Улучшение топливно-экономических показателей тракторного дизеля совершенствованием конструкции топливоподающей системы на основе управления характеристиками топливоподачи

Энергетические потребности сельского хозяйства в настоящее время удовлетворяются в основном за счет установок малой мощности на базе дизельных двигателей. В связи с этим их дальнейшее совершенствование имеет большое практическое значение.

При совершенствовании дизелей неизбежно возникают вопросы дальнейшего улучшения конструкции и технического обслуживания их отдельных механизмов и систем, особенно топливной системы. Объясняется это тем, что именно показатели работы топливной системы определяют рабочий процесс двигателя и, как следствие, его мощностные и экономические показатели, надежность, удобство обслуживания, шумность работы, токсичность отработавших газов и др. Нелишне добавить, что топливная аппаратура является одним из сложнейших агрегатов дизелей. Например, топливная аппаратура 4-цилиндрового дизеля (фирмы BOSCH) имеет 577 деталей, в том числе 13 прецизионных пар с зазором порядка 2.6 мкм (для сравнения отметим, что у 8-цилиндрового карбюраторного двигателя всего 411 деталей), и на нее приходится почти 20% стоимости дизеля[11, 53].

Одним из важнейших направлений совершенствования топливопо-дающей аппаратуры тракторных дизелей является улучшение работы их регуляторов.

Высокая надежность, отработанность технологии изготовления и обслуживания традиционных центробежных регуляторов позволили им занять прочное место в тракторных дизелях. К настоящему времени широкое применение нашли отечественные конструкции регуляторов скорости типа PII (прямого действия, РН-30, РН-100, РН-400, 7РС (непрямого действия) [40]. Из зарубежных конструкций наибольшей известностью пользуются гидромеханические регуляторы американской фирмы «Woodward Governor Company «серий PG, UG, SG u PSG [85], а также регуляторы британской фирмы.

Regulateurs Europe LTD", западногерманской — «Robert Bosch GmbH» и ряда других.

В то же время с расширением сферы распространения дизелей и ростом требований к системам регулирования скорости, выявился ряд проблем, связанных с принципиальными особенностями существующих механических и гидромеханических регуляторов. Эти проблемы можно разделить на четыре группы.

Первая группа определяется принципами измерения скорости и формирования закона регулирования. Нелинейность механического измерителя (квадратичный характер зависимости центробежной силы от угловой скорости вращения грузиков) вызывают соответствующую не прямолинейность статических характеристик регулятора и нелинейность статической характеристики управления [45]. По этой причине зачастую снижается устойчивость минимального скоростного режима холостого хода [39].

Вторая группа проблем связана с механическим приводом регулятора скорости от дизеля. Такой привод, обеспечивая автономность системы регулирования по отношению к внешним источникам энергии, в то же время ограничивает свободу выбора места установки регулятора, а также снижает устойчивость работы (а в ряде случаев и ресурс регулятора) из-за дополнительных колебательных явлений.

Третья группа проблем определяется эксплуатационными свойствами используемых в регуляторах скорости в качестве смазочной и рабочей жидкостей нефтяных масел. В одних случаях (при низких температурах) пуск дизеля требует предварительного подогрева масла в регуляторе, в других случаях (при высоких температурах) недопустимо падает фактическая работоспособность регулятора.

Последняя группа проблем появилась в процессе усложнения традиционных типов регуляторов при введении в них дополнительных функций автоматизации. Такие функции в регуляторах реализуются за счет соответствующих дополнительных устройств, большей частью с отдельным питанием (гидравлическим, пневматическим и др.). В результате исходная автономность питания регулятора скорости утрачивается, возрастают габариты и вес, снижается надежность, повышается стоимость, усложняется настройка.

Отмеченные недостатки регуляторов скорости традиционных типов отрицательно сказываются на ряде качественных параметров дизельных двигателей в целом.

Потенциальные возможности снятия указанных проблем привлекают в последние годы всё большее внимание изготовителей и потребителей дизельной продукции к новым типам регулирующих устройств, основывающихся на применении электронных управляющих блоков. Особенно ярко проявляются преимущества таких систем регулирования с так называемыми «чисто электрическими», в частности — исполнительными электромагнитными устройствами. Объясняется это тем, что при таком управлении промежуточным элементом системы регулирования становится электрический ток, создающий реальные предпосылки для гибкого управления процессом топ-ливоподачи в широких пределах.

Создание электронных систем управления впрыском топлива открывает практически безграничные возможности оптимизации рабочего процесса дизеля не только по расходу топлива, но и по токсичности отработавших газов, шумности, долговечности и другим показателям качества работы дизеля [1, 26, 42].

Немаловажно и то, что при таких системах появляется реальная возможность регулирования жесткости рабочего процесса двигателя, осуществляя, например, ступенчатую подачу топлива без дополнительных изменений конструкции топливоподающей системы и переналадки электронного блока управления [18, 46, 47].

При использовании электронно-управляемых систем топливоподачи найдут отражение и расширенные возможности регулирования транспортных силовых установок [59], а также повышение производительности транспортных средств за счет рационального управления их силой тяги и скорости движения [8, 83]. Повышение чувствительности и точности в их управлении благоприятно отразятся на улучшении эксплуатации дизелей на транспортных режимах за счет уменьшения времени переходных процессов.

В целом следует отметить, что применение электроники в системе автоматического регулирования топливоподающих систем может обеспечить следующие преимущества (в сравнении с традиционно используемыми в настоящее время в топливоподающих системах регуляторами):

1) точное дозирование предельной подачи топлива при изменении частоты вращения и давления наддува;

2) возможность управления фазами топливоподачи;

3) гибкое регулирование угла опережения впрыска топлива в соответствии с режимом работы двигателя;

4) автоматическое регулирование топливоподачи в зависимости от изменения условий окружающей среды (температуры, давления и влажности воздуха);

5) изменение топливоподачи в зависимости от температурного режима двигателя;

6) облегчение диагностики топливной аппаратуры;

7) сохранение оптимальных регулировок в течение всего периода эксплуатации дизеля.

Реализация всех этих качеств позволит существенно повысить экономичность дизельного двигателя.

Есть данные [47], согласно которым применение электронно-управляемых топливоподающих систем позволяет снизить расход топлива на частичных нагрузках и повысить мощность существующих двигателей примерно на 10%. Использование такой системы на двигателях «Associated Eugineering Rover» 2000 ТС повысило экономичность автомобиля на 20% [96].

Широкое внедрение электронно-управляемых топливоподающих систем в отечественную практику дизелестроения сдерживается недостаточным объемом как теоретических, так и практических разработок в этом направлении.

В современных условиях особый практический интерес представляет разработка электронного управления процессом топливоподачи оправдавших в течении многолетней эксплуатации широко применяемых систем непосредственного действия.

В настоящей работе была поставлена задача — разработать электронно-управляемую топливоподающую систему на базе насоса непосредственного действия, исследовать ее рабочий процесс и наметить возможные направления разработки и создания электронно-управляемых топливоподающих систем.

На основе анализа литературных данных была принята топливоподаю-щая система, в которой электромагнитный регулирующий клапан, расположенный в головке топливного насоса высокого давления, обеспечивает раздельное регулирование, как величины подаваемого топлива, так и угла опережения впрыска топлива. В качестве электромагнитно управляемого клапана использован кольцевой клапан конструкции Башкирского ГАУ. При этом конструкция топливного насоса высокого давления за счет использования гладкого плунжера (без канавок и каналов), отсутствия прецизионного нагнетательного клапана, механического регулятора и центробежной муфты угла опережения впрыска топлива значительно упрощается и снижается ее металлоемкость.

В объеме настоящей работы теоретически и экспериментально исследован рабочий процесс системы с таким клапаном. Результаты исследований позволили разработать принципиально новый топливный насос с электромагнитно управляемым дозирующим элементом [67].

Научная новизна диссертационной работы:

— топливоподающая система непосредственного действия с электромагнитно управляемым дозирующим устройством (А.с № 1 622 605 А1 Б02М 59/36) улучшающая топливную экономичность тракторного дизеля на 1.5%;

— математическая модель процесса топливоподачи топливоподающей системой непосредственного действия с электромагнитно управляемым дозирующим устройством, позволяющая установить взаимосвязь между параметрами топливоподачи и конструктивными параметрами системы;

— конструкция топливного насоса высокого давления обеспечивающая управление цикловой подачей и углом опережения впрыскивания топлива в широком диапазоне скоростных режимов работы дизеля.

Практическая значимость. Разработанная конструкция топливного насоса высокого давления за счет использования гладкого плунжера, отсутствия прецизионного нагнетательного клапана, механического регулятора и центробежной муфты угла опережения впрыска топлива значительно упрощается при снижении ее металлоемкости. При этом топливный насос позвоо ляет управлять цикловой подачей в пределах до 200 мм /цикл и углом опережения впрыскивания до 30 град.п.к.в. во всем диапазоне скоростных режимов работы дизеля.

Результаты численных и экспериментальных исследований могут применяться при конструировании и проектировании перспективных топливных систем с целью улучшения топливно-экономических показателей тракторных дизелей на основе управления цикловой подачей и углом опережения впры.

11 скивания топлива.

Основные положения диссертационной работы докладывались на научно — производственной конференции «Повышение эффективности сельскохозяйственной техники» при Башкирском СХИ- 98 и 99 научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Башкирского СХИXXXIII научной конференции, посвященной 50-летию Свердловского СХИвсесоюзном научно-техническом семинаре «Разработка и оптимизация динамических характеристик двигателей мобильных сельскохозяйственных комплексов» при Казанском СХИмежвузовской научно-технической конференции «Совершенствование конструкции, методов эксплуатации и ремонта сельскохозяйственной техники» при Башкирском СХИрегиональных конференциях «Ресурсои энергосбережение в республике Башкортостан» в Башкирском ГУ (1997), научно-техническом семинаре стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» в Санкт-Петербургском ГАУ (1993, 2000, 2001 г. г), ОГК Ногинского завода ТА (1992, 2001гг.).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Улучшение топливно-экономических показателей тракторного дизеля обеспечивается совершенствованием конструкции топливоподающей системы на основе управления цикловой подачей и углом опережения впрыскивания путем разработки и применения топливоподающей системы непосредственного действия с электромагнитно управляемым дозирующим устройством. При этом обоснованы реальные перспективы для оптимального выбора характеристик топливоподачи в соответствии с эксплуатационными условиями и режимом работы дизеля.

2. Разработана конструкция топливоподающей системы непосредственного действия с электромагнитно управляемым дозирующим устройством (А.с № 1 622 605 А1 Б02М 59/36) обеспечивающая необходимое управление цикловой подачей (в пределах от 0 до 200 мм3/цикл) и углом опережения впрыскивания (в пределах от 0 до 30 град, поворота кулачкового вала) в широком диапазоне скоростных (0. .2200 мин" 1) режимов работы дизеля.

Стабильность характеристик при отсутствующих отказах в работе в течение 510ч моторных и безмоторных испытаний показали удовлетворительную надежность предложенной топливоподающей системы.

3. Разработанная математическая модель процесса топливоподачи реализованной топливоподающей системы непосредственного действия с электромагнитно управляемым дозирующим устройством раскрывает взаимосвязь ее конструктивных параметров с характеристиками топливоподачи.

4. С помощью математической модели спрогнозированы основные параметры конструкции топливоподающей системы непосредственного действия с электромагнитно управляемым дозирующим элементом, сконструированы ее элементы, эффективность использования которых подтверждены моторными испытаниями. Так, применительно к дизелю 1412,5×14 параметры топливоподающей системы составили: объем клапанного узла Зсм — диаметр кольцевого клапана 30 мм, ширина 10 ммдлина топливопровода высокого давления 700 ммостаточное давление в полости клапанного узла 1,0 МПа. При этом конструкция топливного насоса высокого давления за счет использования гладкого плунжера (без канавок и каналов), отсутствия нагнетательного клапана, механического регулятора и центробежной муфты угла опережения впрыска топлива значительно упрощается при снижении ее металлоемкости.

5. Сравнительными моторными испытаниями на дизеле 1412,5×14 установлено, что применение предложенной топливоподающей системы при часовом расходе топлива 2 кг/ч обеспечивает повышение эффективной мощности на 0,67кВт (12%) и снижение удельного эффективного расхода топлива на 11г/кВт-ч (3%). На номинальной частоте вращения коленчатого вала дизеля разница в значениях эффективной мощности и удельного расхода топлива составила, соответственно на 2.5% и 1.6%.

6. В результате применения разработанной топливоподающей системы минимально-устойчивая частота вращения холостого хода тракторного дизеля снизилась до 910 мин" 1, а соответствующая ей минимальная средняя о цикловая подача — до 35 мм /цикл (при штатной топливной системе эти параметры составляли соответственно 960 мин" 1 и 42 мм3/цикл).

7. Обоснованная и разработанная система топливоподачи обеспечивает межцикловую неравномерность на номинальном режиме не более 10%, на режиме холостого хода не более 40%, что меньше соответственно на 6% и на 10% по сравнению с топливоподающей системой с механическим регулятором.