее значение ; - стандартное отклонение. Для выявления , соответствующих грубому промаху, рассчитанное значение сопоставляли с его табличным аналогом . При считали, что в форсунках присутствуют загрязнения, при - форсунки чистые или загрязнены незначительно, то есть изменения объема тестовой жидкости, связанные с присутствием в форсунках загрязнений, перекрываются погрешностью измерения . Таблица 5 Средние абсолютные отклонения, среднее значение (), стандартное отклонение , максимальное относительное отклонение τмакс, табличное значение отклонения τтабл Процедура Режим испытания ЭМФ Bosch 0 261 500 109 (а/м BMW F10) VAG 04E 906 036 AF (а/м Skoda Fabia) Continental 35310-2G710 (а/м KIA Sorento) Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) , мл До очистки форсунок АР-1 7,3 3,0 1,0 0,0 АР-2 3,5 1,3 1,0 1,0 АР-3 3,3 0,5 0,3 0,8 АР-4 2,8 1,3 0,5 1,5 АР-5 1,8 1,3 0,3 0,8 После химической обработки АР-1 3,0 2,3 0,8 0,0 АР-2 2,8 0,5 0,8 1,0 АР-3 1,5 1,3 0,3 1,0 АР-4 1,8 0,5 0,3 1,5 АР-5 1,5 1,3 0,3 0,8 После воздействия ультразвука АР-1 0,8 1,0 0,5 0,0 АР-2 1,8 0,5 0,3 1,0 АР-3 1,8 0,8 0,0 1,0 АР-4 1,8 0,5 0,3 1,5 АР-5 1,8 0,8 0,3 0,8 2,49 1,13 0,47 0,85 1,53 0,72 0,30 0,50 3,14 2,61 1,80 1,30 2,46 Table 5 Average absolute deviations, mean value (), standard deviation , maximum relative deviation τmax, tabular deviation value τtable Procedure Test mode EMI Bosch 0 261 500 109 (а/м BMW F10) VAG 04E 906 036 AF (а/м Skoda Fabia) Continental 35310-2G710 (а/м KIA Sorento) Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) , ml Before cleaning the nozzles АM-1 7.3 3.0 1.0 0.0 АM-2 3.5 1.3 1.0 1.0 АM-3 3.3 0.5 0.3 0.8 АM-4 2.8 1.3 0.5 1.5 АM-5 1.8 1.3 0.3 0.8 After chemical treatment АM-1 3.0 2.3 0.8 0.0 АM-2 2.8 0.5 0.8 1.0 АM-3 1.5 1.3 0.3 1.0 АM-4 1.8 0.5 0.3 1.5 АM-5 1.5 1.3 0.3 0.8 After exposure to ultrasound АM-1 0.8 1.0 0.5 0.0 АM-2 1.8 0.5 0.3 1.0 АM-3 1.8 0.8 0.0 1.0 АM-4 1.8 0.5 0.3 1.5 АM-5 1.8 0.8 0.3 0.8 2.49 1.13 0.47 0.85 1.53 0.72 0.30 0.50 3.14 2.61 1.80 1.30 2.46 Таблица 6 Средние абсолютные отклонения, полученные при испытании форсунок в режим «Пролив» Процедура ЭМФ Bosch 0 261 500 109 (а/м BMW F10) VAG 04E 906 036 AF (а/м Skoda Fabia) Continental 35310-2G710 (а/м KIA Sorento) Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) , мл До очистки форсунок 7,3 3,0 1,0 0,0 После химической обработки 3,0 2,3 0,8 0,0 После воздействия ультразвука 0,8 1,0 0,5 0,0 Table 6 Average absolute deviations obtained when testing injectors in the “Spill” mode Procedure EMI Bosch 0 261 500 109 (а/м BMW F10) VAG 04E 906 036 AF (а/м Skoda Fabia) Continental 35310-2G710 (а/м KIA Sorento) Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) , ml Before cleaning the nozzles 7.3 3.0 1.0 0.0 After chemical treatmen 3.0 2.3 0.8 0.0 After exposure to ultrasound 0.8 1.0 0.5 0.0 Из сопоставления данных (табл. 5) следует, что для форсунок Bosch 0 261 500 109 (а/м BMW F10) и VAG 04E 906 036 AF (а/м Skoda Fabia) , то есть соблюдается условие, при котором значения 7,3 и 3,0 являются свидетельством загрязнения форсунок. Для форсунок Continental 35310-2G710 (а/м KIA Sorento) и Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima) . Следовательно, форсунки чистые или загрязнены незначительно. Комплекс форсунок Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima), как это показано ранее, можно отнести к разряду чистых форсунок. В табл. 6 представлены средние абсолютные отклонения, полученные в режиме испытания форсунок «Пролив». Из сопоставления данных следует, что величина для всех форсунок, кроме Continental 35310-2G710 (а/м KIA Optima), закономерно изменяется. До очистки форсунок максимален, после воздействия ультразвука - минимален. После химической обработки параметр занимает промежуточное положение. Такое изменение , обусловленное воздействием химических реагентов и ультразвука на сопловую часть распылителя (корпус, иглу распылителя), свидетельствует, что среднее абсолютное отклонение отражает не только присутствие в форсунках загрязнений, но и иллюстрирует течение процесса очистки. Так, после химической обработки и воздействия ультразвука ниже в 2-9 раз аналогичного параметра, полученного при испытании форсунок до их очистки. Заключение На основе полученных на стенде результатов испытаний, анализа и обсуждения данных проведена оценка технического состояния электромагнитных форсунок бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Техническое состояние испытанных на стенде комплектов форсунок различно. Показано, что рассчитанные средние абсолютные отклонения объема тестовой жидкости отражают не только присутствие в форсунках загрязнений, но и иллюстрируют течение процесса очистки. Средние абсолютные отклонения объема тестовой жидкости после химической обработки и воздействия ультразвуком ниже в 2-9 раз аналогичных параметров, полученных в неочищенных химическими реагентами и ультразвуком форсунках.

Об авторах

Александр Андреевич Ходяков

Российский университет дружбы народов

Email: khodyakov-aa@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-9391-2890

кандидат химических наук, доцент департамента транспорта, Инженерная академия

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Сергей Валентинович Хлопков

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: khlopkov-sv@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0001-9536-7558

кандидат технических наук, доцент департамента транспорта, Инженерная академия

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Влада Валерьевна Басова

Российский университет дружбы народов

Email: 1032202133@rudn.ru
магистрант департамента транспорта, Инженерная академия Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы