автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование методики и средств регулирования топливной аппаратуры автотракторных дизелей

На правах рукописи

САФИН Филюс Раисович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ И СРЕДСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.20.03 — Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискаш!е ученой степени

кандидата технических наук л .п,г

I 0 Г:.л;1 /и ю

Оренбург, 2015

005568981

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:

Инсафуддинов Самат Зайтунович —

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Балабанов Виктор Иванович —

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии и машины в растениеводстве» ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева» Иншаков Александр Павлович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Мобильные энергетические средства» ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт - Петербургский государственный аграрный университет»

Защита состоится 25 июня 2015 г. в 12 на заседании диссертационного совета Д 220.051.02 при ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный аграрный университет» по адресу: 460014, г. Оренбург, ул. Коваленко, д. 4, корпус 3, ауд. 500.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Оренбургский ГАУ. Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ФГБОУ ВПО Оренбургский ГАУ www.orensau.ru и на сайте Федеральной глужбы по надзору в сфере образования и науки Минобразования и науки РФ www.vak.ed.gov.ru

Отзывы на автореферат, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в двух экземплярах по указанному адресу на имя ученого секретаря Диссертационного совета.

Автореферат разослан « » CL UpCtjuS. 2015 г.

j ченый секретарь диссертационного 1.0г,ста доктор технических наук, профессор

В.А. Шахов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В сельскохозяйственном производстве широко применяется мобильная техника (тракторы, комбайны и автомобили) с дизельными двигателями (далее по тексту - дизели). Поэтому расходуемое дизелями топливо во многом определяет себестоимость сельскохозяйственной продукции, а его экономия является одной из важнейших проблем.

Экономические и экологические показатели работы дизелей во многом определяются типом и техническим состоянием их топливной аппаратуры (ТА). К настоящему времени в дизелях сельскохозяйственного назначения широко применяются топливные системы непосредственного действия разделенного типа. По данным Министерства сельского хозяйства Республики Башкортостан по состоянию на 01.01.15 г. только в Башкирии в эксплуатации находятся 15279 тракторов, из них 95,6% — отечественного производства с топливными системами указанного типа.

Практика показывает, что значительная часть дизелей работает с повышенными расходом топлива и токсичностью отработавших газов. Это является результатом высокой неравномерности топливоподачи, обусловленной несовершенством действующих методики и средств регулирования ТА.

Диссертационная работа выполнялась в Башкирском ГАУ в 2009-2014 гг. в соответствии с концепцией развития аграрной науки и научного обеспечения АПК России до 2025 года (приказ Минсельхоза РФ от 25 июня 2007 г. №342) по договорам с Академией наук РБ и ОАО «Уфимский ТРЗ».

Степень разработанности темы. Работы Баширова P.M., Габитова И.И., Файнлейба Б.Н. и др. посвященные вопросам совершенствования регулировок топливных систем, выполнены на безмоторных стендах с использованием топливных насосов высокого давления (ТНВД) с приводом от электродвигателя и впрыском топлива в мензурки с атмосферным или близким к нему давлением (стенды фирм «Мопаз», «Bosch», «Hartridge» и др.) и впрыском в среду с противодавлением, близким к таковым в двигателях. Предложенные устройства противодавления впрыску (УПВ) пока еще окончательно не доработаны.

Цель исследования. Совершенствование методики и технических средств регулирования топливной аппаратуры автотракторных дизелей на стендах с противодавлением впрыску.

Объект исследования. Процесс регулирования топливной аппаратуры автотракторных дизелей и технические средства его обеспечения.

Предмет исследования. Закономерности влияния противодавления впрыску на показатели работы топливной аппаратуры автотракторных дизелей.

Методика исследований. Теоретические исследования базировались на методах теории расчета гидравлических аккумуляторов, применяемых в системах топливоподачи дизелей. Экспериментальные исследования проводились з соответствии с действующими стандартами на основе общепринятых методик. Обработка экспериментальных данных проводилась методами математической статистики, а также программ Microsoft Excel, MathCAD.

Научная новизна работы:

- с учетом влияния давления газов в цилиндре двигателя на параметр;/:

топливоподачи обоснованы конструктивно-режимные параметры устройства противодавления впрыску;

- разработаны математические модели рабочих процессов аккумуляторов устройств противодавления впрыску, увязывающие их конструктивно-режимные параметры с показателями работы топливной аппаратуры;

- разработана методика расчета аккумуляторов на основе их жесткости и цикловой подачи топливной аппаратуры;

- разработана методика регулирования топливной аппаратуры дизелей на сгендах с противодавлением впрыску.

Практическая ценность:

- конструкция стенда для испытаний и регулировки дизельной ТА (патент на изобретение №2429373);

- конструкция стенда для испытания и регулировки форсунок (патент на изобретение №2542648);

- алгоритмы программ для определения параметров топливоподачи при регулировании ТА с впрыском топлива в среду с противодавлением (свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ за №2014611323 и №2014661772);

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию параметров УПВ, предназначенных для модернизации регулировочных стендоз ТА.

Вклад автора в проведенное исследование: разработал способы модернизации регулировочных стендов использованием УПВ и двупружинный комбинированный гидромеханический аккумулятор; предложил способ разгрузки аккумулятора после впрыска, основанный на постоянном дросселируемом сли-¿е топлива из него; предложил методику определения жесткостей аккумуляторов с учетом наличия топлива в камере впрыска и параметров топливоподачи по давлению в их камерах впрыска и математические модели работы и конструкции УПВ; обосновал методику регулирования ТА на модернизированных стендах; провел экспериментальную и статистическую обработку результатов исследований, а также технико-экономическую оценку применения УПВ и произвел апробацию результатов исследований.

Внедрение. Предложенные устройства и методики используются при регулировке ТА дизелей НПФ ООО «Башдизель», ОАО «Уфимский ТРЗ», ИП «Ямале гдинов», ООО «ПриютовАгроГаз» и в Башкирском ГАУ при обучении студентов.

Апробация. Основные положения работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях Башкирского (2009—2014 гг.) и Санкт-Петгрбургского (2014 г.) ГАУ и научно-техническом совете ОАО «Уфимский ТРЗ>\ Предложенные УПВ демонстрировались на специализированных выставках «Агрокомплекс - Уфа» в 2012 и 2013 гг. и отмечены дипломами и медалями Министерства сельского хозяйства РБ, Торгово-промышленной палаты РБ и Башкирской выставочной компании.

Положения, выносимые на защиту:

- теоретические положения по обоснованию конструктивно-режимных

параметров и методики расчета УПВ;

- устройства для модернизации регулировочных стендов ТА дизелей с введением противодавления впрыску;

- методика регулирования ТА на стендах с противодавлением впрыску;

- результаты экспериментальных исследований, позволяющие определять оптимальные конструктивно-режимные параметры УПВ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается высоким уровнем сходимости теоретической интегральной характеристики топливоподачи с экспериментально полученной.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, получены два патента на изобретение и два свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 111 наименований. Изложена на 133 страницах, включающих 57 рисунков, 24 таблицы и четыре приложения на 12 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Регулировочные стенды и методы регулирования топливной аппаратуры дизелей» проанализированы работы Астахова И.В, Балабанова В.И., Баширова P.M., Габдрафикова Ф.З., Габитова И.И., Инша-коваА.П., КисловаВ.Г., Костенко Л.Н., Неговора A.B., ТрусоваВ.И., Файн-лейба Б.Н., Adolf G., Tsoyh В. и др., касающиеся темы диссертации.

Показано, что основной недостаток ныне применяемых регулировочных стендов - впрыск производится в среду с атмосферным давлением, тогда как при работе на двигателях - в среду с противодавлением, возрастающим от 2...3 до 7... 12 МПа. Из-за этого несоответствия, достигнутая на регулировочном стенде равномерность подачи топлива при работе на двигателе оказывается намного хуже и, в результате, не обеспечиваются должные технико-экономические показатели работы двигателя. В этой связи модернизация регулировочных стендов путем создания противодавления впрыску, меняющемуся аналогично давлению газов в цилиндре двигателя, и разработка методики регулирования ТА на таких стендах имеет большое практическое значение.

Одним из направлений модернизации современных стендов, широко применяемых в ремонтных предприятиях агропромышленного комплекса (АПК), является введение в их конструкцию УПВ. Однако известные УПВ сложны по конструкции и к тому же не позволяют достаточно точно определять регулируемые параметры. Одним из способов их совершенствования является создание противодавления впрыску самим впрыскиваемым топливом.

С учетом этих обстоятельств для решения в объеме настоящей работы были поставлены задачи:

- проанализировать возможные для УПВ типы аккумуляторов, противодавление впрыску в которых создается самим впрыскиваемым топливом, и уточнить их рабочие процессы;

- выявить с использованием полученных данных возможные направления совершенствования аккумуляторов УПВ и предложить перспективные схемы их выполнения;

- установить теоретические зависимости, описывающие влияние конструктивно-режимных параметров УПВ на показатели работы ТА, и разработать математическую модель их работы и методику расчета;

- с использованием предложенных схем аккумуляторов разработать УПВ для стендов ТА дизелей мобильной сельскохозяйственной техники и экспериментальными исследованиями уточнить их конструктивные параметры;

- разработать методику модернизации регулировочных стендов ТА с использованием уточненных конструкций УПВ;

- предложить методику регулировки ТА на этих стендах;

- оценить эффективность применения предложенных устройств.

Во второй главе «Теоретические основы совершенствования устройств противодавления впрыску» проанализированы возможные для УПВ типы аккумуляторов, предложена схема их классификации, выведены аналитические выражения для определения их жесткости и выявлены возможные направления модернизации регулировочных стендов, основанные на использовании аккумуляторов впрыскиваемого топлива.

Давление в аккумуляторе, соответствующее представленной на рисунке 1 индикаторной диаграмме двигателя, обеспечивается характеристикой топливо-подачи. Для упрощения анализа работы и расчета аккумуляторов соответствующие участки индикаторной диаграммы нами были лршеаризированы, как это было сделано Л.Н. Костенко.

Рисунок 1 — Фактическая индикаторная диаграмма двигателя (штриховая линия) и ее линеаризированные участки (сплошные 0—1, 1—2 и 0—3) (а), графики перемещения поршенька аккумулятора X и соответствующего ему изменения объема V камеры гидравлического аккумулятора (б), и ход иглы распылителя форсунки /?„ (в): индексы 1 и 2 соответствуют I и II периодам процесса сгорания; А, Б и В — графики давления, развиваемого «гидравлической» и первой и второй механическими пружинами; Г — топливо гидравлического аккумулятора; (р и г и у/ — опережение и продолжительность впрыска и период задержки самовоспламенения топлива

Как известно и видно из рисунка 1, давление в цилиндре во II периоде процесса сгорания возрастает более интенсивно, чем в I. Отсюда следует, что аккумуляторы должны быть не менее чем двух пружинными, причем с разными жесткостями пружин. Если учесть и объем топлива аккумулятора, то в общем случае можно считать, что при использовании двух механических пружин аккумулятор становится трехпру-

жинным (объем топлива аккумулятора выполняет функцию третьей пружины).

Для общности результатов исследований был рассмотрен такой комбинированный трехпружинный гидромеханический аккумулятор, разработанный Башкирским ГАУ (рис. 2).

В качестве оценочного параметра качества работы аккумулятора нами использовался показатель, предложенный профессором Башировым P.M. для аккумуляторов топливных систем дизелей и названный им (по аналогии с жесткостью процесса сгорания в двигателях) жесткостью «пружины» аккумулятора (далее по тексту жесткость аккумулятора). В нашем случае жесткость будет представлять возрастание давления в аккумуляторе при подачи в него единицы объема топлива Сак=Ар/А V (в Па/м3).

Выражение для определения жесткости аккумулятора получено нами следующим образом.

Топливо, поступающее в камеру аккумулятора 5, накапливается в нем за счет сжимаемости топлива гидравлического аккумулятора и перемещения поршенька механического аккумулятора. Сложность здесь в том, что по мере поступления топлива, объем гидравлического аккумулятора VaK возрастает (на величину объема, соответствующего перемещению поршенька).

При остаточном давлении на линии слива, равном р0, объем топлива, впрыснутого в камеру впрыска 5 аккумулятора (цикловая подача g,t) к концам I и II периодов процесса сгорания, распределится следующим образом:

ёц — ёц 1 + ё,,2' (1)

где g,(1 и g,l2 - количества топлива, поступивших в камеру впрыска в I и II периодах процесса сгорания (впрыска), л/3.

Величина цикловой подачи определяемая фактором динамичности цикла топливоподачи, в свою очередь определяет ход поршенька X (до соприкосновения его с опорной шайбой 7), a g,(2 — последующий ее ход (при совместной работе первой и второй пружин).

Объем топлива, поступившего в аккумулятор к концу I периода:

Рисунок 2 — Комбинированный трехпружинный гидромеханический аккумулятор с последовательно-параллельно работающими механическими пружинами: 1 и 2 — первая и вторая пружины; 3 и 4 — регулировочные винты предварительного затяга пружин; 5 — камера впрыска аккумулятора; 6 — поршенек противодавления; 7 -опорная шайба; йп — диаметр поршенька; Уак — первоначальный объем (затемненный) камеры впрыска; g,l¡ - текущий объем топлива, впрыскиваемого в аккумулятор; /3 — коэффициент сжимаемости топлива; X — ход пружины 1 до начала работы пружины 2

g,ll=AF1=AV„+AK,

(2)

х = -

где АУг - объем топлива, накопленного гидравлическим аккумулятором за счет сжимаемости его топлива, л/3;

АУЛ, — возрастание объема гидравлического аккумулятора за счет перемещения подпружиненного первой механической пружиной поршенька, м3.

Перемещение X поршенька (в м) определится через жесткость c„i (в Н/м) первой механической пружины по величине увеличения усилия сжатия пружины AF (в Н): Х= AF/cM\.

ДF зависит от давления топлива и определяется по выражению

AF = ^--AP¡, (3)

где Ap¡ — величина нарастания давления (см. рис. 1), Па.

Используя эту зависимость, перемещение можно записать в виде

7Г ■ di • Др, 4-с,,,

За счет такого перемещения поршенька объем гидравлического аккумулятора возрастет на величину

av - K'd" - rVl

4 4-с 16-с ' ^ J

Объем топлива, накапливаемого гидравлическим аккумулятором (в его первоначальном объеме Уак), можно найти на основе сжимаемости его топлива:

где /' — коэффициент сжимаемости топлива, Па

Если учесть увеличение объема гидравлического аккумулятора за счет перемещения поршенька (выражение (5)), можно записать:

(4)

АУг= ¡3 ■{¥„«+AV„)-APl=p-

16-с,.

•Ар,.

(7)

Суммарный объем топлива (по выражению (2)), поступившего в аккумулятор в I периоде сгорания, в соответствии с этим выражением будет

16-с„

16с„

■Др, =Др,

16-е,,,

16-с„

.(8)

В соответствии с этим выражением жесткость рассматриваемого трех-рукинного гидромеханического аккумулятора к концу I периода процесса :гиргния (к концу выбора зазораХпо рисунку 2) составит

^ _2_

<-„,. = —;—--т-;—г:—:—(9)

16-с..,

К..+

л

■<-Ар,

16-е.,

К концу II периода процесса сгорания (параллельной работы пружин) >;еп -гость аккумулятора определится по тому же выражению (9) при постановке в него вместо сД11 суммы (см\+см) и учете величины увеличения объема аккумулятора в I периоде (на величину АУМ).

Используя жесткость аккумулятора, можно определить и текущее значение цикловой подачи топлива отдельно для I и II периодов (рис. 1, а)

к1 ■^■(Рп~Ро)Л

8„. i =(Рп-Ро)-

S¥2 =(р,2-р,)-

16 с

.4

л ■d

- + /3-

V.

16 -с,,,

(Ю)

(П)

_16-(с,,1+сл<2)

где Уак — объем аккумулятора к началу II периода процесса сгорания, м3.

Входящая в эти выражения разность давлений зависит от скорости нарастания давления с1р/с1а, т.е. в конечном счете от времени.

На основе этих выражений нами были записаны и соответствующие математические модели рабочего процесса аккумулятора:

(Рп~Ро) = -

Р-Уак +

Л

16 С

P'Va* +

Л • d'r 16 С

V

+ 4-р

я2-di 16 с,

&tti

2-р.

■d

16 с..

(P,2-P¡) = -

-\P-vL +

16 (с

P-i'L +

7Z • d*

16 (с

г))

+ 4 ■/?■

dt

1б-(С.1+С.2)

" S4i2

2 •/?•-

_L »4

ti -а„

(12)

(13)

Как следует из этих выражений, цикловые подачи в концах I и II периодов процесса сгорания определяют нарастания давлений к точкам 1 и 2. Если эти давления найти расчетным путем или экспериментально (по данным установленного в камеру впрыска датчика давления), то можно найти как g1(1, так и g,,2, а общую цикловую подачу - как их сумму.

На основе приведенных данных разработан алгоритм работы электронного блока, определяющего параметры топливоподачи, и уточнена конструкция УПВ с трехпружинным гидромеханическим аккумулятором для случая ТА, широко применяемого в сельскохозяйственном производстве (на тракторах Т-40, Т-28Х4М, ЛТЗ-55, ЛТЗ-60А и др.) двигателя Д-144 (4410,5/12), оборудованного ТНВД4УТНМ-111105.

На номинальном режиме расчетная цикловая подача у этого двигателя равна g„ = 62 мм3, общая продолжительность впрыска 25° п.к.в., а I периода -17° п. к. в. В течении I периода в камеру впрыска поступало топливо объемом gui = 42,16 мм3 (фактор динамичности цикла топливоподачи равен 0,68), а II -оставшаяся часть g,l2 = 19,84 мм3.

Диаметр поршенька противодавления был принят минимально возможным d„ =4 мм. В качестве разгрузочного использовался клапан фирмы DENSO.

С учетом приведенных данных тепловым расчетом дизеля были определены: /?0=1,989ЛЯ7я; ;?,=3,987Aí/7a; р2=1,095МПа; рс=4,\21МПа; р=1,495МПа.

В соответствии с этими данными и выражениями (10) и (11), используя программу «Kompas-Spring» фирмы АСКОН, были подобраны цилиндрические

пружины сжатия с жесткостями см]=8,53 Н/мм и сл)2=31,13 Н/мм.

При пренебрежении объемом гидравлического аккумулятора (Уак=0) эти жесткости составили сЛ,1=7,48 Н/мм и сЛЙ=17,23 Н/мм, т.е. отличались соответственно на 11,5 и 44,7%. Это указывает, с одной стороны, на то, что при выполнении аккумулятора механическим двухпружинным следует максимально минимизировать объем гидравлического аккумулятора, и, с другой, при выполнении его комбинированным трехпружинным - при расчетах и анализе работы аккумулятора обязательно следует учитывать объем топлива в нем.

Аналогичным образом была проанализирована и схема другого предложенного Башкирским ГАУ трехпружинного аккумулятора с последовательно работающими механическими пружинами (рис. 3).

До выбора зазора X (к концу I периода сгорания) жесткость аккумулятора и в этом случае определится по выражению (9). После выбора зазора X (к концу II периода) в выражение (9) вместо см 1 необходимо подставить с„2 и учесть также величину увеличения объема аккумулятора в I периоде.

Для I периода и здесь справедливы выражения (10) и (12), а для II периода выражения (11) и (13) запишутся при с„,=0. Из-за применения двух-

Рисунок 3 — Комбинированный аккумулятор с последовательной работой механических пружин: 8 и 9 — обойма и регулировочные шайбы предварительного затяга пружины 1; остальные обозначения те же, что и на рисунке 2

пружинного механического аккумулятора и сложности принятой схемы разгрузки (с использованием электромагнитно управляемого разгрузочного клапана, блока управления и ЭВМ) УПВ оказалось довольно сложным по конструкции (имело 6 прецизионных пар и 56 деталей). В этой связи его использование в регулировочных цехах обычных сельскохозяйственных предприятий представляется проблематичным.

При усилении влияния гидравлического аккумулятора (подбором его объема) тот же эффект, что и при трехпружинном гидромеханическом аккумуляторе, может достигаться и при предложенном нами упрощенном варианте выполнения комбинированного гидромеханического аккумулятора — с одной механической пружиной (рис. 4).

При таком аккумуляторе гидравлическая пружина работает постоянно, а механическая пружина действует только в I периоде до выбора зазора X (после достижения поршеньком упора выключается). Выражения (9), (10) и (12) для этого упрощенного аккумулятора запишутся, приняв для I периода см вместо с„1. Для II периода выражение (11) запишется при см 1=00 и с„2=!», а математическая модель работы будет = т.е. в виде уже известного выражения.

Рисунок 4 — Комбинированный двух-пружинный гидромеханический аккумулятор: 10 — упор; остальные обозначения те же, что и на рисунке 2

Упрощенный вариант УПВ может выполняться и в виде только гидравлического аккумулятора (рис. 5).

Выражения (9) и (10) запишутся при с„ 1=00. Математическую модель рабочего процесса гидравлического аккумулятора можно записать в виде (pi -

Решению проблемы упрощения УПВ будет способствовать и организация разгрузки аккумулятора по предложенному нами методу - постоянном дросселируемом сливе топлива из него и определения цикловой подачи мензурочным способом.

С учетом приведенных данных были рассчитаны конструктивные параметры УПВ с гидравлическим аккумулятором (рис. 5)

Рисунок 5 — Гидравличе- применительно к автомобильному двигателю ский однопружинный аккуму- Д-245.12 (4411/12,5), оборудованному ТНВД лятор: 1 - камера впрыска; 4УТНИ-Т-111105. Этот дизель является од-2 - шток для регулирования ной из модификаций двигателя Д-245, широ-объема аккумулятора ко применяемого в сельскохозяйственном

производстве, в частности, в грузовых автомобилях ЗИЛ (их модификациях 5301, 3906, 4331 и др.) и ГАЗ (3308, 3309, 33104), автобусах ПАЗ (3205, 4234, 4230) и тракторах Беларусь тягового класса 1,4 (892, 952, 1021, 1220).

У этого дизеля расчетная цикловая подача gч= 81 мм3, продолжительность впрыска - 22° п.к.в., а I периода - 15° п.к.в. (фактор динамичности цикла топливоподачи 0,68). Тепловым расчетом дизеля и с использованием этих параметров были определены: р0 = 2,983 МПа\ рх = 4,909 МПа\ р2 = 8,597 МПа\ р3 = 6,389 МПа; рс= 5,069 МП а; р,= 9,124 МП а.

Давление в аккумуляторе обеспечивалось по упрощённой усреднённой линии 0—3 индикаторной диаграммы, проведенной так, что выполнялось условие (рис. 1). Если учесть, что в I периоде подается 68% топлива, то использование упрощенной усредненной линии 0-3 можно считать вполне обоснованным.

Объем гидравлического аккумулятора находился по его жесткости и составил 27,4 см3. При выполнении аккумулятора по рисунку 4 объем его оказался намного меньше (8,2 см3), а жесткость механической пружины составила

с„=7,36 Н/мм.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» описаны экспериментальные установки, методика исследований, измерительная аппаратура, способы тарировки датчиков и методы обработки экспериментальных

Рисунок 7 — Стенд для моторных испытаний: I - дизель Д-245.12; 2 — реостат жидкостный; 3 — динамометр электрический; 4 — пульт управления

данных. Испытания проводились на широко используемых в ремонтных предприятиях АПК стендах: безмоторном КИ-921, модернизированном с использованием УГ1В (рис. 6) и обкаточно-тормозном КИ-4935 (рис. 7).

Рисунок 6— Обгций вид регулировочного стенда КИ-921, модернизированного введением УПВ: 1 — стенд; 2 — ТНВД; 3 — форсунки; 4 - УПВ; 5 —усилитель сигналов; 6 — блок питания; 7 — персональный компьютер; 8 — АЦП 7^ЕТ 210; 9 и 10 — электронные блоки управления и определения параметров топли-

воподачи

С учетом того, что УПВ с трехпружинными аккумуляторами Башкирского ГАУ экспериментально исследованы достаточно полно Костенко Л.Н. и Ин-сафуддиновым С.З., нами основное внимание уделялось исследованию устройств с упрощенным гидравлическим аккумулятором, схема которого приведена на рисунке 8.

При экспериментах давление в камере впрыска и у штуцеров форсунок регистрировалось датчиками давления МД-10-10V и МД-60-10У, а сигналы их передавались через аналого-цифровой преобразователь ZET 210 (с его программным обеспечением) на персональный компьютер.

Учитывалось и то, что в мастерских небольших сельскохозяйственных предприятий в ряде случаев можно будет ограничиться и только регулировкой форсунок (при впрыске в среду с противодавлением). Для такой регулировки был модернизирован стенд КИ-562 с введением УПВ (рис. 9).

Рисунок 9 — Стенд с противодавлением впрыску для регулировки форсунок: 1 — корпус; 2 — плита опорная; 3 — рычаг; 4 — форсунка; 5 — топливный бачок; 6 и 7 — датчики давления

Рисунок 8 — Экспериментальное УПВ с гидравлическим аккумулятором (объем его выделен затемнением): 1 — корпус; 2 — форсунки; 3 — штуцер; 4 — сменный шток; 5 — регулировочный винт затяга пружины; 6 — пружина перепускного клапана; 7 — сливной штуцер; 8 — перепускной клапан; 9 — датчик давления; I — длина сменного штока

В четвертой главе «Экспериментальные исследования предложенных устройств» приведены результаты безмоторных исследований.

Испытания модернизированного стенда для регулировки форсунок проводились с использованием форсунок ФДМ-22 дизеля Д-245.12 и 6Т2 дизеля Д-144.

На первом этапе исследований впрыск топлива производился в среду с атмосферным давлением по действующей методике (с ручной прокачкой топлива). При этом форсунки регулировались на заданное давление впрыска (17,5 МП а). Затем они устанавливались на стенд КИ-562 с предложенным УПВ и определялось дав-

ление начала их впрыска при различных противодавлениях впрыску, устанавливаемых воздействием на предварительный затяг пружины перепускного клапана.

Результаты испытаний приведены на рисунке 10; на рисунке цифры соответствуют номерам форсунок, а нулевое значение противодавления - атмосферному давлению.

Моменты начала подъема иглы распылителя и повышения давления в камере впрыска совпадали. С учетом этого обстоятельства момент начала впрыска топлива в дальнейшем определялся по моменту начала повышения давления в камере впрыска, причем с применением электронного блока определения параметров то-пливоподачи (поз. 10 рисунка 6).

С увеличением противодавления р„ давление впрыска форсунки рф снижалось. Объяснялось это действием противодавления на иглу со стороны колодца распылителя.

У каждой форсунки давление снижалось по-своему. Из-за этого при противодавлениях в пределах 2...ЪМПа (что соответствует имеющемуся в цилиндрах двигателей к моменту начала впрыска) давления впрыска у форсунок существенно отличались (в затемненной зоне рисунка 10) и обусловили их зависимость от частоты вращения вала ТНВД (рис. 11).

При испытаниях с использованием УПВ и регулировании форсунок на уменьшенное давление начала впрыска (16,7 МПа) разница в давлениях начала впрыска топлива заметно снижалась (рис. 12).

РФ.

16,5 16,0 15,5 15,0

0 1,0 2,0 3,0 4,0 р„,МПа Рисунок 10 — Зависимость давления начала впрыска от противодавления

МПа

МПа 25.0

15,0

0 200 400 600 800 п.мин'1 Рисунок 11 — Зависимость давления начала впрыска от частоты вращения вала ТНВД в случае регулировки форсунок с впрыском топлива в атмосферу

15,0

0 200 400 600 800 п, мин Рисунок 12 — Зависимость давления начала впрыска от частоты вращения вала ТНВД в случае регулировки форсунок с начальным противодавлением впрыска 3 МПа

Из этих данных следует, что и форсунки действительно целесообразно регулировать с учетом противодавления впрыску.

Экспериментами было выявлено, что при введении постоянного слива топлива из аккумулятора давление в нем в конце впрыска снижалось ниже тре-

1 «15 3 2 0.25 0.3

Давление у штуцера 3 = 23 806 МПа 6)

0.1 0.15 0.2

Давление у штуцера 2 - 5 942 МПа

! 1 coi С045

Давление у штуцера 3 - 23 653 МПа

о.о»5

I = 0.04220 с

I i 0.W Давление в камере - 3

cois

t = 0.04220 с

Рисунок 13 - Осциллограммы давления у штуцера форсунки второй секций ТА (а) ив камере УТТВ (б) и соответствующие им расширенные (в) и (г): р0 и р} — начальное и конечное противодавления впрыску; Ар — величина нарастания противодавления; т— продолжительность впрыска

Как видно из осциллограмм, после завершения впрыска давление в аккумуляторе плавно снижалось до начала очередного впрыска (из-за постоянно дросселируемого слива топлива) и этим обеспечивалось стабшть-

0 ' 0.05

1 = 0 04220 с

Рисунок 14 - Осциллограммы давления у штуцера форсунки второй (а) и третьей (б) секций ТА и в камере УПВ (в) и соответствующие им расширенные (г), (д) и (е)

ное остаточное давление в аккумуляторе к началу следующего впрыска.

При впрыске в атмосферу остаточное давление в топливопроводе составило 4,4 МПа, давления начала и конца впрысков были 25,0 МПа и 4,7 МПа. Впрыск продолжался х = 22 град.п.к. в.

При регулировке на стенде с противодавлением впрыску давления в камере в начале и конце впрыска оказалисьр0= 3,0 МПа ир3= 6,4 МПа, т.е. разность их была Ар = 3,4 МПа (что соответствует усреднённой линии 0-3 линеаризированной индикаторной диаграммы рисунка 1). Опережение впрыска было <р =

буемого. Поднять его до необходимого удалось уменьшением объема аккумулятора до 23,9 см3 (на 3,5 см3).

Осциллограммы давления у штуцеров форсунок и в камере впрыска приведены на рисунках 13 и 14.

1 = О 25Л36 с Давление у штуцера 2 = 23.563 МПа а)

Давление у штуцера 2 = 5 899 МПа

0.33939 с

01

Давление у штуцера 2 = 23.419 МПа

о 0 05

t = 0.33939 с

Давление в камере =

0:15 0.2 0 25

Давление в камере =2.990 МПа

19 град.п.к.в., продолжительность впрыска т = 22 град.п.к.в., а давления у штуцера форсунок были в начале впрыска 23,8 МП а, а в конце — 7,4 МПа. Максимальное давление впрыска составило 24,0 МПа, а остаточное давление в топливопроводе было 5,0 МПа.

Скорость разгрузки аккумулятора регулировалась предварительным затягом пружины перепускного клапана 8 (рис. 8). Одно устройство могло обслуживать только два «отдаленно» расположенных друг от друга секций (при порядке работы 1 -3-4-2 - это 1 и 4 или 3 и 2).

На всех этапах ТА регулировалась на возможную низкую неравномерность топливоподачи. Межсекционная неравномерность определялась двумя методами — существующим (по максимальной и минимальной подачам секций) и более точным, на наш взгляд, методом Башкирского ГАУ (с использованием средней величины подач всех секций). Результаты испытаний представлены на

После регулирования по действующей методике с уменьшением частоты вращения вала ТНВД средняя цикловая подача и ее неравномерность возрастали так, что к режиму пк = 800/иш/1 (максимального крутящего момента) увеличивались соответственно с 87 до 92 лш5 и до 12 % (кривые 1).

При проверке с введением противодавления впрыску средняя цикловая подача оказалась ниже на 4%, а неравномерность подачи на номинальном режиме была выше на 8% и к режиму пк=&00мин'] возросла до 16% (кривые 4).

Для следующих испытаний форсунки предварительно регулировались при впрыске в среду с противодавлением. ТА в целом с такими форсунками затем регулировалась по действующей методике на нулевую неравномерность (кривые 2). При этом средняя цикловая подача не изменилась, а неравномерность подачи к режиму як=800.иин"' снизилась на 4%.

После этого ТА вновь проверялась с введением противодавления впрыску (кривые 5). Средняя цикловая подача и неравномерность подачи на всех режимах снизились на 4%.

Минимальная неравномерность топливоподачи (5%) достигалась на режиме пк=800 мин ' при регулировании форсунок и в целом ТА с введением противодавления впрыску (кривая 3).

С учетом приведенных данных для дальнейших испытаний ТА регулировалась на стенде с противодавлением впрыску на уменьшенную (до %4мм3/цикл) цикловую подачу и давление начала впрыска топлива форсунок 16,7 МПа.

Адекватность математической модели была проверена по результатам испытания трехпружинного гидромеханического аккумулятора (рис. 16).

800 900 1000 я„, мин

Рисунок 15 — Зависимости средней цикловой подачи и неравномерности топливоподачи (по методу Башкирского ГАУ) от частоты вращения кулачкового вала ТНВД

Соотношение дисперсий полученных выборок составило 1,29, что было меньше табличного значения критерия Фишера F (0,05;26;26)=1,93. Это свидетельствует об адекватности математической модели.

Результаты испытаний позволили предложить следующую методику регулировки ТА на стендах с противодавлением впрыску:

- отрегулировать форсунки на стенде с противодавлением впрыску на уменьшенное давление начала впрыска топлива (до 6%), прокачивая топливо рычагом прибора с частотой 60...80 качений (впрысков) в минуту и проверяя давление начала впрыска и начальное противодавление в камере УПВ по показаниям электронного блока;

- установить в целом ТА на стенд с противодавлением впрыску;

- по действующей методике проверить и отрегулировать ТА на герметичность и давление открытия нагнетательных клапанов, угол геометрического начала подачи топлива, ход рейки и начало действия регулятора;

- установить номинальную частоту вращения ТНВД и проверить давление топлива в его головке;

- проверить начальное противодавление впрыску в камере УПВ и при необходимости отрегулировать изменением затяга пружины перепускного клапана;

- отрегулировать цикловую подачу на уменьшенную величину (до 4%) и допустимую неравномерность по секциям, контролируя их с использованием электронного блока, работающего по предложенному алгоритму работы.

В пятой главе «Оценка экономической эффективности применения разработанных устройств» приведены результаты моторных испытаний, полученных с использованием двигателя Д-245.12.

Вначале снималась скоростная характеристика двигателя при работе с ТА, отрегулированной по действующей методике, а затем - после регулировки ее на стендах, модернизированных с введением УПВ, по предложенной методике (рис. 17).

При регулировке ТА с применением УПВ на номинальном режиме («=2400 мин1) часовые расходы топлива и воздуха практически не изменились и составили Gm=19,97 кг/ч, Ge=547 кг/ч. Выше оказалась мощность двигателя Ne (на 2 кВт), ниже были удельный расход ge (на 6,5 г/кВт-ч) и температура выхлопных газов tr (на 7 °С).

В соответствии с этими данными применительно к автомобилю ЗИЛ-5301 экономия за год составит 228 л дизельного топлива (в денежном выражении 7182 руб.). На один трактор тягового класса 1,4 (Беларусь 952) будет экономиться за год 334 л дизельного топлива (10521 руб.).

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18а. град.п.к.в.

Рисунок 16 — Интегральная характеристика топливоподачи ТА дизеля Д-144: 1- теоретическая; 2 -экспериментальная

г/кВт ч

На экономическую эффективность внедрения результатов исследований в производство скажется и снижение трудоемкости процесса регулирования ТА; хронометражем установлено, что она уменьшится на 17,6%.

Внедрение разработанного устройства в специализированном предприятии по техническому сервису ТА «Мастер-Дизель» ИП Ямалетдинова позволило из-за снижения трудоемкости увеличить объем выполненных работ и получить дополнительный доход в размере 181,4 тыс. руб. в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников позволил установить, что для регулировочных стендов ТА автотракторных дизелей перспективу имеют УПВ, оборудованные аккумуляторами, в которых противодавление создается самим впрыскиваемым топливом. При таком принципе работы аккумуляторы этих устройств органически оказываются гидравлическими или комбинированными гидромеханическими.

2. Теоретическими исследованиями выявлено, что ТА и их регулировочные стенды, модернизированные введением УПВ, представляют единую сложную гидравлическую систему со специфическими, взаимно влияющими конструктивно-режимными параметрами. К ним относятся: /иБ — гидравлические сопротивления секций ТА; - цикловая подача; т и <р - продолжительность и опережение впрыска; а - фактор динамичности цикла топливоподачи; § — неравномерность подачи по секциям ТНВД; р0, Р\ и р2 - давления топлива в аккумуляторе к началу впрыска и к концам первого и второго периодов процесса сгорания; Уак — объем гидравлического аккумулятора, Сак и с1„ - жесткость и диаметр поршенька аккумулятора; р - коэффициент сжимаемости топлива.

Анализ этих параметров позволил разработать схему оригинального, достаточно простого по конструкции комбинированного двухпружинного гидромеханического аккумулятора и предложить способ разгрузки аккумуляторов после завершения впрыска, основанный на постоянном дросселируемом сливе топлива из него.

3. Результаты исследований позволили разработать математические модели работы УПВ с гидравлическими и гидромеханическими аккумуляторами и методику их расчета и определения цикловой подачи по давлению в камере впрыска аккумулятора на основе их жесткости. Их особенность: они учитывают наличие гидравлического аккумулятора, при пренебрежении ею точность рас-

1800 2000 2200 п, мин Рисунок 17 - Скоростная характеристика дизеля Д-245.12 с ТА, отрегулированной по действующей методике (штриховые линии) и предложенной (сплошные)

четов существенно снижается, в частности, для случая ТА двигателя Д-144 по жесткости механических пружин почти на 45%.

4. Экспериментальными исследованиями установлены закономерности процессов, происходящих в предлагаемых аккумуляторах УПВ для регулировочных стендов ТА автотракторных дизелей сельскохозяйственного назначения, что позволило уточнить их конструкции и оптимальные значения конструктивных размеров и параметров. При УПВ с аккумуляторами:

- комбинированными трехпружинным они составили (применительно к ТА дизеля Д-144) си, = 8,53 И/мм, с„2= 31,13 Н/мм, dn= 4мм, VaK = 2,7 см3;

- гидравлическими — объем аккумуляторов находится в пределах 20...50 сл? (применительно к дизелю Д-245.12 он равен VaK= 23,9 см3).

5. Регулировочные стенды для форсунок и в целом ТА могут быть модернизированы с использование предложенных УПВ, работающих в комплексе с ЭВМ и электронными блоками по предлагаемым алгоритмам.

6. Анализ полученных при исследованиях данных позволил разработать методику регулирования ТА на стендах с противодавлением впрыску. Отличительная ее особенность: форсунки и ТА в целом регулируются при впрыске в среду с противодавлением на сниженные до 6% давление начала впрыска и до 4% величину цикловой подачи, а регулировочные параметры контролируются с использованием электронных блоков, работающих по предложенным алгоритмам.

7. Внедрение результатов исследований, в частности УПВ с гидравлическим аккумулятором, позволяет снизить неравномерность тогагавоподачи на 11% и за счет этого существенно повысить экономичность работы двигателя. У дизеля, например, Д-245.12 эффективный удельный расход топлива снижается на 6,5 г/кВт ч. При этом на автомобиле ЗИЛ-5301 экономия дизельного топлива за год составит 228 л (в денежном выражении 7182 руб.), а на один трактор тягового класса 1,4 (Беларусь 952) - 334 л (10521 руб.). Дополнительно на 17,6% сокращается и трудоемкость регулировочных работ. Это позволяет увеличить на имеющемся оборудовании объем выполненных работ и получить дополнительный доход. В специализированном предприятии по техническому сервису ТА, например, «Мастер-Дизель» ИП Ямалетдинова, дополнительный доход получен в размере 181,4 тыс. руб. в год.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

В изданиях, рекомендованных ВАК

1 Сафин, Ф.Р. Исследование влияния методики регулирования форсунок на неравномерность топливоподачи [Текст] / Ф.Р. Сафин // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. - 2015. — Вып.№1 (33). - С. 100 — 103.

2 Сафин, Ф.Р. Совершенствование регулировочных стендов топливной аппаратуры автотракторных дизелей [Текст] / Ф.Р. Сафин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2015. - Вып.№2 (52). - С. 92 — 95.

3 Баширов, P.M. Совершенствование методики регулирования топливной аппаратуры тракторных дизелей [Текст] / P.M. Баширов, Ф.Р. Сафин, С.З. Инсафуддинов // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. - 2014. - Вып.№3 (31). - С. 60 — 63.

4 Баширов, P.M. Разработка устройства противодавления впрыску для регулировочных стендов топливной аппаратуры дизелей [Текст] / P.M. Баширов, Ф.Р. Сафин, С.З. Инсафуд-

динов, А.А. Сорокин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. -

2014. - Вып.№5 (49). - С. 87 - 89.

Патенты и свидетельства

5 Патент на изобретение №2429373 от 20.09.2011г. Стенд для испытания и регулировки дизельной топливной аппаратуры / Баширов P.M., Инсафуддинов С.З., Сафин Ф.Р., Костенко Л.Н.

6 Патент на изобретение №2542648 от 11.10.2013г. Стенд для испытания и регулировки форсунок / Инсафуддинов С.З., Сафин Ф.Р., Гайсин Э.М.

7 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014611323 от 30.01.2014г. Диагностика топливных систем дизелей при впрыске в среду с противодавлением / Инсафуддинов С.З., Сафин Ф.Р., Гайсин Э.М., Давлетов А.Ф.

8 Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014661772 от 12.11.2014г. Определение цикловой подачи по давлению в камере впрыска устройства противодавления / Инсафуддинов С.З., Сафин Ф.Р., Бакиев И.Т., Давлетов А.Ф.

В других изданиях

9 Сафин, Ф.Р. Стенд для проверки форсунок топливных систем дизелей / Ф.Р. Сафин, А.А. Шарафеев // Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 80-летию ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ»: «Молодежная наука и АПК». - Уфа: ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ», 2010. - С. 80 - 82.

10 Инсафуддинов, С.З. Переоборудование стенда КИ-921 для регулировки топливных систем тепловозных дизелей ЗА-6Д49 впрыском в среду с противодавлением / С.З. Инсафуддинов, Ф.Р. Сафин // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию кафедры «Тракторы и автомобили» ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ: «Совершенствование конструкции, эксплуатации и технического сервиса автотракторной и сельскохозяйственной техники».—Уфа: ФГОУ ВПО Башкирский ГАУ, 2013. - С. 128- 133.

11 Сафин, Ф.Р. Электронный блок для стенда регулировки форсунок дизелей с учетом противодавления / Ф.Р. Сафин, С.З. Инсафуддинов // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования: сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава «Научное обеспечение инновационного развития АПК». 4.1. - Санкт-Петербург-Пушкин: Санкт-Петербургский

ГАУ, 2014.-С. 419-422.

12 Инсафуддинов, С.З. О влиянии противодавления при регулировке форсунок автотракторных дизелей / С.З. Инсафуддинов, Ф.Р. Сафин // Материалы международной научно-практической конференции в рамках XXTV Международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2014»: «Перспективы инновационного развития АПК». Ч. II. — Уфа: БГАУ, 2014.-С. 63-68.

Подписано в печать 22 апреля 2015 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Печать оперативная. Бумага офсетная. Заказ № 7723. Тираж 100 экз.

Издательский центр ОГАУ 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18. Тел.: (3532) 77-61-43 Отпечатано в Издательском центре ОГАУ