CC BY
59
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
УДК 621.436.12
М. М. САЕНКО А. Л. ИВАНОВ
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ, ОСНАЩЕННОГО ОПЫТНОЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРОЙ
Раскрываются особенности исследуемой топливной аппаратуры, описывается экспериментальная установка и стенд для испытания дизеля. Приводятся методика проведения испытаний на развернутом стенде с полноразмерным дизелем КамАЗ-740, а также расчетные зависимости и оценка погрешности измерений при проведении эксперимента на развернутом дизеле. Рассматриваются результаты проведенных экспериментальных исследований работы полноразмерного двигателя КамАЗ-740, оснащенного комплектом опытной топливной аппаратуры. Ключевые слова: экспериментальные исследования, топливная аппаратура дизеля.
Для проведения исследований использовалась топливная аппаратура высокого давления (ТАВД) двух типов. Первый тип представлял штатную комплектацию ТАВД без каких-либо доработок. Второй тип ТАВД, разработанный на основании результатов расчетного эксперимента, представляет систему то-пливоподачи с использованием топливного насоса высокого давления (ТНВД) модели 3302, в котором устанавливались плунжерные пары, регулирующие угол опережения впрыска топлива от нагрузки двигателя. Плунжерная пара, регулирующая угол опережения впрыска топлива от нагрузки двигателя, изготовлена на заводе с соблюдением методик [1] и, в отличие от штатной, имеет профилированную торцовую кромку под углом 5 градусов. Кроме того, наклон отсечной канавки изменен также на 5 градусов. Приведенная конструкция позволяет проводить замену штатных плунжерных пар при проведении минимальных дополнительных регулировок насоса вследствие идентичности, по сравнению со штатным, геометрически активного хода плунжера во всем диапазоне нагрузок.
Сравнительные испытания топливной аппаратуры проводились на развернутом дизеле КамАЗ-740 (8ЧН 12/12) согласно ГОСТ 14846-81 и с использованием методик [2].
Установка состоит из двигателя КамАЗ-740 (8ЧН 12/12) без сцепления и коробки передач, тормозного устройства и необходимой измерительной аппаратуры. В качестве тормозного устройства применяется динамометр постоянного тока типа DS 1036-4/n с одним свободным концом вала.
Стенд оборудован водяной системой охлаждения двигателя, водомасляным радиатором, системами воздухо- и топливоснабжения.
Система охлаждения позволяет автоматически поддерживать температуру охлаждающей жидкости в двигателе в диапазоне 80...88° С, температуру масла в диапазоне 90...95° С.
Выходные параметры работы двигателя регистрируются с помощью измерительной аппаратуры стенда.
Измерение крутящего момента производилось с помощью цифрового прибора и печатающего устройства Consul, которое выводит на печать зна-
чения частоты вращения коленчатого вала двигателя и крутящего момента. Знакопечатающее устройство работало в режиме печати одного замера.
Динамометр оборудован автоматическими динамометрическими весами, которые оснащены стрелочным индикатором, показывающим величину момента силы. Класс точности прибора 1,5.
Для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя используется фотоэлектрический датчик, установленный на валу динамометра, который жестко связан с коленчатым валом через соединительную муфту. Снимаемые импульсы обрабатываются в преобразователе. Мгновенные значения поступают на цифровой дисплей, печатающее устройство и в виде отраженного сигнала — на регулятор динамометра.
Для измерения расхода воздуха во впускной трубе устанавливалась диафрагма камерного типа с диаметром отверстия 76 мм. Внутренний диаметр трубопровода — 96 мм. Перепад давлений, возникающий от разности давлений в камерах диафрагмы, передается по соединительным линиям в дифференциальный мембранный манометр ДМ-358ФМ. Перепад давлений в дифференциальном манометре преобразовывается в электрический сигнал, поступающий на стрелочный указатель и самописец.
Измерение расхода топлива производилось весовым способом с автоматическим измерением времени расхода навески топлива. Навеска топлива, для сохранения точности измерений, выбирается различной в зависимости от режима работы дизеля с условием, что время расхода будет не менее 30 секунд. Время расхода навески фиксировалось секундомером-таймером СТЦ-1 с точностью 10-2 с.
Перед экспериментальным исследованием было проведено техническое обслуживание двигателя в объеме ТО-2 [3] и проверены фазы газораспределения.
Целью проведения стендовых испытаний являлось определение скоростных и нагрузочных характеристик дизеля КамАЗ-740 при комплектации штатной и экспериментальной ТАВД.
Для уменьшения монтажных, разборочно-сбо-рочных работ и обеспечения идентичности регулировок ТАВД была использована разработанная ме-
тодика определения характеристик дизеля с отключением части цилиндров. При этом на одном ТНВД устанавливались одновременно как штатные, так и экспериментальные плунжерные пары (по четыре штуки). Показатели дизеля определялись при работе его на четырех цилиндрах — последовательно для экспериментальной и штатной ТАВД. Отключение цилиндров производилось отсоединением топливопровода высокого давления от форсунки. Топливо от секций отключенных цилиндров для обеспечения корректности замера подавалось в измеряемую навеску, обеспечивая, таким образом, замер действительного расхода топлива на четыре работающих цилиндра. Для обеспечения равномерности работы дизеля отключение цилиндров и, соответственно, установка экспериментальных плунжерных пар производились «через один» по порядку работы цилиндров двигателя.
Полученные значения крутящего момента впоследствии приводились к значениям полноразмерного дизеля, для чего на исследуемых значениях скоростных режимов методом прокручивания коленчатого вала от постороннего источника энергии (в данном случае от электродвигателя стенда) определялось значение мощности механических потерь.
Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 14846-81. Скоростные характеристики снимались при положениях рычага управления подачей топлива, соответствующих 25, 50, 75 и 100 % от положения полной подачи. Нагрузочные характеристики снимались на оборотах коленчатого вала дизеля, которые соответствовали максимальному крутящему моменту на соответствующих ветвях скоростных характеристик. При снятии нагрузочных характеристик нагрузка задавалась перемещением планки ТНВД при отключенном регуляторе. Характеристики определялись последовательно для штатной и экспериментальной комплектации топливной аппаратуры.
В соответствии с требованиями к точности измерений фиксация параметров проводилась на установившемся режиме работы дизеля в данной точке. По полученным и обработанным результатам замеров строились соответствующие графические зависимости.
Для обработки экспериментальных данных используются следующие зависимости:
1) относительная ошибка при измерении частоты вращения коленчатого вала
8л = (^+^Ц-100;
л л
(1)
2) приведенный расход топлива на установившемся режиме рассчитывается по формуле
2ДС„
(2)
°т “
Дт
где АGТ — количество топлива, выработанное за интервал времени Ат при работе дизеля на четырех цилиндрах, кг/ч.
Относительная погрешность при определении часового расхода топлива
ДДСТ ДДт
Дт
100,
(3)
3) приведенный крутящий момент определяется по формуле:
м^ім^м^уі-м^, (4)
где Мп — приведенный крутящий момент, Нм;
Мк — значение эффективного крутящего момента при работе дизеля на четырех цилиндрах, Нм;
Ммп — значение крутящего момента механических потерь дизеля, Нм;
4) эффективная мощность двигателя определяется по формуле
N =М пх9,9540-4,
е кп Д ' '
(5)
где Ne — эффективная мощность, кВт;
Мкп — приведенный крутящий момент на валу двигателя, Н-м;
Пд — частота вращения коленчатого вала двигателя.
Относительная погрешность определения эффективной мощности
5ЛГ,
1-100,
М„ л
(6)
где АМк и Ап — погрешности измерения крутящего момента и оборотов двигателя;
5) удельный эффективный расход топлива определяется как
9е =
N.
(7)
где де — удельный эффективный расход топлива, кг/ (кВт.ч);
GТ — расход топлива, кг/ч;
Ne — эффективная мощность двигателя, кВт. Относительная ошибка определения удельного эффективного расхода топлива
1 N.
(8)
где АGТ и АNe — погрешность измерения расхода топлива и эффективной мощности;
6) расход воздуха
с.=УРк,
(9)
где GB — расход воздуха, кг/ч;
V — показание расходомера, м3/ч;
р — плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3;
к — корректирующий коэффициент, зависящий от условий испытаний и определяемый согласно ГОСТ 14846-81.
Относительная ошибка определения расхода воздуха
V к
(11)
где АУ — погрешность измерения объема расхода воздуха;
Ак — погрешность определения корректирующего коэффициента.
Относительная погрешность определения температуры рабочих сред определяется по формуле
где АGТ, ААGТ — масса навески и погрешность измерения расхода топлива соответственно;
Ат, ААт — время замера и погрешность измерения времени при измерении расхода топлива.
5Г = | А1к+_АТ"
АТп
(11)
где АТТП — погрешность градуировки термопар;
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
161
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
штатная ТА; -------- штатная ТА;
экспериментальная ТА. -------" экспериментальная ТА
Рис. 1. Нагрузочная характеристика при п/пном=0,4 Рис. 2. Нагрузочная характеристика при п/пном=0,6
24
кгА)
20
16
^12
\\
1)
\ Л \\
\\ \\ V
\\
\\ \ х \ ч
''X
ч *=-=-=г#-
<М
%1
0.8
2.5 2,0
1.5 а 1,0
0.29
кг/кВтч
0.28
а27
0.26
0.25
9.
1.0
- штатная ТА;
- экспериментальная ТА.
Рис. 3. Нагрузочная характеристика при п/п =0,8
экспериментальная
Рис. 4. Скоростная характеристика при 70 % от N
ДТШ — погрешность, вносимая соединительными проводами, между горячим спаем и регистрирующим прибором;
ДТпр — погрешность регистрирующего прибора;
7) коэффициент приспособляемости дизеля определялся по формуле [1]
ф=
м.
(12)
где Мк ном — номинальный крутящий момент, Нм;
Мк тах — максимальный крутящий момент, Нм.
Относительная погрешность получаемых значений в каждой серии замеров определяется по формуле
5 = ^4^, (13)
у1п-ас
где S — среднеквадратичное отклонение;
п — количество параллельных опытов;
ас — среднее значение величины;
t — критерий.
При числе степеней свободы /=п—1, принятом значении уровня значимости, равном 5 % (Р=0,95), t имеет значение 4,3.
Относительная погрешность других параметров рассчитывалась по формуле (13) с учетом класса точности регистрирующих приборов.
По результатам экспериментальных исследований строились графические зависимости, представленные на рис. 1—4, на основании которых можно сделать выводы о характере изменений в параметрах работы двигателя КамАЗ-740 при использовании опытной топливной аппаратуры. Так, исследуя нагрузочные характеристики, видим, что а изменяется, по сравнению со штатной топливной аппаратурой (ТА) незначительно, максимальная разница не превышает 2,5 %. Протекание характеристики значений коэффициента избытка воздуха а позволяет сделать вывод о том, что установка разработанной ТАВД не потребует дополнительных перерегулировок ТНВД, в частности изменения положения ограничителя хода рейки с целью исключения увеличения дымности дизеля при высоких цикловых подачах (соответственно, низких значениях а). Как видно из характеристики, минимальные значения а для разработанной ТАВД по своим значениям приближаются к критическим, равным 1,25—1,15, [3 — 5], что вполне допустимо. Кроме того, согласно работам [3, 6], доля работы дизеля на данных режимах составляет незначительное время. Допустимость значений коэффициента а также подтверждается более высокой экономичностью работы дизеля на этих режимах.
Основным показателем, оценивающим экономичность работы дизеля, является удельный эффективный расход топлива. При работе дизеля по нагрузочной характеристике в качестве независимой переменной величины принимается нагрузка двигателя или выражающие ее величины — среднее эффективное давление Ре или крутящий момент Мк, поэтому способом воздействия на рабочий процесс является изменение количества топлива, подаваемого за цикл.
На рис. 1, 2 и 3 представлены нагрузочные характеристики дизеля при различных частотах вращения коленчатого вала. Их анализ подтверждает более высокую эффективность разработанной ТАВД с точки зрения экономичности дизеля. Так, в зоне нагрузочных режимов от минимального до 0,85N,
как при частоте вращения 0,4ппот, так и при частотах вращения 0,6ппот и 0,8ппот, кривые удельного расхода топлива лежат ниже соответствующих кривых для штатной ТАВД, что подтверждает вывод о лучшем качестве протекания рабочего процесса дизеля при комплектации его разработанной ТАВД. Улучшение экономичности на 4,8 % в зависимости от нагрузочного режима является следствием изменения организации рабочего процесса двигателя.
Рассматривая скоростную характеристику дизеля, приведенную на рис. 4, следует отметить общую тенденцию для исследуемых режимов. Так, кривые крутящего момента и мощности дизеля с экспериментальной ТАВД проходят выше одноименных кривых, соответствующих работе дизеля со штатной ТАВД, причем с изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя эта разница меняется незначительно. При работе дизеля по внешней скоростной характеристике опытные плунжерные пары работают аналогично штатным, поэтому характеристики работы двигателя соответствуют штатному.
Удельный эффективный расход топлива при использовании экспериментальной ТАВД ниже во всех диапазонах нагрузок и частот вращения коленчатого вала двигателя. Уменьшение расхода топлива составляет 3,2 — 4,8 %.
Таким образом, снятые скоростные характеристики подтверждают лучшую эффективность применения разработанной ТАВД по сравнению со штатной.
Библиографический список
1. Кислов, В. Г. Конструирование и производство топливной аппаратуры / В. Г. Кислов, Э. И. Кошман, В. Я. Попов. — М. : Машиностроение, 1991. — 263 с.
2. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. — М. : Машиностроение, 1998. — 455 с.
3. Костин, А. К. Работа дизелей в условиях эксплуатации / А. К. Костин, Б. П. Пугачев, М. А. Кочинев. — М. : Машиностроение, 1987. — 278 с.
4. Крутов, В. И. Топливная аппаратура автотракторных двигателей / В. И. Крутов, В. Е. Горбаневский, В. Г. Кислов. — М. : Машиностроение, 1985. — 208 с.
5. Файнлейб, Б. Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей : справ. / Б. Н. Файнлейб. — М. : Машиностроение, 1990. - 215 с.
6. Марков, В. А. Характеристики топливоподачи транспортных дизелей / В. А. Марков, В. Г. Кислов, В. А. Хватов. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. — 162 с.
7. Осыко, В. В. Устройство и эксплуатация автомобиля КамАЗ-4310 / В. В. Осыко, И. Я. Петриченко, Ю. А. Аленов. — М. : Патриот, 1991. — 351 с.
САЕНКО Михаил Михайлович, соискатель по кафедре «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование», главный инженер ОАО НПО «Трансмашсервис».
ИВАНОВ Александр Леонидович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование» .
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 26.06.2013 г.
© М. М. Саенко, А. Л. Иванов
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
