Система топливоподачи дизеля с разделенными процессами нагнетания и дозирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Белозубов, Юрий Владимирович

• Белозубов, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белозубов, Юрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

Основные условные обозначения

1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА

ПОДАЧИ ТОПЛИВА В ТРАНСПОРТНОМ ДИЗЕЛЕ

1.1. Назначение, особенности работы и современное состояние систем топливоподачи дизелей

1.2. Интенсификация процесса подачи топлива

1.3. Формирование волн давления в нагнетательной магистрали

1.4. Предлагаемый метод подачи топлива с разделенными процессами нагнетания и дозирования. 20 Цель и задачи исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система топливоподачи дизеля с разделенными процессами нагнетания и дозирования»

Создание быстроходных и экономичных транспортных дизелей сдерживается отсутствием систем топливоподачи, обеспечивающих интенсивное впрыскивание топлива.

Зарубежный опыт показывает, что традиционные системы, в том числе и с насосом распределительного типа, позволяют достичь быстроходности дизеля 4000-4800 мин"1, но с разделенной камерой сгорания. Такой способ смесеобразования вынуждает значительно увеличивать степень сжатия, но не обеспечивает высокой экономичности дизеля.

Аккумуляторные системы типа «Common Rail», развивающие давление впрыскивания свыше 150 МПа, обеспечивают номинальный скоростной режим дизеля 4500-5000 мин"1 при неразделенной камере сгорания. Такие зарубежные двигатели отличает высокая экономичность и хорошие пусковые качества.

В нашей стране практически нет опыта создания подобных систем. Однако накоплен огромный научный, конструкторский и технологический опыт создания традиционных (разделенных) систем топливоподачи. В этих условиях, по мнению многих специалистов, актуальной является модернизация традиционных систем, с целью интенсификации процесса подачи топлива.

Так, исследования, выполненные на кафедре «Автотракторные двигатели» ВолгГТУ, доказывают возможность значительного повышения давления и сокращения продолжительности впрыскивания топлива. Метод интенсификации - повышение объемной скорости подачи путем скоростного форсирования топливного насоса.

Данная работа посвящена исследованию, разработанной при участии автора и запатентованной, топливной системы для транспортных дизелей.

Впервые предложен механизм топливоподачи с разделением процессов нагнетания и дозирования, реализованный в модернизированной традиционной системе. Система дополнена запирающим устройством, установленным перед форсункой.

Топливо нагнетается в линию высокого давления. Рабочий ход плунжера увеличивается до значений, обеспечивающих отсутствие отсечки до окончания процесса впрыскивания. Полость форсунки сообщается с нагнетательной магистралью через проходной канал запирающего устройства. Так осуществляется разделение процессов нагнетания и дозирования.

Как в плане общей концепции совершенствования транспортных дизелей, так и с точки зрения модернизации традиционных и создания новых систем топливоподачи, данную работу можно считать актуальной.

В диссертации кратко описаны методы интенсификации процесса подачи топлива в дизеле. Проанализированы недостатки традиционных топливных систем и обоснован выбор предлагаемого механизма подачи и способа его реализации.

Путем численных и натурных экспериментов выполнен сравнительный анализ опытной и традиционной систем топливоподачи. Преимущества опытной системы доказаны на примере показателей дизеля Д-144.

Автор выражает благодарность всему коллективу кафедры "Автотракторные двигатели" ВолгГТУ за поддержку и помощь при выполнении данной работы.

Основные условные обозначения

Л«ч> Л, - начальное и остаточное давление в нагнетательной магистрали системы;

Я^у - площадь сечения проходного канала запирающего устройства;

4.у - диаметр проходного канала запирающего устройства; а — местная скорость звука; рт - плотность топлива; а - коэффициент сжимаемости топлива;

С,„ Ск, Сп - скорость движения иглы форсунки, нагнетательного клапана и плунжера; с1т - диаметр отсечного отверстия гильзы плунжера;

7*2, — амплитуда прямой волны давления в первом (трубопровод) и втором (запирающее устройство) контурах нагнетательной магистрали;

- площадь поперечного сечения иглы форсунки по дифференциальной площадке и по посадочному конусу; к,/к' - площадь поперечного сечения нагнетательного клапана по разгрузочному пояску и по перьям; п,/т - площадь сечения плунжера и нагнетательного трубопровода (по внутреннему диаметру); ги, /гк - подъем иглы форсунки и нагнетательного клапана; к - фактор гидравлического сопротивления;

Ь\, ¿¡2— длина первого (трубопровод) и второго (запирающее устройство) контуров нагнетательной магистрали;

Л/,и М< ~ масса подвижных частей форсунки и нагнетательного клапана; пв - частота вращения вала топливного насоса;

Лшр - давление впрыскивания топлива;

Рве, Рн, Ли, Рф, Рф'-давление топлива в полости низкого давления, в надплунжерной полости, в полости штуцера, в полости форсунки и перед сопловыми отверстиями распылителя форсунки;

РКо, Рфо- давление начала подъема нагнетательного клапана и иглы форсунки;

- цикловая подача топлива;

К, Уш, Рф - объем полостей: надплунжерной, штуцера топливного насоса и форсунки;

IV], Ж2 - амплитуда отраженной волны давления в первом (трубопровод) и втором (запирающее устройство) контурах нагнетательной магистрали;

2, гг - утечки топлива через неплотности плунжерной пары и распылителя форсунки;

5И, 5К — жесткость пружины иглы форсунки и нагнетательного клапана; фв ~ угол поворота вала топливного насоса; фвпр ~ продолжительность подачи топлива;

Фотк ~ угол открытия запирающего устройства;

Фзак угол закрытия запирающего устройства;

4/)0 - эквивалентное проходное сечение отсечного отверстия; н/)з.у.п - эквивалентное проходное сечение перепускного канала запирающего устройства; н/)ш - эквивалентное проходное сечение щели под пояском нагнетательного клапана.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Белозубов, Юрий Владимирович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана, и реализована на базе традиционной, топливная система дизеля, обеспечивающая разделение процессов нагнетания и дозирования. Штатная (традиционная) система дополнена запирающим устройством, установленным перед форсункой.

1.1. При закрытом запирающем устройстве топливо нагнетается только в нагнетательную магистраль.

1.2. Перепуск части топлива в полость форсунки (дозирование) производится путем открытия запирающего устройства. Рабочий ход плунжера увеличивается до значений, обеспечивающих отсутствие отсечки до окончания процесса впрыскивания топлива.

2. Разработаны математическая модель, схема и алгоритм расчета процесса подачи топлива, учитывающие особенности конструкции опытной системы.

3. На основе результатов анализа дифференциальных характеристик подачи определены оптимальные законы открытия и закрытия запирающего устройства системы, определяющие зависимость сечения проходного канала от угла поворота вала топливного насоса.

4. Установлена связь моментов открытия и закрытия запирающего устройства с показателями процесса впрыскивания топлива.

4.1. Максимум давления впрыскивания соответствует углу открытия запирающего устройства - фохк=34 град, при частоте вращения вала насоса ив=1000 мин"1; при «„=3000 мин"1 угол открытия Фотк=44 град.

4.2. Изменению угла закрытия запирающего устройства от 40° до 46° соответствует диапазон изменения цикловой подачи топлива - 58. 112 мм3.

5. Доказана возможность изменения в широких пределах скоростной характеристики топливного насоса путем варьирования угла закрытия запирающего устройства.

6. Доказана эффективность опытной системы, в сравнении с традиционной.

При частоте вращения вала насоса ив=1000 мин"1 максимальное Р™^ и среднее давления впрыскивания повысились на 58,7% и 92,5%, соответственно. Продолжительность подачи топлива сократилась на 33,7%.

7. Опытная топливная система обеспечивает, в сравнении с традиционной, повышение эффективной мощности дизеля Д-144 на 8,21% и снижение удельного расхода топлива на 8,14%.

5.9. Заключение

Для расчета показателей цикла дизеля использован программный комплекс, разработанный на кафедре «Автотракторные двигатели» ВолгГТУ, включающий программы УРШБК и ZlKL.

В результате расчетов доказано преимущество опытной системы топливоподачи. Эффективная мощность дизеля Д-144 увеличилась на 8,21%. Удельный расход топлива уменьшился на 8,14%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белозубов, Юрий Владимирович, 2009 год

1. Автомобильные и тракторные двигатели / Под. ред. И.М.Ленина. — М.: Машиностроение, 1970. — 656 с.

2. Автомобильный справочник / Перевод с английского // Изд. 2-е., перераб. и доп. М.: ЗАО " КЖИ "За рулем", 2004. - 992 с.

3. Агеев Б.С., Исследование способов форсирования впрыскивания топлива топливовпрыскивающей аппаратурой среднеоборотных дизелей / Б.С.Агеев, А.Е. Припоров, Г.И.Савенкова // Двигателестроение. 1989. -№6. -С. 18-22.

4. Алексеев, В.А. Математическое описание характеристики тепловыделения в турбопоршневых двигателях на различных режимах / В.А. Алексеев, В.А. Петров // Двигателестроение. — Л., 1981. №6.

5. Астахов, И.В. Практический метод оценки основных параметров процесса впрыска и топливной аппаратуры быстроходного дизеля / И.В. Астахов // Автотракторные двигатели. -М., 1968. С. 37-57.

6. Астахов, И.В. Влияние на процесс впрыска топлива остаточного разрежения в топливной системе дизеля / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков // Автомобильная промышленность. — 1968. — № 5. — С. 15-20.

7. Астахов И.В., Колебательные явления в топливной системе дизеля в основном периоде топливоподачи / И.В. Астахов // Двигателестроение. — 1982.-№ 10.-С. 32-34.

8. Астахов И.В., Топливные системы и экономичность дизелей / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И. Трусов — М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

9. Ю.Бараев, В.И. Исследование зависимости параметров процесса впрыска от объемной скорости подачи топлива в широком диапазоне работы топливной аппаратуры / В.И. Бараев // Труды ЦНИТА М., 1972. - С. 9-16.

10. П.Вибе, И.И. Новое о рабочем цикле двигателей / ИИ. Вибе. М.Свердловск: Машгиз, 1962 - 182 с.

11. Возможности совершенствования топливоподающей системы автотракторных дизелей за счет оптимизации профиля кулачкового вала / A.M. Ларцев, В.М. Славуцкий, В.А. Зубченко, Е.А. Салыкин // Справочник. Инженерный журнал. 1999. - №12. - С.28-29.

12. Воинов, A.M. Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях / A.M. Воинов. М.: Машиностроение, 1965. - 210 с.

13. Н.Володин, А.И. Моделирование работы топливной аппаратуры дизелей на альтернативном топливе с использованием методов теории подобия / А.И. Володин, В.Т. Данковцев, В.В. Лукьянченко // Транспорт Урала. 2009. -№4. - С.76-78.

14. Впрыск дизельных двигателей. Легковые и грузовые автомобили, судовые установки, яхты, стационарные установки / Под общ. ред. С.В. Афонина. — М.: ПОНЧиК, 2004. 148 с.

15. Выгодский, М.Я. Справочник по высшей математике / М.Я. Выгодский. -М.: Наука, 1975.-872 с.

16. Голубков, Л.Н. Расчетное исследование способов повышения давления впрыскивания в дизелях / Л.Н. Голубков // Сб. науч. тр. / МАДИ. М., 1986. - С.71-77.

17. Голубков, Л.Н. Резервы улучшения характеристик систем импульсной подачи топлива с электронным управлением / Л.Н. Голубков, Г.Д. Масляный, А.П. Перепелин // Двигателестроение. 2004. - №1. - С. 43-44.

18. Грехов, Л.В. Научные основы разработки систем топливоподачи в цилиндры двигателей внутреннего сгорания : Автореферат дисс. . докт. мехн. наук. / Л.В. Грехов М., 1999. - 32 с.

19. Грехов, Л.В. Топливная аппаратура и системы управления дизелей : учебник для вузов / Л.В. Грехов, H.A. Иващенко, В.А. Марков. М.: Легион-Автодата, 2004. - 344 с.

20. Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. В.Н. Луканина // Высш. школа. -М., 1995.-368 с.

21. Девянин, С.Н. Математическая модель динамики развития струй распыливаемого топлива в дизеле / С.Н. Девянин, В.А. Марков // Известия вузов. Машиностроение. — 2005. — N 7. — С.23-44.

22. Дизельные аккумуляторные топливные системы Common Rail : учебное пособие / Перевод с английского. М.: Легион-Авто дата, 2006. - 48 с.

23. Драган, Ю.Е. О перспективах применения аккумуляторных систем топливоподачи в автомобильных дизелях / Ю.Е. Драган, A.A. Пигарина, М.Н. Рахметуллаев // Двигателестроение. — 2000. — № 1. — С.7-9.

24. Идельчик, И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / И.Е. Идельчик. М.: Госэнергоиздат, 1960. - 167 с.

25. Интенсификация процесса подачи топлива в дизеле с использованием изменения закона движения плунжера / В.М. Славуцкий, A.M. Ларцев, Е.А. Салыкин, В.О. Ульянов // Справочник. Инженерный журнал. 2001. - №12. -С.16-18.

26. Исаев, A.B. Расчет топливной аппаратуры с применением ЭЦВМ / A.B. Исаев. -М.: Машиностроение, 1968. 163 с.

27. Исследование возможностей форсирования и интенсификации процесса подачи топлива в дизеле / В.М. Славуцкий, A.M. Ларцев, В.А. Зубченко и др. // ВолгГТУ. Волгоград, 1997. - 45 с.

28. Кислов, В.Г. Топливная аппаратура тракторных и комбайновых двигателей: справочник / В.Г. Кислов, В.А.Павлов, А.П. Трусов. — М.: Машиностроение, 1981.-208 с.

29. Ковальчук, JI.H. Формирование инвариантных обобщенных показателей качества функционирования топливной аппаратуры дизелей / Л.Н. Ковальчук, A.B. Толмачев // Двигателестроение. 2000. —№ 2. - С.19-21.

30. Козлов, В.И. Повышение топливной экономичности дизелей с помощью системы отключения цилиндров и циклов / В.И. Козлов, H.H. Патрахальцев, М.В. Эммиль // Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 2008. №2. — С. 18-20.

31. Кузнецов, Т.Ф. Теоретические основы и методика расчета впрыска вязкого топлива в поршневых ДВС / Т.Ф. Кузнецов // Сб. тр. ХИИЖТА. -Харьков, 1960.-С.18-29.

32. Кутовой, В.А. Впрыск топлива в дизелях / В.А. Кутовой. — М.: Машиностроение, 1981. 157 с.

33. Ленин, И.М. Системы топливоподачи автомобильных и тракторных двигателей / И.М. Ленин. М.: Машиностроение, 1963. - 309 с.

34. Леонов, О.Б. Определение подачи топлива при циклах неустановившегося режима работы дизеля / О.Б. Леонов // Тр. МВТУ. М., 1978. - С.4-12.

35. Лышевский A.C. Распыливание топлива в судовых дизелях / A.C. Лышевский. Л.: Машиностроение, 1971. — 248 с.

36. Мальчук, В.И. Совершенствование топливоподачи дизелей путем применения стабилизирующих нагнетательных клапанов / В.И. Мальчук, В.А. Марков, Е.А. Сиротин // Известия вузов. Машиностроение. 2005. -№9. - С.31-46.

37. Марков, В.А. Влияние качества процесса топливоподачи на экономические и экологические показатели транспортного дизеля / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.И. Мальчук // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2005. - №2. - С. 78-102.

38. Марков, В.А. Формирование характеристик топливоподачи дизеля профилированием кромок плунжерной паны топливного насоса высокого давления / В.А. Марков, М.А. Савельев // Грузовик &. 2007. - №4. - С.31-35.

39. Масляный, Г.Д. Выбор соотношения между ходом и диаметром плунжера в насосах высокого давления в дизелях ЯМЗ / Г.Д. Масляный, А.П. Перепелин // Тр. ЦНИТА. Л., 1984. - Вып.83-84. - С.38-45.

40. Махов, В.З. Процессы горения в ДВС / В.З. Махов // МАДИ. М., 1981. - 76 с.

41. Оптимальное профилирование кулачков топливных насосов дизелей / A.A. Гринауэр, И.И. Тартаковский, А.Л. Григорьев, A.A. Пивоварова // Двигателестроение. 1981. - №7. - С.25-27.

42. Основы научного исследований : учебник для вузов / Под ред. В.Г. Кучерова // ВолгГТУ. Волгоград, 2004. - 304 с.

43. Павлов, Б.В. Использование электронных вычислительных машин для исследования топливных систем дизелей / Б.В. Павлов. — М.: Машгиз, 1962.- 100 с.

44. Патрахальцев H.H., Анализ влияния регулирования начального давления топлива на характеристику впрыска в дизелях / H.H. Патрахальцев // Процессы в тепловозных двигателях: сб.тр. М., 1983. - С.51-57.

45. Патрахальцев, H.H. Дизельные системы топливоподачи с регулированием начального давление / H.H. Патрахальцев // Двигателестроение. 1980. — № 10. — С.33-38.

46. Подача и распыливание топлива в дизелях / И.В. Астахов, В.И. Трусов, A.C. Хачиян, JI.H. Голубков. — М.: Машиностроение, 1972. — 359 с.

47. Радомский, В.И. Топливная система, обеспечивающая переменные параметры впрыскивания топлива / В.И. Рад омский, А.П. Кратко // Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания и их агрегатах: Сб. науч. тр. / МАДИ. М., 1987. - С.73-79.

48. Разлейцев, Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях / Н.Ф. Разлейцев. Харьков: Высшая школа, 1980. - 168 с.

49. Русинов, Р.В. Конструкция и расчет дизельной топливной аппаратуры / Р.В. Русинов. — М.: Машиностроение, 1965. 147 с.

50. Русинов, Р.В. Топливная аппаратура судовых дизелей / Р.В. Русинов. JL: Машиностроение, 1971.-223 с.

51. Салыкин Е.А., Улучшение показателей процесса топливоподачи в дизеле путем скоростного форсирования насоса высокого давления: специальность 05.04.02: дисс. . канд. техн. наук / Е.А. Салыкин; ВолгГТУ. Волгоград, 2003.-264 с.

52. Системы управления дизельными двигателями / Перевод с немецкого // Узлы и агрегаты Изд. 1-е. М.: ЗАО " КЖИ "За рулем", 2004. - 480 с.

53. Теплотехника / Г.М. Камфер, В.Н. Луканин, М.Г. Шатров и др. М.: Высшая школа, 2008. — 671 с.

54. Топливная аппаратура автотракторных двигателей / В.И. Крутов, В.Е. Горбаневский, В.Г. Кислов и др. // под ред. В.И. Крутова. М.: Машиностроение, 1985. -208 с.

55. Топливные системы дизелей с насос-форсунками и индивидуальными ТНВД : учебное пособие / Перевод с английского. М.: Легион-Автодата, 2006. - 76 с.

56. Топливные системы и экономичность дизелей / И.В. Астахов, Л.Н. Голубков, В.И. Трусов и др. М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

57. Трусов, В.И. Совершенствование топливной аппаратуры дизелей путем уменьшения объема нагнетания и создания предварительного давления перед впрыскиванием / В.И. Трусов, Д.М. Смирнов, Б.А. Смирнов // Сб. науч. тр. / МАДИ. М., 1984. - С.43-48.

58. Файнлейб, Б.Н. Уточненная методика расчета процесса топливоподачи в дизелях на ЭЦВМ / Б.Н. Файнлейб, Б.А. Крук // Тракторы и сельхозмашины. 1973. - №3. — С.4-7.

59. Файнлейб, Б.Н. Оптимизация параметров кулачкового механизма дизельных насосов высокого давления / Б.Н. Файнлейб, В.А. Лебедев // Двигателестроение. — 1990. —№5. С.17-21.

60. Файнлейб, Б.Н. Метод расчета кулачкового профиля переменного радиуса для насоса высокого давления дизелей / Б.Н. Файнлейб, Е.А. Николаев, В.А. Лебедев // Двигателестроение. 1983. — №4. - С.37-41.

61. Файнлейб, Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник /Б.Н. Файнлейб. — Л.: Машиностроение, 1990. —352 с.

62. Файнлейб, Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник / Б.Н. Файнлейб. Л.: Машиностроение, 1974. - 264 с.

63. Файнлейб, Б.Н. Исследование влияния давлений впрыска на динамику развития факела распыленного топлива / Б.Н. Файнлейб, В.И. Бараев // Труды ЦНИТА-М., 1972. С.10-14.

64. Фомин, В.М. Совершенствование показателей дизеля с двухстадийной топливоподачей / В.М. Фомин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2005.-№1.-С. 28-32.

65. Фомин, Ю.Я. Гидродинамический расчет топливных систем дизелей с использованием ЭЦВМ / Ю.Я. Фомин. М.: Машиностроение, 1973. - 176 с.

66. Фомин, Ю.Я. Гидродинамический расчет топливных систем судовых дизелей / Ю.Я. Фомин. М.: Морской транспорт, 1954. — 82 с.

67. ФоминЮ.Я. Топливная аппаратура судовых дизелей / Ю.Я. Фомин. М.: Транспорт, 1966. - 236 с.

68. Хачиян, A.C. Влияние характеристик впрыска и распыливания топлива на процесс тепловыделения и показатели дизеля с наддувом / A.C. Хачиян, Г.С. Лабецкас // Двигателестроение. 1982. - № 6. - С.7-11.

69. Хаширов, Ю.М. Стабильность параметров топливоподачи дизелей при эксплуатации / Ю.М. Хаширов, В.Х. Нагоев, Х.Х. Бацежев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2004. — N 12. С. 23.

70. Ховах, М.С. Об особенностях процесса смесеобразования и сгорания в быстроходных дизелях с камерами сгорания различных типов / М.С. Ховах // Труды МАДИ М., 1968.

71. Черныш, А.Г. Система топливоподачи дизеля с регулируемым начальным давлением в нагнетательной магистрали: дисс. . канд. техн. наук : 05.04.02 / Черныш Алексей Геннадиевич; ВолгГТУ. — Волгоград, 2005. 123 с.

72. Численные методы / Н.И. Данилина, Н.С. Дубровская, О.П. Кваша и др. -М.: Высшая школа, 1976. -368 с.

73. Klingmann, V.R. Der neue Vierzylinder-Dieselmotor OM611 mit Common Rail-Einspritzung // MTZ. 1997. - Jg.58. - № 12 - S.760-767.