Разработка технологического процесса контрольно-регулировочных испытаний топливной аппаратуры дизельных двигателей после ее сборки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Герасин, Александр Николаевич

• Герасин, Александр Николаевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Герасин, Александр Николаевич

Основные условные обозначения.

Индексы.

Сокращения

Введение.

Глава 1. Анализ состояния исследуемого вопроса.

1.1. Технологические испытания топливной аппаратуры автотракторных дизелей.

1.2. Теоретические методы исследования процессов топливоподачи дизельной топливной аппаратуры.

Глава 2. Математическая модель процесса топливоподачи дизельных двигателей.

2.1. Гидродинамические основы математической модели топливоподачи в дизелях.

2.2. Уравнения движения топлива в трубопроводах системы питания дизеля

2.3. Граничные условия, характеризующие процесс впрыска в дизелях.

2.3.1. Постановка граничных условий

2.3.2. Учет растворенной и нерастворенной газовоздушной составляющей

2.3.3. Определение зависимости плотности, вязкости и сжимаемости контрольного топлива от давления и температуры.

2.3.4. Расчет утечек контрольного топлива через зазоры топливной аппаратуры дизельных двигателей

2.3.4.1. Ламинарное течение контрольного топлива в зазорах

2.3.4.2. Влияние шероховатости уплотняемых поверхностей на течение контрольного топлива в зазорах.

2.3.5. Граничные условия, входящие в модель гидродинамического расчета процесса впрыска

2.3.6. Определение перемещения и скорости движения плунжера

2.3.7. Определение площадей проходных сечений окон топливной аппаратуры

2.4 Особенности алгоритма расчета.

Глава 3. Анализ сходимости параметров дизельной топливной аппаратуры по результатам технологических испытаний

3.1. Анализ нестабильности работы ТНВД автотракторных дизелей.

3.2. Описание экспериментальной установки.

3.3. Статистическая оценка параметров распределительного ТНВД марки НД21/4 по результатам экспериментальных испытаний

3.4. Анализ сходимости результатов испытаний ТНВД на различных стендах.

3.5. Статистический анализ результатов испытаний топливных насосов на ХЗТД и ЧЗТА

3.6. Определение закона распределения характеристик ТНВД

3.7. Определение величины допуска на регулировку ТНВД

Глава 4. Результаты расчетно-экспериментального исследования процесса топливоподачи дизелей при проведении технологических испытаний ТНВД.

4.1 Анализ влияния определенных факторов на сходимость параметров топливоподачи при испытаниях ТНВД на различных стендах

4.1.1. Влияние частоты вращения кулачкового вала насоса на величину цикловой подачи топлива

4.1.2. Зависимость величины цикловой подачи топлива от давления начала впрыска форсунки

4.1.3. Влияние температуры контрольного топлива на величину цикловой подачи насоса

4.2. Влияние утечек контрольного топлива на параметры впрыска при проведении технологических испытаний ТНВД.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологического процесса контрольно-регулировочных испытаний топливной аппаратуры дизельных двигателей после ее сборки»

Актуальность исследования. Ориентация развития современного экономического потенциала России на основе высокопроизводительного и эффективного труда, взаимной экономической заинтересованности производителей и потребителей в создании и выпуске высококачественной и конкурентоспособной продукции, изменения структуры производства и повышения его эффективности возможна лишь в результате замены затратного, инфляционного хозяйствования противозатратной системой хозяйствования, основанной на по-требительно-стоимостных принципах.

Эффективность такой системы хозяйствования предполагает резкое и существенное возвышение вопроса о повышение качества выпускаемой продукции. Без качества нет рынка, не только внешнего, но и внутреннего.

Не подкрепленные серьезными мерами по обеспечению качества продук

I » II ЧУ ции попытки ряда предприятии прорваться на внешнии рынок не только тщетны, но и дискредитируют престиж отечественных товаров.

Различия в подходах (как в самой России, так и межгосударственных) к вопросам обеспечения качества становятся своего рода новым техническим барьером в сотрудничестве. Выход здесь один - в унификации требований к выпускаемой и эксплуатируемой продукции, и в первую очередь на международном уровне, т.е. переход на стандарты ИСО серии 9000, которые устанавливают единый в мире подход к договорным условиям по оценке систем качества.

Стандарты ИСО - это жесткая ориентация на потребителя.

Одной из важнейших задач экономического развития России на ближайшие годы является резкое расширение автомобильного парка страны. И здесь так же, как и для любой другой продукции, со стороны потребителя к автомобилям предъявляются требования по качеству, и в первую очередь - это увеличение их ресурса, повышение экономичности их двигателей и улучшение их экологической чистоты. В связи с этим на ближайшее будущее берется курс на широкое внедрение, как на грузовых, так и на легковых автомобилях, дизельных двигателей с большим сроком работы.

Целесообразность широкого применения дизелей обоснована не только меньшим расходом топлива и высоким моторесурсом, но и меньшими затратами на производство прямогонного дизельного топлива по сравнению с высокооктановым бензином и меньшими потерями при хранении дизельного топлива.

Особенностью дизеля является зависимость его технико-экономических показателей от качества работы и параметров топливной системы. Качество рабочего процесса дизельного двигателя зависит от того, как и когда подается топливо, как оно распылено и распределено по объему камеры сгорания.

Топливная система относится к числу важнейших агрегатов дизеля.

Учитывая, что она играет важную роль в процессе смесеобразования, к ней предъявляются жесткие требования. Она должна:

1) обеспечивать периодический впрыск топлива в камеру сгорания, в строго дозированном количестве, соответствующем нагрузке дизеля;

2) подавать топливо в заданный период и по определенному закону, обеспечивая необходимое начало и продолжительность впрыска, определяющие наилучшие эксплуатационные показатели двигателя;

3) распылять топливо на капли, размер которых позволял бы так распределять их по объему камеры сгорания, чтобы наиболее рационально использовался рабочий воздух, а также обеспечивать строгую направленность топливных факелов;

4) обеспечивать идентичную работу всех секций ТНВД.

Однако можно отметить ряд случаев, когда ТА автотракторных дизелей не обеспечивает требуемую надежность в условиях эксплуатации. Отклонение величин цикловой подачи и давления начала впрыскивания от нормальных значений, повышение неравномерности цикловой подачи ТНВД вызывают дополнительные тепловые и динамические нагрузки, резкие перепады температуры в перемычках головок двигателей, потерю подвижности поршневых колец, форсированное изнашивание деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма, пригорания клапанов. Нарушение регулировок ТА приводит к недоиспользованию мощностей дизелей.

Таким образом, повышение надежности и качества работы ТА дизелей имеет важное хозяйственное значение.

Качество работы ТНВД во многом определяется цикловой подачей секции насоса. В связи с этим цикловая подача является одним из критериев при оценке надежности топливного насоса и форсунок.

Нестабильность параметров ТНВД определяется в основном метрологическими характеристиками стендов завода-изготовителя и завода-заказчика.

Под нестабильностью подразумевается различие в показателях работы насоса на различных стендах.

Основная погрешность измерения на всех стендах лимитируется точностью определения объема в мерных емкостях (по стандарту не более 1%). Дополнительная погрешность связана с непостоянством частоты вращения, погрешностью тахометра, погрешностью определения числа циклов, нестабильностью характеристик топлива. При проведении сравнительных испытаний на различных стендах появляется еще ряд источников погрешностей: различие гидравлических характеристик контрольных форсунок и подсоединительных трубопроводов, погрешность установки ТНВД на разных стендах, разный уровень квалификации испытателей.

Так как погрешность измерения средней цикловой подачи имеет такой же порядок величины, как и допуск на настройку, выполнение требований государственных стандартов на существующих стендах для контроля и регулировки ТНВД затруднительно.

В настоящее время изготовитель и заказчик используют одни и те же допуски при настройке насосов и их приемке. Но так как одной из основных причин расхождения значений параметров ТНВД на стендах заказчика от значений, полученных ранее при их регулировке на стендах изготовителя, являются значительные случайные погрешности, как стендов завода-изготовителя, так и стендов заказчика, то, в этой связи, резко возрастает риск изготовителя, т.е. фактически годные насосы будут забракованы при приемке заказчиком.

Таким образом, вопросы, связанные с унификацией требований, предъявляемых к ТА дизелей, соответствие ее основных рабочих и контрольных параметров международным стандартам выдвигаются во главу угла развития данной области. Решение этих вопросов в настоящее время в мире ведется в следующих направлениях: во-первых, разрабатываются и создаются новые семейства испытательных стендов, во-вторых, это - уточнение установленных, существующими техническими стандартами, контрольных параметров, характеризующих процесс топливоподачи, с целью достижения лучшей сходимости результатов при испытаниях ТНВД, и, в-третьих, наряду с экспериментальными исследованиями широкое распространение получают гидродинамические методы расчета процессов впрыска топлива (математическое моделирование системы топливоподачи).

Основными тенденциями при современной разработке стендов являются: повышение точности измерения расхода и момента начала подачи топлива, а также сокращение времени диагностирования. Однако, эти стенды очень дорогие, и в условиях кризиса, охватившего нашу страну, позволить приобрести себе даже единичный экземпляр может далеко не каждое предприятие, изготавливающее ТА или дизельные двигатели, не говоря уже о научно-исследовательских институтах. В связи с этим, предприятия вынуждены приобретать отечественные стенды, точность настройки на которых значительно хуже.

Натурные и модельные испытания, доводка элементов, оказывающих влияние на параметры ТНВД, связаны с необходимостью изготовления и экспериментальной проверки многих вариантов, в связи с чем являются также дорогостоящими и требуют к тому же больших затрат времени. Очевидно, что в условиях кризиса ограниченные средства делают проведение таких испытаний маловероятным.

В этой связи, для оценки сходимости контрольных параметров ТНВД наибольшую актуальность и привлекательность приобретают методы математической статистики, и, в первую очередь, метод корреляционно-регрессионного анализа. А такие статистические параметры, как выборочное среднее, дисперсия, среднеквадратичное отклонение и вариация становятся наиболее эффективными оценками неравномерности топливоподачи.

В свою очередь, использование математического моделирования процессов впрыска значительно расширяет возможности исследователей и конструкторов при создании и доводке ТА. В то время, когда даже многочисленные экспериментальные исследования не позволяют получить достаточно полную картину влияния взаимосвязанных факторов на эффективность процесса, то использование математического моделирования процессов впрыска позволяет существенно сократить время разработки и доводки системы питания, значительно увеличить число рассматриваемых вариантов и тем самым найти ее оптимальные параметры. Кроме того, математическое моделирование становится практически единственным средством исследования и оптимизации ТА при создании новых двигателей.

Целью диссертации является разработка технологического процесса контрольно-регулировочных испытаний ТА дизельных двигателей после ее сборки.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать математическую модель процесса топливоподачи с учетом влияния физических параметров контрольного топлива и геометрических характеристик поверхностного слоя исполнительных элементов ТА, позволяющую моделировать реальные условия контрольно-регулировочных испытаний и эксплуатации при разработке ТА;

2) определить возможности повышения эффективности технологического процесса контрольно-регулировочных испытаний ТА дизельных двигателей в зависимости от влияния различных технологических факторов;

3) проверить степень соответствия результатов теоретических расчетов с экспериментальными исследованиями.

Методы исследования. Результаты работы получены на основе экспериментальных и теоретических исследований и расчетов на ПЭВМ. Теоретические исследования проводились с использованием классических методов гидрогазодинамики, теории впрыска, функционального анализа, математической статистики. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и промышленных условиях с использованием методов планирования эксперимента, моделирования и механических испытаний.

Достоверность разработанной модели установлена в ходе сравнения расчетных и экспериментальных данных, полученных как автором, так и другими исследователями.

Объектом исследования явились ТНВД - распределительные, марки НД21/4, изготавливаемые ВЗТА, и рядные, марки ЯЗТА-236, контрольно-регулировочные стенды для испытания ТНВД серий КИ, "Motorpal", "Bosch", банки данных по результатам испытаний ТНВД на различных стендах.

Научная новизна сводится к следующему:

- разработана математическая модель гидродинамического расчета процесса топливоподачи ТА дизельных двигателей с учетом влияния утечек контрольного топлива на величину рабочих параметров аппаратуры, отличающаяся от ранее существующих тем, что в ней впервые учтено:

1) совместное влияние температуры и давления на плотность, вязкость, сжимаемость, растворимость газов контрольного топлива, рассматриваемого как смесь «топливо-газ»;

2) влияние линейных размеров трубопроводов, их материала и возможной сплюснутости на скорость распространения волн давления контрольного топлива в трубопроводе;

3) влияние нестационарности движения, обусловленной частотой колебания топлива в трубопроводе, на гидравлические потери;

4) влияние шероховатости контактирующих поверхностей как подвижных, так и неподвижных уплотнений агрегатов ТА дизелей на утечки топлива.

- исследовано влияние технологических факторов проведения контрольно-регулировочных испытаний на параметры топливоподачи.

Практическая ценность работы;

- предложенное программное обеспечение позволяет проектировать конструкции ТА дизельных двигателей с учетом реальных условий испытаний и эксплуатации;

- на основе проведенных испытаний ТНВД и математико-статистического анализа банка экспериментальных данных показана экономическая целесообразность устанавливать допуск на приемку ТНВД, в зависимости от допуска на регулировку и погрешности стенда;

- показано, что при анализе сходимости параметров топливоподачи при проведении технологических испытаний ТНВД наиболее эффективными оценками являются критерии математико-статистического анализа;

- предложены рекомендации по оптимизации технологического процесса сравнительных испытаний ТНВД дизелей на различных стендах, установлены оптимальные диапазоны колебания частоты вращения кулачкового вала насоса, давления впрыска форсунки и температуры топлива в баке.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных исследований были внедрены в производство, совместно с ВНИИНМашем, на ВЗТА, а также используются в учебном процессе и научной работе на кафедре «Энергомашиностроение» МГИУ.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса топливоподачи с учетом влияния физических параметров контрольного топлива и геометрических характеристик поверхностного слоя исполнительных элементов ТА, позволяющая моделировать реальные условия контрольно-регулировочных испытаний и эксплуатации при разработке ТА.

2. Зависимости, устанавливающие влияние давления и температуры на физические свойства контрольного топлива, рассматриваемого как смесь "топливо-газ".

3. Методика оценки влияния шероховатости контактирующих поверхностей на выходные параметры топливной аппаратуры.

4. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния технологических факторов на параметры контрольно-регулировочных испытаний ТА.

Апробация полученных результатов исследования. Результаты исследования, изложенные в диссертации, докладывались на: НТК молодых специалистов ЗИЛ (Москва, 1981г.); НТК Завода втуза при ЗИЛе (Москва, 1981г., 1983г.); НТС «Повышение качества герметизирующих соединений» (Пенза, 1987г.); шестом всесоюзном симпозиуме по пневматическим (газовым) приводам и системам управления (с международным участием) (Тула, 1991г.); НТК «Управление качеством уплотнений и метрологическое обеспечение процессов механообработки» (Пенза, 1991г.); международной НТК МЭИ «Гидромеханика, гидромашины, гидропривод и гидропневмоавтоматика» (Москва, 1996 г.).

Публикация результатов исследования. Основные положения диссертации отражены в 9 опубликованных работах общим объемом 2,8 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 135 наименований и, 6 приложений.