Влияние изменения диагностических параметров форсунок на характеристику тепловыделения дизеля Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Литература

1. Сковородин В.Я., Пуршель Е.Е. Исследование возможности формирования металлокерамических плёнок при финишной антифрикционной обработке гильз цилиндров геомодификаторами //Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2016 - № 42. - С. 333-340.

2. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М: Машиностроение, 1981. - 279 с.

Диагностический параметр, форсунка, тепловыделение, дизель, давление начала впрыскивания, топливная аппаратура, коэффициент тепловыделения

Рациональное использование топливных ресурсов и улучшение топливно- экономических и экологических показателей поршневых тракторных дизелей в условиях эксплуатации во многом определяются техническим состоянием и качеством работы топливной системы (ТС). Отклонение ее основных диагностических (контролируемых) параметров от номинальных значений приводит к ухудшению мощносгных, экономических и экологических показателей работы дизелей.

При эксплуатации дизелей наибольшее количество неисправностей приходится на топливную систему, в связи с чем поддержание ее в исправном состоянии и проведение технического обслуживания и ремонта ее узлов и деталей с минимальными затратами является актуальной задачей.

Наиболее слабым звеном ТС тракторных дизелей является форсунка, которая работает в тяжелых условиях воздействия высокотемпературных внутрицилиндровых газов. Работа форсунки также связана с возникающими виброакустическими процессами, которые определяются двумя основными факторами - ударными воздействиями иглы при ее подъеме и посадке и гидродинамическими явлениями в процессе топливоподачи. В связи со сложностью происходящих процессов, изменения контролируемых параметров топливной системы (ТС ) носят случайный характер, и исследование характера их изменения обычно проводится с использованием принципов случайных процессов [1].

От работоспособности распылителя форсунки зависит качество процесса распыливания топлива, точность его дозирования, которые в целом влияют на протекающие в цилиндре дизеля рабочие процессы. Основными контролируемыми параметрами ТС, определяющими техническое состояние форсунки, являются давление начала впрыскивания топлива, среднее эффективное сечение и ход иглы распылителя. Взаимосвязь данных параметров с основными показателями двигателя - эффективная мощность Ые, эффективный удельный расход топлива ge , часовой расход топлива О,, крутящий момент Ме и экологические показатели (Э/7), в общем виде, можно записать следующими зависимостями:

УДК 621.432

Канд. техн. наук P.A. ЗЕЙНЕТДИНОВ (СПбГАУ, /габ 1 e/ mail.ru) Соискатель A.B. ФЕОКТИСТОВ

(Всеволожское ДРСУ, [email protected])

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРСУНОК НА ХАРАКТЕРИСТИКУ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ДИЗЕЛЯ

Ne = F\ (Рвпр, 8ц > К > (мЛр, @впр' /у-);

~ l'l (Рвпр ' &ц ■> hи' W.f ^ ■> @впр» Рц-"\

Me=F3(penp,g4,hu, iif^,eenp, /?„...); ЭП = Г<\(рвПр,glf, hu, iif ^,в<тр, Рц...).

где рвпр - давление начала впрыскивания топлива; gц - цикловая подача топлива; Ии -величина хода иглы распылителя; - среднее эффективное проходное сечение

распылителя; двпр - угол опережения впрыскивания топлива; рц - давление внутри цилиндра.

С достаточной точностью для задачи эксплуатационного контроля почти всегда можно выбрать из множества диагностических параметров один наиболее информативный и определить однозначную зависимость между значениями измеряемой диагностической величины ТС и эксплуатационными показателями двигателя. Тогда система уравнений (1) упрощается и исходя из рассматриваемых контролируемых параметров примет следующий вид:

С'ш =Ч'(РепрУ>

ат = у/(вспр);

Ne = f{penp)' Ne = mnp)-, Ne = f(glf)-

r~<

(2)

Ne = f{xm); Gm = y/{xm).

Известно, что основными контролируемыми параметрами форсунки, оказывающими существенное влияние на формирование характеристики топливоподачи в цилиндр двигателя и изменяющимися в условиях непрерывного прироста детерминированного хаоса при эксплуатации, являются давление начала впрыскивания топлива Рвпр и эффективное проходное сечение распылителя (ju/)p. Однако наиболее информативным диагностическим параметром форсунки, отражающим состояние ее прецизионной пары, является изменение давления начала впрыскивания.

Формализация методов построения алгоритмов диагностирования предполагает наличие формального описания поведения форсунки в исправном и неисправном состояниях. Исправную или неисправную форсунку можно представить как динамическую систему, состояние которой в каждый момент времени определяется значениями контролируемых параметров, при этом диагностические параметры объекта исследования рассматриваются как непрерывно изменяющимися во времени. В связи с этим для поддержания ТС в работоспособном состоянии закономерным будет выбор стратегии технического обслуживания по наработке.

Изменение выбранного диагностического параметра ТА во времени представляет собой случайный процесс X(t), протекающий под воздействием широкого спектра эксплуатационных факторов. В каждый фиксированный момент времени величина диагностического параметре X(t) имеет распределение вероятностей по нормальному закону, а функция распределения F(X) определяется выражением:

А'

А'

F(X)= J f{X)dx

—j=- f exp

■\I2tt •(jx(Tj)_'ao

2 o*(Tt)

■dx.

(3)

где тх(Т) и <тх(Т1) - математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение диагностического параметра ТА при наработке

В условиях эксплуатации в каждый фиксированный момент параметр подвергается диагностированию, и путем контроля определяется техническое состояние форсунки. При этом если воспользоваться понятием теории множеств и принять Хд, соответственно за допускаемое и предельное значения параметра ТА, то по результатам диагностирования топливную систему можно считать исправленной приХ^) > Хд, требующей восстановления при Хд > Х(Г£) > *ПР(Х0) и отказавшей при < ХПр . Исходя из этого, вероятности

нахождения ТА в момент контроля в исправном состоянии Ри, состоянии, требующем восстановления параметров Рв, и устранения последствий отказа Р0 определяются следующими выражениями

И:

Рщ т) >- Хд = ^ -Р\Хд) = 1~Р1 (Хд);

РВ, = Р, ^Г/;)> Хпр _= /<; схд) - /<; (ХПР); (4)

Ро, = р, \fiip (х^) - /<; (о),

где Р(Х) - функция распределения параметра; Хд, ХПР - соответственно допустимое и предельное значение параметров ТА. Хр, МПа

Хи

Хд

Х0

О Т] Т2 время контроля

Рис. Вероятностная модель диагностирования топливной аппаратуры с периодическим контролем работоспособности параметров изделий

При рассмотрении данной вероятной модели технического обслуживания с применением средств диагностики (рис.), допускается, что контроль и восстановление работоспособности изделий осуществляется через фиксированный момент контроля Тъ Тк2, 3Тк с периодичностью Д£ = Тк.

При втором и последующих диагностированиях вероятности нахождения ТА в исправном состоянии Ри ив состоянии, требующем восстановления Рв, можно определить из условной вероятности событий [2]:

Р

о-

>хд

К = Р Ы) >- хд/хЦ

д/ О у р

х{1г)<хд, 1 (5)

РВг =Р А{11)<Хд1х{11_1)>-Хд у

р ■ • " ^ 1

По результатам контроля диагностических параметров ТА подвергается техническому обслуживанию и ремонту с восстановлением ее исправного состояния. В результате этих «компенсационных» работ уровень неопределенности параметров технического состояния форсунки уменьшается в количественной форме. При этом восстановлению подвергаются те форсунки, у которых контролируемый параметр находится в одном из состояний: требующем восстановления или устранения отказа. Чем больше будет производиться операции по устранению повреждения технического состояния изделия, тем больше будут затраты энергии и времени, следовательно и степень «компенсационных» работ.

На работоспособность распылителей определенное влияние оказывает изменение его среднего эффективного проходного сечения оказывающего существенное влияние

на протекание процесса впрыскивания, приводящей к нарушению процесса впрыскивания топлива. Обычно в условиях эксплуатации в большинстве случаев наблюдается заметное увеличение величины , что приводит к росту пропускной способности форсунок,

обеспечивая тем самым увеличение цикловой подачи топлива [2].

Отклонения этих двух рассматриваемых диагностических параметров форсунок от номинальных их значений вносит определённые изменения в закон топливоподачи, который в свою очередь заметно влияет на процесс тепловыделения в двигателе. В связи с этим характеристика процесса тепловыделения в цилиндрах дизеля вследствие своей функциональной значимости может являться объектом непрерывного контроля в системе технической диагностики форсунок топливной системы.

Тепловыделение в цилиндре дизеля - важнейший функциональный процесс. От закономерности его изменения во многом зависят топливно - экономические показатели дизеля, его тепловая и механическая напряженность и в итоге его показатели надежности. Таким образом, процесс тепловыделения несет в себе определенную информацию о функциональном состоянии топливной аппаратуры дизеля, поэтому может рассматриваться как диагностический фактор, по которому можно оценить техническое состояние элементов топливной системы дизеля.

Влияние параметров топливоподачи на показатели рабочего процесса дизеля можно исследовать с помощью математической модели процесса тепловыделения в цилиндре, разработанной ИИ Вибе. Однако процесс тепловыделения обычно имеет ярко выраженный двухфазный характер, поэтому процесс сгорания предлагается описывать с помощью двух функций Вибе в виде [3]:

У" «"'"о г

<Р

х = 1 - ехр

-6,908

<Рн

1.

\ '»0+1

(6)

при ф > фн, ГПН = 771.0,

где х - доля топлива, выгоревшего к моменту (р\ тн и т0 - показатели характера сгорания в начальном и основном периодах; <рн и <р: - продолжительности начального и основного периодов процесса.

Показатель сгорания т является качественной кинетической константой реакции сгорания топлива во времени и однозначно определяет величину максимальной отвлеченной скорости сгорания М\1тах и отвлеченное время ее достижения. Изменение характеристики впрыскивания топлива в условиях эксплуатации, обусловленное отклонениями диагностических параметров ТА от их номинальных значений, приводит к ухудшению процесса сгорания, которое будет отражаться в изменении характеристик сгорания т и <р2. Показатель т однозначно определяет максимум скорости выделения теплоты и момент ее достижения в интервале продолжительности сгорания. Повышение коэффициента т достигается снижением потерь теплоты в стенки цилиндров и повышением полноты сгорания топлива.

И степень влияния отклонения диагностических параметров форсунок на показатели тепловыделения дизеля можно характеризовать через эмпирические закономерности изменения вышеуказанных кинетических параметров процесса сгорания в удобном для применения виде:

/ „ чА

т = т

н

( \а П

п

V Н у

(мЛнР С"/),

/

р,

\с

впр.н

Ре

(7)

, ч 1(<пР У

где mH, (pzH, crHJ nH, рвпрн, (ßf)p — исходные (номинальные) значения параметров процесса сгорания, коэффициента избытка воздуха, частоты вращения коленчатого вала, давления начала впрыскивания топлива, эффективного проходного сечения распылителя; m, (pz, ce, п, рвпр, (ßf)p - соответственно текущие значения параметров; а, Ъ, с, d, е, / g -коэффициенты влияния.

Наибольшее влияние на экономические показатели рабочего цикла оказывают продолжительность процесса сгорания cpz , который в большей степени зависит от состава смеси и можно его вычислить по формуле Оберега. Зная величину <pz, можно определить коэффициент эффективности процесса сгорания (коэффициента тепловыделения) учитывающий тепловые потери по уравнению связи [5]:

f = 1-2,38--^-, (8)

п ■ а

где п - частота вращения коленвала; а - коэффициент избытка воздуха. Итак, изменение характеристики форсунок в результате отклонения их диагностических параметров от нормативных их величин приводят к существенным изменениям показателей рабочего цикла и соответственно динамики тепловыделения. Количество использованной теплоты сгорания можно определить по известной формуле [3]:

Сисп = £ • Ни • дтц • х, (9)

где дтц — цикловая подача топлива; Ни — низшая теплота сгорания 1 кг топлива. Таким образом, отклонения диагностических параметров топливной аппаратуры от их номинальных значений приводят к существенному усиливающемуся ухудшению показателей рабочего цикла двигателя. Установление зависимости характеристики тепловыделения от технического состояния ТА позволяет оценить изменение закономерности процесса сгорания топлива и ухудшение индикаторных показателей двигателя в условиях эксплуатации.

Литература

1. Николаенко A.B., Хватов В.Н., Зейнетдинов P.A., Лызлов C.B. Модели технического обслуживания топливной системы дизелей РАБА-МАН // Улучшение эффективных, экологических и ресурсных показателей энергетических установок сельскохозяйственных тракторов и автомобилей: Сб. научных трудов СПбГАУ. - СПб., 1995. - С.64-73.

2. Зейнетдинов P.A. Совершенствование технологии технического обслуживания топливной системы Раба-Ман путём обоснования допусков на регулировочные параметры: Автореф. дис... канд. техн. наук. - Л., 1994. - 16 с.

3. Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: Учебник для вузов. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 720 с.

4. Лазарев Е.А. Основные принципы, методы и эффективность управления процессом сгорания в дизелях: Дис... докт. техн. наук. - Челябинск: ЧИИ. 1986. - 438 с.