Снижение мощности дизеля BMW N47 и N57. Форсунки

[PLTD MADI]

Снижение мощности дизеля BMW N47 и N57.
В последнее время начали появляться  случаи обращений владельцев автомобилей BMW с дизельными двигателями N47 и N57 с жалобами на неудовлетворительную динамику, как выяснилось, вызванную снижением производительности форсунок (пока наблюдались эпизоды только с электромагнитными форсунками). На рисунке 1 представлены два фрагмента регистрации данных от ЭБУ DDE – разгон автомобиля Х6 2016 года выпуска в кузове F16 с двигателем N57  3.0D (одна турбина) до и после замены топливных форсунок. Разгон выполнялся при полностью нажатой педали акселератора (внешняя скоростная характеристика ВСХ). Для удобства сопоставления фрагменты синхронизированы по моменту нажатия на педаль. После замены форсунок продолжительность разгона сократилась более чем на 4 секунды

 
   Рис. 1. Разгон автомобиля до и после замены топливных форсунок
 Прежде чем прийти к выводу о неисправности топливных форсунок, последовательно исключались другие распространенные причины, вызывающие снижение мощности:
- нарушение герметичности впускного тракта;
- нарушение работы турбокомпрессора;
- механические неисправности турбокомпрессора;
- повышенное сопротивление выпускного тракта;
- нарушение работы клапана рециркуляции отработавших газов (EGR);
- нарушение работы вихревых заслонок.
На рисунках 2 и 3 в функции частоты вращения коленчатого вала при разгоне с полностью нажатой педалью акселератора представлены графики некоторых параметров работы двигателя N57 до и после замены топливных форсунок. Динамика разгона после замены форсунок значительно улучшилась, для удобства сопоставления графики были синхронизированы за счет масштабирования по времени.
Из-за меньшего количества теплоты, подводимого к рабочему телу, производительность турбокомпрессора (ТК) до замены форсунок была ниже, это проявлялось меньшим давлением наддува. При этом давление перед ТК до и после замены форсунок практически не менялось. До замены форсунок это обеспечивалось большей степенью закрытия направляющего аппарата турбины.
Цикловое наполнение воздухом блок управления считал практически идентичным, несмотря на более высокое давление наддува после замены форсунок. Отчасти это можно объяснить более высокой температурой наддувочного воздуха после замены форсунок – разность составила 30…40° С.
Повышенное значение коэффициента избытка воздуха до замены форсунок на режимах максимальной цикловой подачи топлива (внешняя скоростная характеристика ВСХ), определяемое широкополосным λ-зондом, указывает на снижение их производительности. Тот факт, что цикловое наполнение топливом до и после замены форсунок ЭБУ считает идентичным, указывает на неспособность программы управления на основании сигнала λ-зонда компенсировать снижение производительности за счет увеличения совокупной цикловой подачи. 


   Рис. 2. Давление перед турбиной и давление наддува до и после замены форсунок (ВСХ)

   Рис. 3. Рассчитываемое блоком управления циклового воздуха и топлива  до и после замены форсунок
   Замена топливных форсунок на рассматриваемом двигателе выполнялась в два этапа – сначала были заменены форсунки цилиндров 1, 2, 3, 4.
   На рисунках 4 и 5 представлены индикаторные диаграммы (ИД), зарегистрированные в первом цилиндре двигателя при разгоне автомобиля с полностью нажатой педалью акселератора и частоте вращения коленчатого вала около 2400 мин-1, соответственно до и после замены топливной форсунки в этом цилиндре. Выбранная режимная точка отмечена на рисунках 2 и 3. Параметры управления топливной форсункой в этих двух циклах практически идентичны, но из-за большей фактической производительности новой форсунки степень повышения давления, а следовательно, и работа цикла на рисунке 4 оказалась значительно выше. Более высокое давление конца сжатия на этом рисунке объясняется большим давлением наддува.
 


   Рис. 4. Индикаторная диаграмма в первом цилиндре до замены топливной форсунки

   Рис. 5. Индикаторная диаграмма в первом цилиндре после замены топливной форсунки
   Вывод о различной эффективности рабочего процесса до и после замены топливных форсунок можно сделать не только на основании индикаторных диаграмм. На рисунках 6 и 7 представлены частота вращения и угловое ускорение коленчатого вала, полученные на основании обработки сигнала штатного ДПКВ до и после замены топливных форсунок в первых четырех цилиндрах. На коленчатый вал действуют крутящие моменты от газовых и инерционных сил, генерируемых во всех цилиндрах двигателя, а также моменты сил трения и полезной нагрузки. По второму закону Ньютона его угловое ускорение в каждый момент времени должно быть пропорционально результирующему крутящему моменту. Так как на определенном угловом промежутке крутящий момент от газовых сил является преобладающим, различия в его эффективности будут отражаться на ускорении коленчатого вала.
   На рисунке 6 – до замены топливных форсунок – эффективность протекания рабочего процесса в различных цилиндрах отличается, но не сильно. Лучшая эффективность наблюдается в первом цилиндре, худшая в шестом, эффективность остальных находится между ними. После замены форсунок в первых четырех цилиндрах эффективность протекания рабочего процесса в них оказалась значительно более высокой, чем в цилиндрах 5 и 6, и практически одинаковой между собой.
   При контроле коррекций топливоподачи  на рассматриваемом режиме, она находилась на грани допустимой и субъективно ощущалась повышенная неравномерность работы двигателя. 


   Рис. 6. Частота вращения и угловое ускорение коленчатого вала до замены форсунок (ВСХ 2400 об)


   Рис. 7. Частота вращения и угловое ускорение коленчатого вала после замены первых четырех форсунок  (ВСХ 2400 об)
   Достоверной информации о причине снижения производительности форсунок у нас пока нет, но в двух случаях неудовлетворительная динамика стала наблюдаться после демонтажа всех форсунок. Кстати, стендовый контроль подтвердил снижение производительности форсунок на режимах мах подачи).
   Выводы
1.   В случае снижения производительности форсунок система управления рассматриваемых двигателей не использует для коррекции топливоподачи обратную связь по λ-зонду. Информацию о действительном соотношении воздух/топливо, рассчитанном на основании сигнала λ-зонда, можно получить при помощи программ Tool32 или Test0. В ISTA и Rheingold параметр «Расчетная λ» не отображается. Увеличение на режиме внешней скоростной характеристики коэффициента избытка воздуха (α) до 1,5 и выше можно считать признаком неисправности.
2.   На основании приведенного анализа индикаторных диаграмм можно сформулировать критерии нормальности работы конкретного ДВС на режиме внешней скоростной характеристики. Определенную сложность для выработки этого критерия составляет зависимость давления конца сжатия и количества подаваемого топлива от давления наддува.
3.   Более простым, относительно индицирования с точки зрения технической реализации, но менее точным является анализ углового ускорения и пульсаций частоты вращения коленчатого вала. Так как ускорение коленчатого вала в каждый момент времени пропорционально результирующему крутящему моменту, то на его основании можно определить эффективность протекания рабочего процесса в каждом цилиндре.
Для  более полного представления о происходящем с фактическим составом «рабочей смеси», используя специально для этого созданную в МАДИ программу-сортировщик, были обработаны логи, записанные в основном поле режимов работы рассматриваемого N57 в координатах обороты-нагрузка-α (коэф. избытка воздуха). На рис.8 и 9 соответственно, представлены поверхности α в поле режимов при работе ДВС с не исправными и исправными форсунками. На рис.10, показательный для оценки исправности форсунок, график α на режиме ВСХ, для ХХ α не будет показательна для оценки качества работы форсунок.


 
Рис.8. Α в поле режимов при работе с форсунками с не достаточным расходом


 

Рис.9. Α в поле режимов при работе с исправными  форсунками


 
Рис.10. α на ВСХ при работе с исправными, не исправными и отремонтированными форсунками.

Примечание: работы проводились с применением стандартного диагностического оборудования BMW ISTA, Rheingold, служебных программ  Tool32 и Test0, мобильного диагностического комплекса МАДИ, датчиков давления в цилиндре МАДИ - для проведения индицирования раб. процесса в камере сгорания, программы сортировщика Test0 convert МАДИ. Цифровые и аналоговые информационные потоки (Data) собираются с помощью МДК МАДИ (https://www.madi-auto.ru/company/articles3/20/) в реальном времени и обрабатываются в единой программной среде, что может использоваться для решения подобных описанной в статье задач и многих других, при работе с процессами в ДВС и не только.