Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса, обоснование концепции и постановка задач исследования 12
1.1 Совершенствование конструкций и особенности эксплуатации автотракторных дизелей 12
1.2 Организация смесеобразования и сгорания в малотоксичных и экономичных двигателях 20
1.3 Топливоподающая система как основа обеспечения высоких технико-экономических и экологических показателей дизеля 29
1.4 Программные продукты для расчета и оптимизации рабочего процесса ДВС 53
1.5 Методы и средства диагностирования топливной аппаратуры. 58
1.6 Обоснование концепции, цель и задачи исследования. 67
ГЛАВА 2 Разработка эффективных конструкций топливоподающих систем 15
2.1. Разработка топливоподающих систем, реализующих перспективные требования. 75
2.1.1. Топливоподающая система непосредственного действия с повышенным давлением впрыскивания и электронным управлением. 75
2.1.2. Аккумуляторная ТПС с ЭГФ конструкции БГАУ. 79
2.2. Математические модели для исследования и оптимизации параметров разработанной аккумуляторной топливоподающей системы. 83
2.2.1. Математическая модель гидродинамического процесса в линии «аккумулятор-форсунка». 85
2.2.2. Математическое описание процесса работы аккумуляторной ТПС в линии «ТНВД-аккумулятор». 94
2.3. Оптимизация и численное исследование параметров разработанной аккумуляторной ТПС с электронным управлением. 101
2.3.1, Идентификация математической модели. 101
2.3.2. Численное исследование влияния конструктивных параметров ЭГФ на процесс топливоподачи. 106
2.3.3. Расчет и практическая реализация схемотехнических решений конструкции топливного насоса высокого давления. 122
2.3.4. Расчетное обоснование параметров аккумулятора и нагнетательных трубопроводов разработанной топливоподающей системы. 137
2.3.5. Разработка электронного блока управления топливоподачей. 143
2.4. Экспериментальные безмоторные исследования разработанной топливоподающей системы. 151
2.4.1. Методика экспериментальных исследований, приборы, оборудование и точность измерений. 151
2.4.2. Результаты экспериментальных безмоторных исследований. 160
2.5. Анализ результатов исследований, выводы по 2 главе. 173
ГЛАВА 3. Комплексная оптимизация смесеобразования и топливоподачи для тракторного дизеля. 175
3.1. Выбор объекта исследования и идентификация математической модели. 175
3.2. Оптимизация рабочего процесса дизеля 14 10,5x12 и формирование требований к перспективной топливной аппаратуре. 178
3.3. Конструктивная разработка экспериментальной неразделенной камеры сгорания . 184
3.4. Моторные испытания экспериментального дизеля с опытной топливоподающей системой. 193
3.5. Анализ результатов испытаний, выводы по 3 главе. 205
ГЛАВА 4. Совершенствование методики и разработка средств диагностирования топливной аппаратуры . 206
4.1. Метод функционального безразборного диагностирования топливной аппаратуры и методика распознавания неисправностей ТПС с учетом вероятностного характера возникновения отказов. 206
4.2. Разработка средств и систем оперативного диагностирования топливной аппаратуры 221
4.3. Экспериментальная оценка модели диагностирования топливной аппаратуры и эффективности информационно-измерительного диагностического комплекса. 231
4.4. Технология диагностирования топливоподающих систем дизелей. 245
4.5. Анализ результатов, выводы по 4 главе. 250
ГЛАВА 5. Улучшение эксплуатационных показателей дизелей повышением стабильности топливоподачи . 251
5.1. Методика определения межцикловой неравномерности топливоподачи. 251
5.2. Оценка влияния нестабильности параметров топливоподачи на показатели работы дизеля. 265
5.2.1. Влияние межцикловой неравномерности топливоподачи на технико-экономические показатели дизеля. 265
5.2.2. Обоснование допусковых величин межцикловой неравномерности топливоподачи. 280
5.3. Стабильность топливоподачи в разработанных топливных системах с электронным управлением. 286
5.4. Анализ результатов, выводы по 4 главе. 291
ГЛАВА 6. Практическая реализация и экономическая эффективность результатов исследований . 294
6.1. Внедрение результатов исследования. 294
6.2. Экономический ущерб от воздействия отработавших газов. 297
6.3. Исследование эксплуатационных показателей топливоподающих систем зарубежных автотракторных дизелей 300
Общие выводы 306
Литература 310
Приложения 330
- Топливоподающая система как основа обеспечения высоких технико-экономических и экологических показателей дизеля
- Математическая модель гидродинамического процесса в линии «аккумулятор-форсунка».
- Конструктивная разработка экспериментальной неразделенной камеры сгорания
- Разработка средств и систем оперативного диагностирования топливной аппаратуры
Введение к работе
Улучшение эксплуатационных показателей дизелей в современных условиях достигается путем повышения их литровой и удельной мощности, экономичности и надежности. В последнее время все большее внимание уделяется снижению выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателей.
Наиболее эффективным средством воздействия на рабочий процесс дизеля с целью улучшения эксплуатационных, в том числе экологических показателей, является совершенствование процесса топливоподачи (ТП) и управление этим процессом в соответствии с режимом работы двигателя. Используемые в автотракторных дизелях топливоподающие системы (ТПС) с кулачковым приводом и механическими или электронными регуляторами практически исчерпали резервы оптимизации параметров впрыскивания и не позволяют в полной мере выполнить требования, предъявляемые к топливной аппаратуре (ТА) на современном этапе. Разработка новых ТПС продиктована необходимостью гибкого управления параметрами процесса ТП. Наибольшие возможности для осуществления много факторного управления процессом подачи топлива предоставляют аккумуляторные системы типа Common Rail (CR). Актуальность исследования ТПС с электронным управлением в направлении дальнейшего совершенствования их конструкции и методов оптимизации обусловлена также отсутствием достаточного опыта в этой области. Достаточно остро стоят вопросы исследования взаимного влияния процессов ТП, смесеобразования и сгорания на экономичность и токсичность автотракторных дизелей.
Эксплуатационные показатели дизелей в существенной мере зависят от стабильности конструктивно-регулировочных параметров ТА, определяющих процесс ТП. Существующие технологические процессы, методы диагностирования, оценки и контроля технического состояния элементов ТА и параметров ТП не учитывают в достаточной мере особенностей функционирования современных ТПС, перспективы их развития и совершенствования. В этой связи, весьма актуальным является улучшение эксплуатационных по-
казателей автотракторных дизелей путем совершенствования технологических процессов, методов и средств диагностирования за счет обеспечения их высокой точности, быстродействия и снижения трудоемкости.
Цель работы: научное обоснование и разработка методов и средств улучшения топливно-экономических и экологических показателей работы автотракторных дизелей путем совершенствования процессов топливоподачи и смесеобразования, обеспечения стабильности параметров топливоподаю-щей системы и ее оперативного диагностирования в процессе эксплуатации.
На защиту выносятся:
концепция комплексной оптимизации конструктивных и эксплуатационных параметров дизельного двигателя;
математическая модель аккумуляторной топливоподающей системы типа CR;
методология организации оперативной бортовой диагностической системы топливной аппаратуры;
технология диагностирования ТПС, базирующаяся на разработках оригинальных устройств и средств измерения параметров топливоподачи;
методика оценки межцикловой неравномерности топливоподачи и ее влияния на эксплуатационные показатели работы дизеля.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
концепция улучшения топливно-экономических и экологических показателей автотракторных дизелей, основанная на комплексном подходе к оптимизации смесеобразования, топливоподачи и методологии диагностирования топливоподающей системы в процессе эксплуатации;
комплекс новых научных и технических решений по совершенствованию конструкций и совместной оптимизации топливоподающей системы и камеры сгорания, при реализации которых обеспечивается улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей;
-математическая модель аккумуляторной топливоподающей системы типа Common Rail для расчета и оптимизации ее элементов;
-технология диагностирования ТПС дизелей, разработанная на основе использования предложенных информационно-измерительных диагностических систем, обеспечивающая повышение достоверности диагноза; -методики определения межцикловой неравномерности топливоподачи и оценки ее влияния на эксплуатационные показатели работы дизеля, позволяющие обосновать величину допустимой нестабильности подачи топлива от цикла к циклу.
Новизна предложенных технических и технологических разработок подтверждена пятью патентами РФ и четырьмя свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ.
Практическую ценность работы представляют:
конструкции электронно-управляемых топливоподающих систем, обеспечивающих повышение эксплуатационных показателей работы дизеля;
рекомендации по снижению эмиссии твердых частиц и оксидов азота в отработавших газах дизеля Д-120, включающие обоснованные результатами расчетных и экспериментальных исследований предложения по модернизации конструкции топливоподающей системы и формы камеры сгорания;
разработанные и усовершенствованные современные средства диагностирования и экспериментального исследования процессов топливоподачи с регистрацией и автоматизированной обработкой данных на ЭВМ, выполненные на уровне изобретений и патентов;
алгоритмы, базы данных и пакеты прикладных программ, доведенные до практического использования, позволяющие обеспечить автоматизацию процессов расчетов и диагностирования ТА;
рекомендации по допустимым значениям межцикловой неравномерности топливоподачи.
Связь с планами научных исследований и производством. Отдельные разделы диссертационной работы выполнены в соответствии с федеральной целевой программой «Повышение эксплуатационных показателей топливоподающих систем тракторных дизелей» (№281-3-ЗМ МСХиП РФ
1995...97 гг), республиканской программой «Научные основы создания ресурсосберегающих конструкций, методов эксплуатации и ремонта сельскохозяйственной техники» (№ 164/АН РБ, 1993...2000 г.г), на основе научно-исследовательских работ с ОАО «Ногинский завод топливной аппаратуры», ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий», ЗАО «Башдизельпрецизи-он», ГУСП МТС «Башкирская».
Реализация результатов исследований. Результаты исследований используются на ОАО «Ногинский завод топливной аппаратуры», ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий» и их Уральском филиале ЗАО «Баш-дизельпрецизион».
Технологии диагностирования ТА с использованием разработанного диагностического комплекса внедрены в БошАвтоСервисе «Башдизель», на 487 Центральном авторемонтном заводе РВСН МО РФ, ГУСП МТС «Башкирская», ЗАО МТС «Нива», ЗАО «Зирганская МТС», ОАО «Башсельхоз-техника».
Материалы исследований включены: в учебное пособие «Топливная аппаратура автотракторных двигателей», рекомендованное У МО ВУЗов по агроинженерному образованию для обучения студентов; в монографию «Технологические приемы обеспечения эксплуатационной надежности автотракторных дизелей». Результаты исследований внедрены в учебный процесс МГТУ им. Н.Э. Баумана, Санкт-Петербургского и Башкирского ГАУ.
Методы исследования и достоверность полученных результатов. В основу методов исследования положено сочетание фундаментальных положений теории ДВС, термо- и гидродинамики с результатами экспериментов. Достоверность опытов подтверждается соблюдением требований ГОСТ, использованием современных методов и сертифицированных средств измерений, а так же внедрением разработок автора в производство.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях Башкирского ГАУ (1994...2004г.г.), Оренбургского СХИ (1994 г.), Костромской ГСХА (2002 г.), Челябинского
ГАУ (1997, 2002,2003 г.г.), Ижевской ГСХА (2003 г,); на региональных конференциях в Башкирском ГУ (1997 г.), Уфимском Г АТУ (1999 г.); на научно-технических семинарах стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» в Санкт-Петербургском ГАУ (1997,2000,2002...2004 г.г), «Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ» в Саратовском ГУ (Саратов, 2001,2002 г.г) и «Автоматическое управление и регулирование теплоэнергетических установок» в МГТУ им.Н.Э.Баумана (Москва, 2001, 2003 г.); на международных конференциях «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС» во Владимирском ГУ (Владимир, 2001 г.), «Актуальные вопросы создания топливо подающих систем транспортных дизелей» посвященной 30-летию Ярославского завода дизельной аппаратуры (Ярославль, 2002 г.), «Повышение экологической безопасности автотракторной техники» в Алтайском ГТУ (Барнаул, 2002 г.), «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения» в Южно-Уральском ГУ (Челябинск, 2003 г.) и «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» в Мордовском ГУ (Саранск, 2004 г.).
Отдельные результаты докладывались на Научно-технических советах ОАО «Ногинский завод топливной аппаратуры (1994-2004 г.г.), ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий (2001-2004 г.г.), АО «Алтайский завод топливных насосов (2001,2004 г), в Отелах главного конструктора ОАО «Бар-наултрансмаш» (2001 г.), АО «Алтайдизель» (2001 г.), АО «Владимирский тракторный завод» (2001 г.), Проблемной лаборатории Владимирского НИК-ТИД(2001г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем 340 стр., основного текста - 310 стр., приложений - 10 стр., имеется 155 рисунков, 41 таблица, список литературы из 223 наименований.
Настоящая диссертационная работа — это обобщение теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в 1994...2004 гг. на кафедре
ТиА БГАУ, ТАТ СГТБГАУ, поэтому автор считает необходимым отметить, что оформлению результатов исследования как диссертации во многом способствовали советы и замечания д.т.н. Николаенко А.В. и д.т.н. Габитова И.И. и выражает им искреннюю благодарность. Решение отдельных задач осуществлено совместно с д.т.н. Греховым Л.В., к.т.н. Кулешовым А.С, к.т.н. Ниг-матуллиным Ш.Ф., к.т.н. Гафуровым М.Д. и к.т.н. Галиуллиным P.P.
Топливоподающая система как основа обеспечения высоких технико-экономических и экологических показателей дизеля
Цикловая подача топлива (ЦПТ) непосредственно влияет на полноту сгорания топлива и определяет как экономические, так и экологические показатели дизеля [11,63,163].
Эффективным средством улучшения показателей дизелей в широком диапазоне эксплуатационных режимов работы является обеспечение оптимальных значений коэффициента избытка воздуха а. Наиболее эффективным методом улучшения экологических показателей дизелей является управление тогшивоподачей, позволяющее обеспечить работу дизеля в областях с приемлемыми а, высокой топливной экономичностью и допустимыми экологическими показателями. Поэтому, при определенных условиях в процессе эксплуатации необходимо обеспечить переход дизеля на указанные режимы работы. Это обеспечивается путем реализации рациональных законов управления gu с помощью систем автоматического управления тошшвоподачей.
При работе по внешней характеристике и уменьшении частоты вращения от номинальной до соответствующей максимальному крутящему моменту, из условия обеспечения заданного запаса по крутящему моменту, необходимо соответствующим образом увеличивать подачу топлива. В тракторных дизелях такое увеличение gtx обычно составляет 10,,.35 % [176,177,181]. В частности, в тракторном дизеле СМД-62, увеличение цикловой подачи топлива на кор-ректорном участке составляет 9% (со 108 до 118 мм /цикл), а при формировании корректорного участка в виде гиперболической кривой с Ne=121 кВт — 19% (со 108 до 128 мм3/цикл).
Худшая экономичность и повышенная токсичность ОГ дизеля на участке внешней характеристики с низкими п обусловлены главным образом малыми значениями коэффициента избытка воздуха. Поэтому на этих режимах целе сообразно уменьшать подачу топлива. В автотракторных дизелях такое уменьшение цикловой подачи составляет 20...35% по сравнению с номинальным режимом [93,94,95,181]. Диапазон корректирования топливоподачи на участке отрицательной коррекции зависит от конструктивных особенностей двигателя и степени его форсирования. Чем выше степень форсирования, тем требуется большее уменьшение gq. В частности, при формировании участка отрицательной коррекции уменьшение цикловой подачи составляет 33% (со 108 до 72 мм3/цикл), а в дизеле КамАЗ-7402 цикловая подача уменьшается на 23% (с 81 мм3/цикл при п = 2200 мин"1 до 65 мм3/цикл при n = 1000 мин"1). Отрицательная коррекция позволяет на режиме с п=1000 мин"1 снизить расход топлива на 4,5%, дымность ОГ - на 60% , а также эмиссию оксидов азота и других продуктов неполного сгорания топлива, и уменьшить тепловую напряженность деталей двигателя.
Одним из резервов улучшения топливной экономичности и снижения токсичности ОГ в дизелях, работающих в условиях с неполной нагрузкой, является смещение предельной регуляторнои характеристики. Такое смещение номинального скоростного режима на режим п — 0,62,..0,67 п,10М позволило снизить эксплуатационный расход топлива дизеля СМД-62 трактора Т-150К на транспортных работах на 12...13 % [29].
Снижения расхода топлива и токсичности ОГ в транспортных дизелях можно достичь уменьшением степени неравномерности 8 (наклона предельной регуляторнои характеристики). Современные центробежные регуляторы дизелей обеспечивают 8 = 5...10% [85,108,109]. Применение микропроцессорных САУ позволяет уменьшить 6 до 2...4 % и даже получить астатические (вертикальные) регуляторные характеристики с 5 = 0. При этом режимы с частичной подачей топлива предельной регуляторнои характеристики и режим максимальной частоты вращения холостого хода смещаются в область меньших п и расход топлива уменьшается. Соответственно снижается и токсичность ОГ. С целью оценки влияния типа регулятора на топливно-экономические и динамические показатели МТА Головчук А.Ф. провел дорожные испытания трактора Т-150К. Так, при выполнении трактором транспортных работ эксплуатационный расход топлива с однорежимным регулятором уменьшился на 6...8% по сравнению с всережимным регулятором и зависел от продольного профиля дороги, нагрузки и скорости движения МТА. С однорежимным регулятором обеспечивались более плавное движение на неровных участках дороги и меньшая дымность ОГ\ Отметим, что доля транспортных работ в общем объеме занятости тракторов существенна и доходит до 42...49% для колесных тракторов класса 14кН, до 52% - для тракторов Т-150К, до 39% для К-700 [73].
Для оценки токсичности ОГ дизеля семейства КамАЗ при формировании частичных регуляторных характеристик различной формы Марков В.А. использовал распределения режимов работы, полученные расчетным путем и характеризующие работу двигателя в условиях движения транспортного средства по магистрали (в которых преобладают установившиеся режимы) [109,112]. При использовании всережимных регуляторов вместо двухрежимных увеличивается время работы на режимах внешней скоростной характеристики - с 17,5% до 27,5%, на режимах предельной регуляторной характеристики, наоборот, снижается с 22,5% до 10,0% . Способ регулирования почти не влияет на топливную экономичность, но оказывает заметное влияние на эмиссию оксидов азота. Переход от всережимного регулирования к 2-х и 3-х режимному и гиперболическому снижает эмиссию NOx, соответственно, на 4,8; 4,2; 3,0%, а СНХ - на 1,8; 1,5; 1,2% . Это обусловлено уменьшением доли работы двигателя по внешней скоростной характеристике с высокими температурами сгорания и значительной эмиссией NOx в общем распределении режимов.
Опережение впрыскивания определяет продолжительность и расположение участка сгорания относительно ВМТ поршня и, как следствие, величину удельного эффективного расхода топлива, динамические показатели процесса сгорания и тем самым влияет на ресурс и надежность дизеля [184].
Выбросы наиболее значимых токсичных компонентов ОГ - оксидов азота NOx и продуктов неполного сгорания топлива (СО, СНх, С) в определяющей степени зависят от угла опережения впрыскивания топлива - 6. Это обусловлено тем, что при уменьшении в уменьшаются максимальные температуры сгорания и время, отводимое на процессы окисления продуктов неполного сгорания. Поэтому с уменьшением 0 эмиссия NOx уменьшается, а выбросы СО, СНХ, С, как правило, увеличиваются.
Следует отметить, что существует тесная корреляционная связь между эмиссией NOx с ОГ и топливной экономичностью [115,166]. Любое воздействие на рабочий процесс дизеля с целью снижения эмиссии NOx приводит, как правило, к ухудшению топливной экономичности. По данным работы [68], уменьшение 0 на 10 п.к.в. на номинальном режиме в дизелях с неразделенной КС приводит к снижению содержания NOx в ОГ на 60 % при одновременном ухудшении топливной экономичности на 10% и увеличении выброса сажи на 100%.
Математическая модель гидродинамического процесса в линии «аккумулятор-форсунка».
При подаче напряжения на электромагнит 5 якорь 7 с дозатором 8 перемещаются, открывая каналы в плунжере и разгружая надплунжерную полость от давления. Жиклер 6 при этом ограничивает расход топлива через клапан. За счет разности давлений, создаваемой жиклером 4 в надплунжерной и поды-гольной полостях, игла отрывается от седла распылителя, и происходит впрыскивание топлива. При снятии напряжения с электромагнита 5 под действием пружины дозатор 8 перемещается, закрывая сливной канал надплунжерной полости, где происходит повышение давления. Плунжер 1 совместно с пружиной 9 сажает иглу на седло распылителя и впрыскивание топлива прекращается. Топливо, сливающее из надплунжерной полости, отводится в бак через штуцер 3,
Форсунка по данной схеме охвачена отрицательной обратной связью и обеспечивает минимум расхода на управление при любых подъемах клапана. Применение золотникового запорного элемента позволяет гидравлически разгрузить клапанный узел и, соответственно, снизить усилие электромагнита. За счет эффекта обратной связи обеспечивается быстрая посадка иглы распылителя на седло. Одним из выявленных в процессе исследования недостатков описанной электрогидравлической форсунки является повышенная межцикловая неравномерность подачи топлива в цилиндр, вследствие отсутствия выхода иглы распылителя на упор в процессе впрыскивания.
Для уменьшения межцикловой неравномерности подачи топлива в цилиндр штанга 10 и плунжер 1 форсунки были выполнены раздельными, при этом штанга снабжена ограничителем хода, а под плунжер установлена пружина.
Такая конструкция позволяет игле распылителя останавливаться при впрыскивании топлива за счет чего зазор между ней и посадочным седлом остается постоянным, что обеспечивает уменьшение межцикловой неравномерности подачи топлива в цилиндр.
Для повышения быстродействия запорного элемента форсунки нами были разработаны различные конструкции электромагнитов и ограничителей хода его якоря. К примеру, предложена конструкция электрогидроуправляе-мой форсунки у которой обмотка электромагнита размещается на подвижном якоре [128]. Такая конструкция позволяет использовать плунжер форсунки в качестве якоря соленоидного типа, за счет чего существенно повышается усилие его страгивания и, следовательно, быстродействие системы.
Таким образом, в соответствии с задачами исследования разработана экспериментальная аккумуляторная топливоподающая система с электрогид-роуправляемыми форсунками оригинальной конструкции, позволяющая управлять параметрами топливоподачи в широких пределах и обеспечивать оптимальные для дизеля давление, продолжительность и закон впрыскивания топлива.
Для повышения быстродействия процессов в линии высокого давления, минимизации расхода топлива на управление и формирования заданных закона, среднего Рвпр и максимального давлений впрыскивания топлива необходимо оптимизировать основные конструктивные показатели ЭГФ и аккумуляторной ТПС в целом.
Достигнутая к настоящему времени высокая точность расчетных методов исследования позволяет применять их для оптимизации гидромеханических систем топливной аппаратуры. При этом проверка степени адекватности математической модели реальным процессам, происходящим при работе ТПА с ЭГФ, может осуществляться сравнением расчетных и экспериментальных характеристик впрыскивания.
Для расчета процессов в опытной аккумуляторной системе CR разработаны математические модели на основе гидродинамического расчета, предложенного И.В.Астаховым-Л.Н.Голубковым и развитого далее Л.В.Греховым, с использованием уравнений движения и неразрывности одномерного нестационарного потока сжимаемой жидкости в трубопроводе, уравнений баланса топлива и движения элементов системы [10,52].
При математическом описании процессов, происходящих в линии высокого давления (ЛВД) ТПА рассматривалась как совокупность характерных элементов: полостей, акустически длинных гидравлических связей (каналов, трубопроводов), регулирующих элементов типа жиклера, клапанов, золотников, гидропоршней (плунжеров) и т.д. Это ведет к некоторому отличию реальной схемы от расчетной, (например, короткие каналы интерпретируются не трубопроводами, а полостями), но позволяет значительно упростить расчеты: снизить время счета, улучшить устойчивость счета, упростить алгоритм и подготовку исходных данных.
В то же время при расчетах учитывались такие факторы, как тепловые эффекты, двухфазность, трение в условиях нестационарности, динамические явления в приводе, разночтения в оценке упругих свойств топлив и др.
Кроме указанных, в математической модели ТПА использовались некоторые допущения, являющиеся общепринятыми. Так, при рассмотрении процессов в трубопроводах пренебрегали трехмерностью течения при изгибе труб, наличием участка стабилизации течения после местных сопротивлений, снижением скорости звука под действием гидродинамического трения, при использовании решения Д Аламбера — непостоянством скорости звука при изменении давления и наличием неизотермичности.
При рассмотрении процессов в полостях допускали объединение нескольких полостей, пренебрегали наличием динамического напора, неизотер-мичностью. При истечении топлива через узости использовали уравнения расхода через дросселирующие сечения, полученные для несжимаемой жидкости. Жиклеры, клапаны, золотники и т.п. рассматривали как местные сопротивления, для описания их гидравлических свойств использовали коэффициенты расхода, значения которых получены экспериментально. Течение в клапанах, особенно в тонких слоях топлива, описывали в одномерной постановке, не учитывая вторичные течения или пространственные эффекты. Для компенсации этого при посадке и подъеме клапанов вводили фиктивную демпфирующую силу, отражающую сопротивление движению элемента от выдавливаемого из зазора топлива. Трение в клапанах, золотниках не учитывали, а свойства топлив описывали эмпирическими зависимостями.
Конструктивная разработка экспериментальной неразделенной камеры сгорания
Целью моторных исследований является проверка результатов теоретических исследований, практическое изучение закономерностей и процессов, происходящих в дизельном двигателе с аккумуляторной топливоподающей системой и выявление факторов, наиболее существенно влияющих на технико-экономические и экологические показатели работы дизеля.
В соответствии с поставленными задачами и результатами теоретических оптимизационных расчетов были проведены доводочные испытания разработанной аккумуляторной ТПС, изготовлены оригинальные конструкции поршня с «-образной камерой сгорания и модернизирован опытный дизель Д-120.
Для моторных испытаний (ГОСТ 18509-88) [50] была собрана опытная установка на базе электрического тормозно-обкаточного стенда КИ-5527-ГОСНИТИ (рис.3.13), оборудованного одноцилиндровой секцией четырехтактного дизеля воздушного охлаждения Д-120 производства Владимирского тракторного завода. При этом форсунка второго цилиндра вместе со свечой накала были демонтированы, газораспределительный механизм второго цилиндра отключен, вследствие чего обеспечивалось снижение механических потерь в двигателе и отсутствие влияния волновых явлений во впускном и выпускном трубопроводах на измеряемые величины.
Такая организация экспериментальных исследований связана с известной специалистам проблемой выявления и обеспечения идентичности цикловых подач топлива по цилиндрам, которая возникает вследствие технологических и конструктивных отклонений в процессе изготовления опытных вариантов ЭГФ. Так, при равной продолжительности импульса, подаваемого блоком управления на два опытных образца ЭГФ, разница в количестве впрыскиваемого топлива на некоторых режимах достигала 9fi%, В этой связи было принято решение провести сравнительные испытания на одноцилиндровой установке. Экспериментальные моторные исследования проводились в двух вариантах исполнения опытной установки. В первом варианте конструкция камеры сгорания (КС) и ТПС соответствовала базовому исполнению. В ТНВД, для обеспечения заданной цикловой подачи топлива, предусмотривалась возможность фиксации рейки, подача топлива во второй цилиндр была отключена на всех режимах работы путем выполнения специальной канавки на плунжере ТНВД. Угол опережения впрыскивания топлива соответствовал заданному заводом-изготовителем значению 0=16 град.п.к.в. до ВМТ.
Во второй вариант конструкции опытной установки были внесены следующие изменения: - установлен поршень с опытной камерой сгорания №2 (рис.3.14); - увеличена до є=22 степень сжатия; - установлена экспериментальная аккумуляторная топливоподающая система с ЭГФ и 4-х сопловым распылителем, согласно табл.3.5; - угол опережения впрыскивания топлива соответствовал 0 = 6,4 град.п.к.в. Принятые программы и методы стендовых испытаний соответствовали ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний» [50]. При испытании опытной установки на тормозно-обкаточном стенде в качестве оценочных были приняты следующие показатели работы дизеля: крутящий момент, эффективные мощность и удельный расход топлива, коэффициент избытка воздуха, температура отработавших газов, максимальное давление и "жесткость" сгорания. Для оценки показателей в процессе исследований измерялись: нагрузка на валу тормоза; частота вращения вала тормоза; секундные расходы топлива и воздуха; температура отработавших газов; давление газов в цилиндре дизеля. Исследование показателей рабочего цикла проводили в соответствии с п.5.1.6. ГОСТ 18509-88. Перед началом и в конце испытаний проводилась тарировка датчиков и другой измерительной аппаратуры по общепринятым правилам. При этом учитывалось, что тензометрическая аппаратура позволяет проводить статическую тарировку [49,181]. Тарировку датчиков давлений у штуцера форсунки и газов в камере сгорания дизеля производили путем создания давления прибором КИ-562. Величина давления регистрировалась при этом по образцовому манометру класса точности 0,3 (ГОСТ 6521-60). При тарировке через определенные интервалы давления в память компьютера заносились значения измеряемой величины. Используя эти данные строилась градуировочная характеристика. Тарировочные графики снимались для 6-8 случаев повышения давления. Изменение конструкции ТПС существенно повлияло на показатели процесса впрыскивания по сравнению с серийным топливным насосом. Ввиду невозможности непосредственного измерения величины цикловых подач в процессе моторных испытаний, предварительно была составлена тарировочная зависимость количества впрыскиваемого в камеру сгорания топлива от продолжительности импульса, подаваемого блоком управления на ЭГФ. При моторных исследованиях дизеля необходимая величина средней цикловой подачи устанавливалась в соответствии с данными тарировочного графика. Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась на персональном компьютере при помощи специализированной программы по обработке сигналов «РОС» научно-производственного предприятия «Мера». Крутящий момент двигателя определяли по показаниям весового механизма стенда, полная шкала которого составляет 45 кгс (с интервалом деления 0,5 кгс). Расход топлива замерялся весовым способом (ГОСТ 5072-79) с помощью весов ВНЦ (цена деления 2 г.), а время расхода - секундомером с ценой деления 0,2 с. Расход воздуха определялся ротационным счетчиком газа РГ-250-1-1,5 (ГОСТ 8324-78). Температура отработавших газов определялась никель-кобальтовой термопарой типа НК-СА с пределами измерений ЗОО..ЛОООС расположенной в выпускном коллекторе двигателя и регистрировалась микровольтметром МК-62. Расчет значений эффективных мощности и удельного расхода топлива, коэффициентов избытка воздуха и наполнения производился по ГОСТ 18509-80. Частота вращения коленчатого вала при настройке и контроле определялась штатными приборами стендов, а при измерениях дополнительно контролировалась тахометром типа ТЧ 10-Р с ценой деления 10 мин 1 (ГОСТ 21339-82), При осциллографировании процесса топливоподачи и рабочего процесса двигателя были использованы электрические методы измерения. Датчик давления газов в цилиндре двигателя имел оригинальную конструкцию (рис.3.15) и устанавливался в стакане переходника, ввернутого в отверстие головки блока цилиндра двигателя, предназначенное для свечи накала, что позволяло разместить чувствительную мембрану исключая соединительные каналы с камерой сгорания.
Разработка средств и систем оперативного диагностирования топливной аппаратуры
Для практической реализации разработанных методов оперативной безразборной диагностики ТПС были проведены исследования по разработке и созданию устройства обеспечивающего необходимую точность и быстроту измерения, снижающую трудоемкость проведения этого процесса и позволяющую получать на выходе данные, не требующие дальнейших пересчетов.
Проведенный анализ подобных существующих устройств выявил целесообразность использования в качестве основного и управляющего звена над всеми процессами сбора и обработки информации современных электронных технических средств (усилителей, преобразователей и компьютеров).
На основе теоретического анализа было разработано оригинальное устройство для измерения последовательных цикловых подач топлива [144] (патент № 2059870, F 02М 65/00, RU). Оно отличается более высокой точностью измерений за счет возможности создания регулируемого противодавления впрыскиванию и на этой основе приближения безмоторных испытаний к реальным условиям эксплуатации.
Разработанное устройство (рис.4.12) включает в себя систему управления I, датчик цикловых подач топлива II и регулятор давления III, работающие совместно с персональным компьютером и стендом для регулировки дизельной топливной аппаратуры. В качестве прототипа датчика цикловой подачи топлива были приняты устройства БГАУ [12] и фирмы "R.Bosch" [149]. Датчик II содержит камеру впрыскивания 1, тде установлена форсунка 2 исследуемой системы топливоподачи, плунжер 3, заплунжерную полость 4 и индуктивный датчик 5. Заплунжерная полость 4 соединена через регулятор давления III с подкачивающим насосом 7, содержащим перепускной клапан 8. Регулятор давления III включает в себя плунжер 9, пружину 10 и регулировочный винт 11. Система управления I состоит из усилителя 16, электрически соединенного с выходом измерительного датчика 5 и одним входом аналого-цифрового преобразователя 12, имеющего двухстороннюю связь с компьютером 13. Другой вход аналого-цифрового преобразователя 12 соединен с датчиком 15 импульсов, вырабатывающим сигнал в установленный момент времени после впрыскивания топлива. Выход аналого-цифрового преобразователя 12 связан с электромагнитным клапаном 6 сливного канала. Такая конструкция датчика цикловой подачи обеспечивает впрыскивание топлива в среду, находящуюся под давлением, равным среднему давлению газов в камере сгорания дизеля, что повышает точность измерения и максимально приближает безмоторные испытания к реальным условиям эксплуатации. В исходном состоянии топливо от подкачивающего насоса 7 через регулятор давления заполняет заплунжерную полость 4 до тех пор, пока давление в ней не достигнет величины, установленной регулировочным винтом 11. После этого плунжер 9 переместится вниз, перекрывая дальнейшую подачу топлива. Излишки топлива, впрыскиваемого форсункой 2 и поступающего от подкачивающего насоса 7, сбрасываются через соответствующие электромагнитный 6 и перепускной 8 клапаны. В компьютер 13 введена специализированная программа управления измерением и обработки информации. После ввода оператором команды на начало измерения компьютер 13, через аналого-цифровой преобразователь 12, закрывает клапан 6 сливного канала, одновременно устанавливая готовность аналого-цифрового преобразователя 12 к началу работы и начинает отсчет заданного количества измеряемых циклов по числу синхронизирующих импульсов от датчика 15. Впрыснутое в объем 1 форсункой 2 топливо перемещает плунжер 3. Индуктивный преобразователь 5 преобразовывает перемещение плунжера 3 в аналоговый электрический сигнал, который через усилитель 16, в виде напряжения, подается на один вход аналого-цифрового преобразователя 12. После обработки полученное дискретное значение засылается в память компьютера 13. В процессе впрыскивания топлива плунжер 3 перемещается, повышая давление в заплунжернои полости 4. Вследствие чего плунжер 9 регулятора давления также перемещается открывая сливной канал, через который удаляются излишки топлива. Как только давление в заплунжернои полости 4 достигнет заданной величины, под действием пружины 10 плунжер 9 вновь перекроет сливной канал, тем самым поддерживая давление топлива в заплунжернои полости 4, а, следовательно, и в камере 1 впрыскивания, под давлением, установленным при помощи регулировочного винта 11. Количество измеряемых цикловых подач определяется объемом камеры впрыскивания 1, при заполнении которой сливной клапан 6 открывается и топливо вытесняется плунжером 3 на слив под действием давления в заплунжернои полости 4. После окончания цикла измерения последовательных цикловых подач оператор вводит в компьютер 13 команду на начало расчета значений средней цикловой подачи gacp, среднеквадратического отклонения а и межцикловой неравномерности топливоподачи б.
