автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Переходные периоды в топливоподающей аппаратуре дизелей

У ' * , ' -У " ' * • Т>

Волгоградский государственный технический университет

На правах рукописи

КУР АЛИН Алексей Викторович

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ

АППАРАТУРЕ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Славуцкий В.М.

Волгоград 1999

стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................5

Основные условные обозначения ......................................7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................9

1.1. Литератутный обзор..............................................................9

1.2. Переходные процессы в дизеле..........................................11

1.3. Переходные процессы в топливоподающей аппаратуре дизелей....................................................................................13

1.4. Методы исследования переходных процессов в топли-воподающей аппаратуре и в дизеле..................................19

1.5. Совершенствование переходных процессорв;'тбз5ливо-подающей аппаратуре дизеля...................21

1.6. Постановка задач исследования........................................26

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

В ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЕ ДИЗЕЛЕЙ..........................30

2.1. Математическая модель переходных процессов в топ-ливоподающей аппаратуре дизелей..................................30

2.1.1. Расчет процессов в насосе................................................33

2.1.2. Расчет процессов в форсунке............................36

2.2. Дифференциальное уравнение топливоподающей аппаратуры....................................................................39

2.3. Частотные методы исследования ......................................61

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТОПЛИВОПОДАЮЩЕЙ АППАРАТУРЕ....................................................................66

3.1. Использование дифференциального уравнения и частотных методов................................... 66

3.1.1. Экспериментальное определение коэффициентов дифференциального уравнения. Построение переходного процесса топливоподающей аппаратуры.............. 66

3.1.1.1. Экспериментальная установка...................... 67

3.1.1.2. Объект исследований.............................. 70

3.1.1.3. Методы измерения................................. 71

3.1.1.4. Методика эксперимента и расчета параметров....... 71

3.1.1.5. Результаты эксперимента.......................... 74

3.1.2. Метод расчета коэффициентов дифференциального уравнения. Построение переходного процесса топливоподающей аппаратуры............................ 81

3.1.2.1. Алгоритм расчета коэффициентов дифференциального уравнения и построения переходного процесса. Исходные данные.................................... 82

3.1.2.2. Результаты расчета .............................. 82

3.2. Использование методов гидродинамического расчета. 85

3.2.1. Алгоритм и исходные данные. Методика расчета ---- 85

3.3. Результаты численных экспериментов .............. 93

3.3.1. Начальные условия. Продолжительность переходного процесса ........................................ 96

3.3.1.1. Влияние конструктивных параметров топливоподающей

системы на протекание переходного процесса ...... 119

3.3.2. Цикловая подача и максимальное давление впрыскивания топлива ................................... 158

3.4. Выводы .......................................... 168

4. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ РЕЖИМЫ В ТОПЛИВОПОДА-

ЮЩЕЙ АППАРАТУРЕ И В ДИЗЕЛЕ ............................................174

4.1. Переходные режимы в топливоподающей аппаратуре... 174

4.2. Переходные режимы в дизеле ............................................197

4.2.1. Математическая модель рабочих процессов в дизеле

при переходном режиме ......................................................197

4.2.2. Общие уравнения процессов изменения состояния

газа в полостях двигателя ..............................................199

4.2.3. Интегральные показатели двигателя и турбокомпрессора ..............................................................205

4.2.4. Расчет переходного процесса и условие наступления установившегося режима ......................................206

4.2.5. Алгоритм и методика расчета переходных процессов в двигателе. Исходные данные............................................208

4.2.6. Результаты исследований ..................................................211

4.3. Выводы ....................................................................................229

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ........................................................................231

ЛИТЕРАТУРА............................................................................234

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................243

ВВЕДЕНИЕ

В условиях эксплуатации значительную часть времени транспортные дизели работают на неустановившихся режимах. Из-за сложности процессов в дизеле на этих режимах исследования последних следует считать актуальными.

Сложность изучения работы дизеля на неустановившихся режимах в значительной мере связана с определением подачи топлива в течение переходного процесса. В свою очередь, на этих режимах сложны и специфичны процессы в системе топливоподачи.

Известны работы, посвященные изучению переходных процессов отдельно в тошшвопо дающей системе и в дизеле в целом. В последнем случае на каждом этапе переходного процесса цикловая подача топлива принимается соответствующей положению рейки в сходственном стационарном режиме. При таком подходе даже современные методы исследований не позволяют получить объективные данные о показателях дизеля в течение переходного процесса.

Диссертационная работа посвящена разработке методов расчета и исследованию показателей рабочего цикла и топливоподачи в дизеле на переходных режимах. В качестве исходных приняты математические модели и программные комплексы для расчета процессов в дизеле на установившихся режимах.

Исследовалось изменение показателей процесса впрыскивания топлива в течение переходного процесса.

На режиме фиксированной рейки и неизменной скорости вращения вала насоса изучалось влияние исходных начальных условий в нагнетательной магистрали на протекание переходного процесса при различных конструктивных параметрах системы. Результаты этих

исследований могут быть использованы как практические рекомендации по выбору конструктивных параметров как существующих, так и опытных и вновь проектируемых топливоподающих систем.

Предлагается расчетно-экспериментальный метод испытания топливоподающих систем на предмет возникновения подвпрыскиваний.

Смоделированы и исследованы переходные процессы при набросе и сбросе нагрузки в топливоподащей системе и в дизеле.

Доказаны преимущества опытной системы топливоподачи с удвоенной скоростью вращения вала насоса.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Автотракторные двигатели" Волгоградского государственного технического университета.

Автор искренне благодарен всему коллективу кафедры за неоценимую помощь в выполнении данной работы.

А. Курапин

а - скорость распространения волн давления в топливе;

с с t сп - скорости движения иглы форсунки,

нагнетательного клапана, плунжера; с. с' , с„ - скорости движения топлива на входе и

i, 1 О

выходе трубопровода и скорость топлива перед

сопловыми отверстиями распылителя;

dH, (Зп, dK - диаметры иглы, плунжера и нагнетательного

клапана (по разгружающему пояску);

<3Т - диаметр трубопровода в свету;

F(t), F(t —- прямые волны давления, сформированные у

насоса и подошедшие к форсунке;

Г, /', f - площади поперечного сечения по пояску, перьям К к щ

и под пояском нагнетательного клапана;

/ f / , / - площади поперечного сечения плунжера, иглы и

трубопровоода (в свету);

h^, h, h' - ход плунжера, клапана и высота разгрузочного п к к

пояска клапана;

L - длина трубопровода;

М, М' - массы деталей, движущихся с нагнетательным

клапаном и с иглой форсунки;

ть - частота вращения кулачкового вала насоса;

Р„» Р' - текущие значения давлений в камере нагнетания н н

и в объеме штуцера насоса; Рко, Р^ - давление топлива в камере нагнетания в момент

начала движения нагнетательного клапана и в распылителе в момент начала движения иглы форсунки;

Рф, Рф - давление топлива в распылителе выше запорного конуса и в объеме между запорным конусом и сопловыми отверстиями;

Р , Рс - давление в цилиндре и остаточное давление в нагнетательной магистрали;

Я - цикловая подача топлива;

и

7 , 7^ - текущий объем камеры нагнетания и штуцера насоса;

7о - остаточный свободный объем в нагнетательной магистрали;

7т, 7ф - объемы полостей трубопровода и распылителя;

W(t) - обратная волна, сформированная у форсунки и подошедшая к штуцеру насоса; а - коэффициент сжимаемости топлива;

б' - жесткости пружин нагнетательного клапана и форсунки;

- коэффициенты расхода в сечениях сопловых отверстий, всасывающих и отсечных окон, между запорными конусами иглы и корпуса распылителя;

(Н/)ф ~ эквивалентное проходное сечение распылителя в сборе; р - плотность топлива;

ф - угол поворота кулачкового вала насоса;

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Литературный обзор

Исследования переходных процессов в ДВС, выполняемые многими авторами и исследовательскими организациями, связаны с тем, что эти процессы занимают значительную часть времени, а иногда являются и преобладающими в реальных эксплуатационных условиях. Это относится ко всем типам двигателей, работающим в различных отраслях промышленности. Работа тракторных двигателей, например, характеризуется частыми включениями муфты сцепления и переключениями передач, а следовательно, и сменой режимов работы [73. В частности, на тракторе Т-150 при работе с плугом "Труженик" наблюдается 11,63 переключений передач в час.

В связи с широким распространением и большим разнообразием назначений ДВС исследование переходных процессов проводится на конкретных типах двигателей, в конкретных условиях и с конкретными целями. Основными целями этих исследований, как правило, являются повышение мощности, экономичности и надежности работы двигателя.

В работе [103 исследуются переходные процессы тепловозного двигателя 8ЧН26/26 при его форсировании до Р0= 2.04 МПа и делается вывод о том,МТ0показатели дизеля при этом не ухудшаются. В работах [22,233 рассматривается работа дизелей с высоким наддувом в условиях переменных нагрузок. Показано, что при резких ("мгновенных") набросах нагрузки у дизелей с высоким наддувом переходные процессы характеризуются (при прочих условиях) большим снижением частоты вращения, а также большими временем переходного процесса и перегрузками, чем у дизелей с умеренным наддувом. Таким образом, следует ограничивать одномоментные набросы нагрузки на

дизели с высоким наддувом. Много работ посвящено исследованиям переходных процессов в карбюраторных двигателях, транспортных дизелях, дизелях с турбонаддувом, дизель-генераторах и др. [4,6,8-10,12]. Отмечается отличие работы двигателей в установившемся и неустановившемся режимах. Следствием этого является увеличение удельного расхода топлива, ухудшение работы систем охлаждения и смазки, увеличение вибрации и другие отрицательные явления. В карбюраторных двигателях, кроме того, наблюдается осаждение топлива, поступившего из карбюратора, в виде пленки на поверхность впускного коллектора. Это приводит к повышенному смыванию смазки с поверхности цилиндра и, следовательно, к увеличению износа последней.

Дополнительный толчок к исследованию переходных процессов в дизеле дала автоматизация управления теплосиловыми установками с ДВС. Двигатель при этом становится регулируемым объектом по многим параметрам, и являющимся составным элементом системы автоматического регулирования. Его динамические качества важны для работы всей системы с автоматическими регуляторами. Создание таких установок связано с проведением большого количества расчетов, целью которых является оценка динамических свойств разрабатываемых систем [13-15,25,26]. При этом наибольшее распространение получили методики расчетов, основанные на применении линейных дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы как отдельных элементов (двигатель, топливная аппаратура, коллекторы, регулятор и т.д.) так и систем автоматического регулирования в целом.

В работе [5] на основании обработки ряда показателей индикаторных диаграмм с помощью ЭВМ получены характеристики процесса сгорания при неустановившихся условиях работы в виде

коэффициентов использования теплоты в зависимости от коэффициента избытка воздуха. Авторы показали, что снижение индикаторного КПД при неустановившихся режимах работы, связанных со снижением коэффициента избытка воздуха, обусловливается ухудшением процесса сгорания и поэтому может быть компенсировано путем специальной доводки рабочего процесса за счет топливной аппаратуры и лучшей организации процесса сгорания.

В связи с этим становится важным рассматривать переходные процессы не только в самом дизеле, но и в его топливоподащей аппаратуре. Переходные процессы в топливоподащей аппаратуре важны еще и потому, что при рассмотрении двигателя как регулируемого объекта она сама является элементом системы автоматического регулирования. Поэтому много исследваний посвящено переходным процессам в топливоподащей аппаратуре дизеля

[27-31,40,47,50,53,55-571.

Рассмотрим подробнее виды переходных процессов в дизеле и в топливоподащей аппаратуре.

1.2. Переходные процессы в дизеле

Характер изменения режимов работы двигателей в условиях эксплуатации многообразен. В литературных источниках, как правило, не описываются конкретные условия, при которых осуществлялся тот или иной эксперимент в рассматриваемой области, а также не приводятся данные по установке с двигателем. Отсутствует единая обоснованная классификация характерных эксплуатационных режимов работы и данные, определяющие условия проведения эксперимента (такие, как момент инерции нагрузочного устройства,типы систем топливоподачи, смазки, воздухоснабжения). Часто представляются

ограниченные данные о показателях рабочего процесса двигателя. Все это затрудняет обобщение и анализ результатов выполненных различными авторами исследований. Применительно к одному и тому же типу дизеля данные, приводимые в литературе, нередко различаются, что, видимо, объясняется разными условиями испытаний.

В целях четкости изложения нами приняты следующие классификация и терминология режимов и процессов, наиболее характерных для условий эксплуатации дизелей [2,3].

Установившийся режим - работа двигателя при постоянстве во времени показателей рабочего процесса (р , т}д, п, Т, и т. п.). В

С» " х

этом случае наблюдается статическое равновесие:

Ме - Мс = 0, (1.1)

где М& - крутящий момент двигателя,

М0 - момент сопротивления потребителя.

Основным признаком неустановившегося режима работы двигателя является нарушение статического равновесия:

"е - "с - ^ аг • <1-2)

где J - приведенный момент инерции двигателя и связанных с ним

агрегатов.

Нарушение статического равновесия приводит к изменению угловой скорости коленчатого вала и связанных с ним агрегатов. При этом параметры, входящие в зависимость (1.2), становятся функцией времени Неустановившиеся режимы характеризуются средними за цикл значениями показателей, изменяющимися от цикла к циклу в период перехода от одного установившегося режима к другому.

Переходный процесс - переход работы двигателя от одного установившегося режима к другому, характеризуемый динамической характеристикой двигателя.

Динамическая характеристика является последовательной во

времени совокупностью неустановившихся режимов, представляемой зависимостью показателей работы двигателя, изменяющихся от цикла к циклу за время переходного процесса.

1.3. Переходные процессы в топливоподащей аппаратуре

дизелей

Анализ динамических свойств двигателя в целом возможен при условии, что известны динамические свойства каждого элемента, входящего в его структуру. Одним из таких элементов является топливоподающая аппаратура (ТА), определяющая цикловую подачу топлива как на установившихся режимах работы, так и в переходном процессе, когда цикловая подача меняется во времени (от цикла к циклу). Поэтому исследованию переходных процессов в ТА посвящено большое количество научных работ, достаточно полно отраженных в списке литературы. Одними из первых эту проблему исследовали О.Б.Леонов и Н.Н.Патрахальцев. В своих работах [30,40,41,45] они в первую очередь обратили внимание на неидентичность показателей топливоподачи при установившихся и неустановившихся режимах работы. Позднее эти и другие авторы на основании экспериментов и теоретических моделей исследовали параметры топливоподачи дизеля на переходных режимах и провели систематизацию возможных видов переходных процессов в ТА [50-551. Ниже будут показаны основные результаты их исследований.

Установившийся режим топливоподачи (работы топливной аппаратуры) однозначно определяется тремя условиями:

- постоянством скорости вращения кулачкового вала;

- постоянством активного хода плунжера ;

- неизменностью от цикла к циклу остаточного давления в

нагнетательном трубопроводе.

Переходый режим топливоподачи или переходный процесс появляется в том случае, когда либо первое, либо второе, либо эти оба сразу из указанных выше условий начинают изменяться во времени. При этом третье условие также н