Разработка устройства противодавления впрыску для регулировочных стендов топливной аппаратуры дизелей

Разработка устройства противодавления впрыску для регулировочных стендов топливной аппаратуры дизелей

Р.М. Баширов, д.т.н., профессор, Ф.Р. Сафин, преподаватель, С.З. Инсафуддинов, к.т.н., Башкирский ГАУ; А.А. Сорокин, к.т.н., Оренбургский ГАУ

Основные технико-экономические показатели работы автотракторных дизелей во многом определяются качеством работы их топливной аппаратуры (ТА) [1]. Поэтому в процессе эксплуатации тракторов и автомобилей особое внимание уделяется диагностированию и регулировке ТА.

Качество регулировки ТА определяется используемыми при этом регулировочными стендами. Основной недостаток ныне применяемых регулировочных стендов — впрыск производится в среду с атмосферным давлением, тогда как на двигателе — в цилиндр с высоким, причём возрастающим по мере впрыска, давлением газов. Из-за этого несоответствия при установке ТА на двигатель цикловая подача топлива уменьшается. С учётом этого на стенде ТА регулируют на подачу, увеличенную на 10—25%. Однако это в полной мере проблему всё же не решает. Возникшая ситуация объясняется тем, что из-за гидравлической неидентичности секций ТА рассматриваемое снижение цикловой подачи оказывается неодинаковым по цилиндрам двигателя и обусловливает существенное возрастание неравномерности топливоподачи, и, как следствие, затрудняет достижение должных технико-экономических показателей работы двигателя.

Цель исследования — приближение условий работы ТА на стенде к таковым на двигателе.

Материалы и методы исследования. Для создания при регулировке ТА таких же условий работы, что и при работе её в дизелях стали разрабатывать специальные устройства.

Наиболее простыми по конструкции оказались те, в которых противодавление впрыску создаётся самим впрыскиваемым топливом.

Камера впрыска таких устройств выполняется в виде заполненного топливом замкнутого объёма (аккумулятора), спроектированного в оптимальном случае так, чтобы давление в нём в процессе впрыска менялось так же, как и в цилиндре двигателя.

Результаты исследований. В общем случае аккумулятор выполняется в виде поршенькового пружинного. Схема его работы показана на рисунке 1.

У такого аккумулятора в камере впрыска всегда будет какой-то объём топлива, причём возрастающий по мере впрыска (поступления в неё) топлива. В этой связи поршеньковый аккумулятор может считаться комбинированным гидромеханическим. Закономерность изменения давления в нём определяется жёсткостью механической пружины и

объёмом находящегося в нём топлива (жёсткостью гидравлической пружины).

Качество работы рассматриваемого аккумулятора может оцениваться, как и всех других аккумуляторов, его жёсткостью:

Сак =

Ар

ÄV5

где АУ — количество поступившего топлива; Ар — нарастание давления в аккумуляторе.

Рис. 1 - Схема комбинированного гидромеханического аккумулятора:

1 - камера впрыска; 2 - поршенёк противодавления; 3 - механическая пружина; 4 - регулировочный винт предварительного затяга пружины; йп - диаметр поршенька противодавления; Уак - начальный объём камеры впрыска (гидравлического аккумулятора); gцi - текущее значение объёма топлива, поступающего в камеру впрыска

Текущую жёсткость аккумулятора можно определять по предлагаемому выражению, учитывающему возрастание объёма топлива в нём:

1

С =

аа

п2  dj

16  c м

+ß

V +

ак 1

п2 •рРi 16  c м

где р — коэффициент сжимаемости топлива; см — жёсткость механической пружины; Ар; — текущее значение повышения давления топлива.

В этом выражении второй член суммы внутри скобки представляет величину увеличения объёма гидравлического аккумулятора за счёт перемещения поршенька противодавления (топливом, поступающим в камеру впрыска).

На основе этого выражения можно найти жёсткости простейших аккумуляторов:

- чисто гидравлического (при См = го):

Сак = в¥~'

F ак

- чисто механического (при Уак =0 и пренебрежении объёмом топлива, поступающего в аккумулятор):

С =

^ /IV

16 • С м

п2 •

Р = (90 - 0,5 • рг) 10"

При механическом аккумуляторе выполнить камеру впрыска с изначально пренебрежимо малым объёмом практически невозможно. К тому же в процессе впрыска объём топлива в нём возрастает за счёт впрыснутого топлива. В этой связи аккумулятор не может быть чисто механическим.

Из выражения (2) следует, что с увеличением объёма камеры впрыска Уак жёсткость аккумулятора снижается. Увеличить её можно повышением жёсткости механической пружины. Однако при чрезмерном увеличении жёсткости пружины механический аккумулятор вообще работать не будет.

В этой связи интерес представляет определение минимально и максимально возможных объёмов гидравлического аккумулятора.

Б.Н. Файнлейб считает, что при использовании камеры впрыска с достаточно малым объёмом в случае, если давление не превышает 6 МПа, можно сжимаемостью топлива пренебречь [2]. Однако понятие «достаточно малый объём», на наш взгляд, нуждается в уточнении.

Минимально возможный объём гидравлического аккумулятора определяется конструктивными особенностями — количеством устанавливаемых форсунок, их расположением и габаритными размерами носка распылителя и др.

Форсунки могут устанавливаться как крестообразно (звездообразно), так и рядно. При крестообразной установке одна камера впрыска обслуживает все форсунки и исключаются каналы, соединяющие камеры впрыска отдельных форсунок. Благодаря этому достигается минимальный объём камеры впрыска.

Внутренний объём аккумулятора (топлива, помещающегося в нём) при, например, четырёх форсунках составил Уактп = 1536 мм3. При шести форсунках этот объём возрастает до УактЛ = 2254 мм3.

При конструировании устройства выявились и неучтённые выше дополнительные объёмы — канала, связывающего линию слива с камерой впрыска (164 мм3), между торцами дополнительно установленных узлов (механического аккумулятора, перепускного клапана и датчика давления) и камеры впрыска (1005 мм3).

При учёте этих дополнительных объёмов суммарный начальный объём топлива гидравлического аккумулятора будет 2705 мм3. Это и является минимально возможным объёмом аккумулятора.

В этом объёме может аккумулироваться (за счёт сжимаемости) топливо объёмом

ДГ =В-V • р

г К ак шт гг?

где р — коэффициент сжимаемости топлива; р{ - текущая величина давления.

Как известно, коэффициент сжимаемости топлива зависит от давления [1]

В выполненных двигателях, в частности в дизеле Д-144, давление в цилиндре р1 в конце впрыска приблизительно равно р1 =7 МПа [3].

При таком давлении коэффициент сжимаемости топлива составит р = 86,5 • 10-5 МПа-1, а объём аккумулированного топлива будет А¥г =16,4 мм3.

В тракторных дизелях цикловые подачи находятся в пределах 50-170 мм3. У рассматриваемого двигателя, например, она равна (впрыскивается в цилиндр двигателя) 51 мм3. Получается, что вычисленный объём аккумулированного топлива составляет 32% от цикловой подачи.

Отсюда следует, что гидравлический аккумулятор (камера впрыска) даже при минимальном объёме за счёт аккумулирования цикловой подачи будет существенно влиять на характер нарастания давления и должен учитываться при анализе его работы и расчётах.

Объём аккумулятора будет максимальным в случае применения чисто гидравлического аккумулятора. Его можно определить по величине нарастания давления газов в процессе впрыска топлива. У дизеля Д-144 она равна 5 МПа. В соответствии с этим, если учесть, что вся цикловая подача будет аккумулироваться топливом аккумулятора, максимальный его объём по выражению (5) должен составить ¥акжах = 11792 мм3.

Таким образом, у устройства противодавления впрыску в случае ТА дизеля Д-144 объём гидравлического аккумулятора будет находиться внутри пределов 2,71-11,79 см3.

Конкретные значения объёма гидравлического аккумулятора и жёсткости пружины механического аккумулятора могут определяться с учётом объёма цикловой подачи топлива по приведённому выражению (2). За исходные данные при этом следует принимать индикаторную диаграмму двигателя (рис. 2) и закон топливоподачи.

Для упрощения расчётов индикаторную диаграмму можно представить в виде линеаризированных участков 0-1 и 1-2, а закон топливоподачи считать линейным (т.е. предполагать, что топливо впрыскивается с постоянной скоростью).

Необходимое давление в камере впрыска к моменту начала впрыска р0 можно создать за счёт устройства остаточного давления.

В реальных условиях работы двигателя первая порция топлива поступает в период задержки самовоспламенения (до точки 1), а вторая - в период интенсивного горения топлива (после точки 1).

Для приближения условий впрыска топлива в регулировочном стенде ТА и в двигателе можно применить схему работы аккумулятора, при котором в первом периоде (в зоне 0-1) будет работать чисто гидравлический аккумулятор, а во втором (в зоне 1-2) в работу включится пружинный аккумулятор. Однако это усложнит конструкцию устройства, в

Расчётные данные по пружине механического аккумулятора

Параметр Значение

Материал Б-2-1,5

Наружный диаметр, мм 14,0

Диаметр проволоки, мм 1,5

Число рабочих витков 2,0

Полное число витков 3,5

Рабочий ход, мм 3,45

Длина пружины в свободном 10,54

состоянии, мм

Длина пружины при предварительной 8,56

деформации, мм

Длина пружины при рабочей 5,11

деформации, мм

Масса пружины, кг 0,002

Жёсткость пружины, Н/мм 12,72

Рис. 2 - Индикаторная диаграмма двигателя (штриховые линии) и её линеаризированные участки (сплошные):

Рс и Рг - давление газов в цилиндре в конце их сжатия и максимальное; р0 и р2 - давление в камере впрыска в моменты начала и конца впрыска топлива; р1 - давление начала ощутимого возрастания давления в цилиндре после самовоспламенения топлива; Ар1 и Др2 - нарастания давления газов, соответствующие первому и второму периодам процесса сгорания; ф и х и у - опережение и продолжительность впрыска и период задержки самовоспламенения топлива; ВМТ - верхняя мёртвая точка поршня двигателя; 4 и 5 - рабочие характеристики (по давлению) гидравлической и механической пружин; 0-3 - упрощённая усреднённая рабочая характеристика (по давлению); Р1 и Р2 - условные площади

связи с тем, что для каждого двигателя придется подбирать объем гидравлического аккумулятора и жесткость пружины механического.

Более простая конструкция устройства получится в случае параллельной работы гидравлического и механического аккумуляторов. Такой аккумулятор можно рассчитывать, ориентируясь на упрощенную усредненную линию 0—3 индикаторной диаграммы, проведенную так, чтобы обеспечивалось равенство площадей Е1 = В2.

При этом гидравлический аккумулятор должен иметь минимально возможный объем, а механический — для каждого двигателя свои сменные пружины.

Подбор жесткости пружины механического аккумулятора был произведен на примере того же двигателя Д-144 (табл.). Давление в точках 0 и 3 (рис. 2) у этого двигателя равно 2,0 МПа и

5,5 МПа. При использовании выражений (1) и (2) жёсткость пружины составит см = 12,96 Н/мм. С помощью программы «Kompas-Spring» акционерного предприятия АСКОН по этой жёсткости была подобрана пружина сжатия.

Эксперименты показали, что при устройстве противодавления впрыску с комбинированным гидравлическим (объёмом 2,71 мм3) и механическим (с жёсткостью пружины 12,72 Н/мм) аккумуляторами в камере впрыска действительно обеспечивается упрощённый усреднённый линеаризированный участок индикаторной диаграммы.

При регулировках величина цикловой подачи контролировалась по давлению в камере впрыска аккумулятора, используя ЭВМ и электронный блок, работающий по предложенной нами программе [4].

Выводы. Основной недостаток ныне применяемых регулировочных стендов топливной аппаратуры дизелей, заключающийся в том, что условия регулировки не соответствуют таковым при работе на двигателе, может быть устранён введением противодавления впрыску топлива.

Предложено простейшее устройство противодавления впрыску с комбинированным гидромеханическим аккумулятором. Использование предложенного устройства поможет модернизировать все ныне применяемые регулировочные стенды топливной аппаратуры дизелей.

Литература

1. Баширов Р.М. Топливные системы автотракторных и комбайновых дизелей, конструктивные особенности и показатели работы. Уфа: Издательство БГАУ, 2004. 232 с.

2. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Л.: Машиностроение, 1990. 352 с.

3. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчёт автотракторных двигателей. М.: Колос, 1992. 414 с.

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