Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования 7
1.1. Анализ методик формирования структуры и нормативов системы технического обслуживания и ремонта форсунок 7
1.1.1. Классификация факторов и мероприятий, влияющих на надёжность форсунок 7
1.1.2. Формы реализации системы то и ремонта и её нормативов 10
1.1.3. Анализ методов проектирования нормативов системы то и ремонта 13
1.2. Эксплуатационная надежность форсунок автомобильных двигателей и пути ее повышения 19
1.2.1. Влияние условий работы на надежность форсунок 19
1.2.2, Анализ влияния конструктивных мероприятий на закоксовывание отверстий распылителя 24
1.3. Анализ путей совершенствования процессов смесеобразования и сгорания, как способ повышения надежности системы топливоподачи 28
1.4. Выводы по главе 1 36
2. Аналитические исследования 39
2.1. Общая методика исследований 39
2.2. Модель формирования ресурса форсунки 41
2.3. Определение вероятности безотказной работы форсунки 48
2.4. Теоретическое моделирование энергозатрат рабочего процесса 54
2.4.1. Теоретическая модель энергии смесеобразования 54
2.4.2. Определение оптимального дросселирующего сечения соединительного канала многотопливного двигателя... 61
2.4.3. Определение количества форкамерного заряда при дросселированном межкамерном перетоке 67
2.4.4. Особенности материального и температурного расслоения заряда двухкамерных ДВС в процессе сжатия при дросселированном перетоке 79
2.4.5. Математическая модель энергии распыливания 90
2.4.6. Определение удельной энергии сгорания в форкамере... 96
2.5. Выводы по главе 2 106
3. Экспериментальные исследования 109
3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований 109
3.2. Методика экспериментальных исследований 109
3.2.1. Общая методика экспериментальных исследований 109
3.2.2. Методика оценки интенсивности изменения технического состояния форсунок 110
3.2.3. Оборудование для проверки технического состояния форсунок 112
3.2.4. Методика стендовых испытаний 114
3.3. Экспериментальная установка 116
3.4. Модель формирования ресурса форсунки 128
3.5. Анализ результатов стендовых испытаний 139
3.6. Выводы по главе 3 151
4. Практическое использование результатов исследований 152
4.1. Основные направления использования полученных результатов 152
4.2. Показатели эффективности разработок 155
4.3 Обоснование оценочных критериев многотопливности и эффективности двигателей внутреннего сгорания 162
4.4. Выводы по главе 4 169
Основные результаты и выводы 171
Список использованной литературы
- Классификация факторов и мероприятий, влияющих на надёжность форсунок
- Определение вероятности безотказной работы форсунки
- Методика оценки интенсивности изменения технического состояния форсунок
- Обоснование оценочных критериев многотопливности и эффективности двигателей внутреннего сгорания
Введение к работе
Актуальность темы. В любой отрасли современной промышленности объемы производства и величина себестоимости продукции в значительной степени зависит от состояния транспортного хозяйства, его энерговооруженности, обусловленной эффективной эксплуатацией автомобилей.
Экономичность работы автомобиля, оснащенного дизельным двигателем, в значительной степени зависит от надежности распылителя и форсунки, которая неуклонно изменяются в сторону ухудшения в процессе эксплуатации автомобиля.
Вариация режима работы автомобиля влияет на изменение технического состояния топливной аппаратуры, что ведет к изменению потока требований на проведение технического обслуживания.
Существующие нормативы периодичности обслуживания не учитывают влияние средней технической скорости на параметры отказов. Это ведет к преждевременному выходу из строя узлов и деталей топливной аппаратуры, а также эксплуатации автомобилей с неисправной системой подачи топлива. Следствие этого - увеличение числа отказов автомобилей, снижение безопасности движения, экологической безопасности, повышение расхода топлива, снижение мощности двигателя и как следствие снижение эффективности использования подвижного состава в целом.
Поэтому необходимо отметить актуальность исследований, направленных на изучение закономерностей изменения параметров отказа форсунок в зависимости от средней технической скорости автомобилей оснащенных дизельным двигателем и совершенствование методики определения периодичности ТО форсунок с учетом этих закономерностей.
Целью данной работы является повышение надежности системы питания дизельных двигателей путем установления закономерностей влияния средней технической скорости автомобиля на формирование ресурса
форсунок и разработки на этой основе методики корректирования нормативов периодичности ТО.
Объект исследований - процесс формирования ресурса форсунок дизельных двигателей с учетом режима работы автомобиля.
Предмет исследований - процесс формирования ресурса форсунок двигателей автомобилей КамЛЗ-5320 с учетом средней технической скорости эксплуатации.
Научная новизна:
установлены закономерности формирования ресурса форсунок автомобилей с учетом изменения средней технической скорости эксплуатации;
разработана имитационная модель формирования ресурса форсунок автомобилей;
установлен вид математических моделей влияния средней технической скорости автомобиля на интенсивности изменения параметров технического состояния форсунок двигателя;
установлен вид математических моделей изменения параметров технического состояния форсунок по наработке;
экспериментально определены численные значения параметров математических моделей для форсунок двигателей автомобилей КамАЗ-5320;
определены пути повышения надежности топливной аппаратуры дизельных двигателей.
Практическая ценность заключается в разработке методики
корректирования нормативов периодичности обслуживания форсунок с
учетом изменения средней технической скорости эксплуатации,
использование которой создает предпосылки для эффективного управления
ресурсом форсунок путем своевременного выполнения регламентных работ.
В результате повышается долговечность форсунок, снижается число отказов
автомобилей из-за несвоевременного проведения ТО и снижаются затраты на
ремонт.
На защиту выносится:
закономерности формирования ресурса форсунок автомобилей с учетом изменения средней технической скорости эксплуатации;
имитационная модель формирования ресурса форсунок автомобилей;
математическая модель влияния средней технической скорости на интенсивности изменения параметров технического состояния форсунок двигателя;
математическая модель изменения параметров технического состояния форсунок по наработке;
численные значения параметров математических моделей для форсунок автомобилей КамАЗ-5320;
методика корректирования нормативов периодичности ТО форсунок с учетом средней технической скорости;
обоснование повышения надежности топливной аппаратуры дизельных двигателей.
Апробация работы. Основные положения, разработанные в
диссертации, доложены, обсуждены и одобрены на всероссийской научно-
технической конференции «Эксплуатация технологического транспорта и
специальной автотракторной техники в отраслях топливно-энергетического
комплекса» (Тюмень, 1997), международной научно-практической
конференции «Проблемы адаптации техники к суровым условиям» (Тюмень, 1999), научно-технической конференции «Научные проблемы Западно-Сибирского нефтегазового региона» (Тюмень, 1999), международная научно-практическая конференция «Проблемы эксплуатации транспортных систем в суровых условиях» (Тюмень, 2001), III всероссийской научно-технической конференции «Транспортные системы Сибири» (Красноярск, 2005).
Реализация результатов работы. Разработанная методика принята к
внедрению в Управлении технологического транспорта и специальной
техники №3 ООО «Сургутгазпром».
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в семи статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (269 наименований), приложения (14 страниц). Объем диссертации составляет 210 страниц (в том числе 12 таблиц и 66 иллюстраций).
Классификация факторов и мероприятий, влияющих на надёжность форсунок
Влияние внешней среды на техническое состояние автомобиля, например, исследовалось в работах [207, 266], влияние нагрузок на элементы конструкции в [149], система ТО и ремонта и её влияние на работоспособности автомобиля в [137], влияние системы резервирования в [136, 268]. Результатом этих работ, как правило, являлись предложения по обеспечению надёжности на этапе эксплуатации, включающие совершенствование СТОР, повышение качества ТО и ремонта, внедрение и применение диагностики. На этапе проектирования в автомобиль закладывается определенный уровень надёжности, на этапе производства он формируется, а на этапе эксплуатации реализуется [207]. Исходя из этого положения, решение проблемы повышения и обеспечения надёжности автомобилей должно основываться на системном подходе,
В работах [131, 149, 173, 196, 197, 253] сформулированы подходы к решению проблемы надёжности машин на основе системного подхода. А. С. Проников предложил общий подход [197] к оценке изменений работоспособности машины, происходящих в результате различных деградацион-ных процессов. В автомобильной промышленности система мероприятий по повышению надёжности была реализована на ярославском ПО «Автодизель» в рамках системы НОРМ (научная организация работ по увеличению моторесурса) [68]. При реализации системы НОРМ был проведен комплекс мероприятий по определению фактического значения моторесурса, оценки конструкторе ко-технологических мероприятий по освоению двигателя с повышенным ресурсом в массовом производстве и проверки эффективности разработанных мероприятий. Всё это позволило разработать конструктивно-технологические мероприятия по улучшению работы узлов и деталей топливной аппаратуры, совершенствования технологии их изготовления и применяемых материалов.
В последнее время в мировой практике широко используются системные методы обеспечения надежности — метод «дерева отказов» и метод анализа видов, последствий и критичности отказов (ЛВПКО) [12,131].
Для обеспечения эффективной реализации методов повышения и обеспечения надёжности необходимо уметь предвидеть результаты проводимых мероприятий в будущем. По этой причине наиболее актуальной становиться проблема прогнозирования показателей надёжности [33, 73, 100, 149, 166 и другие]. Основные трудности при прогнозировании показателей надёжности автомобиля — недостаток информации. Известные методы прогнозирования, использующие аппарат математической статистики и теории вероятностей [2, 22, 33, 46, 49], могут использоваться только при наличии большого массива информации. В этой связи весьма актуальной становиться задача разработки методов прогнозирования, позволяющих получать достаточно надёжные результаты при той исходной информации (зачастую разнородной и несистематизированной), которая может быть реально получена при эксплуатации.
Вопросы, связанные с оптимальной эксплуатацией, являются частью проблемы надёжности. К работам по теории надёжности и обслуживания относятся исследования [18, 22, 46, 53, 101, 122, 133-135, 137, 147, 153, 170, 172, 179, 182,214,231, 246,247 и другие].
Основные понятия о системе ТО и ремонта, техническом обслуживании, ремонте, видах ТО и ремонта и ряд других установлены в отечественных [63, 67] и зарубежных стандартах. Так СТОР, в соответствии с [63], определяется как совокупность взаимосвязанных средств, документации ТО и ремонта и исполнителей, необходимых для поддержания и восстановления качества изделий, входящих в эту систему. На автомобильном транспорте под системой ТО и ремонта обычно понимают комплекс взаимосвязанных положений и норм, определяющих порядок проведения работ по ТО и ремонту с целью обеспечения заданного уровня качества автомобиля в эксплуатации [137].
Исследованию надёжности автомобильной техники посвящены работы И.О. Блудяна [29-32], Н. Ф. Булгакова [35], Н.Я. Говорущенко [55], О. Ф. Данилова, [70], Н. С. Захарова [87], Г. В. Крамаренко [155], Е. С. Кузнецова [133-137], Л. Г. Резника [207], А. И. Троицкого [239, 240], А. М. Шейнина [267] и других ученых.
При анализе и синтезе СТО рассматривается как сложная система. В ней взаимодействуют с целью поддержания работоспособности автомобиля большое число разнородных элементов, разнообразные типы агрегатов и систем автомобиля, имеющие различную физическую природу, средства ТО и исполнители, осуществляющие процесс ТО.
Существующая СТО автомобильной техники развивается в двух направлениях:
[. совершенствование режимов ТО; П. совершенствование структуры системы.
По первому направлению выполнено значительное количество исследований по определению оптимальных режимов ТО для определенных моделей автомобилей, систем и агрегатов [13, 105, 120, 134-137, 190, 198, 200, 245 и друпіе]. Основным недостатком этих работ является необходимость проведения длительных эксплуатационных испытаний с целью получения необходимой статистической информации и построения регрессионно-корреляционных моделей, которые зачастую не могут быть использованы для исследования режимов ТО агрегатов или систем другого автомобиля без необходимости проведения повторных эксплуатационных испытаний для определения параметров модели. В регрессионно-корреляционных моделях сложно учитывать изменения внешних воздействующих факторов.
Определение вероятности безотказной работы форсунки
Теоретическая модель энергии смесеобразования Сравнительный анализ параметров дизелей с различными камерами сгорания показывает закономерности изменения средних давлении впрыска топлива и скоростей движения воздушного заряда. Граничные пределы изменения значений которых находятся в пределах 150...8 МН/м2 давление впрыска у дизелей с неразделенной камерой и объемным смесеобразованием и предкамериого соответственно. Изменение скорости воздушного заряда находится в таких же соотносимых пределах от 5 до 320 м/с. Следовательно, можно предположить, что увеличение скорости движения воздушного заряда, а следовательно и его энергии компенсируется уменьшением энергии впрыска топлива и наоборот.
Закономерно задать вопрос, как далеко может зайти подобная компен сация, можно ли полностью разгрузить топливную аппаратуру высокого давления, придав ей лишь дозирующие функции и предоставив смесеобразование движущемуся (перетекающему) воздушному заряду.
Одной из основных задач исследования, будет изучение процессов перетекания смеси между разделенными камерами в двигателе предкамерного типа.
Одним из неоспоримых достоинств раздельных камер является большая предрасположенность к многотопливности, чем у открытых, так как в них наблюдается меньшая жесткость протекания процесса сгорания, которую можно дополнительно снизить путем введения в конструкцию камеры сгорания расположенную в головке (или реже в блоке) элементов активного управления сгоранием - цилиндров теплоизолированных вставок, температура которых может поддерживаться на высоком уровне (до 972 К и более), позволяющем существенно сократить продолжительность периода задержки воспламенения.
Однако в то же время развитые поверхности разделенных камер сгорания ухудшают пусковые качества дизеля.
Эффект повышения температуры вставки в условиях холодного дизеля не может быть использован, поэтому для улучшения пусковых качеств, так же как и для дополнительного уменьшения задержки воспламенения, а соответственно и снижения жесткости сгорания на рабочих режимах, у многотопливных дизелей с раздельными камерами сгорания обычно прибегают к значительному повышению степени сжатия до є = 24...26. Что приводит к увеличению давления сгорания и механических потерь.
Вместе с тем доказано, [260] что для ДВС поршневого типа диапазон оптимальных с термодинамической точки зрения степеней сжатия находится в пределах є = 12...14 (характеризуется наибольшим приростом тсплоиспользования и среднего давления) т. е. происходит пересжатие на 10 единиц. До сегодняшнего дня работа на таких степенях сжатия наталкивается на серьезные трудности связанно с недостаточностью величины октановых чисел у бензинов и повышенной жесткостью работы у дизелей, особенно небольшой размерности.
На основании вышеизложенного:
1. Для снижения энергии впрыска следует или повысить энергию воздушного заряда либо более полно использовать имеющуюся (беря за основу предкамерный вариант).
2. Для повышения показателей воспроизводимости циклов и снижения влияния физико-химических свойств топлива следует применить принудительное электроискровое зажигание. Рис. 2.6. Схема организации рабочего процесса Схема мягко протекаю ще го активно-управляемого процесса сгорания [261] представленная на схеме (рис. 2.6), содержит предпосылки к реальному решению всего многообразия проблем связанных как с многотопливностыо, так и с повышением топливо экономических и экологических характеристик ДВС поршневого типа. В связи с новизной и очевидной перспективностью последняя выбрана в качестве объекта исследования.
Методика оценки интенсивности изменения технического состояния форсунок
Эксперимент проводится в два этапа. На первом собирались статистические данные о средней технической скорости эксплуатации, о техническом состоянии форсунок на момент технического обслуживания на предприятиях. Второй этап предусматривал эксперимент на имитационной модели для определения оптимальной периодичности ТО при различных среднетехнических скоростях эксплуатации автомобилей по различным параметрам отказов.
Для оценки адекватности моделей прогнозируемых в аналитических исследованиях и определения численных значений параметров технического состояния: коэффициента стабильности Л; коэффициента закоксованности К; твердости металла распылителя HRC; герметичности запорного конуса д и неравномерности топливоподачи а; выполнены расчеты с использованием программы «REGRESS 2.5».
Методика оценки интенсивности изменения технического состояния форсунок
Работа дизелей в условиях рядовой эксплуатации характеризуется значительными отклонениями регулировочных параметров топливной аппаратуры и показателей рабочего цикла от нормальных значений. При этом повышается температурный режим деталей рабочего цилиндра и распылителей форсунок, что вызывает их интенсивное коксование.
Одной из причин отказов дизелей в условиях эксплуатации является недостаточная стабильность работы топливной аппаратуры.
Исследовательские и конструкторские работы, проведенные в последнее время, обеспечили высокую надежность топливных насосов и позволили значительно уменьшить появление неисправностей в их работе, в то время как в работе форсунок неисправности проявляются сравнительно часто. Форсунка является наиболее слабым звеном в системе топливоподачи дизеля. Распылители форсунок в камере сгорания подвергаются воздействию высоких температур и химически активных промежуточных и конечных продуктов горения топлива. Чаще всего распылители форсунок выходят из строя в результате загорания сопловых отверстий и потери подвижности иглы распылителя.
Для устранения указанных недостатков важное значение имеет разработка методов и средств быстрой проверки эффективности проводимых конструктивных и технологических мероприятий. По ГОСТ 491—55 длительность испытаний на надежность дизельных двигателей новых и модернизированных конструкций установлена 800 ч работы в стендовых условиях (200 повторяющихся циклов по 4 ч каждый). Этот метод дает высокую точность определения времени наступления отказов в работе распылителей форсунок, но в то же время является длительным и трудоемким.
По ГОСТ 7057—54 предусматривается определение надежности и стабильности, мощности и экономичности двигателей в процессе эксплуатационных испытаний автомобилей в хозяйственных условиях на выполнении различных работ. Загрузка двигателя в период хозяйственных испытаний автомобилей должна быть не ниже 85% от номинальной мощности.
Продолжительность хозяйственно-эксплуатационных испытаний серийных, а также новых или модернизированных автомобилей должна быть не менее 2000 ч работы под нагрузкой. Испытание распылителей форсунок в процессе эксплуатации автомобилей в хозяйственных условиях позволяет достаточно полно оценить их надежность. Однако в связи с большой длительностью этот способ испытаний требует больших трудовых и материальных затрат. Кроме того, он не позволяет своевременно выявить момент наступления отказа в работе распылителей форсунок, так как их проверка производится через 240 мото-ч, а контрольные торможения двигателя осуществляются только в начале, середине и конце испытаний.
Рассмотренные методы испытаний распылителей форсунок не позволяют быстро оценить в заводских условиях их надежность, а также эффективность тех или иных конструктивных и технологических мероприятий. В последнее время используются эквивалентные им значения показателей надежности при ускоренных испытаниях. При этом надежность изделий оценивается предварительно по результатам ускоренных испытаний и в дальнейшем подтверждается в условиях эксплуатации.
При ускоренных испытаниях на надежность распылителей форсунок обычно ужесточают их температурный режим, исходя из условий
достижения температуры, при которой интенсифицируется процесс коксования. Порог интенсивного коксования распылителей, по данным А. И. Зеленихина, при работе на дизельном топливе характеризуется температурой 210—220 С, а при работе на бензодизельной смеси (75% бензина А-66 и 25% дизельного топлива) 180—-190 С. Смещение порога интенсивного коксования при работе на бензодизельной смеси в область более низких температур объясняется пониженной термической стабильностью этой смеси.
В ЦНИТА разработано несколько способов ускоренного определения надежности распылителей в связи с их коксованием. Так, при исследовании влияния некоторых конструктивных параметров на интенсивность коксования распылителей для многотопливного дизеля Д-37 применялся цикл работы на бензодизельной смеси продолжительностью 4 ч 20 мин.
Обоснование оценочных критериев многотопливности и эффективности двигателей внутреннего сгорания
В основе структуры баланса производства жидких топлив лежит естественное содержание топливных фракций в сырой нефти различных месторождений. Относительное содержание топливных фракций — бензиновых, керосиновых, соляровых и остаточных в сырой нефти среднего состава — составляет соответственно: 27, 10, 25 и 38 %. Эти цифры могут изменяться в зависимости от природы нефти, используемой в качестве сырья для дистилляции. Соотношения товарного выхода топливных фракций в значительной мере зависят от применяемых способов вторичной обработки нефти (крекинг, риформинг и др.), а также от ее направленности на преимущественный выход тех или иных продуктов. Действительное соотношение выхода товарных топлив изменяется еще и вследствие компаундирования, т. е. смешивания отдельных фракций первичной и вторичной переработки нефти в целях получения определенных сортов топлив с заданными свойствами.
Внедрение многотопливных двигателей в принципе облегчает приспособление моторного парка к изменяющемуся балансу производства и потребления топлив.
Многотопливность является общей проблемой для ДВС, но имеет специфические особенности для двигателей различных типов: дизелей; карбюраторных; газовых двигателей и их комбинаций. В условиях существования сотен типов ДВС и десятков сортов товарных и некондиционных топлив необходимо их рациональное применение в многотопливных двигателях.
Во взаимодействии объектов сложной системы "двигатель — топливо" кроется проблема прямых и обратных связей, характеристики которых определяется главными параметрами двигателя и топлива.
Так, например, для дизелей главной характеристикой топлива является его способность к самовоспламенению (цетановое число). Существуют топлива, которые вообще неспособны, самовоспламеняться в обычном дизеле, следовательно, чтобы их сжечь, надо изменить конструкцию и параметры дизеля.
В современном представлении под многотопливным понимается двигатель, работающий на нескольких сортах жидких или газообразных топлив. Однако в это определение не входят такие понятия как эффективность рабочего процесса и диапазон используемых топлив.
Вместе с тем до сих пор нет четкого определения приспособленности рабочего процесса к работе на различных топливах и невыработаны четкие пути его реализации, что влечет за собой возможность спекуляций на эту тему в околонаучных и популярных, изданиях.
Таким образом, определение индекса приспособляемости рабочего процесса к работе на различных топливах является необходимым условием для оценки существующих и перспективных разработок моделей многотопливных двигателей.
Диапазон изменения основных физико-химических характеристик топлив, на которых должен работать многотопливный двигатель, определяется несколькими сортами дизельных топлив и автомобильными бензинами. Топлива более тяжелые, чем дизельное (дистиллатные соляровые фракции и тяжелые остаточные дизельные топлива), используются в ограниченной группе установок (стационарные и судовые). Потребление топлива такими установками невелико. Следует, кроме того, отметить, что лежащие внутри указанного диапазона топлив керосиновые фракции также имеют целевое назначение, как топлива для авиационных газотурбинных двигателей, и их использование в транспортных двигателях ограничено. Чего нельзя сказать о широкой гамме газоконденсатов.
