автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Создание и исследование системы топливоподачи для совершенствования характеристик тракторного дизеля повышенной размерности

РГБ ОД

РГБ ОД

г ц т

2 * ДПР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА. ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И : ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.З.БАУМАНА

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ ПОВЫШЕННОЙ РАЗМЕРНОСТИ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ■ кандидата технических наук

На правах рукописи УДК 621.435.038.5(088.8).

Басистый Леонтий Николаевич

Москва - 1995

Работа выполнена в Государственном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском тракторном институте КАТИ (Подмосковный филиал)

Научный руководитель

-кандидат технических наук, ст.научн.сотр. Аляпшев В.Г,

Официальные оппоненты

Ведущая организация

-доктор технических наук, ст.научн.сотр. Кутовой В.А.

-кандидат технических наук, доцент Грехов Л.В.

-Научно-исследовательский и конструкторско -технологический институт тракторных и комбайновых двигателей (НИКТИД)

j г~

Защита диссертации состоится '"Д V_

„и.

_ 1995 г. В

• (¿у-* часов на заседании специализированного совета К. 053.15.05 при (.{РТУ им.Н.Э.Баумана по адресу: 107005,Москва, Лефортовская наб.,д.1, корпус факультета "Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.Н.Э.Баумана. Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, ваверенный печатью,- просим направить но указанному адресу.

и Си IX и с

Автореферат разослан

1995 г.

Учений секретарь специалиэиров шного совета к.т.н. .доцент

/

-Ефимов С.И.

Тип. МГТУ, тираж 100,заказ 150, подписано к печати 20,03.95г. Одъём I печ.ляст.

ОБЩАЯ ХАРАТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одним из перспективных способов повышения эффективности рабочего процесса всех типов дизелей, работающих в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, является интенсификация процесса впрыскивания топлива, к которой проявляется интерес во всем мире из-ва необходимости улучшения экономических и экологических показателей ЛВС. При этом достигается комплексный эффект .'улучшается экономичность, снижается токсичность и дымносгь отработавших газов (ОГ) двигателей.

Дизель Д-160 (АО ЧТЗ) размерности А 411 14,6/20,5 является энергетической установкой промышленного трактора класса 10 тс, который массово применяется в различных отраслях народного хозяйства , что предопределяет актуальность создания для него современных и перспективных систем топливоподающей аппаратуры (ТА).

Важным направлением улучшения параметров технического уровня дизелей является также повышение управляемости процессом сгорания. реализацией резервов ТА по совершенствованию характеристик впрыскивания топлива за счет изменения начального (Рнач) и остаточного (Рост) давлений, применения гидродогружения иглы распылителя (Рг.з.). Интерес к подобным системам объясняется тем, что раздельное управление Рнач. Рост. Рг.а. позволяет усовершенствовать ТА в случаях, когда ее модернизация становится нерентабельной,либо технически невозможной. Предложенные ранее усторойства для управления Рнач,Рост и Рг.а. часто улучшая характеристику впрыскивания на одном режиме, ухудшают ее на другом, имеют сложную конструкцию и высокую себестоимость. Существенным резервом снижения затрат топлива на выполнение полезной работы двигателем является использование энергии отсечкой волны. Ввиду новизны данного метода, отсутствуют рекомендации к его практической реализации. Поскольку сведения о подобных исследованиях в опубликованных материалах отсутствуют, поэтому потребовалась теоретическая и экспериментальная проверка эффективности использования давления отсечного топлива Рг.з. и повышенного Рнач в ТА с управляемым гидродогружением иглы форсунки.До настоящего времени не изучена природа явлений, происходящих в данной ТА,но существует программы её гидродинамического расчета с оценкой параметров процесса впрыскивания и их влиянием на показатели рабочего процесса дизеля. Это определяет актуальность проведения исследований в данном направлении.

Дедь и задачи исследования. Целью данной работы является теоретическое обоснование, разработка конструкции, создание, исследование и практическая реализация ТА для тракторного дизеля, обеспечивающей повышение давления и сокращение продолжительности впрыскивания ( У впр) в широком диапазоне режимов работы аа счет использования анергии отсечной волны топлива и достижения таким образом значительного улучшения экономических и экологических по- казателей дизеля. В работе решались следующие научные и практические задачи: 1.Теоретическое обоснование возможности использования энергии отсечной волны топлива для интенсификации процесса впрыскивания. 2. Создание, математической модели, алгоритма, программы и проведение расчетно-теоретического анализа ТА, реализующей повышенные давления впрыскивания. 3. Исследование на безмоторном стенде экспериментальной ТА с целью подтверждения ее работоспособности, оптимизации конструкции и определения реальных параметров процесса впрыскивания. 4.Оценка влияния-процесса топ-ливоподачи экспериментальной ТА на показатели рабочего процесса, дымность и токсичность ОТ на одноцилиндровом отсеке тракторного дизеля. Б. Подтверждение улучшенных экономических и экологических показателей при использовании ТА с повышенным давлением впрыскивания на развернутом дизеле повышенной размерности на характерных режимах его работы.

Методы исследования. При выполнении работы применялись расчетные и экспериментальные методы исследования.Обзор и анализ состояния вопроса осуществлялся по научным публикациям, отечественным и зарубежным патентам. Методика исследования включала разработку математической модели, алгоритма и программы расчета экспериментальной ТА на ЭВМ. . Расчетно-теоретические исследования на ЭВМ по разработанной математической модели с целью анализа и оптимизации конструктивных параметров экспериментальной ТА. Экспериментальные исследования ТА с управляемыми Рнач и Рг.8. на безмоторном стенде. Экспериментальна исследования эффективности разработанной ТА на дизелях 1 ЧН 14,5/20.5;4 ЧН 14,5/20,Б;4 ЧН 15/20,5. Анализ протекания рабочего процесса по динамике тепловыделения путем обработки индикаторных диаграмм на 8ВМ; исследование состава ОГ с целью получения характеристик токсичности и дымности.

Научная новизна. Теоретически обоснована и практически' подтверждена возможность использования энергии отсечной волны для интенсификации процесса впрыскивания. Создана и реализована на 8Ш

2 - •

математическая модель, алгоритм и программа гидродинамического расчета экспериментальной ТА для ее расчетно-теоретического анализа, учитывающая особенности использования давления отсечного топлива и повышенного Ркач. Созданная программа расчета качественно и количественно адекватно описывает происходящие процессы. Решены новые методические задачи,включая выполнение условий баланса топлива в разветвленной полузамкнутой системе,ликвидации и оОразова-ния разрывов сплошности в основных и дополнительных трубопроводах и полостях; совместного рассмотрения процессов в ветвях разветвленной системы; процесса расчета ТА с учетом сходимости по трем параметрам: чц, Рнач и давлению в надыгольной полости (Рн.п.). Впервые разработаны варианты конструкции и изготовлена ТА, использующая давление отсечного топлива,реализованная в ТА дизеля Д-160. Новизна конструктивных решений ТА подтверждена 5 патентами.Проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования ТА и получены новые технические результаты, выявлены факторы, оказывающие наибольшее влияние на параметры процесса впрыскивания.

Практическая ценность. Разработана и исследована ТА, использующая энергию отсечной волны для интенсификации процесса впрыскивания и смесеобразования. Экспериментально подтверждено снижение удельного эффективного расхода топлива (де),токсичности и дымнос-ти ОГ дизеля повышенной размерности использующего разработанную ТА, в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов.

Разработаны математическая модель, алгоритм и программа гидродинамического расчета ТА, использующей анергию отсечной волны, позволяющие на стадии проектирования оптимизировать конструктивные и регулировочные параметры ТА.

Экспериментально подтверждено, что в разработанной ТА устраняется подвпрыскивание топлива и зависание иглы форсунки, что повышает эксплуатационную надежность и эффективность тракторного дизеля.

Разработанная ТА обеспечивает различные значения давления (Рф) и продолжительности впрыскивания (^впр), Рнач, Рг.з., в зависимости от диаметра дросселирующего отверстия (йотв) наполнительного клапана. Изготовлены опытные образцы ТА для одноцилиндрового и развернутых двигателей ОД-738, Д-160, Д-170 обеспечившие их работу с улучшенными экономическими и экологическими характеристиками.

Реализация работы. Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований и разработок передали и используются на

3

АО ЧТЗ при доводке и совершенствовании рабочего процесса диаелей 4 ЧН 14,5/20,5; 4 ЧН 15,0/20,6. Основные материалы исследований переданы заводам ВгМЗ, АМЗ, ХТЗ, ЧЗТА.

Апробация работы. Основные положения работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технической конференции в МГТУ им.Н.Э. Баумана,1990 г.;48-й научно-исследовательской конференции в МАДИ, 1990г.¡научно-техническом семинаре Ленинградского государственного аграрного университета, Пушкин, 1989-1991гг. -.научно-практическом семинаре в г.Владимире, 1991г.;научно-технической конференции МШСП. 91-92гг.; на секции НТС в ЦША, г. С.-Петербург, 88-91гг.

Публикация. По теме диссертации опубликовано 12 работ. Предложенная система топливоподачи и ее элементы защищены б патентами.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,общих выводов и приложения. Она содержит 241 стр. основного текста, 79 рисунков и 30 страниц приложений,а также список литературы, включающий 168 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение посвящено обоснованию актуальности темы, выбору цели и постановке задач исследований.

В первой главе характеризуется состояние исследуемого вопроса, проведен обзор и анализ научных работ, посвященных исследованию влияния Рнач, Рост, Рг.в. на протекание рабочего процесса, тенденции роста технического уровня автотракторных дизелей при совершенствовании конструктивных параметров и характеристик ТА, дан анализ преимуществ, недостатков и перспектив применения дизелей с объемно-пленочным смесеобразованием. Прогноз мирового развития тракторостроения на период до 2000 года свидетельствует о том, что дизель остается основным типом ДВС.Он будет более экономичным и мощным, мкогогопливным, надежным и долговечным, менее токсичным и шумным.В перспективных разработках зарубежных фирм планируется увеличение отношения S/D до 1,3...1,4 в связи с тенденцией снижения частоты вращения (пк) на 5-102 для повышения ресурса и снижения шума. При S/0 свыше 1,05...1,1 имеется тенденция к уменьшению выбросов СН • и частиц сажи. Размерность исследуемого дизеля S/D-1,41 с КС ЦШ1ДО является перспективной и имеет резервы в плане улучшения экономических и экологических показателей. Параметры ТА автотракторных дизелей подбираются о учетом обеспечения оптимального протекания рабочего процесса на максимальном скоростном режиме и полной подаче топлива. При работе на 4

частичных режимах падает Рвпр и увеличивается нестабильность топливоподачи из-за уменьшения активного хода плунжера. С понижением п также уменьшается Рвпр из-ва падения средней скорости плунжера за период его активного хода. Следовательно, в широком диапазоне режимов серийная ТА исчерпала возможности по обеспечению оптимальных условий подачи, дальнобойности и распиливания топлива. Снижение ge,токсичности и дымности ОГ в этих уело- ■ виях требует повышения управляемости процесса сгорания и реализации мероприятий по совершенствованию характеристик процесса впрыскивания путем его интенсификации sa счет изменения Рнач.Рост и применения гидродогружения иглы форсунки. На основании работ Астахова И.В. .Фомина Ю.Я. .Кутового В.А. .Роганова С.Г. .Леонова О.Б. Файнлейба Б.Н. .Хачияна A.C. и др. ученых делается вывод о том,что увеличение Рвпр приводит к росту дальнобойности топливной струи, снижает средний диамето капель и позволяет увеличить коэффициент избытка воздуха (<£) в объеме струи при гомогенном распределении топлива по объему смеси. С уменьшением продолжительности впрыскивания (Увпр) улучшается процесс смесеобразования и использования воздушного заряда в процессе сгорания. При повышении Рнач, Рост увеличивается скорость подачи топлива в начальной фазе, повышается Рвпр, qu, сокращается У впр. снижается ее. токсичность, дымность и температура ОГ,растет эффективность пуска. Неоптимальные Рнач, Рост приводит к увеличению У7 впр и подвпрыскиванию. Гидродогружение иглы форсунки снижает межцикловую нестабильность, увеличивает Рвпр.чц, сокращается ^впр, устраняет подвпрысгавание топлива. На основе рассмотренных работ следует, что известные устройства изменения Рнач, Рост, Рг.з., из-за сложности конструкции, неполного решения проблем, недостаточности их исследования ограничивают их распрространение и применение в ТА дизелей. Наибольшими функциональными возможностями обладает ТА, использующая давление отсечного топлива для гидродогружения иглы форсунки. Формулируются задачи исследования.

Во второй гладе даны теоретические предпосылки необходимости усовершенствования методов проведения расчетных исследований ТА. Разработана конструктивная схема, алгоритм, математическая модель и программа ее расчета, установлена зависимость параметров процесса топливоподачи от конструктивных и режимных дачных, определены параметры конструктивных элементов ТА. Схема предложенной ТА показана на рис.1. Особенностью исследуемой

5

III I'll я -¿-¿и ..... .Г I ' 1

8и 120 160 200 240^ц,мм 0,2 0,4 0,6 0,8 Р0,МПа

-серийная ЭД;*—f-опытная О^гв. =0„7*ш; а_0_ сарИйная ;

-опытная ТА, dотв.= 1,0 мм л—л-0питная oL,, =1,3 мм

Рио. 2 Рис< з отв.

ГА является наличие дополнительного топливного контура 1. подключенного к соединительному каналу 2 секции ТНВД с наполнительным клапаном 3, имеющим дросселирующее отверстие 4, и к штуцеру нады-гольной полости Б с обратным клапаном 6. При движении плунжера вверх до момента перекрытия впускного-отсечного окна втулки плунжера в нагнетающей и надыгольной полости, соединительном канале и дополнительном топливопроводе создается повышенное Рнач при зак- ■ рытом наполнительном клапане. В конце процесса впрыскивания,после отсечки подачи топлива происходит донепнителькое управляемое гидродогружение иглы форсунки давлением отсечного топлива Ргз. Мето-дшса гидродинамического расчета и разработанная математическая модель базируется на современных концепциях расчета гидроимпульсных систем и опыте моделирования ТА, разработанных Астаховым И.В, Голубковым Л]!. .Кутовым В.А. .Рогановым С.Г. и др. .дополнена блоками расчета устройства создания повышенного Рнач,Рост и использования Ргз. Вместе с тем решены новые методические задачи, включая выполнение условия баланса топлива в разветвленной полузамкнутой системе, ликвидации и образования разрывов сплошности в трубопроводах и полостях,совместного рассмотрения процессов в ветвях разветвленной системы,быстрого процесса расчета с учетом сходимости по 3-м параметрам:чц,Рнач в линии высокого давления (ЛВД)и давлению Рн.п. и др. Учет трения в трубопроводах осуществлен введением поправочного члена к интенсивности волны при сохранении решения в форме Д'Аламбера. Ввиду того, что п исследуемой ТА не развивается скоростей движения топлива больших,чем в традиционных, а напротив, развиваются большие абсолютные давления, условие и ¿а остается строгим и исходное уравнение движения не содержит конвективного члена. Так же нет оснований в задачу о движении топлива в трубопроводах вводить уравнение энергии, а задачу о распаде разрыва при возникновении двухфазности решаем без уравнения энергии с использованием упрощающих гипотез. Таким образом приходим к- известным уравнениям неразрывности и движения для одномерного энергоизолированного нестационарного вязкого течения сжимаемой жидкости */:

ди „ / ЭР

1-

§Г~ + ——= 0 ;

дР + х> Ж -о-

*/В работе использованы общепринятые обозначения физич. величин.

7

которые при использовании уравнения для скорости звука О, -|/с1Р/<1уО вычисляемой с использованием определения коэффициента сжимаемости по соотношению , приводит к известному решению волнового

уравнения в форме Д'Аламбера:_ у /VI •

При наличии в трубопроводах и полостях остаточных объемов при-нимаеся допущение,что вся подача топлива расходуется на их ликвидацию и до полной их ликвидации давление не повышается. Если в процессе подачи топлива мгновенное локальное давление в них опускается ниже давления насыщенных паров, принимается,что Р - О,а

V*«*'-■

Уравнение граничных условий дополнены уравнением объемного баланса топлива для надыгольной полости форсунки:

аГ ~

С возникновением дополнительного усилия гидрозапирания возникла необходимость корректирования уравнения движения иглы форсунки.

роси.

Так-как в вышеприведенном уравнении Ы^т. может иметь любой знак и этот член не равен нулю, во время цикла производится расчет гидравлического процесса не только за время впрыскивания топлива, но и в период между подачами топлива.

В результате анализа опубликованных данных по ТА не удалось подобрать правильную формулу для определения расхода утечек при различных давлениях по обе стороны от уплотнения. Выведенная формула:

оV (Ру - Рд)2 €л С V " 7&---ЗГ"'

Специфические условия исследуемой ТА,характеризуемой нестационарностью процесса, приводит к образованию разрывов сплошности практически во всех напорных элементах, а также сообщение ЛВД с гидрозапорной линией приводит к необходимости усложнить логику - и порядок вычислений параметров в системе. Так, в любом элементе системы идет контроль условий образования и ликвидации остаточных объемов. Определение Рнач, Рост в ЛВД с вычислением перетечек из надыгольного объема в ЛВД по формуле:

Рос* =Р <Ото

у^. ¿.л Ь

8 ^

Аналогичным образом в период между впрыскиванием пересчитыва-ется давление в надыгольной полости, для чего организуется расчет полного цикла процесса топливоподачи.Получены формулы для расчета кинематики привода,учитывающие эксцентриситет кулачка относительно вала.Для расчетно-теоретического анализа процесса впрыскивания исследуемой ТА разработана программа,написаниая на языке "Фортран -4" и реализованная на ЭВМ ЕС 1036.Расчет показал, что работоспособность и выходные характеристики предложенной ТА определяются в основном диаметром дроссельного отверстия (doTB) наполнительного клапана, оптимальный размер которого 0,7...1,3 мм. Большая чувствительность к величине doTB наблюдается при уменьшении его диаметра ниже 1,0...1,3 мм.

Расчеты процесса впрыскивания ГА с управляемым Ргз для дизеля 4 ЧН 14,5/20,6 (ПО ЧТЗ) при различных q4, n, dan, doTB позволили проанализировать возможные изменения его основных параметров. При увеличении doTB с 0,3 до 1,3 мм при au ,n-const происходит снижение уровня Рнач, Ргз, Рф,. Рнп.б'шах при незначительном увеличении Увпр.что объясняется возрастанием утечек топлива из нагнетательной полости через дроссель наполнительного клапана. При увеличении ац при пк-625 и 475 1/мин с doTB-1,0 мм возрастает Рап,Увпр. & max, снижается Ргз, Рнп при неизменном Рнач, что объясняется уменьшением Ргз- доли топлива после его отсечки, направляемого в надыгольную полость форсунки.Анализ расчетных скоростных характеристик при ЧЦ-165;225;250;280 ммЗ и dOTB-1,0 мм показал, что при увеличении п повышается Рф.Рзп, Рнп.Рд, ¡/'впр.б'мах.что объясняется увеличением Рнач, Ргв, средней скорости плунжера и уменьшением доли утечек топлива в плунжерной паре. Расчет показал, что увеличение с1пл с 9 до И мм при n, qu и Ьпл-const способствует повышению Рнач на 3,2 МПа (47Х) и увеличению Рф, Рзп, Ргз, б" мах. При йпл-8 мм впрыскивание топлива отсутствует.Это объясняется тем,что при его активном ходе создается уровень давления топлива меньший, чем суммарное воздействие усилия затяжки пружины Ро и Рип. Расчетом установлено, что экспериментальная ТА обеспечивает переход на меньший бпл, что снижает 6*"мах, повышает равномерность и стабильность подачи топлива, увеличивает гидроплотность плунжерной пары. Использование управляемого Ргз и повышенного Рнач способствует повышению Рф и сокращению Увпр, устраняет подвпрыскивание и низкие давления в заключительной фазе г'эыскивания. Однако, многофакторность связей процессов впрыскивания и сгорания позволяет опре-

9 '

делить оптимальные значения Рнач,Рост.Ргз,Рф,?^впр,обеспечивающие снижение бе,токсичности и дымности ОГ только экспериментально.

В третьей главе дано описание экспериментальных установок и методик проведения исследований, измерительной и регистрирующей аппаратуры, дана оценка точности измерения и погрешности опытов. Экспериментальные исследования параметров ТА и рабочего процесса дизелей 4 ЧН 14,5/20,5; 4 ЧН 15,0/20,5 проводились с использованием современной измерительной и регистрирующей аппаратуры, повышающей точность измерений , с соблюдением требований действующих ГОСТов. Безмоторные исследования проводились на стенде типа БОШ с использованием цифрового анализатора фирмы АВЛ (Австрия) модели 652 с графическим терминалом и графопостроителем. Для замера давлений применялись пьезокварцевые датчики фирмы АВЛ. Измерение характеристик впрыскивания ТА осуществлялось по методу фирмы БОШ (ФРГ) специально изготовленным датчиком закона подачи. Одноцилиндровая установка ОД-738 Оьша укомплектована электронной аппаратурой -измерителем среднего индикаторного давления (СВД) типа 6603 фирмы АВЛ, сочлененного с диалоговым вычислительным комплексом ДВК-3 для сбора, обработки данных исследований. Анализ ОГ по нормируемым токсичным компонентам производился быстродействующими газоанализаторами типа БЕКМАН 864 и 951 (США). Измерение дымности ОГ - методом их фильтрации определенного объема с использованием дымомера ВОШ ЕРАУ-68А. Исследования дизеля 4 ЧН 14,5/20,5 проводились с использованием стандартной аппаратуры при работе по нагрузочным характеристшсам при п-1000 и 1250 1/мин. Отбор проб ОГ на веек исследуемых режимах производился в стеклянные колбы с последующим их анализом на хроматографе ЛХМ-8ВД модели 3. Расчеты, проведенные по определению относительной погрешности экспериментальных измерений показали . что использованные методики и аппаратура обеспечивают достаточную точность и достоверность результатов, отвечающую предъявляемым требованиям.

В четвертой главе приведены результаты сравнительных беамотор-ных исследований ТА с управляемым Ргз и повышенным Рнач, описаны особенности ее конструкции и работы, результаты исследований влияния Рнач, длины нагнетательного топливопровода (£гр) на параметры процесса топливоподачи, результаты исследования равномерности параметров процесса топливоподачи от цшела к цшелу. Особенностью исследуемой ТА по АС N1629587 , рис.1, является то, что впускная и

10

отсечная полости секции ТНВД объединены, а в соединительном канале размещен наполнительный клапан с дросселем. Дополнительный топливопровод сообщает соединительный канал секции ТНВД с надыголыюй полостью форсунки, снабженной обратным клапаном. Разработанная ТА позволяет создавать повышенное Рнач в нагнетательной и надыгольной полостях, дополнительном топливопроводе до перекрытия кромкой-плунжера впускного-отссчного окна втулки плунжера, а после отсечки подачи топлива использовать давление отсечного топлива для гидродогружения иглы форсунки. Более тщательно исследовалась частота вращения режима номинальной мощности п-625 1/мин и максимального крутящего момента п-475 1/мин при изменении qn с 80 до 280 ммЗ с doTB-0,7 и 1,0 мм.Экспериментальные данные подтверждают полученные в главе 2 теоретические предпосылки влияния qu, п, Рнач, Ргз на параметры впрыскивания. При п~625 1/мга,дц-280 ммЗ использование управляемого Ргз и Рнач уменьшает угол опережения впрыскивания (■¿>Wp) на 1,33 и 3,16 гра' п.в.н. для наполнительных клапанов с doTB,соответственно, 1,0 и 0,7 мм, У впр уменьшается,соответственно, на 1,34 град.п.в.н. (9,57%) и на 3,0 град.п.в.н. (21,3%) по сравнению с серийной комплектацией. Максимальное давление Рф, Рзп, Увпр при увеличении qu возрастает,а Ргз -уменьшается при неизменном значении Рнач при n-const-625 и 475 1/мин. При qu-250 ммЗ и п-625 1/мин максимальное давление Рф увеличивается в 2 раза (на 30 МПа) для наполнительного клапача с doTB-1,0 мм по сравнению с серийной комплектацией,и в 2,5 раза (на 45 МПа)-для наполнительного клапана с doTB-0,7 мм, рис.2. При п-600 1/мин и hp -const для наполнительного клапана с dOTB-0,7 "мм, qu увеличивается на 37,932 по сравнению с серийной комплектацией, что объясняется малыми утечками топлива через дроссельное отверстие до момента перекрытия впускного-отсечного отверстия втулки плунжера. При увеличении п с 300 до 625 1/мин при дц-const повышается Рнач и Ргз, что приводит к увеличению Рф, Рап,1Лшр. При <щ-225 ммЗ при увеличении п с 300 до 625 1/мин Рнач возрастает с 3,78 до 13,23 Ша (250%) и с 12,85 до 24,75 МПа (92,6%) соответственно для клапанов с doTB - 1,0 и 0,7 мм. Увеличение Рф по сравнению с серийной комплектацией при этом составляет 12,82 Ша (50%) и 27,26 МПа (105,52%) при п-300 1/ мин соответственно для наполнительных клапанов с йотв~Т,0 и 0,7 мм, а при п-625 1/мин увеличение Рф. составляет, соответственно, 33,35 МПа (105%) И 48,45 МПа (15°.74%), Увпр уменьшается на 4...5 град.п. в.н. Исследована зависимость характеристик впрыскивания от

11

Рнач при различных значения qu при п-625 и 476 1/минГ С увеличением Рнач возрастает давление Ргз, Рф, Pan.сокращается Увпр,изменяется передний и задний фронт характеристик впрыскивания : он становится более крутым. Увеличение давления Рзп непропорционально возрастанию давления Рф: чем больше чц, тем выше давление Рзп. Увеличение Рнач с 10 до 31,5 МПа при п-625 1/мин и qn-2So ммЗ приводит к возрастанию Рзп на 2,4 МПа (28%), сокращению впр на 5,5 град.п.в.н.(32.67Х), при п-475 1/мин- соответственно Рзп увеличивается на 4,4 МПа (67,892), У впр сокращается на 1,57 град.п.в.н. (11,29%). Реализация высоких Рнач ограничивается прочностными характеристиками конструктивных элементов ГНВД и не всегда целесообразна, поскольку для каждого способа смесеобразования существуют свои оптимальные значения Рф и У3 впр,Рнач, Ргз. Исследованиями установлена. что ТА с управляемыми Ргз и Рнач обеспечивает удовлетворительную воспроизводимость давления впрыскивания от цикла к циклу, что объясняется возможностью самой ТА. создавать повышенное, стабильное от цикла к цшглу Рнач, независимое от величины Рост, а также стабильное от цикла к циклу давление отсечного топлива.

Анализ полученных зависимостей параметров процесса впрыскивания от длины основного топливопровода при n-const-625 и 475 1/мин показал, что изменение $гр с 990 до 2150 мм при qu-const приводит к уменьшению ^впр, Ргз, Рф при увеличении 4^впр и практически неизменной величине Риач: так при п-625 1/мин и qu- 250 ммЗ максимальное давление Рф снижается на 9,25 МПа (12,82). Увеличение п с 300 до 625 1/мин при изменении с 990 до 2150 мм не влияет на качественное изменение параметров впрыскивания и сказывается незначительно на их количественных пасазателяк, что связано с увеличением сопротивления топливопровода и объясняется тем, что перед каждым циклом впрыскивания создается повышенное Рнач, независимое от Рост, компенсирующее эти отклонения размеров.

В пятой главе приведены результаты исследования экспериментальной ТА на дизелях 4 ЧН 14,5/20,5; 4 ЧН 15,0/20,5, особенности их рабочего цикла,дымности и токсичности их ОГ.Исходя из особенностей аэродинамики КС ШВДИ, в которой максимальная интенсивность воздушного вихря (£^мах) создается вблизи ВМТ, сокращение У впр следует осуществлять за счет его начальной и конечной фазы, перемещая процесс впрыскивания в зону что улучшает процессы смесеобра-

зования и сгорания топлива.Это обеспечивается опытной ТА. Было установлено, что оптимальный по ge .установочный угол начала подачи

12

топлива ^впр. на 3-4 град/больше, чем для серийной ТА и составляет 28 ± 1 град.п.к.в. до ВМТ для дросселя с йотв -1,0 мм. Это объясняется уменьшением действительного ^"впр.в опытной ТА из-за того, что на иглу форсунки кроме усилия затяжки пружины воздействует давление топлива Рнп при закрытом обратном клапане надыгольной полости, на преодоление которых затрачивается дополнительный ход плунжера. С выбранным оптимальным б^пр по ее определялись нагрузочные характеристики при п-1250 и 950 1/мин, соответствующих режиму номинальной мощности и максимального крутящего момента (Ме). Анализ этих характеристик для дизеля 1 ЧН 14,6/20,5 показал, что при п-1250 1/мин , Ре-0,9 МПа совместное воздействие управляемого гнд-родогружения и Рнач приводят к снижению де на 5...7 г/кВт.ч. температуры ОГ на 35...40°С,дымности ОГ-на 20...23%, СО на 600 1/млн.

При этом Рмах увеличивается на 0,55 МПа. (<1Р/£^мах -на 0,4----

О, б МПа/Трад, максимальная температура цикла Тмах- на 260...ЗЮК. что приводит к незначительному увеличению Юх (на 5... 7Х). На режиме максимального крутящего момента п-950 1/мин, наблюдается больший эффект по снижению ее по мере увеличения нагрузки, а при Ре-0,9 МПа ее снижается на 12...14 г/кВт.ч, температура ОГ на 60...80°С, дымность- на 23,5%, СО - на 475 1/млн при незначительном увеличении выбросов МОх. Последнее явилось следствием увеличения максимальной температуры цикла. Анализ характеристик тепловыделения показал, что изменения в характере процесса топливоподачи приводят в дизеле с исследуемой ТА к более благоприятному протеканию смесеобразования и сгорания: максимальная аадрость сгорания приближается в сторону ВМТ, повышается интенсивность и сокрацзется продолжительность основного периода процесса сгорания, обусловленного интенсификацией процесса сгорания кспечной фазы процесса впрыскивания.

Положительные результаты исследований экспериментальной ТА на дизеле 1 ЧН 14,6/20,5 выявили целесообразность проведения подобных работ на дизеле 4 ЧН 14,5/20,5 при П-12Б0, 1000 1/мин с наполнительным клапаном с с1отч-1,0 мм при^впр. -27 град.п.к.в. На всех исследуемых режимах выполнены замеры токсичности и дымности ОГ. Анализ нагрузочных характеристик• при п-1250 1/мин показал, что использование управляемого Рга и повышенного Рнач, исключение зон пониженного давления распиливания в начале и п (сонце щюцссса впрыскивания и перемещение после-чего в зону наибольшей скорости движения воздушного заряда способствует снижению ко на 7, !>...

13 '

8,5 г/кВт.ч (3,7%),температуры ОГ-на 25...45°С,а при п-1000 1/мш-ее на 12,8...15,3 г/кВт.ч (5.4...6, 52), температуры ОГ - на 70°С по сравнению со штатной комплектацией. На режимах п -1250 и 1000 1/мин выбросы СО снизились на 0;5...0,7 иг/л, что объясняется более интенсивным догоранием СО на такте расширения и выпуска при общем избытке кислорода. Концентрация СН при этом незначительно возрастает, что объясняется повышением доли пристеночных процессов в КС. Снижение димности ОГ дизеля с экспериментальной ТА на режиме максимального Ме при п-1000 1/мик составило 36...40%. Это объясняется тем, что повышение давления и сокращение Увпр интенсифицирует его начальный и конечный период. Увеличивается тонкость распылива-ния.т.е. повышае~тся скорость прогрева струи, следовательно повышается скорость выгорания топлива в факеле.устраняется конечная фаза впрыскивания с низкими давлениями распиливания при резком окончании подачи топлива - это снижает дымность ОГ. С увеличением нагрузки увеличилось содержание ЫОк в среднем на О,8...1,2 г/мЗ в дизеле с опытной ТА, что объясняется возрастанием Тмах.Важным резервом снижения выбросов Шх является переход на меньший угол впр. при увеличении с1отв наполнительного клапана до 1,3 мм. Снижение выбросов ЫОх во всем диапазоне нагрузочных режимов при п-1250 и 1000 1/мин было достигнуто на дизеле Д-170 N195487 повышенной размерности 4 ЧН 15,0/20,6 применением предложенной ТА с наполнительным клапаном с увеличенным <1отв-1,3 мм при штатномйзпр-24 +1 град, п.к.в. Все основные конструктивно-регулировочные параметры оставались одинаковыми как у серийной, так и в предложенной ТА. На режиме номинальной мощности при п-1250 1/мин снижение ге составило в среднем 5...8 г/кВт.ч (рис.3). При Ре-0,62 МПа дымность ОГ уменьшилась на 30%, температура ОГ-на 15...20°С, что свидетельствует о более полном и качественном сгорании топлива. Снижение выбросов 1Юх по сравнении с серийной комплектацией ТА составило 1,4...1,6 г/мЗ (32...35%), а выбросы СО при этом уменьшились на 19,4%, что подтверждает совершенствование тепловыделения в основной фаае сгорания за счет повышения качества топливоподачи при уменьшении размера капель: это значит что скорость испарения топлива увеличивается и скорость сгорания возрастает. Аналогичное улучшение характеристик дизеля Д170 наблюдается на режиме максимального Ме при п-1000 1/мин, что подтверждает эффективность разработанной и созданной ТА, использующей давление отсечного топлива для интенсификации процесса впрыскивания.

14

основные вывода

1. Создана и реализована на ЭВМ математическая модель, алгоритм и программа расчета разработанной ТА с управляемым гидродогружением иглы форсунки давлением отсечного топлива применительно к дизелю повышенной размерности.

2. Разработаны варианты новых конструкций, создана и исследована ТА, обеспечивающая повышение давления и сокращение Увпр во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы тракторного дизеля, новизна конструктивных решений защищена б патентами.

3. Теоретическими исследованиями определены соотношения между параметрами процесса впрыскивания и показателями Рнач, Рост, Ргз, с1отв, характеристики их взаимосвязей, обоснована возможность перехода на меньший диаметр плунжера при сохранении давления впрыскивания, Увпр,дц,что уменьшает действующие силы и контактные напряжения в механизме привода.

4. Установлена возможность и целесообразность использования энергии отсечной волны- для интенсификации процесса впрыскивания топлива за счет управления Рнач, Ргз, Рост и реализации резервов топливной аппаратуры.

Б. Исследованиями ТА на безмоторном стенде определены параметры процесса впрыскивания. Показано,что предложенная ТА по сравнению с серийной повышает Рвпр в 2...2,5 раза, сокращает Увпр на 20... 30%, устраняет подвпрыскивание топлива и зависание иглы форсунки.

6. Исследования протекания рабочего процесса на одноцилиндровом отсеке дизеля 1 ЧН 14,5/20,5 показали,что повышается интенсивность и сокращается продолжительное^) основного периода сгорания, снижается ее, К, увеличивается Рмах на 0,55 МПа, Тмах- на 260...,310 К при незначительном увеличении выбросов 1ТОх (что было устранено при переходе на дизель повышенной размерности).

7. Исследования работы развернутого дизеля повышенной размерности 4 ЧН 15,0/20,5 с предложенной ТА подтвердили улучшение экономических и экологических показателей в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов.На номинальном режиме получено ( по сравнению с серийной комплектацией) снижение ее на 5 г/кВт.ч; температуры ОГ - на 20 С, дымности 0Г- на 12%, СО - на 17 - 19%, Шх - на 30%.

8. Предложенная ТА реализована на двигателях повышенной размерности Д-160 и Д-170. Ожидаемый ; :ономический эффект от внедрения предложенной ТА, использующей энергию отсечной волны на дизеле Д-160 составляет 20,27 руО.в год на один двигатель (в ценах юаэг).

. 15

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.Пат. 1574888 СССР, МКИ F 02 М 59/44. Система подачи топлива с гидравлически управляемым нагрулением иглы форсунки/ С.Н.Девянин ,

B.Г.Аляпышев , Л.Н.Басистый , Е.Г. Пономарев - N 4424711/25-06; Опубл. 30.06.90,Елл. N2¿//Открытия.Изобретения.- l990.-N12.-c.54.

2.Пат. 1629587 СССР,МКИ F 02 М 47/02.Система подачи топлива с гидравлически управляемым нагру/.ением иглы форсунки / Л.Н.Басистый ,

C.Н.Девяшш , Е.Г.Пономарев , В.Д.Лукин , А.И.Довженко -N4610203/ 25 -06:0публ.23.02.91,Бюл.Ы7//0ткрытия.Изобретения.-1991.-N7.-c.63.

3.Макарычев A.B., Басистый Л.Н. Математическая модель развития топливной струи и особенности ее экспериментального исследования //Конструирование и производство топливной аппаратуры автотракторных двигателей:Тр . ЦНИТА .-Л.,1989.-С.172-176.

4.А.с.1694963 СССР,МКИ F 02 М 59/44.Система подачи топлива с управляемым гидродогружением иглы форсунки / Л.Н.Басистый .С.Н.Девянин, Е.Г. Пономарев , В.Г.Аляпышев - N4699739/25,-06; Заявл.17.04.89; Опубл. 30.11.91, Бюл. Ы44//0ткрытия.Изобретения.-1991.-N44.-с.58. б.Аляпышев В.Г..Басистый Л.Н..Особенности работы систем топливопо-дачи с управляемым гидромеханическим нагруженном иглы распылителя форсунки //Диагност..повыш.эффективн..экономич. и долговеч. двигателей/Тез . докл. Всесоюз. науч.-техн.сем.,-Пушкин(Л.о.),1991.-С.141-142,

6.Гитис М.С, Басистый Л.Н., Бунова Е.В.. Токсичность тракторного дизеля и возможности ее снихения//Исслед. сил. установок и шасси трансп.и тяг.малин:Тр.Челяб.гос.техн.ун-т.-Челябинск,1991.-С.3-8.

7.Улучшение экономических и эгалогических показателей дизеля Д-160, снабженного системой топливоподачи с управляемым гидромеханическим нагружонием иглы распылителя /Л.Н.Басистый, В.Д.Лукин,В.Н.Белоусов, Ю.И.Маргулис //Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей:Тез.докл.Всесоюз.науч.-техн . сем..-ПуикшЦЛ.о.) ДЭЭ1.-С.141-142.

8.Басистый Л.Н., Девянин С.Н. Совершенствование характеристик впрыскивания топлива системой топливоподачи с повышенным начальным давлением и управляемым гидромеханическим нагружением иглы форсун-ки//Соаср^енс.мощност..экономич.и экологич.показат. ДВС: Тез.докл. Есосоюз.научно-практ.сем. -Владимир,1991.-С.60-61.

j.Zbcy.zii'M ЛЛ;. Улучшение показателей дизеля путем гидродогруже-нил иглы фсрсунки энергией отсечной волны/ Энерготехиологич<.ские сре-сгьа ci~!.c!:ci:<02Hi"i^TbeHHoro назначения и их технические системы: Тр. У::::. ияж.с.-х.пр-ва.-Mi ,1901.-С.43-53.