CC BY
93
Разработка устройства противодавления впрыску для регулировочных стендов топливной аппаратуры дизелей
Р.М. Баширов, д.т.н., профессор, Ф.Р. Сафин, преподаватель, С.З. Инсафуддинов, к.т.н., Башкирский ГАУ; А.А. Сорокин, к.т.н., Оренбургский ГАУ
Основные технико-экономические показатели работы автотракторных дизелей во многом определяются качеством работы их топливной аппаратуры (ТА) [1]. Поэтому в процессе эксплуатации тракторов и автомобилей особое внимание уделяется диагностированию и регулировке ТА.
Качество регулировки ТА определяется используемыми при этом регулировочными стендами. Основной недостаток ныне применяемых регулировочных стендов — впрыск производится в среду с атмосферным давлением, тогда как на двигателе — в цилиндр с высоким, причём возрастающим по мере впрыска, давлением газов. Из-за этого несоответствия при установке ТА на двигатель цикловая подача топлива уменьшается. С учётом этого на стенде ТА регулируют на подачу, увеличенную на 10—25%. Однако это в полной мере проблему всё же не решает. Возникшая ситуация объясняется тем, что из-за гидравлической неидентичности секций ТА рассматриваемое снижение цикловой подачи оказывается неодинаковым по цилиндрам двигателя и обусловливает существенное возрастание неравномерности топливоподачи, и, как следствие, затрудняет достижение должных технико-экономических показателей работы двигателя.
Цель исследования — приближение условий работы ТА на стенде к таковым на двигателе.
Материалы и методы исследования. Для создания при регулировке ТА таких же условий работы, что и при работе её в дизелях стали разрабатывать специальные устройства.
Наиболее простыми по конструкции оказались те, в которых противодавление впрыску создаётся самим впрыскиваемым топливом.
Камера впрыска таких устройств выполняется в виде заполненного топливом замкнутого объёма (аккумулятора), спроектированного в оптимальном случае так, чтобы давление в нём в процессе впрыска менялось так же, как и в цилиндре двигателя.
Результаты исследований. В общем случае аккумулятор выполняется в виде поршенькового пружинного. Схема его работы показана на рисунке 1.
У такого аккумулятора в камере впрыска всегда будет какой-то объём топлива, причём возрастающий по мере впрыска (поступления в неё) топлива. В этой связи поршеньковый аккумулятор может считаться комбинированным гидромеханическим. Закономерность изменения давления в нём определяется жёсткостью механической пружины и
объёмом находящегося в нём топлива (жёсткостью гидравлической пружины).
Качество работы рассматриваемого аккумулятора может оцениваться, как и всех других аккумуляторов, его жёсткостью:
Сак =
Ар
ÄV5
(1)
где АУ — количество поступившего топлива; Ар — нарастание давления в аккумуляторе.
Рис. 1 - Схема комбинированного гидромеханического аккумулятора:
1 - камера впрыска; 2 - поршенёк противодавления; 3 - механическая пружина; 4 - регулировочный винт предварительного затяга пружины; йп - диаметр поршенька противодавления; Уак - начальный объём камеры впрыска (гидравлического аккумулятора); gцi - текущее значение объёма топлива, поступающего в камеру впрыска
Текущую жёсткость аккумулятора можно определять по предлагаемому выражению, учитывающему возрастание объёма топлива в нём:
1
С =
аа
п2 ■ dj
16 ■ c м
+ß
V +
ак 1
п2 •рРi 16 ■ c м
(2)
где р — коэффициент сжимаемости топлива; см — жёсткость механической пружины; Ар; — текущее значение повышения давления топлива.
В этом выражении второй член суммы внутри скобки представляет величину увеличения объёма гидравлического аккумулятора за счёт перемещения поршенька противодавления (топливом, поступающим в камеру впрыска).
На основе этого выражения можно найти жёсткости простейших аккумуляторов:
- чисто гидравлического (при См = го):
Сак = в¥~' (3)
F ак
- чисто механического (при Уак =0 и пренебрежении объёмом топлива, поступающего в аккумулятор):
С =
^ /IV
16 • С м
п2 •
Р = (90 - 0,5 • рг) 10"
(6)
(4)
При механическом аккумуляторе выполнить камеру впрыска с изначально пренебрежимо малым объёмом практически невозможно. К тому же в процессе впрыска объём топлива в нём возрастает за счёт впрыснутого топлива. В этой связи аккумулятор не может быть чисто механическим.
Из выражения (2) следует, что с увеличением объёма камеры впрыска Уак жёсткость аккумулятора снижается. Увеличить её можно повышением жёсткости механической пружины. Однако при чрезмерном увеличении жёсткости пружины механический аккумулятор вообще работать не будет.
В этой связи интерес представляет определение минимально и максимально возможных объёмов гидравлического аккумулятора.
Б.Н. Файнлейб считает, что при использовании камеры впрыска с достаточно малым объёмом в случае, если давление не превышает 6 МПа, можно сжимаемостью топлива пренебречь [2]. Однако понятие «достаточно малый объём», на наш взгляд, нуждается в уточнении.
Минимально возможный объём гидравлического аккумулятора определяется конструктивными особенностями — количеством устанавливаемых форсунок, их расположением и габаритными размерами носка распылителя и др.
Форсунки могут устанавливаться как крестообразно (звездообразно), так и рядно. При крестообразной установке одна камера впрыска обслуживает все форсунки и исключаются каналы, соединяющие камеры впрыска отдельных форсунок. Благодаря этому достигается минимальный объём камеры впрыска.
Внутренний объём аккумулятора (топлива, помещающегося в нём) при, например, четырёх форсунках составил Уактп = 1536 мм3. При шести форсунках этот объём возрастает до УактЛ = 2254 мм3.
При конструировании устройства выявились и неучтённые выше дополнительные объёмы — канала, связывающего линию слива с камерой впрыска (164 мм3), между торцами дополнительно установленных узлов (механического аккумулятора, перепускного клапана и датчика давления) и камеры впрыска (1005 мм3).
При учёте этих дополнительных объёмов суммарный начальный объём топлива гидравлического аккумулятора будет 2705 мм3. Это и является минимально возможным объёмом аккумулятора.
В этом объёме может аккумулироваться (за счёт сжимаемости) топливо объёмом
ДГ =В-V • р (5)
г К ак шт гг?
где р — коэффициент сжимаемости топлива; р{ - текущая величина давления.
Как известно, коэффициент сжимаемости топлива зависит от давления [1]
В выполненных двигателях, в частности в дизеле Д-144, давление в цилиндре р1 в конце впрыска приблизительно равно р1 =7 МПа [3].
При таком давлении коэффициент сжимаемости топлива составит р = 86,5 • 10-5 МПа-1, а объём аккумулированного топлива будет А¥г =16,4 мм3.
В тракторных дизелях цикловые подачи находятся в пределах 50-170 мм3. У рассматриваемого двигателя, например, она равна (впрыскивается в цилиндр двигателя) 51 мм3. Получается, что вычисленный объём аккумулированного топлива составляет 32% от цикловой подачи.
Отсюда следует, что гидравлический аккумулятор (камера впрыска) даже при минимальном объёме за счёт аккумулирования цикловой подачи будет существенно влиять на характер нарастания давления и должен учитываться при анализе его работы и расчётах.
Объём аккумулятора будет максимальным в случае применения чисто гидравлического аккумулятора. Его можно определить по величине нарастания давления газов в процессе впрыска топлива. У дизеля Д-144 она равна 5 МПа. В соответствии с этим, если учесть, что вся цикловая подача будет аккумулироваться топливом аккумулятора, максимальный его объём по выражению (5) должен составить ¥акжах = 11792 мм3.
Таким образом, у устройства противодавления впрыску в случае ТА дизеля Д-144 объём гидравлического аккумулятора будет находиться внутри пределов 2,71-11,79 см3.
Конкретные значения объёма гидравлического аккумулятора и жёсткости пружины механического аккумулятора могут определяться с учётом объёма цикловой подачи топлива по приведённому выражению (2). За исходные данные при этом следует принимать индикаторную диаграмму двигателя (рис. 2) и закон топливоподачи.
Для упрощения расчётов индикаторную диаграмму можно представить в виде линеаризированных участков 0-1 и 1-2, а закон топливоподачи считать линейным (т.е. предполагать, что топливо впрыскивается с постоянной скоростью).
Необходимое давление в камере впрыска к моменту начала впрыска р0 можно создать за счёт устройства остаточного давления.
В реальных условиях работы двигателя первая порция топлива поступает в период задержки самовоспламенения (до точки 1), а вторая - в период интенсивного горения топлива (после точки 1).
Для приближения условий впрыска топлива в регулировочном стенде ТА и в двигателе можно применить схему работы аккумулятора, при котором в первом периоде (в зоне 0-1) будет работать чисто гидравлический аккумулятор, а во втором (в зоне 1-2) в работу включится пружинный аккумулятор. Однако это усложнит конструкцию устройства, в
Расчётные данные по пружине механического аккумулятора
Параметр Значение
Материал Б-2-1,5
Наружный диаметр, мм 14,0
Диаметр проволоки, мм 1,5
Число рабочих витков 2,0
Полное число витков 3,5
Рабочий ход, мм 3,45
Длина пружины в свободном 10,54
состоянии, мм
Длина пружины при предварительной 8,56
деформации, мм
Длина пружины при рабочей 5,11
деформации, мм
Масса пружины, кг 0,002
Жёсткость пружины, Н/мм 12,72
Рис. 2 - Индикаторная диаграмма двигателя (штриховые линии) и её линеаризированные участки (сплошные):
Рс и Рг - давление газов в цилиндре в конце их сжатия и максимальное; р0 и р2 - давление в камере впрыска в моменты начала и конца впрыска топлива; р1 - давление начала ощутимого возрастания давления в цилиндре после самовоспламенения топлива; Ар1 и Др2 - нарастания давления газов, соответствующие первому и второму периодам процесса сгорания; ф и х и у - опережение и продолжительность впрыска и период задержки самовоспламенения топлива; ВМТ - верхняя мёртвая точка поршня двигателя; 4 и 5 - рабочие характеристики (по давлению) гидравлической и механической пружин; 0-3 - упрощённая усреднённая рабочая характеристика (по давлению); Р1 и Р2 - условные площади
связи с тем, что для каждого двигателя придется подбирать объем гидравлического аккумулятора и жесткость пружины механического.
Более простая конструкция устройства получится в случае параллельной работы гидравлического и механического аккумуляторов. Такой аккумулятор можно рассчитывать, ориентируясь на упрощенную усредненную линию 0—3 индикаторной диаграммы, проведенную так, чтобы обеспечивалось равенство площадей Е1 = В2.
При этом гидравлический аккумулятор должен иметь минимально возможный объем, а механический — для каждого двигателя свои сменные пружины.
Подбор жесткости пружины механического аккумулятора был произведен на примере того же двигателя Д-144 (табл.). Давление в точках 0 и 3 (рис. 2) у этого двигателя равно 2,0 МПа и
5,5 МПа. При использовании выражений (1) и (2) жёсткость пружины составит см = 12,96 Н/мм. С помощью программы «Kompas-Spring» акционерного предприятия АСКОН по этой жёсткости была подобрана пружина сжатия.
Эксперименты показали, что при устройстве противодавления впрыску с комбинированным гидравлическим (объёмом 2,71 мм3) и механическим (с жёсткостью пружины 12,72 Н/мм) аккумуляторами в камере впрыска действительно обеспечивается упрощённый усреднённый линеаризированный участок индикаторной диаграммы.
При регулировках величина цикловой подачи контролировалась по давлению в камере впрыска аккумулятора, используя ЭВМ и электронный блок, работающий по предложенной нами программе [4].
Выводы. Основной недостаток ныне применяемых регулировочных стендов топливной аппаратуры дизелей, заключающийся в том, что условия регулировки не соответствуют таковым при работе на двигателе, может быть устранён введением противодавления впрыску топлива.
Предложено простейшее устройство противодавления впрыску с комбинированным гидромеханическим аккумулятором. Использование предложенного устройства поможет модернизировать все ныне применяемые регулировочные стенды топливной аппаратуры дизелей.
Литература
1. Баширов Р.М. Топливные системы автотракторных и комбайновых дизелей, конструктивные особенности и показатели работы. Уфа: Издательство БГАУ, 2004. 232 с.
2. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Л.: Машиностроение, 1990. 352 с.
3. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчёт автотракторных двигателей. М.: Колос, 1992. 414 с.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014611323 от 30.01.2014 г. Диагностика топливных систем дизелей при впрыске в среду с противодавлением / Инсафуддинов С.З., Сафин Ф.Р., Гайсин Э.М., Давлетов А.Ф.
