автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности автотракторных дизелей путем снижения межцикловой неравномерности подачи топлива отремонтированных насосов

/Г /

Ч • V ^' *■■

Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова

На правах рукописи

ПЛОТНИКОВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ СНИЖЕНИЯ МЕЖЦИКЛОВОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ ТОПЛИВА ОТРЕМОНТИРОВАННЫХ НАСОСОВ

05.20.03 - Эксплуатация, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЗАГОРОДСКИХ Б.П.

САРАТОВ -1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.........................8

1.1 Влияние параметров топливоподачи на технико-экономические параметры работы дизеля....................................................................8

1.2 Причины возникновения межцикловой неравномерности подачи топлива и способы ее снижения............................................................16

1.3 Выводы и постановка задач исследования..........................................24

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАЗОРОВ В МЕХАНИЗМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА НА ВЕЛИЧИНУ МЕЖЦИКЛОВОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ ТОПЛИВА.......................26

2.1 Расчет возможной величины межцикловой неравномерности подачи топлива, обусловленной зазорами в соединениях деталей регулятора и механизма управления подачей топлива................................................26

2.2 Обоснование критерия оценки технического состояния деталей механизма управления подачей топлива....................................................43

2.3 Выводы по разделу.......................................................................45

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................46

3.1 Общая методика...........................................................................46

3.2 Анализ износного состояния деталей механизма управления подачей топлива топливных насосов, поступивших в ремонт.................................47

3.3 Исследование влияния зазоров в механизме управления подачей топлива на действительную величину межцикловой неравномерности...............47

3.3.1 Методика определения межцикловой неравномерности................48

3.3.2 Методика определения угловых смещений плунжера...................52

3.4 Методика стендовых исследований влияния межцикловой неравномерности на работу дизеля.......................... .....................................54

3.5 Методика эксплуатационных испытаний...........................................55

3.6 Определение погрешности измерений...............................................56

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАЗОРОВ В МЕХАНИЗМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ТОПЛИВА НА ВЕЛИЧИНУ МЕЖЦИКЛОВОЙ НЕРАВНОМЕРОСТИ ПОДАЧИ ТОПЛИВА......................................................................................59

4.1 Исследование технического состояния деталей механизма управления подачей топлива................................................................................59

4.2 Исследование влияния зазоров в сопряжениях деталей регулятора и механизма управления подачей топлива на межцикловую неравномерность подачи топлива.................................................................................67

4.3 Разработка критерия технического состояния деталей механизма управления подачей топлива...................................................................77

4.4 Разработка конструкторских и технологических мероприятий по снижению межцикловой неравномерности.............................................81

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕЖЦИКЛОВОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПОДАЧИ ТОПЛИВА НА РАБОТУ ДИЗЕЛЯ И УСТАНОВЛЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ ЕЕ ЗНАЧЕНИЙ..........................................90

5.1 Стендовые исследования влияния межцикловой неравномерности

на работу дизеля Д-240........................................................................90

5.2 Эксплуатационные исследования влияния межцикловой неравномерности на расход топлива трактором..................................................97

5.3 Выводы по разделу......................................................................101

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ........102

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...........................................................................106

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................108

ВВЕДЕНИЕ

Современный агропромышленный комплекс - крупный потребитель топливно-энергетических ресурсов. Общая энергетическая мощность машинно-тракторного парка и энергоустановок в отраслях АПК значительно превышает суммарную мощность всех электростанций. Около 36% мощностей приходится на тракторы, 29% - на автомобили, 13% - на комбайны и 22% на электродвигатели и электроустановки [36]. Основным энергоносителем при производстве сельскохозяйственной продукции является дизельное топливо, так как именно оно применяется для всех тракторных, комбайновых и части автомобильных двигателей. Значительная часть находящихся в эксплуатации дизелей имеет пониженную на 12 - 27% мощность и повышенный на 15 - 25% расход топлива [104]. В такой ситуации, с учетом ежегодного снижения добычи нефти в России и повышения цен на энергоносители, важнейшей задачей будет снижение расхода дизельного топлива.

Одной из основных систем дизеля, которая в значительной степени предопределяет мощностные и экономические показатели, надежность и стабильность его работы, является топливная аппаратура (ТА).

Практика показывает, что топливная аппаратура автотракторных дизелей пока еще не полностью удовлетворяет предъявляемым к ней высоким техническим требованиям, особенно в части обеспечения необходимой стабильности работы, в частности равномерности (стабильности) топливоподачи.

Неравномерность подачи топлива оказывает заметное влияние на качество протекания рабочего процесса и, в итоге, обуславливает, кроме ухудшения экономичности работы дизеля, неустойчивую его работу, повышает шумность процесса сгорания, увеличивает дымность отработавших газов [20].

Неравномерность топливоподачи определяется совместным действием неравномерности подачи (распределения) топлива по цилиндрам (межсекционной неравномерности) и неравномерности топливоподачи от цикла к циклу (межцикловой).

Межсекционная неравномерность изучена достаточно глубоко, исследовано влияние износов деталей ТА на ее величину [16,33,85]. Выпускаются стенды, позволяющие регулировать межсекционную неравномерность, ее величина регламентирована ГОСТ-Ю578-86.

Вопросы межцикловой неравномерности изучены пока еще недостататоч-но, не установлены допустимые ее значения, в литературе встречаются лишь рекомендации по обеспечению ее величины в пределах не выше 5%. Не исследовано влияние износов деталей топливных насосов на величину межцикловой неравномерности. Отсутствуют достаточно надежные средства диагностики, позволяющие при сравнительно малых затратах труда с высокой достоверностью определять ее величину. Нет рекомендаций по комплектации топливной аппаратуры, которые бы позволили минимизировать величину межцикловой неравномерности. В процессе эксплуатации и при ремонтах она вообще не проверяется.

В этой связи дальнейшее изучение причин межцикловой неравномерности, выявление факторов, влияющих на ее величину, разработка средств снижения межцикловой неравномерности будут иметь большое практическое значение.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Повышение качества ремонта топливной аппаратуры автотракторных дизелей путем совершенствования методов диагностики ее технического состояния и снижения межцикловой неравномерности подачи топлива.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. Рядные топливные насосы высокого давления типа 4УТНМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Выведены аналитические выражения и получено уравнение регрессии, позволяющие, зная величины износов деталей механизма управления подачей топлива (МУПТ), определять величину межцикловой неравномерности подачи топлива.

Обоснован новый критерий оценки технического состояния деталей механизма управления подачей топлива по величине межцикловой неравномерности.

Определены допустимые значения межцикловой неравномерности для отремонтированных дизелей Д-240.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработан способ оценки технического состояния деталей механизма управления подачей по величине межцикловой неравномерности подачи топлива, применение которого позволяет контролировать техническое состояние деталей механизма управления подачей топлива при текущем ремонте, регулировке и техническом обслуживании, и своевременно ремонтировать насосы, имеющие износ выше допустимого.

Разработано устройство для снижения межцикловой неравномерности подачи топлива, применение которого позволяет снизить расход топлива на 3%. На данное устройство получено положительное решение о выдаче свидетельства РФ на полезную модель.

Исследование проводилось согласно федеральной научно-технической программе «Научное обеспечение эффективной эксплуатации техники аграрных товаропроизводителей Российской Федерации».

Работа выполнена на кафедре «Надежность и ремонт машин» Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова. Производственная проверка проводилась на Ершовской опытной станции орошаемого земледелия НИИСХ Юго-Востока.

АПРОБАЦИЯ. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях СГАУ 1996-1999 г., на X в 1997 г. и XI в 1998 г. межгосударственных научно-технических семинарах «Проблемы экономичности и эксплуатации ДВС в АПК СНГ», на расширенном заседании кафедры «Надежность и ремонт машин» СГАУ в 1999 г.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Обоснование критерия технического состояния деталей регулятора и механизма управления подачей топлива по величине межцикловой неравномерности топливоподачи.

2. Обоснование допустимых значений межцикловой неравномерности.

3. Средство (устройство) для снижения межцикловой неравномерности топливоподачи топливных насосов 4УТНМ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Влияние параметров топливоподачи на технико-экономические параметры работы дизеля

Поскольку дизель является двигателем с внутренним смесеобразованием, основное влияние на качество протекания рабочего процесса оказывает топли-воподающая аппаратура. В связи с этим к ней предъявляется ряд жестких требований [76,96], сводящихся к следующему:

1) подавать за цикл заданное количество топлива;

2) подавать топливо в заданный период и по определенному закону;

3) распыливать топливо на капли, размер которых позволял бы так распределять их по объему камеры сгорания, чтобы наиболее рационально использовался рабочий воздух;

4) обеспечивать идентичную работу всех секций топливного насоса;

5) обеспечивать стабильность топливоподачи в последовательных циклах.

Нарушения в процессе впрыскивания топлива, вызванные неравномерностью подачи между цилиндрами и неравномерностью (нестабильностью) топливоподачи в последующих циклах, приводят к ухудшению качества протекания рабочего процесса.

Исследованию влияния неравномерности подачи топлива по секциям и межцикловой нестабильности топливоподачи на протекание рабочего процесса дизеля посвящено много работ [2,24,29,34,55,106,109].

Влияние неравномерности цикловой подачи на удельный расход топлива и резервы топливной экономичности на примере нагрузочной характеристики дизеля Д-240, снятой при номинальной частоте вращения коленчатого вала 2200 об/мин, показаны на рис. 1.1 [99].

При неравномерной подаче в наиболее опасном положении находится цилиндр, в котором увеличивается цикловая подача. В данном цилиндре возрастает среднее эффективное давление, уменьшается коэффициент избытка воздуха, повышается температура выпускных газов и деталей: клапанов, днища

поршня и поршневых колец. Увеличение тепловой напряженности ведет к ухудшению подвижности поршневых колец, интенсивному старению и коксованию масла. Вследствие этого возникает преждевременный износ, а иногда и выход из строя отдельных деталей цилиндро-поршневой группы [20].

г/кВт ч мг/цикл

400 350

300 250 200

3 5 7 МПа

Рис. 1.1 Влияние неравномерности подачи топлива на экономичность дизеля. 5 - неравномерность цикловой подачи топлива; А - резервы топливной экономичности.

При малых значениях коэффициента избытка воздуха в камере сгорания возрастает число зон с недостатком кислорода и происходит образование сажи [16]. Кроме того, существенно увеличивается токсичность отработавших газов [83].

Изменение закона подачи топлива значительно сказывается на частоте вращения, а также амплитуде колебаний крутящего момента. Из-за колебаний крутящего момента детали дизелей подвергаются вибрации повышенной амплитуды, что отрицательно сказывается на их надежности [90]. Воздействие

90

60

30

0

вибрации приводит к разрушению элементов топливного насоса, нарушению регулировочных параметров, ухудшению фильтрации топлива [84,103].

В исследовании [34] представлен анализ напряженности работы дизеля Д-240, в котором показано, что увеличение неравномерности топливоподачи выше 10% выводит за допустимые технические условия значение удельного расхода топлива, а длительная работа дизеля с неравномерностью, равной 13% недопустима и ведет к уменьшению ресурса и надежности его работы.

Л.К. Челпан стендовыми исследованиями дизеля Д - 40 [106] показал, что наибольшее влияние неравномерности подачи топлива на экономические показатели работы дизеля наблюдается на режимах, близких к номинальному. При отклонении от номинального режима влияние неравномерности ослабевает: при возрастании вт - в связи с увеличением избытка воздуха, при возрастании Ох - из-за недостатка воздуха. На режиме минимальных чисел оборотов холостого хода увеличение неравномерности подачи топлива приводит к ухудшению качества рабочего процесса в отдельных цилиндрах, что оказывает большое влияние на экономичность дизеля. По данным этого же автора при изменении неравномерности в пределах 0 - 6% (на номинальном режиме) мощность и экономичность дизеля изменяются весьма незначительно. Увеличение же неравномерности до 18% приводит к увеличению удельного расхода топлива на 9 г/л с • ч.

Стендовые исследования двигателя Д - 54, проведенные в НАТИ, показали, что увеличение неравномерности до 12% не влияет на мощность и расход топлива. По другим данным при увеличении неравномерности до 4%, ухудшение экономических показателей не превышает 0,1%. Приведенные выше данные касаются малонапряженных двигателей Д - 54 и Д - 40. В форсированных двигателях степень влияния неравномерности топливоподачи на работу дизеля заметно возрастает [12].

Убедительным доказательством влияния межцикловой неравномерности подачи топлива на топливную экономичность двигателя является расчетно-экспериментальное исследование, проведенное авторами работы [24]. Используя метод численного моделирования, авторы работы проанализировали сте-

и

пень влияния на стабильность рабочего процесса цикловой подачи топлива, скорости сгорания и некоторых других параметров. Результаты показывают, что наибольшее влияние на индикаторное давление оказывает цикловая подача топлива, а на максимальную температуру цикла ее влияние незначительно. Причем, с изменением нагрузки на двигатель изменение влияния данного фактора незначительно. Резюмируя, авторы заключают, что из рассмотренных факторов на нестабильность рабочего процесса дизеля 6ЧН 12/14 наиболее существенно влияют скорость сгорания и цикловая подача.

Согласно данным исследований [19], снижение межцикловой нестабильности путем стабилизации начальных условий в нагнетательном трубопроводе позволяет снизить удельный расход топлива, повысить устойчивость работы двигателя на частичных режимах и холостом ходу.

Автор работы [94] отмечает, что с увеличением неравномерности рабочего процесса от цикла к циклу уменьшается плавность его хода, повышается вибрация, снижается экономичность и плавность его работы.

Таким образом, снижение неравномерности подачи топлива позволит повысить безотказность топливной аппаратуры и дизеля в целом, снизить расход топлива, увеличить мощность дизеля.

Для оценки степени нестабильности подачи от цикла к циклу применяют специальную величину - неравномерность топливоподачи по циклам. Она представляет из себя отношение разницы между максимальной и минимальной подачами рассматриваемой секции системы топливоподачи к средней подаче:

V -V

Я —О Цтах Цтт ,,

+ у~ ' (1Л)

' Цтт. Цат

где Кдтах и Уц-^ - максимальная и минимальная подачи секции, мм3.

До настоящего времени не сложилось единого мнения о методике определения межцикловой неравномерности. Оценка ее может производиться по методу Н.В. Шмигельского путем измерения масс последовательных единичных подач (впрыскиванием в вату). Этот метод требует больших затрат времени и пригоден при сравнительно невысоких частотах вращения.

В быстроходных дизелях межцикловую неравномерность топливоподачи оценивают по осциллограммам процесса топливоподачи. Часто для этого снимают осциллограммы давления топлива с малой скоростью протяжки пленки. При этом осциллограммы располагаются в виде зубьев «гребенки». По ним находят амплитуду колебаний максимального давления впрыскивания, которая в какой-то м