Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 14
1.1. Некоторые общие вопросы организации рабочего процесса тракторных дизелей при наддуве 14
1.2. Влияние конструктивных элементов ТПА, параметров воздуха перед впускными органами, нагрузки и скоростного режима на характеристики впрыскивания и распиливания топлива . 18
1.2.1. Влияние диаметра плунжера и профиля топливного кулачка. 18
1.2.2. Влияние эквивалентного проходного сечения распылителя . 21
1.2.3. Влияние параметров воздуха перед впускными органами, нагрузки и скоростного режима дизеля 23
1.3. Влияние параметров наддува и топливоподачи на динамику процесса сгорания и показатели форсируемого дизеля 25
1.4. Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследований
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКА И ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 35
2.1. Объекты исследований 35
2.2. Методика исследования процессов впрыскивания и распиливания топлива 39
2.2.1. Методика исследования процесса впрыскивания 39
2.2.2. Методика оценки длины топливных струй 41
2.2.3. Методика оценки угла рассеивания топливных струй 44
2.2.4. Методика оценки мелкости распиливания топлива 45
2.2.5. Критерий характеристики развития топливных струй 48
2.3. Методика исследования рабочего процесса дизеля 50
2.4. Методика исследования процесса тепловыделения 58
2.5. Методика исследования взаимосвязей между характеристиками тепловыделения и влияющими на них факторами 64
2.6. Экспериментальная установка для исследования процесса топливоподачи
2.7. Экспериментальная установка для исследования рабочего
процесса дизеля. Методика измерений и обработки их
результатов 71
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВПРЫСКИВАНИЯ И РАСПИЛИВАНИЯ ТОПЛИВА 78
3.1. Сравнение характеристик впрыскивания и распиливания при работе серийной ТПА на дизеле без наддува и с наддувом 78
3.2. Исследование влияния профиля топливного кулачка на характеристики впрыскивания и распиливания 83
3.3. Исследование влияния диаметра плунжерной пары на характеристики впрыскивания и распиливания топлива 90
3.4. Исследование влияния эквивалентного сечения распылителя на характеристики впрыскивания и распиливания топлива. 93
3.5. Исследование характеристик впрыскивания и распиливания при комплексном изменении параметров ТПА 97
3.5.1. Сравнение характеристик впрыскивания и распиливания при исходном и оптимальном вариантах ТПА 101
3.5.2. Влияние нагрузочного режима работы дизеля на характеристики впрыскивания и распиливания топлива 104
3.5.3. Влияние скоростного режима работы дизеля на характеристики впрыскивания и распиливания топлива 107
3.6. Обобщение результатов исследования влияния параметров ТПА на характеристики впрыскивания и распиливания III
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ТЕШЮВДЕЛЕНИЯ 118
4.1. Исследование характеристик процесса тепловыделения при различных давлениях наддува и серийной ТПА 118
4.2. Исследование влияния профиля топливного кулачка на характеристики процесса тепловыделения 124
4.3. Исследование влияния диаметра плунжерной пары на особенности процесса тепловыделения 131
4.4. Анализ характеристик тепловыделения, полученных при различных значениях эквивалентного сечения распылителя 135
4.5. Исследование влияния на характеристики процесса тепло выделения комплексного изменения параметров ТПА 139
4.5.1. Сравнение характеристик тепловыделения при исходном и оптимальном вариантах ТПА 143
4.5.2. Влияние нагрузочного режима на параметры индикаторной диаграммы и характеристики тепловыделения 146
4.5.3. Влияние частоты вращения дизеля и характеристик впрыскивания и распиливания топлива на характерные параметры тепловыделения 151
4.6. Обобщение результатов исследования на ЭЦВМ "EC-I020" 165
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕВЯ ПРИ ЕГО ФОРСИРОВАНИИ НАДДУВОМ И УВЕЛИЧЕНИЕМ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ 183
5.1. Исследование рабочего процесса дизеля с наддувом при серийной системе топливоподачи 183
5.1«I. Определение оптимальных углов опережения впрыскивания. 183
5.1.2. Сравнение изменения показателей дизеля по нагрузочным характеристикам при наддуве и без наддува 186
5.1.3. Анализ изменения показателей дизеля по скоростным характеристикам 188
5.2. Исследование влияния профиля топливного кулачка на показатели рабочего процесса дизеля с наддувом 191
5.3. Исследование влияния диаметра плунжерной пары на особенности рабочего процесса дизеля с наддувом 201
5.4. Анализ результатов опытов, проведенных при различных значениях эквивалентного проходного сечения распылителя. 205
5.5. Исследование влияния на показатели рабочего процесса дизеля комплексного изменения параметров ТПА 212
5.6. О возможности обобщения результатов исследования влияния параметров ТПА на показатели дизеля с надувом 216
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 218
УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ 221
ПРИЛОЖЕНИЯ 229
- Некоторые общие вопросы организации рабочего процесса тракторных дизелей при наддуве
- Методика исследования процессов впрыскивания и распиливания топлива
- Сравнение характеристик впрыскивания и распиливания при работе серийной ТПА на дизеле без наддува и с наддувом
- Исследование характеристик процесса тепловыделения при различных давлениях наддува и серийной ТПА
- Исследование рабочего процесса дизеля с наддувом при серийной системе топливоподачи
Введение к работе
Актуальность работы. Решениями ЦК КПСС и соответствующими Государственными планами развития народного хозяйства предусмотрено дальнейшее повышение мощности и увеличение выпуска автотракторных дизелей, в том числе и дизелей с воздушным охлаждением, в силу их известных эксплуатационных и конструктивных преимуществ. Важные задачи по совершенствованию дизелей вытекают, в частности, из Продовольственной программы, принятой на майском (1982 г.) Пленуме ЦК КПСС.
Одним из наиболее рациональных путей улучшения технико-экономических показателей дизелей является применение умеренного турбо-наддува в сочетании с форсированием по частоте вращения.
Особенности протекания рабочего процесса в быстроходном дизеле с наддувом связаны с увеличением плотности и температуры поступающего в цилиндр воздуха, изменением характеристик впрыскивания и распиливания топлива вследствие увеличения цикловой подачи, сокращением периода задержки воспламенения, повышением максимальных значений давления и температуры цикла и общего количества теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Совместное форсирование турбо-наддувом и по частоте вращения тракторных дизелей с воздушным охлаждением может сопровождаться определенным увеличением тепловой и механической напряженности основных деталей, снижением общей надежности и долговечности.
Повышение плотности заряда в цилиндре при наддуве и неизменных параметрах топливной системы имеет следствием уменьшение длины и увеличение угла рассеивания струй впрыскиваемого топлива. В результате увеличения цикловой подачи, а также продолжительности впрыскивания топлива процесс сообщения теплоты в дизеле может становиться более длительным и его завершение наступать позднее. Это может приводить к увеличению тепловых потерь, температуры и дымности ОГ.
Отмеченные изменения в процессах смесеобразования и тепловыделения создают определенные трудности в получении высоких экономических показателей форсируемого дизеля. Успешное решение этих задач требует обоснованного выбора параметров топливной системы.
До настоящего времени влияние характеристик впрыскивания и распыливания топлива на основные показатели дизеля с наддувом изучено недостаточно. Из ряда работ следует, что оптимальные по экономичности параметры впрыскивания и распыливания существенно зависят от типа и размеров камеры сгорания, быстроходности дизеля, диапазона режимов работы и степени форсирования его наддувом.
Применительно к тракторным дизелям с воздушным охлаждением, форсируемым одновременно наддувом и по частоте вращения, достаточно глубокие исследования, направленные на выбор оптимальных характеристик впрыскивания и распыливания топлива, ранее не проводились. В частности, не изучено в должной мере влияние характеристик впрыскивания и распыливания топлива на тепловыделение и показатели тракторного дизеля. Этим определяются актуальность и цели выполненного исследования.
Цели работы. Исследование возможности совершенствования показателей тракторного дизеля с полусферической КС в поршне при совместном форсировании его наддувом и по скоростному режиму путем комплексного изменения основных элементов топливоподающей аппаратуры, - таких как профиль кулачка, диаметр плунжера и эквивалентное проходное сечение сопловых отверстий распылителя, а также изучение взаимосвязей между характеристиками впрыскивания, распыливания и тепловыделения.
Научная новизна. Разработана методика детализированного анализа влияния характеристик впрыскивания и распыливания топлива (определенных экспериментами и расчетами) на условия смесеобразования и тепловыделения. Предложен ряд новых оценочных критериев, уточняющих - II - и облегчающих анализ влияния характеристик распыливания топлива на тепловыделение и показатели дизеля. Определены факторы, управ ляющие кинетической и диффузионной фазами процесса тепловыделения. Исследовано влияние предложенного в работе критерия развития топ ливных струй К* на длительность периода задержки воспламенения и первую фазу тепловыделения. Выявлено также влияние "фактора пре бывания топлива в объеме камеры сгорания" T.AQ -аТ^ на количество теплоты, выделяющейся в течение первой фазы процесса. Установлены причины ухудшения тепловыделения и показателей дизеля при увеличе нии доли топлива AQmcu / Q , впрыскиваемого в цилиндр с понижа ющимися скоростями. Показана необходимость увеличения количества топлива, выходящего в пристеночную зону КС 4и на веРши~ ну струй Доъ / О , для улучшения характеристик смесеобразо- вания, тепловыделения и теплойспользования. Показана возможность уменьшения максимальной температуры головки цилиндра путем изменения характеристик впрыскивания и распыливания топлива.
Практическая ценность. Получен ряд обобщающих взаимосвязей между параметрами впрыскивания, распыливания и скоростью вытеснения топлива насосом, которые могут быть использованы для предварительной оценки и комплексного выбора основных конструктивных параметров топливной системы исследованного типа.
Установлены качественные и количественные взаимосвязи между показателями впрыскивания и распыливания топлива, с одной стороны, и характерными параметрами тепловыделения и изменения давления в цилиндре, с другой, учитывающие, естественно, и другие определяющие факторы. Эти зависимости могут быть использованы при синтезе индикаторных диаграмм в практике НИИ и заводских КБ на стадии проектирования новых моделей дизелей с наддувом.
Предложены конкретные рекомендации по выбору конструктивных параметров топливоподающей аппаратуры с целью улучшения рабочего процесса форсируемых наддувом и по частоте вращения тракторных дизелей. В результате обеспечиваются на соответствующих режимах работы более высокая экономичность дизеля (до 3 %), существенное уменьшение максимальной температуры головки цилиндра (до 9 %) и дымности отработавших газов (до 20 %) при приемлемых механических и тепловых нагрузках на его детали по сравнению со случаем использования на дизеле с наддувом базовой топливной аппаратуры.
Реализация работы. Результаты исследования внедрены на Производственных объединениях Владимирского тракторного завода им. А.А. Жданова и Вильнюсского завода топливной аппаратуры им. 50 - летия СССР и используются при разработке новых моделей дизелей типа ВТЗ.
Апробация работы. Диссертационная работа заслушана, обсуждена и рекомендована к защите на расширенном заседании кафедр "Тракторы и автомобили" и "Эксплуатация машин" Литовской СХА.Результаты исследования докладывались и были одобрены на ежегодных научных конференциях Литовской СХ Академии (1973*1983 г.г.), на Всесоюзной научной конференции в Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (01.02.1979 г.), на расширенном заседании кафедры "Автотракторные двигатели" Московского автомобильно-дорожного института (07.05.1980 г.), на заседании Координационного Совета по проблеме:"Материально-техническая база сельского хозяйства и пути повышения ее эффективности" в Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева (II.I2.I98I г.), на Всесоюзной научной конференции "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания" в Московском автомобильно-дорожном институте (02.02.1982г.) и на 7-м Национальном Конгрессе по "Двигателям внутреннего сгорания и сгоранию" в Индии (07.01.1982 г.).
Публикации. Результаты исследования изложены в семи статьях и тезисах доклада на Всесоюзной научной конференции по ДВС /Москва, МАДИ, 1982 г./. - ІЗ -
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты диссертационной работы: метод выбора оптимальных параметров топливной системы дизелей, включающий комплексный детализированный анализ влияния на характеристики тепловыделения ряда новых критериев, расчитываемых по характеристикам впрыскивания и распиливания топлива с учетом других определяющих факторов; взаимосвязи между предложенными в работе оценочными критериями и особенностями смесеобразования, двухфазного тепловыделения и тешюиспользования, а также максимальной температурой головки цилиндра и дымностью отработавших газов; данные по комплексному влиянию конструктивных параметров топливной системы распределительного типа на форму характеристики впрыскивания топлива и параметры впрыскивания и распыливания; данные по влиянию характеристик впрыскивания и распыливания топлива на длительность периода задержки воспламенения, характер тепловыделения и показатели форсируемых моделей дизелей; конкретные рекомендации по комплексному изменению конструктивных параметров топливоподающей аппаратуры с целью получения благоприятных характеристик впрыскивания и распыливания топлива, обеспечивающих улучшение показателей форсируемых перспективных дизелей ВТЗ.
Структура и объем работы» Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, указателя литературы и приложения. Содержит 228 страниц машинописного текста, в том числе 65 иллюстраций, 25 таблиц и список использованных источников из 100 наименований.
Некоторые общие вопросы организации рабочего процесса тракторных дизелей при наддуве
В 1907 г. В.И.Гриневецкий предложил двигатель с двойным сжатием и расширением, который построил в 1911 году. В начале 30-х годов проблемами создания быстроходного авиационного дизеля с турбонаддувом занимались акад. Б.С.Стечкин, проф. А.Д.Чаромский, Н.В. Иноземцев, В.К.Кошкин и др. К числу крупных работ по исследованию рабочего процесса автотракторных дизелей с наддувом относятся исследования ученых Н.Р.Брилинга, Т.М.Мелькумова, А.С.Орлина,М.Г.Круг-лова, Н.Х.Дъяченко, Д.А.Портнова, А.Э.Симеона, А.И.Толстова, Н.С. Ханина, А.С.Хачияна и других. Вопросам организации рабочего процесса дизелей с наддувом уделяется внимание в [8,24,28,34,61,70,72,77, 88,89,93,99 и др.] .
На основании рассмотрения выполненных ранее работ можно указать ряд особенностей организации рабочего процесса при наддуве автотракторных дизелей: I. Увеличивается максимальная цикловая подача топлива, в то время как величина цикловой подачи на холостом ходу, по сравнению с вариантом дизеля без наддува, меняется незначительно. Отношение максимальной цикловой подачи к минимальной может достигать 10 и более. Обеспечение совершенного протекания процесса впрыскивания топлива в столь широком диапазоне цикловых подач представляет сложную задачу. 2. В связи с увеличением предельных значений цикловой подачи повышается опасность появления подвпрыекивания топлива. 3. Увеличение давлений в цилиндре и температуры деталей топливной аппаратуры может вызвать снижение надежности работы распылителей, что повлияет на индикаторные показатели дизеля. 4. Изменение при наддуве параметров заряда в цилиндре - давления, температуры, скорости и характера их связи с режимом работы дизеля, оказывает влияние на динамику развития топливных струй, скорость прогрева, испарения и перемешивания топлива с воздухом, а следовательно, и на характеристики тепловыделения. 5. Уменьшение периода задержки воспламенения и возможное увеличение продолжительности впрыскивания снижают фактор динамичности цикла. При меньшей продолжительности периода Ті появляется опасность нарушения условий оптимального смесеобразования и ухудшения использования воздуха в КС. 6. Изменяются условия теплообмена между зарядом и деталями дизеля, что влияет на величину абсолютных и относительных тепловых потерь и тепловую напряженность деталей. 7. Повышаются механические нагрузки на детали дизеля, что заставляет исследователей уменьшать степень сжатия и использовать более поздние углы опережения впрыскивания. Это также влияет на характер выделения теплоты и индикаторные показатели форсируемого дизеля.
Методика исследования процессов впрыскивания и распиливания топлива
Характерис-тики впрыскивания и распиливания, как известно, в большой мере определяют закономерности смесеобразования и тепловыделения в дизеле. Без их изучения невозможен анализ особенностей рабочего процесса при использовании различных вариантов системы топливоподачи. Из числа существующих косвенных методов определения характеристик впрыскивания наибольший интерес представляет метод, разработанный в ЦНИТА [80]. Сущность этого метода состоит в определении характера изменения во времени (по углу поворота кулачка) избыточного давления в специальной приемной камере, куда происходит подача топлива форсункой. Схема приемной камеры установки представлена на рис. 5.
Характеристики впрыскивания определялись с использованием тензометрических датчиков давления на магнитоэлектрическом осциллографе 9С0-ІФ2 (РФТ) по методике [80]. Изображение осциллограмм с экрана осциллографа фотографировалось по кадровым способом на пленку.
Сравнение характеристик впрыскивания и распиливания при работе серийной ТПА на дизеле без наддува и с наддувом
Осциллограммы подъема иглы распылителя и изменения давления топлива в приемной камере датчика ЦНИТА для различных вариантов ТПА определялись путем фотографирования с экрана осциллографа по кадровым способом на пленку. На всех исследованных режимах под-впрыскивание топлива не было зарегистрировано. Зоны появления под впрыскивания топлива могут приближаться к рабочим цикловым подачам в случае использования крутого профиля кулачка либо плунжерной пары большего диаметра. Как видно на графиках рис. 16, все экспериментальные варианты ТПА с диаметром плунжера 9,0 мм обеспечивали требуемую подачу топлива за цикл без под впрыскивания. Устранение под впрыскивания достигнуто тщательным подбором элементов системы топливоподачи. В случае применения меньшего диаметра плунжера, а также при одновременном увеличении 3д и под впрыскивания перемещаются в зону больших цикловых подач, по сравнению с приведенными на рис. 16. Поэтому для других вариантов ТПА соответствующие зависимости здесь не приводятся. Все экспериментальные варианты аппаратуры обеспечивали на рабочих режимах приемлемую повторяемость циклов и хорошую устойчивость по подаче топлива.
Совмещенные по началу процесса характеристики впрыскивания и распиливания топлива для серийной системы топливоподачи т.н. №3, 0 = 2,25 м/с, dn = 8,0 мм и ( /) = 0,160 мм2 при работе на дизеле без наддува и с наддувом показаны на рис. 18.
Исследование характеристик процесса тепловыделения при различных давлениях наддува и серийной ТПА
Исследование характеристик тепловыделения и параметров действительного цикла дизеля 4ЧНЮ,5/12 выполнено расчетным путем с использованием значений давления в цилиндре, определенных с помощью пневмоэлектрического индикатора МАИ-2А.
На рис. 31 приведены интегральные характеристики впрыскивания топлива и тепловыделения, иллюстрирующие влияние увеличения давления наддува до р„ = 0,160 МПа при работе дизеля с серийной ТЛА в случае постоянных П = 2000 мин , # = 60, б мм /цикл и #впр% = = 21,0 угла п.к.в. Угол опережения впрыскивания топлива в этих исследованиях был близким к оптимальному для рк = 0,140 МПа. Другие условия опытов, результаты определения основных параметров действительного цикла и характеристик тепловыделения приведены также в табл. II.
Как видно из данных табл. II, повышение параметров рк и Тк воздуха перед впускными органами имеет следствием увеличение плотности заряда j0BK и наполнения f? цилиндров соответственно на 17,4 и 15,4 % по сравнению с исходными значениями. Увеличение наполнения связано с уменьшением относительных гидродинамических потерь и подогрева заряда на впуске. Указанное увеличение рвк и П к при постоянной подаче топлива, равной 60,6 мм /цикл, сопровождается повышением массового наполнения и коэффициента избытка воздуха примерно на 35 %. Параметры топливоподачи по мере увеличения рк изменяются лишь под влиянием изменения параметров заряда в цилиндре. Можно отметить, в частности, что при увеличении давления наддува уменьшается длина струй топлива за равные отрезки времени, а также.
Исследование рабочего процесса дизеля с наддувом при серийной системе топливоподачи
Для определения влияния на процесс установочного угла опережения подачи топлива при наддуве на четырех частотах вращения и номинальном положении рейки дозатора снимались регулировочные характеристики дизеля с индицированием на каждом из режимов, приведенные на рис. 51. Полученные оптимальные значения 0впр# Для серийной ТЛА при четырех частотах вращения дизеля без наддува и с имитацией турбо-наддува приведены также в табл. 23. Выявлено, что оптимальный угол опережения подачи топлива при наддуве дизеля, несмотря на сокращение периода задержки воспламенения, примерно на 3 4 п.к.в. больше, чем при работе без наддува. Это может быть связано с большими значениями цикловой подачи топлива и продолжительности впрыскивания.
В случае работы дизеля с серийной ТПА на номинальной частоте враще-ния 1800 мин х оптимальный по экономичности угол С/оп впр (по мениску) составляет 30,5 и при повышении частоты вращения вплоть до 2200 мин"- - увеличивается на 5 п.к.в. При частоте вращения 1500 мин , близкой к частоте, при которой обеспечивается максимальный крутящий момент, оптимальный угол опережения подачи топлива равняется примерно 27 п.к.в.
В качестве примера на рис. 52 приведены графики изменения удельного эффективного расхода топлива QL и максимального давления сгорания р при работе дизеля по внешней скоростной характеристике и постоянном установочном угле опережения подачи топлива, оптимальном по экономичности для форсированного режима /г = 2200 мин" , а также в случае когда оптимальный угол $вш) подбирался на каждой частоте вращения. Из сопоставления графиков видно, что с уменьшением частоты вращения фактический угол опережения начала впрыскивания топлива в градусах увеличивается. Естественный характер изменения $nrm оказывается, таким образом, противоположным желае-мому. Отмеченное происходит вследствие независимости скорости распространения давления в топливопроводе от частоты вращения и сокращения с уменьшением П запаздывания момента действительного начала впрыскивания в градусах по сравнению с геометрическим началом (см. З.б). В результате увеличения 6L максимальное давление сгорания в цилиндре при ҐІ = 1500 мин достигает величины р - 11,1 МПа, т.е. на 1,74 МПа превышает значения р на этих же оборотах при использовании оптимального $ВП1Э При этом удельный расход топлива увеличивается до 69,0 мкг/Дж по сравнению с 67,3 мкг/Дж в случае оптимальной регулировки аппаратуры.
