Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цели и задачи исследования 12
1.1. Анализ состояния комбайнового и сельскохозяйственного тракторного парка Республики Башкортостан и возможности реализации их эксплуатационных показателей 12
1.2. Особенности эксплуатации машинно-тракторных агрегатов в технологическом процессе возделывания рапса 19
1.2.1. Зональные особенности эксплуатации машинно-тракторных агрегатов при возделывании рапса 19
1.2.2. Влияние условия работы машинно-тракторных агрегатов на показатели работы их дизелей 24
1.2.3. Топливная система, как важнейший фактор, определяющий технико-экономические и экологические показатели дизелей машинно-тракторных агрегатов 44
1.3. Цели и задачи исследования 71
2. Теоретические предпосылки формирования технологических приемов улучшения равномерности топливоподачи в дизелях машинно-тракторных агрегатов 74
2.1. Математические модели топливных систем дизелей 76
2.1.1. Информационная и концептуальная модели функционирования топливной системы дизелей машинно-тракторных агрегатов 76
2.1.2. Установление и обоснование совокупности оценочных показателей качества работы топливных систем и допусковых их отклонений 90
2.2. Методология разработки технологических приемов улучшения равномерности топливоподачи дизелей 114
3. Совершенствование оценочных показателей работы системы то пливоподачи дизелей машинно-тракторных агрегатов 126
3.1. Уточнение регулировочных параметров системы топливоподачи и совершенствование методики их регулирования 126
3.2. Совершенствование стенда для испытаний и регулировок топливных систем дизелей 142
4. Разработка технологических приемов улучшения равномерности топливоподачи дизелей машинно-тракторных агрегатов 146
4.1. Перспективные системы по равномерности топливоподачи для диз елей МТЛ 146
4.2. Подпитка линии высокого давления системы топливоподачи дизеля 162
4.2.1. Анализ технологических приемов стабилизации остаточного давления в линии высокого давления системы топливоподачи дизеля 163
4.2.2. Разработка перспективного технологического приема стабилизации остаточного давления 170
4.2.3. Математическая модель предлагаемой подпитки линии высокого давления системы топливоподачи дизеля 173
4.3. Повышение качества процесса впрыскивания отключением цилиндров дизеля 191
4.4. Системы топливоподачи с электронным управлением для дизелей МТА 199
4.4.1. Анализ систем топливоподачи с элеюронным управлением... 199
4.4.2. Топливоподающая система непосредственного действия с электромагнитно управляемым нагнетательным клапаном 211
4.4.2.1. Разработка системы топливоподачи с электромагнитно управляемым нагнетательным клапаном 211
4.4.2.2. Математическая модель системы непосредственного действия с электронным управлением пропуском подач 213
5. Общая программа и методика экспериментальных исследований 224
5.1. Программа экспериментальных исследований 224
5.2. Общая методика исследований 224
5.3. Стенды, приборы и аппаратура 229
5.4. Обработка экспериментальных данных и оценка погрешности измерений 248
6. Результаты экспериментальных исследований технологических приемов улучшения равномерности топливоподачи дизелей машинно-тракторных агрегатов 253
6.1. Результаты оценки равномерности топливоподачи предложенным устройством 253
6.2. Влияние подпитки линии высокого давления системы топливоподачи на эксплуатационные показатели работы дизеля 257
6.3. Зависимость эксплуатационных показателей работы дизелей от числа работающих цилиндров 281
7. Технико-экономическая эффективность внедрения предложенных технологических приемов улучшения равномерности топливоподачи дизелей машинно-тракторных агрегатов 286
Выводы и рекомендации 296
Библиографический список 3 00
Приложения 316
- Особенности эксплуатации машинно-тракторных агрегатов в технологическом процессе возделывания рапса
- Методология разработки технологических приемов улучшения равномерности топливоподачи дизелей
- Совершенствование стенда для испытаний и регулировок топливных систем дизелей
- Подпитка линии высокого давления системы топливоподачи дизеля
Введение к работе
В агропромышленном комплексе высокие требования предъявляются к уровню механизации сельскохозяйственного производства и эффективности использования машинно-тракторных агрегатов (МТА), т.к. их снижение нарушает агротехнические сроки выполнения механизированных работ и, как следствие, приводит к существенным потерям урожая.
Стратегией развития тракторного и сельскохозяйственного машиностроения страны и Федеральной целевой программой стабилизации и развития инженерно-технической сферы агропромышленного комплекса «Техника для продовольствия России» на 2001-2007 гг. предусмотрено насыщение агропромышленного комплекса страны высокоэффективной техникой. Новая техника должна быть более энергосберегающей, менее материал о емкой и более безопасной для людей, а объем ее должен обеспечить энерговооруженность труда в растениеводстве до 132... 147 кВт/чел.
К сожалению, пока еще новой техники поступает очень мало, более того за последнее десятилетие уровень механизации сельского хозяйства резко снизился из-за износа имеющейся техники и отсутствия средств для приобретения новой.
В складывающейся ситуации одни и те же тракторы стали эксплуатироваться на различных работах, существенно различающихся по энергоемкости, причем большую долю в балансе рабочего времени стали занимать относительно малоэнергоемкие работы. В этих условиях особую актуальность приобретает повышение топливной экономичности МТА и, в частности их двигателей, в режимах частичных нагрузок.
В настоящее время основной энергетической установкой в МТА являются и сохранятся в обозримой перспективе дизельные двигатели. Несмотря на определенные успехи в их конструктивном совершенствовании, значительная часть этих дизелей имеет недостаточно высокие эксплуатационные
показатели по топливной экономичности, дымности и токсичности отработавших газов, особенно в режимах частичных нагрузок.
Обследование тракторных дизелей, находящихся в условиях реальной эксплуатации, проведенное ГОСНИТИ, С.-ПбГАУ, ЦНИТА, Башкирским ГАУ и другими организациями, показали, что значительная часть (80-85%) дизелей работает с повышенным расходом топлива, особенно в режимах частичных нагрузок. Это объясняется, в первую очередь, неудовлетворительным техническим состоянием элементов топливоподающих систем.
Положение усугубляется и тем, что в настоящее время значительная часть МТА эксплуатируется с многократным превышением установленного ресурса при практическом отсутствии обслуживания машин с применением новых технологий диагностирования и настройки механизмов и систем, особенно топливной.
В то же время, как показали наши трехлетние наблюдения за тракторами «Fendt-280P», «Same-Cosaro», «Lamborgini», «ЕІспег», Т-150К в условиях сельскохозяйственной фирмы «Berthold» (Бавария, ФРГ), даже при высокой культуре фирменного обслуживания эксплуатационные показатели работы их дизелей существенно отличались от паспортных, особенно при работе в режимах частичных нагрузок.
Снижение эксплуатационных показателей работы дизеля МТА при переходе на частичные нагрузки во многом объясняется ухудшением работы топливной аппаратуры, в частности, равномерности процессов подачи по циклам и цилиндрам (идентичности величины подачи, давления, продолжительности и опережения впрыскивания и др.).
Это во многом является следствием того, что до сих пор при доводке топливной аппаратуры основное внимание уделялось работе в номинальном режиме при установившихся нагрузках. В то же время для дизелей МТА более характерными являются режимы частичных нагрузок, причем неустановившихся нагрузок. В этой связи большой теоретический и практический интерес представляет изыскание путей снижения интенсивности ухудшения па-
7 раметров топливоподачи по мере снижения нагрузок и частот вращения коленчатого вала двигателя, являющееся целью настоящей работы.
Связь с планами научных исследований и производством. Диссертационная1 работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Повышение эксплуатационных показателей топливоподающих систем тракторных дизелей» (№281-3-ЗМ МСХ и П РФ, 1995.,. 1997 гг.), республиканскими программами «Научные основы создания ресурсосберегающих конструкций, методов эксплуатации и ремонта сельскохозяйственной техники» (№164/АН РБ, 1993...2000 гг., Академия наук Республики Башкортостан) и «Энергосбережение на 2003...2005 годы» (№183 от 25.07.2003 г. Постановление Правительства РБ), темой научно-исследовательских работ университета «Изыскать пути совершенствования конструкции топливоподающих систем тракторных дизелей (per. номер 01.86.067963), договорных работ с филиалом ОАО «Ногинский завод топливной аппаратуры» ЗАО «Башдизельпрецизион», ГУСП МТС «Башкирская», ГУСП «Башсельхозтех-ника» и рядом других предприятий и организаций.
Цель работы - повышение эксплуатационных показателей машинно-тракторных агрегатов в режимах частичных нагрузок посредством схемотехнических и технологических приемов улучшения равномерности процессов топливоподачи в их дизелях.
Методы исследований и достоверность результатов. Методологической основой исследований явились положения теории двигателей внутреннего сгорания, общие уравнения гидродинамики, физики и термодинамики.
Обоснованность научных положений и достоверность результатов работы подтверждаются применением в экспериментах сертифицированных средств испытания и измерения параметров топливоподачи и показателей дизелей, а также совпадением расчетных данных с экспериментальными.
Объекты) исследований. Технологии и технологические процессы возделывания сельскохозяйственных культур Южного Предуралья, осуществляемые мобильными машинно-тракторными агрегатами, процедуры обеспе-
чения эксплуатационных показателей и технологической надежности МТА, методы и средства имитационного моделирования, тракторные дизели 4411/12,5, 2410,5/12, 1412,5/14 и топливные системы с насосами 4УТНМ, НД-21, 1ТН-8,5х10А и экспериментальными, созданными на их базе. Научную новизну составляют:
методология и математические модели оценки качества работы системы топливоподачи мобильных энергетических средств с учетом режимов частичных нагрузок;
уточненный комплекс показателей, позволяющих контролировать качество функционирования то пливопо дающих систем, а также до пусковая оценка равномерности топливоподачи;
схемотехнические решения, реализующие технологические приемы повышения равномерности топливоподачи посредством подпитки линии высокого давления системы топливоподачи и выключения цилиндров двигателя;
методы оценки контролируемых параметров системы топливоподачи на серийных испытательных и модернизированных стендах контроля и настройки работы топливной аппаратуры;
алгоритм управления режимами работы двигателя отключением подач топлива.
Новизна предложенных технологических и технических разработок подтверждена положительным решением на выдачу патента на изобретение. Практическую ценность работы представляют:
технологические приемы и схемотехнические решения повышения равномерности процесса топливоподачи в дизелях МТА;
методика оценки неравномерности топливоподачи для многоцилиндровых двигателей;
усовершенствованный стенд с устройством для измерения неравномерности топливоподачи, работающий в комплексе с ЭВМ. и имитирующий реальные условия работы топливной аппаратуры дизелей;
- алгоритмы и программное обеспечение системы контроля и оценки
качества работы системы топливоподачи.
Внедрение защищаемых положений позволяет:
- повысить производительность МТА на работах по возделыванию
сельскохозяйственных культур;
- существенно снизить расход топлива;
уменьшить чувствительность энергетического средства к изменяющимся в процессе эксплуатации параметрам топливоподачи;
снизить токсичность отработавших газов дизелей;
- обеспечить технологическую надежность дизеля и в целом МТА.
Реализация результатов исследований. Практические рекомендации,
основанные на результатах исследований, приняты для практического использования филиалом ЗАО «Башдизельпрецизион» ОАО Ногинского завода топливной аппаратуры, ГУ СП «Башсельхозтехника» и ГУ СП МТС «Башкирская».
Результаты работы, систематизированные и изданные в виде учебного пособия для студентов, успешно используются в учебном процессе и научно-исследовательской работе в Башкирском ГАУ,
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научно-практических конференциях Башкирского ГАУ (1985...2004 гг.), Ульяновского ГСХА (1986...1989 гг.), Уфимского ГАТУ (1988, 1989 гг.), Челябинского ГАУ (2002 г.), Казанского ГСХА (2003 г.), Всесоюзной научной конференции «Использование, надежность и ремонт машин, электронизация процессов и технических средств в сельскохозяйственном производстве» (г. Ашхабад, 1981 г.), Республиканской конференции «Идентификация сельскохозяйственного производства» (г. Уфа, 1992 г.), Республиканской конференции «Ресурсосберегающие технологии» (г. Уфа, 1997 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса регионов России» (г. Уфа, 2002 г.), Международной научно-практической конференции «Перспективы производства про-
10 довольственных ресурсов и рынка продуктов питания» (г. Уфа, 2002 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы разработки и внедрения прогрессивной сельскохозяйственной техники и оборудования» (г. Уфа, 2003 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 33 работы, в том числе монография объемом 13 п.л. и учебное пособие для студентов объемом 11 п.л., 6 статей в центральных научных журналах, получено положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение.
На защиту выносятся:
- концептуальная модель процесса улучшения равномерности топли-воподачи в дизелях МТА;
математическая модель топливоподачи с электронно-управляемым кольцевым клапаном для регулирования режимов работы с отключением подачи топлива;
методологические приемы оценки влияния остаточного давления в линии высокого давления на равномерность топливоподачи в дизелях МТА;
формализованные процедуры оценки неравномерности топливоподачи и методы оценки ее влияния на эффективность работы дизеля МТА;
разработанные технологические приемы улучшения равномерности топливоподачи, в частности, основанные на использовании принципиально новой методики определения неравномерности топливоподачи, модернизированного стенда для оценки неравномерности топливоподачи, стабилизации остаточного давления в линии высокого давления, регулировании работы дизелей выключением подач топлива в цилиндры.
Струїсгура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложения. Общий объем 352 страниц, приложения 14 стр., 84 рисунка, 36 таблиц, список литературы - 230 наименование.
Настоящая диссертационная работа — это обобщение теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в 1985...2004 гг., поэтому
11 автор считает необходимым отметить, что оформлению результатов исследования как диссертации во многом способствовали советы, рекомендации и замечания д.т.н. P.M. Баширова, д.т.н. Л.В. Николаенко и выражает им искреннюю благодарность и признательность, а также д.т.н. Габитову И.И. за помощь и содействие в решении некоторых вопросов настоящего исследования. Решение отдельных задач осуществлено совместно с к.т.н. Галиуллиным P.P., аспирантом Инсафуддиновым С.З., студентами Садовниковым П.А., Соколовым С.А., Кузьминой Е.Л. и Гареевым Р.А.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, раскрыты научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
В первом разделе представлены научный анализ рассматриваемой проблемы и зональные особенности эксплуатации машинно-тракторного парка в Республике Башкортостан.
Во втором разделе рассматриваются теоретические предпосылки формирования технологических приемов улучшения равномерности топливопо-дачи в дизелях МТА.
В третьем разделе приведены результаты анализа и разработки методики и устройств определения равномерности топливоподачи.
В четвертом разделе рассмотрены возможные технологические приемы повышения равномерности подачи.
В пятом разделе даны общая программа и методика экспериментальных исследований, а также результаты оценки погрешности измерений.
В шестом разделе приведены результаты экспериментальных исследований предложенных технологических приемов улучшения равномерности топливоподачи в дизелях МТА.
В седьмом разделе дана оценка экономической эффективности внедрения результатов исследований.
Особенности эксплуатации машинно-тракторных агрегатов в технологическом процессе возделывания рапса
Зональные особенности эксплуатации МТА были рассмотрены на примере возделывания рапса в Республике Башкортостан.
При этом вопросы рассматривались с позиций комплексной программы Республики Башкортостан «Энергосбережение на 2003-2005 годы» и того обстоятельства, что рапсовое масло в перспективе может стать относительно дешевым энергоносителем.
Растительные масла, к числу которых относится и рапсовое масло, привлекают к себе внимание, прежде всего высоким энергосодержанием, что позволяет на их основе создавать биотопливо, близкое по своим качествам к дизельному топливу.
Значения низшей теплоты сгорания, вязкости и цетановых чисел для ряда растительных масел и дизельного топлива среднего состава приведены в табл. 1.6 [160].
Как видно из табл. 1.6, растительные масла обладают близкими энергетическими возможностями по отношению к дизельному топливу. Вязкость их существенно выше.
Характеристики результатов испытаний растительных масел и дизельного топлива при пониженных температурах позволяют предусмотреть мероприятия для сохранения работоспособности систем топливоподачи и фильтрации. В табл. 1.7 приведены сравнительные данные для дизельного топлива и растительных масел - температур помутнения, застывания, фильт руемости и плавления. Наилучшие результаты по совокупности физико-химических показателей имеет рапсовое масло [160].
Рапс — ценная масличная и кормовая культура, один из важнейших источников пополнения растительного масла и белка. В его семенах содержится 40-48% масла и 21-23% белка. При переработке семян рапса на масло остаются жмыхи и шроты, которые содержат 38-40% белка, сбалансированного по аминокислотному составу.
Как видно из этой таблицы, температура застывания рапсового масла
выше, чем у дизельного топлива (на 2 С). Выгодное его отличие - содержание кислорода в нем намного выше, чем в дизельном топливе — доходит до %. Это позволит существенно повысить мощность двигателя (при тех же размерах). Поскольку механический КПД при этом останется таким же, то при переходе на рапсовое масло следует ожидать и заметного повышения экономичности двигателя.
Продукты сгорания рапсового масла, как следует из литературных данных, не токсичны и легко поддаются биологическому разложению. При сгорании рапсового масла в атмосферу выбрасываются ровно столько двуокиси углерода, сколько рапс брал из нее для своего роста. При современных ценах, в случае использования вторичного продукта переработки семян (шрота), как показывают простейшие расчеты, рапсовое масло может быть дешевле дизельного топлива на 25%.
Первые двигатели, работающие на рапсовом масле, были созданы еще в 1975 году и установлены на легковые автомобили. Расход топлива был таким же, что при топливе нефтяного происхождения - составлял 5-6 литров на 100 километров (при мощности 70 л.с).
В настоящее время созданием двигателей, работающих на рапсовом масле, занимаются такие ведущие фирмы, как VW, Рено, Шенебек, Эльсбест и др. Ими созданы серии 3-х, 4-х, 6-ти и 12-ти цилиндровых двигателей мощностью от 3 до 600 кВт.
Проведенные наблюдения в фермерских хозяйствах Германии (Бавария) в период стажировки (1991-1996 гг.) показали, что рапс возделывается только на семена для получения масла, причем обычное фермерское хозяйство может полностью обеспечить себя рапсовым топливом. Так, если хозяйство имеет общую посевную площадь в 100 га, то, возделывая рапс на 14 га из них, может собрать 35 тонн маслосемян и получить необходимые П тонн масла, которых будет достаточно для выполнения всех работ на 100 га.
В мировом земледелии посевы этой ценной культуры достигают 25 млн. га. В Российской Федерации в условиях умеренного климата рапс растет и дает хороший урожай семян, особенно в северных районах Центрально-Черноземной зоны, на Урале, в Сибири и во всех областях Нечерноземья.
Объемы выращивания рапса в сельском хозяйстве Российской Федерации пока еще незначительны. Это результат как тяжелой экономической ситуации в сельском хозяйстве страны, так и отсутствия эффективных технологий уборки и первичной обработки его семян.
В настоящее время посевные площади рапса в Республике Башкортостан не превышают 8-10 тыс. га, в то время как в Республике Татарстан они доходят до 70 тыс. га, что составляет 37% от общего производства семян в стране. Есть реальная возможность расширения его посевов в нашей Республике (на корм и масло) до 30-35 тыс. га.
Яровой рапс - влаголюбивая и холодостойкая культура, раннего срока посева. Молодые всходы переносят заморозки до минус 3-5 . Размещают его по яровой пшенице и пропашным культурам. Он не переносит повторных посевов.
Базовая технология возделывания рапса на масло-семена, разработанная Башкирским ГАУ, приведена в приложении 2.
Почва перед посевом должна быть тщательно разделена и выровнена (свекловичные культиваторы УСМК-5,4, выравниватели ВАП-5,6). Посев проводят до 10-15 мая с нормой высева 6-8 кг/га сплошным рядовым способом на глубину 2-4 см (приложение 2). Рапс хорошо отзывается на внесение 40-60 кг/га фосфорных и 30-40 кг/га калийных удобрений, а также борсодер-жащих микроудобрений. В республике районированы сорта Эввин (Швеция) и Ханна (Россия).
Различные сочетания параметров технологических операций при возделывании рапса обуславливают возможность варьирования в широких пределах режимов работы машинно-тракторного агрегата.
Методология разработки технологических приемов улучшения равномерности топливоподачи дизелей
Смесеобразование является одной из главных проблем совершенствования рабочего процесса дизеля. Смесеобразование, воспламенение и сгорание определяют экономичность рабочего процесса, скорости нарастания давления при сгорании, максимальное давление сгорания, а также дымность и токсичность выхлопных газов. Значительное влияние на сгорание оказывают также коэффициент избытка воздуха и факторы, определяющие период задержки воспламенения, характеристика впрыскивания топлива и условия взаимодействия воздуха с распыливаемым и испаряющимся топливом. Смесеобразование связывает процессы топливоподачи и сгорания. Для анализа изменения показателей работы дизеля в процессе эксплуатации необходимо выяснить, каким образом и в какой степени технического состояния элементов топливной аппаратуры влияет на параметры топливоподачи, определяющие протекание процессов смесеобразования и сгорания. Исследованиями [15,29,119,193] установлено, что динамика распространения и формирования структуры топливного факела при прочих равных условиях определяется характеристикой впрыскивания топлива. При различных термогазодинамических условиях в камере сгорания характеристика впрыскивания оказывает определяющее влияние на формирование факела. Динамика подачи топлива достаточно полно оценивается характеристикой впрыскивания в дифференциальной или интегральной формах: первая характеризует скорость поступления топлива в камеру сгорания, а вторая - доля впрыснутого топлива. Оценочным критерием впрыскивания топлива также является продолжительность впрыскивания (фвпр), показывающая время (в градусах поворота коленчатого вала), в течение которого поступает в цилиндр. Важным параметром топливоподачи является характеристика давления впрыскивания топлива, определяющая распыливаемость топлива, скорость распространения и дальнобойность факела.
При ныне применяемых системах топливоподачи непосредственного действия снижение частоты вращения и нагрузок существенно ухудшают качество процесса топливоподачи (снижают равномерность топливоподачи, давление впрыскивания и тонкость распыла) и, как следствие, полноту сгорания топлива и повышают его расход, причем по мере эксплуатации из-за износа основных деталей это ухудшение существенно возрастает.
Такое ухудшение процесса топливоподачи — «родимое пятно» топли-воподающих систем непосредственного действия, обусловленное жесткой связью процесса топливоподачи со скоростью перемещения и величиной активного хода плунжера.
Повысить качество топливоподачи можно воздействием на конструктивно-регулировочные элементы системы, изображенные на рис. 2.7.
Качество работы при эксплуатации каждого элемента и ее составляющих определяется совокупностью регламентированных показателей их технического состояния или структурными параметрами. На этапе анализа системы топливоподачи, как улучшаемого объекта, следует выбрать необходимое и достаточное количество структурных параметров. Их выбор должен в идеале обеспечивать отсутствие ошибок пропуска улучшаемого параметра состояния и ошибок ложного приема (невозможности улучшения параметра). В действительности создание полного списка структурных параметров наталкивается на некоторые трудности. С одной стороны, очевидно, он не должен быть длинным, т.к. это усложнит задачи улучшения показателей и понизит вероятность ее достоверности. Из анализа литературных данных и ТУ завода-изготовителя в качестве примера приведены предельные значения и допускаемые отклонения контролируемых параметров системы топливоподачи дизеля Д-243 с ТНВД 4УТНМ, определяющие процесс подачи топлива (см. табл. 2.1).
Анализ научно-технической литературы, конструкторской документации и результатов экспериментальных исследований позволил определить структурные параметры и их допусковые отклонения элементов топливной аппаратуры, обеспечивающие должный уровень показателей качества работы всей топливной системы в процессе эксплуатации.
Воздействие на систему (при превышении предельных допусковых отклонений оценочных параметров) управляющими факторами позволяет привести процесс топливоподачи в нормальное состояние. Как следует из вышеизложенного, наиболее эффективными при этом могут считаться технологические приемы улучшения равномерности процесса топливоподачи, в частности величины цикловой подачи, давления и опережения впрыскивания и в целом - закона топливоподачи.
Возможные технологические приемы повышения качества его работы могут воздействовать на статические и динамические составляющие ухудшения процесса топливоподачи.
Из статических составляющих на равномерность процесса топливоподачи влияют, в первую очередь, многочисленное количество технологических допусков на изготовление деталей. На детали топливной системы с насосом высокого давления, например, 4УТНМ с форсункой и топливопроводом высокого давления задаются около 1350 размеров и технических условий [203]. Если учесть, что детали еще характеризуются овальностью, конусностью и шероховатостью, то можно считать, что получение двух абсолютно одинаковых секций или систем топливоподачи оказывается практически невозможным.
В процессе эксплуатации по мере износа деталей, особенно прецизионных, влияние технологических допусков на параметры топливоподачи усиливается и, как следствие, ухудшается качество процесса подачи.
Совершенствование стенда для испытаний и регулировок топливных систем дизелей
В соответствии с ГОСТ 20793-86 регулировки топливного насоса и форсунок проводят через 960 моточасов работы (при ТО-3).
Основными контролируемыми показателями работы при этом являются (по ГОСТ 8670-82) цикловая подача топлива на соответствующих режимах работы и равномерность подачи и угла начала нагнетания топлива между секциями. Регулировки проводят на специализированных стендах типа КИ-22210-УХЛ4-ГОСТ 15150-69. На этих стендах впрыск производится в среду с давлением, близким к атмосферному. Производительность насоса определяется объемным методом, а угол начала нагнетания топлива — по стробоскопу.
Межсекционную неравномерность подачи (5С) определяют по результатам экспериментов, используя выражение (3.1).
Значения g ax и gumin находят, определяя средние значения подач секций (за заданное число циклов или за определенный промежуток времени).
Стенд не позволяет определять стабильность подачи от цикла к циклу и закон топливоподачи и требует больших затрат времени на испытание и регулировки (из-за необходимости 2-3 разовой корректировки величины и опережения подачи). Недостатком его следует считать и наличие открытых объемов топлива, ухудшающих микроклимат испытательного цеха. Лучшего оставляет желать и точность измерений.
Опираясь на достижения электроники и большой накопленный опыт испытаний и регулировок топливных систем, кафедрой «Тракторы и автомобили» Башкирского ГАУ, предложен усовершенствованный стенд для испытаний и регулировок топливных систем дизелей (рис. 3.5). При этом за основу взята предложенная нами установка для измерения величины, неравномерности и закона подачи в комплексе с ЭВМ.
Измерительный плунжер 12 устройства находится под воздействием пружины 14, вид и жесткость которой, а также усилие его предварительного сжатия (гайкой 16), подбираются так, что в процессе впрыска топлива давление в камере 10 копирует давление в цилиндре двигателя. Перепускной клапан 5 введен с целью создания в измерительной камере 10 после слива измеренной подачи избыточного давления, равного давлению в камере сгорания двигателя к моменту начала впрыска, и предупреждения образования воздушных пузырьков, снижающих точность измерений. Устройство работает следующим образом. Порция топлива подается (одной из форсунок) в измерительную камеру 10. При этом измерительная камера 10 разобщена от линии слива (ток в катушке 7 электромагнитного клапана отсутствует). По мере поступления топлива давление в измерительной камере 10 повышается и плунжер 12, сжимая возвратную пружину 14, перемещается влево. Объём топлива, поступающего в измерительную камеру 10, однозначно определяет ход плунжера 12. Поэтому скорость перемещения плунжера характеризует количество поступающего из форсунки топлива (а график его изменения - интегральный закон подачи), а максимальный ход плунжера -величину цикловой подачи. По окончанию впрыска датчик импульсов (ДХ) посылает сигнал на вход блока-усилителя синхроимпульсов (БУ), который в свою очередь формирует сигнал на начало отсчета времени, необходимого для определения оборотов вала насоса, а также управления моментом и продолжительностью открытого состояния сливного электромагнитного клапана. При открытии электромагнитного клапана (перемещении его вправо) полость измерительной камеры 10 сообщается с линией слива через канал «а», «б» и перепускной клапан 5. При этом пружина 14 перемещает плунжер 12 в исходное положение, выдавливая измеренную часть топлива. Для фиксации текущих значений (интегральной характеристики впрыскивания) и полного хода (цикловой подачи) измерительного плунжера 12 используется узел съёма сигнала 17, выполненный в виде пружинной пластины с наклеенными на нее тензодатчиками (положение плунжера через шток определяет изгиб пластины 18 и деформацию тензодатчиков). Сигналы от этого узла передаются к электронному блоку, состоящему из датчика импульсов, синхронизированных с кулачковым валом насоса (коленчатым валом двигателя), подключенного своим выходом к входу блока-усилителя синхроимпульсов, управляющего работой электромагнита клапана 9. Там они обрабатываются, а результаты высвечиваются на экране для регулировщика с указанием по направлениям корректировки цикловой подачи и опережения впрыскивания (например, требуемых угла и направления поворота плунжеров относительно рейки насоса и направления и величины поворота болта толкателя плунжера). При таком устройстве нет необходимости использование набора пробирок для измерения цикловой подачи и контроля угла опережения по лучу стробоскопа на градуированном диске. Все это исключает влияние на результаты измерений субъективного фактора и упрощает конструкцию всего стенда.
Подпитка линии высокого давления системы топливоподачи дизеля
Как было показано в разделах 2 и 3 одной из важнейших причин ухудшения показателей работы топливных систем тракторных дизелей в процессе эксплуатации, особенно по мере уменьшения их частоты вращения коленчатого вала и нагрузок является снижение стабильности топливоподачи, в частности, равномерности распределения топлива по цилиндрам, угла опережения подачи топлива и др. Нестабильность параметров топливоподачи снижает технико-экономические показатели работы двигателя, повышает механическую и тепловую нагрузку цилиндров, увеличивает дымность и токсичность отработавших газов [38,40,55,216].
Работы Астахова И.В., Окулова В .Г., Баширова Р.М., Файнлейба Б.Н., Русинова Р.В., Леонова О.Б., Патрахальцева Н.Н, и др, показывают, что в качестве одного из наиболее эффективных путей решения этой проблемы может рассматриваться стабилизация остаточного давления (рост) в линии нагнетания топливной системы. Она идентифицирует параметры топливоподачи как по секциям, так и от цикла к циклу и, как следствие, существенно улучшает показатели рабочего процесса дизеля.
Вместе с тем следует отметить, что результаты исследований в ряде случаев носят весьма противоречивый характер. Так, по данным Астахова И.В. и Окулова В.Г., стабилизацией остаточного давления можно снизить удельный расход топлива до 15%. Патрахальцев Н.Н., Могендович Е.М., Лазарев Е.А. и др. приводят значительно меньшие цифры (от 1,5 до 7%). звестны разнообразные способы стабилизации остаточного давления (рис. 4.15).
На практике может решаться задача полной или частичной стабилизации остаточного давления. При полной стабилизации к моменту начала впрыскивания обеспечивается постоянная, независящая от режимов работы, величина остаточного давления. Достигается это устранением упругих колебаний давления топлива в линии высокого давления. Полную стабилизацию можно осуществлять, применяя, например, устройства, соединяющие в период между впрыскиваниями линии нагнетания с дополнительным заполненным топливом объемом со стабилизированным давлением. При этом одновременно с устранением упругих колебаний давления топлива обеспечивается и заранее установленная величина остаточного давления (к моменту начала следующего впрыскивания),
При частичной стабилизации упругие колебания давления не устраняются. К началу следующего цикла обеспечивается лишь остаточное давление, находящееся в каком-то заданном диапазоне. Поэтому из-за волновых явлений при отдельных режимах работы достигнутая стабильность может нарушаться. Частичная стабилизация может производиться при использова нии различных демпферов (рис. 4.16), нагнетательных клапанов двойного действия (рис. 4.17), стабнлизирующих нагнетатель-ных клапанов (рис. 4.18) и др.
Общий недостаток таких клапанов сложность конструкции, обусловленная наличием множества каналов, уплотняемых поверхностей, а также зависимость уровня остаточного давления от параметров устройств, создающих противодавления перепуску топлива. Поэтому при них невозможно полностью исключить колебания остаточного давления от цикла к циклу и обеспечить желательную величину остаточного давления в широких диапазонах режимов работы двигателя.
В топливоподающих системах современных дизелей остаточное давление частично стабилизируется использованием грибковых нагнетательных клапанов с отсасывающим пояском (рис. 4.18 а). Такой клапан, эффективно разгружая топливопровод, зачастую обуславливает и упругие колебания давления топлива и тем самым в ряде случаев создает условия для дополнительного подвпрыскивания. Другой существенный недостаток грибковых клапанов — постоянство разгрузочного эффекта, что приводит к переразгрузке линии высокого давления при работе в режиме частичных нагрузок и скоростных режимов. Это увеличивает продолжительность периодов дросселирования топлива и повышает чувствительность насосной секции к сопротивлению линии нагнетания.
В системах с насосами типа НД, оборудованных клапанами двойного действия (рис. BJCERA с гидравлическим торможением (5) и ВНИИ 4.17 з, и), достигается более качественная железнодорожного транспорта _. Л _. (в): І-седло; 2-клапан; А-зазор ястичная стабилизация. Однако при неболь ших цикловых подачах разгрузка через обратный клапан прекращается и вследствие малого активного хода плунжера и увеличения утечек топлива затрудняется обеспечение стабильных минимальных частот вращения холостого хода.
Иногда с целью стабилизации остаточного давления топливо перепускают в специальный объем с заранее установленным давлением. В этих случаях перепуском топлива обычно управляет сам плунжер насоса высокого давления (рис. 4.19 а). При нагнетании топливо открывает клапан 3 (кольцо с внутренней уплотняющей поверхностью) и, преодолевая его силу упругости, подается к форсунке.
В конце впрыска плунжер I кромкой 9 соединяет линию высокого давления с объемом П. Давление топлива в этом объеме и определяет величину остаточного давления [14].
