автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка технологического процесса контрольно-регулировочных испытаний топливной аппаратуры дизельных двигателей после ее сборки

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ (МГИУ)

На правах рукописи

ГЕРАСИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОНТРОЛЬНО-РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСЛЕ ЕЕ СБОРКИ

Специальность 05.02.08. - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Шейпак А.А.

Москва - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Основные условные обозначения....................................................................... 5

Индексы................................................................................................................. 7

Сокращения .......................................................................................................... 9

Введение................................................................................................................ 10

Глава 1. Анализ состояния исследуемого вопроса........................................... 20

1.1. Технологические испытания топливной аппаратуры автотракторных дизелей........................................................................................................... 20

1.2. Теоретические методы исследования процессов топливоподачи

дизельной топливной аппаратуры...................................................................... 34

Глава 2. Математическая модель процесса топливоподачи дизельных двигателей............................................................................................................. 46

2.1. Гидродинамические основы математической модели топливоподачи в дизелях....................................................................................................... 48

2.2. Уравнения движения топлива в трубопроводах системы питания дизеля .................................................................................................................... 51

2.3. Граничные условия, характеризующие процесс впрыска в дизелях....... 60

2.3.1. Постановка граничных условий ............................................................... 60

2.3.2. Учет растворенной и нерастворенной газовоздушной составляющей .................................................................................................................. 63

2.3.3. Определение зависимости плотности, вязкости и сжимаемости контрольного топлива от давления и температуры.......................................... 66

2.3.4. Расчет утечек контрольного топлива через зазоры топливной аппаратуры дизельных двигателей .................................................................... 71

2.3.4.1. Ламинарное течение контрольного топлива в зазорах ....................... 71

2.3.4.2. Влияние шероховатости уплотняемых поверхностей на течение контрольного топлива в зазорах.................................................................. 76

2.3.5. Граничные условия, входящие в модель гидродинамического расчета процесса впрыска ................................................................................... 81

2.3.6. Определение перемещения и скорости движения плунжера

ТНВД ..................................................................................................................... 91

2.3.7. Определение площадей проходных сечений окон топливной аппаратуры ................................................................................................................ 93

2.4 Особенности алгоритма расчета................................................................... 97

Глава 3. Анализ сходимости параметров дизельной топливной аппаратуры по результатам технологических испытаний .......................................... 101

3.1. Анализ нестабильности работы ТНВД автотракторных дизелей............ 101

3.2. Описание экспериментальной установки................................................... 107

3.3. Статистическая оценка параметров распределительного ТНВД

марки НД21/4 по результатам экспериментальных испытаний ..................... 111

3.4. Анализ сходимости результатов испытаний ТНВД на различных стендах................................................................................................................... 118

3.5. Статистический анализ результатов испытаний топливных насосов на ХЗТД и ЧЗТА ............................................................................................ 128

3.6. Определение закона распределения характеристик ТНВД ...................... 135

3.7. Определение величины допуска на регулировку ТНВД .......................... 144

Глава 4. Результаты расчетно-экспериментального исследования процесса топливоподачи дизелей при проведении технологических испытаний ТНВД........................................................................................................... 152

4.1 Анализ влияния определенных факторов на сходимость параметров топливоподачи при испытаниях ТНВД на различных стендах ............... 152

4.1.1. Влияние частоты вращения кулачкового вала насоса на величину цикловой подачи топлива .............................................................................. 153

4.1.2. Зависимость величины цикловой подачи топлива от давления

начала впрыска форсунки ................................................................................... 154

4.1.3. Влияние температуры контрольного топлива на величину цикловой подачи насоса ............................................................................................ 156

4.2. Влияние утечек контрольного топлива на параметры впрыска при

проведении технологических испытаний ТНВД.............................................. 159

Заключение ........................................................................................................... 163

Список используемой литературы ..................................................................... 167

Приложения .......................................................................................................... 182

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

п - частота вращения кулачкового вала ТНВД [об/мин], или число элементов

выборки, или количество окон; ф - угол поворота кулачкового вала ТНВД [градус];

"3

- цикловая подача топлива [мм / цикл];

V - объем полости или количество топлива, поданное секцией насоса [см3]; в - массовая подача топлива по линиям [кг/с];

С) - секундный расход контрольного топлива [м/с];

ст - неравномерность подачи топлива по линиям нагнетания;

г - число линий нагнетания;

ш - число циклов;

8 - среднеквадратичное отклонение;

и - вариация;

М - средний квадрат или масса [кг];

V - число степеней свободы, или коэффициент кинематической вязкости фи-

зической среды [м /с], или коэффициент Пуассона; Б - критерий Фишера; t - критерий распределения Стьюдента;

X2 " критерий Пирсона;

2

со критерии согласия;

г - коэффициент корреляции;

а - уровень значимости или коэффициент сжимаемости физической сре-

ды [Па1]; ОД - плотность распределения; \|/(х) - плотность распределения вероятности; Ф(х) - функция Лапласа; А - асимметрия;

Е - эксцесс или объемный модуль упругости [Па-1];

8 - технологический (заводской) допуск на регулировку насоса, или объемная доля топлива в смеси, или диаметральный зазор [м]; у - допуск, которым руководствуется заказчик при приемке насосов; Рп - вероятность приемки партии; р - давление контрольного топлива [Па]; I (Т) - температура контрольного топлива [°С (К)]; V - скорость движения [м/с]; <1 - диаметр [м]; т - время [с];

а - скорость распространения волны упругих возмущений [м/с];

к - фактор гидравлического сопротивления;

X - коэффициент гидравлического трения;

Ь(1) - длина [м];

Яе - число Рейнольдса;

кэ - эквивалентная шероховатость трубопровода [м]; со - угловая частота колебания [с"1];

ц - коэффициент динамической вязкости физической среды [Па-с]; р - плотность физической среды [кг/м3]; Я - газовая постоянная [Дж/кг-град]; Ь - перемещение (ход) [м]; ц* - коэффициент расхода;

Г - площадь поперечного или проходного сечения [м2]; 50 - жесткость пружины [н/м]; \)/1 - логическая функция;

В, (3, с, кв, е0, Хр - постоянные коэффициенты;

Р(т), W(т) и Z(т) - волна давления [Па].

ИНДЕКСЫ

т - топливо; в - воздух; ц - цикл;

вд - соответствует параметрам, принадлежащим системе ВД;

нд - соответствует параметрам, принадлежащим системе НД;

л - ламинарное течение;

тб - турбулентное течение;

п - переходная зона;

тр - трубопровод;

табл - табличное значение величины;

вс - полость всасывания;

от - полость отсечки;

н - полость нагнетания; р - полость распределителя; шт - полость штуцера; ф - полость форсунки; фт - полость фильтра;

щ - канал между всасывающей и отсечной полостями;

к - компрессионная часть;

п - плунжер;

кл - клапанная пара;

к - клапан;

ко - обратный клапан;

д - демпфер;

и - игла распылителя;

с - сопло;

ном - номинальный параметр; бар - барометрический; под - подкачивающий насос; экв - эквивалентный; кр - критический.

СОКРАЩЕНИЯ

ВЗТА - Вильнюсский завод топливной аппаратуры;

ЧЗТА - Чугуевский завод топливной аппаратуры;

ЯЗТА - Ярославский завод топливной аппаратуры;

ХЗТД - Харьковский завод тракторных двигателей;

ТУ - технические условия;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

ТА - топливная аппаратура;

вд - высокое давление;

нд - низкое давление;

НТК - научно-техническая конференция;

НТС - научно-технический семинар;

н.у. - нормальные условия.

10

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Ориентация развития современного экономического потенциала России на основе высокопроизводительного и эффективного труда, взаимной экономической заинтересованности производителей и потребителей в создании и выпуске высококачественной и конкурентоспособной продукции, изменения структуры производства и повышения его эффективности возможна лишь в результате замены затратного, инфляционного хозяйствования противозатратной системой хозяйствования, основанной на по-требительно-стоимостных принципах.

Эффективность такой системы хозяйствования предполагает резкое и существенное возвышение вопроса о повышение качества выпускаемой продукции. Без качества нет рынка, не только внешнего, но и внутреннего.

Не подкрепленные серьезными мерами по обеспечению качества продук-

I » II ЧУ

ции попытки ряда предприятии прорваться на внешнии рынок не только тщетны, но и дискредитируют престиж отечественных товаров.

Различия в подходах (как в самой России, так и межгосударственных) к вопросам обеспечения качества становятся своего рода новым техническим барьером в сотрудничестве. Выход здесь один - в унификации требований к выпускаемой и эксплуатируемой продукции, и в первую очередь на международном уровне, т.е. переход на стандарты ИСО серии 9000, которые устанавливают единый в мире подход к договорным условиям по оценке систем качества.

Стандарты ИСО - это жесткая ориентация на потребителя.

Одной из важнейших задач экономического развития России на ближайшие годы является резкое расширение автомобильного парка страны. И здесь так же, как и для любой другой продукции, со стороны потребителя к автомобилям предъявляются требования по качеству, и в первую очередь - это увеличение их ресурса, повышение экономичности их двигателей и улучшение их экологической чистоты. В связи с этим на ближайшее будущее берется курс на широкое внедрение, как на грузовых, так и на легковых автомобилях, дизельных двигателей с большим сроком работы.

Целесообразность широкого применения дизелей обоснована не только меньшим расходом топлива и высоким моторесурсом, но и меньшими затратами на производство прямогонного дизельного топлива по сравнению с высокооктановым бензином и меньшими потерями при хранении дизельного топлива.

Особенностью дизеля является зависимость его технико-экономических показателей от качества работы и параметров топливной системы. Качество рабочего процесса дизельного двигателя зависит от того, как и когда подается топливо, как оно распылено и распределено по объему камеры сгорания.

Топливная система относится к числу важнейших агрегатов дизеля.

Учитывая, что она играет важную роль в процессе смесеобразования, к ней предъявляются жесткие требования. Она должна:

1) обеспечивать периодический впрыск топлива в камеру сгорания, в строго дозированном количестве, соответствующем нагрузке дизеля;

2) подавать топливо в заданный период и по определенному закону, обеспе-

чивая необходимое начало и продолжительность впрыска, определяющие наилучшие эксплуатационные показатели двигателя;

3) распылять топливо на капли, размер которых позволял бы так распределять их по объему камеры сгорания, чтобы наиболее рационально использовался рабочий воздух, а также обеспечивать строгую направленность топливных факелов;

4) обеспечивать идентичную работу всех секций ТНВД.

Однако можно отметить ряд случаев, когда ТА автотракторных дизелей не обеспечивает требуемую надежность в условиях эксплуатации. Отклонение величин цикловой подачи и давления начала впрыскивания от нормальных значений, повышение неравномерности цикловой подачи ТНВД вызывают дополнительные тепловые и динамические нагрузки, резкие перепады температуры в перемычках головок двигателей, потерю подвижности поршневых колец, форсированное изнашивание деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма, пригорания клапанов. Нарушение регулировок ТА приводит к недоиспользованию мощностей дизелей.

Таким образом, повышение надежности и качества работы ТА дизелей имеет важное хозяйственное значение.

Качество работы ТНВД во многом определяется цикловой подачей секции насоса. В связи с этим цикловая подача является одним из критериев при оценке надежности топливного насоса и форсунок.

Нестабильность параметров ТНВД определяется в основном метрологическими характеристиками стендов завода-изготовителя и завода-заказчика.

Под нестабильностью подразумевается различие в показателях работы насоса на различных стендах.

Основная погрешность измерения на всех стендах лимитируется точностью определения объема в мерных емкостях (по стандарту не более 1%). Дополнительная погрешность связана с непостоянством частоты вращения, погрешностью тахометра, погрешностью определения числа циклов, нестабильностью характеристик топлива. При проведении сравнительных испытаний на различных стендах появляется еще ряд источников погрешностей: различие гидравлических характеристик контрольных форсунок и подсоединительных трубопроводов, погрешность установки ТНВД на разных стендах, разный уровень квалификации испытателей.

Так как погрешность измерения средней цикловой подачи имеет такой же порядок величины, как и допуск на настройку, выполнение требований государственных стандартов на существующих стендах для контроля и регулировки ТНВД затруднительно.

В настоящее время изготовитель и заказчик используют одни и те же допуски при настройке насосов и их приемке. Но так как одной из основных причин расхождения значений параметров ТНВД на стендах заказчика от значений, полученных ранее при их регулировке на стендах изготовителя, являются значительные случайные погрешности, как стендов завода-изготовителя, так и стендов заказчика, то, в этой связи, резко возрастает риск изготовителя, т.е. фактически годные насосы будут забракованы при приемке заказчиком.

Таким образом, вопросы, связанные с унификацией требований, предъяв-

ляемых к ТА дизелей, соответствие ее основных рабочих и контрольных параметров международным стандартам выдвигаются во главу угла развития данной области. Решение этих вопросов в настоящее время в мире ведется в следующих направлениях: во-первых, разрабатываются и создаются новые семейства испытательных стендов, во-вторых, это - уточнение установленных, существующими техническими стандартами, контрольных параметров, характеризующих процесс топливоподачи, с целью достижения лучшей сходимости результатов при испытаниях ТНВД, и, в-третьих, наряду с экспериментальными исследованиями широкое распространение получают гидродинамические методы расчета процессов впрыска топлива (математическое моделирование системы топливоподачи).

Основными тенденциями при современной разработке стендов являются: повышение точности измерения расхода и момента начала подачи топлива, а также сокращение времени диагностирования. Однако, эти стенды очень дорогие, и в условиях кризиса, охватившего нашу страну, позволить приобрести себе даже единичный экземпляр может далеко не каждое предприятие, изготавливающее ТА или дизельные двигатели, не говоря уже о научно-исследовательских институтах. В связи с этим, предприятия вынуждены приобретать отечественные стенды, точность настройки на которых значительно хуже.

Натурные и модельные испытания, доводка элементов, оказывающих влияние на параметры ТНВД, связаны с необходимостью изготовления и экспериментальной проверки многих вариантов, в связи с чем являются также дорогостоящими и требуют к тому же больших затрат времени. Очевидно, что в

условиях кризиса ограниченные средства делают проведение таких испытаний маловероятным.

В этой связи, для оценки сходимости контрольных параметров ТНВД наибольшую актуальность и привлекательность приобретают методы математической статистики, и, в первую очередь, метод корреляционно-регрессионного анализа. А такие статистические параметры, как выборочное среднее, дисперсия, среднеквадратичное отклонение и вариация становятся наиболее эффективными оценками неравномерности топливоподачи.

В свою очередь, использование математического моделирования процессов впрыска значительно расширяет возможности исследователей и конструкторов при создании и доводке ТА. В то время, когда даже многочисленные экспериментальные исследования не позволяют получить достаточно полную картину влияния взаимосвязанных факторов на эффективность процесса, то использование математического моделирования процессов впрыска позволяет существенно сократить время разработки и доводки сист�