Анализ надёжности двигателей внутреннего сгорания с различными системами топливоподачи Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 004.052+621.3.037.3

АНАЛИЗ НАДЁЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ТОПЛИВОПОДАЧИ

В.И. Никитин, доцент, к.т.н., В.В. Марченко, Д.Ю. Салий, студенты, ХНАДУ

Аннотация. Анализируются резервы обеспечения надежности инжекторных двигателей, как важнейшей составляющей их качества и конкурентоспособности, по сравнению с надежностью карбюраторных ДВС.

Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания (ДВС); карбюратор; инжектор; надёжность; модели надёжности; вероятность безотказной работы; выигрыш в надёжности.

Введение

Известно [1, 2, 3], что повышение конкурентоспособности современных конструкций ДВС во многом зависит от совокупности параметров, определяющих их качество, в том числе таких как эффективность и надежность функционирования двигателя [4, 5, 6]. Таким образом, обеспечение таких важнейших составляющих качества, как надёжность и эффективность, является актуальной научно-технической задачей проблемного характера на этапах конструирования, производства и эксплуатации ДВС.

Известно [4-6], что эффективный механизм обеспечения надежности ДВС лежит в сфере управления резервами этого свойства на всех этапах их проектирования, производства и эксплуатации.

Анализ публикаций

Анализ публикаций [1, 2, 3], свидетельствует о том, что для легковых автомобилей малого класса основным типом ДВС до сих пор остается четырехтактный бензиновый двигатель, имеющий достаточную мощность, относительно высокую экономичность, а также малую массу и необходимую экологичность.

При этом подчеркивается [1, 2], что традиционные пути совершенствования карбюраторных двигателей к настоящему времени практически исчерпаны, в том числе в условиях использования научно-технических достижений в этой области. В результате, доля карбюраторных ДВС, произведенных европейскими странами, постоянно уменьшается, уступая место двигателям с системами автономного регулируемого впрыска бен-

зина в каждый из цилиндров, так называемых инжекторов. Инжекторные системы питания [1,

2,] имеют достаточные резервы совершенствования, связанные с развитием и внедрением в них элементов электроники и компьютеризации. Подобные системы конструктивно становятся более сложными, а их эксплуатация и обслуживание требуют более квалифицированных кадров и значительных материальных затрат.

В связи с этими тенденциями в изменении конструкций ДВС возникает объективное противоречие между необходимостью перехода от «карбюраторных» к более сложным двигателям с электронным впрыском топлива и влиянием «сложности» на надежность последних. Известно [3-6], что уровень свойства надёжности ДВС в значительной степени зависит от сложности конструкции и интенсификации режимов их работы. Допустить, что бы современные двигатели как более сложные системы имели более низкую надежность (по сравнению с карбюраторными двигателями) безусловно нельзя. Для разрешения этого объективного противоречия необходимо показать, что в двигателях нового поколения есть резервы избыточностей, обеспечивающие повышение их надежности, а, следовательно, экономию затрат при их изготовлении, эксплуатации, а также новый уровень качества и конкурентоспособности на рынке товаров и услуг.

В известных публикациях [1-6], посвященных устройству и надежности ДВС, а также меха-тронных (инжекторных) систем ДВС, практически отсутствуют сведения о сравнительной эффективности (надежности) систем этого класса и их составляющих.

Цель и постановка задачи

Рассмотрим гипотетическую ситуацию, при которой владелец серийного автомобиля ВАЗ-2106 принимает решение о возможной замене «карбюратора» (х1) в системе топливоподачи двигателя на «инжектор» (х2). При этом ожидается, что надежность (Р) «инжекторного» ДВС (Х2) будет не хуже надежности «карбюраторного» двигателя (Е1), иначе

РЕ1 (Х1) — РЕ 2 (Х2 ) .

(1)

бюратор исправен, то работоспособны все цилиндры, если нет, то не работает ни один из цилиндров двигателя. В этом случае структурная схема надежности ДВС с карбюраторной системой (Е1) имеет вид, представленной на рис. 1.

И

К ар бюратор Блок 1-й цилиндр

2-й цилиндр

3-й цилиндр

4-й цилиндр

Ставится задача доказать, что в процессе модернизации ДВС неравенство (1) существует. Допускается, что в качестве «переменных» задачи рассматриваются только параметры X х2), наделенные свойством их надежности. Параметры систем (Е1, Е2), определяемые свойствам и надежности остальных узлов и агрегатов анализируемых ДВС, «по умолчанию» принимаются неизменными.

Для решения поставленной задачи возникает необходимость разработки моделей надежности двигателей как с инжекторными, так и с карбюраторными системами впрыска топлива, с последующим проведением на их базе сравнительного анализа надежности рассматриваемых конструкций (по критерию вероятности безотказной работы).

Рассмотрим возможные схемы формирования топливовоздушной смеси - «карбюраторную» и «инжекторную». В карбюраторной системе (Е1) серийного автомобиля ВАЗ-2106 карбюратор обеспечивает гарантированную подачу горючей смеси ко всем четырем цилиндрам двигателя. В инжекторной системе (Е2) горючая смесь подается к каждому цилиндру двигателя с помощью отдельных форсунок различных конструкций.

Учитывая эти конструктивные особенности систем Е и Е2, сформулируем условия работоспособности для каждой из них и разработаем соответствующие модели надёжности, допускающие проведение сравнительного анализа показателей надёжности ДВС с карбюраторной и инжекторной системами топливоподачи.

Модель надежности ДВС с карбюраторной системой топливоподачи

Допустим что, в карбюраторном варианте ДВС надежность блока цилиндров по критерию вероятности безотказной работы за некоторый период времени (Т), близка к единице, т.е.

Рис. 1. Структурная схема надежности ДВС с карбюраторной системой топливоподачи (ССН-1)

В соответствии с графической моделью надёжности ДВС, представленной в виде ССН-1, вероятность его безотказной работы в целом находится путем перемножения двух вероятностей

Р, = Р( Як) • Р( Яц ),

(3)

где Р( Як) - вероятность безотказной работы карбюратора, зависящая от сложности его конструкции Як ; Р(Яц ) = РБц - вероятность безотказной работы блока цилиндров с параметром сложности Яц .

Допустим, что сложность конструкции карбюратора (Як) больше сложности блока цилиндров (Яц). Исходя из этого, вероятности безотказной работы систем разной сложности (блока цилиндров и карбюратора) связаны неравенством

Р(Ябц ) > Р(Як).

(4)

Тогда на основании (3) и (4) можно утверждать, что вероятность безотказной работы системы (Е1) в целом будет меньше надёжности менее надёжного элемента (карбюратора), т.е.

Р,1 —[Р(Як) = Рк ] .

(5)

[Рбц (т ) = Рбц ] “ !.

(2)

Следовательно по (5), надежность ДВС с серийной системой топливоподачи (автомобиль ВАЗ-2106) в целом может определяться уровнем существующей надежности карбюратора.

Модель надежности ДВС с инжекторной системой топливоподачи

В конструкции ДВС с инжекторной системой топливоподачи [1, 2] могут быть сформулированы два условия его работоспособности.

Тогда на работоспособность ДВС будет влиять исправная работа только карбюратора: если кар-

Первое условие: допускается, что ДВС работоспособен в целом, если работоспособны все че-

тыре пары форсунка-цилиндр. Данному условию работоспособности соответствует графическая модель надежности ДВС (ССН-2) в виде, так называемого «основного» соединения рассматриваемых пар форсунка-цилиндр.

Рис. 2. Вариант структурной схемы надежности ДВС с инжекторной системой топливоподачи (ССН-2)

В терминах «вероятности безотказной работы» первое условие работоспособности примет вид

(6)

Если принять, что изначально вероятности безотказной работы модернизируемых систем равны между собой, т. е.

и учитывая по (5), что

(7)

(8)

то вероятность безотказной работы пары форсунка-цилиндр по (6) должна быть не меньше

P = 4 P = 4 P = P

1 Фці V E2 V К ■'К

(9)

Продолжим анализ моделей в поисках ответа на вопрос, можно ли при условии (9), когда

Исходя из второго допущения считаем, что для инжекторной системы топливоподачи, функция двигателя сохраняется, как при одновременной работе всех четырех пар форсунка-цилиндр («поглощение» первого условия), так и при отказе хотя бы одной из них. Тогда структурная схема надежности (ССН-3) ДВС с инжекторной системой (Е2) будет иметь вид представленный на рис. 3

Рис. 3. Структурная схема надежности ДВС с инжекторной системой топливоподачи (ССН-3)

ССН-3 представляет собой графическую модель надежности так называемых «мажоритарных систем» [4], получивших своё первоначальное применение в вычислительной технике.

Согласно ССН-3, существует две гипотезы работоспособности ДВС с инжекторной системой.

Первая гипотеза (НГ) предполагает, что одновременно работоспособны (КФц) все четыре пары форсунка-цилиндр, т.е.

Н1 : ^(^2) ^ Вфщ

Л ДфЦ2 Л ДфЦ3 Л ^ФЦ4 . (11)

P = P ’

Фці К

перейти от равенства (7)

Вторая гипотеза (Я2) предполагает работоспособное состояние системы (Е2) при отказе хотя бы одной из четырех пар форсунка-цилиндр:

к неравенству вида

P = P

1 El -'s 2

P < P

El 2E2 •

(l0)

Для ответа на этот вопрос примем, что в конструкции ДВС с инжекторной системой топливопо-дачи другим условием его работоспособности может быть допущение о том, что если хотя бы одна из четырех форсунок откажет, то ДВС с тремя оставшимися в работе парами форсунка-цилиндр может выполнять заданные функции в течение «аварийного» времени его работы, т.е. быть работоспособным. (Образно говоря, сохраняется возможность выполнения функций ДВС для движения до «ближайшей СТО»).

H2 : R(E2) ^ Rím Л-^ФЩ Л-^цэ ЛRФЦ4 H2 : R(E2) ^ —ФЩ Л-Фц2 Л —ФцЗ Л RФЦ4 HЗ : R(E2) ^ ЛRФЦ2 Л-^ФІІЗ ЛRФЦ4

H4 : R(E2) ^ -^ФЩ ЛRФЦ2 ЛRФцЗ ЛRФЦ4

(l2)

Здесь (ЛФЦ.) - неработоспособное состояние одной из пар форсунка-цилиндр.

Вероятность возникновения первой гипотезы согласно (11) равна

Р( Ну) = РФЦ1 Л РФЦ2 Л рФц3 Л РФЦ4 , (13)

где (РФц.) - вероятность работоспособного состояния одного из четырех 1-х блоков форсунка-цилиндр.

Вероятность возникновения второй гипотезы по (12) равна

р( Н 2) = РФЦ1 Л РФЦ2 Л РФЦ3 Л РФЦ4 +]

+P ^ ФЦ1 Л P 1 Фц 2 Л P 1 фцз Л P 1 фц 4

+P ті фці Л P Фц 2 Л P фцз Л P Фц4

+P ^ фці Л P 1 Фц 2 Л P 1 фцз Л P 1 фц 4

Исходя из возможности пребывания ДВС в одном из состояний, рассмотренных в гипотезах, вероятность работоспособного состояния ДВС с инжекторной системой топливоподачи (Е2) в целом определяется формулой

42 = PH)vP(H2) = Рфц4 + 4[(1-Рфц )х'

хРфц] = РФЦ +4 ■ РФЦ — 4 ■ РФЦ = ’. (15)

= 4Рфц3 - ЗРфц4 = 4Рфц3 ■ (1-0,75Рфц )

Анализ моделей надежности ДВС с карбюраторной и инжекторной системами топливоподачи

Проанализируем, по соотношению вероятностей безотказной работы, надежность двух моделей ДВС при следующих условиях.

Пусть по (4) и (5) показатель надёжности ДВС с инжектором Р^ будет сравним с показателем надежности карбюратора (РК).

Выразим вероятность безотказной работы ДВС с инжектором (Е2) через переменную РК. Учитывая (5), (11), получаем формулу

Ре2 = 4 Рк °’75(1 - 0,754Рк °’25). (16)

Проведем численную оценку (16). Пусть Рц~1, РК = 0,99. Тогда по (9)

РФ = ФК = VÔ99 = 0,9975, (17)

а по (16) вероятность безотказной работы ДВС с инжекторной системой питания будет равна

PE2 = 4 • 0,99753 - 3 • 0,99754 = 0,99996 . (18)

Таким образом получаем неравенство (10) где

(PE2 = 0,99996) >> (PE1 = 0,99), (19)

или

Pe 2 >> Pe , . (20)

Из проведенного анализа следует, что надежность ДВС с инжектором (E2) на два порядка выше надежности серийного ДВС с системой топливоподачи (E,) автомобиля BA3-2106.

Выводы

Проведенный анализ исследуемых систем топли-воподачи ДВС показал, что с точки зрения надежности замена ДВС автомобиля BA3-2106 с карбюратором на инжекторную систему топливо-подачи является полностью рациональной, т. к. обеспечивает потенциальные резервы повышения управления надежности на этапе ее применения.

Литература

1. Aбрамчук Ф.И., та ін. Aвтомобiльнi двигуни:

Підручник. - К.: Aрiстей, 2004. - 476 с.

2. Волков В.П. Загальна будова автомобіля: Швч.

посібник - Харків: ХДДДТУ, 2001. - 85 с.

3. Aбрамчук Ф.І., Рязанцев М.К., Шеховцов A.O.

Двигуни внутрішнього згорання: серія підручників у 6 томах. Т.6. Hадiйнiсть ДВЗ I За ред. A.fr Марченка, A.O. Шеховцова. -Харків: XHAДУ, 2004. - 324 с.

4. Сотсков Б.С. Основы теории и расчета надеж-

ности элементов и устройств автоматики и вычислительной техники. - М.: Высшая школа, 1970. - 272 с.

5. Hикитин В.И. и др. Hадежность систем электро-

снабжения автомобилей II Вестник Х^ДТУ I Сб. научн. тр. - Харьков: XHAДУ. - 2000. - Вып. 12-13. - С. 214-217.

6. ^китин В.И. и др. Hадежность мехатронных

систем II Aвтомобильный транспорт I Сб. научн. трудов - Харьков: XHAДУ. - 2004. -Вып. 14. - С. 59-62.

Рецензент: Ф.И. Aбрамчук, профессор, д.т.н., XHAДУ.

Статья поступила в редакцию 18 января 2007 г.