Совершенствование встроенных регуляторов скорости топливопадающих систем тракторных дизелей

Повышению эффективности производства придавалось исключительно большое значение на ХХУ1 съезде КПСС. Эта задача особо актуальна для сельского хозяйства, являющегося одной из основных отраслей производства.

Как отпечено в Продовольственной программе СССР, основным резервом повышения эффективности сельскохозяйственного производства являются дальнейший рост производительности труда и экономное расходование материальных ресурсов.

Экономические показатели сельского хозяйства в значительной степени зависят от качества работы тракторов, комбайнов и автомобилей, составляющих его мобильную энергетику. Как показывает практика, повышению эффективности их работы во многом способствует совершенствование процессов смесеобразования и сгорания двигателей воздействием на топливоподающую систему.

В отечественных дизельных двигателях применяются топливные системы с центробежными регуляторами скорости. Они, наряду с положительными качествами, имеют ряд существенных недостатков, проявляющихся, в частности, на неустановившихся нагрузках и ухудшающих экономические показатели дизельных двигателей. По данным Болтинского В. Н. из-за недостатков топливоподающих систем при переходе на неустановившиеся нагрузки зачастую у двигателя снижается (недоиспользуется) мощность на 25%, экономичность — на 20% [22].

Анализ литературных данных показал, что от недостатков ныне применяемых топливоподающих систем в значительной степени свободны системы с встроенными регуляторами скорости.

В настоящей работе была поставлена задача разработать топливоподающую систему с встроенным регулятором скорости для многоцилиндрового тракторного’двигателя и исследовать ее рабочий процесс.

На основе анализа литературных данных была принята топливопо-дающая система, в которой регулирование подачи топлива осуществляется золотником, жестко соединенным с кулачковым валом, в зависимости от угловой скорости. При этом методе, в отличие от применяемых, импульс регулирования к исполнительному органу передается без искажения. Испытания на одноцилиндровом двигателе подтвердили целесообразность его дальнейшего исследования 1091. Однако, оставались невыясненными способы достижения стабильности показателей работы встроенного регулятора скорости и возможности применения его на многоцилиндровом двигателе.

В настоящей диссертации приведены схема работы и конструкция разработанной автором опытной топливоподающей системы с встроенным регулятором скорости для тракторного четырехцилиндрового дизельного двигателя. Разработаны методы повышения стабильности работы этой системы топливоподачи и рекомендации по конструированию ее основного элемента — перепускного устройства. Проверена работоспособность разработанной топливоподающей системы на двигателе. Для сравнительных исследований двигателя с серийной и опытной системами на переходных режимах, со стационарной и переменной нагрузками разработана специальная установка. Опытная то-пливоподающая система успешно выдержала испытания как в лабораторных условиях, так и в условиях производства — в Белоозерском специализированном отделении госкомсельхозтехники БАССР (приложение 4).

С использованием результатов исследований разработан распределительный насос с встроенным регулятором. Новизна насоса Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР признана изобретением (А. С. № 282 816, кл. ^ 02 т 41/00).

Результаты настоящей работы могут быть использованы научно-исследовательскими институтами и конструкторскими бюро при разработке новых перспективных моделей топливоподающих систем дизельных двигателей для тракторов.

На защиту выносятся:

— методика и аналитические зависимости для теоретического исследования стабильности работы топливоподающей системы с встроенным регулятором скорости, выполненным в виде перепускного золотника;

— рекомендации по конструированию перепускного устройства встроенного регулятора;

— обоснования величин отклонений длины и внутреннего объема топливопровода, соединяющего тройник с форсункой, эффективного сечения канала распылителя, давления начала впрыска форсунки, взаимного расположения осей перепускных каналов в корпусе золотника;

— топливоподающая система с встроенным регулятором для четырехцилиндрового дизельного двигателя;

— установка для имитации переменной нагрузки на валу тормозного стенда;

— метод повышения стабильности работы топливоподающих систем с встроенным регулятором скорости;

— рекомендации по снижению нечувствительности регуляторов скорости тракторных дизельных двигателей. I.

Основные положения диссертационной работы докладывались на трех Всесоюзных теоретических научных конференциях по вопросам конструирования, исследования и эксплуатацию! топливоподающих систем автотракторных дизелей (в 1972, 1975 годах в городе Уфе, в 1977 году — в Саратове), на технических советах Белоозерского специализированного отделения Госкомсельхозтехники БАССР (1979 г),.

Вильнюсского завода топливной аппратуры (1980 г.), на Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре по вопросам исследования двигателей сельскохозяйственных машин в динамических режимах (в 1983 году в городе Казани).

Стенд для имитации переменной нагрузки на валу двигателя внедрен в Башкирском ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственном институте (приложение 5).

Рекомендации и предложения по итогам работы приняты отделом главного конструктора Вильнюсского завода топливной аппаратуры для использования при разработке перспективных моделей топливных насосов (приложение 2).

Принцип работы встроенного регулятора скорости и рекомевда-ции автора по выбору длин топливопроводов, соединяющих тройник с форсункой и перепускным золотником, использованы в экспериментальном роторном насосе высокого давления, изготовленном Ногинским заводом топливной аппаратуры имени 50 летия Октября (приложение 3).

Результаты исследований опубликованы в трудах Башкирского и Ульяновского сельскохозяйственных, институтов, Саратовского института механизации сельского хозяйства, в Бюллетене информаций, Ряд из них используется в учебном процессе Башкирского сельскохозяйственного института (приложение 6).

I. ОБЗОР НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ПО ТОПЛИВШОДА-ЮЩИМ СИСТЕМАМ С ВСТРОЕННЫМИ РЕГУЛЯТОРАМИ СКОРОСТИ И.

АНАЛИЗ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

1.1. Общие сведения по системам с встроенными регуляторами и их классификация.

Для регулирования скорости вращения вала дизельных двигателей в основном применяются центробежные регуляторы. В них импульс регулирования под действием центробежных сил вырабатывается грузиками, реагирующими на изменение частоты вращения коленчатого вала, и передается органу управления подачей топлива двигателя. Такие регуляторы широко распространены и достаточно надежны в работе.

Вопросы теоретического и экспериментального исследований центробежных регуляторов освещены в работах Айзермана М. А., Калита Г. Г., Каца А. М., Кринецкого А. А., Крутова В. И., Грунауэ-ра А. А., Солодовникова В. В., Петрова В. А., Толле М. [б, 44, 45, 53, 55, 64, 67, 69, 87] и других.

Исследованию рабочего процесса дизельных двигателей и их регуляторов скорости на неустановившихся нагрузках посвящены труды Багирова Д. Д., Кутькова Г. М., Болтинского В. Н., Дцановского Н. С., Каримова Р. X., Морозова А. X., Пономарева 0. П., Попова В. Н. э Заславского Е. Г., Чагара Б. Б., Юддашева А. К. [14, 16, 21, 37, 46, 62, 72, 73, 75, 97, 100, 101] и других.

Широкую известность получили пневматические и гидравлические регуляторы. Работа их основана на том, что с отклонением частоты вращения вала от ранее установленной, изменяется потребление двигателем воздуха и топлива и, как следствие, их давление соответственно во впускном коллекторе и в топливопроводах системы питания. Это изменение давления через упругую среду (воздух или топливо) принимается исполнительным механизмом, осуществляющим регулирование подачи топлива. Наиболее совершенную конструкцию гидравлического регулятора скорости создал Долганов К. Е.

Исследования многих авторов убеждают в том, что пневматические и гидравлические регуляторы по сравнению с центробежными не имеют существенных преимуществ.

Созданы и топливоподающие системы, в которых скоростной режим двигателя поддерживается встроенным регулятором скорости. В этих системах отдельные детали, участвующие в процессе топливопо-дачи, одновременно выполняют функцию регулятора скорости двигателя [55]. Это значительно упрощает конструкцию системы, снижает металлоемкость и делает ее компактной. Иногда их в литературе называют системами, обладающими саморегулированием [15, 92] .

Встроенные регуляторы могут применяться в многоплунжерных рядных, распределительных, роторных топливных насосах высокого давления. Такие топливные насосы отличаются компактностью, меньшим числом деталей и удобством обслуживания.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований по ним нашли отражение в работах Андрусенко П. И., Баширова Р. М., Еремеева А. Ф., Купцова С. И., Колупаева В. Я., Файнлейба Б. Н., Чичинадзе В. К., Шарафутдинова А. Г. [9, 17, 18, 36, 58, 59, 79, 92, 98, 99] .

Системы с встроенными регуляторами скорости могут классифицироваться по различным признакам. Обоснованным представляется их классификация по импульсу регулирования [17] .

Импульс регулирования может передаваться (рис. 1.1): а) механически (через плунжер или другие детали) — б) гидравлически (через давление топлива) — в) комбинированным способом.

Приняв за основу эту классификацию, проанализируем известные.

Рис. 1.1. Классификация топливоподающих систем с встроенными регуляторами скорости по способу передачи импульса регулирования. топливоподающие системы с встроенными регуляторами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

Анализ топливоподакмцих систем с встроенными регуляторами скорости показал, что передача импульса регулирования к исполнительному органу может осуществляться гидравлически и механически.

При гидравлической передаче используются элементы, преобразующие частоту вращения коленчатого вала в давление топлива. Как правило, при этом не достигаются высокие качественные показатели работы регулятора скорости. К тому же сам процесс регулирования оказывается зависящим от физических свойств топлива (рабочей жидкости). Попытки устранения этих недостатков приводят к усложнению конструкции и удорожанию топливоподающей системы.

При механической передаче импульса регулирования топливные насосы высокого давления оказываются свободными от указанных недостатков. Из тогогавоподающих систем этого класса особый интерес представляют те, в которых дозирование подачи топлива осуществляется воздействием на количество топлива, заключенного в топливопроводах высокого давления. На таком принципе регулирования можно проектировать топливный насос высокого давления, наиболее полно отвечающий требованиям эксплуатации. Следует отметить, что топливные насосы высокого давления на указанном принципе действия применительно к многоцилиндровым двигателям не исследованы.

Проведенные теоретический анализ, безмоторное и моторные исследования топливного насоса с встроенным регулятором скорости с механической передачей импульса регулирования применительно к многоцилиндровому дизельному двигателю, а также результаты эксплуатационного испытания трактора ДТ-75М с экспериментальным регулятором скорости позволили сделать следующие основные выводы и предложения:

I. Сравнительный анализ показал, что топливоподающие системы с встроенными регуляторами скорости с передачей импульса регулирования через механические элементы имеют бесспорные преимущества перед другими. В их числе наиболее перспективными являются те, у которых саморегулируемость достигается за счет изменения количества топлива, находящегося в топливопроводах высокого давления в строгой зависимости от частоты вращения вала. Основываясь на этой принципу можно создать топливные системы, которые не допускают фазового смещения при регулировании подачи топлива от изменяющейся частоты вращения вала.

2. Отклонения в допустимых пределах геометрических размеров элементов и регулировочных параметров топливоподающих систем не являются препятствием применению топливных насосов высокого давления с встроенными регуляторами с механической передачей импульса регулирования.

3. Колебательный процесс в топливопроводах за перепускным устройством, возникающий при перепуске топлива, является основной причиной нестабильности противодавления перепускаемому потоку.

4. Давление топлива после перепускного устройства оказывает существенное влияние на стабильность показателей работы встроенного регулятора скорости. Достаточная стабильность их достигается только при установившемся противодавлении к перепускаемому потоку.

5. Снижение колебания давления за перепускным устройством регулятора можно достичь конструктивными мерами: организацией перепуска топлива через автономные каналы слива, использованием эластичных полихлорвиниловых перепускных трубок, введением аккумулирующей полости на линии перепуска, подбором топливопроводов высокого и низкого давлений с возможно большей разницей в поперечных сечениях, сообщением после перепуска магистралей высокого и низкого давлений через калиброванное отверстие.

6. Благодаря отсутствию инертных элементов во встроенном регуляторе переходный процесс является апериодическим. Так, при сбросе и набросе нагрузки переход двигателя в новое равновесное положение происходит без перерегулирования, причем время переходного процесса составляет 0,8 с против 2,2 с у двигателя с центробежным регулятором скорости типа РВ.

7. Благодаря своим прега^уществам встроенные регуляторы скорости исследованного типа предпочтительно применять в двигателях тракторов сельскохозяйственного назначения, типичной для которых является неустановившаяся нагрузка. При них, например, тракторный двигатель развивает большую на 7% эффективную мощность и имеет меньший на 3,9×10″ ^ г/Дяс (14 г/кВт*ч) удельный расход топлива.

8. Недостаки топливоподающей системы с встроенным регулятором скорости заключаются в: а) резкой зависимости угла опережения впрыска от производительности системы, требующей обязательного применения автомата, корректирующего егоб) высоких требованиях к идентичности поворота кулачкового вала между началами подачи плунжера и перепуска золотникового устройства.

9. С использованием результатов исследований разработана схема топливного насоса высокого давления распределительного типа с встроенным регулятором. Новизна его штмечена Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР (авторское свидетельство № 282 816, кл. Р 02 т, 41/00).

10. Испытаниями опытного насоса на тракторе ДТ-75М (двигатель 44 13 /14) подтверждены основные результаты лабораторных моторных и безмоторных исследований и показаны, что а) при выполнении бульдозерных работ двигатель четко реагиронал на изменение внешней нагрузкиб) механизм внешнего воздействия на регуляторную характеристику, выполненный в виде дросселя потока из аккумулятора, не обеспечивает быстрое прекращение подачи топлива и, как следствие, остановку двигателянаиболее целесообразным является выключение подачи топлива в цилиндры двигателя путем полного перепуска нагнетаемого плунжером топлива в полость низкого давления.

11. При использовании топливного насоса высокого давления с встроенным регулятором скорости с механической передачей импульса регулирования произойдет снижение себестоимости тракторных работ за счет экономии нефтепродуктов и повышения производительности машинно-тракторного агрегата. В условиях колхозов и совхозов Башкирской АССР в год экономия затрат в расчете на один трактор составит 171,45 руб.

12. Предложенный тормозной стенд для имитации переменной нагрузки, основанный на использовании мультивибратора в схеме его управления и выполненный в виде двух параллельно работающих тормозных устройств, позволяет испытывать двигатель как на стационарной, так и на переменной (неустановившейся) нагрузкахпри этом относительно просто достигается изменение момента сопротивления маломощного тормоза по частоте и амплитуде колебаний, а также по продолжительности действия.

13. Продолжение работ по созданию и внедрению в производство встроенного регулятора скорости исследованного типа целесообразно вести в направлении развития распределительного насоса, совершенствуя и доводя его в ходе исследований в эксплуатационных условиях.