Критерии оценки топливной аппаратуры дизелей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436.12

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ

Д. И. Лепёшкин ОАО НПО «Трансмаш-Сервис», Россия, г. Омск

Аннотация. На основании анализа критериев оценки топливной аппаратуры высокого давления дизелей, устанавливается возможность определения технического состояния различных топливных систем дизелей по параметрам волновых явлений в линии высокого давления. Статья посвящена комплексному исследованию как критериев оценки топливной аппаратуры в целом, так и критериев оценки структурных компонентов топливной аппаратуры в частности.

Ключевые слова: критерий, оценка, топливная аппаратура, дизель, подача топлива.

Введение.

В последние годы, в связи с форсированием дизелей и задачами направленными на повышение топливной экономичности, улучшение экологических качеств, и связанной с этим интенсификацией топливопо-дачи, вводится целый комплекс критериев для оценки топливных систем с точки зрения их энергетических и качественных параметров. Рассмотрим критерии оценки топливной аппаратуры в целом и критерии оценки структурных компонентов топливной аппаратуры в частности.

Критерии оценки топливной аппаратуры

Общеизвестно, что важную информацию о состоянии топливных систем дизелей несет и закон подачи топлива, его распределение по времени. Для анализа впрыскивания наиболее подходит дифференциальный закон

подачи gт=f(фпкв), который связан с соотношением:

g Т

1 ®ВПР

- ÍGт d4

(1)

где о - угловая скорость кулачкового вала топливного насоса; Фвпр - угол окончания впрыскивания.

Без учета множества факторов, влияющих на процесс топливоподачи, упрощенно полагают [5, 7] QН = Qф, тогда:

фвпр

й- = о 1РШ, = gт(Pт■hп

,).

(2)

Таким образом, интегральный закон подачи в своей основе формируется на данном режиме качественным состоянием топлива и профилем кулачка. Вместе с этим он определяется и состоянием механизма передач, форсунки и наличием зазоров в прецизионных парах. Принимая рт и кпп постоянными,

возможно оценить влияние технического состояния топливной аппаратуры на интегральный закон подачи топлива.

При ухудшении технического состояния топливной системы происходит изменение следующих показателей: давления открытия нагнетательного клапана и начала впрыскивания, эффективного проходного сечения элементов ТАВД, зазоров в прецизионных парах. Все это приводит к изменению интегрального закона подачи, а значит сравнение топливной аппаратуры может проводится только при ее исправном состоянии.

В последние годы, в связи с форсированием дизелей и задачами направленными на повышение топливной экономичности, улучшение экологических качеств, и связанной с этим интенсификацией топливоподачи, вводится целый комплекс критериев для оценки топливных систем с точки зрения их энергетических и качественных параметров:

- критерий интенсификации впрыскива-

ния

1 (Ртн

- коэффициент стабильности распыли-вания топлива кр, равный отношению среднего давления распыливания топлива к максимальному;

- динамический коэффициент подачи Г]ак, равный отношению средней объемной скорости истечения топлива через сопловые отверстия распылителя к средней объемной скорости вытеснения топлива плунжером топливного насоса приведенной к продолжительности полного цикла дизеля, с учетом смещения на время распространения импульса по нагнетательному трубопроводу;

- коэффициент относительной мощности распыливания топлива к средней эффективной мощности обслуживаемого цилиндра дизеля.

При решении системы уравнений баланса расхода топлива и волновых уравнений по методу Б. Н. Файнлейба [6] критерий интенсификации впрыскивания находится как:

7 А)

V + АV0Л

У цил У О / П

(3)

где АV 0 =

V П =

Лп а(У КА + VП + VТР)

f т? А

• a-а

6п

Фа;

(h - h

V т

цил

ЛТ

п

-) + 5

Л

f т

12п

Ф,

В этих выражениях: AVo - объем, на который сжимается топливо при уровне давления рт.а в нагнетательном трубопроводе на участке, на который распространяется на период Ф0 , Vmр' - половина объема указанного участка трубопровода (т.к. в начале участка давление рт.н, а в конце - рт.о); Ьгнп - перемещение плунжера до геометрического начала подачи топлива; кп - текущий ход плунжера; щп - коэффициент подачи системы.

Или следующее приближенное выражение для распространенных систем топливо-подачи:

1(б™х ) = 1250• , (4)

Vc

где VI; - суммарный объем сжимаемого в системе топлива; рт.н. - давление топлива в нагнетательном трубопроводе, создаваемое перед началом активного хода плунжера.

Физический смысл критерия интенсификации впрыскивания заключается в том, что значения энергии впрыскивания топлива за весь период определяются средним уровнем давления впрыскивания Рвпр, которое в свою очередь пропорционально максимальному давлению впрыскивания топлива и обратно времени нарастания и падения давления.

Остальные критерии представляются следующими выражениями:

Рр ср. _ 1

Р«

= Т 1 + ^п + kak (^п - Кп ) + kc I1 - kнп )] (5)

К =

Тг3 п

VcP Р

2^впр рец

(6)

т Vc Рр тах(1 kнп)

Лak = 1 + С

V«

Ей

(7)

где

kaк = 1 -

VcР« V • Е

и

впр

продолжительность впрыскивания,

и

впр

9впр ; Ртах и Ррср- максимальное и среднее

6п„

давление распыливания; Кнп - отношение давления начала впрыскивания к максимальному давлению; Кс - отношение продолжительности распыливания с постоянным максимальным давлениям перед отсечкой подачи, к общей его продолжительности; как - коэффициент активности (отношение продолжительности распы-ливания от его начала до отсечки подачи к общей продолжительности); Vcн, Vп - объем топливной системы и цикловой подачи; Е и р - модуль упругости и плотность топлива; Рец - эффективная цилиндровая мощность дизеля; рц -среднее давление в цилиндре дизеля за период распыливания топлива.

Данные критерии оценки топливоподачи хорошо согласуются с представлениями о физических условиях протекания процесса топливоподачи и достаточно широко используются для исследования [1, 2, 3, 7, 8].

В связи с тем, что работа автомобильного дизеля происходит в широком нагрузочном и скоростном диапазоне, а оптимальный режим топливоподачи, протекающий без искажения процесса, является ограниченной областью рабочих режимов дизеля, основные показатели оценивающие качество топливоподачи и рас-пыливания, колеблются в широких пределах. Поэтому оценка работы системы, практикуемая лишь для оптимальных режимов, в силу специфики использования автомобильных дизелей является некорректной.

Естественно, что на различных режимах работы дизеля предлагаемые для оценки критерии будут изменяться, т.к. они являются функцией как от числа оборотов вала топливного насоса, так и от величины цикловой подачи. Практически имеются функции

7^х (п, Ье), kp (п, Ье), К (п, Ье ),Лак (п, Ье).

Вместе с этим, как ранее отмечалось, техническое состояние топливной системы оказывает значительное влияние на показатели топливоподачи. Следовательно, наиболее информативный характер будет носить изменение критериев во всей области дизеля и при различных состояниях топливных систем в эксплуатации [4, 8].

а

При анализе влияния эксплуатационных параметров на характеристики топливопода-чи в процессе ухудшения технического состояния ранее отмечалось, что степень их влияния оценить в чистом виде без взаимодействующих одновременно факторов достаточно сложно. Поэтому теоретическое исследование направлено на анализ влияния факторов без учета возникающих побочных: таких, например, как нагаро- и шлакообразование на игле распылителя, уменьшение затяжки пружин форсунки и нагнетательного клапана и , как следствие, связанное с этим изменение давления страгивания иглы и нагнетательного клапана и т.д.

В итоге, для оценки топливной системы подобраны критерии, которые позволяют оценить ее наиболее важные параметры, заключающиеся в определении давления впрыскивания, интегрального закона топливопо-дачи и интенсивности их изменения, стабильности протекающих процессов при впрыскивании в цилиндр, затрат мощности на впрыскивание, объема топливной системы, а также динамических нагрузок [8].

Критерий оценки структурных компонентов топливной аппаратуры

Структура топливной аппаратуры и накладываемые взаимосвязи между отдельными компонентами определяется в первую очередь назначением двигателя, требованиями к техническим характеристикам, конструктивными особенностями отдельных узлов, систем и механизмов, а также принятыми способами организации рабочего процесса -впрыскивания топлива, смесеобразования, сгорания и способами управления рабочим процессом.

Основными параметрами, точность которых должна обеспечить выбранная структура топливной аппаратуры, являются:

- цикловая подача топлива qц - количество топлива, подаваемого через форсунку за цикл рабочего процесса дизеля;

- характеристика впрыскивания (закон подачи топлива), включающий в себя интегральную характеристику - зависимость от времени количества топлива, поступившего в цилиндр через распылитель форсунки в период от начала впрыскивания до заданного момента;

- продолжительность впрыскивания -угол поворота кулачкового вала ^ или время тв , соответствующее впрыскиванию топлива;

- угол опережения впрыскивания топ-

лива Q - угловое положение коленчатого вала, при котором начинается впрыскивание относительно в.м.т. в данном цилиндре;

Достаточно стройная логическая взаимосвязь отношений в структурной модели позволяет детально изучить структуру объекта и системы в целом.

Для оценки структурного совершенства системы можно ввести критерии оценки. Рассмотрим последовательно влияние схем топливной аппаратуры на: точность дозирования; точность начала впрыскивания; точность характеристики впрыскивания.

Величины отклонений на каждом этапе будем суммировать.

Точность дозирования определяется: по силовой линии: Лqц к - износ кулачка вала ТНВД; Лqц пл - износ плунжера; Лqц н.кл -характеристика пружины нагнетательного клапана; Лqц тп - податливость топливопровода; Лqц пр.ф - характеристика пружины форсунки; Лqц иглы - износ иглы и корпуса распылителя; Лqц х.и - нестабильность положения иглы на упоре; Лqц с.р - техническое состояние сопловых отверстий распылителя; Лqц о -объемы разгрузки топливной системы; Лqц пв -подвпрыскивание топлива.

по информационной линии: Лqц тр - си-

ц и

лы трения в сочленении регулятора; Лq1 износ сочленений; Лqц пр.р - отклонение характеристик пружин регулятора; Адц пр.к - отклонение характеристик пружин отрицательного и положительного корректора; Лqц кул - износ кулачкового вала ТНВД; Адц к.к - крутильные колебания КВ и кулачкового вала ТНВД.

Обозначив А<2Цс =^Адцс.л., - отклонение

г=1

по точности дозирования по силовой линии и

т

А2ц„ =ХА?ц«.л, - отклонения по точности до-

1=1

зирования по информационной линии.

Можно получить следующее соотношение:

Кн

А<2цс + Абц,

9цз

которое показывает нестабильность дозирования принятой схемы топливоподачи (^цз - заданная (желаемая) цикловая подача).

Кт — ■

Чцз -Q ~AQuu - ч

^цс

ци

1цо

Ч:

теоретиче-

цо

ская степень нестабильности цикловой подачи ^цо - оптимальная величина цикловой подачи для заданного режима).

Интерес представляет также соотношение отклонений по силовой и информационной линиям:

—

AQ,

цс

Ш,

ци

Критерий Кис ^ 1 в том случае, если отклонение дозирования по информационной линии будет равно отклонению по силовой линии, т.е. AQyu = AQ4C. Это можно наблюдать в схеме ТА. Так как топливо закачивается в аккумулятор, то силовая линия не оказывает прямого воздействия на точность цикловой подачи. Она определяется исключительно точностью датчиков и исполнительных механизмов.

Величина Кис в значительной степени зависит от режима работы дизеля. Аналогично, критерии совершенства системы топливопо-дачи можно получить и по точности начала подачи и по характеристике впрыскивания -Кисо, Кисх. Как видно из представленного выше мы пришли к задаче анализа параметров Aqi. В том случае, если при анализе параметров принято решение min величины Aqi, а это требует изменения структурной схемы, необходимо вновь выполнить структурный анализ. Далее процесс повторяется.

Заключение

Подводя итог вышесказанному имеется возможность предварительного вывода о том, что для определения технического состояния ТА возможно использовать способ оценки волновых явлений в ТВД, однако это требует дальнейших исследований.

Библиографический список

1. Астахов, И. В. Подача и распыливание топлива в дизелях. / И. В. Астахов. - М.: Машиностроение, 1972. - 363 с.

2. Астахов, И. В. Энергетическая характеристика, критерии оценки и выбора параметров рабочего процесса топливной системы дизеля / И. В. Астахов // Двигателестроение. 1998 - № 3 - С. 14 - 17.

3. Мазинг, М. В. Законы управления топливопо-дачей / М. В. Мазинг // Автомобильная промышленность. - 1994 - № 9 - С. 7 - 9.

4. Патрахальцев, Н.Н. Дизельная система то-пливоподачи с регулируемым начальным давлением / Н.Н. Патрахальцев / Двигателестроение. -1980. - № 10 - С. 33-38.

5. Свиридов, Ю. Б. Топливо и топливоподача автомобильных дизелей / Ю.Б. Свиридов - Л.: Машиностроение, 1979. - 248 с.

6. Файнлейб, Б. Н. Уточненный метод гидродинамического расчета процесса топливоподачи в автотракторных дизелях / Б. Н. Файнлейб, Е. Е. Квасцов, Р. И. Миронова / Двигателестроение. -1990. - №10 - С. 7 - 10.

7. Шапран, В. Н. Изменение параметров смесеобразования дизелей в процессе эксплуатации / В. Н. Шапран, А. Н. Патрин // Тез. докл. 23-ей на-уч.-метод. конф. Ряз. высш. воен. авт. инж. уч-ща, Рязань, 1993. - С. 98 - 101.

8. Шапран, В. Н. Критерии оценки систем топ-ливоподачи / В. Н. Шапран, А. Н. Патрин // Тез. докл. 25-ой науч.-метод. конф. Воен. авт. ин-та, Рязань, 1995. - С. 88 - 92.

C RITERIA OF ASSESSING FUEL EQUIPMENT OF DIESELS

D. I. Lepyoshkin

Abstract. As a research problem the author, on the base of criteria analysis of assessing fuel equipment of the high pressure of diesels, tried to determine the technical condition of different fuel systems of diesels on parameters of the wave effects in the line of high pressure. In the article there are analysed criteria of assessing fuel equipment as a whole, and a criterion of assessing structural components of a fuel equipment.

Keywords: criterion, assessment, fuel equipment, diesel, fuel feed.

References

1. Astakhov I.V. Podacha i raspylivanie top-liva v dizeljah [Fuel supply and distribution in diesels]. Moscow, Mashino-stroenie, 1972. pp. 65 - 84.

2. Astakhov I. V. Jenergeticheskaja harakteristika, kriterii ocenki i vybora parametrov rabochego processa toplivnoj sistemy dizelja [Energy characteristic, criteria of assessing and choosing parameters of the working process of a diesel's fuel system] Dvigatelestroenie 1998, no 3. pp. 14 - 17.

3. Mazing M. V. Zakony upravlenija toplivopodachej [Laws for controlling fuel supply]. Avtomobil'naja promyshlennost', 1994, no 9, pp. 7 - 9.

4. Patrahalicev N. N. Dizel'naja sistema to-plivopodachi s reguliruemym nachal'nym davle-niem [Diesel system of fuel supply with adjustable initial pressure]. Dvigatele-stroenie, 1980, no 10. pp. 33-38.

5. Sviridov Y. B. Toplivo i toplivopodacha avtomobil'nyh dizelej [Fuel and fuel supply of car diesels]. L.: Mashinostroenie 1979. 248 p.

6. Faynleyb B. N., Kvascov E. E., Mironova R. I. Utochnennyj metod gidro-dinamicheskogo rascheta processa toplivopodachi v avtotraktornyh dizeljah [Specified method of hydraulic and dynamic calculation of the fuel supply process in automotive diesels], Dvigatelestroenie, 1990, no 10, pp. 7-10.

7. Shapran V. N. Patrin A. N. Izmenenie parametrov sme-seobrazovanija dizelej v processe jekspluatacii [Changing parameters of mixing diesels

in the operational process] Tez. dokl. 23-ej na-uch.-metod. konf. Rjaz. vyssh. voen. avt. inzh. uch-shha, Rjazan' 1993. pp. 98 - 101.

8. Shapran V. N., Patrin A. N. Kriterii ocenki sistem top-livopodachi [Criteria of assessing fuel supply systems]. Tez. dokl. 25-oj nauch.-metod. konf. Voen. avt. in-ta, Rjazan', 1995. pp. 88 - 92.

Лепёшкин Дмитрий Игоревич (Россия, г. Омск) - зам. генерального директора ОАО НПО «Трансмаш - Сервис», аспирант ФГБОУ ВПО «СибАДИ» (644105, Омск, ул. 20 Партсъезда, 97 e-mail: [email protected])

Lepyoshkin Dmitriy Igorevich (Russian Federation, Omsk) - deputy director of OAO NPO "Transmash - Service", graduate student of The Siberian automobile and highway academy (SIBADI) (644105, Omsk, 20 Partsiezda st., 97, e-mail: [email protected])

УДК 621.436.12

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРОВ ТОПЛИВНОЙ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЯ НА ВЕЛИЧИНУ ТОПЛИВОПОДАЧИ

М. М. Саенко ОАО НПО «Трансмаш-Сервис», Россия, г. Омск

Аннотация. Статья посвящена пристальному анализу влияния различных факторов: температуры топлива, давления начала подачи топлива форсункой, эффективного проходного сечения распылителя форсунки и длинны топливопровода высокого давления на величину и равномерность подачи топлива в цилиндры дизеля. Статья подводит некоторые итоги изучения результатов ранее проведенного математического моделирования процесса топливоподачи дизеля. На сегодняшний день данная проблема мало изучена и требует дальнейших исследований.

Ключевые слова: топливная аппаратура дизеля, форсунка, топливоподача, исследование, равномерность.

Введение

Для проверки теоретических положений о характере и степени влияния допустимых значений регулировочных параметров приборов ТА на характер изменения цикловой подачи ранее было выполнено моделирование процесса топливоподачи исследуемого дизеля, на основе результатов которого установлено влияние различных факторов на величину и равномерность подачи топлива в цилиндры дизеля.

Расчет параметров топливоподачи

На основании анализа технической литературы имеется возможность сделать вывод о том, что на отклонения цикловой подачи в процессе эксплуатации дизеля влияет множество факторов: давление и производительность ТПН, степень засоренности топливных каналов и фильтров, степень износа кулачкового вала ТНВД, степень износа прецизионных пар, а, следовательно, величина утечек топлива, жесткость пружин нагнетательного клапана и форсунки, длинна и форма топливопроводов, температура топлива, величина эффективного проходного сечения топливопроводов и распылителя форсунки, режим работы двигателя и ряд других. При этом к факторам подверженным в процессе эксплуатации наибольшим изменениям и при

этом оказывающим наибольшее влияние на отклонения равномерности цикловой подачи относятся: давление начала топливоподачи форсункой и величина эффективного проходного сечения распылителя форсунки.

Согласно [1,6] зависимость перепада давления топлива Рт в полости, прилегающей к сопловым отверстиям, и давления в цилиндре двигателя Рц:

P _P = QPm т 4 = 2(f ) ■

(1)

где: Q - секундный расход топлива, м3/с; рт - плотность топлива; [л/р - эффективное проходное сечение распылителя форсунки.

Из данной зависимости имеется возможность получить значение цикловой подачи топлива за время впрыскивания т, которая примет вид:

Чц = *(Mfp).

2(Pm _ Рц )

Рт

(2)

Кроме того, используя зависимость давления начала топливоподачи:

p

S

- d

A V 1

_Р -L

ц 4

(3)

)

d