CC BY
47
УДК 621.436.0046
ББК 39.455-044.2-082.05с51
В. И. Одинцов, О. Т. Шайхатаров
РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ С ЦЕЛЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ В ОБЩЕМ АЛГОРИТМЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОГО НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ДИЗЕЛЯ
V. I. Odintsov, O. T. Shaikhatarov
DEVELOPMENT OF THE COMBINED METHOD OF THE ANALYSIS OF FUEL SUPPLY AMING AT APPLICATION IN THE GENERAL ALGORITHM OF DIAGNOSIS OF HIGH-PRESSURE FUEL PUMP AND DIESEL
Представлен комбинированный метод расчёта параметров процесса топливоподачи с целью применения в алгоритме диагностирования топливного насоса высокого давления (ТНВД) судового дизеля. Метод отличается низкой трудоёмкостью и возможностью применения алгоритма в эксплуатационных условиях.
Ключевые слова: процесс топливоподачи, численное моделирование, диагностирование.
The combined method of the analysis of fuel supply aming at application in the general algorithm of diagnosis of high-pressure fuel pump of marine diesel is presented. The method is characterized by low labor intensiveness and the possibility of algorithm applying during an operation.
Key words: process of fuel supply, numerical simulation, diagnosis.
В период эксплуатации судовых дизелей изнашиваются прецизионные элементы топливной системы высокого давления (ТСВД). В результате этого изменяются параметры процесса топливоподачи и, следовательно, динамика развития топливных струй в цилиндре дизеля и параметры рабочего процесса.
Кроме того, двигатели судов рыбопромыслового флота работают при изменяющихся внешних условиях (сопротивление движению судна; температура, влажность, давление окружающей среды, температура забортной воды), влияющих на нагрузку двигателя и, следовательно, цикловую подачу топлива. Большое влияние на процесс топливоподачи оказывает качество бункеруемого топлива. В этих условиях необходимо отделить влияние изменения технического состояния топливного насоса высокого давления (ТНВД) от влияния внешних факторов. Для этого необходимо разработать соответствующие эталонные показатели, учитывающие их воздействие на процесс топливоподачи.
Контрольными параметрами для оценки технического состояния ТНВД и качества его работы обычно служат давление топлива в момент начала подъема иглы форсунки и его расположение относительно верхней мертвой точки (ВМТ), угол наклона кривой давления на участке до начала впрыска топлива, максимальное давление топливоподачи и его расположение относительно ВМТ, продолжительность топливоподачи, момент начала открытия отсечного органа (клапана или отсечного отверстия).
Следовательно, изменение контрольного параметра можно представить как
ДДП = ДП - ДПвнф - ДПСТенд,
где ДДП - изменение контрольного параметра; ДПх - значение контрольного параметра в момент измерения; ДПстенд - значение диагностического показателя, полученное в стендовых условиях или расчетным путём; ДПвнф - влияние внешних факторов на контролируемые параметры.
Исключив влияние внешних условий, можно оценить техническое состояние элементов. Контролируемые параметры могут быть получены экспериментальным или расчетным моделированием. Второй способ является более приемлемым.
В настоящее время для моделирования процесса топливоподачи в судовых дизелях существует ряд методов, например методы Ю. Я. Фомина, Ф. А. Васькевича и др. Методы основаны на уравнениях гидравлического удара Н. Е. Жуковского и отличаются способом их решения. Следует отметить, что подготовка исходных данных является трудоёмкой задачей, особенно для решения эксплуатационных задач, т. к. неизвестен ряд конструктивных параметров [1]. Кроме высокой трудоёмкости, при подготовке исходных данных методы требуют много машинного времени для проведения расчетного эксперимента [2].
Наиболее простым является статический метод Н. А. Андреевского [3], основанный на нескольких допущениях: давление топлива повышается мгновенно во всей системе и, следовательно, не учитывается волновой характер распространения давления, не учитываются потери давления на преодоление сопротивлений и утечки через зазоры в прецизионных элементах.
Существующие системы диагностирования производят оценку отдельных подсистем двигателя (рабочий цилиндр, система турбонаддува, топливная аппаратура), поэтому для применения метода в общем алгоритме диагностирования должны быть выполнены особые требования: простоты решения и небольшой трудоёмкости в подготовке данных и проведении расчетов с приемлемой погрешностью вычислений.
Анализ процесса топливоподачи в судовых дизелях показывает, что давление в ТСВД в период между началом подачи топлива и приходом волны давления к форсунке распределяется по закономерности, представленной на рис. 1. Затем закономерности изменения давлений в ТНВД и форсунке на участках повышения давления в первом и втором периоде процесса топ-ливоподачи примерно одинаковые, что подтверждается совмещением осциллограмм давления в ТНВД и форсунке, представленных на рис. 2 и 3 для мало- и среднеоборотного дизеля.
АР
Рис. 1. Распределение давлений в ТСВД
ПКВ
Рис. 2. Совмещение осциллограмм давления: 1 - в ТНВД; 2 - в форсунке двигателя 8 КМЭ
Рис. 3. Совмещение осциллограмм давления: 1 - в ТНВД; 2 - в форсунке двигателя 6ЧН 25/34-10
С целью снижения трудоёмкости вычислений объединим методы из [1] и [4] на основе следующей расчетной модели процесса [4]:
1. Давление топлива в элементарных объемах ТСВД изменяется в результате его деформации, происходящей под влиянием процессов сжатия, расширения и выравнивания давлений.
2. Вытеснение топлива плунжером в течение бесконечно малого промежутка времени вызывает мгновенное увеличение давления в слое топлива, прилегающем к торцу плунжера. Образующаяся при этом волна сжатия распространяется по направлению к форсунке со скоростью равной скорости звука в соответствии с характеристиками топлива, деформируя его и тем самым увеличивая плотность и давление в элементарных объемах ТСВД. Прохождение каждой волны сжатия приводит к квазистационарному увеличению давления за фронтом волны. В течение каждого расчетного интервала непрерывно образуются волны сжатия.
3. Впрыскивание топлива в цилиндр, утечки, отсечка, регулируемый сброс топлива, протекающие за бесконечно малый промежуток времени, приводят к мгновенному уменьшению давления в прилегающих к сечениям стока бесконечно малым объемам.
4. После интервала, равного времени прохождения волны давления от ТНВД к форсунке, образуются информационные волны от промежуточных сечений ТСВД, вследствие чего скорости нарастания давления в ТНВД и форсунке выравниваются.
Давление топлива в конце /-го расчетного участка (после подъёма иглы форсунки) вычисляется с учётом известных соотношений:
Р = Р-1+ЛР,
АР =-
УЖ
2 2
^пл ^плі М'ут1/ут1і4| г (Рі Рці) М'отс./отсг ^ ^ (Рі Рнд )
тес/ес^Р - РЦі) +Мут2/ут2^2(Р - Рнд )
>Ат,- - АР
сопрі
где Ус/ - объём ТСВД; Ь; р - коэффициент сжимаемости и плотность топлива; Упл/, ^пл -скорость и площадь плунжера; тсо, /со - коэффициент расхода и площадь сопловых отверстий; тут1, /ут1/ - коэффициент расхода и приведённая площадь зазора в прецизионных парах ТНВД; туг2, /ут2/ - коэффициент расхода и приведённая площадь зазора в прецизионных парах форсунки; тотс, /та - коэффициент расхода и текущее значение площади отсечного органа; Рц/, Рнд - давление в цилиндре и давление топлива в системе низкого давления; Ат - продолжительность расчетного участка; АРсопр/ - потери давления на преодоление сопротивления.
При этом утечки топлива через прецизионные элементы ТНВД и отсечка через органы регулирования оказывают корректирующее влияние на изменение давления топлива в результате перемещения плунжера, а утечки через прецизионные элементы форсунки - соответственно на снижение давления впрыска. В квадратных скобках выделены факторы, влияющие на изменение давления в ТНВД и форсунке.
с
1
В связи с тем, что значения давления в ТНВД и форсунке отличаются в начале процесса топливоподачи, для проведения расчетов будем использовать метод [4].
Для расчета давления топлива в любой точке трубопровод высокого давления разделяется на участки длинной А/. Тогда объём ТСВД можно представить как
/_п ■ _ п
К/ _ ^ТНВД + Ртр ' А/X Ах/ . ,
/_1 1
где УТНВд - объём ТНВД; ^ - площадь поперечного сечения трубопровода; А/ - длина
участка трубопровода; п - количество участков.
Тогда
^ 'V .'Ах.
АР пл ил/______1_
1 V. р.
е/~ /
Результаты расчетов по разработанному алгоритму сопоставлены с экспериментальными данными (рис. 4) двигателя 5ДКРН 90/180 [1].
с
Рис. 4. Сравнение экспериментальных и расчетных данных: 1 - эксперимент; 2 - расчёт
Как видно из представленных данных, максимальное отклонение расчетных и экспериментальных значений на большей части процесса не превышает 5 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреевский Н. А. Топливоподающие системы корабельных двигателей внутреннего сгорания. -Л.: Наука, 1957. - 156 с.
2. Васькевич Ф. А. Повышение эффективности эксплуатации главных судовых дизелей методами регулирования и диагностики топливной аппаратуры: дис. ... д-ра техн. наук. - СПб., 2006. - 234 с.
3. Кочерга В. Г. Разработка метода количественного оценивания параметров технического состояния форсунок тепловозных дизелей в условиях ремонтного производства: автореф. дис. . канд. техн. наук. - Хабаровск, 2010. - 20 с.
4. Одинцов В. И. Рабочий процесс судовых ДВС: моногр. - Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. - 141 с.
Статья поступила в редакцию 19.06.2012 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Одинцов Виктор Иванович - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Калининград; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Судовые энергетические установки»; seu@bga.gazinter.net.
Odintsov Victor Ivanovich - Baltic State Academy of Fishing Fleet, Kaliningrad; Doctor of Technical Sciences; Professor; Head of the Department "Ship Electric Power Installations"; seu@bga.gazinter.net.
Шайхатаров Олег Табрисович - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Калининград; аспирант кафедры «Судовые энергетические установки»; mein-box@yandex.ru.
Shaikhatarov Oleg Tabrisovich - Baltic State Academy of Fishing Fleet, Kaliningrad; Postgraduate Student of the Department "Ship Electric Power Installations"; mein-box@yandex.ru.
SS
