К улучшению пусковых свойств тракторных дизелей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

К УЛУЧШЕНИЮ ПУСКОВЫХ СВОЙСТВ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

TO TRACTOR DIESEL ENGINES STARTING PROPERTIES IMPROVEMENT

Е.А. Федянов, доктор технических наук, профессор В.М. Славуцкий, доктор технических наук, профессор Е.А. Салыкин, кандидат технических наук, доцент В.В. Славуцкий, инженер

ФГОУ ВПО Волгоградский государственный технический университет

E.A. Fedyanov, V.M. Slavutskiy, E.A. Salykin, V.V. Slavutskiy

Volgograd state technical university

Разработана методика расчета процесса подачи топлива в дизеле на режиме пуска. Доказано улучшение показателей процесса топливоподачи при скоростном форсировании насоса высокого давления. Предлагается метод улучшения пусковых свойств дизеля, основанный на теории переходных процессов в системе топливоподачи.

The design procedure of fuel delivery process in a diesel engine on a starting duty is developed. Improvement of fuel injection process indicators is proved at high speed forcing of a high pressure pump. The improvement method of the diesel engine starting properties, based on the theory of transients in system of fuel injection is offered.

Ключевые слова: режим пуска, особенности процесса подачи, подъем иглы форсунки, давление впрыскивания, переходные процессы, цикловая подача топлива, положение рейки насоса.

Key words: starting mode, fuel supply process features, needle sprayer lifting, injection pressure, transitional processes, cyclic fuel supply, lath pump position.

На работу топливной аппаратуры (ТА) при пуске может влиять исходное состояние двигателя (например, тепловое состояние, режим, после которого произошла остановка, после чего последовал пуск, положение рейки насоса при пусковой подаче, скоростной режим прокрутки коленчатого вала пусковым устройством).

Характеристики Рост (нач) = f (n, hp) имеют особо существенное влияние на показатели топливоподачи при пусковых, а значит, при пониженных частотах вращения коленчатого вала.

Характеристики топливного насоса (например, УТН-5) таковы, что уже при положении рейки hp = 2 мм (когда цикловая подача при номинальной частоте вращения коленчатого вала составляет около 30 % от номинальной) на пусковой частоте происходит прекращение впрыскивания топлива в цилиндр. При этом подача топлива насосом в нагнетательный трубопровод продолжается, а поданное топливо увеличивает Рнач до 7-8 МПа и более [4].

Переходный процесс в ТА начинается либо после перемещения рейки из положения нулевой подачи в положение пусковой подачи, либо уже при пусковой прокрутке вала дизеля, если рейка в этом случае расположена в положении, например, hp = 2 мм, когда имеет место подача топлива в нагнетательную магистраль без впрыскивания топлива форсункой.

В первом случае прокрутка вала при положении рейки hp = 1 мм не вызывает подачи топлива в нагнетательную магистраль, то есть Рост (нач) остается равным тому, каким оно было в исходном состоянии (Рост (нач) = 0), после длительной стоянки дизеля, или Рост > 0 или Рост < 0; V^t > 0 или V^t < 0, если Рост получено на режиме, предшествующем пуску.

Перемещение рейки в пусковое положение, например, hp= 4 мм вызывает в ТА (при n = const) переходный процесс ПП повышения Рнач (ост) до уровня, соответствующего режиму hp = 4 мм, n = 150 мин-1.

При таком возмущении изменение (уменьшение) производительности насоса равно = ~ у ^1р и часть дефицита топлива ДЧа = ^Нрд * расходуется на

повышение начального давления. В таком режиме имеют место «вялые» впрыскивания топлива при пониженных цикловых подачах.

Прокрутка коленчатого вала при hp = 2 мм приводит к росту Рнач до уровня порядка 7 МПа, что соответствует режиму hp = 2 мм, n = 150 мин-1 . В таком режиме

Р

отсутствует потеря топлива Лчц на подзарядку нагнетательной магистрали во время пусковых циклов топливоподачи. Кроме того, рост частоты вращения вала и увеличение подачи топлива (увеличение hp) приводит к тому, что факторы динамической

чувствительности ^прдИ ^hpg принимают отрицательное значение. Тогда в последовательности пусковых циклов все циклы топливоподачи будут идти по принципу «активных циклов», то есть с повышенной динамической и повышенной общей производительностью системы за счет ранее аккумулированного топлива. При пусковых

частотах вращения коленчатого вала показатель достигает 8-12 мм3/МПа (при Рост исходного режима, равном нулю).

Следовательно, дефицит или приращение §ц при пуске в зависимости от вида 1111 может достигать ± 20-80 % от номинальной подачи. Столь высокая чувствительность топливной аппаратуры к изменению Рнач может приводить к тому, что при предпусковой прокрутке коленчатого вала до появления первой вспышки в цилиндре в ТА будет идти 1111 с периодическими колебаниями §ц от цикла к циклу и соответствующими колебаниями Рнач, что снижает эффективность ПП пуска. Нестабильность топливоподачи в таком 1111 может достигать 100 %, то есть будут происходить пропуски впрыскивания с подзарядкой нагнетательной магистрали до повышенного значения Рнач и затем впрыскивания с повышенной производительностью за счет разрядки нагнетательной магистрали.

Длительность переходного процесса в ТА при пуске зависит от соотношения

между возмущением ДРнач И НеСТабиЛЬНОСТЬЮ Так, при ДРнач > 5Рнам имеет место

апериодический 1111, ДЛЯЩИЙСЯ СТОЛЬКО ЦИКЛОВ, ВО СКОЛЬКО раз ДР0ст больше, чем бР^ч.

При ДРнач < имеет место периодический процесс.

В наиболее общем случае переходный процесс в топливной аппаратуре происходит при одновременном изменении частоты вращения коленчатого вала и перемещении рейки. Изменение цикловой подачи в таком процессе определяется так:

гг I/

В области пусковых частот вращения коленчатого вала и имеют более

к' 3

высокие значения, чем на других рабочих режимах. Так, лру достигает 12-13 мм /МПа.

Величины и меняют свой знак в области частот 100-200 мин"1 и положении рейки Цр = 3 мм. Следовательно, в зависимости от выбранного диапазона пусковых частот или в зависимости от области перемещения рейки последовательность пусковых циклов топливоподачи может проходить либо по принципу активного, либо по принципу пассивного цикла. Соответственно, прокрутка вала перед пуском может приводить к разрядке нагнетательной магистрали до повышенного Рнач либо к её разрядке ещё до осуществления пусковых впрыскиваний.

Из сказанного следует вывод, что возможно существенное изменение эффективности топливоподачи при пуске дизеля в зависимости от характеристик Рнач (ост) = Дп; Цр), от исходного состояния ТА, от выбора скоростного режима прокрутки и от режима перемещения рейки топливного насоса Цр.

Итак, при изменении скоростного режима и (или) положения рейки топливного насоса в топливной аппаратуре дизеля начинается переходный процесс, обусловленный изменением начального давления в нагнетательной магистрали системы.

Установлено, что давление впрыскивания и цикловая подача топлива, а также характер их изменения в течение цикла в значительной мере определяются начальным давлением в нагнетательной магистрали [4].

Особенности переходного процесса в топливной системе дизеля таковы, что при разных сочетаниях положения рейки насоса и его скоростного режима начальное давление в нагнетательной магистрали или повышается, или снижается, и, соответственно, изменяется цикловая подача топлива, например, при пуске дизеля. Докажем это, используя теорию переходных процессов, применив при этом метод малых отклонений [5].

Предлагается перед пуском дизеля реализовать некоторое количество циклов подачи в режиме прокрутки коленчатого вала с неработающими форсунками.

Рисунок 1 - Структурная схема взаимосвязей параметров процесса топливоподачи для функциональных зависимостей:

gц = /(п; ир; Рн„); (і)

— / («; Ьр). (2)

Здесь gц, п, Ц, Рнач - цикловая подача топлива, частота вращения вала топливного насоса, положение рейки топливного насоса и начальное давление в нагнетательной магистрали, соответственно.

і дп Уп— п0

АР, =

• Ап + дР

нач

дп

Г^цЛ

\дИр Jhр—Ьр0

• АИр +

дР„,

і нач у р = р

1 нач 1 начо

• Ап +

{др л

нач

V дИр у

\ /Ир-кр о

• АИ„

После преобразований:

Аgц =

’ц ^ ц • ^ нач

дп дР дп

• Ап +

?ц ^ <-)ц • нач

дИ др дк і

\иг 1р и1 нач ипр у

• АИр.

(3)

(4)

(5)

После введения функций (факторов) влияния и независимых переменных п и Ир на функцию gц:

gц = Ап+аир ;

р

(6)

п— п

+

^ц дРн

N.. =

дРн

_д^ц

дК дР„„

■ +

дп

дР„„„

дК

(7)

(8)

Р нач Р

Факторы непосредственного влияния на gц независимых переменных п и КР: Частные факторы влияния (рис. 1):

К,„ =

Кп" II ^ ц ;

К*Р8 = КпР •ч

KhPg = Ккр •ч

Nng = К^ + КпР,

дК

дР дg

^ нач ф оц

дп дР

дРнач дgц

дК

Р

N

дРнач

нач

= Кь„ + К

(9)

(10)

(11)

(12)

Факторы KnPg и KhPg характеризуют динамическую чувствительность топливной системы к изменению скоростного и нагрузочного режимов.

Показатели Кщ и Khg отражают, соответственно, форму скоростной и нагрузочной характеристик топливной системы при установившемся режиме (УР).

Пусковые режимы:

ЛgЦ = -Nhg • ЛКр (уменьшение производительности насоса);

ЛgЦ = К№& • ЛКр (расходуется на повышение Рнач).

Изменение цикловой подачи при одновременном изменении п и КР

ЛgцНУP = Nng Лп + ^ • ЛКр . (13)

В зависимости от выбранного диапазона пусковых частот или в зависимости от области перемещения рейки, прокрутка вала перед пуском дизеля может приводить к зарядке нагнетательной магистрали до повышенного Рнач (увеличение цикловой подачи) либо к ее (магистрали) разрядке еще до пусковых впрысков (отсутствие пусковой подачи).

Рвпр, МПа

160

140

120

100

80

60

40

20

0

„ _1 АЛ 1 Тх

Пв 100 ^“ООП Л /ТТуГ н-1

Пв 200 ми.

V Х 11 1 1

(шт : Т 1

^Фв, град

27

29

31

33

35

37

Рисунок 2 - Зависимость давления впрыскивания Рвпр от угла поворота вала насоса фв:

ТНВД - УТН-5; Qс=72 мм3

ц

Особенности процесса подачи топлива системой с насосом высокого давления УТН-5 показаны на рис. 2. На пусковом режиме при частоте вращения вала насоса пв=100 мин-1 отмечены резкие колебания давления впрыскивания. Максимальное давление Рвпр не

превышает 8 МПа. Игла форсунки далеко не доходит до упора и совершает колебательные движения (рис. 3). Высота подъема иглы Ни примерно равна таковой при подвпрыскиваниях на стационарных и переходных режимах нагруженного дизеля. Анализ приведенных рисунков объясняет причину быстрого выхода из строя распылителей при частых пусках дизелей. Низкие скорости вытекания больших порций топлива из распылителя приводят к перегреву его и закоксовыванию сопловых отверстий. С этим же связано дымление дизеля при пуске.

Ни, мм

Рисунок 3 - Зависимость подъема иглы форсунки Ни от угла поворота вала насоса фв: ТНВД - УТН-5; 0с=72 мм3

На тех же рисунках показано изменение давления впрыскивания Рвпр и подъема иглы Ни форсунки при частоте вращения вала насоса пв=200 мин-1. Это скоростной режим топливного насоса при пуске дизеля с опытной (запатентованной) системой [3]. В этой системе удвоена скорость вращения вала топливного насоса с целью интенсификации процесса подачи топлива.

Результаты расчета показывают, что в опытной системе давление впрыскивания топлива Рвпр на режиме пуска повысилось почти в 2 раза (рис. 2). Увеличился подъем иглы форсунки Ни до 0,25 мм при высоте упора 0,26 мм (рис. 3). Характер изменения этих параметров стал таким же, как и на режимах нагрузки двигателя. Следовательно, при повышении частоты вращения вала топливного насоса в 2 раза при пусковом режиме заметно улучшились показатели процесса подачи топлива.

В рассмотренных выше случаях величина цикловой подачи топлива на исследуемых скоростных режимах соответствовала норме, рекомендуемой заводом-изготовителем. Часто в процессе эксплуатации топливной системы незначительный износ плунжерных пар приводит к уменьшению производительности насоса и снижению давления впрыскивания топлива на режиме пуска. На остальных же скоростных и нагрузочных режимах система топливоподачи функционирует нормально. Особенно износ плунжерных пар проявляется при пуске прогретого дизеля, когда из-за уменьшения вязкости топлива увеличиваются утечки его через зазоры в сопряжении плунжер-гильза.

Выводы

1. В результате численных экспериментов выявлены некоторые особенности процесса подачи топлива на режиме пуска дизеля.

2. Исследование переходных процессов в системе топливоподачи позволило установить причину ухудшения параметров процесса подачи топлива на пусковых режимах.

3. Доказана возможность улучшения показателей процесса подачи топлива на режиме пуска путем скоростного форсирования топливного насоса.

4. Для улучшения пусковых свойств дизеля предлагается повышать начальное давление в нагнетательной магистрали топливной системы путем предпусковой прокрутки коленчатого вала с неработающими форсунками.

Библиографический список

1. Хуциев, А.И. Улучшение запуска некоторых двухкамерных дизелей / А.И. Хуциев, Э.В. Широких // Двигателестроение. - 1983. - № 1. - С. 7-8.

2. Работа дизелей в условиях эксплуатации / АК Костин, Б.П Пугачев, ЮН. Кочинев; под ред АК Костина - Л: Машиностроение, 1989.

3. Способ регулирования подачи топлива в цилиндры дизеля: Пат. 2187688 РФ, МКИ 7 А 02 М 63/04 / В.М. Славуцкий В.В. Славуцкий, В.А. Зубченко и др. - ВолгГТУ. - 2002.

4. Патрахальцев, Н.Н. Дизельные системы топливоподачи с регулированием начального давления / Н.Н. Патрахальцев // Двигателестроение. - 1980. - № 10. - С. 33-38.

5. Патрахальцев, Н.Н. Повышение эффективности работы дизелей / Н.Н. Патрахальцев. - М.: Изд-во УДН, 1988.

E-mail: tig@vstu.ru E-mail: atd304@vstu.ru