автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение характеристик транспортных дизелей путем структурно-параметрического совершенствования топливоподающей аппаратуры

Введение.

Глава 1. Анализ требований и направлений развития топ-ливоподающих систем для транспортных дизелей.

1.1. Пути обеспечения высокого давления впрыскивания.

1.2. Автоматические муфты опережения впрыскивания топлива и системы регулирования частоты вращения.

Глава 2. Топливная аппаратура транспортных дизелей, обеспечивающая повышенные давления впрыскивания.

2.1. Процесс топливоподачи в серийной ТА и конструктивные элементы для его совершенствования.

2.2. Исследование метода повышения давления впрыскивания за счет использования волновых процессов в топливопроводе.

2.3. Результаты параметрических испытаний топливной аппаратуры с повышенными давлениями впрыскивания.

2.4. Испытания двигателя 6ЧН 13/14 (ЯМЗ-7601) с ТА-Э135 типа «Компакт-40».

2.5. Исследование стабильности процесса топливоподачи.

Глава 3. Разработка и расчет механических и электронноуправляемых муфт опережения впрыскивания топлива.

3.1. Методика расчета центробежной автоматической муфты опережения впрыскивания топлива.

3.2. Способ гибкого управления углом опережения впрыскивания топлива.

Глава 4. Структурно-параметрическое совершенствование системы регулирования частоты вращения современных транспортных дизелей.

4.1. Улучшение устойчивости работы транспортного дизеля на низких частотах вращения.

4.2. Пути и методы совершенствования внешней скоростной (ВСХ) и частичных регуляторных характеристик (ЧРХ).

4.3. Точность позиционирования рейки ТНВД с микропроцессорной системой управления.

4.4. Формирование характеристик и результаты стендовых и моторных испытаний ТНВД с МПСУ.

Современный период характеризуется быстро возрастающими требованиями к транспортным дизелям (ТД) в отношении снижения выбросов вредных веществ и дымности отработавших газов (ОГ), регламентированных Правилами № 49 и № 24 ЕЭК ООН, при одновременном сохранении хорошей топливной экономичности [47,48].

Следует отметить, что методы уменьшения концентрации СН, СО, дымности и повышения топливной экономичности противоположны по своему эффекту методам снижения концентрации КОАс, что затрудняет уменьшение общей токсичности без ухудшения эффективных показателей двигателя.

Образование окислов азота N0A, при сгорании топлива в цилиндре дизеля зависит от максимальной температуры цикла и избытка воздуха. При уменьшении угла опережения снижаются скорость нарастания давления за период активного тепловыделения и температуры, при которых протекают основные реакции окисления. Поэтому смещение момента впрыскивания в сторону запаздывания является наиболее эффективным средством уменьшения содержания N0A;.

Отрицательный эффект более позднего впрыскивания на топливную экономичность, дымность и содержание СО и СН может быть компенсирован улучшением процесса смесеобразования за счет повышения интенсивности и давления впрыскивания топлива.

Для решения этой основной задачи топливная аппаратура (ТА)должна обеспечивать: повышенные давления впрыскивания на режиме максимального крутящего момента и на номинальном режиме; гибкое регулирование угла опережения впрыскивания топлива в функции режимных факторов; высокую точность установки угла начала нагнетания топлива; высокую точность дозирования по цилиндрам двигателя; устойчивую работу транспортного дизеля на режиме холостого хода в зоне низких частот вращения; требуемую характеристику топливоподачи в зависимости от скоростного режима; стабильность рабочих параметров в течение срока эксплуатации аппаратуры.

Топливная аппаратура серийного производства с давлением впрыскивания на номинальном режиме 55.65 МПа, регулированием угла опережения впрыскивания в зависимости от частоты вращения или нагрузки двигателя и управлением величиной топливоподачи механическим центробежным регулятором требует глубокой модернизации как ее конструкции так и производства.

Решение этих и других проблем совершенствования ТА автотранспортных дизелей нашло отражение в работах научно-исследовательских институтов НАМИ, ЦНИТА, НИКТИД, ЦНИДИ, учебных институтак МГТУ им. Баумана, МАДИ, ЯГТУ, Российский университет дружбы народов, заводов ЯЗТА, ЯЗДА, НЗТА, ЯМЗ, КамАЗ, ЗИЛ, БЗТМ, Алтайдизель, ВгМЗ.

Отработка конструкции и освоение производства ТА, обеспечивающей современные параметры, потребовали всестороннего анализа, исследований и оптимизации как отдельных конструктивных элементов, так и ТА в целом.

В свою очередь повышение давления впрыскивания обеспечивается увеличением диаметра и хода плунжера, что ухудшает протекание гидравлических характеристик в зоне минимального холостого хода и требует совершенствования других конструктивных элементов топливовпрыскивающей системы и дополнительного воздействия системы автоматического регулирования частоты вращения для устойчивой работы двигателя.

Одновременно увеличивается крутящий момент на кулачковом валу ТНВД, что вызывает необходимость модернизации центробежной автоматической муфты опережения впрыскивания топлива (АМОВТ) или разработки нового способа регулирования угла опережения впрыскивания топлива,

К механическим системам автоматического регулирования частоты вращения иа современном уровне развития двигателестроения предъявляются требования комплексного управления в зависимости от различных параметров, что решается применением электронных систем управления топли-воподачей, проектирование которых ставит задачу оценки точности позиционирования рейки ТНВД.

Повышенные давления впрыскивания, высокая точность установки угла начала подачи топлива, дозирования по цилиндрам двигателя, и стабильность параметров ТА в течение срока эксплуатации обеспечиваются соответственно при высокой точности изготовления деталей.

Таким образом, сложность решения вышеуказанных задач заключается в том, что постоянно расширяющееся количество модификаций ТА требует максимальной унификации новых и серийных узлов, трансформации параметров, взаимного согласования параметров топливоподачи и системы регулирования, что особенно актуально в условиях серийного производства.

Цель работы - улучшение характеристик транспортных дизелей путем структурно-параметрического совершенствования топливоподающей аппаратуры.

Научная новизна.

- Установлено, что при обеспечении повышения энергии впрыскивания происходит дополнительное повышение давления топлива у форсунки (Рф) за счет импульса давления (\Ан) и определена его величина;

- Разработаны методика проектирования центробежной АМОВТ на основе графо-аналитического способа расчета и способ гибкого управления УОВТ с помощью гидромеханической АМОВТ и электронной системы управления и, на этой основе, создано семейство АМОВТ;

- Выявлены особенности процесса топливоподачи в зоне низких частот вращения и уточнена зависимость, позволяющая провести качественную оценку устойчивости ТД;

- Разработаны и проверены экспериментально конструкции регуляторов частоты вращения (РЧВ), обеспечивающие комплексное управление вех и частичными регуляторными характеристиками;

- Путем структурно-параметрического совершенствования конструктивных элементов серийной ТА созданы ее модификации для ТД;

- Разработана методика расчета точности позиционирования рейки ТНВД микропроцессорной системой управления (МПСУ) и на ее основе сформированы характеристики топливподачи.

Практическая ценность работы состоит в реализации основных научных результатов в виде разработок:

- Унифицированное семейство ТНВД для дизелей ЯМЗ, ТМЗ, КамАЗа, ЗиЛа, ВгМЗ, БЗТМ, Алтайдизеля, обеспечивающее выполнение норм дымно-стии и выбросов вредных веществ в соответствии с Правилами №24 и №4902 В ЕЭК ООН (A.c. 872784, A.c. 1062416);

- РЧВ в двухрежимном исполнении для дизелей КамАЗа, КАЗа, автобусов МАЗа (A.c. 1019089);

- РЧВ в трехрежимном исполнении для газодизельных двигателей КамАЗа (A.c. 1170183);

- ТНВД с «минус» корректором по лицензии фирмы «Фридман-Майер» для дизелей УралАЗ, ЗиЛа и ГАЗа (A.c. 1281702);

- Исполнительный механизм электронного регулятора частоты вращения (A.c. 1318706);

- РЧВ для дизельгенератора (Патент РФ 1420206);

- Устройство для регулирования УОВТ в дизель (Патент РФ 1740753);

- РЧВ, трансформирующийся во всережимный, двухрежимный или трехрежимный, с уменьшенным усилием на рычаге управления, работой «минус» и «плюс» корректора только на ВСХ, с удержанием стартовой подачи до гарантированного пуска дизеля (A.c. 1573225, Патент РФ 1627741).

Реализация работы. На ЯЗТА и ЯЗДА внедрены в производство и серийно выпускаются ТНВД мод. 604, 607, 801, 805, 806, 807, 42, 44, 17, 175, 185, 861,323, 337 и др. с корректором по наддуву (A.c. 1062416).

На ЯЗДА внедрены в производство и серийно выпускаются ТНВД мод. 32,33 и их модификации с «минус» корректором, двух- и трехрежимным регулятором (A.c. 872784, 1019089, 1170183).

Исследования систем управления топлиовподачей и углом опережения впрыскивания топлива, а также конкретные разработки конструктивных элементов систем (A.c. 1318706, 1379487, Пат. 1740753) используются ОАО «ЯЗТА» и ОАО «ЯЗДА» при проектировании и доводке нoввD^ ТА,

Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на заседаниях Научно-технического совета ПО «Дизельаппаратура» г. Ярославль в 1989, 1990, 1991, 1993,1995 г.г.; на заседаниях Научно-технического совета Минавтопрома, Минавтосельхозмаша, АО «Автосельхозмаш-Холдинг» г. Москва в 1990, 1992, 1993 и 1995 г.г.; на отраслевой Научно-технической конференции Минавтопрома, г. Ярославль в 1988 г.; на Ш Всесоюзном научно-практическом семинаре «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС», г. Владимир, ВПИ, 1993 г.; на конференции «Проблемы и перспективы развития двигателей внутреннего сгорания» - Бронницы, ГАБТУ МО РФ, 1998 г.; на Научно-технической конференции «Проблемы конструкции двигателей и экология», г. Москва, ГНЦ РФ «НАМИ», 1999 г.; на Всероссийском форуме «Интеллектуальные ресурсы регионов России на рубеже тысячелетий», г. Ярославль, 2000 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 5 патентов РФ и 15 авторских свидетельств на изобретения СССР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы. Диссертация содержит 153 страницы основного текста, 16 таблиц, 53 рисунка, список использованных источников, включающий 105 наименований.