Содержание к диссертации
Введение
Глава I Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Эффективные направления улучшения показателей базовых моделей тракторных дизелей 9
1.2 Организация смесеобразования и камеры сгорания в перспективных дизелях 15
1.3 Формирование характеристик впрыскивания 24
1.3.1 Электрогидроуправляемая форсунка 29
1.3.2 Электронный блок управления 41
1.4 Выводы и задачи исследований 43
Глава II Расчетно-теоретическии анализ смесеобразования и топливоподачи тракторного дизеля Д-120 45
2Л Выбор объекта исследования и идентификация математической модели. 45
2.2 Оптимизация рабочего процесса дизеля 48
2.3 Конструктивная разработка экспериментальной неразделенной камеры сгорания применительно к АТС тракторного дизеля 55
2.4 Выводы по главе II 64
Глава III Разработка электрогидроуправляемой форсунки и электронного блока управления 65
3.1 Разработка электрогидроуправляемой форсунки 65
3.1.1 Расчет электромагнита ЭГФ 66
3.2 Разработка электронного блока управления ЭГФ 70
3.3 Выводы по главе Ш 83
Глава IV Методика проведения экспериментов .' 84
4.1 Общая методика исследований 84
4.2 Стенды, приборы и аппаратура 84
4.3 Обработка экспериментальных данных, оценка погрешностей измерений 95
Глава V Экспериментальные исследования 98
5.1 Безмоторные исследования экспериментальной топливо подающей системы типа Common Rail 98
5.2 Моторные испытания экспериментального дизеля с аккумуляторной топливоподающей системой 102
5.3 Выводы по главе V 107
Глава VI Оценка экономической эффективности 109
Общие выводы 111
Библиография
- Эффективные направления улучшения показателей базовых моделей тракторных дизелей
- Электрогидроуправляемая форсунка
- Конструктивная разработка экспериментальной неразделенной камеры сгорания применительно к АТС тракторного дизеля
- Обработка экспериментальных данных, оценка погрешностей измерений
Введение к работе
В последнее десятилетие развитие автотракторного дизелестроения в большой степени стало определяться постоянно ужесточаемыми законодательными нормами на дымность, токсичность отработавших газов, уровень шума и стремлением к повышению топливной экономичности.
Вредные выбросы автотракторных двигателей сокращают урожайность, снижают качество сельскохозяйственных культур и приводят к серьезным заболеваниям сельскохозяйственных животных. Поэтому наряду с улучшением экономических показателей дизельных двигателей снижение токсичности их отработавших газов становится важнейшей проблемой.
Вместе с тем, проектирование и производство новых дизелей требует огромных затрат. В этой связи представляет интерес решение указанных проблем на основе модернизации базовых дизелей.
Улучшение экологических показателей дизелей возможно различными методами, в частности, позволяющими очищать ОГ и совершенствовать рабочий процесс таким образом, чтобы предотвратить образование в камере сгорания повышенных концентраций токсичных компонентов.
Наиболее эффективным средством воздействия на рабочий процесс дизеля с целью улучшения экологических, в том числе эксплуатационных показателей, является совершенствование процесса топливоподачи в комплексе со смесеобразованием и управление этим процессом в соответствии с режимом работы двигателя.
Используемые в автотракторных дизелях то пли во подающие системы 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 на современном этапе. Эти требования не в полной мере удовлетворяются даже отдельной разработкой новых ТПС с гибким управлением параметрами топливоподачи. Достижение требуемых показателей дизелей может вестись на основе разработки новых ТПС с электронным управлением топливоподачей в сочетании с организацией смесеобразования в камере сгорания. Наибольшие возможности для осуществления многофакторного управления процессом подачи топлива предоставляют аккумуляторные системы типа Common Rail. 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.
В связи с этим, настоящая работа, посвященная улучшению показателей тракторного дизеля совершенствованием топливоподачи и смесеобразования, является весьма актуальной.
Цель работы: Улучшение показателей тракторного дизеля совершенствованием процессов топливоподачи и смесеобразования путем комплексной модернизации электрогидроуправляемой форсунки аккумуляторной топливной системы и камеры сгорания.
Эффективные направления улучшения показателей базовых моделей тракторных дизелей
В настоящее время ДВС являются основной энергетической установкой автомобилей, самоходных сельскохозяйственных машин и тракторов. По отечественным и зарубежным прогнозам, в силу своих особых положительных качеств это положение сохранится в обозримом будущем, однако показатели дизелей будут изменяться [30, 58, 64, 95],
В современных условиях к показателям работы дизелей предъявляется целый комплекс достаточно жестких требований, среди которых приоритетными считаются топливная экономичность и токсичность отработавших газов [54, 63]. Так, например, с апреля 2006 года в России ожидается введение норм токсичных выбросов с ОГ дизелей EURO-2, а в 2006-2009 гг. в Европе -EURO-5, по которым нормы выбросов NOx уменьшены в 9 раз по сравнению с 1989 годом, нормы СНХ и твердых частиц - в 7 раз [39].
Наряду с проблемой улучшения показателей дизелей на этапе конструирования, все более актуальной становится задача контроля выбросов ОГ в процессе эксплуатации. Объясняется это тем, что в процессе эксплуатации из-за нарушения показателей работы, в частности топливной аппаратуры, выбросы вредных веществ с ОГ могут существенно превышать допустимые (заявленные заводом-изготовителем) нормы. Так, например, для дизеля Д-120 (2 Ч 10,5/12,0) производства Владимирского тракторного завода, имеющего комплектацию и регулировки, соответствующие наилучшей топливной экономичности, удельные выбросы составляют: е 0х=\7,5, еСо=Ю,2, еСнх=0,5 г/(кВт-ч) [63], что не удовлетворяет требованиям европейских стандартов.
Специфическая особенность условий эксплуатации тракторных дизелей сельскохозяйственного назначения - неустановившийся характер нагрузок.
По данным Е.Л. Козмодемьянова, тракторные дизели до 90% общего времени работают на режимах переменных моментов сопротивления. По данным кафедры ЭМТП СИМСХ на основных сельскохозяйственных операциях 80% времени двигатель трактора работает с нагрузкой, близкой к номинальной, 13%-на холостом режиме и 7%-на режиме малого газа [52].
В этой связи широкие диапазоны изменения частоты вращения коленчатого вала и нагрузка на двигатель повышают требования к гибкости регулирования параметров, характеризующих качество процесса топливоподачи.
По данным Одесской научно-исследовательской станции НАТИ, тяговые усилия на крюке трактора в агрегате с различными сельскохозяйственными орудиями изменяются по закону Гауе с а-Лапласа и колеблются в весьма широких пределах. Например, частотный спектр тягового сопротивления плуга изменяется от 0 доЮ Гц с выраженными максимумами дисперсии в пределах частот от 0...0,75 Гц и 2,5...4,0 Гц. В зоне частот 0,75...2,5 Гц дисперсии примерно постоянны, а при частотах больше 4 Гц они уменьшаются [50].
Для тракторных агрегатов степень неравномерности нагрузки колеблется от 0,12 до 0,35; при этом нагрузка изменяется по амплитуде и частоте. В работе [41] отмечается, что период колебаний тягового сопротивления при изменении скорости движения от 4,8 до7,3 км/ч изменяется от 0,303 до 0,22 с, частота его колебаний - от 3,3 до 4,55 цикл/с, степень неравномерности - от 0,2 до 0,162. По данным Шкарлета А.Ф, при вспашке многолетней залежи тяговое усилие трактора МТЗ от средней величины 5,34 кН колебалось от +95 до -55%, на 150%; среднеквадратическое отклонение составляло ЮЗкН, степень неравномерности - 1,5.
Такой характер нагрузки, как правило, вызывает снижение мощности, экономичности и ухудшение экологических показателей тракторного дизеля. Неустановившийся характер нагрузки существенно влияет на скоростной режим двигателя, вызывая колебание частоты вращения коленчатого вала, что приводит к снижению скорости движения и производительности .машинно-тракторного агрегата. При неравномерной нагрузке от двигателя МТА нельзя получить .мощность, равную максимальной мощности при равномерной нагрузке. Основная причина ухудшения показателей двигателя - нарушение соотношений цикловой подачи и воздушного заряда.
Существенное ухудшение мощностных и топливно-экономичсских показателей дизелей объясняется, в первую очередь, изменением технического состояния элементов топливоподающих систем и параметров топливоподачи и в меньшей степени зависит от износа двигателя. Так, проведенная исследователями [44,76] стендовая проверка двигателей 8413/14 после длительной эксплуатации показала, что мощность и топливная экономичность понижена, а дымность ОГ повышена. При установке на двигатели контрольных комплектов ТА максимальное снижение мощности (по сравнению с новым) составило 5%, а увеличение удельного расхода топлива - не более 4% [45]. После регулировки ТА мощностные показатели дизелей были, как правило, не хуже, чем при работе с контрольной. При этом даже у двигателей с нормально отрегулированной ТА и большим износом деталей цилиндро-поршневой группы не отмечалось падения мощностных и экономических показателей более чем на 5%
Экспериментальными исследованиями установлено, что в связи с ухудшением топливоподачи и воздухоснабжения тракторного дизеля без наддува в неустановившихся режимах работы, неравномерность среднего индикаторного давления по цилиндрам достигает 30% (в соответствующих установившихся - 10%), понижение топливной экономичности составляет 10...15%. При некоторых режимах уменьшение цикловой подачи составляет 20...40% [44, 77, 78].
В связи с тем, что характер изменения крутящего момента в наибольшей степени определяется изменением цикловой подачи, в процессе эксплуатации топливная аппаратура должна обеспечивать установленное производителем соответствие цикловой подачи скоростному и нагрузочному режимам работы дизеля.
В результате введения более жестких нормативов по выбросам ВВ с ОГ наблюдается несоответствие нормативным требованиям показателей токсичности дизелей, поставленных ранее на производство. В этом случае улучшение технико-экономических и экологических показателей может обеспечиваться модернизацией двигателя на основе использования более совершенных конструкций отдельных узлов и агрегатов, определяющих качество рабочего процесса, в частности топливной аппаратуры. При этом в базовой модели дизеля совершенствуются конструкции одного или нескольких узлов (агрегатов) в комплексе, т.е. при модернизации они рассматриваются в совокупности друг с другом для обеспечения наибольшего экономического и экологического эффекта.
Электрогидроуправляемая форсунка
Наиболее сложным элементом аккумуляторной топливоподающей системы является электрогидроуправляемая форсунка. По типу привода ЭГФ можно разделить на два вида: 1) С электромагнитным приводом; 2) С пьезоприводом,
Пьезопривод для системы Common Rail имеет следующие достоинства [35]: высокое силовое воздействие и, как следствие, высокие динамические качества электроклапана; отсутствует ток удержания в открытом состоянии; высокий КПД (минимум - 70%, удержания - 100%); малый нагрев.
В таблице 1.2 приведены сравнительные данные по стабильности подач ЭГФ с электромагнитным и пьезоприводом клапана.
К недостаткам пьезопривода можно отнести высокое управляющее напряжение, усложненная конструкция исполнительного механизма, высокая температурная деформация, например, коэффициент температурного расширения отечественной пьезокерамики на основе титоната-цирконата свинца порядка 2,5 10 3 1/градус. [82].
Для тракторного дизеля, частота вращения которого меньше чем у автомобильных двигателей, целесообразно применять ЭГФ с электромагнитным приводом, что снижает себестоимость изготовления форсунки и электронного блока управления.
По способу управления иглой ЭГФ делятся на: 1) ЭГФ с сервомеханизмом (мультипликатором) управления иглой; 2) ЭГФ с непосредственным управлением иглой.
Влияние мультипликатора иглы сводится к увеличению запирающего усилия при том же давлении в камере управления и, таким образом, ускорению закрытия иглы. Даже с учетом утяжеления движущихся с иглой масс, увеличивается быстродействие ЭГФ. Усилением механического запирания иглы нельзя получить такую же эффективную конструкцию, как с мультипликатором, а при малых усилиях (Рфо 12 МПа) работа ЭГФ становится неустойчивой (таблица 1.3) [39].
Имеется оптимальная величина сімульт, после превышения которой из-за медленного начала процесса подачи падает среднее давление впрыскивания, увеличивается время подачи и расход на управление (рисунок 1.8). Слева кривые граничат с областью неустойчивости, обычно там же достигаются лучшие результаты по Р«„Р и gw (на рисунке 1.8 при dMy,lbl. 4,1...4,2 мм). В качестве управляющего элемента в ЭГФ применяют клапаны и золотники различных конструкций.
Наибольшее распространение в настоящее время получили электрогид-роуправляемые форсунки с шариковым запорным клапаном [4], конструкция одной из которых представлена на рисунке 1.9 и с цилиндрическими золотниками.
В процессе работы топливо от аккумулятора подается через штуцер 5 с встроенным щелевым фильтром в надплунжерную и подыгольную полости форсунки. Под действием пружины и разницы усилий давления (вследствие различной площади воздействия) игла распылителя закрыта. В момент подачи электрического сигнала якорь 4 притягивается к электромагниту 3, открывая слив топлива из надплунжернои полости. Давление в ней резко падает, чему способствует жиклер, установленный на входе в полость. При этом игла 9 поднимается и начинается впрыскивание топлива. Длительность сигнала и величина давления в аккумуляторе определяет количество впрыскиваемого топлива. При обесточивании электромагнита 3 сливной канал запирается шариковым клапаном 6, давление в надплунжернои полости возрастает, в результате чего игла 9 распылителя садится на седло, прекращая впрыскивание топлива.
Недостатком данной конструкции форсунок фирмы Bosch с шариковым запорным клапаном является большое противодавление шариковому клапану при посадке на седло, а также повышенные утечки топлива в нем, что снижает давление впрыскивания. Кроме того сливной канал шарикового кла пана закрывается торцом плунжера только на последних десятках микрон хода иглы, в результате чего расход топлива на управление форсункой составляет довольно существенную долю от топлива, поступаемого от аккумулятора. Это ведет к увеличению габаритов и мощности ТНВД, так, например, для дизеля ОМ611 с топливным насосом VP-44 затраты мощности двигателя на привод ТНВД на номинальном режиме работы составляют 2,5 кВт, а этого же дизеля с аккумуляторной системой Common Rail - 3,8 кВт.
По сравнению с шариковым клапаном, золотник требует минимального усилия электропривода, имеет большие сечения, может иметь меньшую массу группы движущихся деталей. Однако золотник требует большего рабочего хода, с ним труднее добиться монотонной характеристики g, = /(гг,_„,„к). Известно мнение, что из-за отклонений и роста зазора в золотнике быстро ухудшаются показатели ЭГФ и даже утрачивается ее работоспособность. Не критичное ухудшение работы ЭГФ можно допустить при зазоре до 4 мкм (рисунок 1.10), т.е. диаметральном зазоре 8 мкм. Это вполне достаточно в рамках технологии производства ТПА. Другая проблема - в неидентичности таких форсунок для многоцилиндрового дизеля.
Конструктивная разработка экспериментальной неразделенной камеры сгорания применительно к АТС тракторного дизеля
Для дальнейшего снижения расхода топлива и эмиссии твердых частиц необходимо изменить форму камеры сгорания и направленность сопел таким образом, чтобы обеспечить топливным струям большую свободу для развития, что позволит увеличить скорость тепловыделения на участке догорания.
Дальнейшие исследования проводились в направлении совершенствования формы камеры сгорания в поршне и оптимизации ориентации топливных струй. Учитывалось изменение интенсивности вихря вследствие изменения диаметра камеры сгорания и надпоршневого зазора. Базовая Опытная № 1 Опытная № 2 Рисунок 2.6 Исследованные профили камер сгорания.
Вопрос выбора оптимальной формы камеры сгорания решался методом перебора результатов серий оптимизационных исследований проведенных для разных камер сгорания. Каждая из камер формировалась методом экспертной оценки (рисунок 2.6), для каждой из них ориентация топливных струй выбиралась таким образом, чтобы струи в своем развитии не мешали друг другу. Для этого использовалась программа Fuel Jet Visualization.
Решение вопроса рациональной ориентации топливных струй на этапе проектирования камеры сгорания позволило снизить число независимых переменных оптимального поиска. Эскиз камер сгорания с характерными размерами и системой задания ориентации топливных струй для 3-х и 4-х соплового распылителей представлены в таблице 2.5 и на рисунке 2.7.
Надпоршневой зазор hdr вычисляется исходя из объема камеры сгорания и заданной степени сжатия. Из тенденций развития дизелестроения известно, что увеличение степени сжатия позитивно сказывается на уменьшении выбросов вредных веществ, однако количественный выбор этого параметра требует определенного обоснования, поэтому она включена в вектор независимых переменных. В настоящей работе ограничения на область изменения є обусловлены требованием обеспечения минимального надпоршневого зазора в 1 мм для каждой камеры сгорания.
Результаты, полученные путем оптимизации параметров ДВС с опытной камерой №1, представлены в таблице 2.6.
Из анализа таблицы 2.6 следует, что для камеры в поршне №1 и 3-х соплового распылителя наилучшие результаты можно получить с характеристикой впрыскивания № 1 (сочетания № 23 и № 26). Интерполируя эти параметры, и вновь рассчитывая рабочий процесс, получим вариант а (таблица 2.7).
Для 4-х соплового распылителя наилучшими вариантами будут №33 и №34, соответствующие также характеристике впрыскивания №1. После интерполяции и пересчета получим (вариант 6): Сочетание № 35 с характеристикой №1 показало также низкое значение функции цели (вариант с).
Сравнение полученных вариантов расчета в координатах РМ (NOx) представлено на рисунке 2.8. Исходя из анализа кривых, а также в силу технологических причин варианты а и Ь представляется более предпочтительным из-за большего диаметра сопловых отверстий и более близкого расположения к "опорной" точке (требованиям Euro-2 для автомобильных дизелей).
Эмиссия твердых частиц и оксидов азота при разных величинах угла опережения впрыскивания для двигателя Д-120 с опытной КС № 1: a) распылитель 3 / 0,213; хар-ка впрыска №1; є— 22,0; фвпр = 23 град.п.к.в.; b) распылитель 4 / 0,205; хар-ка впрыска №1; в = 22,1; фтр = 19 град, п.к.в.; c) распылитель 4 / 0,198; хар-ка впрыска №1; =22,1; фвпр — 20,3 град, п.к.в.; d) базовая комплектация: распылитель 3 / 0,3; є= 16; ф(тр = 19,1 град, п.к.в. 6.о
Конфигурация развития струй и их пристеночных потоков, а также скорость тепловыделения для этих вариантов представлены на рисунке 2.9.
Анализ конфигурации развития струй топлива показывает, что в камере сгорания остается еще достаточно свободного места fie занятого пристеночными потоками. Причем это относится как к 3-х сопловому, так и к 4-х сопловому распылителям. Это свидетельствует о том, что данная камера сгорания имеет резервы для увеличения цикловой подачи топлива, т.е. форсирования двигателя путем наддува.
Обработка экспериментальных данных, оценка погрешностей измерений
Комплекс состоит из ПЭВМ Pentium II, крейтовой системы LTC (модульная система сбора и обработки данных с программным обеспечением) и ряда преобразователей. Крейтовая система включает в себя коммутатор LC-101, модуль для тензопреобразователей LC-210, модуль для термопреобразователей LC-104, усилитель, фильтр, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (АЦП и ЦАП).
Информационно-измерительный комплекс позволяет производить одновременное измерение по 16 дифференциальным или по 32 каналам с общей землей, с последующим усилением и преобразованием в цифровой вид в режиме «быстрого» или «медленного» АЦП. Сбор информации и управление крейт-контроллером производится непосредственно по командам с компьютера. Наличие специального пакета программ обработки сигналов (ПОС) позволяет производить просмотр регистрируемых процессов как в режиме реального времени, так и в записи из памяти ЭВМ, а также производить статистическую обработку полученных данных, настройку и тарировку датчиков и преобразователей. Помимо коммутатора в крейт-контроллере имеется плата для тензопреобразователей на 4 канала с блоком питания и плата для подключения термопреобразователей на 8 каналов. Комплекс позволяет регистрировать процессы с частотой опроса до 100 кГц.
Перед началом и в конце испытаний проводилась тарировка датчиков и другой измерительной аппаратуры по общепринятым правилам. Тарировку датчиков давлений 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.
Межцикловая неравномерность ТП определялась с использованием устройства для измерения цикловой подачи топлива конструкции Башкирского ГАУ [9].
Для моторных испытаний (ГОСТ 18509-88) [34] была собрана опытная установка на базе электрического тормозно-обкаточного стенда КИ-5527-ГОСЫИТИ (рисунок 4.4), 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 9,6%. 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 и ТПС соответствовала базовому исполнению. В ТНВД, для обеспечения заданной цикловой подачи топлива, предусматривалась 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 (рисунок 4.5 б); - увеличена до є=22 степень сжатия; - установлена экспериментальная аккумуляторная топливоподающая система с ЭГФ и 4-х сопловым распылителем; - 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» [34].
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.
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 [29, 101].
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 маїюметру класса точности 0,3 (ГОСТ 6521-60). При тарировке через определенные интервалы давления в память компьютера заносились значения измеряемой величины. Используя эти данные строилась градировочная характеристика. Та-рировочные графики снимались для 6-8 случаев повышения давления.
