автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Разработка средства определения механического КПД диагностируемых автотракторных дизелей методом пропуска рабочих ходов поршней

На правах рукописи

ХАРИСОВ Денис Дамирович

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ДИАГНОСТИРУЕМЫХ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ МЕТОДОМ ПРОПУСКА РАБОЧИХ ХОДОВ ПОРШНЕЙ

Специальность: 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2013

14 ::;;] 2013

005538018

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Инсафуддинов Самат Зайтунович

Неговора Андрей Владимирович

доктор технических наук, профессор, кафедра тракторов и автомобилей ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, профессор

Хусаииов Винер Наильевич

кандидат технических наук, ОАО «Уфимский тепловозоремонтный завод», генеральный директор

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный аграрный университет»

Защита состоится 30 ноября 2013 г. в Ю00 на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, 50-летия Октября, 34, к. 3, ауд. 257. Тел.: (347) 228-91-77.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан «. 23 » СиЧЗс1р$. 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Мударисов С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В сельскохозяйственных тракторах, автомобилях и комбайнах широкое распространение получили дизельные двигатели (далее по тексту независимо от назначения дизели). В этой связи техническое состояние дизелей определяет не только агротехнические сроки выполнения технологических операций, но и расход топливо-смазочных материалов на их выполнение (доля которых в себестоимости, например, зерновых, доходит до 30-40%).

В процессе эксплуатации должное техническое состояние дизелей обеспечивают соответсвующими техническими обслуживаниями и ремонтом. Своевременному и качественному их проведению способствует соответственно до- и послеремонтное диагностирование дизелей. Как показывает практика, оно позволяет сократить число капитальных ремонтов в 1,3-1,5 раза, а расход запасных частей - в 1,5-2, и повысить техническую готовность тракторов к напряженным периодам работ до 97%, а безотказность их работы - на 20... 30 %.

В соответствии с ГОСТ 18523-79 необходимость и качество ремонта двигателей оценивают стендовыми испытаниями, определяя кроме их эффективных показателей условные механические потери (механический коэффициент полезного действия - механический КПД).

Известные методы определения механического КПД двигателя недостаточно точны или требуют использования сложных технических средств - испытательных стендов.

Башкирским ГАУ (БГАУ) предложен достаточно точный и простой метод определения механического КПД дизелей пропуском рабочих ходов поршней (подач топлива). В качестве технического средства при нем используется весьма простое устройство пропуска подач топлива.

Степень разработанности темы. Для пропуска подач топлива БГАУ использовал довольно сложный по конструкции двухпрсцизиоиный электрогидро-управляемый клапан DENSO зарубежного производства (применяемый в двигателях фирмы Toyota для регулирования цикловой подачи топлива). Использование такого сложного устройства не позволяет полностью реализовать высокую эффективность предложенного метода.

1? этой связи для повышения эффективности определения механического КПД дизелей пропуском рабочих ходов поршней практический интерес представляет разработка простого по конструкии и дешевого по себестоимости специального устройства пропуска подач топлива.

Работа выполнялась по договору с АН РБ в соответствии с государственной научно-технической нршраммой Республики Башкортостан на 2011-2012 годы (утвержденной Постановлением Правительства Республики Башкортостан от 12 ноября 2010 г. №424) на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» ФГБОУ ВПО БГАУ.

Цель работы. Повышение эффективности определения механического КПД дизелей методом пропуска подач топлива.

Объект исследований. Технические средства определения механического КПД диагностируемых дизелей.

Предмет исследований. Влияние конструктивных параметров электронно-управляемых устройств пропуска подач топлива на их работоспособность.

Задачи исследований:

1. Проанализировать научпо-исслсдоватсльскис работы по клапанам, применяемым в топливоподающих системах (ТС) дизелей, и выбрать клапан, пригодный для использования в устройствах пропуска подач топлива.

2. Создать математическую модель работы выбранного клапана и с ее использованием разработать мероприятия по его приспособлению для пропуска подач топлива.

3. Разработать с использованием усовершенствованного клапана электронно-управляемое устройство пропуска подач топлива и электронный блок управления его работой в процессе определения механического КПД дизелей.

4. Экспериментально исследовать предложенное устройство пропуска подач топлива и разработать рекомендации по его применению.

Научная повнзна работы:

- упрощенное математическое выражение для определения хода запирающего элемента кольцевого клапана - кольца от его жесткости и расхода топлива через него;

- методика расчета соотношения сил притяжения электромагнита и противодействующих им сил со стороны кольца;

- мероприятия по совершенствованию технологии изготовления и конструкции электронно-управляемых кольцевых клапанов (новизна технических решений подтверждена положительным решением от 09.09.2013 г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2012131613/02 (049747)).

Вклад автора в проведении исследований. Математическое описание хода кольца и сил, противодействующих силам притяжения электромагнита, мероприятия по совершенствованию технологии изготовления и конструкции кольца клапана и его гнезда и разработка с использованием усовершенствованного кольцевого клапана устройства пропуска подач топлива и электронного блока управления его работой, экспериментальные исследования перепускного устройства, обработка полученных данных и анализ результатов исследований.

Практическая значимость. Новый способ изготовления кольца клапана, позволяющий конструктивно и технологически просто обеспечивать высокую гидроплотность клапанного узла, и электронный блок управления его работой, обеспечивающий необходимую надежность работы в целом перепускного устройства.

Методология п методы исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории ДВС, гидродинамики и электромеханики. Экспериментальные исследования базировались на стандартных и частных методах их проведения. Результаты экспериментальных данных обрабатывались на прикладных программах ЭВМ.

Реализация и внедрение результатов работы. Устройство принято дня производственной проверки и внедрения НПФ ООО «Башдизель», ГУСП МТС «Центральная», ООО «ПриютовЛгроГаз» и используются в БГЛУ студентами инженерных факультетов и в исследовательских работах кафедрой «Теплотехника и энергообеспечение предприятий».

Апробация работы. Основные положения доложены и обсуждены на III Всероссийской научно-практической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация» (Уфа, БГАУ, 2012 г.); Международной молодежной научной конференции (форуме) молодых ученых России и Германии «Научные исследования в современном мире: проблемы, перспективы, вызовы» (Уфа, БГАУ, 2012 г.); Всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Инновационные методы преподавания в высшей школе» (Уфа, БГАУ, 2012 г.); Всероссийской научно-практичсской конференции «Фундаментальные основы научно-тсхничсской и технологической модернизации АПК» (Уфа, БГАУ, 2013 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 10 работах, в том числе в 4-х изданиях, входящих в перечень рецензируемых ВАК, и в одной монографии.

Структура и объем диссертации. Состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка (из 120 наименований). Она изложена на 120 страницах, содержит 71 рисунок, 9 таблиц и 2 приложения.

Положении, выносимые на защшу:

- математическая модель работы электронно-управляемого кольцевого клапана;

- конструктивное и технологическое обоснование возможности использования электронно-управляемого кольцевого клапана в устройстве для определения механического КПД двигателей пропуском рабочих ходов поршней;

- электронно-управляемое устройство пропуска подач топлива с кольцевым клапаном и электронный блок управления его работой при определении механического КПД дизелей методом пропуска рабочих ходов поршней;

- результаты исследований механического КПД дизелей методом пропуска рабочих ходов поршней с использованием предложенного устройства пропуска подач топлива.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны научная новизна и практическая ее значимость, приведены выносимые на защиту основные положения и результаты исследований.

В первой главе «Классификация и особенности клапанов топливных систем автотракторных дизелей» проанализированы работы Астахова И.В., Баширова P.M., Габбасова У.Г., Габдрафикова Ф.З., Габитова И.И., Гайсина Э.М., Галиуллина P.P., Ги-мадиева Р.Г., Грехова Л.В., Гуревича A.M., Девянина С.П., Дурова А.З., Иващенко H.A., Инсафуддинова С.З., Костарева К.В., Маркова В.А., Неговора A.B., Патрахальцева H.H., Русинова Р.В., Хомича А.З., Эммиль М.В. и др., касающиеся темы работы.

Из них следует, что известные клапаны состоят из седла, запорного (шарик, конус, золотник и др.) и силового (механичеекгш пружина) элементов. Использование самостоятельного силового элемента при простейшей схеме выполнения существенно затрудняет решение существующей в топливных системах (ТС) проблемы снижения объема ЛВД (у широко применяемых грибковых клапанов, например насоса 4УТНИ, внутриклапанный объем доходит до 1,8 см3), усложняет конструкцию клапана, особенно при электронном управлении (известные электронно-гидравлически управляемые клапаны, например, фирмы DENSO имеют две пары прецизионных дет&чей), и снижает их долговечность (при посадке запорных элементов на седло происходит их радиальное смещение, обуславливающее повышенный износ клапанного узла).

Одним из возможных направлений решения этих проблем может стать использование предложенных БГАУ кольцевых клапанов (рисунок 1), в которых функцию как силового, так и запорного элементов выполняет разрезное кольцо, изготовленное из упругих материалов (пружинистых стали или бронзы), а гнездом для него служит любая цилиндрическая поверхность.

Кольцевой клапан не относится к прецизионным и не требует высокой чистоты уплотняющих поверхностей (достаточно их изготовить по 8-9 классу), а по гидроплотности не отличается от широко применяемых грибковых клапанов топливных систем. Отсутствие в нем специального силового элемента позволяет сущсствсппо снизить объем внугриклапанной полости (в ряде случаев до 0,14 см3). К тому же клапан хорошо приспособлен для электронного управления процессом топливонодачи (цикловой подачи и опережения впрыска).

При подаче топлива кольцо приподнимается па высоту h (рисунок 1), а его свободный конец Г. перемещается по окружности на величину nh. В этой связи кольцо можно рассматривать и как встроенный в него механический мультипликатор хода свободной кромки с коэффициентом мультипликации тт. В случае необходимости этой особенностью клапана можно воспользоваться для разгрузки ЛВД после впрыска топлива, особенно при электронном управлении его работой.

PA

б

/¡„/I Рисунок 1 Схема кольцевого клапана (па

главном виде кольцо показано при снята,i 4 крышке, на разрезе в поднятом давлением \ топлива положении): 1 и 5 — тотшвоподво-дящий и отводящий каналы с диаметрами d„ и d„; 2 и б- гнездо и его крышка; 3 - кольцо; 4 -| штифт-фиксатор; Б - внутриклапанная по-v'^jjp^'pj;] j | меть; Bui// — выточки (для снижения силы d W/3; давления топлива на внутреннюю поверхность

~ кольца, удаления продуктов износа и снижения

гидравлического залипания кольца) и угол между ними; Г - свободная кромка кольца; h высота подъема (ход) кольца при его работе; Ц but — диаметр, ширина и толщина кольца; Pj и Р2 - давления до клапана и во внутриклапанной полости; S - величина зазора между кромками кольца; /? - угол отклонения потока топлива от вертикали; А - зазор между кольцам и гнездом (при колы{е, установленном в гнездо)

При использовании этого клапана в разрабатываемых нами устройствах в качестве электронно-управляемого клапана пропуска подач топлива ход его, соответствующий пропуску подачи топлива, обеспечивается электромагнитом, а давление топлива в линии слива может способствовать заполнению внутриклапанной и надплунжерной полостей, особенно при использовании тонкостенных колец малой жесткости.

Эти клапаны пока еще не полностью исследованы и поэтому окончательно не доработаны. Результатом этого является нерешенность ряда проблем, возникающих при их использовании, в частности в нашем случае:

- при токарном изготовлении (точением) возникает трудность изготовления тонкостенных колец и не обеспечивается равномерное их прилегание к поверхности гнезда (при разрезе кольцо под действием внутренних напряжений расширяется и теряет цилиндрическую форму, а при установке в гнездо образует серповидный зазор - А по рисунку 1) и требуемая плотность посадки в гнездо;

- при электронном управлении потребная мощность электромагнита оказывается сравнительно большой из-за, с одной стороны, недостаточного его быстродействия, обусловленного залипаниями кольца - магнитным к электромагниту и гидравлическим

к гнезду, и, с другой, больших противодействующих усилий.

Вторая глава «Математическое описание процесса работы электронно-управляемого кольцевого клапана, совершенствование его конструкции и технологии изготовления и разработка с его использованием устройства пропуска иодан топлива» посвящена теоретическому исследованию выбранного кольцевого клапана, изысканию способов совершенствования его конструкции и технологии изготовления и разработке с его использованием устройства пропуска подач топлива.

Устройство пропуска подач топлива с кольцевым клапаном целесообразно устанавливать между плунжерной парой насоса высокого давления и его нагнетательным клапаном. Этим можно обеспечить остаточное давление в ЛВД (между нагне тательным клапаном и плунжерной парой) после впрыска тем же грибковым клапаном с разгружающим пояском, а подачу топлива пропускать электромагнитным воздействием на момент открытия сливного канала, соединяющего надплунжерную полость с полостью слива (до начала нагнетательного хода плунжером). При этом стабилизации остаточного давления будет способствовать и сам кольцевой клапан, пропуская топливо в эту линию из полости слива топлива.

Одним из важнейших показателей работы кольцевого клапана, определяющих особенности его конструкции для нашего случая, является высота подъема (ход) кольца h (рисунок 1) в зоне уплотнения отверстия топливоподводящего каната в процессе запол-

нения внутриклапанной полости давлением топлива линии слива.

Для определения хода кольца на этом участке при поступлении топлива можно воспользоваться выражением полученным (с учетом гидродинамической составляющей давления топлива) проф. Башировым P.M. Оно дает достаточно точные результаты. Однако отличается q:>OM03flKocTbio и трудно применимо для анализа работы клапана.

Принебрегая мало влияющими факторам на основе этого выражения нами получено следующее упрощенное выражение для определения хода кольца в рассматриваемой зоне:

.jrriifZ, о)

где Ррад - радиальное давление кольца на гнездо;

p,CviQ- плотность, коэффициент расхода и секундный расход топлива через клапан; с - жесткость кольца (остальные обозначения даны на рисунке 1).

Ход кольца, определенный по этому выражению, оказался меньше значения по формуле проф. P.M. Баширова, всего на 5,9%.

Такое же упрощенное выражение можно было получить и рассматривая истечение топлива через кольцевой клапан, как через насадку, проанализированную Т.М. Баштой.

Как видно из выражения (1), определяющими факторами хода кольца являются его жесткость (с) и расход топлива (Q).

Зависимости хода h кольца (размерами £>=20 мм, 6=10 мм, /=0,6 мм при значениях р=870 кг/м3 и с =0,82) от его жесткости и секундного расхода топлива представлены на рисунке 2.

Из них следует, что при заданном расходе топлива Q ход кольца h можно влиять через его жесткость с.

Степень влияния параметров, определяющих жесткость кольца, можно выявить из данных рисунка 3.

Рисунок 2 'Зависимость хода кольца h от Рисунок 3 Зависимость жесткости коль-его жесткости с и расхода топлива Q ца с от его ширины Ъ и отношения D/t

Следует отметить, полученное выражение, связывающее ход кольца с его жесткостью, справедливо для всех участков расположения подводящего топливо канала - как напротив зазора между кромками кольца, так и у его кромки.

Указанные выше недостатки токарного изготовления кольца можно устранить, изготавливая его предлагаемым нами термическим способом с использованием специальной оправки, приняв за исходную заготовку прокатанную пластину (рисунок 4).

Зазоры между отдельными участками кольца и гнезда (соответствующие, например, выточкам В корпуса по рисунку 1), могут обеспечиваться уже при прокатке пластины (на рисунке 5 показана пластина для случая четырех зазоров).

Оправка выполняется с седлом в виде углубления точением до размеров внутреннего диаметра кольца, посаженного в гнездо. Наружный диаметр оправки следует принять большим диаметра его седла на толщину t пластины.

Пластина устанавливается в выточку седла оправки и прижимается хомутом (рисунок 4).

Количество седел оправки определится количеством одновременно изготовляемых колец (на рисунке 5 изображена оправка с двумя седлами; одно из них показано с установленными на него пластиной и хомутом).

Для фиксации пластины в приданной цилиндрической форме оправка с пластинами закаливается.

При таком способе изготовления обеспечивается, кроме всего прочего, строгая цилиндрическая форма кольца и необходимые плотность прилегания его к гнезду и чистота наружной уплотняющей поверхности кольца (8-9 класса).

¡-„„^■й-Б

Ь+0,05мм

и

I.,

и

I,

и

(1 » ) ) о

1 1< —- пп —

Рисунок 4 Оправка (1), хомут (2), пластина (3)

Немаловажно и то, что при ней сохранятся волокна, сформированные при прокатке самой пластины-заготовки, т.е используется технологическая наследственность материала, способствующая повышению долговечности работы кольца.

Электромагнит размещается во внутриклапанной полости. Мощность его определяется, естественно, противодействующими усилиями со стороны запирающего элемента.

Электромагнит может выполняться по одному из двух, представленных на рисунке 6, вариантов, отличающихся расположением магнитных силовых линий и обеспечивающих его надежную центровку относительно гнезда. При первом варианте для исключения контакта кольца и сердечника потребуется их изоляция. Противодействующая сила при кольцевом клапане зависит от давлений топлива на линии слива (Р^ и во внутриклапанной полости (Р2) -рдт, упругости кольца - Ру,,р-, трения его о поверхность гнезда - Р,„р; сил инерции кольца - Р^ гидравлического и магнитного залипания кольца к гнезду и к сердечнику Рг, и РЛ„.

Суммарная величина противодействующей силы, зависящая от текущего значения хода (/?) кольца, определяется следующей системой уравнений:

я ■ ¡У:

Рисунок 5 Схема пластины-заготовки: Ь],..,Ь5- длины участков прилегания колы/а к гнезду; 1],..,14~ длины участков,

соответствующих зазорам между кольцом и гнездом; -величина зазора 0,1 мм)

=

0,708 • Е ■ р0 0,708 -Е-м-

■Р™ =

4

(О-О3 -¿-г3

Р„=к

у-А

р = 1,417 -Е

(О-о3 '

до страгивания (/;,- =0); до страгивания =0); после страгивания (Л, >0); в момент страгивания (А,- >0); до и после страгивания (/г, >0).

где Е - модуль упругости материала кольца (для стали Е-210 ГПа);

Но и // - коэффициенты трения покоя и скольжения (при жидкостном трении /го =0,10-0,12, ,«=0,05-0,10);

h0 и h - предварительный затят (дополнительное сжатие кольца при посадке его в гнездо) и ход кольца при притяжении его электромагнитом;

А, v и к - площадь соприкосновения уплотняющей части кольца и гнезда, скорость движения кольца относительно поверхности гнезда и коэффициент пропорциональности.

Вариант II

изоляция

изоляция

Рисунок 6 Схема устройства пропуска подач топлива с кольцевым клапаном при электромагнитах с магнитными силовыми линиями вдоль образующей колы¡а (I) и поперек нее (II): 1 и 2- каналы сливной и топливоподводящий; Р1 и Р3 - давления топлива в канале 1 и во внутрикчапанной полости; X - центральный угол зазора колы ¡а; т -угол, определяющий положение слив-ного канала относительно середины зазора между кромками кольца; Ры. - сила притяжения электромагнита; Fy„p. и Fà w - силы упругости кольца и давления топлива, про-тиводействующие силе притяжения электромагнита

Если пренебречь незначительными по величине силами инерции и залипания кольца, то из системы уравнений (2) можно найти силу, необходимую для страгивания кольца:

F„=P, L, ■b-P,

л d:

- +1.417 ■ Е

t'b-^+h)

0,708 •£•■//„

X-L b-t3

■4 (О-/)1 ■ " ф-г)'

После страгивания кольца эта сила уменьшается и станет равной:

= 1,417 ■ Е ■-

■b-(h0+h)

+ 0,708 • Е -р

X-L-b-r

(3)

(4)

(/> .'У ' ' (/'•/•)• С использованием выражений 3 и 4 были определены силы сопротивления клапанов указанных выше размеров для случая /и0=0,12; /<=0,10; /1=0,655 рад; й0=0,15 мм при зазоре между кольцом и сердечником 0,4 мм. Результаты расчетов представлены в таблице. Таблица значений противодействующих сил при посадке кольца (в гнездо)

Значения Ход кольца h, Противодействующие силы, H

ho, мм г, град мм Рдт р 1 ÎJIV F 1 VHP F„

180 0 17,37 5,12 3,26 25,75

0,15 0,4 0 0 11,95 11,95

40...60 0 17,37 0 3,26 20,63

0,4 0 0 11,95 1 1.95

180 0 17,37 5,12 0 22,49

0 0,4 0 0 8,69 8,69

40...60 0 17,37 0 0 17,37

0,4 0 0 8,69 8,69

Как и следовало ожидать, при кольце с предварительным затягом (/?0=0,15) противодействующая сила при страгивании кольца (й=0 мм) и наличии сил трения (т=180 град) оказалась наибольшей (27,75 Н).

После страгивания кольца она уменьшилась и к моменту прижатия к сердечнику электромагнита (/7=0,4) снизилась на 70% (составила 11,95 Н). При расположении сливного канала ближе к кромке кольца (т=:40...б0 град) трение исчезало и из-за этого противодействующие силы для страгивания и для удержания оказались равными соответсвенно 20,63 и 11,95 Н.

Минимальными противодействующие силы оказались при кольце, установленном без затяга (й0=0), и расположении сливного канала с углом т=40...60 град (17,37 и 8,69 Н).

Из представленных данных следует, что для уменьшения противодействующего усилия со стороны кольца необходимо:

- снизить давление топлива Р2 во внутриклапанной полости, выравнив его с давлением Р1 путем соединения сливного канала с линией низкого давления и уменьшив площадь прилегания кольца к гнезду (/.; и Ъ) в зоне уплотнения отверстия сливного канала;

- устранить трение кольца о гнездо, обеспечив управление перепуском топлива воздействием на уплотняющую зону кольца, расположив ось сливного канала под углом 50 град от середины зазора между кромками кольца, и одновременно не допустив, тем самым, и соприкасания кромки кольца к сердечнику электромагнита;

- уменьшить предварительный затяг кольца при установке в гнездо, изготовив его предложенным термическим способом.

С учетом полученных данных было разработано электронно-управляемое устройство пропуска подач топлива (рисунок 7) с электромагнитом второго варианта и расположением осей сливного канала и электромагнита под углом г=50 град от середины зазора кольца.

За моментом подачи управляющего напряжения к обмотке электромагнита и его длительностью следит ЭБУ, получающий сигналы от щелевого фотоэлектрического датчика В55-Т2М положения кулачкового вала насоса. Пропуск и реализация подачи топлива фиксируются датчиком давления серии Мй-Ю-бОУ, установленным у штуцера форсунки секции, работающей с пропуском подачи топлива.

Алгоритм работы программы управления устройством приведен на рисунке 8.

Рисунок 7 Схема секции ТНВД 4УТНИ с устройством пропуска подач топлива

Рисунок 8 Алгоритм работы программы управления устройством

Третья глава «Методика экспериментальных исследований» содержит сведения о методике проведения экспериментов; стендах, приборах и аппаратуре, использованных при экспериментальных исследованиях.

Безмоторные исследования предложенного устройства проводились на ТНВД 4УТНИ с использованием стенда доя регулировки дизельной топливной аппаратуры КИ-22210-УХЛ4, а моторные - на четырехцилиндровом тракторном дизеле воздушного охлаждения 4410,5/12 (Д-144-60 трактора JIT3-60A) с номинапьными эффективной мощностью N¡,=44,1 кВт и частотой вращения« 2000мин с использованием тормозного стендаDS-926-4/1'(Чехослоткт).

Насос высокого давления и двигатель к испытаниям готовились в соответствии с требованиями ГОСТ 8670-82 «Насосы топливные высокого давления автотракторных дизелей. Правила приемки и методы испытаний» и ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний».

Экспериментальные данные обрабатывались на персональном компьютере с помощью программ Компас-31), Excel и специальных программ АЦП Zet-210.

В четвертой главе «Уточнение конструкции элекгронно-управляемого кольцевого клапана. Экспериментальные исследования с его использованием» описаны про-1раммные, а также безмоторные и моторные исследования предложенного устройства.

Для подтверждения возможности допущенного нами упрощения при получении выражения (1) хода кольца были проведены эксперименты с использованием программы Plow Vision 2.5 по исследованию плоских клапанов круглой (диаметром 10 мм) и квадратной (со сторонами по 10 мм) форм (рисунок 9).

Из них видно, что по давлению и скорости топлива в их щелях клапаны оказались практически идентичными - средние значения скоростей отличались только на 0,15 м/с (1,6 %), а давлений - на 0,34 кПа (6,2 %).

маплидопздбадяти кат

Рисунок 9 Графики скорости (1) и давления (2) потока топлива в щели клапанов круглой (а) и квадратной (б) форм в плоскостях вдоль оси топпиво-подводящего канала

Скорость топлива в подводящем канале у поверхности клапанов оказалась низкой (кривая 1 участок I), а давление из-за этого - высоким (кривая 2).

На начальном участке щели клапанов скорость топлива, наоборот, была высока (кривая 1 участок II), а давление низко. Здесь на клапан действовало кроме статической и гидродинамическая составляющая давления, колеблющаяся относительно нулевой линии и довольно быстро затухающая.

Гидродинамическая составляющая действует на клапан двояко способствуя в одних зонах увеличению суммарного давления, а в других его уменьшению, причем примерно одинаково. Таким образом, гидродинамическая составляющая давления действительно может не учитываться.

С учетом этого (пренебрегая этой составляющей давления) было получено то же аналитическое выражение (1). Отсюда следует, что:

- мало влияющими факторами оказались параметры, обусловленные именно гидродинамической составляющей давления потока топлива на кольцо;

- обуславливающие это давление конструктивные размеры клапанного узла, в частности площадь уплотнения, вообще могут не учитываться (выбираться из конструктивных соображений).

Экспериментами по термическому способу изготовления кольца клапана было выявлено, что нагревать кольцо с оправкой следует в печи с температурой 830... 850°С, и после выдержки в ней в течение 15-20 мин. закалить в масле и затем подвергнуть отпуску высокотемпературному (при использовании клапана в электронно-управляемых устройствах) или низкотемпературному (в обычных случаях).

Для определения оптимальных параметров электромагнитов (диаметра провода, числа витков, подаваемого напряжения и т.д.) и сравнения их по развиваемой силе притяжения предварительно был проведен ряд экспериментов с использованием программы моделирования электромагнитных задач - Elcut 5.0.

Клапаны имели ожидаемые (из конструктивных соображений) размеры: D=30 мм, Ь-\5 мм, 1=0,5мм, tj=0,1 mm,Li=6mm.

Предполагалось, что сердечники электромагнитов изготовлены из стали электротехнической 10895(Э), а кольцо клапана - из конструкционной рессорно-пружинной 65Р, гнезда клапанов из немагнитной (нержавеющей) 12Х18Н10Т (для исключения взаимодействия с магнитными потоками).

Расчеты выполнялись для условий нестационарного магнитного поля и постоянного зазора 0,4 мм между кольцом (якорем) и сердечником без учета влияния противодействующих сил со стороны кольца и вихревых токов в сердечниках.

Они показали, для получения максимальной силы притяжения электромагнитов оптимальным является выполнение их обмоток из меднош провода сечением 0,312 мм' (диаметром 0,63 мм) с количеством витков 100 (суммарным активным сопротивлением ЯгО,б Ом).

Силы притяжения электромагнитов при различных напряжениях U, подаваемых на их обмотки, и углах г изображены на рисунке 10.

И UJ

го

i -24 0 VR —

rp

■¿в

\ / --

гУ/ Г/ Ш/ - — — ---1

_ ,..г _ _ __

ir/у Щ/ / ' Г

\Г N ,в

18 2Í ]0 36 i? Ив

Рисунок 10 Расчетные зависимости сил притяжения электромагнитов первого (штриховые кривые) и второго (сплошные) вариантов от напряжения V, подаваемого на их обмотки, (а) и угла г (б)

0 20 Í0 60 80 100.20 НО г. грай

Как видно, по мере увеличения напряжения II силы притяжения возрастают и после достижения некоторого максимума (при (/=42 В) почти не меняются (рисунок 10, а). Последнее объясняется насыщением колец магнитным потоком.

Это хорошо видно из рисунка 11, на котором отображены визуализированные с использованием принятой для расчетов программы магнитные силовые линии (смыкающиеся кривые) и величины магнитных индукций (цветами) в деталях клапана при г~180 град и подаче на обмотку электромагнитов напряжения 36 В.

Резкое влияние угла г на силу притяжения (рисунок 10, б) в начальном участке (г<60 град) - результат увеличения зоны перекрытия поверхности кольца притягивающей частью электромагнита. При т^бО град перекрытие и, как следствие, силы притяжения оказываются максимально возможными и дальше (при г>60 град) не меняются.

Предпочтительным оказался электромагнит второго варианта; при ¿7=36 В он развивал большее на 35% (42 Н) усилие. Это явилось результом того, что магнитные силовые линии при проходе поперек образующей кольца пронизывали большую площадь его поверхности.

Как известно, надежность работы электромагнита обеспечивается превышением силы его притяжения над противодействующим усилием.

Это превышение определялось экспериментально по обоим вариантам электромагнита (изготовленным с одними и теми же размерами и параметрами обмотки), догружая кольцо дополнительной силой Рш (используя специально сконструированный рычажно-весовой динамометр).

Результаты экспериментов представлены на рисунке 12.

Н - /радидМГ63т1-ХШн-

- число бшхоб 2*Г~ 125 — 1%-ВбОя —

Л 30 36 12 ив

6)

2В /| 24 / Л 36 В

//

Ш/, Л*. "ч

\Л в " -

20 «? 60 80 100 120 КО г, град

Рисунок 12 Зависимости дополнительно приложенной силы к электромагните,т первого (штриховые кривые) и второго (сплошные) вариантов от напряжения и, подаваемого на их обмотку, (а) и угла г (б)

Из него видно, что экспериментальные характеристики до тг50 град менялись аналогично расчетным. Из сравнения их с графиками рисунка 10 следует, что превышение оказалось довольно значительным; при рациональном расположении сливного канала (г=50 град) оно составило 30 %.

С дальнейшим увеличением (т>50 град) превышающая сила снижалась, вероятно, из-за увеличения сил инерции (при т=40...60 град притягивается 1/4 часть кольца, а при £>90 град уже 1/2) и упругости кольца и появления сил трения.

Отсюда следует, что при обоих вариантах электромагнита целесообразно расположение сливного канала относительно середины зазора между кромками кольца иод указанным углом г^40...60 град.

Осциллограммы сигналов датчика положения кулачкового вала, управляющий сигнал микроконтроллера, а также осциллограммы тока в обмотке электромагнита и

Рисунок 11 Магнитные силовые линии и индукции в деталях клапана при электромагнитах первого (а) и второго (б) вариантов: 1 ~ сердечник; 2 — обмотка; 3 — кольцо

давления у штуцера форсунки системы, оборудованной устройством с усовершенствованным электронно-управляемым кольцсыв клапаном представлены на рисунке 13, при пропуске каждой второй очередной подачи (а), без пропуска подач и при пропуске каждых двух и трех подач (б - сверху вниз соответственно).

I = 0 00344 с С|1'кэ>-ы ' 0.1'"Ч--«0'0 ? 3*12108 д^

L ¡j___ ¡3,, It,... L.....

Дмлечп» У илуцер» форсуюм 6 ОТВДОМПа

у шт^цвм форсу»** 5 737000МП«

Г

Давление у штуцера форсуич» 8 $41200м;1з

I—L——L—i—

Рисунок 13 Осциллограммы, отобра tóomv системы с дассш 4УТНИ (п gu=68 мм /цикл)

жающие работу системы с пропускам подай с насосом 4УГНИ (п=1000 мин .

Как видно, графики практически совпади.

В начале на обмотку электромагнита подавалось напряжение t/=36 В (ток в обмотке достигал /==60 А). Для удерживания кольца в притянутом положении достаточным

оказалось напряжение — ¿7= 12/? (/=20 А).

Как видно, устройство работало четко и обеспечивало необходимые пропуски подачи топлива.

Максимальное давление впрыска составило 32-33 МПа. а остаточное даачение было 5-6 МПа. При штатной системе эти давления равнялись соответсвенно 35 и 8 МПа. Уменьшение давлений явилось результатом несколько возросшего из-за установки перепускного устройства объема ЛВД (на 0,7 см3) топливной сиетемы.

Результаты определения механического KIЩ двигателя 4410,5/12 е использованием разработанного элекфонно-управляемого устройства приведены на рисунке 14 (сплошные линии). Здесь же представлены результаты испытаний с псрспускным устройством, разработанным с использованием клапана DENSO (штриховые).

I la номинальном режиме (2000 мин ) механический КПД составил 0,700. Со снижением зов (tj и цикловой подачи топлива (gц) частоты вращения он плавно увеличивался и к двигателя 4410,5/12 от частоты 1710 мин' достигал 0,719. вращения его коленчатого вала

1700 1800 1900 2000 п мин' Рисунок 14 Зависимости механического к.п.д. (t].J, доли реализуемых подач (к), температуры выхлопных га-

Отметим также, что разработанное устройство может успешно использоваться и в качестве регулятора в двигателях, работающих как с пропуском рабочих ходов поршней, так и обычным способом.

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность использования разработанного электронно-управляемого устройства пропуска подач топлива» показано, что себестоимость электронно-управляемого кольцевого клапана с термически изготовленным кольцом составила 3182,49 руб. (в 2,6 раза меньше, чем при клапане DENSO). Общая себестоимость всего устройства диагностирования (с блоком управления и комплектом датчиков) составила 18670,65 руб.

Экономическая эффективность использования разработанного устройства достигается тем, что его применение не требует снятия двигателя с трактора и установки его на испытательный стенд и, благодаря этому, позволяет уменьшить трудоемкость определения механического КПД двигателя на 2,0...2,5 чсл.-часа по сравнению с применяемым методом (по ГОСТ 18523-79) прокручивания его коленчатого вала электродвигателем. В связи с этим, при определении механического КПД одного двигателя Д-144-60 предприятие может сэкономить 2,5-3,0 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что в средствах для определения механического КПД дизелей методом пропуска рабочих ходов пх поршней может успешно применяться непрецизионный кольцевой клапан конструкции Башкирского ГЛУ, не требующий высокой чистоты уплотняющей поверхности (достаточно изготовить по 8-9 классу) с низкой себестоимостью (в 2,6 раза меньшей, чем у двухпрецизионного клапана фирмы DENSO), хорошо приспособленный для электромагнитного управления, имеющий незначительный объем внутриклапанной полости (в 4-5 раз меньший, чем у грибкового клапана), при условии устранения его недостатков, обусловленных недоработанностью конструкции и технологии изготовления.

2. Предложена математическая модель электронно-управляемого кольцевого клапана, позволяющая наметить пути устранения его недостатков, в частности следующими мероприятиями:

- устранив силы трения кольца о гнездо и магнитное залипание кольца к сердечнику выбором рациональной схемы работы электромагнита (с расположением магнитных силовых линий поперек образующей кольца), оптимальных его параметров (активного сопротивления обмотки R„=0,6 Ом) и расположения оси его якоря (совмещением ее с осью сливного канала, расположенного под углом 50 град от середины зазора между кромками кольца); а также соединением (после пропуска подачи) внутриклапанной полости с линией низкого давления;

- исключением замыкания магнитных силовых линий в гнезде клапана, изготавливая его из немагнитной стали 12Х18Н10Т;

- термическим изготовлением кольца, обеспечивающим соответсвующие зазоры (порядка = 0,1 мм) между ним и его гнездом для снижения гидравлического залипания кольца к гнезду и автоматического удаления продуктов износа; а также снижение себестоимости изготовления кольца (в 2,5 раза по сравнению с токарным точением), увеличение срока службы клапана (примерно на 30%), снижение (на 20%) необходимой мощности электромагнита и изготовление тонкостенных (0,1-0,3 мм) колец со строгой цилиндрической поверхностью.

3. С использованием усовершенствованной конструкции и технологии изготовления кольца разработано электронно-управляемое устройство, обеспечивающее пропуск необходимого количества подач топлива.

4. Безмоторными и моторными исследованиями доказано, что разработанное устройство с кольцевым клапаном работает надежно, а по точности определения механического КПД двигателя не уступает устройству с клапаном фирмы DENSO (механический КПД двигателя 4410,5/12 на номинальном режиме составил 0,7 и в том и в другом случае).

С его использованием могут быть созданы достаточно простые и дешевые устройства пропуска подач топлива для определения механического КПД дизелей методом пропуска рабочих ходов поршней.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Харисов, Д.Д. Кольцевые клапаны для топливных систем двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Д.Д. Харисов, Р. М. Баширов // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. - 2013. - Вып. № 1 (25). - С. 78-83.

2. Харисов, Д.Д. Кольцевой нагнетательный клапан для электронно-управляемых топливных систем дизелей [Текст] / Д.Д. Харисов, С.З. Инсафуддинов //Известия Международной академии аграрного образования. - 2013. - Вып. №17. - С. 169-171.

3. Харисов, Д.Д. Электронный блок управления пропуском подачи топлива устройства оценки механического КПД двигателя внутреннего сгорания [Текст] / Д.Д. Харисов, A.M. Миннигалеев, А.Ж. Хисма-туллин //Известия Международной академии аграрного образования. - 2013. - Вып. №17. - С. 188-191.

4. Харисов, Д.Д. Совершенствование послеремонтного диагностирования тракторных дизелей [Текст] / Д.Д. Харисов, С.З. Инсафуддинов, A.M. Миннигалеев //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2013. — Вып. №4. - С. 23-24.

в монографии:

5. Харисов, Д.Д. Клапаны топливных систем двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Д.Д. Харисов, Р. М. Баширов; АН РБ. Отд-ние биологических и сельскохозяйственных наук. - Уфа: Тилем, 2012. - 112 с.

в других изданиях:

6. Харисов, Д.Д. Повышение экономичности работы тепловых двигателей внутреннего сгорания пропуском подач топлива [Текст] / Д.Д. Харисов, С.З. Инсафуддинов //Межвуз. науч. сборник: «Энергообеспечение и энергосбережение на предприятиях АПК» - Уфа: БГАУ, 2011. - Вып. №6. - С. 42-44.

7. Харисов, Д.Д. Кольцевые клапаны для гидравлических испытательных стендов и топливных систем дизелей [Текст] / Д.Д. Харисов, Р. М. Баширов// Мат-лы III Всерос. науч.-практ. конф. «Ремонт. Восстановление. Реновация» - Уфа: БГАУ, 2012. - С. 152-155.

8. Харисов, Д.Д. Диагностирование технического состояния автотракторных дизелей по механическому КПД [Текст] / Д.Д. Харисов, Р. М. Баширов, A.M. Миннигалеев // Мат-лы Всерос. науч.-практ. конф. «Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК» - Уфа: БГАУ, 2013. -Ч.-1. - С. 68-74.

Патенты и свидетельства:

9. Регулирование режимов работы дизельных двигателей пропуском подачи топлива [Текст]: свидетельство № 2013617764 о государственной регистрации программы для ЭВМ /Баширов P.M., Харисов Д.Д., Хисматуллин А.Ж.// Регистрация в Реестре программ для ЭВМ от 22.08.2013г.

10. Способ изготовления разрезных колец кольцевых клапанов [Текст]: заявка №2012 131613/02(049747) на получение патента РФ на изобретение /Баширов P.M., Харисов Д.Д. // Положительное решение о выдаче патента на изобретение от 09.09.2013 г.

Подписано в печать 28.10.2013 г. Формат 60х84'/16. Усл. печ. л. 0,93 Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура Тайме. Заказ № 537. Тираж 100 экз.

РИО ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ 450001, г. Уфа. ул. 50-летия Октября, 34

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ХАРИСОВ Денис Дамирович

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ДИАГНОСТИРУЕМЫХ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ МЕТОДОМ ПРОПУСКА РАБОЧИХ ХОДОВ ПОРШНЕЙ

Специальность - 05.20.03 Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Инсафуддинов С.З.

УФА 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 6 ГЛАВА 1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ КЛАПАНОВ

ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ 11

1.1 Классификация клапанов топливных систем (ТС) дизелей 11

1.2 Конструктивно-функциональные особенности клапанов ТС дизелей 12

1.3 Кольцевой клапан как один из перспективных для ТС дизелей 32

1.4 Выводы по главе 38 ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМОГО КОЛЬЦЕВОГО КЛАПАНА, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЕГО КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И РАЗРАБОТКА С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТРОЙСТВА ПРОПУСКА ПОДАЧ ТОПЛИВА 41

2.1 Математическое описание процесса работы кольцевого клапана 41

2.2 Совершенствование технологии изготовления и конструкции

кольцевых клапанов 47

2.3 Разработка устройства пропуска подач топлива на основе

электронно-управляемого кольцевого клапана 53

2.4 Разработка электронного блока управления устройством 62

2.5 Выводы по главе 65 ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 67

3.1 Методика экспериментальных исследований 67

3.2 Стенд для безмоторных исследований 68

3.3 Стенд для моторных исследований 70

3.4 Измерительно-регистрирующая аппаратура 74

3.5 Обработка экспериментальных данных, оценка погрешностей измерений 78

ГЛАВА 4 УТОЧНЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМОГО КОЛЬЦЕВОГО КЛАПАНА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВА ПРОПУСКА ПОДАЧ ТОПЛИВА 81

4.1 Программные исследования работы электронно-управляемого кольцевого клапана и уточнение его конструкции 81

4.2 Результаты безмоторных и моторных исследований устройства пропуска подач топлива 97

4.3 Выводы по главе 99 ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМОГО УСТРОЙСТВА ПРОПУСКА ПОДАЧ ТОПЛИВА 100 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 105 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 107 ПРИЛОЖЕНИЕ 120

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ДсИЗ - двигатель с искровым зажиганием;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

ЛВД— линия высокого давления;

ЛНД- линия низкого давления;

ЭГФ - электрогидравлическая форсунка;

ЭБУ- электронный блок управления;

Ые - эффективная мощность двигателя;

Ре - среднее эффективное давление;

Мкр - крутящий момент двигателя;

- эффективный удельный расход топлива; г}м - механический к.п.д.;

ги/- количество пропущенных подач и их общее число; в и (рвпр - угол опережения и продолжительность впрыска топлива; ёг/фвпр - интенсивность впрыска топлива;

6ц и Зс - межцикловая и межсекционная неравномерности подачи топлива; Ррад ~ радиальное давление кольца на гнездо; Ртах- максимальное давление впрыска топлива; Рост ~ остаточное давление;

Рст и Рд - статическая и гидродинамическая составляющие давления топлива;

Р\ и Р2 - давление в нагнетательном канале и во внутриклапанной полости; АР - потери давления;

и и2 - скорости топлива до клапана и после него; О, - секундный расход топлива через клапан; gц - цикловая подача насоса; ¿"-коэффициентрасхода топлива;

(р - коэффициент гидравлического сопротивления;

к - высота подъема (ход) кольца;

Б,Ъ и ? - диаметр, ширина и толщина кольца;

г - радиус кольца (г=£>/2);

5 - величина зазора в разрезе кольца;

1т - длина пластины;

с1п и с10 - диаметры подводящего и отводящего топливо каналов;

пи — номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя (кулачкового

вала насоса).

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В сельскохозяйственных тракторах, автомобилях и комбайнах широкое распространение получили дизельные двигатели (далее по тексту независимо от назначения дизели). В этой связи техническое состояние дизелей определяет не только агротехнические сроки выполнения технологических операций, но и расход топливо-смазочных материалов на их выполнение (доля которых в себестоимости, например, зерновых, доходит до 3040%).

В процессе эксплуатации должное техническое состояние дизелей обеспечивают соответсвующими техническими обслуживаниями и ремонтом. Своевременному и качественному их проведению способствует соответственно до- и послеремонтное диагностирование дизелей. Как показывает практика, оно позволяет сократить число капитальных ремонтов в 1,3-1,5 раза, а расход запасных частей - в 1,5-2, и повысить техническую готовность тракторов к напряженным периодам работ до 97 %, а безотказность их работы - на 20.. .30 %.

В соответствии с ГОСТ 18523-79 необходимость и качество ремонта двигателей оценивают стендовыми испытаниями, определяя кроме их эффективных показателей условные механические потери (механический коэффициент полезного действия - механический КПД).

Известные методы определения механического КПД двигателя недостаточно точны или требуют использования сложных технических средств - испытательных стендов.

Башкирским ГАУ (БГАУ) предложен достаточно точный и простой метод определения механического КПД дизелей пропуском рабочих ходов поршней (подач топлива). В качестве технического средства при нем используется весьма простое устройство пропуска подач топлива.

Метод пропуска рабочих ходов поршней заключается в следующем. При работе двигателя без нагрузки, подбором количества номинальных подач топлива

(рабочих ходов поршней) обеспечивается номинальная (или иная, для которой нужно определить механический к.п.д.) частота вращения коленчатого вала двигателя. При этом вся энергия реализованных рабочих ходов поршней затрачивается на преодоление механических потерь энергии в двигателе, а отношение числа выключенных рабочих ходов (z) к общему числу возможных рабочих ходов на рассматриваемом режиме (i) и представляет механический к.п.д. [22,32,90,91].

Степень разработанности темы. Для пропуска подач топлива БГАУ использовал довольно сложный по конструкции двухпрецизионный электрогидро-управляемый клапан DENSO зарубежного производства (применяемый в двигателях фирмы Toyota для регулирования цикловой подачи топлива). Использование такого сложного устройства не позволяет полностью реализовать высокую эффективность предложенного метода.

В этой связи для повышения эффективности определения механического КПД дизелей пропуском рабочих ходов поршней практический интерес представляет разработка простого по конструкии и дешевого по себестоимости специального устройства пропуска подач топлива.

Работа выполнялась по договору с АН РБ в соответствии с государственной научно-технической программой Республики Башкортостан на 2011-2012 годы (утвержденной Постановлением Правительства Республики Башкорстостан от 12 ноября 2010 г. №424) на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» ФГБОУ ВПО БГАУ.

Цель работы. Повышение эффективности определения механического КПД дизелей методом пропуска подач топлива.

Объект исследований. Технические средства определения механического КПД диагностируемых дизелей.

Предмет исследований. Влияние конструктивных параметров электронно-управляемых устройств пропуска подач топлива на их работоспособность.

Задачи исследований:

1. Проанализировать научно-исследовательские работы по клапанам, приме-

няемым в топливоподающих системах (ТС) дизелей, и выбрать клапан, пригодный для использования в устройствах пропуска подач топлива.

2. Создать математическую модель работы выбранного клапана и с ее использованием разработать мероприятия по устранению его конструктивных и технологических недостатков.

3. Разработать с использованием усовершенствованного клапана электронно-управляемого устройства пропуска подач топлива и электронный блок управления его работой в процессе определения механического КПД дизелей.

4. Экспериментально исследовать предложенное устройство пропуска подач топлива и разработать рекомендации по его применению.

Научная новизна работы:

- упрощенное математическое выражение для определения хода запирающего элемента кольцевого клапана - кольца от его жесткости и расхода топлива через него;

- методика расчета соотношения сил притяжения электромагнита и противодействующих им сил со стороны кольца;

- мероприятия по совершенствованию технологии изготовления и конструкции электронно-управляемых кольцевых клапанов (новизна технических решений подтверждена положительным решением от 09.09.2013 г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2012131613/02 (049747)).

Вклад автора в проведении исследований. Математическое описание хода кольца и сил, противодействующих силам притяжения электромагнита, мероприятия по совершенствованию технологии изготовления и конструкции кольца клапана и его гнезда и разработка с использованием усовершенствованного кольцевого клапана устройства пропуска подач топлива и электронного блока управления его работой, экспериментальные исследования перепускного устройства, обработка полученных данных и анализ результатов исследований.

Практическая значимость. Новый способ изготовления кольца клапана, позволяющий конструктивно и технологически просто обеспечивать высокую гидроплотность клапанного узла, и электронный блок управления его работой,

обеспечивающий необходимую надежность работы в целом перепускного устройства.

Методология и методы исследования. Методологической основой исследований явились положения теории двигателей внутреннего сгорания, общие уравнения гидродинамики, физики, электротехники, материаловедения и технологии конструкционных материалов.

Реализация и внедрение результатов работы. Устройство принято для производственной проверки и внедрения НПФ ООО «Башдизелъ», ГУСП МТС «Центральная», ООО «ПриютовАгроГаз» и используются в БГАУ студентами инженерных факультетов и в исследовательских работах кафедрой «Теплотехника и энергообеспечение предприятий».

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Обоснованность научных положений и достоверность полученных результатов работы подтверждаются использованием в экспериментах сертифицированных средств измерения.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на III Всероссийской научно-практической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация»; Международной молодежной научной конференции (форуме) молодых ученых России и Германии «Научные исследования в современном мире: проблемы, перспективы, вызовы»; Всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Инновационные методы преподавания в высшей школе» (Уфа, БГАУ, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Отопление. Водоснабжение. Кондиционирование»; Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК» (Уфа, БГАУ, 2013 г.); в конкурсе научных работ молодых ученых на соискание грантов Республики Башкортостан (Уфа, Мин. Обр. РБ, 2013 г.).

Публикации — результаты исследований опубликованы в 10 работах, в том числе в 4-х изданиях, входящих в перечень рецензируемых ВАК и в одной монографии.

Структура и объем диссертации - состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка (из 120 наименований). Она изложена на 119 страницах, содержит 71 рисунок, 9 таблиц и 2 приложения.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель работы электронно-управляемого кольцевого клапана;

- конструктивное и технологическое обоснование возможности использования электронно-управляемого кольцевого клапана в устройстве для определения механического КПД двигателей пропуском рабочих ходов поршней;

- электронно-управляемое устройство пропуска подач топлива с кольцевым клапаном и электронный блок управления его работой при определении механического КПД дизелей методом пропуска рабочих ходов поршней;

- результаты исследований механического КПД дизелей методом пропуска рабочих ходов поршней с использованием предложенного устройства пропуска подач топлива.

ГЛАВА 1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ КЛАПАНОВ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

1.1 Классификация клапанов топливных систем (ТС) дизелей

В топливных системах дизелей применяются различные типы клапанов [1-4, 6-9,11,13,14,21,24-31,39,41,47-49,50,53,58,68-71,74,76,77,92 и др.].

Классификация их может производиться по разнообразным признакам (рисунок 1.1).

Клапаны в типовом исполнении имеют запирающий элемент, гнездо (седло) и силовой элемент (пружину). Запирающий элемент может быть сферическим, коническим, плоским, цилиндрическим и др. При этом само запирание может производиться механически, гидравлически, электрически, термически или смешанно.

Классификация клапанов автотракторных дизелей

По форме запирающего элемента

сферические

— конические

— плоские

— цилиндрические,

комбинированные

Рисунок 1.1 Классификация клапанов

Т

По количеству запирающих элементов

а одним запираю-щим^элементом.

— с двумя запирающими элементами (двойные)

По »способу управ-ления.запирающим элементом

механические

— гидравлические

— электрические

— термические

1— смешанные

X

По выполняемым функциям

разъединяющие полости

разъединяющие полости и разгружающие линию высокого давления (ЛВД)

разъединяющие полости, разгружающие ЛВД и стабилизирующие остаточноедавление в ней

разъединяющие полости,.разгружающие ЛВД Скорректирую щи е подачу топлива по мере изменения оборотов коленвала двигателя

разъединяющие поло,сти, разгружающие ЛВД и управляющие пода.чей топлива

Принцип работы и конструктивные особенности клапанов определяются возлагаемыми на них функциями. Изначально клапаны использовались в качестве

только нагнетательных и всасывающих, выполняя функцию разъединения отдельных полостей. С усложнением гидравлических систем двигателей, таких как аппаратура топливоподачи и др., на них стали возлагать и более сложные функции - разгрузки или стабилизации остаточного давления в тех или иных полостях систем топливоподачи, коррекции и управления подачей топлива и др.

1.2 Конструктивно-функциональные особенности клапанов ТС дизелей

Клапаны, разъединяющие полости (рисунок 1.2), используются наиболее широко и отличаются простой конструкции.

При нагнетании (всасывании) топлива по подводящему каналу 1 запирающий элемент 3 клапана под действием давления потока (разряжения во внутри-клапанной полости) приподнимается и пропускает топливо во внутриклапанную полость 4. После прекращения нагнетания (всасывания) запирающий элемент под действием силы упругости пружины 6 и давления топлива во внутриклапан-ной полости садится в гнездо и закрывает канал 1.

Рисунок 1.2 Схемы сферического (а), конического (б), плоского (в) и цилиндрического (г) клапанов: 1 и 5 - каналы подвода и отвода топлива; 2 - гнездо клапана; 3 - запирающий элемент; 4 - внутриклапанная полость; 6 - пружина; й?„ и й0 - диаметры подводящего и отводящего топли-

во каналов

В соответствии с описанным принципом работы эти клапаны относят к гидравлически управляемым.

Сферические клапаны (рисунок 1.2, а) по простейшей схеме применяются в

качестве перепускных во многих гидравлических системах тракторов.

В качестве нагнетательных их используют в ряде ТНВД фирмы Bosch и Экс-целло и судовых двигателей 8 SV 55 [41] и др.

Конические клапаны с направляющей частью, расположенной выше уплотняющей поверхности (рисунок 1.3), используются в распылителях почти всех дизелей.

Конструктивным показателем работы такого клапана является площадка, на которую действует давление Рт топлива:

_ 7t\d2x-dl)

S =

(1.1)

Эту площадку называют дифференциальной [9,10]. Она определяет давление топлива Рт, необходимое для подъема иглы распылителя:

4-Я

71 • (б^2 — (¿2 )

РТ =

Рисунок 1.3 Схема распылителя форсунки: 1 - распылитель (гнездо клапана); 2 - игла распылителя (запирающий элемент); 3 - пружина; (// и ^ - диаметры направляющей части и иглы

(1.2)

Увеличение входящего в это выражение усилия Я (со стороны пружины 3) способствует сокращению продолжительности посадки иглы и сокращению продолжительности конечной фазы впрыска и в ряде случаев уменьшает коксование распылителей. Однако чрезмерное увеличение усилия Я увеличивает сопротивление распылителя и может привести к преждевременному разрушению поверхностей опорного конуса [95].

Для уменьшения разрушения опорных поверхностей конуса иглы и корпуса распылителя опорную кромку на игле часто образуют пересечением двух конусов (что п�