Инерционность как диагностический параметр инжекторов

Необходимость очистки собственно инжекторов – форсунок – возникает или по факту ухудшения характеристик двигателя, или после 20…30 тыс. км пробега при очередном ТО. Статистика показывает, что с необходимостью очистки инжекторов связано более половины всех ремонтов систем впрыска бензина, а с учётом планово-профилактических очисток это число достигает 80…85%. Такое частое обращение к инжекторам неизбежно требует их тщательной диагностики. Как правило, тестируются сопротивление обмотки, производительность, баланс, герметичность, факел. Инерционность проверяют не всегда, и чаще всего из-за отсутствия нужной аппаратуры. Однако установить истинное состояние электромагнитного инжектора можно только по совокупности всех параметров, поэтому практика заставляет искать доступные диагностические методы. 
 
Инжектор (форсунка) является последним и важнейшим звеном на пути бензина к цилиндру. Цикловая доза впрыскиваемого бензина 2-литрового двигателя в режиме частичной нагрузки составляет всего 0,03…0,04 мл. Строгая геометрия конструкции, миниатюрные размеры в сопряжении «запорный элемент – седло распылителя» и прецизионное изготовление обеспечивают точность дозы и мелкую дисперсность распыла бензина при номинальной инерционности подвижных частей. Однако это происходит только тогда, когда все внутренние детали инжектора идеально чисты.

Рис. 1. Конструкция инжекторов:

слева – струйный инжектор; справа – детали факельного инжектора

1 – электрический разъём; 2 – корпус; 3 – направляющая втулка; 4 – седло распылителя; 5 – уплотнительное резиновое кольцо; 6 – гидравлический впускной разъём; 7 – сетчатый топливный фильтр; 8 – электрическая обмотка; 9 – возвратная пружина; 10 – игла с запорным элементом; 11 – сферический запорный элемент; 12 – пластина распылителя с отверстиями; 13 – запорный элемент шток; 14 – распылитель

 

Инжектор работает в тяжёлых нагрузочно-ударных и температурных условиях, а бензин неизбежно откладывает на запорном элементе и седле распылителя различные смолы, которые через 20…30 тыс. км начинают отвердевать и коксоваться, вследствие чего снижается эффективность щадящей химической промывки и возникает необходимость в ультразвуковой очистке, которая несёт определённый риск повреждения самого инжектора.

Рис. 2. Игла, покрытая коррозией:

1 – сердечник; 2 – направляющие грани; 3 – запорный элемент шток

В инжекторе накапливаются не только смолы, но и отложения коррозии (рис. 2). Для точного удержания запорного элемента относительно седла при продольных перемещениях, грани иглы и направляющая втулка выполнены в виде прецизионно прилегающей пары; в факельных инжекторах направляющей втулкой является отверстие в теле распылителя. Если смолы откладываются на запорном элементе, клапане и седле и, главным образом, нарушают производительность и факел, то коррозия в сопряжениях пары увеличивает трение и становится основным фактором роста инерционности иглы в моменты открытия и закрытия инжектора. В зависимости от характера и степени загрязнения это может привести как к уменьшению, так и к увеличению дозы впрыснутого инжектором топлива, а также к ухудшению атомизации, частичному или полному переходу в капельный режим и нарушению герметичности.

Рис. 3. Идеальная инерционность инжектора

 

Управляющий прямоугольный импульс напряжения U (рис. 3) имеет крутой линейный фронт, а его амплитуда практически равна величине бортового напряжения автомобиля Ub =13,8…14,2 В. В отличие от напряжения, ток I в обмотке и созданная им напряжённость магнитного поля Н нарастают плавно по экспоненциальному закону из-за действия э.д.с. самоиндукции:

;  

,

где
– постоянная времени,
L – индуктивность обмотки,
R – сопротивление обмотки,
N – число витков в обмотке,
l – длина соленоида.
Ввиду того, что материал иглы представляет из себя ферромагнетик, полная сила магнитного поля во много раз превышает значение напряжённости Н, а, кроме того, имеет место петля гистерезиса, выражающаяся в том, что изменение намагниченности иглы по времени отстаёт от изменения магнитного поля.
В момент времени t1 сила магнитного поля, созданная током I1, становится больше суммарного усилия возвратной пружины и системного давления топлива, и игла к моменту t2 перемещается на величину h, полностью открывая распылитель.
В момент t3 электрическая цепь разрывается, и ток прекращает своё действие. Намагниченность также исчезает, но подчиняясь гистерезису, т.е. с некоторым запаздыванием. Под воздействием пружины и давления топлива игла в момент t4 возвращается в закрытое состояние.
Промежутки времени t2 – t1 и t4 – t3, необходимые для полного цикла перемещения иглы, полностью определяются её инерционностью.

Рис. 4. Реальная инерционность нормального инжектора

 

В реальном инжекторе в момент обрыва цепи в обмотке возникает э.д.с. самоиндукции, в результате которой суммарное усилие магнитного поля, возвратной пружины и давления топлива сокращает время закрытия инжектора t4 – t3 (рис. 4). Пиковое значение э.д.с. самоиндукции Up достигает 60 В и более. Это важная характеристика, которая влияет на время открытого состояния инжектора и, следовательно, на величину дозы впрыснутого топлива.
В некоторых диагностических приборах инерционность инжектора оценивается путём измерения запаздывания перемещения иглы относительно фронта и спада управляющего импульса, т.е. вычисляются промежутки времени t2 – t1 и t4 – t3. Для получения электрического сигнала об окончании перемещения иглы к корпусу инжектора, установленного в стенд, прикрепляется пьезоэлектрический датчик, фиксирующий щелчки в моменты открытия/закрытия, а полученные промежутки времени сравнивают с эталонными. Последние, впрочем, весьма проблематично найти в информационных базах, чтобы сделать необходимое заключение о состоянии инжектора. Расширенные характеристики хранятся в памяти некоторых продвинутых стендов, но сами стенды недоступны большинству инжекторщиков по причине своей запредельной дороговизны.
Вместе с тем вышеописанное поведение иглы инжектора позволяет, на наш взгляд, применить более простой метод для оценки его инерционности.
Для этого следует на гидравлическом входе инжектора установить номинальное давление бензина или тарировочной жидкости, а на обмотку подать симметричное пилообразное напряжение U, изменяющееся по линейному закону (рис. 5). Величину напряжения надо контролировать вольтметром. Если в системе впрыска в цепи обмотки применяется балластный резистор, то это напряжение подаётся через резистор такого же сопротивления. Учитывая, что для большинства современных инжекторов постоянная времени τ  0,2…0,3 мс, то для завершения токового переходного процесса и явлений гистерезиса практически достаточным является время (5…7)τ 1,0…2,1 мс. При этом ток в обмотке будет также изменяться линейно. Окончательно период пилы подбирается на практике с учётом эргономических требований.

 

Рис. 5. Диагностика инерционности:

а – нормального инжектора; б – загрязнённого инжектора

 

Линейные законы изменения напряжения и тока позволяют непосредственно выразить инерционность инжекторов через значения величин напряжений открытия и закрытия. 
При таких условиях диагностики находящийся в нормальном состоянии электромагнитный инжектор распределённого впрыска внешнего смесеобразования (рис. 5а) открывается скачком, как правило, при напряжении
, а закрывается так же, скачком, при напряжении
.
Инерционность загрязнённого инжектора (рис. 5b) вследствие повышенного трения в сопряжениях больше, чем нормального. Такой инжектор открывается при напряжениях U2 > 6 B, причём при U2 > 8…9 B могут быть значительные трудности в пуске и работе двигателя. Кроме того, сильно загрязнённый инжектор может открываться не скачком, а ступенчато, рывками или замедленно, и при этом на начальной стадии открытия (промежуток времени от t1 до t1’) выход топлива из распылителя может быть не факельным/струйным, а капельным.
Загрязнённый инжектор закрывается при меньших напряжениях, чем чистый, ввиду того, что усилия пружины и давления топлива недостаточно для преодоления суммарной силы магнитного поля и большей силы трения. По этой причине сильно загрязнённый инжектор может вовсе не закрыться, зависнуть на некоторой остаточной высоте hост и с некоторого момента t4 перейти в капельный режим, полностью потеряв герметичность.
Этот метод оценки инерционности программно автоматизирован и аппаратно реализован в стенде очистки инжекторов «Форус». С запуском данного режима в стенде устанавливается номинальное (системное) давление. На обмотку инжектора подаётся единичная симметричная пила напряжения, значение которой индицируется строкой состояния и цифровым вольтметром на дисплее.

Рис. 6. Результат стендовой диагностики инерционности инжектора

 
Открытие и закрытие диагностируемого инжектора (в данном случае это Ф3) фиксируется оператором по появлению и исчезновению факела/струй, после чего процесс останавливается (рис. 6), оба напряжения запоминаются в оперативной памяти микропроцессора и выводятся на дисплей. Нетрудно видеть, что при этом стендовая временная диаграмма режима имеет вид, показанный на рис. 7. Она отличается от вышеприведенных меньшими значениями напряжения и тока открытия, в силу того, что их рост прекращается в момент открытия инжектора. Отключение напряжения происходит в момент выхода из режима диагностики данного инжектора t5.
 

Рис. 7. Временная диаграмма стендовой диагностики инерционности инжектора

 
По окончании диагностики всего комплекта инжекторов на дисплей выводится итоговая таблица инерционности, выраженной в напряжениях открытия (↑) и закрытия (↓).

Рис. 8. Итог стендовой диагностики инерционности комплекта инжекторов

 

На примере стендовой диагностики (рис. 8) хорошо видно, что проблемы в работе двигателя возникли вследствие высокой инерционности 1-го и 4-го инжекторов (Ф1 и Ф4), которые открываются слишком поздно. У 4-го инжектора, кроме того, как свидетельствует нулевое напряжение закрытия, при работе двигателя весьма вероятны нарушения герметичности. Интересно, что другие параметры всех инжекторов этого комплекта оказались в норме или близкими к норме, включая динамический баланс, а 4-й инжектор даже успешно прошёл стендовый тест герметичности. В то же время именно проверка инерционности даёт возможность однозначно утверждать, что 1-й и 4-й инжекторы находятся на грани полной потери работоспособности и нуждаются в безотлагательной очистке. На практике в таких случаях чистке подвергается весь комплект, поскольку все инжекторы эксплуатируются в одинаковых условиях.
 
Изложенный метод диагностики инерционности инжекторов прост и достаточно легко реализуем на практике. Вместе с тем он весьма эффективен, и в сочетании с проверкой других параметров способен существенно дополнить картину истинного состояния инжекторов и степень их влияния на ухудшение характеристик двигателя.