Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 14
1.1. Анализ путей повышения интенсивности впрыскивания 14
1.2. Нагнетательный клапан и его роль в совершенствовании топливной аппаратуры 24
1.3. Задачи исследования 29
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СЕКЦИИ ТНВД С НАГНЕТАТЕЛЬНЫМ КЛАПАНОМ БЕЗ РАЗГРУЗОЧНОГО ПОЯСКА НА БЕЗМОТОРНОМ СТЕНДЕ 32
2.1. Объект исследования 32
2.2. Экспериментальная установка и измерительная аппаратура 35
2.3. Параметры тепловоподачи 40
2.4. Оценка погрешности измерений при проведении экспериментальных исследований 43
2.5. Выбор конструктивных элементов опытной секции ТНВД 45
2.6. Исследование основных параметров тепловоподачи опытной секции ТНВД 73
Выводы по главе 100
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕЧЕНИЯ ТОПЛИВА В ЗАЗОРЕ МЕВДУ КОНУСОМ КЛАПАНА И ЕГО СЕДЛОМ 103
3.1. Дифференциальные уравнения движения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом. .. 104
3.2. Исследования течения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом 119
3.3. Исследование движения нагнетательного клапана без разгрузочного пояска 129
Выводы по главе 135
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ 84 13/14 ПРИ УСТАНОВКЕ ТНВД В СЕРИЙНОЙ И ОПЫТНОЙ КОМПЛЕКТАЦИИ 137
4.1. Экспериментальная установка, исследуемые параметры и оценка величин погрешностей измерений 137
4.2. Анализ экономических, динамических и экологических параметров работы дизеля 84 13/14 139
Выводы по главе 148
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 149
Литература 152
Приложение I. Программа расчета течения топлива в зазоре между конусом клапана и седлом 167
Приложение 2. Акт на внедрение результатов работы (ЯЗТА) 180
Приложение 3. Акт на внедрение результатов работы (ЯЗДА) 182
Приложение 4. Акт на внедрение результатов работы (ЯПИ) 183
Приложение 5. Расчет экономической эффективности разработанного направления модернизации серийно выпускаемой топливной аппаратуры без существенного изменения
её производства 184
- Анализ путей повышения интенсивности впрыскивания
- Экспериментальная установка и измерительная аппаратура
- Дифференциальные уравнения движения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом.
- Экспериментальная установка, исследуемые параметры и оценка величин погрешностей измерений
Введение к работе
Принятые ХХУІ съездом КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусматривают значительное расширение применения дизелей в автомобилестроении. Одновременно ставится задача повышения технико-экономических и экологических показателей дизелей.
Решение поставленных задач по улучшению показателей дизелей тесно связано с совершенствованием их топливной аппаратуры, которая оказывает значительное влияние на протекание рабочего процесса дизеля. Одним из направлений совершенствования топливо-поподающей аппаратуры наиболее широко распространенных автотракторных дизелей, имеющих в основном объемное смесеобразование, является повышение интенсивности впрыскивания топлива. Данная цель может быть достигнута разными методами, и от правильного их выбора зависит эффективность полученных результатов, определяемых как в производстве, так и в эксплуатации.
Наиболее распространенные методы повышения интенсивности впрыскивания, связанные с увеличением объемной скорости нагнетания топлива, требуют порой значительных изменений в производстве, которые, иногда, делают невозможной модернизацию выпускаемой аппаратуры и приводят к необходимости создания топливной аппаратуры новой размерности. В этой связи является актуальным поиск и разработка решений, позволяющих эффективно использовать те методы повышения интенсивности впрыскивания, которые не требуют значительной перестройки производства серийно выпускаемой топливной аппаратуры.
На экономичность работы , двигателя влияют не только изменения параметров впрыскивания, но и качественные характеристики процесса топливоподачи. Одной из основных качественных характеристик, значительно влияющей на экономичность дизеля, является отсутствие дополнительных впрыскиваний. Повышение интенсивности топлжвоподачи увеличивает склонность топливной аппаратуры к подвпрыскиваниям. Традиционные методы устранения рассматриваемого явления не в полной мере соответствуют требованию эффективности при отсутствии негативных сторон их применения. Поэтому разработка и исследование новых методов устранения подвпрыскивания являются актуальными.
Дель работы. Повышение интенсивности впрыскивания топлива без существенного изменения производства серийно выпускаемой топливной аппаратуры и улучшение за счет этого показателей работы двигателя. Для достижения указанной цели в диссертационной работе предусматривалось решение следующих задач:
Исследовать работоспособность клапана без разгрузочного пояска с конической уплотняющей поверхностью в выходном сечении седла в сочетании с пружиной малой жесткости в качестве нагнетательного клапана топливной аппаратуры дизеля, обеспечивающего существенное уменьшение объема топлива в штуцере насоса.
Определить повышение интенсивности впрыскивания топлива, вызванное сокращением внутреннего объема полости штуцера тнвд.
Разработать математическую модель течения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом, выявить закономерности изменения действующих на клапан сил со стороны топлива и определить механизм разгрузки линии высокого давления нагнетательным клапаном без разгрузочного пояска, использующим пружину малой жесткости.
Провести оценку показателей работы двигателя при работе с ТНВД в серийной и опытной комплектации.
Объектом исследования являлась секция ТНВД топливной аппаратуры дизеля ЯМЗ-238 с увеличенным ходом плунжера до /]„„= = II мм при использовании серийных и опытных плунжерных пар и нагнетательных клапанов.
Научную новизну представляют следующие наиболее существенные результаты настоящей работы, которые выносятся на защиту: применение клапана без разгрузочного пояска с конической уплотняющей поверхностью в выходном сечении седла,нагруженного пружиной малой жесткости, в качестве нагнетательного клапана топливной аппаратуры автотракторных дизелей; разработана математическая модель и программа расчета течения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом для определения сил, действующих на клапан; определен механизм разгрузки линии нагнетания клапаном без разгрузочного пояска с конической уплотняющей поверхностью в выходном сечении седла, использующим пружину малой жесткости; разработана плунжерная пара, создающая предварительное давление в топливопроводе перед впрыскиванием и обеспечивающая приемлемое протекание внешней скоростной характеристики топливо-подачи секции ТНВД с нагнетательным клапаном без разгрузочного пояска; предложено новое направление модернизации топливной аппаратуры быстроходных дизелей с целью повышения интенсивности впрыскивания,основанное на совместном действии сокращения концевых объемов линии высокого давления и создании предварительного давления в топливопроводе перед впрыскиванием.
Практическая ценность данной диссертационной работы состоит в разработке нового направления модернизации топливной аппаратуры быстроходных дизелей, не требующего значительных - II - изменений серийного производства и обеспечивающего улучшение экономичности работы дизеля ЯМЗ-238 на 2-3 г/кВт.ч и снижение дымности отработавших газов на 8 единиц по шкале дымомера Харт-ридж. Годовой экономический эффект от внедрения данного направления составит 322,5 тыс.рублей.
Разработана плунжерная пара, создающая предварительное давление топлива в линии нагнетания перед впрыскиванием и обеспечивающая приемлемое протекание внешней скоростной характеристики топливоподачи секции ТНВД с нагнетательным клапаном без разгрузочного пояска.
Использование нагнетательного клапана без разгрузочного пояска с конической уплотняющей поверхностью в выходном сечении седла, нагруженного пружиной малой жесткости позволяет: обеспечить эффективную разгрузку линии нагнетания в широком диапазоне цикловых подач и используемых распылителей без подвпрыскиваний и образования разрывов сплошности топлива; изготовлять узел нагнетательного клапана не прецизионным, а сам клапан взаимозаменяемым; резко сократить объем топлива в штуцере насоса до \/н = = 0,2 см3.
Реализация "результатов работы. Предложенное направление модернизации топливной аппаратуры быстроходных дизелей принято как одно из направлений совершенствования серийно выпускаемых ТНВД дизелей ЯМЗ на ЯЗТА и дизелей КамАЗ на ЯЗДА.
Метод и программа расчета течения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом используется в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых на кафедре "двигатели внутреннего сгорания" Ярославского политехнического института.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения.
Первая глава посвящена анализу основных направлений повышения интенсивности впрыскивания. Отмечены направления, обладающие высокой эффективностью и не требующие значительного изменения производства серийно выпускаемой топливной аппаратуры. Показано, что повышение интенсивности впрыскивания увеличивает склонность топливной аппаратуры к подвпрыскиванию. В этой связи проведен анализ эффективных методов снижения опасности подвпры-скивания.
Приведенные в этой главе данные позволили сформулировать основные задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию клапана без разгрузочного пояска и корректирующей плунжерной пары. Выбрана опытная комплектация секции ТНВД дизеля ЯМЗ-238, обеспечивающая значительное повышение интенсивности впрыскивания по сравнению с исходной комплектацией на всех исследованных режимах и использованных распылителях. Показано, что для детального выяснения механизма разгрузки линии нагнетания клапаном без разгрузочного пояска в сочетании с пружиной малой жесткости необходимо проведение теоретического исследования течения топлива под конусом клапана с целью определения сил, действующих на конус и преіштствующих быстрой посадке клапана на седло.
В третьей главе разработана математическая модель течения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом. Показано, что на конус клапана со стороны топлива действует гидродинамическая поддерживающая сила, величина которой соизмерима с усилием пружины клапана. Исследованы закономерности изменения поддерживающей силы в зависимости от числа ^б потока топлива, - ІЗ - высоты подъема клапана и скорости его посадки на седло. Раскрыт механизм разгрузки линии нагнетания клапаном без разгрузочного пояска в сочетании с пружиной малой жесткости. Показано, что учет поддерживающей силы позволяет более точно моделировать движение нагнетательного клапана без разгрузочного пояска.
В четвертой главе изложены результаты экспериментального исследования работы дизеля 84 13/14 ЯМЗ при установке ТНВД в серийной и опытной комплектации. Показано, что опытная комплектация в сравнении с серийной улучшает экономичность работы двигателя на 2-3 г/кВт.ч при полной нагрузке на номинальном скоростном режиме и режиме максимального крутящего момента без увеличения максимального давления сгорания и "жесткости" работы. Кроме того, работа с ТНВД в опытной комплектации характеризуется меньшей дымностью отработавших газов ( на полной нагрузке на 5-Ю единиц по шкале Хартриджа) по сравнению с ТНВД в серийной комплектации.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Всесоюзной научной конференции в Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте, на 41 и 42 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ, а также на 32 научно-технической конференции Ярославского политехнического института.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 печатные работы, получено I авторское свидетельство, поданы две заявки на предполагаемые изобретения, две статьи сданы в сборник трудов МАДИ.
Данная диссертационная работа выполнена в лаборатории топливной аппаратуры ЯЗТА производственного объединения "Дизелъаппара-тура" и на кафедре "Автотракторные двигатели" Московского автомобильно-дорожного института.
Анализ путей повышения интенсивности впрыскивания
Повысить интенсивность впрыскивания - это значит увеличить скорость топливоподачи и сократить время на его осуществление. Уменьшение времени подачи топлива в камеру сгорания сокращает продолжительность сгорания топлива и повышает термический кпд цикла /23, 54, 74, 107, ИЗ, 130, 135/. Это один из механизмов повышения экономичности работы дизеля за счет тошшвоподающей аппаратуры.
Повышение интенсивности впрыскивания улучшает также и экологические показатели, что подтверждается многочисленными исследованиями, проведенными у нас в стране и за рубежом /30, 31, 33, 72, 97, 126, 128, 130, 133, 134/. Основное влияние на токсичность осуществляется следующим образом. Повышение интенсивности впрыскивания улучшает процесс смесеобразования и сгорания топлива,что снижает дымность отработавших газов. Сокращение времени подачи топлива в камеру сгорания перемещает оптимальный момент начала впрыскивания ближе к ВМТ, что снижает эмиссию окислов азота -основного токсического компонента дизеля /48, 92, 131/.
Добиться сокращения продолжительности впрыскивания можно двумя способами:I) увеличением давления топлива перед распиливающими отверстиями форсунки,
2) увеличением эффективного проходного сечения распылителя.
Увеличение эффективного проходного сечения распылителя снижает мелкость распиливания и способствует чрезмерному увеличению длины струи впрыскиваемого топлива, что неблагоприятно сказывается на процесс смесеобразования. Поэтому, обычно, увеличение эффективного проходного сечения распылителя производят одновременно с увеличением давления подачи топлива. Направления увеличения давления топлива перед распиливающими отверстиями удобно проанализировать с помощью теории гидродинамического расчета процесса впрыскивания /8, 84/. Во время топливоподачи от насоса к форсунке идет непрерывный поток амплитуд кинетической энергии, характеризуемой объёмной скоростью.
Экспериментальная установка и измерительная аппаратура
Для испытания секции ТНВД был использован исследовательский СТеНД фирмы Fridman I Maier , Австрия. общий вид стенда представлен на рис. 2.2.
Стенд оборудован штатными приборами и приспособлениями. Мощность привода 5,5 кВт. Плавное изменение частоты вращения приводного вала стенда осуществляется при помощи гидропривода. Контроль частоты вращения проводился стендовым тахометром.
Комплект измерительной аппаратуры состоял из датчиков давления, перемещения и фотодатчиков, соединительных кабелей, усиливающих и регистрирующих приборов.
Для регистрации перемещения иглы распылителя и нагнетательного клапана применялись индуктивные датчики (рис. 2.3). Тарировка этих датчиков проводилась на специальном приспособлении с помощью микрометрического винта.
Индуктивные датчики перемещения работали в комплекте с универсальной тензометрической станцией УТС I-BT-I2.
В качестве датчиков давления использованы тензодатчики. Тензодатчики для измерения давления топлива у насоса и форсунки (рис. 2.4) обладают линейной характеристикой при изменении давления до 80 МПа.
Регистрация характеристики впрыскивания осуществлялась с помощью датчика закона подачи фирмы "Р.Бош" /104/. Тензодатчик, используемый в чувствительном элементе датчика закона подачи (рис. 2.5), имеет линейную характеристику до 12 МПа.
Для тарировки тензометрических датчиков давления использован гидравлический пресс, укомплектованный манометром до 100 МПа класса точности 1,5. Тензодатчики давления работали в комплекте с 4-х канальным усилителем постоянного тока конструкции ЯЗТА, имеющим полосу пропускания по частоте порядка 30 кГц.
Дифференциальные уравнения движения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом
Для построения математической модели, с помощью гидродинамического расчета /82/ процесса впрыскивания определен режим течения топлива в зазоре между конусом клапана и его седлом после начала отсечки. Число Рейнольдса потока для любого сечения исследуемой области (рис.3.1), вычисленное по гидравлическому диаметру, не превышает 2000. Режим течения в этом случае ламинарный. Исходными уравнениями при теоретическом рассмотрении ламинарного течения являются уравнения неразрывности и уравнение движения вязкой жидкости Навье-Стокса.
После начала отсечки течение топлива под конусом клапана, вообще говоря, неустановившееся. Но,учитывая, что длина исследуемой области не велика ( L 10 мм), сравним собственную частоту колебаний топлива в этой области с максимальной частотой колебания топлива в топливных системах автотракторных дизелей, которая не превышает 2000 Гц /84/.
Экспериментальная установка, исследуемые параметры и оценка величин погрешностей измерений
Обладая одинаковым уровнем интенсивности топливоподачн, ТНВД в комплектащи В и С имеют, практически, одинаковые $уопт Значительным отклонением от указанной закономерности характеризуется скоростной режим- 1000 мин . Здесь оптимальный установочный угол для ТНВД в комплектации В на 5 градусов поворота вала двигателя (ПВД) меньше соответствующего установочного угла ТНВД в комплектации А и С. Проведенные в данном объеме исследования не дают возможности исчерпывающим образом объяснить отмеченное обстоятельство. Однако, предположительной причиной может служить особенность процесса топливоподачн ТНВД в комплектации
При определении оптимального установочного утла для ТНВД в комплектации В на скоростном режиме максимального крутящего момента обнаружено наличие двух оптимальных установочных углов (см.рис.4.2). Один для полной нагрузки двигателя составляет &/0ЛГ= 18 ПВД до ВМТ, другой для 90 % нагрузки 0Уопг= 15 ПВД до ВМТ. При изменении б уот вуот- увеличивается е . Можно отметить, что это увеличение при прочих равных условиях, тем меньше, чем выше интенсивность впрыскивания. Меньшее изменение Qe при изменении &у в окрестности @уопт на скоростных режимах близких к номинальному наблюдается при использовании ТНВД в комплектации В. Кроме того, применение этой комплектации характеризуется наименьшей величиной &%ai, соответствующей минимальному уровню дымности отработавших газов. Так, на номинальном скоростном решже минимальная дымностъ отработавших газов при использовании ТНВД в комплектации А соответствует 6у = 30 ПВД до ВМТ, при использовании ТНВД в комплектации С ( = 27 ПВД до ВМТ, а при установке на двигатель ТНВД в комплектации В О у = 21 ПВД до ВМТ.
Отмеченная особенность дает основание предполагать, что применение ТНВД в комплектации В обеспечит более низкий уровень концентрации окислов азота в отработавших газах дизеля при наименьшей дымности.
Для каждой комплектации ТНВД с выбранными оптимальными установочными углами проведено определеіше параметров двигателя при изменении нагрузки на скоростных режимах tic = 2100, 1300 и 1000 мин . Параметры работы двигателя для номинального скоростного режима и режима максимального крутящего момента приведены на рис. 4.3. Приведенные данные показывают, что повышение интенсивности впрыскивания топлива улучшает экономичность работы дизеля на полной нагрузке на 2-3 г/кВт.ч для обоих скоростных режимов, снижает дымность отработавших газов на 5-Ю единиц по шкале Хартриджа. Сравнивая параметры двигателя при использовании ТНВД в комплектации В и С, можно отметить, что они обеспечивают одинаковый уровень дымности отработавших газов, по экономичности работы комплектация В не уступает комплектации С, а при 10 % перегрузке двигателя несколько превосходит ее.
