Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературных источников и постановка задачи 7
1.1. Газовое топливо для двигателей внутреннего сгорания 7
1.2. Основные области применения газовых двигателей 19
1.2.1. Двигатели на сжиженном газе 19
1.2.2. Двигатели на природном газе 20
1.3. Особенности рабочего процесса поршневых газовых двигателей 25
1.4. Проблемы и пути совершенствования систем топливоподачи газодизелей 34
1.5. Выводы по главе 63
ГЛАВА 2. Математическое моделирование процессов в системе топливоподачи 65
2.1. Специальная форсунка для газодизеля 67
2.2. Анализ конструкции нагнетательного клапана 74
2.3. Уравнения движения топлива в нагнетательном трубопроводе 76
2.4. Граничные условия у начала нагнетательного трубопровода 80
2.5. Граничные условия у конца нагнетательного трубопровода 82
2.6. Расчетная программа как реализация математической модели 86
ГЛАВА 3. Результаты расчетного исследования 89
3.1. Задачи и методика расчетного исследования 89
3.2. Особенности протекания процесса топливоподачи в новой системе впрыска топлива 92
3.3. Выбор настройки системы топливоподачи 96
3.4. Параметры впрыска в широком диапазоне режимов 100
3.5. Выводы по главе 111
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование системы впрыска топлива . 113
4.1. Цель и задачи экспериментального исследования 113
4.2. Обоснование методики проведения испытаний 113
4.3. Испытательный стенд 115
4.4. Информационно-измерительная система 118
4.5. Методика проведения эксперимента 125
4.6. Обработка данных и результаты экспериментального исследования 129
4.7.Анализ погрешностей результатов эксперимента 154
4.8. Выводы по главе .157
Заключение 158
Литература
- Основные области применения газовых двигателей
- Уравнения движения топлива в нагнетательном трубопроводе
- Особенности протекания процесса топливоподачи в новой системе впрыска топлива
- Информационно-измерительная система
Введение к работе
Двигатель внутреннего сгорания обязан своим появлением газовому топливу (светильному газу), однако дальнейшее его развитие в течение этого времени было ориентировано на жидкое топливо, получаемое на основе переработки нефти. Только в кризисные периоды, когда возникали проблемы с поставкой нефтепродуктов, появлялся интерес к газовому топливу - достаточно напомнить о газогенераторных автомобилях, использовавшихся в период 2-й мировой войны.
В последние десятилетия вновь усиливается интерес к применению газового топлива в двигателях. Можно указать на ряд факторов, которые этому способствуют.
Мировая экономика и политика как никогда сильно обусловлены ценами на нефть и нефтепродукты. Их колебания обусловили множество локальных и глобальных кризисов в экономике, влияли на судьбы правительств и стран. Ограничения на ввоз и вывоз нефтепродуктов стали одним из сильнейших средств давления в мировой политике. Это заставляет искать пути уравновешивания "нефтяного давления" в первую очередь за счет замены нефтепродуктов другими видами топлив, в том числе газовым.
Загрязнение атмосферы, угрожающее здоровью и жизни человека, приняло угрожающие размеры. Это загрязнение в определенной мере связано со спецификой топлив нефтяного происхождения - наличием в отработавших газах несгоревших углеводородов и твердых частиц. Газовое топливо устраняет эти токсичные составляющие отработавших газов и способствует снижению суммарной токсичности продуктов сгорания двигателей.
Существенно увеличился объем добычи природного газа, и расширилась его география. Это снижает цены на газовое топливо и делает его более доступным.
4. Интенсивно развивается инфраструктура доставки и распределения газового топлива. В развитых странах сети газопроводов покрывают территорию практически полностью. Наряду с трубопроводом, все шире применяется танкерный флот для доставки газа в криогенных емкостях. Это, с одной стороны, облегчает организацию подачи газового топлива к моторным установкам (подключением к сети или заправкой емкостей), а с другой стимулирует создание двигателей, работающих на газовом топливе и используемых в самих системах доставки газа (двигателем газоперекачивающих и газозаправочных станций, двигатели газовых танкеров и т.п.).
Совокупность перечисленных факторов обусловила увеличение производства газовых двигателей и проведение соответствующих исследований. Как показано в главе 1 настоящей работы, одним из перспективных направлений перевода существующих двигателей на газовое топливо является применение газодизельных схем. Значительное число исследований, некоторые результаты которых представлены в главе 1, было посвящено особенностям рабочего процесса газодизеля, в частности, оценке минимально необходимой дозы запального топлива. В то же время осталось в стороне исследование процессов в самой топливной аппаратуре при работе ее на режимах, выходящих за рамки диапазона, типичного для обычных дизелей (в 2 - 3 раза меньше подачи холостого хода). Между тем есть основания полагать, что совершенствование работы топливной аппаратуры на этих режимах позволит не только уменьшить запальную дозу топлива, но и улучшить сгорание газотопливо-воздушной смеси.
Целью данной работы является улучшение показателей впрыска жидкого топлива в газодизеле за счет совершенствования его топливной аппаратуры.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Анализ требований к топливной аппаратуре на основе имеющихся в литературе данных о применении газовых топлив в ДВС.
Выбор методики исследования.
Разработка конструктивной схемы усовершенствованной системы топливоподачи
4.Расчетный анализ влияния конструктивных параметров топливной аппаратуры на процессы впрыска топлива и выбор рационального их сочетания для разработанной конструкции
5. Экспериментальная проверка полученных рекомендаций.
На защиту выносятся: Схема и конструкция модифицированной топливной системы; Методика расчетного анализа разработанной конструкции Обоснование выбора параметров разработанной топливной системы Экспериментальное подтверждение расчетно-теоретических предпосылок.
Научная новизна работы определяется новизной разработанной и детально исследованной конструкции модифицированной топливной системы
Практическое значение полученных результатов состоит в подтверждении возможности улучшения рабочих процессов в газодизеле за счет применения модифицированной топливной системы
Достоверность и обоснованность выводов и результатов исследования обеспечена применением апробированных методов расчетного и экспериментального исследования и удовлетворительным согласованием их результатов
Основные области применения газовых двигателей
При рассмотрении перспектив применения сжиженных газов в качестве моторного топлива следует иметь в виду, что эти газы являются химическим сырьем для производства целого ряда важных продуктов, а также незаменимым технологическим материалом в ряде производств, например в специальном стекольном, при специальной термообработке и т.д. Необходимо, кроме того, учитывать особое удобство использования сжиженных газов для бытовых нужд в местах, удаленных от газопроводов природного и попутного газа. Важно также заметить, что сжиженные газы являются наиболее высококачественным продуктом переработки нефти и нефтяного газа. Таким образом, ресурсы сжиженных газов, которые могут быть выделены для использования в качестве моторного топлива, ограничены. Тем не менее применение сжиженных газов в двигателях в ряде случаев является вполне рациональным и эффективным, особенно когда они заменяют дефицитные виды нефтяного горючего. Имея в виду транспортабельность и сравнительно небольшие ресурсы сжиженного газа, наиболее рационально применять его в легких передвижных установках: тракторах, ирригационных агрегатах, силовых агрегатах буровых установок и т. д. Кроме того, применение в двигателях сжиженных газов является эффективным в тех случаях, когда большое значение приобретает степень загрязненности воздуха продуктами сгорания двигателя. При работе двигателя на газе, в том числе на сжиженном, состав выпускных газов менее вреден для здоровья, чем газов двигателя на жидком топливе. Возможность уменьшить загрязнение атмосферы вредными продуктами выпуска побуждает использовать сжиженный газ для городских автобусов, автопогрузчиков и агрегатов, работающих в закрытых и полузакрытых помещениях. Работа трактора на сжиженном газе по всем показателям является по крайней мере не худшей, чем на жидком топливе, а в ряде случаев значительно лучшей [25].
В США для снабжения сжиженным газом большого парка сельскохозяйственных машин используется значительное количество цистерн (железнодорожных, автомобильных, стационарных, прицепных), а также баллонов и других емкостей. Ввиду того, что давление сжиженного газа в закрытом сосуде не превышает 1,6 МПа, емкости для сжиженного газа отличаются от бензиновых лишь некоторым утолщением стенок. Вес тары на единицу тепла, заключенного в топливе (на одну калорию), для сжиженного газа в 2-3 раза выше, чем для бензина и дизельного топлива. Однако этот вес вполне приемлем для транспортировки газа и хранения достаточного его количества на транспортных агрегата без ущерба для их работоспособности [32].
В отдельных случаях двигатели, работающие на сжиженном газе, могут эффективно применяться на судах и локомотивах малой мощности, а также для малых электростанций, в частности там, где имеет место комплексное применение сжиженного газа, как, например, в сельском хозяйстве.
Целесообразно также применять сжиженный газ как аварийное (запасное) топливо на электростанциях и других стационарных установках, постоянно работающих на природном газе.
Использование в двигателях природного газа (включая попутный нефтяной) имеет для России и других стран гораздо большее значение, чем при 21 менение сжиженного газа. Это определяется в первую очередь значительно большими ресурсами природного газа, а также тем, что он является дешевым местным топливом не нефтяного происхождения.
Одним из основных потребителей газовых двигателей является сама газовая промышленность. Для обеспечения намеченной программы развития газовой промышленности на магистральных газопроводах нашей страны устанавливаются компрессорные агрегаты с общей мощностью привода, превышающей 4,5 млн. кВт.
До последнего десятилетия почти единственным видом компрессорного агрегата на газопроводах являлись газомотокомпрессоры.
В последние десятилетия, в связи с увеличением объемов топлива, пропускаемого через газопроводы, расширилось применение установок с центробежными компрессорами. Однако в ряде случаев для их привода применяются не газовые турбины, а поршневые двигатели, имеющие более высокий КПД.
Топливная экономичность силовых установок компрессорных станций газопроводов имеет большое значение. Так например, компрессор 10ГК с к.п.д. 25,5%), расходует в час примерно 300 м газа и перекачивает при этом 22700 м газа (объем при 1 бар), повышая его давление с 25 до 55 кГ/см . Следовательно, расход газа на перекачку составляет 1,33% к объему перекачиваемого газа. На газопроводе длиной в 1000 км с восемью компрессорными станциями расход газа на перекачку составит 10,5% от всего пропускаемого газопроводом газа. При увеличении к. п. д. силового агрегата до 40%) расход газа на перекачку понизится до 7% от пропускаемого газа, и производительность газопровода увеличится на 3,5%».
Уравнения движения топлива в нагнетательном трубопроводе
Из полости штуцера часть поступающего топлива вытекает во входное сечение трубопровода со скоростью wo, и часть расходуется на заполнение объема в полости штуцера, освобождающегося вследствие сжимаемости топлива:
Из уравнений (2.10) и (2.11) получают лишь предварительные значения давлений p „j+i и p mj+i- Затем действительные значения pnj+1 и Pmj+ь а также новые давления pp„j+i и ppij+i, характеризующие величину разрыва сплошности, определяются по выражениям, аналогичным (2.6) и (2.7).
Нагнетательный клапан совершает движение под действием сил со стороны топлива и пружины: где nij - масса клапана и одной трети массы пружины; сі, уо - жесткость и предварительный затяг пружины клапана.
Площади сечения окон во втулке плунжера и щели в нагнетательном клапане зависят от подъема плунжера и клапана: f0 = f0; і щ = і"щ (у).
Для выполнения численного интегрирования в уравнениях граничных условий производные заменяются конечными разностями.
Полученное в итоге уравнение решается методом последовательных приближений совместно с уравнением движения для входного участка нагнетательного трубопровода, представленного в виде:
Для двойной иглы форсунки модель рассматривается как две параллельные форсунки на конце нагнетательного трубопровода. Давления в обеих форсунках одинаковы.
Для форсунки закрытого типа граничные условия у конца нагнетательного включают уравнение сплошности в полости форсунки и уравнение движения иглы и связанных с ней деталей.
Топливо, поступающее из нагнетательного трубопровода в полость форсунки со скоростью wn, расходуется на заполнение пространства, освобождающегося при подъеме иглы сечением f„ со скоростью dz/dt; на истечение из форсунки в полость распылителя через сечение площадью fK между конусом иглы и седлом под действием разности давлений (рф - рр); на утечку топлива по зазору между иглой и направляющей; на заполнение пространства, освобождающегося вследствие сжатия топлива в объеме Уф. Для распылителя с большой иглой.
Из полости форсунки часть топлива поступает в полость распылителя, откуда частично вытекает через сопловые отверстия сечением fc в цилиндр под действием разности давлений в распылителе и цилиндре (рр - рц), а частично расходуется на заполнение пространства, образовавшегося вследствие сжатия топлива в объеме распылителя Vp: где переменное давление в цилиндре рц задается в виде аппроксимирующей формулы.
Движение иглы форсунки происходит под действием сил давления со стороны топлива, действующих на дифференциальную площадку и конус иглы, усилия пружины и сил инерции: Ш 21 = Рф Ро fu fa 2 + Рр/к" lZ 1Ав) где т 2 - сумма массы иглы, толкателя и 1/3 массы пружины; Сг - жесткость пружины форсунки; р0 - давление начала подъема иглы; ри - давление под конусом иглы; / кн - площадь сечения конуса по уплотняющему пояску.
Уравнение, полученное после замены производных в уравнениях (2.15) и (2.16) конечными разностями, решается совместно с уравнением движения топлива на последнем участке Ах трубопровода:
Из полости форсунки часть топлива поступает в полость распылителя, откуда частично вытекает через сопловые отверстия сечением fc в цилиндр под действием разности давлений в распылителе и цилиндре (Рр - Рц), а частично расходуется на заполнение пространства, образовавшегося вследствие сжатия топлива в объеме распылителя Vp: топлива, действующих на дифференциальную площадку и конус иглы, усилия пружины и сил инерции: „ i 2 = (Po-PoXfu-fJ+Pl fK„-C2Zr dt2 ЧФ u/v" JKH/ ,JK" z (2.16a) if где m2 - сумма массы иглы, толкателя и 1/3 массы пружины; с2 - жесткость пружины форсунки; Р0 - давление начала подъема иглы; Ри - давление под конусом иглы; /„,- площадь сечения конуса по уплотняющему пояску. Уравнение, полученное после замены производных в уравнениях (2.15а) и (2.16а) конечными разностями, решается совместно с уравнением движения топлива на последнем участке Ах трубопровода:
В заключение каждого шага расчета определяется количество поданного к данному моменту топлива (интегральная характеристика впрыска), которая в конечных разностях вычисляется в виде: дополняем уравнением сплошности для тройника gj.i=g j«+g%i- (2.19а) Функция перемещения плунжера h=f(((p) задается в табличном виде или в виде графика скорости плунжера по углу поворота кулачка.
Текущая площадь проходного сечения наполнительных и отсечных окон вычисляется в зависимости от положения плунжера с учетом геометрии и расположения окон, а также угла наклона впускной и отсечной кромки плунжера. Для систем с клапанным управлением подачей сечение впускного и отсечного канала задается в функции угла поворота кулачка. Сечение каналов в нагнетательном клапане и под иглой форсунки рассчитывается в зависимости от вычисленной величины их перемещения с учетом геометрии (угла запирающего конуса).
Утечки по прецизионным парам рассчитываются с учетом текущего давления соответственно в полостях насоса и форсунки и величины зазора. При расчете утечек по плунжерной паре учитывается также переменная длина трассы утечек.
Особенности протекания процесса топливоподачи в новой системе впрыска топлива
Целью экспериментального исследования разработанной системы подачи жидкого топлива для газодизеля было подтверждение свойств системы, заложенных при ее разработке.
Для достижения этой цели решались следующие задачи: 1. Обоснование и разработка схемы экспериментального стенда. 2. Разработка информационно-измерительного комплекса. 3. Испытание разработанной системы в соответствии с целями исследования 4. Подтверждение адекватности расчетной методики и результатов математического моделирования процессов топливоподачи. 5. Анализ протекания процессов впрыска по экспериментальным данным.
При подготовке и проведении экспериментального исследования имелось в виду, что основная работа по выбору конструктивных и регулировочных параметров была выполнена с помощью методов математического моделирования. Поэтому основной задачей экспериментального исследования было подтверждения адекватности расчетных результатов. В этом случае можно было отказаться от полномасштабного эксперимента, ограничившись проверкой отдельных вариантов.
С учетом сформулированных выше цели и задач исследования было признано возможным ограничить экспериментальную часть работы исследованием выбранного варианта системы подачи топлива на внемоторном стенде. По сравнению с испытаниями на двигателе этот вариант дает как определенные преимущества, так и некоторые недостатки. К первым относятся не только уменьшение трудоемкости подготовки и проведения испытаний и экономия топлива. Основное достоинство стендовых испытаний системы топливоподачи заключается в возможности более детального исследования процессов в системе высокого давления благодаря удобству размещения и обслуживания элементов информационно-измерительной системы. В частности, на двигателе невозможна экспериментальная проверка характеристики впрыска топлива. Недостатком является некоторое отличие условий работы топливной аппаратуры на двигателе и на стенде. Первое отличие определяется различием температурных режимов в системе высокого давления. С одной стороны, при работе на двигателе неизбежно некоторое нагревание топливопроводов от нагретых частей двигателя. С другой - на стенде используется замкнутая схема циркуляции топлива в системе, благодаря чему потери энергии в процессах подачи и распыливания топлива преобразуются в тепло, что приводит к постепенному разогреванию топлива в процессе испытаний. Известно, что температура топлива оказывает влияние на параметры плотности, вязкости и сжимаемости топлива, что, в свою очередь, отражается на протекании процессов впрыска. Однако расчетные исследования показали, что варьирование температуры в реальных пределах (от 20 до 80 С) очень мало отражается на характеристиках впрыска . Это можно объяснить противоположным влиянием упомянутых выше факторов. Кроме того, нагревание топлива за счет циркуляции в стендовой системе компенсирует отсутствие нагревания топливопроводов. Во избежание перегрева топлива в системе предусмотрен достаточно большой объем расходного бака, а также перерывы при проведении испытаний.
Вторым фактором, который может вызвать отличие процессов впрыска на двигателе и стенде, является противодавление впрыску со стороны цилиндровых газов. Частично отсутствие противодавления на стенде КОМПЄНСИруЄТСЯ установкой датчика характеристики впрыска (17 На рИС. 4.1). В ХОДЄ впрыска в полости датчика создается давление топлива, имитирующее противодавление газов со стороны цилиндра.
Экспериментальное исследование процесса подачи топлива выполнено на установке, смонтированной на стенде для испытания топливных насосов высокого давления. Стенд типа EHF-5012 фирмы Hermann Hansmann, Австрия.
Схема установки представлена на рис.4.1. Кулачковый вал двухплунжерного топливного насоса высокого давления 12, установленного на стенде, приводится во вращение от электродвигателя 4 переменного тока. Изменение частоты вращения вала насоса осуществляется при помощи гидростатической передачи 5 фирмы "Boehringer". На выходном валу гидропередачи закреплен шкив клиноременной передачи 6, передающей вращение на приводной вал стенда. Приводной вал снабжен маховиком 18, обеспечивающим равномерность вращения вала топливного насоса высокого давления.
Топливо к насосу высокого давления из бака 1 подается подкачивающим топливным насосом шестеренчатого типа через фильтр 3 тонкой очистки топлива. Один плунжер подает топливо к испытуемой форсунке 16, второй плунжер используется для создания давления в системе гидравлического запирания иглы испытуемой форсунки.
Информационно-измерительная система
В состав стендовой информационно-измерительной системы входят элементы, предназначенные для исследования быстроменяющихся параметров впрыска, и контрольно-измерительная аппаратура для контроля параметров установившихся режимов.
Работа измерителя характеристики подачи топлива основана на регистрации изменения давления в приемной камере, расположенной за распылителем форсунки, истечение из которой происходит через калиброванный жиклер. Конструкция измерителя характеристики подачи показана на рис.4.3. Измеритель состоит из корпуса 1, закрепленного на испытуемой форсунке 2 при помощи фланца 3, сухаря 4 и двух шпилек 5. Между гайкой 6 распылителя и корпусом измерителя установлено медное уплотнительное кольцо 7. Распылитель 8 испытуемой форсунки впрыскивает топливо в приемную камеру "А", истечение из которой происходит через жиклер «В» в штуцер 9 и далее - по шлангу в мерную колбу. Для исключения образования в приемной камеры пены на выходе из шланга установлен клапан, обеспечивающий исходный уровень давления во всей приемной магистрали 3 бар (0,3 МПа)
Измерение избыточного давления в приемной камере производится с помощью пьезокварцевого датчика 10.
При испытаниях были использованы три жиклера с различными диаметрами отверстий, для того чтобы в широком диапазоне объемных скоростей подачи топлива значения избыточного давления находились в ограниченных пределах, определяемых чувствительностью датчика и областью линейности его характеристики. Калибровка жиклеров, то есть определение эффективного проходного сечения [xf его отверстия, производилась путем проливки их на стенде постоянного давления при Рпр= бар (4,5 МПа), обеспечивающем турбулентное истечение в зоне стабильных значений коэффициента расхода ц. При проливке измерялась масса топлива, прошедшего через жиклер за 20 секунд.
Давление топлива перед форсункой рф и давление топлива в приемной камере измерителя характеристики впрыска рхар измерялись пьезоэлектрическим измерительным устройством РМ-4 фирмы RET (Германия) в составе: 1. Пьезоэлектрического датчика PDE 500/14-2 для рф, 2. Пьезоэлектрического датчика PD 100/14-2 для рхар. 3. Видео прибора ZS-4, включающего в себя блок питания,двухлучевую осциллографическую трубку и генератор развертки; 4. Экранированных кабелей. Технические данные усилителей измерительного устройства РМ-4: Нелинейность не более 2%.
Амплитудно-частотная характеристика по отношению к 100 Гц не более 3 дб в полосе от 0 до 100 кГц. Тарировка измерительных каналов производилась статическим способом на винтовых масляных прессах с манометрами образцового класса с пределами измерений 0... 100 МПа для датчика рф и 0... 16 МПа для датчика
Рхар Для удобства обработки осциллограмм коэффициент усиления сигнала давления рф отрегулирован таким образом, чтобы масштаб тарировки равнялся 20 МПа на 1 см отклонения луча по экрану видеоприбора.
Тарировочные графики приведены на (рис. 4.4.,рис. 4.5.)Представляется возможным при обработке осциллограмм пренебречь нелинейностью тарировки вследствие ее незначительности.
Конструкция датчика индуктивного типа, регистрирующего перемещение внутренней иглы распылителя, показана на рис.4.6. К тарелке толкателя (штанги) 15 иглы приварен стальной шток 3. Гайка 1 пружины форсунки снабжена резьбой, в которую ввернут корпус 4 датчика. Соединение гайки и датчика герметизировано резиновым уплотнительным кольцом 2 круглого сечения. В корпусе датчика гайкой 12 закреплена катушка 5, заключенная в стальную оболочку 13. Гайка стопорится от отворачивания винтом 7 с уплотнительном кольцам 6 . Отверстие в крышке 9, через которое провода 11 от катушки выведены к штепсельному разъему 10, герметизировано эпоксидным клеем. Стык крышки 9 с корпусом датчика уплотнен резиновым кольцом 8.
Топливо из системы гидрозапирания иглы подводится к корпусу форсунки через штуцер 16. Оно заполняет внутренние полости форсунки и датчика подъема иглы, в том числе полость "а", куда оно попадает по пазу, выполненному в корпусе датчика вдоль образующей оболочки катушки. Это необходимо, чтобы разгрузить катушку от одностороннего действия давления гидрозапирания. Между стальным сердечником 14 катушки и штоком 3 имеется малый воздушный зазор 5, длина которого изменяется при перемещении штока, т.е. при перемещении иглы распылителя. Вследствие изменения зазора изменяется магнитное сопротивление магнитной цепи, состоящей из сердечника катушки, ее оболочки и штока. Соответственно изменяется индуктивность катушки, включенной в цепь переменного тока. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к соответствующему изменению ее полного сопротивления, которое при помощи индуктивного индикатора ИД-2И преобразуется в соответствующий сигнал.
Рабочая полоса частот индикатора ИД-2И составляет 0...50 кГц, что с большим запасом перекрывает реальный спектр частот в сигнале перемещения иглы.
