автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Бессливный процесс топливоподачи для эффективного использования в дизелях различных углеводородных топлив

^ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

„ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

СГЛ • им. Н.Э.БАУМАНА

На правах рукописи

МОРОЗОВА Вера Сергеевна

БЕССЛИВНОЙ ПРОЦЕСС ТОПЛИВОПОДАЧИ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ РАЗЛИЧНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ

Специальность 05.04.02 — «Тепловые двигатели»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1996

Работа выполнена в .Челябинском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты;

доктор технических наук Кутовой. Б.А., доктор технических наук профессор Роганов С.Г., доктор технических наук профессор Толшин В.И.

Ведущее предприятие - ОАО "Челябинский тракторный завод"

Защита диссертации состоится " $ " 1996 г.

в /^ часов на заседании диссертационного совета Д 053.15.10 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу : 107005, г. Москва, Лефортовская набережная, д.1, корп. факультета "Энергомашиностроение", ауд. 234.

С диссертацией можно ознакомиться в Библиотеке МГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 107005, Мосхва, Б-5, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГГУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д. 053.15.10.

в

Автореферат разослан " С/ ■ ¿^/И 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. т.н.,. профессор

—Йващенко H.A.

Принятые сокращения ТС, БТС, TTC — топливная система, бессливная, традиционная; ТНВД, ЛВД — топливный насос высокого давления; линия высокого давления; ЛНД — линия низкого давления; ФС, ШФС, УФС — фракционный состав, широкий, утяжеленный; УВТ, УВТРФС, УВТРФХС — углеводородные топлива, различных фракционных составов, различных физико-химических свойств; ОД, ПОД

— остаточное давление, постоянное; НК, НКОД, НКДЦ, НКДИФД — нагнетательный клапан, обьемного, двойного, дифференциального действия; ОК — обратный клапан; ПВ,БГ1В — процесс впрыскивания, бессливной; ПТП, БПТП

— процесс тошшвоподачи, бессливной; ГК, ГКТ — газовый конденсат; газо-конденсатное топливо; ПЗВ — период задержки воспламенения.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Принятая государственная комплексная топливно-энергетическая программа на период до 2010 года «Энергетическая стратегия России» определила важнейшими направлениями повышение эффективности энергопотребления и энергосбережение, глубокую переработку нефти и комплексное использование углеводородного сырья. Решением этой проблемы можно считать увеличение использования дизелей на всех видах транспорта, обусловленное более высокой их экономичностью, лучшей экологичностью по сравнению с бензиновыми ДВС, а также расширение диапазона топлив для работы дизелей с совершенствованием процессов тошшвоподачи, смесеобразования, сгорания и сокращением расхода топлива. Проблема улучшения топливной экономичности и экологических показателей дизелей в основном с объемным смесеобразованием в первую очередь может быть решена повышением давления и объемной скорости впрыскивания топлива, сокращением продолжительности впрыскивания, т. е. модернизацией топливных систем дизелей при работе как на дизельном топливе, так и на других видах углеводородных топлив.

Это обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что представляемая работа, направленная на совершенствование процессов впрыскивания топлива с целью улучшения экономических, мощностных, надежностных и экологических показателей дизелей и использования углеводородных топлив с различными физико-химическими свойствами, является актуальной.

Цель работы и задачи исследования. Обоснование, разработка и оптимизация нового процесса топливоподачи и принципов конструирования топливных систем дизелей, обеспечивающих улучшение характеристик впрыскивания, распиливания и параметров процесса сгорания с повышением экономических, мощностных , экологических и надежностных показателей дизелей при практическом использовании топлив с широким диапазоном физических и химических свойств.

Для достижения цели были сформулированы задачи исследования: 1. Анализ свойств УВТ и их изменения в выбранном диапазоне температур и давлений, а также существующих систем и процессов топливоподачи для обес-

печения их эффективного использования в дизелях.

2. Разработка физической модели, математическое обоснование и экспериментальное подтверждение нового бессливного процесса топливоподачи, обеспечивающего улучшение параметров впрыскивания и распиливания на всех видах УВТ, во всем диапазоне нагрузочных и скоростных режимов работы дизеля.

3. Разработка метода гидродинамического расчета топливной системы, осуществляющей бессливной процесс топливоподачи, с учетом его особенностей, различных свойств УВТ и повышением сходимости результатов расчетных и экспериментальных исследований.

4. Исследование процессов смесеобразования и сгорания с новым процессом топливоподачи при использовании УВТРФС.

5. Подтверждение эффективности использования бессливного процесса топливоподачи с улучшением экономических, экологических и надежностных показателей стендовыми и эксплуатационными испытаниями дизелей.

6. Разработка принципов конструирования топливных систем для обеспечения нового процесса с наименьшими изменениями узлов и деталей и технологии изготовления.

7. Обоснование возможности производства разработанных новых топливных систем или отдельных их элементов для перевода дизелей различного назначения на работу с использованием УВТ широкого диапазона свойств, в том числе полученных из местных топливно-энергетических ресурсов.

Научная новизна работы. Теоретически обоснована и доказана возможность организации нового бессливного процесса впрыскивания топлива, обеспечивав ющего получение более качественных характеристик впрыскивания и распыли-вания как на дизельном топливе, так и на топливах различных фракционных составов.

Для организации бессливного процесса впрыскивания, улучшающего параметры процесса топливоподачи использовано постоянное остаточное давление заданной величины, создаваемое в ЛВД и надыгольной герметичной полости форсунки, регулируемое специальной конструкцией топливоподающей системы, включающей нагнетательный клапан двойного действия в ТНДВ и дополнительный клапан в соединительном канале ЛВД с надыгольной полостью форсунки.

Разработан метод гидродинамического расчета бессливного процесса топливоподачи с использованем существующих методик, конструктивных особенностей БТС и свойств УВТРФС.

. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена путем использования БТС возможность увеличения давлений впрыскивания, стабильности цикловой подачи от цикла к циклу, сокращения продолжительности и динамического запаздывания начала подачи, улучшения параметров распиливания, и испарения, что способствует сокращению ПЗВ, повышению индикаторных И эффективных показателей дизелей. Показано, что во всем диапазоне режимов

работы и на разных топлизах, в той числе маловязких, разработанный бессливной процесс топливолодачи обеспечил в период между впрыскиваниями благоприятные условия для работы распылителя без гидравлического запирания иглы, препятствующие проникновению отработавших газов в распылитель,снижению коксо-и смолоотложений на его внутренних поверхностях и увеличивающие надежность работы распылителя в несколько раз.

При участии автора обоснованы и практически реализованы принципы конструирования и технологии изготовления бессливной топливной аппаратуры, осуществляющей бессливной процесс топливолодачи для дизелей любого назначения, как вновь создаваемых, так и модернизируемых.

Практическая ценность. Бессливной процесс подачи топлива с постоянным остаточным давлением может быть использован для дизелей любого назначения при работе на различных видах углеводородныхтоплив. Конструктивное исполнение топливной системы для реализации бессливного процесса осуществлено в габаритах существующей дизельной топливной аппаратуры и не требует дополнительных топливоподзюших агрегатов. Дизели, оснащенные бессливной топливной аппаратурой, могут работать на различных углеводородных топливах с повышением экономичности и надежности в эксплуатации, причем при использовании более дешевого местного топливного сырья, например, газового конденсата, применение БТС дает большой экономический эффект. Изготовление новых конструкций БТС не требует новых технологических процессов и оборудования.

Реализация работы. Реееливная топливная аппаратура внедрена в серийное производство на Челябинском тракторном заводе для дизелей специального назначения 12ЧН15/18 и 61Ш1з/|б; разработана техническая документация, изготовлена отытно-промыщдрннэя партия БТС, проходящая в настоящее время эксплуатационные испытания на дизелях типа В2 буровых установок в геологических производственных объединениях Тюменской области; разработана техническая документация и изготовлена опытная партия БТС для тракторных дизрлей Д-160, находящаяся в настоящее время на испытаниях в ПО «Ямалнефт?газгеолргия», разработаны опытные варианты бессливной топливной аппаратуры для дизелей ЧН21/21 карьерного самосвала больщрй грузоподъемности, ЯМ3438 и тепловозного дизеля 31(Ш11. В геологических производственных объединениях Тюменского Севера на буровых установках и тракторах ТГ*|70 диз?ЛИ е бессливной топливной аппаратурой работают с использо-рзнием местного топливного сырья — миловязкого газового конденсата. Метод гидродинамического расчета БПТП применяется для расчета бессливных ТС дизелей любого назначения, а предложенный принцип конструирования «- для разработки их конструкции. Результаты работы реализованы также в учебных программах.

Апробация рйбРТМ, Основные результаты диссертационной работы доложены на технически* советах, семинарах и конференциях; ежегодны* научно-

технических конференциях ЧПИ — ЧГТУ (с 1982 по 1994 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение эффективности использования автомобильного транспорта и автомобильных дорог в условиях жаркого климата и высокогорных районов» (Ташкент, 1982 г.); Всесоюзной научной конференции «Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания» (Москва, 1986 г.); региональной научно-технической конференции «Повышение топливной экономичности автомобилей и тракторов» (Челябинск, 1987 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания» (г. Киров,1988 г.); Всесоюзной научно-практической конференции «Проблемы энергетики транспорта» (г. Москва, 1988 г.); Всероссийском семинаре по ДВС при МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва, 1994 г.); заседании секции научно-технического совета Мингазпрома «Пути улучшения качества моторных топлив, полученных из газового конденсата месторождений Севера Тюменской области» (г. Москва, 1986 г.); совещании энергослужбы отрасли Мингео СССР (г. Ташкент, 1989 г.); научно-технических советах производственных объединений «ЧТЗ им. В.И.Ленина» (г. Челябинск), «Турбомоторный завод» (г. Свердловск), «Главтюменьгеология» (г. Тюмень), «Пурнефтегазгеология» (г. Тарко-Сале), «Уренгойнефтегазгеология» (п. Уренгой), «Красноярскнефтегазгеология» (г. Красноярск), «Ямалнефтегаз-геология» (г. Салехард ) в период с 1982 по 1993 годы; управлении ЮУЖД и АО «Новороссийское морское пароходство» в 1994—1995 году.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы (167 наименований), приложений. Работа содержит 226 страниц основного текста, 67 рисунков, 16 таблиц, 10 приложениий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность исследования, излагаются положения, выносимые автором на защиту, раскрываются научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе диссертации приведен анализ эффективности процессов смесеобразования, воспламенения и сгорания дизелей, обеспечиваемых процессами впрыскивания и распиливания углеводородных топлив при их различных фракционных составах и физико-химических свойствах.

Изучением и использованием в дизелях различных УВТ, в разной степени занимались-многие организации (МВТУ, ВНИИНП, НАМИ, ЦНИДИ, ЦНИ-ТА, ЧТЗ, ЧПИ, ТАДИ и др.) и исследователи (Д. Н. Вырубов, Б. Н. Семенов, Ю. Б. Свиридов, А. А. Гуреев, Л. В. Малявинский, М. М. Вихерт, И. И. Герш-ман, А. П. Лебединский, И. В. Астахов, В. И. Балакин, Ю. Я. Фомин, Е. П. Серегин, Э. В. Пьядичев, А. П. Ставров, А. А. Муталибов, Н. Н. Патрахальцев и ДР-)

В проведенных ранее исследованиях отмечались особенности физико-химических свойств УВТ, оказывающих как положительное, так и отрицательное влияние на процессы топливоподачи, смесеобразования и сгорания. Гранины

применяемости топлив были определены с одной стороны бензином, как наиболее легким, с другой стороны дизельным топливом, как наиболее тяжелым. Более полно отражены проблемы многотопливности дизелей в работах И. И. Гершмана, А. П.Лебединского, Б. Н. Семенова. Перед исследователями ставился также вопрос расширения допустимых пределов фракционного состава и других свойств базового дизельного топлива как в сторону облегчения, так и в сторону утяжеления его, т.е. получения и использования топлив ШФС и УФС.Обострившаяся в последнее время проблема расширения топливно-сырь-евых ресурсов и экономии топлива поставила вопросы использования местного углеводородного топлива, каким является, например, газовый конденсат, свойства которого могут меняться от свойств, соответствующих бензинам и керосинам до свойств дизельных топлив и УФС.

Анализ изменения основных физико-химических свойств при нормальных условиях окружающей среды, температуре t=20" С и давлении Р=0,1МПа, проведенный для традиционных топлив (бензина, керосина, дизельного), а также топлив ГК, ШФС, УФС, показал, что плотность находится в пределах от 0,65 до 0,92 г/см!, вязкость кинематическая колеблется от 0,5 до 8 мм2/с, коэффициент сжимаемости от 80х10"6 до 190x10 ' см2/кг; скорость распространения волны давления изменяется в пределах от 1220 до 1360 м/с, давление насыщенных паров — от 5 до 500 мм. рт. ст.; фракционный состав по температуре начала кипения находится в пределах от 25 до 200°С, по температуре выкипания 50% — от 75 до 280°С, а по температуре конца кипения — от 180 до 430°С, поверхностное натяжение — от 20x10"'до ЗОхЮ"5 кг/см2, цетановое число — от 24 до 65. Процессы впрыскивания и распыливания топлив осуществляются в дизелях при высоких значениях давлений и температур, что существенно увеличивает пределы изменения свойств топлив и требует учета при расчетных исследованиях. Анализ показателей процессов подачи по данным, полученным различными исследователями при работе с УВТРФС, показал, что ухудшение параметров процессов впрыскивания и распыливания, связанное со значительным изменением физико-химических свойств топлив от дизельного к бензинам и близким к ним УВТ других составов, оказывает существенное влияние на процессы смесеобразования, воспламенения и горения.

Смесеобразование в цилиндрах дизеля определяется физическим процессом дробления топлива и химическим процессом его испарения, которые в первую очередь зависят от таких физических свойств топлива, как фракционный состав, вязкость, поверхностное натяжение, теплота парообразования. Более легкие топлива начинают интенсивно испаряться при более низкой температуре из-за более мелкой структуры распыленного топлива и их испарение может закончится в конце сжатия. Это ведет к накоплению в цилиндре двигателя к моменту самовоспламенения большого количества паров, резкому повышению давления и значительным, но при этом неравномерным затратам тепла, что затрудняет предпламенные процессы, удлинняя период сгорания. Применение

же в дизелях тяжелых то пли в с плохой испаряемостью сопровождается увеличением расходов топлива и повышением дымности отработанных газов.

Воспламенение топлива является также сложным физико-химическим процессом. Применение более легкихтошшв, сопровождается обычно увеличением продолжительности, динамического запаздывания впрыскивания и периода индукции, особенно на режимах малых и пусковых подач. В свою очередь значительно увеличивается количество впрыснутого за период индукции топлива,растет максимальное давление и жесткость процесса сгорания, повышаются удельные расходы топлива, падает мощность дизеля.

Горение топлива определяется в основном процессами смесеобразования и воспламенения. Как показали различные исследования, использование в дизелях УВТРФХС связано или с ухудшением экономичности, дымности, мощности и небольшим увеличением скорости нарастания давления в цилиндре, или с достижением удовлетворительных экономических, мощностных и экологических показателей, но со значительным увеличением жесткости процесса сгорания и снижением надежности в работе.

Исследуя пути улучшения показателей дизелей, работающих на топливах с наименьшими ограничениями по свойствам, многие ученые пришли к выводу, что совершенствование смесеобразования дизеля можно достичь улучшением показателей процесса впрыскивания и топливоподающей аппаратуры. Такой путь является наиболее целесообразным, так как позволяет решать более успешно задачи повышения его приспособляемости для работы на различных топливах и неустановившихся режимах, обеспечения пуска и т.д.

Проведенный выше анализ позволил сформулировать требования к процессу впрыскивание УВТРФХС с целью улучшения экономических, мощностных, экологических и надежностных показателей дизелей: увеличение коэффициента подачи том ива для минимального изменения производительности плунжерной пары на любом УВТ, различных скоростных и нагрузочных режимах; идентичность характеристик впрыскивания для разного топлива без подвпрыскиваний, дробного характера на всех скоростных и нагрузочных режимах, с более крутым задним фронтом и оптимальным по крутизне передним фронтом; отсутствие падения давлений впрыскивания особенно на малых скоростных и нагрузочных режимах и роста продолжительности и динамического запаздывания подачи на легких видах топлива; повышение однородности распыленного топлива с большим содержанием, капель минимального диаметра на всех его видах; увеличение длины и угла рассеивания струи более легкого топлива, цикловой стабильности топливоподачи на всех видах применяемого топлива.

Во второй главе диссертации произведен анализ изменения основных свойств углеводородных тошшв в рабочем диапазоне температур и давлений, а также систем топливоподачи, обеспечивающих при использовании этих теплив выше указанные требования к процессам впрыскивания и распыливания.

Для анализа изменения основных свойств УВТ в пределах рабочих темпера-

тур и давлений с целью уточнения математических зависимостей для их более полного учета в дальнейших теоретических исследованиях был выбран диапазон топлив; традиционных, включающих дизельное летнее ДЛ, керосин ТС-1, бензин А-72,и нетрадиционных в виде газовых конденсатов, ГКЛВ — Лая-Вожского месторождения, ПСУ — Уренгойского и ГКМ — Медвежьего месторождений. (табл. 1).

Показатели свойств топлив в условиях дизеля меняются в зависимости от температуры и давления. Поэтому необходимо определить основной принцип, по которому можно проследить за изменением каждого показателя топлив в рабочем диапазоне высоких значений температур и давлении, а также за их комплексным влиянием на расчетные параметры процессов впрыскивания и распыливания. Чем точнее учитывается изменение каждого параметра ,тем большую достоверность получают результаты расчетов, 'подтверждаемые их сходимостью с эксперементальными данными.

В данной работе была поставлена задача по выбору основного принципа, который бы позволил проследить за необходимыми расчетными изменениями параметров любых конструктивных сочетаний ТС и УВТ. Таким окззялся принцип расчета, предложенный Э.В.Пьядичевым для газоконденсатных топлив, в основе которого лежит кривая фракционного состава топлива, получаемая лабораторным путем для любого УВТ и описываемая выражением

. .0)

где у, Ь — коэффициенты кривой ФС; I — доля выкипающих фракций в • относительных единицах; I ~ температура выкипания соответствующих фракций в относительных единицах.

Кривая ФС характеризуется также углом ее наклона. Коэффициенты Ь н у используются для нахождения средних температур,'Тфой — объемной и Т^— средней средних, лежащих в основе определения характеристического фактора К, молекулярной массы М, количества атомов углерода пс и водорода пя, критической температуры, теплопроводности, скорости распространения волны давления а, коэффициента сжимаемости топлива .а. Для определения изменения основных показателей топлив от температуры и давления были использованы уточненные автором следующие зависимости: 1 плотность

Рр.т = РоП +1,1 х 10 "'(Р - Р,)]- [1 -0,004(Т-Т,)], (2)

динамическая вязкость.

= Ло11+0,013(Р-Р0)1ехр(4,437-Ь~), (3)

9

где Р0 = О, I МПа; Т0 = 293'К; Р,Т — текущие значения дамения и температуры; р0, г|р— плотность и вязкость при Р0, Т0;

Таблица 1

Физико-химические показатели исследуемых топлив

Наименование показателя гкм дл - ПИВ ТС-1 ПСУ А-72 Примечание

плотность при 20'С,кг/м' Ро 867 850 779 778 742 698 ГОСТ 3900-47

Вяз- кинемат. ммУс. 5,46 3,2 1,18 1,3 0,96 0,495 ГОСТ 33-66

кость динамич. МПа-С тЧо 4,73 2,72 0,92 1,01 0,71 0,34 Расчет

темпера- V«. 204 177 78 115 33 37

туры выкипания фракции, •с ^50« 253 259 125 160 127 82 ГОСТ 2177-82

Фрак шюн-ный сос- 314 360 285 280 333 181

ширина фракции, *С 110 183 207 165 300 144 Расчет

тав У 2,22 1,86 1,34 1,35 1,37 1,56 Расчет

показатели крив, состава ь 4,05 2,98 4,57 3,36 2,76 3,36 Расчет

в 0,81 1,76 1,35 1,45 2,9 1,17 Расчет

Цетановое число цч 37 45 43 43 25 24 ГОСТ 3122-67

Температура застывания, "С Ч -70 -35 -68 -60 -66 -60 ГОСТ 20287-74

7 , 536 528 402 432 415,5 360 Расчет

Средние температуры кипения, К Т ср.м 538 532_ 405 436 425 362,5 Расчет

т срхр 522 5X6 392,5 422 390,5 352 Расчет

Характеристический фактор. к 10,84 11,02 11,28 11,44 11,85 12,17 Расчет

Молекулярная масса, кг/кмоль м 235,5 209,1 138,2 136,7 114,1 93,11 Расчет

Углеводородный П. 17,42 15,36 10,05 9,88 8,12 6,55 Расчет

состав п. 44,83 42,33 30,18 31,26 29,16 25,6 Расчет

кинематическая вязкость

vi>.T - »

Pp.'

скорость распространения воины давления

(5)

где К — коэффициент скорости звука

К.=Кр-Кт-К,ош, (6)

К, — коэффициент давления для исследуемого топлива

К„= (—). т. при Т = const, (7)

Ро '

К,. — коэффициент температуры; К,. = I при Т sT0; К-,= 1,02 при Т > Т0,

КТ01И — коэффициент химической природы топлива

J5». [ЁИ, (8)

"ел' ~ количество атомов углерода дизельного и исследуемого топлива; Рои Р0И ~~ плотность дизельного и исследуемого тоялива при Р0 = 0,1 МПа, Т0=293 К;

коэффициент теплопроводности

V т = [0,148 + S, 5 • 10" '<Р - Р„)1 • 0,616 J-^-,

(9)

apl = a2-..o2.- (И)

Т, = Т..+(0,693/ h>"' - (T,.m. -Т....Х (10)

коэффициент сжимаемости

__ 9,81-ро

2 -о2 Р.' Р Р, т

Если принять за рабочий диапазон пределы температуры Т = 273...383К и давления Р = Ю—.90 МПа, то зля выбранных УВТ изменение каждого из показателей исследуемых топлив от самого меньшего его значения до самого большего по отношению к соответствующему показателю базового дизельного топлива при Т0 = 293К и Р0 = 0,1 МПа, выраженное в% .показано в таблице 2.

При этом получено, что с повышением давления а температуры изменение показателя по сравнению с нормальными условиями увеличивается для плотности р в 3 раза, для вязкости ц и v — в 2 раза, для скорости звука а в 4,5 раза, для коэффициента сжимаемости а — в 5 раз.

Изменения показателей топлив прежде всего влияют на процессы впрыскивания и распыливания. Необходимо было оценить, какие из существующих топ-ливоподающих систем могут обеспечивать определенные выше требования к параметрам впрыскивания и распыливания при использовании УВТ с различными физико- химическими показателями свойств.

Таблица 2

Показатель топлива Изменение, %

в нор», условиях Р. То в рабочем диапазоне Р, Т

Плотность р, кг/м' 20 65

Вязкость динамическая Л» МПа • с 161 328

Вязкость кинематическая у,мм5/с 155 292

Скорость звука а, м/с 9,5 45

Коэффициент сжимаемости ахЮ"6, см2/кг 120 660

Наибольшее распространение в серийно выпускаемых и вновь разрабатываемых дизелях различного назначения получила традиционная ТС непосредственного впрыскивания разделенного типа, включающая ТНВД с золотниковым регулированием, нагнетательными клапанами объемного действия (НКОД), закрытые форсунки с механическим запиранием иглы и сливом просочившегося топлива из негерметичной надыгольной полости. Обобщенные исследования различных ученых показали, что коэффициент подачи TTC при переходе на бензин уменьшается на 10% на номинале и на 50% на частичных режимах, цикловая подача снижается до 30% на номинале и еще больше на других режимах, деформируется закон подачи, наблюдается более позднее начало впрыскивания, значительно более позднее окончание, уменьшение давлений впрыскивания.

Из нетрадиционных топливных систем в данной работе сделан анализ систем с двойным впрыскиванием топлива, регулируемым начальным давлением н форсунок с гидромеханическим запиранием иглы.

Как показали исследования различных авторов, такие топливные системы при оптимальном сочетании конструктивных элементов и регулировочных параметров на некоторых режимах, чаше всего номинальных, обеспечивали улучшение параметров впрыскивания, снижение жесткости рабочего процесса и повышение экономичности при использовании топлив облегченного фракционного состава. Невозможность получения улучшенных параметров впрыскивания, распиливании, смесеобразования и сгорания на всех скоростных и нагрузочных режимах и сложность конструкции не позволили найти этим системам широкого практического применения.

В третьей главе иаюжены результаты исследований, позволившие обосновать новый бессливной процесс топливоподачи, его физическую модешь и принципы конструирования топливных систем, обеспечивающих БПТП для дизе-

лей любого назначения с параметрами впрыскивания и распиливания, удовлетворяющими выше перечисленным требованиям при работе на УВТРФХС.

Проведенный анализ топливных систем показал, что на улучшение параметров процесса топливоподачи при использовании УВТ широкого диапазона свойств можно эффективно воздействовать созданием в линии нагнетания перед началом подачи давления и одновременным повышением скорости посадки иглы форсунки за счет дополнительной гидравлической силы в корпусе форсунки.

Наиболее просто можно получить давление в ЛВД в промежутках между впрыскиваниями (остаточное давление Рот) величиной разгрузочного объема обычного нагнетательного клапана грибкового типа (НКОД), сочетанием конструктивных параметров нагнетательного клапана двойного действия (НКДД) или игольчатого клапана дифференциального действия (НКДИФД) (рис. 1).

Сравнительное исследование ТС с тремя типами нагнетательных клапанов (каждому типу соответствовал и свой объем штуцера насоса Ушт) показало, что для организации бессливного процесса топливоподачи преимущество имеет НКДД плоского запирания (№5, рис.1), который обеспечивал практически постоянное остаточное давление во всем диапазоне рабочих режимов. Показано также, что НКДД плоского запирания, создающий постоянное ОД Р„=4МПа, имеет минимальную коррекцию цикловой подачи (2ц, повышенное давзение впрыскивания

фшах

сокращение величин про-

/2, /чм

должительностн впрыскивания <р и его динамического запаздывания А<?. Как и ожидалось, большое остаточное давление нагнетательных клапанов различного действия сопровождалось появлением подвпрыскиваний после окончания основного впрыскивания.

Ликвидировать подвпрыски-вания и одновременно использовать преимущества наличия ОД в линии нагнетания, как показал расчетно-экспериментальный анализ, можно повышение,м ско-, рости посадки иглы форсунки под действием дополнительной гидравлической силы, образую-

Рис.1 Изменение остаточного давления в линчи пзшегзкия:

1-4 НКОД, V = 3,25 см': 1 •—. V „ =0,098 см'; г шейся от давления топлива в над-

X-X V =0,065 см\ 3 Л-Д V =0,0Г35 .см»; 4 -

V =0; ""

5-6 НКДД, V =0,9 см5: 5 *-----« Р„=С0И5!; 6 х.....х с

высоким р0; 7 -------НКДИФД, ^=0,7 см'. герметичном корпусе форсунки.

ыгольной полости, просочившегося по зазору в распылителе при'

Утечки топлива через зазор различны по скоростному и нагрузочному режимам, также как и давление, под воздействием которого они происходят. Поэтому в TTC была исследована величина давления в полости форсунки над иглой Р^ при работе на базовом дизельном топливе и соответствующая ей цикловая подача Qn с тремя нагнетательными клапанами различного действия. Оказалось, что с НКДЦ создается в полости над иглой такое же ОД, как в ЛВД (Р^ = 4 МПа). С грибковым НКОД, имеюшим Vpu = 0,098 см3 в полости над иглой остаточное да&ление Pftp образуется на режимах п = 500...1000 мин-1. С НКДИФД характер Р^ сохраняется примерно одинаковый с ОД в топливопроводе,но величина его возрастает в 1Д..2 раза. Действуя на иглу и увеличивая скорость ее посадки, такое давление оказывает соответствующее влияние на сокращение цикловой подачи, особенно на режимах пусковых и малых частот вращения.

?

S к г s 1

л с Вц,ип' SS0

200

1S0

m

¡0

-с » 1

. Ï v \ \ 1 L.,

'v Г 1 1 \ . \

s & ■ ■■, ri ■

Й, W - t ê

... ^иф "/" ' /■ я. Ц Я 1 1 И Щ/fi'î J/Uh * ¡k 't V//I//

i 11 я 1 'I • 1 • --7Г Р, и ч l

1 ч 1 1 II ■•l/i

j. ч i

<00 . ¿00 а)

Яг,МПа

S

S

H

3

г <

о

Q4, мн* ¡50

m

150

m

■so

ж

S)'

¡00 h, мин"'

Рис. 2. Циоовая подача и остаточное давление > иадыголтой волоста форсунки на малых

скоростных режимах:

. дизельное топливо;--------бензин; а - НКОД; б - НКДЦ; •• - зазор 0,003 им; ДД

зазор 0,004 им; хх зазор 0,0075 мм; - зазор 0,011 мм; □□ разгрузочный клапан.

Наибольшая подача соответствует НКОД, клапан двойного действия ее несколько уменьшает, а НКДИФД сокращает <За почти в 3 раза. Образование дополнительной гидравлической силы, действующей на иглу и зависящей от способа разгрузки герметичной надыгольной полости, при работе на маловязком топливе показало невозможность использования НКОД и разгрузку через зазор. На бензине А-72 происходит резкое повышение Р,^ и прекращение цикловой подачи на пусковых режимах, а с увеличением зазора в распылителе подача прекращается на более высокой частоте вращения (рис. 2а), т. е. происходит запирание иглы давлением топлива в полости форсунки. При установке вТНВД нагнетательного клапана двойного действия, обеспечивающего в корпусе форсунки постоянное остаточное давление (рис. 26), на топливе ДЛ и А-72 запирания иглы не происходит и цикловая подача на пусковых режимах сохраняется. Увеличение зазора в распылителе приводит к повышению давления Р041 и уменьшению 0Ц, особенно на бензине. Для увеличения и стабилизации разгрузки надыгольной полости был изготовлен специальный разгрузочный клапан, открывающий большее сечение по сравнению с зазорами в распылителе. Разгрузка полости над иглой через специальный разгрузочный клапан (рис. 2а,б) с НКОД в топливном насосе прекращает подачу уже на дизельном топливе и близком к пусковому режиме п = 100 мин1. С НКДД стабилизируется остаточное давление над иглой на уровне Р0ф= 4...4,5 МПа для топлив ДЛ и А-72 , что обеспечивает высокую цикловую подачу. Эти и более подробные исследования, проведенные автором, подтвердили возможность организации нового бессливного процесса топливоподачи с постоянным остаточным давлением заданной величины, одинаковой в ЛВД и надыгольной полости форсунки. Величина остаточного давления определяется конструктивными параметрами обратного и нагнетательного клапанов двойного действия, не зависит от скоростного и нагрузочного режимов, незначительно изменяется при использовании УВТРФС. Остаточное давление в надыгольной полости, действуя на иглу, увеличивет скорость ее посадки.

Бессливной процесс с постоянным остаточным давлением заданной величины отличается от традиционного процесса впрыскивания тем, что при подаче топлива в ЛВД под иглу, на нее при подъеме со стороны пружины действует сила от предварительной затяжки механической пружины и остаточного давления Р^, а при посадке после окончания впрыскивания за счет разницы площадей поперечного сечения иглы и дифференциальной увеличенная силапри этом давление выше заданного Р0, стравливается из надыгольной полости через специальный разгрузочный клапан и выравнивается с ОД в ЛВД.

Для осуществления бессливного процесса были разработаны основные, наиболее простые принципы конструирования бессливной топливной системы и технологии изготовления,заключающиеся во взаимозаменяемости деталей и узлов с традиционной системой и сохранении технологической оснастки. Бессливная система включает в себя в топливном насосе нагнетательный клапан двойного действия плоского запирания с небольшим объемом в штуцере V , обеспечива-

юший Р0=сопя, а в форсунке с герметичной надыгольной полостью — проставку с каналами,соединяющими полость над иглой с ЛВД р промежутках между впрыскиваниями, и клапаном, разъединяющим их во время подачи топлива (рис. 3). Такая конструкция не требует изменения основных прецизионных узлов и деталей ТА. Предполагаемыми преимуществами бессливного процесса являются: 1) повышение давления впрыскивания, коэффициента тошшвоподачи и цикловой подачи, благодаря наличию в ЛВД постоянного остаточного давле-

1 — корпус тогшшного насоса; 2 — нагнетательный клапан; 3 — обратный клапан; 4 — плунжерная пара; 5 — проставка; 6 — корпус форсунки; 7 — герметичная надыгольная полость форснукн; 8 — гайка распылителя с проставкой; 9,10 — соединительные каналы; И — шариховый клапан; 12 — запорный конус; 13 — распылитель; 14 — линия высокого давления; 15 — топливопровод высокого давления; 16 — полость низкого давления; 17 — жиклер; 18 — шайба 19 — пружина шарикового клапана.

ния; 2) уменьшение продолжительности и действительного начала подачи за счет дополнительной гидравлической силы в надыгольной полости форсунки; 3) обеспечение увеличенного срока службы распылителей вследствие уменьшения коксования и износа, так как топливо, находясь под давлением в кармане распылителя и над иглой, образует постоянную топливную пленку под давлением по цилиндру иглы, уменьшающую натиры и препятствующую проникновению газов из камеры сгорания в полость распылителя, результатом чего является свободное перемешение и отсутствие зависаний иглы распылителя после длительной работы; 4) уменьшение влияние свойств топлива на параметры процесса впрыскивания за счет повышения давления, устранения разрывов сплошности топлива и сокращения продолжительности подачи; 5) увеличение межцикловой стабильности подачи.

Четвертая глава посвящена описанию математической модели гидродинаыи-ческогсго расчета бессливного процесса топливоподачи и расчетному определению параметров впрыскивания и распиливания УВТ широкого диапазона свойств.

Математическая модель основана на методе поэтапного решения уравнений, описывающих неустановившееся движение топлива в нагнетательном топливопроводе, с системами граничных условий у входа в топливопровод из ТНВД и выхода из него в форсунку с учетом объемного баланса жидкости и равновесия запирающих элементов. Для расчета бессливного процесса топливоподачи с использованием топлив различных свойств, метод дополнен факторами, учитывающими особенности работы бессливной системы и изменение основных свойств УВТРФС в . зависимости от температуры и давления. Расчетная схема бессливного процесса топливоподачи представлена на рис..4, В основумегода расчета положены следующие допущения:

1. Разгрузка линии высокого давления до заданной величины остаточного давления производится в течение длительного времени в промежутках между впрыскиваниями, поэтому при расчете неустановившегося движения топлива в топливопроводе требуется учитывать следы волн.

2. Нагнетательный клапан движется только с обратным, который после посадки нагнетательного продолжает двигаться . самостоятельно, при этом при посадке клапанов не происходит мгновенного запирания жидкости плоскими поверхностями вследствие наличия между ними демпфирующего слоя топлива.

3." Повышение давления Рг в надыгольной пол ости форсунки происходит только за счет утечек топлива через зазор в распылителе, з разгрузка объема над иглой — .через специальный соединительный канал с клапаном.

4. Остаточное давление в надыгольной полости форсунки и колодце распылителя обеспечивает постоянное жидкостное трение иглы. •

5. В системе отсутствуют остаточные свободные объемы.

Как показали прошенные автором многочисленные экспериментальные исследования, на величину Р„ наибольшее влияние в такой системе оказывают-следующие параметры: средний диаметр запорной площадки сбрап ого клапа-

* <

Рис. 4. Расчетная схема Бесславного процесса вприскивания.

4 — общая схема расчета; 6 — схема расчета НКДД; в — схема расчета бессливной форсунки; 1 - ТНВД; 2 - форсунка; 3 - ЛВД.

на диаметр жиклера нагнетательного клапана сила затяжки пружины обратного клапана масса движущихся частей обратного клапана Мм (рис. 46). Остаточное давление расчитывается по выражению :

Р, = к,[4Р„ / + -ЖУ ■ М„ + Р„], (12)

где lt,= 0,7 — 0,9, коэффициент, зависящий от вида топлива, большие значе-ння его для более легких топлив.

Уравнения неустановившегося движения топлива в нагнетательном топливопроводе решаются с учетом следа волн и физических характеристик топлив, изменяющих свои значения в зависимости от давления и температуры.

Q= + +FV..I (13)

F(i) = Р'н - Ро+ W(t)e " KL /а _ PFC н +PWC H,, . (14)

с'*в -р*+2F" - r>e"KL/' + p,U -р"с.Ф ■ (15)

W(t + -t)=P0-P4 + F(t-^)e-Kl/' + Pr,i -Р%, (16)

а з

где Cf, С', — скорости движения топлива на входе и 'выходе топливопровода;

F(t), F{t — L/a), \V(t), VV(t + L/a) — прямая и обратная волны у штуцера насоса и у форсунки;

PFcll, Pw,.u, Ррсф. Pwt4) — следы волн или повышение давления в топливопроводе после прохождения прямой и обратной волн через входное сечение (у насоса) и выходное сечение (у форсунки).

Система уравнений граничных условий у топливного насоса в форме, удобной для решения на ЭВМ, записана в виде:

di], dPH

= 1 fnQi - a0(pofo)J=T • n/ Рн - Рве - Z, - z3 - qc- or, • &A) g—^,

= [qc+ci5„.Q+crif;KQ-fTQ]

ар Ьп ^

Здесь исходные данные показаны на рис. 46, ступсчатые функции <г,, с2, с5 принимают значения нуля или единицы в зависимости от наложенных на них условий.

Количество топлива, прошедшее через нагнетательный клапан:

<ь = о,эдп(Р„- • ^Рн-Рн! +а5здп(Рн- Г к)(рПокЦ• {18)

Здесь (р0„ и (р0с„ определяются эксперементально проливкой по характеристикам нагнетательного и обратного клапанов. Дополнительные давления Рг1; Р ,р Ри , определяются из соотношения проходных сечений нагнетательно-

17'

(17)

го и обратного клапанов и их окон.

Данные для составления граничных условий в выходном сечении линии нагнетения у форсунки представлены' на рис. 4в. Тогда система уравнений у форсунки:

^[fiCr-OifulX-V^г_ОзГиСи_2з + 0бЧ[ац] v <ррф бпарфдУф

^ = (a3fHC„ + z3 - c^q^) -—,

v 6паргт»г

^ = [(Ги - Г„1)(Рф- РФо) + ^Р'ф - 6ну - Fx - PrfH]—Hi-,

6n • Ми

¿1 = -С

dtp ~ 6п и' dCui _ <^6

Fm,

(19)

dip бпМщ dhui с 6 г4

"¿Г =

Здесь z3 — утечки топлива через зазор в распылителе; Fx — жидкостное трение иглы распылителя; т^ — средняя динамическая вязкость топлива; gKlu — расход топлива из надыгольной полости форсунки через шариковый клапан.

Ступенчатые функции <т3, a4, а( принимают значения нуля или единицы в зависимости от наложенных на них условий: плотного или неплотного прилегания конуса иглы и шарикового клапана к запираемой поверхности.

В приведенных уравнениях плотность р, сжимаемость а, динамическая вязкость т|, скорость распространения волны давления а определяются для любого топлива в зависимости от фракционного состава давления и температуры по формулам (2, 3,. 5, 11).

Гидродинамический расчет бессливного процесса впрыскивания был дополнен формулами для определения параметров распиливания, показателей кривой однородности распиливания, длины и угла рассеивания струи топлива по методике, разработанной В. А. Кутовым.

На основе математических зависимостей были выполнены алгоритм И программа расчета на ЭВМ, позволившие провести расчетное исследование влияния элементов БТС на параметры процессов впрыскивания, распиливания, величину остаточного давления на разных режимах и топливах. Сравнение расчетных и экспереиментальных параметров на топливах ДЛ, А-72, режимах максимальной мощности и максимального крутящего момента показало, что отклонение не превышает 6,5% и дает основание для проведения дальнейших рассчетных исследований.

Расчетом было подтверждено математическое выражение зависимости остаточного давления от силы затяжки пружины обратного клапана, величины его

тельного клапана.

Проведенное расчетное исследование изменения основных параметров процесса впрыскивания для различных УВТ показало , что при температурах топлива, соотвествуюших работе ТА на дизеле (tH = 60"С; t^ = 80°С) БТС имеет максимальные давления в штуцере насоса P'limaK и форсунке P'<ijmall выше, продолжительность фп и угол динамического запаздывания Дф меньше, чем TTC. Падение давлений с облегчением фракционного состава топлива в TTC происходит более чем в 2 раза, у БТС только на 30%, продолжительность впрыскивания топлива срл у TTC увеличивается соответственно на 2,5 градуса (=17%), у БТС только на 7%.

Расчетные исследования показали также, что БТС обеспечивает на 25% больше топлива , впрыснутого за один градус поворота кулачкового вала, на 1,5 градуса большую крутизну переднего и на 3 градуса заднего фронтов характе-* ристики впрыскивания на всех УВТ, что должно способствовать уменьшению удельных и часовых расходов топлива (рис. 5а,б).

Давления впрыскивания и соответствующие им диаметры капель (рис. 5в,г) показали, что Р'фшх у БТС с ПОД на 10... 17 МПа выше, чем у серийной на всех топливах, минимальные диаметры dmn капель меньше на 1...2 мкм, средние dcp на 10...20 мкм,максимальные dmax на 30...50 мкм. Кривые распиливания показали, что более легкие виды топлив имеют меньшие диаметры капель, но при этом бессливная система при более высоких средних давлениях обеспечивает меньшие диаметры капель и больший объем мелко распыленного топлива.

Длина струи топлива, характеризующая проникновение его в отдаленные точки камеры сгорания, показывает, что топлива с облегченным фракционным составом (А-72 и ГКУ) имеют меньшую проникающую способность, но у бессливной системы длина начального Хн и основного Xiioi участков струи для всех топлив выше на 1,5...3 см, чем у TTC. У бессливной системы начальный и основной углы рассеивания струи для всех топлив больше на 2...4 градуса, чем у TTC, что при большей длине струи способствует повышению эффективности сгорания всех видов топлив.

В пятой главе приведены методика и результаты экспериментального безмоторного исследования бессливных процессов и систем топливоподачи для дизелей различного назначения с использованием УВТРФС.

Экспериментальное безмоторное исследование БПТП проводилось с целью подтверждения и дополнения расчетных зависимостей изменения параметров впрыскивания на рабочих режимах и нагрузках, выбора оптимального их сочетания для дизелей различного назначения в сравнении с традиционным процессом подачи.

В процессе исследования определялись следующие параметры: давления — остаточное Р0, в линии нагнетания Р, , впрыскивания Рф; продолжительность подачи <рл, ее динамическое запаздывание начала Дер; межцикловая нестабильность подачи 5Кф ; цикловая подача Qu и ее объемный коэффициент

Рис. 5. Параметры процесса »прысинвання (расчет): а, 6 — характеристика впрыскивали*; в, г — давление впрыскивания и диаметры капель; а, в — традиционная ТС; 6, г - бессливная ТС

•—• - ДЛ; й- д - ГШ; х—х - ТС-1; --. -а-72; О——□- ПСУ.

бильность подачи 8р.ф ; цикловая подача Qa и ее объемный коэффициент r)v; перемещения иглы у, нагнетательного hK и обратного hoK клапанов.

Исследовались также динамика развития топливных струй методом стробоскопического фотографирования на специальной установке, разработанной в ЧГШ и включающей прозрачную камеру сгорания.

Наиболее подробный сравнительный анализ производился для топливной системы транспортного дизеля специального назначения 124 15/18 с объемным смесеобразованием.

Исследование параметров проводилось по обычной методике с ТНВД НК-12 на четырех скоростных режимах n=l 150, 1000, 700, 600 мин1, трех выходах-рейки hp = 8,5; 13,5 и 18,5 мм с несколькими вариантами комплектации элементов традиционной и бессливной ТС.

Исследование величины остаточного давления показано, что в традиционной ТС ЛВД разгружается как с образованием пустоты и разрежением, так п с ОД, которое может достигать значительной величиины Р0=2.*.Л1МПа; в бессливной ТС на всех скоростных и нагрузочных режимах образуется постоянное ОД заданной величины (Р„ = 5 МПа или Р0=9 МПа).

Исследования по влиянию конструктивных элементов топливных систем на величину Р0 подтвердили полученные.расчетом результаты и показали,что в TTC на величину остаточного давления влияют при неизменном разгрузочном объеме жесткость пружины нагнетательного клапана, длина и диаметр топливопровода высокого давления, проходное сёчение распиливающих отверстий, , сила предварительной затяжки пружины форсунки.

В бессливной ТС подтверждается полученная расчетом зависимость величины Р0 отряда параметров нагнетательного и обратного клапанов. Бессливная ТС при Р0 = 5 МПа, т. е. меньшем чем у TTC ОД, обеспечивает увеличение давления впрыскивания Р'фта5 на 22...24% на максимальной нагрузке (hp= 18,5 мм), на 59:..151% на средней (hp = 13,5 мм) и на 66...109% на малой (hp = 8,5 мм). Объемный коэффициент подачи г)у топливного насоса, характеризующий степень эффективности использования топливной системы, у бессливной ТС на всех скоростных и нагрузочных режимах по сравнению с TTC увеличивается на малых нагрузках практически в 1,5...2 раза, на средних на 28...45%,на максимальных на 18...20%. Цикловая подача 0Ц с БТС на малых выходах рейки повышается в 1.5...2 раза, на средних растет на 20...40%, а на больших выходах рейки возрастает на 15...20%. Коэффициент цикловой нестабильности 5р.ф с бессливной ТС уменьшается на малых нагрузках в 1.5...2 раза, на средних в 3 раза, на больших в 1,5...3 раза. Продолжительность подачи рп должна соответствовать величине цикловой подачи, поэтому при одинаковых выходах рейки и увеличенных подачах традиционнойТС продолжительность ее практически на всех режимах увеличивается. Бессливная ТС при увеличении Qtt на малых нагрузках в 1,5...2 раза увеличивает продолжительность подачи незначительно (на 0,7...1,2 градуса), а на средней и максимальной нагрузках, при повышении Qa

на 15...40%, cpn сокращает на 3...14%. Характеристики впрыскивания, полученные обработкой осциллограмм давлений, подтвердили результаты расчета. Бессливная ТС по сравнению с TTC имеет меньшую продолжительность впрыскивания, более крутые передний и задний фронты и большую подачу на один градус. Путь н скорость распространения струи топлива показали, что на исследованных режимах у бессливной системы момент начала истечения топлива наступает раньше,чем у традиционной,скорость движения и длина струи больше, что говорит о большей кинетической энергии струи, лучшем распыливании и смесеобразовании.

Сравнение работы топливных систем на бензине (рис. 6) показало, что TTC на бензине также, как и на дизельном топливе, имеет меньшие давления впрыскивания, большие значения продолжительности и динамического запаздывания, чем бессливная ТС, при этом различие между параметрами возрастает с увеличением остаточного давления. По сравнению с TTC на бензине давление впрыскивания с бесслив-

ной системой увеличивается на 34...43%, продолжительность подачи <рп уменьшается на 12...23%, динамическое запаздывание начала подачи сокращается на 20...50%. .

Таким образом,повышение остаточного давления в бессливном процессе дает более значительное улучшение параметров впрыскивания на различных топ-ливах.

Неравномерность цикловой подачи по секциям и стабильность ее в эксплуатации определялась с бессливной ТС на полноразмерной ТА в процессе длительных стендовых испытаний на маловязком газовом конденсате. Десять этапов 150 часовых испытаний при в.ыстаслеи-

"ih уяХ

/W

то ха

2X0

УК"

/4

—^ 7 '

г-

t t 7 V'

J \ ■ ¡г

! *

W

/ < / Л

N 4 из *

3 s к ?

■ 4

А

-v г* s'b S,'Л

xj / /<" s I * 'î

V / /У Л

/У г у V

j ^ / /

\ ' / •а. — .--Г

Jj /

РфНИГ)

та

7Û

M

ш ¿SÛ m ем

' л, нш~'

Ш-

"fijT я-72.

Рис. 6. Параметры процесса впрыскивания на

дизельном топливе и бевзпнг: ..

.______.-TTC.V -0,098 CM', X----х—TTC, V ,=0,035 нои средней цикловои подаче на

см",--------БТ£7ро=4,5 МПа, д-----д — бтсгРО=8,5 дизельном топливе и замеренной

неравномерности ее в конце каж-

дого этапа на режиме п = 900 мин-1 и газовом конденсате показали, что изменение цикловой подачи Qu находится в пределах ±2,5 мм3, а неравномерности 5 в пределах ±1%.

Бессливная топливная система была разработана для тракторного дизеля 4414,5/20,5, имеющего камеру сгорания типа ЦНИДИ.с объемно-пленочным смесеобразованием. Хотя камера сгорания типа ЦНИДИ менее чувствительна к виду используемого топлива, на маловязких тошшвах в TTC происходит значительное падение давлений впрыскивания и параметров скорости перемещения топливных струй. Использование бессливного процесса подачи с постоянным остаточным давлением Р„ = 5 МПа, по сравнению с традиционным на дизельном топливе, также на всех скоростных режимах показало на 7... 10% выше давления впрыскивания и на 5—8,5% ниже величины продолжительности впрыскивания топлива.

Влияние бессливного процесса топливоподачи на параметры впрыскивания на режимах малых скоростей и нагрузок было исследовано для тепловозного дизеля 6ЧН36/31 маневрового тепловоза, работающего на этих режимах около 75% рабочего времени. Дизель имеет камеру сгорания с объемным смесеобразованием, небольшие частоты вращения, традиционную топливную систему с НКОД и закрытую негерметичную форсунку с многодырчатым распылителем. Оптимальные параметры рабочего процесса этого дизеля были отработаны для номинального режима. Поставленная задача — сокращения удельных расходов топлива на режимах малых подач и частот вращения без ухудшения параметров на режиме номинальной мощности — может быть выполнена путем использования БТС.

m?

2000

К---А. 7* \ --X

Л '"А

1 / €

о'

-

\ г-» .....

Р.,

г

s о

д

s

er &

Ma

fû -M

Мы*

fOQ JW W/iwf

-х-е —

О \ .

« Л '..

pv

ïfr

\п'

' f/n и

0 ф

ri

s z'

teno, Mi

s,? x>

m гон ах юмо? а)

ÎW

X -р —*

t

#

» rai. —X

fi,

* L-*

\ /

*= л- ✓

A,.

»

Ppiiax ma £0

iO

а/ 2co ■ ж? m пм«»

Рис. 7. Параметры процесса топливоподачи тепловозного дязеля: а — цикловая подача 100%; б — цикловая подача 50%; в — цикловая подача 25%; •-• TTC; х-—х БТС.

Как показали проведенные исследования (рис. 7), бессливная ТА с постоянным остаточным давлением Р0= 7 МПа, специально разработанная и изготовленная для тепловозного дизеля, обеспечивает незначительное изменение параметров процесса впрыскивания на максимальной частоте вращения п = 350 мин-1 и 100% нагрузке. Но при сокращении нагрузки до 50% бессливная система обеспечивает увеличение Р'фти на 10...59,5%, и сокращение <рп на 7...22%. Самое существенное изменение имеют параметры топливоподачи при нагрузке 25%, при этом повышение Р'фПШ составляет 45...62%, уменьшение (рп на 15...42%,что должно способствовать снижению удельных расходов топлива.

Таким образом, было доказано, что предварительным расчетом действительно получена, а затем экспериментально подтверждена возможность улучшения параметров впрыскивания и распыливания на любых режимах работы, различных углеводородных топливах и двигателях использованием бессливного процесса топливоподачи с постоянным остаточным давлением заданной величины и бессливной топливной аппаратурой для его осуществления.

В шестой главе подтверждена эффективность бессливного процесса топливоподачи на дизелях различного смесеобразования с разными размерами цилиндров и камерами сгорания, на разных режимах и форсировках, одно- и многоцилиндровых стендовых установках и в условиях длительной эксплуатации дизелей на объектах, с использованием топлив из газоконденсатного сырья, в том числе местного.

Эффективность использования БПТП определялась по качественному и количественному изменениям показателей рабочего процесса дизелей к их выходных экономических, мощностных и надежностных показателей.

Исследования на одноцилиндровых моторных установках проводились с целью определения влияния бессливного процесса подачи топлива на смесеобразование, воспламенение и сгорание с оценкой периода задержки воспламенения, динамики, кинетики и эффективности сгорания для двух способов смесеобразования: объемного с камерой сгорания типа Гессельман (ОД-9) и обьем-но-пленочного с камерой сгорания типа ЦНИДИ (ОД-738).

Эти установки имели конструктивные элементы и системы,соответствующие своей марке дизеля В-2и Д-160, и были оснащены приборами и оборудованием для замера исследуемых параметров. Исследования проводились на ЧТЗ.

Важным для процессов смесеобразования и сгорания в дизелях является ПЗВ, его продолжительность и количество поданого за этот период качественно распыленного топлива. В данной работе рассматривается только изменение ПЗВ, связанное с физическими процессами впрыскивания и распыливания и такими их парметрами за период <рР как давление впрыскивания Рф1, диаметры капель, количество мелко распыленых капель <}и, длина топливной струи Х1 и угол ее рассеивания р,, продолжительность <рп и динамическое запаздывание подачи Дф, количество поданного за ПЗВ топлива

Период задержки воспламенения <р; определялся экспериментально по

индикаторной диаграмме, или рассчетным путем по предложенной Букреевым А. Г. зависимости, уточненной автором для исследуемых топлив и параметров дизелей:

<П = 22,3S • Ц Ч- 54 • (0d)''482 • ес " 08• Ра * (20)

где ed — угол начала впрыскивания в град, пкв, действительный; ©4 = э<ип — Дф, 0ОК„ — угол опережения начала подачи в град, пкв.; ЦЧ — цетановое число; е0 — стелет сжатия; р0— плотность воздушного заряда на впуске, кг/м'.

Оценка параметров впрыскивания, распьшивания и развитая топливной струи за период задержки воспламенения для дизеля 12415/18, полученных расчетом,показала,что бессливной топливный процесс обеспечивает на дизельном топливе на 26,5% выше давления впрыскивания Р'ф4, увеличение длины X. топливной струи в начальной фазе на 22% и основной на 26%, расширение угла рассеивания струи р, на начальном участке на 29% и основном на 21%, уменьшение диаметров капель dimi(i на 19%, djcp на 17%, dinax на 11%. При переходе на маловязкое топливо, бензин А-72, происходит уменьшение всех параметров как у TTC, так и бессливной ТС, но менее существенное оно у БТС. Изменение показателей процесса топливоподачи по частоте вращения на топливах ДЛ и А-72 показало, что при выставленной одинаковой весовой цикловой подаче величина «Pj с бессливной ТС меньше, чем сТТС, на 13...15% (дизельне топливо) и на 18...21% (бензин). Продолжительность подачи çnc бессливной системой меньше на 14...17,5% на дизельном топливе и на 14...21% на бензине. Особенно существенно для сокращения ПЗВ уменьшение ' угла динамического запаздывания начала подачи Д<р, которое составляет с БТС на базовом дизельном топливе 22...25%, на А-72 — 11...12,5% и значительно уменьшает действительный угол опережения начала подачи 0doHll топлива.

Количество топлива,попавшее в камеру сгорания за ПЗВ, а также за весь период подачи, определяет кинетические и динамические показатели процесса сгорания. Кинетические параметры процесса сгорания' рассчитывались по методике, предложенной И. И. Вибе, при обработке инднкаторных диаграмм дизеля 4ЧН14,5/20,5 с определением доли .выгоревшего топлива х,, характеристики скорости тепловыделения топлива dx/dy, доли активного теплоиспользования X, , количества теплоты Q, выделившейся в процессе сгорания к данному моменту времени, давления Р( и температуры Тг Кроме того, сравнивались такие кинетические параметры,,как показатель характера сгорания m, продолжительность процесса сгорания д>г (tt), коэффициент эффективности сгорания ç.

Сравнение бессливного процесса топливоподачи с традиционным проводилось при одинаковом угле опережения начала подачи еонп = 24 пкв, одинаковой нагрузке Pt ~ 0,8 МПа, одинаковом (iГ распылителя на скоростных режимах максимальной мощности n = 1250 мок1 |i максимального крутящего момента п = 950 мин-' .

Как показали исследования, ВПТП с постоянным остаточным даалением Р0= 5 МПа по сравнению с TTC обеспечивает уменьшение первого максимума

характеристики dx/dy при несколько больших значениях Р2, замену двух последующих максимумов одним более высоким и менее продолжительным.Это свидетельствует о том, что воспламенение топлива происходит при меньших значениях ПЗВ более плавно, а все топливо попадает в камеру сгорания при сокращенной продолжительности подачи <ря, сгорает во время протекания периода сгорания до такта расширения и снижает максимальную температуру цикла Т2.

Эффективность сгорания также выше,так как при меньших на 5,5...6,5% значениях <р; показатель m возрастаете бессливной системой на 33...125%, продолжительность сгорания <рг сокращается на 1... 14,5 градуса, коэффициент эффективности увеличивается на 1,5%, что приближает их к оптимальным для дизелей значениям.

Показатели динамики определялись по средней скорости нарастания давления "\УРсрдля дизелей с объемно-пленочным и объемным смесеобразованием.

Жесткость процесса сгорания с камерой типа Гессельмана практически в два раза выше, чем с камерой ЦНИДИ. Бессливная аппаратура увеличивает Wr на тракторном дизеле на 0,04 МПа/°пкв, а на транспортном на 0,04...0,08 МПа° пкв с увеличением Р0, но это повышение незначительное и не выходит за пределы допустимого.

Полученные данные исследования по нагрузке тракторного дизеля 4414,5/ 20,5 с БТС показали, что с бессливным процессом подачи топлива повышаются индикаторные показатели: работа Ц, давление Pj и КПД г^, сокращается удельный расход топлива q. Эти показатели определяют уменьшение удельного эффективного расхода топлива и температуры выхлопных газов tr, а также повышают КПД п, • Индикаторные и эффективные показатели дизеля 124H15/ 18 по частоте вращения, снятые с TTC и БТС и остаточным давлением Р„= 4 МПа и Р0=9 МПа подтвердили зависимость их от ПЗВ и продолжительности подачи, которые с повышением ОД сокращаются. Так повышение ОД в бессливной - системе до 9 МПа способствует уменьшению на 2°пкв, фп на б...8°пкв, Лср на 1,5...2°пкв, увеличению Р'фтк на 15...20 М/Па, Pj на 5...6%, Ре на 2,5...3%, на 1,5%, сокращению удельных расходов топлива, индикаторных qt на 5...6 г/квт.ч. и эффективных^ на 3,5...5 г/квт.ч., росту мощности, индикаторной N, на 1,5,..3,5%, эффективной Ne на 1,5...2%. При использовании легкофракционного топлива А-72 бессливная ТС также обеспечивает более высокие показатели (рис. 8).

Эффективность работы дизеля ç бессливной топливной системой проверена испытаниями развернутого подноразмерного тракторного дизеля 4ЧН14, 5/ 20,5 в стендовых условиях с использованием дизельного и газоконденсатного топлива Лая-Вожекого месторождения (ГКЛВ). Скоростные характеристики снимались при одинаковой нагрузке, но при разных углах опережения начала подачи, для традиционной TTC — ecBD =24 "пкв, для бессливной ТС - eclllI = 21'пкв

Как показали проведенные исследования, с БТС получено на дизельном

Plie. 8. Индикаторные и эффективные показатели рабочего цикла дизеля 12 ЧН 15/18:

-ДЛ,----------А-72; •• TTC с V =0,098 си3; хх - БТС с Р=9 МПа.

pu

топливе в диапазоне частот вращения от максимального крутящего момента до максимальной мощности снижение эффективного удельного расхода топлива сц на 25...30 г/квт.ч., часового GT на 3...7 кг/час, температуры выхлопных газов t, на 80...100° С, повышение КПД п, на 12...15%; на газовом конденсате ГКЛВ уменьшение сц составило 16...19 г/квт.ч, G, на 2.„3 кг/ч, t, на 50...80°С, увеличение КПД на 5...8% (рис. 9).

Экспериментальные и расчетные исследования, проведенные автором, позволили определить, что за оптимальное остаточное давление для бессливного процесса подачи топлива целесообразно выбирать величину, равную давлению сжатия в дизеле.

Конструкция бессливной топливной аппаратуры позволяет также повысить работоспособность распылителя — основного узла топливной системы. Этот фактор подтвержден длительными стендовыми и эксплуатационными испытаниями 4-х дизелей 12ЧН15/18 с БТС, имеющих по сравнению с четырьмя дизе-

9

о —-х— Т/- -А

а \\

0 А'

ж— ——а- —¿г^

-«=- — >>

1 ч

{ А

V

¡Л,

Уе \ \\

1

к. к'

у

<

Ч ______

\

*

о ■ ■ !■-- 7- V

> *--- 4'. —___ V

1 ——: V- \

V Л

Уе \ \

\

Г ---- > • / \ 1

А /»

Рис. 9. Скоростная характеристика дизеля 4 ЧН 14,5/20,5:

а — дизельное топливо: 6 — газоконденсатное тошпшо ГКЛВ: •—• — твалишюнная ТС: х—х — бесслшная ТС.

лями, оснащенными TTC, на 4,5...7,5% большую цилиндровую мощность и на 7...28% большую наработку. После окончания работы из 48 форсунок бессливная ТС имеет 28 форсунок с хорошим качеством распыливания, а традиционная ТА только 5 штук, что яатяется подтверждением более надежной работы распылителей в БТС.

Подтверждение сохранения мощностных, экономических и надежностных показателей в процессе длительных испытаний получены в условиях Севера Тюменской области на дизелях 12415/18 буровой установки при проведении приемочных эксплуатационных испытаний БТА под наблюдением комиссии из представителей восьми министерств.

Испытания проводились при низких температурах окружающем среды (до -55°С) на дизельном топливе и местном газовом конденсате, очищенном от механических примесей и имеющем по сравнению с дизельным топливом в 3 раза меньшую вязкость, фракционный состав, соответствующий топливам ШФС. ив 1,5 раза ниже цетановое число. Бесслнвная система отработала на четырех дизелях на дизельном топливе 300...400 моточасов и на газовом конденсате 460...860 м.ч. Суммарная наработка при этом составила 750...1270 м.ч.. за время которой дефектов по БТА не было обнаружено. При работе этих же дизелей с традиционной топливной аппаратурой был зафиксирован выход из строя ТПВД через 300 м.ч., а выход распылителей форсунок через 200 м.ч. Мощность дизелей на газовом конденсате выставлялась равной мощности при работе на дизельном топливе увеличением выхода рейки специальным упором, причем часовой расход газового конденсата был на 2...2,5 кг/ч меньше,чем дизельного.

Улучшение экологических характеристик с бессливным. процессом топли-воподачи достигается уменьшением сажеобразования и окислов углерода практически на 50% из-за отсутствия подвпрыскиванин и увеличения скорости посадки иглы форсунки, подтверждаемых уменьшением первого максимума скорости тепловыделения, угла опережения впрыскивания, продолжительности подачи и максимальной температуры цикла.

Народнохозяйственный экономический эффект, подсчитанный в«Гдавтю-меньгеологии» от внедрения 60 комплектов БТА для работы на местном газовом конденсате в ценах 1987 г., составил 500 тысяч руб.

На Челябинском тракторном заводе АО «Уралграк» бессливная топливная аппаратура при участии автора освоена в серийном производстве для транспортных. дизелей специального назначения 1241115/18 н 6ЧН15/16 и буровых установок. БТА изготовлена в качестве опытных образцов, отличающихся от TTC конструктивными элементами, для дизелей раатичного назначения: тракторного дизеля 4ЧН14,5/20,5, дизеля буровой установки WOLA — H 12Ч?5/16,5, дизеля 310DR 6ЧН31/36 маневрового тепловоза.

выводы

Проделанная работа, направленная на решение важной народно-хозяйственной проблемы по расширению топливно-энергетических ресурсов и экономии топлива, позволяет сделать следующие выводы:

1. Применение предложенного в диссертации бессливного^ процесса топли-воподачи на дизелях типа В-2 и Д-160 впервые обеспечило бесперебойную эксплуатационную работу буровых установок й тракторов на чистом газовом конденсате при низких температурах до минус 55'С.в условиях Крайнего Севера, Это является практическим воплощением и развитием концепции государствен' ной комплексной топливно-энергетической программы России на период до 2010 года.

2. Созданы математическая модель, метод, алгоритм и программа гидродинамического расчета бессливного процесса топливоподачи с учетом его конструктивных особенностей и зависимостей основных параметров различных топлив от давления и температуры, с помощью которых проведены исследования влияния элементов топливной системы на параметры процессов впрыскивания, распиливания и развития струи при работе на различных топливах.

3. Сопоставление результатов расчетного и экспериментального исследования по предложенной модели показали хорошую сходимость (отклонения менее 6%), вследствие использования предложенных уравнений, учитывающих изменение теплопроводности, скорости распространения волн давления и коэффициента сжимаемости различных топлив в бессливном процессе впрыскивания для дизелей транспортного типа специального назначения, буровых установок, тракторных и тепловозных.

4. Теоретические и экспериментальные исследования позволили установить приспособляемость топливной аппаратуры дизелей к различным топливам при сохранении основных ее элементов, размеров, их взаимозаменяемости со штатными, путем изменения топливоподачи организацией бессливного процесса с постоянным остаточным давлением заданной величины в линии высокого давления и герметичной надыгольной полости форсунки.

5. Впервые разработанная топливная аппаратура с бессливным процессом топливоподачи за счет постоянного давления в нагнетательном топливопроводе перед началом впрыскивания и повышения скорости посадки иглы за счет наличия этого же давления в корпусе форсунки обеспечивает работу дизелей на всех скоростных и нагрузочных режимах, различных углеводородных топливах (рт газовых конденсатов до товарных бензинов и летнего дизельного) с повышением на 20...150% максимального давления впрыскивания, уменьшением на 10..,25% динамического запаздывания и продолжительности подачи, ростом величины цикловой подачи при этом на 15...50%, улучшением цикловой стабильности в 1,5.-3 раза и однородности распиливания, увеличением длины, скорости перемещения и угла рассеивания топливной струи.

6. Разработанная автором бессливная топливная аппаратура дизелей с объ-

емным и объемно-пленочным смесеобразованием в процессе стендовых, длительных и эксплуатационных испытаний обеспечивает улучшение экономических, мощностных, экологических и надежностных показателей: снижение эффективных удельных расходов дизельного топлива на 5...25 г/квт. ч., маловязкого на 5,5...19 г/квт. ч„ повышение индикаторной, эффективной мощности и работоспособности распылителей, снижение токсичности и дымности до 50% при незначительном увеличении жесткости процесса сгорания.

7. Бессливная топливная аппаратура не требует каких-либо новых сложных технологических процессов для производства и принята к внедрению в серийное производство на Челябинском тракторном заводе для дизелей 12ЧН15/18 и 6ЧН15/ 16, а также может быть изготовлена в виде отличающихся конструктивных элементов для переоборудования штатной топливной аппаратуры дизелей с объемным и объемно-пленочным смесеобразованием любых размерностей и различного назначения.

Содержание диссертации отражено в 35 научных трудах, из которых 22

опубликованы, основные из них: 1. Морозова B.C., Сквирский ИЛ. Исследования по повышению коэффициента подачи топливного насоса//Труды ЦНИТА: Ленинград. —1972 — Вып. 54. -С.8-11.

2. Астахов И.В., Голубков J1.H., Морозова B.C. Особенности работы и расчета топливной системы с двойным нагнетательным клапаном // Топливная аппаратура дизелей: Внутривузовский сб. — Ярославль, 1974. — Вып. 2. — С.З—9.

3. Астахов И.В., Голубков JI.H., Хакимов А.М., Морозова B.C. Расчетное исследование влияния неидентичности нагнетательных магистралей топливных систем дизелей на неравномерность подачи топлива по цилиндрам // РЖ О. В. Двигатели внутреннего сгорания, реф. 10.39.216. — 1974.

4. Морозова B.C., Сквирский И.Л. Топливовпрыскивающая система дизеля. A.C.N 4642117 -опубл. в Б.И., 1991, N27.

5. Морозова B.C. Совершенствование топливоподающей аппаратуры дизеля при работе в условиях повышенной температуры воздуха // Тез. докл. Всесо-юзн.научн.конф. — Ташкент, 1982. — С.119.

6. Технические условия на аппаратуру топливную для использования газо-конденсатныхтоплив. ТУ 41РСФСР2286. В.С.Морозова, Л.П.Кашкина, А.П.Став-ров: Мингео РСФСР. - 1983. — 13 с.

7. Карта технического уровня и качества продукции на аппарутуру топливную дизелей для использования газоконденсатного топлива / В.С.Морозова, А.П.Ставров: Мингео РСФСР. - 1983. 10 с.

8. Инструкция по эксплуатации с рекомендациями по использованию газо-конденсатных топлив для дизелей буровых установок на месторождения ПО «Урен-гойнефтегазгеология» и «Пурнефтегазгеология»/В.С.Морозова, Л.П.Кашкина, А.П.Ставров; Мингео РСФСР. - 1983. 20 с.

9. Ставров А.П., Морозова B.C. Повышение эффективности рабочих про-

цессов и топливоподающей аппаратуры дизелей при работе на газоконденсат-ных топливах ШФС // Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания: Тез.докл.Всесоюзн.научн.конф. — М., 1986. —

10. Морозова B.C., Нехлебов Г.Г. Исследование работы топливной аппаратуры дизеля Воля Н 12 на маловязком газоконденсатном топливе// Повышение топливной экономичности автомобилей и тракторов: Тез.докл.научн.техн.конф.

- Челябинск, 1987. - 28 с.

П.Морозова B.C., Ставров А.П. Использование в дизелях газоконденсатно-го топлива широкого фракционного состава // Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания: Тез.докл.Всесоюзн.научн.техн.конф. — Киров,

- 1988,- С.89.

12. Морозова B.C. Влияние разгрузки линии высокого давления на параметры процесса топливоподачи // Техническая эксплуатация, надежность и совершенствование автомобилей: Тематический сб. научн.тр. — Челябинск: ЧПИ. - 1990. - С. 106-113.

13. Морозова B.C. Использование показателей бессливного процесса топливоподачи с постоянным остаточным давлением // Труды ЦНИТА: Ленинград.

- 1990. - С. 174-178.

Н.Морозова B.C. Влияние конструктивных элементов бессливной топливной системы с постоянным остаточным давлением на его величину и параметры процесса топливоподачи // Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин: Темат.сб.научнлр. — Челябинск: ЧПИ, — 1991. - С. 40-46.

15. Морозова B.C. Особенности расчета бессливного процесса топливоподачи с постоянным остаточным давлением при использовании топлив различных физических свойств // Известия ВУЗов. Машиностроение. — 1992. — N 4 —6. -С. 76-81.

16. Морозова B.C. Бессливная система топливоподачи с нагнетательными клапанами различного действия//Известия вузов. Машиностроение, — 1992.

- N 79. - С. 89-93. '

17. Морозова В. С. Изменение физико-химических показателей углеводо-рожных топлив при переменных значениях температуры и давления// Исследование силовых установок и шасси транспортных и тяговых машин: Темат. сб. научн. тр. — Челябинск: ЧГТУ.— 1995. —С. 19-29.

18. Морозова В. С. Применение бессливного процесса топливоподачи для улучшения параметров дизеля с камерой ЦНИДИ// Техническая эксплуатация, надежность и совершенствование автомобилей. Темат. сб. научн. тр. — Челябинск: ЧГТУ. - 1996. - С. 107-112.

С. 279.