РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ЛИНИЕЙ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЯ ТИПА Д-245 Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2*

лет с вами

Результаты моделирования процесса топливоподачи линией низкого давления дизеля типа Д-245

49

О.Н. Дидманидзе, профессор, заведующий кафедрой «Тракторы и автомобили» им. академика В.Н. Болтинского» ФГБОУ ВО «РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева», институт механики и энергетики им. В.П. Горячкина, д.т.н., С.А. Зыков, доцент кафедры «Тракторы и автомобили»

им. академика В.Н. Болтинского» ФГБОУ ВО «РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева», институт механики и энергетики им. В.П. Горячкина, к.т.н., О.Н. Слепцов, доцент кафедры «Тракторы и автомобили»

им. академика В.Н. Болтинского» ФГБОУ ВО «РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева», институт механики и энергетики им. В.П. Горячкина, к.т.н.

От работы топливной системы зависят рабочие процессы и эксплуатационные характеристики дизельного двигателя внутреннего сгорания, применяемого практически во всех отраслях производства. Одним из основных факторов работы топливной системы двигателя является процесс подготовки подачи топлива в магистраль высокого давления и нагнетательную магистраль ТНВД. В статье рассмотрены методика моделирования при учёте эксплуатационных свойств топлива, включая смесевое (рапсовое масло и дизельное топливо), климатические условия с составлением основных расчётных формул гидравлических процессов топливо-подачи линией низкого давления топливной системы непосредственного действия («классическая»). Составлена универсальная структурная схема топливной системы, учитывающая прохождение топлива по каждому участку линии низкого давления от топливного бака до насоса высокого давления. Получены характеристики процесса топливоподачи в зависимости от эксплуатационных свойств топлива и климатических условий по каждому участку системы, включая перепады по точкам, линиям, соединительным элементам топливной системы (штуцеры). Особое внимание уделялось расчёту пропускной способности фильтрующих элементов фильтра тонкой очистки топлива, от которого зависит большая часть гидравлических сопротивлений в линии низкого давления. Были даны рекомендации по снижению гидравлического сопротивления на участках топливной системы с фильтром тонкой очистки топлива.

__Ключевые слова:

топливная система дизеля, топливный насос низкого давления, топливный насос высокого давления, эксплуатационные свойства дизельного топлива, фильтр грубой

очистки, фильтр тонкой очистки.

целях оценки работоспособности обобщённой математической модели функционирования линии низкого давления топливоподачи [1-3], а также для её оптимизации была рассмотрена работа топливной системы

низкого давления с насосом низкого давления на примере дизеля типа Д-245 со штатным фильтром тонкой очистки топлива (ФТО) с фильтрующим элементом из фильтровального картона «БФДТ».

Одновременно на модели исследовалось влияние местных сопротивлений при прохождении топлив различной вязкости в топливной магистрали низкого давления с учётом изменения температурных условий.

Как отмечалось другими исследователями, эффективная работа топливной системы существенно зависит от эксплуатационных параметров применяемых топлив [2, 4]. На первом этапе было рассмотрено влияние эксплуатационных параметров различных топлив на работу линии низкого давления. Известно, что изменение давления по линиям топливных магистралей существенно зависит от температуры окружающей среды.

На рис. 1 представлены результаты изменения динамической вязкости дизельного топлива (ДТ) и смесевого топлива, состоящего из ДТ и рапсового масла (РМ), в топливной системе низкого давления от температуры окружающей среды.

0,03

0,02

,,Па-с 1 \ \ \

\ \ \ \

Л \ ч N ч.

*- я - - — -. ~ — — — .

0,01

о

-20 -10

10 20 30 /, °С

Рис. 1. Изменение динамической вязкости топлив в зависимости от температуры окружающей среды: - ДТ;-----смесевое топливо (70 % ДТ + 30 % РМ)

Экспериментально установлено, что перепады давления топлива в топливных магистралях определяются изменением динамической вязкости и определяются по следующим зависимостям [1-3, 5, 7]:

ЛРд =

^]к1Тк, 2р

]к

dт

' 9,'

^ Тк У

'Рт ^

к 2 ,

[Па],

(1)

где Ар)к - падение гидравлического давления по длине на участке ]-к магистрали линии низкого давления, Па; Х)к - коэффициент потери напора по длине на участке )-к магистрали линии низкого давления; ЬТ)к - длина участка

т

топливной магистрали, м; рТ - плотность топлива, кг/м3; dт ^ - диаметр проходного сечения топливной магистрали, м; Qjk - объёмный расход топлива

2*

лет с вами

в топливной системе, м /ч; /Т)к - площадь проходного сечения топливной

2

магистрали, м . 51

Результаты исследований гидравлических процессов топливной системы низкого давления для дизельного и смесевого (70 % ДТ + 30 % РМ) топлив представлены в [2]. При температуре окружающей среды I = 20 °С изменение давления для дизельного топлива составит 282 Па, а для смесевого (70 % ДТ + 30 % РМ) - 664 Па; при I = -20 °С изменение давления для дизельного топлива составит 1610 Па, а для смесевого - 7428 Па.

Анализ данных, представленных на рис. 2, показывает, что характеристики изменения давления топлив в топливной системе низкого давления на участке АВ от топливного бака до фильтра грубой очистки топлива (ФГО) (схема рис. 3.) практически аналогичны до t=0 °С, и можно говорить об идентичности процессов в области положительных температур.

Рис. 2. Изменение давления на участке АВ линии низкого давления дизеля типа Д-245 в зависимости от температуры окружающей среды: - ДТ;-----смесевое топливо (70 % ДТ + 30 % РМ)

Гидравлическое сопротивление на участках АВ и ВБ (магистрали входа в ННД) характеризуется существенным снижением сопротивления на участке ББ в сравнении с участком АВ вследствие того, что ННД создаёт в точке Е разряжение.

Интервал гидравлических сопротивлений топливных магистралей при прохождении топлив колеблется в широких интервалах:

• при t = 20 °С на дизельном топливе до 141 Па, а на смесевом топливе (70 % ДТ + 30 % РМ) до 332 Па;

• при t = -20 °С для дизельного топлива до 805 Па, а на смесевом топливе до 3714 Па.

По расчётным значениям на участке ББ построены зависимости, представленные на рис. 4.

Рис. 3. Обобщённая структурная схема топливной системы низкого давления дизеля типа Д-245:

1 - топливный бак; 2, 3, 5, 6, 8, 9,11,12,14 - штуцеры линии низкого давления; 4 - ФГО; 7 - ННД (насос низкого давления); 10 - ФТО; 13 - ТНВД; 15 - перепускной клапан; Ар; - перепад давления в точках системы; Ар-к - перепад давления по магистралям линии низкого давления; Q¡ - объёмный расход топлива по топливной системе; п - частота вращения кулачкового вала

1,5

0,5

р, ш 1 1 1 Ч

\ V \ ч ч 1

\ *ч ч > <

— — 4 ^ — -б- -----<]

-

о! -20

-10

О

10

20

30

/, °С

Рис. 4. Изменение сопротивления Арсв на участке ББ линии низкого давления дизеля типа Д-245 в зависимости от температуры окружающей среды: - ДТ;-----смесевое топливо (70 % ДТ + 30 % РМ)

2*

лет с вами

Из расчётных значений на участке 1К топливной магистрали перед входом в ТНВД следует, что сопротивление данного участка наибольшее, так как ФТО создаёт значительное гидравлическое сопротивление, связанное с его забивкой механическими примесями. 53

В результате перепады давления топлива участка 1К будут следующими:

• при I = 20 °С на дизельном топливе составят до 369 Па, а на смесевом топливе (70 % ДТ+30 % РМ) до 896 Па;

• при I = -20 °С на дизельном топливе составят до 2110 Па, а на смесевом топливе (70 % ДТ+30 % РМ) до 10025 Па.

По результатам расчёта построен рис. 5 с приведением сравнительных гидравлических характеристик на участке 1К, соответствующих работе на дизельном и смесевом (70 % ДТ + 30 % РМ) топливах.

Рис. 5. Изменение гидравлического сопротивления Ар1К на участке 1К линии низкого давления дизеля типа Д-245 в зависимости от температуры окружающей среды: - ДТ;-----смесевое топливо (70% ДТ + 30% РМ)

Минимальное гидравлическое сопротивление топливной магистрали при температуре I = 45 °С (рис. 5) составляет 224 Па на дизельном топливе и 514 Па на смесевом (70 % ДТ + 30 % РМ). Расчётные данные на участках линии низкого давления (рис. 6) от топливного бака до входа в фильтр грубой очистки топлива и на входе в топливный насос высокого давления при 20 °С колеблются от 250 до 500 Па на входе в топливный насос высокого давления.

Данные обобщённого расчёта гидравлических сопротивлений линии низкого давления при использовании смесевого топлива (70 % ДТ + 30 % РМ) приведены в табл. 1. Они показывают, что изменение динамической вязкости ц составляет от 0,017264 Па-с при -20 °С до 0,001834 Па-с при +45 °С для дизельного топлива и от 0,082046 Па-с при -20 °С до 0,004207 Па-с при +45 °С для биотоплива, что требует учёта этого фактора при расчётах и модернизации топливоподачи линией низкого давления.

Рис. 6. Гидравлическое сопротивление на участках AB, DБ,

Ж при работе дизеля типа Д-245 в зависимости от температуры окружающей среды: - ДТ;-----смесевое топливо (70 % ДТ + 30 % РМ)

Таблица 1

Расчётные значения гидравлического сопротивления линии низкого давления

Участок Давление, Па

рА 203

pAB 7428

рВ 203

рС 0

рD 203

р DБ 3714

рЕ 1477

р ННД 10000

pG 1477

pGH 1025

pн 1477

pФТО 1274,9

pI 1477

p ж 10025

pK 1477

р ТНВД 2

рМ 585

pNБ 1262

2*

лет с вами

Представленные в таблице расчётные данные и характеристики показывают участки топливной системы низкого давления, на которых возрастает или уменьшается сопротивление при использовании биотоплива.

В процессе эксплуатации ФТО задерживает механические примеси размером 55

от 4...6 мкм, поэтому он в течение определённого времени забивается, снижает свою пропускную способность, в результате чего повышается его гидравлическое сопротивление прохождению топлива.

Сопротивление ФТО меняется в зависимости от времени его работы на дизельном топливе при расходе Qт = 300 кг/ч и средней концентрации механических примесей 0,005 % об., предельное значение сопротивления ФТО составляет 70 кПа [4]. При достижении предельного значения сопротивления ФТО расход топлива через него существенно падает, в результате чего нарушается процесс обеспечения двигателя отфильтрованным топливом.

Для предотвращения этого необходимо вовремя проводить техническое обслуживание фильтра. ТО-1 заключается в периодической промывке и замене фильтрующих элементов. Через 100.110 ч работы (ТО-1) сливается отстой из фильтра и промываются внутренние полости, а через 125 ч заменяется фильтрующий элемент.

Определим гидравлические сопротивления участка топливной системы с ФТО при использовании дизельного и смесевого (70 % ДТ + 30 % РМ) топлив. Изменение гидравлического сопротивления ФТО с учётом вязкости применяемых то-плив определяем по формуле [3-7]

а _ ^"бннд

АРфто -—^-, [Па] (2)

^^ ФТО

где ц - динамическая вязкость, Па-с; QННд - производительность насоса низкого давления, м3/ч; а - коэффициент пропорциональности (представляет собой удельную пропускную способность единицы площади фильтра при перепаде давления Ар = 0,1 МПа и динамической вязкости топлива 1 Па-с); FФТО - поверхность фильтрации фильтрующего элемента, м2.

Динамическая вязкость дизельного и смесевого (70 % ДТ + 30 % РМ) топлив отличается. Используя данные рис. 7, рассчитываем изменение Ар ФТО при работе на этих топливах. Результаты расчётов сопротивлений ФТО на различных топливах приведены в табл. 2.

Анализ данных табл. 2 показывает, что сопротивление ФТО при работе на смесевом топливе (70 % ДТ + 30 % РМ) через 360 кг/ч более чем вдвое превышает сопротивление ФТО при работе на дизельном топливе.

По данным табл. 2. построена кривая изменения давления ФТО, работающего на дизельном и смесевом (70 % ДТ + 30 % РМ) топливах, которая позволяет сделать вывод, что замену фильтрующего элемента ФТО при работе на сме-севом топливе необходимо проводить при ТО-1 через 100.125 моточасов. Таким образом, замену фильтрующего элемента ФТО при работе на смесевом топливе необходимо производить в 2 раза чаще, чем при работе на дизельном топливе.

Для снижения гидравлического сопротивления возможна замена штатного однопоточного ФТО трактора МТЗ-82 на двухпоточный параллельной фильтрации ФТО марки 2ФТ-3 с двумя фильтрующими элементами.

56

Таблица 2

Расчёт сопротивления ФТО марки 2ФТ-3 при работе на различных топливах

2ннд, кг/ч Ар топлив, МПа Удельная пропускная

Дизельное Смесевое способность ФТО

0 0 0 -

50 0,000525 0,001274876 287,71

100 0,00131 0,003181119 230,61

150 0,0026 0,006313671 174,29

200 0,00447 0,010854657 135,17

250 0,00668 0,016221278 113,06

300 0,01 0,02428335 90,63

360 0,015 0,036425025 72,71

На рис. 7 представлены гидравлические характеристики ФТО марки 2ФТ-3, позволяющие судить о положительном эффекте его применения на дизеле типа Д-245 при его работе на более вязких альтернативных топливах.

Рис. 7. Производительность ФТО марки 2ФТ-3 при работе на различных видах топлива в зависимости от изменения гидравлического сопротивления: - ДТ;-----смесевое топливо (70 % ДТ + 30 % РМ)

1. Белов В.М., Девянин С.Н., Слепцов О.Н. Применение в дизелях топлива растительного происхождения // Вестник ФГОУ высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина. - 2003. - № 4. - С. 15-21.

2. Слепцов О.Н. Эффективность применения топлив растительного происхождения в АПК / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина. - Москва, 2007

3. Слепцов О.Н. Проблемы в топливной системе дизеля при использовании вязких топлив // Грузовик. - 2012. - № 1. - С. 14-17.

4. Марков В.А., Девянин С.Н., Зыков С.А., Гайдар С.М. Биотоплива для двигателей внутреннего сгорания: Монография. - М.: НИЦ «Инженер» (Союз НИО), 2016. - 292 с.

5. Конструирование и производство топливной аппаратуры тракторных дизелей / В. Г. Кислов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1971. - С. 51-54.

6. Справочник слесаря по топливной аппаратуре двигателей / А.А. Зарин, А.З. Зарин, В.Е. Логинов. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 126-133.

7. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. - М.: Машиностроение, 1982. -422 с.

2*

лет с вами

На основании результатов проведённого моделирования выявлено, что гидравлические сопротивления в линии низкого давления топливной системы дизеля типа Д-245 на смесевом топливе выше, но при условии стандартных конструкционных параметров системы. 57

_Использованные источники

Для тульского муниципального транспорта закуплено топливо на 29 млн рублей

МКП «Тулгорэлектротранс» заключил контракт на поставку компримиро-ванного природного газа для заправки городского общественного транспорта. По итогам аукциона поставщиком топлива выступила компания «Газпром газомоторное топливо».

Согласно договору, муниципальному перевозчику требуется порядка 1,8 млн кубометров природного газа. Сумма контракта - 28,8 млн рублей, в том числе НДС 20 %.

В документе прописано, что поставщик ресурса обязан поставить товар надлежащего качества, осуществлять заправку автотранспорта по топливным картам, по ведомостям на АГНКС или МАЗС, также поставщик должен гарантировать соответствие качества поставляемого топлива действующим стандартам -ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия».

Договор действует с момента заключения до 29 февраля 2020 года.

http://www.tsn24.ru