Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и задачи исследования 17
1.1 Анализ отказов элементов топливной аппаратуры дизелей 17
1.2 Изменение технического состояния топливной аппаратуры в процессе эксплуатации 25
1.3 Особенности технического диагностирования топливной аппаратуры дизелей 33
1.4 Анализ существующей системы технического обслуживания топливной аппаратуры 42
1.5 Анализ методов определения технического состояния элементов топливной аппаратуры 45
1.6 Выводы по разделу 50
2 Математическое моделирование процесса топливоподачи 53
2.1. Критерии оценки топливной аппаратуры дизелей 53
2.2 Определение вероятности безотказной работы ТА 60
2.3 Исходные данные для получения показателей оценки ТАВД при диагностировании 62
2.4 Оценка безотказной работы элементов ТАВД при диагностировании 65
2.5 Теоретическое исследование процессов топливоподачи при диагностировании
2.5.1. Физическая модель процессов, происходящих при топли-воподаче 70
2.5.2. Механизм возникновения гидравлических ударов 71
2.5.3. Гидродинамическая модель процесса топливоподачи с учетом возникновения газовой фазы 72
2.5.4 Математическое описание процесса возникновения газовой фазы в топливной магистрали 2.6 Оценочные показатели эффективности работы дизеля 79
2.7 Уточнение математической модели топливоподачи для оценки технического состояния элементов ТАВД 83
2.7.1 Общая задача моделирования процесса топливоподачи 84
2.7.2. Математическое моделирование работы топливного насоса высокого давления и форсунки 85
2.7.3. Оптимизация алгоритма компоновки модели 94
2.7.4. Математическое моделирование процессов топливоподачи при диагностировании технического состояния форсунки 100
2.8 Результаты математического моделирования процесса топливо подачи с учетом технического состояния ТНВД и форсунки 112
2.9 Выводы по разделу 115
3 Программа и общая методика проведения исследований 117
3.1 Цели и программа экспериментального исследования 117
3.2 Оборудование и приборы, используемые при проведении экспе риментальных исследований 117
3.2.1 Экспериментальная установка для определения характеристик топливного насоса высокого давления 118
3.2.2 Экспериментальная установка и оборудование для осцил-лографирования процессов в ТАВД 120
3.2.3 Экспериментальная установка и стенд для испытания дизеля 125
3.3 Методика проведения экспериментальных исследований 129
3.3.1 Экспериментальная проверка исправности топливной аппаратуры определением объёмной характеристики топли-воподачи 130
3.3.2 Экспериментальное определения характеристики давления топливоподачи 131
3.3.3 Методика проведения моторного эксперимента 137
3.4. Оценка погрешности измерений и адекватности расчетных и экспериментальных данных 139
3.5 Расчетные зависимости при определении скоростных характеристик топливоподачи ТНВД 145
3.6 Расчетные зависимости при осциллографировании процессов топливоподачи 145
3.7 Выводы по разделу 146
4 Анализ полученных результатов, техническая и экономическая оценка предлагаемого метода контроля состояния упругих элементов ТАВД дизеля в условиях эксплуатации, рекомендации по его использованию 149
4.1 Анализ результатов безмоторного эксперимента 149
4.2 Анализ результатов моторного эксперимента при моделировании неисправности пружины нагнетательного клапана 150
4.3 Анализ результатов моторного эксперимента при моделировании неисправности пружины форсунки 157
4.4 Анализ результатов моторного эксперимента при моделировании комплексной неисправности нагнетательного клапана и форсунки 163
4.5 Рекомендации по внедрению метода контроля состояния упругих элементов ТАВД дизеля в условиях эксплуатации 166
4.6 Технико – экономическая эффективность предлагаемого метода контроля состояния упругих элементов ТАВД дизеля в условиях эксплуатации 169
4.7 Выводы по разделу 177
Заключение 179
Список использованных источников
- Особенности технического диагностирования топливной аппаратуры дизелей
- Оценка безотказной работы элементов ТАВД при диагностировании
- Оборудование и приборы, используемые при проведении экспе риментальных исследований
- Анализ результатов моторного эксперимента при моделировании неисправности пружины форсунки
Особенности технического диагностирования топливной аппаратуры дизелей
Проблеме совершенствования характеристик дизелей посвящены работы выдающихся ученых, таких как Астахов И.В., Белов П.М., Бурячко В.Р., Брилинг Н.Р., Вырубов Д.Н., Голубков Л.Н., Орлин А.С., Дьяченко Н.Х., Ка-рунин А.Л., Костин А.К., Луканин В.Н., Мазинг Е.К., Платонов В.Ф., Русинов Р.В., Фанлейб Б.Н., Эфрос В.М. и многих других. При этом у ряда ученых, особенно на заре создания теории двигателей внутреннего сгорания, топливная аппаратура высокого давления рассматривалась в совокупности всей системы питания транспортного средства.
Вследствие большой хозяйственно-экономической значимости дизелей в нашей стране и за рубежом непрерывно ведутся работы по их совершенствованию в следующих направлениях: [2, 4, 12, 20, 39, 47, 66, 83, 105, 124, 131]: - улучшение топливной экономичности применением камер с непосредственным впрыскиванием топлива; увеличение давления наддува; внедрение элементов адиабатности с переходом в турбокомпаудные и компаудные двигатели; реализации в последних циклов Ренкина с высокой степенью утилизации тепла; повышение эффективности процессов смесеобразования и горения топлива за счет роста давления впрыскивания; увеличение механического КПД двигателя и турбокомпрессоров; осуществление оптимального управления процессом топливоподачи в зависимости от режимов работы, условий окружающей среды, физико-химических свойств топлива; изменения состояния двигателя в процессе эксплуатации с использованием гибких, вплоть до адаптивных систем преимущественно с электронным регулированием; - увеличение удельной мощности и снижения удельных массовых показателей двигателей путем увеличения средних эффективных давлений при одновременном росте допускаемых максимальных давлений цикла [93, 97]; - уменьшение выбросов токсичных продуктов сгорания и дымности за счет совершенствования процессов топливоподачи, смесеобразования и горения топлива – оптимального сочетания схем камер сгорания, газодинамической обстановки в них и параметров процесса впрыскивания топлива путам применения автоматизации и дистанционного управления работой дизелей, силовых установок и транспортных средств в целом с применением микропроцессорной техники; - адаптация дизелей к работе на различных альтернативных топливах не нефтяного происхождения, сжиженных и сжатых газах, а также на различных нефтяных топливах облегченного и утяжеленного фракционного состава [27, 50, 65]; - создание оригинальных конструкций двигателей, систем наддува и совершенствование работы двигателей, в том числе, на неустановившихся режимах [116]; - систем топливоподачи с электронным регулированием [17, 36, 45, 67, 84, 101]; - повышения надежности дизелей за счет совершенствования технологии изготовления, применения новых материалов (пластмасс, композитов, керамики, специальных смазок и др.) [38, 42];
Развитие современной техники привело к существенному усложнению конструкций машин и механизмов. Широкое распространение и непрерывное развитие колёсной и гусеничной техники требует дальнейшего совершенствования энергетических установок с целью повышения их технико-экономических и экологических показателей, а также обеспечения ими требований, предъявляемых к образцам техники в целом.
Одновременно с этим постоянно повышаются требования к совершенствованию образцов техники, что, в свою очередь, ведет к ужесточению требований к разработке конструктивных, технологических и эксплуатационных мероприятий по повышению надежности [42]. Любое отклонение мощности, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения ведет за собой изменение основных показателей рабочего процесса двигателя. Например, увеличение мощности на 10% ускоряет износ на 35% [48]. Соответственно, также резко увеличиваются эксплуатационные затраты и снижается общий ресурс двигателя.
Известно, что состояние топливной аппаратуры оказывает значительное влияние на все показатели работы дизеля, а именно – на мощность, расход топлива, тепловую нагрузку и, как следствие, на надежность, решающий фактор для двигателя. По данным различных источников [12, 21, 29, 44, 52 и др.], около 55% отказов у дизелей происходит вследствие неудовлетворительной работы топливной аппаратуры. Так, например, отклонение установочного угла опережения впрыска топлива на 3-5 градусов приводит к увеличению расхода топлива более чем на 5%. Отказы топливной аппаратуры составляют существенную часть от общих отказов дизеля [12]. Распределение повреждений и отказов основных составных частей на примере дизеля семейства КамАЗ-740 представлено на рисунке 1.1.
Таким образом, видно, что в современных условиях остро назрела проблема повышения надежности двигателей внутреннего сгорания. Добиться этого можно, лишь поддерживая исправное состояние техники, выявляя зарождающиеся неисправности на начальной стадии. Наиболее ответственной системой дизеля является топливная аппаратура высокого давления [5]. Конструктивной особенностью топливной аппаратуры дизелей является наличие прецизионных пар трения, механических упругих узлов, прецизионных и других типов уплотняющих и подвижных узлов. От изменений, возникающих в этих деталях при эксплуатации, зависят и изменения выходных параметров топливной аппаратуры.
Оценка безотказной работы элементов ТАВД при диагностировании
Учитывая скоротечность процессов протекающих в ТВД при топливо-подачи и большое количество факторов влияющих на данный процесс для того, чтобы оценить информативность сигнала давления и возможность его использования для контроля технического состояния ТАВД необходимо использовать только подробные математические модели, учитывающие максимальное количество факторов. Однако анализ существующих подходов к моделированию процесса топливоподачи показывает то, что, несмотря на достаточно глубокую проработку данного вопроса многими авторами и наличие большого количества моделей учитывающих множество факторов (наличие газовой фазы, дросселирование топлива, волновой характер движения жидкой среды и ее инерционность и др.) адекватных моделей позволяющих имитировать возникновение и развитие неисправностей на данный момент нет. В связи с этим существует необходимость выбора и уточнения модели, позволяющей учитывать фактическое техническое состояние ТАВД.
В работах И.В. Астахова. Ю.А. Фомина, Б.Н. Файнлейба, Н.А. Керимо-ва, А.П. Перепелина с целью повышения точности расчетов учитываются гидравлические сопротивления топливопроводов, разрывы сплошности в конце впрыскивания, остаточные свободные объемы и т.д.
Особое влияние на процессы топливоподачи и впрыскивания оказывает газовая фаза. Учет газовой фазы производят путем расчета локальных разрывов сплошности в конце процессов впрыскивания и расчета заполнения остаточных свободных объемов в начальной стадии рабочего цикла. Особенность расчета процесса впрыскивания топлива состоит в отдельном расчете входного и выходного сечений НТ. В то же время для правильного выбора конструктивных параметров топливной системы необходимо определение взаимосвязи между элементами и параметрами ТНВД, форсунки и топливопровода. Указанную взаимосвязь можно получить путем составления уравнения общего для системы.
Такие уравнения можно составить, если для основных этапов преобразовать уравнения у ТНВД и форсунки, а затем обобщить их, используя основные положения теории впрыскивания топлива.
Как уже отмечалось ранее, подвпрыск топлива происходит при повторном подъеме иглы форсунки, вызванным подходом вторичной отраженной волны давления.
Процесс возникновения вторичной волны давления, по мнению отдельных исследователей, происходит при отражении волны, пришедшей от форсунки к насосу. Однако анализ, проведенный Б.Н. Файнлейбом, В.И. Астаховым, М.Х. Вейнблатом и П.А. Федяким отмечает несколько иную природу ее возникновения при схлопывании областей «суперкавитации» в топливопроводе [4, 17, 112].
С подходом прямой или отраженной волны давления к данной области происходит ее кавитационное схлопывание [5, 73, 74] и образование интенсивной вторичной волны давления, которая, накладываясь на давление топлива у форсунки, может вызвать дополнительный подъем запорной иглы и подвпрыск топлива, а у штуцера насоса – дополнительную разгрузку топливопровода. В.С. Морозов приводит данные [73] о том, что амплитуда волны давления при схлопывании разрыва сплошности может составить у форсунки 85% амплитуды прямой волны давления.
Таким образом, для устранения подвпрыска топлива, необходимо ис ключить перезагрузку топливопровода и условия подхода отраженной волны импульса давления к распылителю в период снижения усилия пружины, воздействующей на иглу.
В качестве пути уменьшения гидравлических высокочастотных колебаний в топливопроводе при схлопывании кавитационных каверн предполагается практический отказ от глубокой разгрузки с повышением остаточного давления. Дополнительно, в качестве меры по уменьшению амплитуды возникающих волн при их подходе к распылителю рекомендуется применять демпфер, сглаживающий волны давления.
Гидродинамическая модель процесса топливоподачи с учетом возникновения газовой фазы.
Для распространенных систем топливоподачи, содержащих насос высокого давления с нагнетательным клапаном и форсунку, которые разделены трубопроводом высокого давления, протекание процесса впрыскивания в значительной степени зависит от неустановившегося движения топлива в канале топливопровода. Двухфазовый поток топлива, как основное рабочее тело системы топливоподачи, обладает высокой сжимаемостью и нелинейностью с сопровождением процессов изменения давления тепломассообменом, приводящим к сильной диссипации среды. Вследствие этого, теоретические исследования необходимо проводить с применением, как волновой динамики, так и с учетом специфики парожидкостных систем.
Оборудование и приборы, используемые при проведении экспе риментальных исследований
После проведения стендовых испытаний топливной аппаратуры высокого давления была проведена серия моторных экспериментов с целью выявления влияния имитируемых неисправностей на выходные параметры дизеля. Сначала снимались параметры исправной ТАВД, затем - после моделирования неисправностей.
Для уменьшения монтажных, разборно-сборочных работ и обеспечения идентичности регулировок ТАВД была использована методика определения характеристик дизеля с отключением части цилиндров [80]. При этом на одном ТНВД находились четыре исправные штатные топливные секции и четыре секции со смоделированными неисправностями, установленные через один в порядке работы цилиндров. Показатели дизеля определялись при работе его на четырех цилиндрах - последовательно для исправной ТАВД и со смоделированной неисправностью. Отключение цилиндров производилось отсоединением топливопроводов высокого давления от форсунок. Топливо от секций отключенных цилиндров для обеспечения корректности замера подавалось в измеряемую навеску, обеспечивая, таким образом, замер действительного расхода топлива на четыре работающих цилиндра. Схема включения ТАВД при испытаниях показана на рисунке 3.17. Для обеспечения равномерности работы дизеля отключение цилиндров производилось через один в порядке работы цилиндров двигателя. Данная методика позволяет исключить возможные погрешности и максимально точно оценить степень влияния на параметры работы двигателя моделируемой неисправности.
Полученные значения крутящего момента впоследствии приводились к значениям полноразмерного дизеля, для чего на исследуемых значениях скоростных режимов методом прокручивания коленчатого вала от постороннего источника энергии (в данном случае от электродвигателя стенда) определялось значение мощности механических потерь. Применение данной методики позволит, повысить точность измерения степени изменения диагностируемых параметров, сохранив корректность проведения стендовых испытаний.
Для проведения моторного эксперимента были выбраны режимы, соот -1 ветствующие максимальному крутящему моменту (n=1700 мин-1) и номинальной мощности (n=2600 мин-1). Количество необходимых замеров определялось выражением типа 2k (k - число факторов), что обусловлено рядом его оптимальных свойств, прежде всего рациональным размещением экспериментальных точек в факторном пространстве [120]. Перед проведением эксперимента было определено количество факторов, влияющих на изменение выходных параметров дизеля: комплексная неисправность нагнетательного клапана и форсунки. Таким образом, k=4, и количество экспериментов для каждого режима работы дизеля (n=1700 мин-1 и n=2600 мин-1) равно 16. Окончательными значениями для построения скоростной и нагрузочной характеристик принимались средние значение выходных параметров дизеля по результатам трех замеров.
На основании проведенного предварительного анализа результатов моделирования параметров топливоподачи при внесении неисправностей в топливную аппаратуру дизеля КАМАЗ-740 можно сделать следующие выводы: - ослабление пружины форсунки в большей степени (до 6-8 % на некоторых режимах) влияет на ухудшение параметров процесса топливоподачи по сравнению с ослаблением пружины нагнетательного клапана; - при комплексном ослаблении пружин форсунки и нагнетательного клапана до 60% давление топливоподачи существенно уменьшается (до 45% на некоторых режимах), кроме этого наблюдается сильное увеличение цикловой подачи; - при совместном влиянии ослабления пружин форсунки и нагнетательного клапана топливная аппаратура выходила за границу работоспособности системы при ослаблении пружин свыше 20%;
Вышесказанное позволяет подтвердить мнение, что волновой сигнал в линии высокого давления обладает достаточно высокой информативностью. Это позволяет использовать его в целях диагностирования топливной аппаратуры высокого давления. Кроме этого подтверждено предположение, что снижение упругих свойств пружин нагнетательного клапана и форсунки существенно влияет на показатели топливоподачи.
Оценка погрешности результатов измерений является одним из важных этапов подтверждения достоверности проведенных исследований и должна проводиться в соответствии с принятыми математическими методами обработки результатов наблюдений: ГОСТ 8.0207-76, ГОСТ 8.009-72. Испытания, проведенные на стенде испытания топливной аппаратуры и на моторном стенде, носили сравнительный характер. Сравниваемые параметры, полученные на одном и том же оборудовании и в одинаковых условиях, имеют, в основном, одинаковый уровень погрешности. Поэтому при определении разницы между ними имеющиеся погрешности компенсировали друг друга. Одна-139 ко количественная оценка погрешностей основных исследуемых величин имеет смысл.
При проведении экспериментальных исследований принимаем, что ошибка результатов измерений определяется случайными погрешностями, погрешностями измерительной аппаратуры и погрешностями обработки измерений. Систематические погрешности сводятся к минимуму следующими мероприятиями: - рациональным выбором типа и конструкции измерительной аппаратуры и ее предварительной тарировкой; - непрерывным контролем работы, настройки и стабильности показаний приборов измерительного комплекса; - снятием показаний приборов на установившихся режимах работы двигателя. Случайные ошибки устраняются применением автоматических и полуавтоматических измерительных схем, многократным проведением измерений при одинаковых условиях, а также тщательной обработкой полученных данных. В качестве наиболее вероятных значений измеряемой величины принимаем среднее арифметическое всех полученных измерений параметра в данном опыте [23]:
Анализ результатов моторного эксперимента при моделировании неисправности пружины форсунки
Улучшение показателей работы дизеля в эксплуатации повышением стабильности работы топливной аппаратуры основывалось на выполненных анализах научной и специальной литературы, возможных отказов элементов топливной аппаратуры дизелей, преимуществ и недостатков существующих методов контроля состояния упругих элементов ТАВД, и используемой при этом аппаратуры, а также проведенных при этом теоретических и экспериментальных исследований. Полученные в ходе данного исследования результаты позволили решить следующие задачи: были уточнены закономерности изменения технического состояния ТАВД дизеля в процессе эксплуатации; проанализирована эффективность известных методов контроля состояния упругих элементов ТАВД дизеля в условиях эксплуатации; сформирована уточненная математическая модель топливоподачи, учитывающая техническое состояние упругих элементов ТАВД; выполнен комплекс расчетных исследований топливоподачи в зависимости от технического состояния упругих элементов ТНВД и форсунки; разработана программа и методика экспериментальных исследований; выбрано и обосновано необходимое для проведения эксперимента оборудование; выполнены экспериментальные исследования влияния потери жесткости упругих элементов ТАВД на работу дизелей отечественных большегрузных автомобилей на примере двигателя КамАЗ-740.31-240; полученные экспериментально данные сопоставлены с результатами математического моделирования, подтверждена адекватность математической модели; уточнён метод контроля состояния упругих элементов ТАВД дизеля в условиях эксплуатации; разработаны практические рекомендации по использованию метода контроля состояния упругих элементов ТАВД в условиях эксплуатации.
Установлено, что на характеристики дизелей оказывает влияние целый комплекс показателей и условий, в том числе и техническое состояние топ-ливоподающих устройств, которое может предопределить способ смесеобразования, организацию рабочего процесса, характеристику топливоподачи и оказать ключевое влияние на выходные параметры дизелей. Проведенный анализ отказов дизелей показал, что на топливную аппаратуру высокого давления приходится около 50% общего числа отказов. Наиболее полно отвечающим современным требованиям контроля состояния ТАВД была признана методика исследований процесса топливоподачи по амплитудно-фазовым показателям сигнала высокого давления топлива, при этом определено, что волновой сигнал в линии высокого давления обладает достаточно высокой информативностью, т.е. неисправность возникающая в ТАВД оказывает существенное влияние на изменения параметров процесса топливоподачи, зафиксировав и идентифицировав которые имеется возможность определения вида и степени развития неисправности. В заключение данного диссертационного исследования можно сделать следующие выводы: - на долю отказов ТАВД приходится до 50% нарушений и поломок дизеля, средняя относительная частота отказов для деталей ТАВД составляет: для форсунок 10,5%, для ТНВД 9%; - техническое состояние отдельных элементов ТАВД оказывает существенное влияние на работу дизеля в целом, так например, при износе плунжерной пары потери подачи топлива на пусковых режимах могут доходить до 70-75%, в отличие от подачи топлива новой плунжерной парой, неравномерность подачи топлива при номинальном скоростном режиме увеличивается до 10-15%, тогда как у новой плунжерной пары она составляет всего 3-5%. - снижение упругих свойств пружины НК на 20% не приводит к замет ному изменению характеристик топливоподачи, снижение упругости пружи ны НК на 40% приводит к снижению давления впрыска на 14,8%, смещению максимального давления топливоподачи на 5о п.к.в. в сторону ВМТ, увели 180 чению цикловой подачи на 6,6%, моторные параметры при моделировании этой неисправности ухудшились в среднем на 6,2% по сравнению с исправной ТАВД. снижение упругости пружины НК на 60% приводит к снижению давления впрыска на 27,8%, смещению максимального давления топливопо-дачи на 12о п.к.в. в сторону ВМТ, увеличению цикловой выросло на 7,2%, при этом ухудшения моторных показателей составили 7,8%; - при ослаблении пружины форсунки на 20% снижает моторные показатели так же, как 40% ослабления пружины НК (реальная разница уложилась в погрешность измерений), при ослаблении пружины форсунки на 40% безмоторный эксперимент показал снижение давления впрыска на 21,2% и увеличение цикловой подачи на 8,7%, при этом моторные показатели ухудшились на 12,4%, при ослаблении пружины форсунки на 60% давление впрыска упало на 38%, а продолжительность цикловой подачи увеличилась на 29%, ухудшение моторных показателей составило 15,7% по сравнению с исправной топливной аппаратурой - при комплексной неисправности полностью нарушается правильная работа топливной секции, до 45% снижается давление впрыска, а цикловая подача растягивается по времени в 2 - 3,5 раза, при ослаблении пружин НК и форсунки на 20% давление впрыска снизилось на 46%, а цикловая подача увеличилась на 67%, моторные показатели ухудшились на 19,8% по сравнению с исправной ТАВД. Следовательно, ослабление пружин НК и форсунки на 20% выводит дизель за рамки целесообразного использования по назначению; - по мере износа плунжерных пар максимальное давление топливопо-дачи снижается примерно на 5% каждые 20 тыс. км пробега автомобиля, кроме того максимальное давление топливоподачи смещается в сторону ВМТ на 20 п.к.в. каждые 20 тыс. км пробега;
