Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние задачи обеспечения качественной работы топливной аппаратуры дизелей на частичных и неустановившихся режимах нагрузки 13
1.1. Анализ работ по исследованию проблемы межцикловой нестабильности процессов топливоподачи при работе дизелей на частичных режимах 13
1.2. Анализ работ по исследованию проблемы межцикловой нестабильности процессов топливоподачи при работе дизелей на неустановившихся режимах 25
1.3. Повышение качества процессов топливоподачи путем применения специальных видов топливной аппаратуры и ее элементов 32
1.4. Экспериментальные методы исследования рабочих процессов топливной аппаратуры при работе на частичных режимах 45
1.5. Теоретические методы исследования рабочих процессов топливной аппаратуры при работе на частичных режимах 47
Выводы по главе 50
Постановка основных задач исследования 53
2. Уточнение и доводка математріческои модели для исследования процессов топливоподачи дизелей при работе на частичных режимах 54
2.1. Математическая модель топливной аппаратуры дизелей как инструментарий для исследования процессов топливоподачи на малых скоростных и нагрузочных режимах 54
2.2. Уточнения математической модели топливной аппаратуры с учетом специфики ее работы на режимах малых подач и частот вращения 63
2.2.1. Утечки топлива в плунжерном элементе топливного насоса высокого давления 63
2.2.2. Учет упругости привода кулачкового вала топливного насоса высокого давления 65
2.2.3. Учет переменного противодавления впрыскиванию топлива в цилиндр дизеля 67
2.2.4. Особенности вычисления текущей площади проходного сечения впускных и отсечных окон втулки плунжера 67
2.2.5. Учет местных гидравлических потерь на входе топлива в трубопровод высокого давления и выходе из него 72
2.2.6. Учет гидравлических потерь по длине трубопровода высокого давления 74
2.2.7. Учет разрывов сплошности в системе высокого давления 78
2.2.8. Учет переменной скорости звука в топливе 84
2.3. Влияние шага интегрирования на качество моделирования рабочих процессов топливной аппаратуры при исследовании частичных режимов работы дизелей 88
Выводы по главе 101
3. Экспериментальное исследование процессов топливоподачи на частичных режимах работы 103
3.1. Задачи экспериментального исследования, объекты исследования и экспериментальные установки 103
3.2. Определение величин погрешностей измерений 110
3.3. Проверка адекватности математической модели топливной аппаратуры дизелей 113
Выводы по главе 121
4. Исследование межцикловой стабильности процессов топливоподачи на режимах частичных подач и частот вращения 123
4.1. Выбор метода оценки стабильности подач в последовательных циклах впрыскивания 123
4.2. Методика определения величины критерия стабильности X на режимах с нелинейными расходными характеристиками 131
4.3. Исследование влияния ряда конструктивных и настроечных параметров на межцикловую нестабильность рабочих процессов топливной аппаратуры 135
4.3.1. Влияние величины давления гидрозапирания форсунки на межцикловую нестабильность процессов топливопо-дачи 140
4.3.2. Влияние диаметра и разгрузочного хода нагнетательного клапана на межцикловую нестабильность процессов то-пливоподачи 142
4.3.3. Влияние параметров пружины нагнетательного клапана на межцикловую нестабильность процессов топливопо-дачи 145
4.4. Влияние вторичного эффекта по рейке топливного насоса высокого давления на качество работы дизеля на долевых режимах 153
4.5. Влияние применения водотопливной эмульсии как альтернативного топлива для дизелей на межцикловую нестабильность процессов топливоподачи 161
Выводы по главе 164
5. Использование математической теории планирования эксперимента для оптимизации процессов опливоподачи на частичных режимах работы 166
5.1. Оптимизация конструктивных параметров и соотношений топливной аппаратуры 166
5.2. Стабилизация параметров процессов топливоподачи в последовательных циклах впрыскивания при применении специальной конструкции топливной аппаратуры 176
5.3. Стабилизация параметров процессов топливоподачи в последовательных циклах впрыскивания при помощи гидрозапорной форсунки специальной конструкции 179
Выводы по главе 184
Заключение 186
Литература
- Анализ работ по исследованию проблемы межцикловой нестабильности процессов топливоподачи при работе дизелей на частичных режимах
- Математическая модель топливной аппаратуры дизелей как инструментарий для исследования процессов топливоподачи на малых скоростных и нагрузочных режимах
- Задачи экспериментального исследования, объекты исследования и экспериментальные установки
- Выбор метода оценки стабильности подач в последовательных циклах впрыскивания
Введение к работе
Актуальность темы. Как известно, показатели работы дизелей до сих пор регламентируются только для номинальных режимов. Однако, только главные двигатели значительную часть времени работают на близноминаль-ньгх режимах. Для остальных двигателей более характерны долевые (частичные) режимы работы. Так, главные двигатели судов буксирного флота основную часть времени работают на режимах, не превышающих 40% номинального, дизели рыбопромысловых судов, судов речного флота и смешанного плавания работают в условиях сложной навигационной обстановки на долевых режимах. Маневровые тепловозы до 70% всего времени эксплуатации работают на частичных режимах. Для дизель-генераторов (ДГ) судовых электростанций характерный режим работы составляет 30% - 50% от номинальной мощности. При работе нескольких ДГ в параллель из-за не качественной работы топливной аппаратуры (ТА) возникают обменные колебания электрической мощности, что негативно сказывается на показателях надежности и эффективности использования дизелей.
Так как значительную часть времени дизели эксплуатируются на частичных режимах, то эффективность эксплуатации определяется не параметрами номинального режима, а качеством работы на частичных режимах. Наиболее значимым фактором, определяющим неудовлетворительную работу ТА на частичных режимах является периодическое чередование параметров впрыскивания и величины цикловой подачи от цикла к циклу вплоть до пропусков подачи через цикл (межцикловая нестабильность).
Недостаточная изученность физической природы периодических колебаний рабочих процессов топливной аппаратуры (РП ТА) в последовательных циклах впрыскивания не позволяет разработать эффективные мероприятия по полному устранению или снижению межцикловой нестабильности (МН). При этом, периодические колебания цикловых подач на частичных режимах приводят к повышенной нестабильности частоты вращения коленчатого вала (KB) двигателя, ухудшению топливной экономичности, не позволяют снизить минимально устойчивые обороты холостого хода. Неудовлетворительная работа ТА на частичных режимах из-за чередования от цикла к циклу «активных» и «пассивных» впрыскиваний с частотой л/240 Гц приводит к значительному ухудшению качества распыливания топлива при «пассивных» циклах, колебаниям от цикла к циклу угла опережения впрыскивания и давлений впрыскивания, и как следствие, к повышенной эмиссии в окружающую среду продуктов неполного сгорания топлива, снижению ресурсных показателей как самих элементов ТА, так и двигателя в целом. В случае работы дизелей в составе ДГ нестабильная от цикла к циклу работа ТА является источником возмущения параллельно работающих агрегатов и при совпадении частоты чередования циклов впрыскивания с частотой собственных колебаний крутильной системы приводит к повышенным (резонансным) обменным колебаниям электрической мощности.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург ОЭ гООбакт 7 О9
Следует отметить, что несмотря на активное развитие альтернативных видов топливоподающих систем, в обозримом будущем основу энергетики по-прежнему будут составлять двигатели с классической ТА.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что повышение качества работы ТА на долевых нагрузочных и скоростных режимах представляет собой актуальную задачу. Решение проблемы МН работы ТА на частичных режимах работы дизеля позволит удовлетворить все возрастающие требования по величине эмиссии вредных веществ, обеспечит выраженный экономический эффект за счет повышения топливной эффективности и улучшения показателей динамики и надежности дизелей, позволит повысить качество вырабатываемой дизель - электростанциями электроэнергии при параллельной работе ДГ.
Цель работы. Исследование возможности повышения качества работы ТА при работе на режимах малых подач и частот вращения.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Разработка математической модели топливной аппаратуры (ММ ТА) как инструментария для исследования РП ТА на частичных режимах работы с проверкой адекватности ММ ТА реальным процессам.
-
Изучение физической природы МН РП ТА на основе ММ ТА для исследования режимов малых подач.
-
Поиск критерия стабильности для адекватной оценки степени нестабильности РП ТА на частичных режимах с учетом нелинейности расходных характеристик (РХ) топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунки.
-
Оценка влияния наиболее важных конструктивных и настроечных параметров ТА на стабильность процессов топливоподачи и поиск оптимального диапазона их соотношений с использованием математического планирования расчетного эксперимента.
-
Анализ путей повышения качества работы ТА и разработка рекомендаций и мероприятий по повышению качества работы ТА на частичных режимах.
Научная новизна:
-
Предложена ММ ТА, учитывающая особенности протекания РП ТА при работе на режимах малых подач и частот вращения.
-
Впервые выполнена комплексная оценка влияния величины шага интегрирования ММ ТА на точность моделирования РП ТА при исследовании частичных режимов работы дизелей.
-
Предложена методика проверки адекватности ММ ТА, учитывающая специфику расчетных и экспериментальных исследований частичных режимов работы ТА и базирующаяся на интервальном способе оценки адекватности ММ.
-
Получены новые данные о физической природе нестабильной от цикла к циклу работы ТА на частичных режимах и нелинейности РХ ТНВД и форсунки, раскрыта физическая природа нелинейности РХ на режимах с наличи-
ем разрывов сплошности в системе высокого давления (СВД). Уточнена методика определения критерия стабильности РП ТА;
5. Раскрыта физическая природа влияния вторичного эффекта по рейке ТНВД на усиление амплитуды первичных колебаний частоты вращения KB дизеля.
Научная новизна подтверждена полученными патентами на предлагаемые мероприятия по снижению МН.
Практическая значимость. Компьютерная реализация комплекса математических моделей для расчетно-экспериментального исследования РП ТА и предложенного метода оптимизации может быть использована на стадии проектирования, модернизации и доводки систем топливоподачи. ММ ТА используется в учебном процессе кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» ТОГУ. Предложены варианты комплектации ТА и эффективные мероприятия на уровне изобретений, направленные на повышение межцикловой стабильности процессов топливоподачи.
Достоверность обеспечена использованием основных законов сохранения и механики сплошной среды, постановкой смешанной задачи Коши для системы топливоподачи дизеля. Адекватность предложенной ММ ТА подтверждена экспериментальными исследованиями процессов топливоподачи ТА дизелей 6ЧН 18/22.
Основные положения выносимые на защиту:
-
ММ ТА как инструментарий для выполнения расчетно - исследовательских работ с целью обеспечения межцикловой стабильности РП ТА на режимах малых подач и частот вращения.
-
Методика оценки адекватности ММ ТА реальным процессам, происходящим в ТА на частичных режимах работы.
-
Нелинейность РХ ТНВД и форсунки при работе ТА на частичных режимах и методика определения критерия стабильности при наличии нелинейности РХ.
-
Результаты оценки возможности снижения МН процессов топливоподачи путем изменения комплектации ТА на базе математического планирования эксперимента, внедрения специальных конструкций ТА и использования во-дотопливной эмульсии (ВТЭ).
-
Результаты исследования влияния вторичного эффекта по рейке ТНВД на усиление амплитуды первичных колебаний частоты вращения KB дизеля и рекомендации по ее снижению.
Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на Международной научно-технической конференции «Двигатели 2002» (г. Хабаровск, сентябрь 2002 г.), International Conference of Alternative Fuels Vehicle (Changchun, China, октябрь 2004г.), Международной научно-технической конференции «Двигатели 2005» (г. Хабаровск, сентябрь 2005 г.), на заседаниях кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» (г. Хабаровск, 2002 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г.) и на региональном семинаре по проблемам двигателей внутреннего
сгорания (г. Хабаровск, 2005 г.), на семинарах кафедр ДВГТУ, МГУ им. адм. Г.И. Невельского и ДАЛЬРЫБВТУЗа (г. Владивосток, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 патента.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 145 наименований. Она содержит 189 страниц основного текста, 61 рисунок, 17 таблиц.
Анализ работ по исследованию проблемы межцикловой нестабильности процессов топливоподачи при работе дизелей на частичных режимах
Под стабильной работой ТА подразумевается единообразие и идентичность происходящих РП ТА в последовательных циклах впрыскивания [31, 32, 121]. Соответственно, межцикловая нестабильность РП ТА определяет периодические колебания параметров вприскивания в последовательных циклах, что отличает это понятие от неравномерности впрыскивания.
Одной из первых работ по вопросу межцикловой нестабильности последовательных циклов впрыскивания ТА дизелей с форсунками закрытого типа можно считать экспериментальное исследование Хетцеля [145] в 1934 г., установившего, что при малых подачах и малых частотах вращения впрыскивание отдельными топливными секциями многоплунжерного насоса четырехтактного дизеля, как правило, происходит через оборот кулачкового вала насоса и минимальное количество топлива, которое может быть подано в цилиндр двигателя при работе на режимах малых цикловых подач и частот вращения, зависит от скорости вращения кулачкового вала, давления начала подъема иглы форсунки и объема системы высокого давления (СВД).
В 1935 г. Ротрок и Марш в работе [109] указали на влияние прямых и отраженных волн давления на период запаздывания начала впрыскивания, предположив, что значительные колебания величины подачи вызваны периодическими от впрыскивания к впрыскиванию колебаниями величины остаточного давления.
Основным результатом этой работы следует считать установление факта, что неустойчивость РП ТА наблюдается при малых подачах, пониженных частотах вращения или при том и другом вместе, что она вызывается колебаниями величины остаточного давления и определяется волновыми явлениями в трубопроводе высокого давления (ТВД).
Общие положения о протекании РП ТА, смесеобразования и сгорания топлива в дизелях на режимах малых подач и оборотов сформулированы в трудах ряда советских ученых: Брилинга Н. Р., Ваншейдта В. А., Дьяченко Н. X., Толстого А. И., Мелькумова Г. М., Орлина А. С, Чаромского Н. Д. и др. К числу первых работ следует отнести экспериментальные исследования Чаромского Н. Д., Коробова Б. Ф. и Орлина А. С, проведенные в 1935 г. Однако в них практически не рассмотрены вопросы улучшения качества работы ТА дизелей на частичных режимах.
Исследования режимов «малого газа» авиадизеля в 1940 году Шмигель-ским Н. В. [137], а затем Мироновым Н. И. [95] в ЦИАМ еще раз подтвердили, что практически для всех современных дизелей одной из главных причин неустойчивости режимов малых подач является неудовлетворительная работа ТА и, конкретно, нестабильность впрыскиваний в последовательных циклах. Так в результате исследования было выяснено, что одна из основных причин трудности получения устойчивого режима «малого газа» связана с неудовлетворительным протеканием процессов впрыскивания и значительной неравномерностью распределения топлива по цилиндрам и по циклам одного и того же цилиндра. Кроме того, имеет место неблагоприятное протекание скоростных характеристик ТА на этих режимах. Шмигельский указал на невозможность уменьшения минимально-устойчивых оборотов холостого хода при существующей ТА вследствие большой неравномерности цикловых подач отдельных топливных секций (до 316%), что определяет большую неравномерность крутящего момента на валу двигателя и повышенную нестабильность частоты вращения на режимах «малого газа».
Общим недостатком всех вышеперечисленных работ является отсутствие анализа причин возникновения неравномерности последовательных цикловых подач отдельными топливными секциями, отсутствие знания физической при роды происходящих явлений, отсутствие возможности многовариантных расчетов и анализа РП ТА.
Влияние ТА на устойчивость работы дизелей при малых подачах топлива отмечается также в работах [69, 70, 71,84].
Начало широкого применения газотурбонаддува для форсирования дизелей, а значит, и расширение рабочего диапазона цикловых подач, привело в ряде случаев к неудовлетворительной работе ТА на частичных нагрузках двигателя, поэтому, начиная с 1957-59 годов появляется большое число отечественных и зарубежных работ по исследованию причин нестабильных от цикла к циклу РП ТА на частичных режимах и при работе без нагрузки при различных частотах вращения KB двигателя.
В области ТА тепловозных дизелей в этом направлении проведена большая работа. Особо следует выделить исследования, проведенные в ЦНИИ МПС, на Харьковском тепловозостроительном заводе им. Малышева и в Харьковском институте инженеров железнодорожного транспорта [45, 46, 47, 63, 78, 134, 135, 136]. Отмечается неудовлетворительная работа тепловозных дизелей на холостом ходу и малых нагрузках как следствие того, что серийная ТА двухтактных двигателей не обеспечивает равномерную подачу топлива по цилиндрам и циклам. В результате происходит загорание выпускных окон, закоксовы-вание поршневых колец, разжижение масла в картере, заброс топлива в выпускной коллектор, повышение нестабильности частоты вращения. Поэтому приходится поддерживать на холостом ходу не минимально-устойчивые обороты, а более высокие, что увеличивает расход топлива и ускоряет износ двигателя.
Математическая модель топливной аппаратуры дизелей как инструментарий для исследования процессов топливоподачи на малых скоростных и нагрузочных режимах
В качестве базовой была принята ММ ТА, разработанная Пугачевым Б. П. [106] на основе гидродинамического метода расчета Астахова И. В., в дальнейшем уточненная и дополненная Гореликом Г. Б. [31] для исследования процессов топливоподачи на частичных режимах.
Данная ММ ТА представляет собой так называемую краевую задачу Копій, а именно: в основе ее - дифференциальное уравнение неустановившегося движения топлива в ТВД, граничные условия слева - система дифференциальных уравнений, описывающих процессы в ТНВД, а справа - система дифференциальных уравнений у форсунки. ММ ТА может быть представлена в виде структурной схемы для известной краевой задачи Коши (рис.2.1).
Функциональная схема ММ ТА определяет взаимодействие граничных условий по концам ТВД с решением уравнения неустановившегося движения топлива в ТВД (рис. 2.2).
Решение дифференциального уравнения движения топлива в ТВД осуществляется конечно-разностным методом. Формирование волны давления осуществляется путем решения системы дифференциальных уравнений, описы вающих процессы в ТНВД. Граничные условия со стороны форсунки определяются путем решения соответствующей системы дифференциальных уравнений, описывающих процессы в форсунке. Решение производится прогонкой в данном временном слое (при конкретном значении угла поворота кулачкового вала ТНВД). Далее, решение повторяется в новом временном слое (при новом угле Для описания нестационарного движения потока топлива в ТВД используется дифференциальное уравнение второго порядка в частных производных (так называемое телеграфное уравнение), полученное путем преобразования системы уравнений Навье - Стокса при принятии ряда упрощений д2со 1 д2со Л і і да .7 7 7 7 М = 0, (2.1) дх2 a2 dt2 a2d dt V J где со- скорость топлива в ТВД; дг- координата перемещения; / - координата времени; а - скорость распространения звука в топливе; d - внутренний диаметр ТВД; Л - коэффициент гидравлического сопротивления единицы длины ТВД.
Для решения уравнения (2.1) применен конечно-разностный метод с использованием прямоугольных сеток, отличающийся наглядностью, простотой, малой потребностью в ресурсах компьютера. Для этого частные производные уравнения (2.1) заменены выражениями в конечных разностях [119] dt At j д2со i. У+1 " -2 к i+au-\ dt2 At2 д2со а м j 2-й)и + i-ij Ъф_ и- »ил л (2 2) j- (2.3) (2.4) дх2 Ах2 ь
Подставив в исходное уравнение значения частных производных в конечных разностях, принимая скорость звука в топливе неизменной в течение периода At по длине трубопровода L, с учетом зависимости Ах = а At, получаем решение уравнения движения топлива в ТВД в конечных разностях Л и+і = MJ + I-\J - и-\ —jo-П Ку -a,j-i) С2-5)
С физической точки зрения уравнение следует решать относительно давления, так как в ТВД происходит передача волны давления от ТНВД к форсунке и обратно. Скорость же учитывает только перемещение частиц топлива [34]. Однако проверка адекватности модели в принятом варианте показала хорошую сходимость расчетов с экспериментом. Определение величины давления на любом участке ТВД в любой момент времени не представляет сложности и произ водится по известному уравнению неразрывности (сплошности), используемому в данной ММ ТА.
Использование решения телеграфного уравнения относительно скорости вызвана необходимостью учета разрывов сплошности по длине ТВД. При решении уравнения относительно давления такой учет значительно усложняется и не представляется возможным.
При решении уравнения (2.1) конечно-разностным методом с использованием прямоугольных сеток длина ТВД L делится на пі равных отрезков длиной Дх, где Дх - путь прохождения волны со скоростью звука в топливе за интервал времени At, именуемый шагом интегрирования (рис. 2.3). Количество отрезков ТВД при разбиении его на конечное количество участков определяется по формуле . L L L-6-n,, т = — = Дх a-At а-А р где пн - частота вращения кулачкового вала ТНВД; (2.6) Аф- угол поворота кулачковой шайбы (шаг интегрирования по углу поворота кулачкового вала насоса, между А р и Д/ имеется известное соотношение Д# = 6лнД ).
Задачи экспериментального исследования, объекты исследования и экспериментальные установки
значение при исследовании РП ТА. Использование только экспериментальных методов не позволяет в полной мере изучить механизм сложных гидродинамических процессов, происходящих в ТА дизелей. Следует отметить высокую стоимость проведения экспериментальных исследований, а также отсутствие повторяемости результатов экспериментальных исследований. Наиболее приемлемым следует считать расчетно-экспериментальный метод исследований [31] (математическое моделирование гидродинамических процессов топливо-подачи, базирующееся на экспериментальных данных). В рамках расчетно-экспериментального исследования функцией эксперимента является оценка адекватности разработанной ММ ТА в широком диапазоне исследуемых долевых режимов. Поэтому задачей экспериментального исследования является получение данных, характеризующих протекание гидродинамических процессов в ТА как в одиночных так и в последовательных циклах впрыскивания на установившихся и неустановившихся режимах работы и работе с наличием межцикловой нестабильности параметров РП ТА.
В качестве объектов исследования были приняты ТА ДГ ДГРА 160/750 на базе дизеля 6ЧН18/22 с ТНВД УН-1 и ТА автотракторного дизеля ЯМЗ 236. Основные характеристики ТА приведены в таблице 3.1.
Исследования проводились на стандартном безмоторном топливном стенде. Для обеспечения высокой равномерности вращения кулачкового вала ТНВД и возможности работы на режимах малых подач и чисел оборотов в качестве приводного двигателя стенда использовался электромотор постоянного тока с большим моментом инерции и реостатным регулятором нагрузки. Частота вращения кулачкового вала ТНВД контролировалась дистанционным тахо метром. Электромагнитное устройство для отсчета количества циклов, включалось одновременно с секундомером. Точное измерение частоты вращения производилось средствами измерительного комплекса. Для измерения величин цикловых подач стенд оборудован мензурками, предусмотрена возможность применения весового способа измерения для каждой секции ТНВД.
Особенностью проведения измерений при исследовании РП ТА является необходимость регистрации быстропеременных величин. При этом используется специальная аппаратура для измерения быстропротекающих процессов в ДВС. В данном исследовании использовался измерительный комплекс «Ди-зельлаб 001», созданный Коньковым А. Ю. в Дальневосточном государственном университете путей сообщения (рис. 3.1) на базе внешнего модуля АЦП Е-440 фирмы «L-CARD», соединенного с высокопроизводительным компьютером типа IBM PC AT посредством высокоскоростного интерфейса USB 1.1.
Внешний модуль АЦП Е-440 (5) построен на базе современного цифрового сигнального процессора (DSP) фирмы Analog Devices, Inc. - ADSP-2185M и аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) LTC 1416 фирмы Linear Technology Corporation. Параметры внешнего модуля АЦП Е-440 представлены в таблице 3.2
Стабилизированный блок питания (БП) (1) обеспечивает необходимыми напряжениями питания преобразователи сигнала (ПС) (7), формирователь опорного сигнала (ФОС) (3) и микроконтроллер (МК) (4). БП имеет три линии питания с напряжениями +5В, +12В, -12В и обеспечивает предельный ток до 1А на каждой линии. Этого достаточно для использования всех 8-ми каналов измерительного комплекса одновременно для любых ПС. Контроль напряжений БП осуществляется через аналоговые входы модуля Е-440 (5). Необходимость в БП объясняется тем, что Е-440 (5) питается от шины USB и не имеет своего блока питания.
ФОС (3) построен на базе микроконтроллера PIC16F84, работающего на тактовой частоте 4МГц. ФОС является источником сигнала для синхронизации данных, поступающих на внешний модуль АЦП Е-440 (5) по углу поворота кулачкового вала ТНВД. ФОС имеет два режима работы: имитации вращения вала и рабочий. При работе в режиме имитации вращения вала ФОС генерирует сигнал прямоугольной формы с частотой 10Гц от собственного кварцевого генератора. Данный режим используется для отладки программного обеспечения измерительного комплекса и как средство внутренней самодиагностики. В рабочем режиме ФОС выполняет роль повторителя сигнала внешнего датчика с необходимыми преобразованиями. Применение программируемого микроконтроллера позволяет гибко организовать работу ФОС с различными источниками опорного сигнала. В данном случае в качестве датчика верхней мертвой точки (датчик ВМТ) (2) используется датчик Холла, однако эту роль могут выполнять различные устройства с напряжением питания 5В и формирующие на выходе сигнал уровня TTL. Следует отметить, что ФОС позволяет выводить временные диаграммы преобразования сигнала в двух видах, что удобно при снятии диаграмм в нескольких последовательных циклах впрыскивания. Связь ФОС (3) с Е-440 (5) осуществляется по двум каналам: - непосредственно на входы Е-440 (5) с целью привязки данных к углу поворота кулачкового вала ТНВД на режиме асинхронного ввода; - через МК (4) для расчета частоты вращения вала и управления АЦП в син хронном режиме.
МК (4) построен на базе микроконтроллера PIC16F877 фирмы «Microchip» с тактовой частотой 20МГц, задаваемой внешним кварцевым генератором. МК имеет интегрированную схему АЦП с 10-ти разрядным квантованием сигнала по амплитуде. МК (4) осуществляет расчет частоты вращения кулачкового вала ТНВД. Результаты расчетов частоты вращения передаются от МК (4) к Е-440 (5) через цифровые входы в виде 10-ти разрядного слова. При работе в режиме синхронного по углу поворота кулачкового вала ТНВД ввода данных МК осуществляет команду «START АЦП» внешнего модуля Е-440 (5). При этом МК подает серию из 1440 синхронизирующих импульсов с интервалом в 0,5п. кул. в.. Начало подачи серии импульсов определяется установленной величиной углового смещения начала измерения от сигнала датчика ВМТ (2). Обмен данными между МК (4) и ПК (6) (величина требуемой уставки, режим работы, частота вращения) осуществляется посредством цифровых входов и выходов модуля Е-440 (5). Необходимость специальной системы расчета частоты вращения и синхронизации ввода данных обусловлена невозможностью точного расчета частоты вращения программным обеспечением измерительного комплекса из-за особенностей работы USB интерфейса [80].
Программное обеспечение измерительного комплекса позволяет: - отображать на экране, сохранять в графическом и числовом виде до 10-ти быстропеременных аналоговых электрических сигналов (8 каналов ПС (7) и два канала датчика ВМТ (2));
Выбор метода оценки стабильности подач в последовательных циклах впрыскивания
Наиболее приемлемым является критерий стабильности X, предложенный в работе [31], базирующийся на анализе РХ ТНВД и форсунки. Как было показано в главе 1 после внесения единичного возмущения в работу ТА возникает КГУР ТА, характеризующийся нарушением баланса расходов через ТНВД и форсунку. Баланс восстанавливается не сразу, а только после определенного количества циклов впрыскивания, т.е. изменение остаточного давления до величины, соответствующей новому режиму работы ТА, происходит не мгновенно, а спустя несколько циклов. При этом остаточное давление формирует несколько активных и пассивных впрыскиваний, пока не произойдет стабилизация остаточного давления и не наступит установившийся режим работы. Циклы впрыскивания протекают при остаточных давлениях, не соответствующих дав лению установившегося режима. Такой режим работы ТА является неустановившимся и нестабильным от цикла к циклу, так как баланс расходов через ТНВД и форсунку меняется периодически пропорционально частоте впрыскиваний. Наибольший интерес представляют именно неустановившиеся режимы работы ТА, так как они являются характерными для значительной части рабочего диапазона цикловых подач ТА дизелей.
Предполагая линейность функций РХ ТНВД и форсунки от величины остаточного давления вблизи точки их пересечения (принцип линеаризации), можно определить условия, при которых колебания параметров в последовательных циклах впрыскивания будут иметь различный характер (рис. 4.1).
Изменение давления топлива в объеме СВД определяется по известной формуле для капельной жидкости
В случае опорожнения СВД происходит разрыв сплошности, заполняемый двухфазной средой топливо-пар при давлении насыщенных паров, близком к нулю (порядка ПО мм вод. ст.). Поэтому для оценки разрыва сплошности в СВД удобно пользоваться понятием условного отрицательного давления. Это давление эквивалентно величине разрыва сплошности. Для исследования и анализа режимов работы ТА как в положительной (рис.4.1, зона р.1 и р.2), так и в отрицательной (зона р.З) областях значений остаточного давления можно пользоваться выражением (4.1).
Так, если в результате "возмущения" система выведена в положение, определяемое остаточным давлением Р, (т.1 рис. 4.1), то по окончании впрыскивания в ТВД будет подано топлива меньше, чем израсходовано через форсунку. Остаточное давление уменьшится с Р] до Р2, что может быть определено по формуле для сжимаемой жидкости
Процесс очередного впрыскивания приведет к снижению остаточного давления и т.д., до тех пор, пока не стабилизируется режим. Очевидно, что наклоны РХ в области их пересечения и их линейность определяют способность ТА к восстановлению режима работы и, тем самым, характер и стабильность РП ТА в последовательных циклах впрыскивания. Таким образом, можно определить условия, характеризующие стабильность РП ТА.
Для каждого режима работы ТА возможно определение данного оценоч ного показателя межцикловой нестабильности, являющегося критерием ста бильности РП ТА. Наклон РХ форсунки Кл =— определяет количест во « об венно неравномерность последовательных циклов подачи топлива, поэтому следует по Кф оценивать склонность ТА к усилению эффекта цикловой нестабильности. Так, при нулевом наклоне подача в последовательных циклах не меняется, а различие в активности циклов определится только колебаниями давлений и фазовых углов, что обусловит относительно небольшое влияние на субгармоническую составляющую крутящего момента.
Между численными значениями критерия X и режимом работы ТА имеется прямая связь. Проанализируем возможное протекание РП ТА в последовательных циклах после внесения возмущения в установившийся режим с параметрами V0 и Р0 путем задания в очередном цикле остаточного давления Рост =Р0+АР (режим "1-1" нарис. 4.1). После возмущения ("1-1") к очередному циклу впрыскивания в ТВД установится новое значение остаточного давления
Рост=Р0+АР-АРх=Р0+АР-АР-1 = Р0 После первого же цикла режим восстанавливается. Таким образом, X = 1 -характеризует границу устойчивой от цикла к циклу работы ТА. Любое "возмущение" режима восстанавливается после первого же цикла впрыскивания.
2. Режим характеризуется значением X 1 (АРХ=АР-Х). Например, X = 0,6. После "возмущения" ("1-1") следующий цикл состоится при Рост=Р0+Ы -АРх=Р0+АР-АР-Х = Р0+0,4.АР (рис. 4.1, позиция "2-2"). Третий цикл состоится при / вя,=і,о+0,4-АР-Л =Р0+0,4АР-ДР.О,6 = Р0+0,1б.ДР (рис. 4.1, позиция "3-3").
Таким образом, происходит последовательное приближение к установившемуся режиму (Р0, V0). В течении 3...7 и более циклов процесс топливопо дачи "апериодически" стабилизируется. Подобные переходные процессы (НУР ТА) не провоцируют через рабочий процесс дизеля появление на KB периодической составляющей крутящего момента. Диапазон режимов при X 1 является предпочтительным для ТА дизелей, особенно, для стационарных двигателей.
