Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА МОРСЬКА АКАДЕМІЯ

Л А Р Б І М О Х А М М Е Д

УДК 621.436-74.03.501.1

УДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСІВ ПАЛИВОПОДАЧІ СУДНОВИХ МАЛООБЕРТОВИХ ДИЗЕЛІВ

Спеціальність 05.08.05 - Суднові енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Одеса - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному морському університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Івановський Валерій Георгійович,

Одеський національний морський університет,

завідувач кафедри “Суднові енергетичні

установки і технічна експлуатація”.

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор Ханмамедов Сергій Альбертович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри “Суднові енергетичні установки”;

– кандидат технічних наук, доцент Челабчі Віктор Миколайович, Одеський національний морський університет, професор кафедри “Технічна кібернетика”.

Провідна установа - Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова Містерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Захист дисертації відбудеться “ 16 ” червня 2005 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідання вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 2.

Автореферат розісланий “ 13 ” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01,

доктор технічних наук,

професор В.А. Голіков

Загальна характеристика роботи

Економічні та експлуатаційні переваги дизелів перед іншими типами теплових двигунів стали причиною їхнього широкого розповсюдження на морських і річкових суднах. Так, наприклад, на торговельних, рибопромислових і пасажирських суднах Алжиру встановлені тільки дизельні двигуни і у перспективі цей тип суднової силової установки також буде основним.

У справі розвитку світового суднового дизелебудування в наш час поставлені конкретні технічні задачі: підвищення надійності і терміну служби дизелів, розробки питань теорії, конструкції та технології ремонту і обслуговування з метою підвищення енергетичних і економічних показників дизелів. У такому комплексі проблем особливо важливою є проблема підвищення паливної економічності дизелів у всьому діапазоні експлуатаційних режимів і підвищення міжремонтних і загальних термінів служби вузлів паливної апаратури.

Комплексне і ефективне вирішення цих задач приводить до необхідності розвитку експериментальних і теоретичних досліджень, удосконалення розрахункових методів, значення яких зростає у зв'язку із застосуванням сучасної контрольно-вимірювальної апаратури та використанням сучасних персональних ЕОМ.

Актуальність теми. Суднові енергетичні установки сучасних морських суден комплектуються дизелями нового покоління, які мають високу паливну економічність. Одним з основних шляхів підвищення їх економічності є удосконалення технічної експлуатації паливних систем високого тиску. Питанням дослідження й удосконалення систем паливоподачі присвячено багато робіт вітчизняних і зарубіжних вчених. Однак у цих роботах не враховується специфіка і особливості конструкцій нових перспективних суднових систем паливоподачі з паливними насосами високого тиску (ПНВТ), які мають додаткову прецизійну пару, а саме: “втулка плунжера - корпус всмоктувального клапана”. Недостатньо вивчені гідродинамічні процеси, які відбуваються у цих системах, а також вплив їх конструктивних і експлуатаційних параметрів на процес вприскування палива та робочий процес дизеля.

Таким чином, комплексне дослідження даної системи подачі палива і вирішення задач її подальшого удосконалення актуальні для сучасного дизелебудування і експлуатації транспортного та рибопромислового флотів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень, отримані наукові і практичні результати відповідають програмам та планам науково - технічних робіт, направлених на розвиток народного господарства України - цільовій комплексній програмі розвитку транспортного комплексу України “Транспорт”, пріоритетному напрямку науково-дослідних програм Міністерства освіти України “Енергоресурси та енергозбереження”, а також з пріоритетними напрямками розвитку техніки і використання ЕОМ у проектуванні та виробництві у відповідності з науковими програмами Міністерства Транспорту Алжиру і Алжирського Морського інституту м. Бусмаїл.

Мета і задачі дослідження. Виходячи з проведеного і викладеного у подальших розділах дисертаційної роботи аналізу, сформульована основна мета дослідження: підвищення ефективності процесів паливоподачі суднових малообертових дизелів з нетрадиційною і перспективною системою подачі палива, до якої входить ПНВТ з додатковою прецизійною парою “втулка плунжера - корпус всмоктувального клапана”.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішені такі задачі:

- проведено широке експериментальне дослідження процесу паливоподачі по вивченню впливу зазору між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера в.к на основні параметри процесу вприскування палива при роботі широко розповсюдженого суднового дизеля 6ДКРН 74/160-3, що працює за гвинтовою характеристикою, а також при постійному індексі паливної рейки ПНВТ;

- розроблено математичну модель, яка описує процес паливоподачі, і метод гідродинамічного розрахунку вприскування палива для систем подачі палива з ПНВТ, які мають додаткову прецизійну пару “втулка плунжера - корпус всмоктувального клапана”;

- розроблено комплексний метод сумісного розрахунку вприскування палива і робочого процесу дизеля, який є теоретичною базою для розрахунково-аналітичного дослідження;

- розроблено структурну схему і програму сумісного розрахунку паливоподачі і робочого процесу дизеля на ПЕОМ;

- виконано числовий експеримент з допомогою розробленого методу і програми розрахунку і встановлена адекватність розробленої математичної моделі результатам експериментальних досліджень;

- розроблено спрощений метод розрахунку і визначення в експлуатації параметрів вприскування палива;

- вироблено практичні рекомендації по збільшенню в експлуатації дизеля гранично припустимого значення зазору в.к , при якому забезпечується якісне вприскування палива;

- об'єкт дослідження - гідродинамічний процес, що відбувається у паливній системі високого тиску дизеля;

- предмет дослідження - удосконалення процесів паливоподачі суднових малообертових дизелів.

Методика дослідження. У роботі використані експериментальні методи вимірювання, а також розрахунково-аналітичні методи дослідження.

Експериментальні дослідження здійснювалися в лабораторії кафедри СЕУ і ТЕ ОНМУ на спеціальній установці для дослідження гідродинамічних процесів у системах паливоподачі суднових дизелів, на якій була встановлена реальна паливна апаратура суднового дизеля 6ДКРН 74/160_3.

При експериментальному дослідженні використовувалась сучасна електронна вимірювальна апаратура. Реєстрація параметрів, які характеризують досліджувані процеси у паливній апаратурі, здійснювались осцилографуванням. Вибір засобів вимірювання здійснювався за оцінкою достовірностей результатів вимірювань за допомогою методів теорії похибок. Обробка результатів експериментальних вимірювань здійснювалась з використанням методів математичної статистики. Розрахунково-аналітичне дослідження проводилося за допомогою сучасних ПЕОМ на базі розробленого комплексного метода розрахунку, який базується на сучасній теорії процесів паливоподачі і робочого процесу дизеля.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

- розроблено математичну модель і уточнено метод розрахунку процесу вприскування палива, які дозволяють здійснювати розрахунок сучасної паливної апаратури з ПНВТ, що містить додаткову прецизійну пару (втулка плунжера - корпус всмоктувального клапана);

- розроблено комплексний метод розрахунку робочого процесу і паливоподачі дизеля, який дозволяє здійснити оцінку впливу зазору на параметри робочого процесу дизеля та його економічність;

- отримано нові експериментальні і аналітичні залежності впливу конструктивних параметрів паливної апаратури на паливоподачу і робочий процес дизеля, що дає можливість якісно і кількісно оцінити вплив зазору на параметри паливоподачі та робочого процесу;

- науково обґрунтовано рекомендації по визначенню гранично припустимого зазору між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера ПНВТ, що дозволяє збільшити строк експлуатації досліджуваних прецизійних пар.

Практичне значення отриманих результатів:

- науково обґрунтовано визначені гранично припустимі зазори в.к у прецизійній парі між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера широко розповсюджених ПНВТ суднових дизелів на різних режимах експлуатації;

- вироблено практичні рекомендації по збільшенню граничного значення зазору в.к , при якому забезпечується якісне вприскування палива;

- розроблені методи і програми розрахунку паливоподачі і робочого процесу дизелів можуть бути використані при проектуванні суднових дизелів, а також дозволяють здійснювати оцінку технічного стану і модернізацію експлуатованих дизелів з метою підвищення їх економічності і надійності у всьому діапазоні експлуатаційних режимів;

- розроблено спрощений метод розрахунку і визначення в експлуатації основних параметрів вприскування палива.

Достовірність отриманих у роботі результатів забезпечена використанням фундаментальних рівнянь фізики суцільних середовищ, сучасною теорією опису процесів паливоподачі і робочого процесу дизеля та підтверджена коректними вимірюваннями досліджуваних параметрів з використанням сучасної вимірювальної техніки, яка пройшла метрологічний контроль.

Оцінка похибок натурного та чисельного експерименту показала їх достатньо високу точність. Адекватність теоретичної моделі підтверджується результатами експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача. Наукові та практичні результати, приведені в дисертації, отримані особисто автором у період з 1995 р. по 2001 р. на кафедрі суднових енергетичних установок і технічної експлуатації Одеського національного морського університету та під час праці в Алжирському морському інституті м. Бусмаїл.

У сумісних роботах [1, 4] автору належить постановка та математичне формулювання задач, отримання основних результатів, їх аналіз і наукові висновки.

Реалізація результатів роботи. Практичні рекомендації з оптимальної експлуатації систем паливоподачі, які мають ПНВТ із зазором в.к між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера, впроваджені у Чорноморському морському пароплавстві на суднових дизелях виробництва Брянського машинобудівного заводу і фірми “Бурмейстер і Вайн”; у державній судноплавній компанії UKMAR SHIPMANAGEMENT LTD, на Одеському судноремонтному заводі “Україна”, а також у Алжирському морському пароплавстві і Алжирському морському інституті м. Бусмаїл.

Матеріали і результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі Одеського національного морського університету при вивчені дисциплін “Суднові дизелі”, “Дослідження робочих процесів головного енергетичного обладнання”.

Апробації роботи. Основні результати досліджень повідомлені і схвалені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу:

– ОНМУ (м. Одеса, 1997, 1999, 2000, 2001 та 2002 роки);

– ОНМА (м. Одеса, 2003 та 2004 р.);

– УДМТУ (м. Миколаїв, 1999 р.) і Алжирському морському інституті (м. Бусмаїл, 2002 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 4 друкованих праці у спеціалізованих наукових виданнях, затверджених ВАК України.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, 4 розділів, закінчення і списку літератури. Загальний об'єм роботи 194 сторінки, включаючи 47 рисунків і 12 сторінок літератури з 133 найменуваннями.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліження, зазначені новизна і практична цінність результатів роботи, дається її коротка характеристика.

У першому розділі містяться:

- аналіз експлуатації систем паливоподачі з ПНВТ, які мають технологічний зазор в.к між втулкою плунжера і корпусом всмоктувального клапана;

- огляд і аналіз методів розрахунків процесів вприскування палива і методів розрахунків робочого процесу дизеля;

Наявність зазору в.к при розробці конструкції ПНВТ була обумовлена необхідністю переміщення втулки плунжера вздовж осі з метою зміни кута початку (випередження) вприскування оп під час експлуатації суднових дизелів є прогресивним рішенням у конструкції ПНВТ, тому що це дозволяє встановлювати оптимальний кут оп при зміні сорту палива і зношенні деталей ЦПГ, тобто зрештою підвищувати економічні показники дизелів у експлуатаційних умовах.

Однак результати експлуатації великої кількості дизелів ПО БМЗ ДКРН-3 і ДКРН-4 виявилися суперечливими. Багато хто з механіків взагалі не висувають будь-яких претензій до вузла “втулка плунжера - корпус всмоктувального клапана”, при цьому вони не відмічають помітного впливу зазору в цьому вузлі на експлуатаційні показники дизелів. Інші механіки суден як серйозний недолік ПНВТ цих дизелів відмічають суттєвий вплив на показники дизеля наявності зазору у вказаному вузлі насоса.

Збільшений зазор в.к може в період вприскування палива привести до великих протічок палива з надплунжерної порожнини насоса у всмоктувальну порожнину. Природно, у цьому випадку знижується тиск палива (як максимальний, так і середній) під час вприскування, погіршується якість розпилювання палива, а для забезпечення заданої потужності двигуна, тобто циклової подачі палива, необхідно збільшувати тривалість вприскування. Останнє нерідко, частіше за все на режимах повної потужності, може помітно знизити економічність двигуна (підвищити питому витрату палива) і збільшити температуру відпрацьованих газів (підвищити теплову напруженість деталей ЦПГ). На режимах часткових навантажень це також приводить до неповного згоряння палива, а отже до нагароутворення на деталях ЦПГ та у проточній частині газотурбонагнітача, зниження ресурсу роботи дизелів і до забруднення довкілля. Великі зазори в.к особливо негативно впливають на роботу дизелів на режимах малих навантажень, при пусках і на мінімально стійкій частоті обертання.

Таким чином, має практичний інтерес дослідження впливу зазору в.к на процес вприскування палива та на робочий процес дизеля і встановлення на цій основі граничного значення вказаного зазору, при якому буде ще забезпечена робота двигуна при заданих заводом-виробником параметрах.

Сучасні методи розрахунку паливоподачі у насосах високого тиску не прийнятні для розрахунку процесу вприскування палива у випадку встановлення на двигуні золотникових насосів зі всмоктувальним клапаном і зазором між корпусом цього клапана і втулкою плунжера насоса. В існуючих методах відсутній облік витоків палива через зазор в.к в період нагнітального ходу плунжера. Немає і формули, яка дозволяє розраховувати витоки палива через зазор в.к у процесі розрахунку подачі палива насосом.

У другому розділі наведено методи і методики досліджень, що базуються на методах фізичного та математичного моделювання.

При виконанні зазначених в даній роботі досліджень використовувалась методологічна схема, сутність і порядок якої можна уявити таким чином.

Перший етап: збирання та обробка інформації, яка включає практичне вивчення специфіки питання, що вирішується, з теоретичними основами досліджуваних процесів; ознайомлення з сучасним станом питання та відомими шляхами розв'язання потреб практики; аналіз їх ефективності з погляду експлуатаційного процесу; обробка та систематизація практичного досвіду та опублікованих в літературі результатів експериментів, аналіз перспектив застосування запропонованого варіанту вирішення проблеми та визначення пріоритетних напрямків у планованих дослідженнях.

Другий етап являє собою експериментальне та теоретичне обґрунтування обраного способу розв'язання задачі. Він полягає у вивченні відомих теоретичних уявлень, які відображають основи досліджуваних процесів створення математичної моделі, яка відображає особливості ПНВТ з технологічним зазором між втулкою плунжера та корпусом всмоктувального клапану.

У розроблених математичних моделях використовувались методи системного підходу на підставі фундаментальних рішень гідродинаміки і термодинаміки. При реалізації математичних моделей на ПЕОМ використовувався широковідомий та розповсюджений метод Ейлера, який має задовільну сходимість та достатньо точні результати.

Згадане вище дає можливість вважати, що використані під час виконання роботи методи та методики дозволяють отримати надійні та точні результати.

В цьому розділі також наведені методи обробки осцилограм та результати розрахунково-аналітичного дослідження.

Третій розділ дисертації містить результати експериментального дослідження.

Досліди проведені на експериментальній установці для випробування паливної апаратури у лабораторії кафедри СЕУ ОНМУ. На установці змонтована паливна апаратура дизеля ДКРН 74/160-3.

Дослідження впливу зазору між втулкою плунжера і корпусом всмоктувального клапана проводилось на режимах гвинтової характеристики, що відповідають циліндровій потужності Nе.ц 100, 90, 80, 70 и 50 % навантаження, а також на режимі мінімально стійкої частоти обертання nmin=35 хв-1. Досліди виконані при шести різних зазорах, а саме: в.к дорівнювало 5, 33, 42, 58, 84 і 100 мкм.

На рис. 1 показані залежності циклової подачі qц та її зниження qц від зазору в.к для різних режимів роботи паливної системи. З рис. 1 видно, що якщо циклова подача із збільшенням зазору спочатку зменшується порівняно мало (при збільшенні зазору в.к до 30 - 35 мкм), то при більших зазорах (понад 40 мкм) падіння qц практично пропорційно збільшенню зазору. На цих режимах і при в.к = 42 мкм значення qц порівняно мале, тобто 4,4 і 3,9 %. На режимах 0,5 Nе.ном і мінімально стійкої частоті обертання qц практично постійне при зміні зазору в.к від 5 до 33 мкм. При дуже великих значеннях зазору, а саме: при в.к = 84 мкм і в.к = 100 мкм падіння циклової подачі палива досягло 20 - 28 %.

На рис. 2 наведено графічні залежності основних параметрів вприскування палива на різних режимах роботи дизеля за гвинтовою характеристикою, а на рис. 3 наведено

Таким чином, якщо порівняти дані осцилографування при зазорах 5 і 42 мкм, то можна зробити висновок, що початок і тривалість вприскування палива змінюються незначно, а максимальний тиск, хоча й суттєво знижується, але знаходиться ще на достатньо високому рівні, при якому забезпечується якісне розпилювання палива. З цієї причини при збільшенні зазору в.к до 40 мкм не повинно відбутися помітного зниження економічності дизеля, тобто підвищення питомої витрати палива.

При зазорі в.к = 42 мкм і більше спостерігаються вже більш значні зміни у процесі вприскування палива, що наочно демонструється порівнянням кривих тиску палива перед розпилювачем форсунки № 1 і ходу її голки (рис. 4).

При зростанні зазору в.к з 5 до 100 мкм початок вприскування палива змістився на 1,4°ПКВ, тривалість вприскування зросла на 4,4 °ПКВ, а максимальний тиск впав на 19,0 МПа. При таких змінах показників процесу вприскування палива можна очікувати помітного зниження економічності дизеля і підвищення температури відпрацьованих газів, що й спостерігається на окремих суднах. Якщо врахувати, що на суднах трапляються випадки роботи паливних насосів з ще більшими зазорами в.к, то можна зробити однозначний висновок про неприпустимість експлуатації дизелів.

З метою розширення гранично припустимого зазору в.к в експлуатації на корпусі всмоктувального клапана були проточені лабіринтні ущільнення. Канавки ущільнення виготовлялися різної висоти, ширини, а також змінювалась їх кількість.

Аналіз дослідних даних дозволяє зробити однозначний висновок про те, що проточка канавок привела до зменшення витоків палива через зазор, в результаті чого підвищився мінімальний тиск палива в залежності від режиму роботи на 15 %, а циклова подача на 9 %. Характер перебігу вприскування палива практично лишається незмінним. Найбільший вплив на процес паливоподачі канавки справляли на режимі мінімально стійкої частоти обертання колінчатого валу n=35хв-1.

Отже, проточка канавок на корпусі клапана привела до підвищення гідрощільності пари “корпус клапана - втулка плунжера”, що рівнозначно зниженню зазору на номінальному режимі на 15 мкм або збільшенню терміну експлуатації даної прецизійної пари.

В експлуатації дизелів ДКРН 74/160-3 відмічені випадки розривів паливопроводу підкачувальної магістралі, причому однією з причин, які обумовлюють ці розриви, деякі механіки вважають наявність хвильового процесу через великі витоки палива через зазор між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера у період нагнітання палива насосом. У зв'язку з цим було проведено осцилографування тиску палива у всмоктувально-відсічній порожнині ПНВТ при різних зазорах в.к, у тому числі і при закатаних червономідних ущільнюючих поясках в.к = 0.

На рис. 5 подані дві осцилограми, які відповідають режиму n =120 хв-1 при в.к = 125 мкм (осцилограма а) и при в.к = 0 (осцилограма ). Перша осцилограма знята при дуже великому зазорі в.к, коли при незмінному індексі m = 42 ум. од. циклова подача у порівнянні з подачею при в.к=0 знизилася більше ніж на 30%. Аналіз наведених осцилограм показав наявність двох джерел коливання тиску палива у відсічній порожнині РОТС: джерело 1 -- це перепуск палива з надплунжерного простору ПНВТ у всмоктувальну порожнину через відсічні отвори втулки плунжера на початку його нагнітального ходу. Максимальний тиск у цей момент досягає 0,9 - 1,0 МПа при тиску підкачування палива 0,56 МПа і мало залежить від зазору в.к.

Практично такий же тиск РОТС отримано на режимі n = 120хв-1 і при в.к, що дорівнює 4, 35 і 80 мкм. Після закриття плунжером відсічних отворів спостерігається затухання коливань, що має місце при будь-яких зазорах, і ніяких додаткових імпульсів тиску, спричинених витоками палива крізь зазор в.к, не спостерігається. Інтенсивні коливання тиску палива, як видно з осцилограм, виникають тільки під час відсічки подачі палива насосом (джерело 2). Відомо, що амплітуда коливань при відсіченні тим вища, чим більший тиск палива у системі в момент початку відсічки. У випадку, коли в.к = 0, цей тиск значно вищий, ніж у випадку, коли в.к = 125 мкм. В результаті максимальна амплітуда коливань тиску при відсіченні при в.к =125 мкм становить лише РОТСmax = 2,8 МПа , тоді як при в.к = 0 -- РОТСmax =7,6 МПа. Значення тиску РОТСmax були визначені і при інших зазорах, при цьому РОТСmax = 7,5 МПа при в.к = 4 мкм і РОТСmax = 3,8 МПа при в.к = 80 мкм, тобто підтверджена залежність тиску РОТСmax від тиску палива в системі в момент відсічки.

Таким чином, думка, що великі зазори в.к приводять до підсилення коливального процесу у підкачувальній магістралі є помилковою. Осцилографування показало: чим більший зазор в.к, тим нижче РОТСmax, що повністю відповідає фізичним уявленням про коливання у лінії низького тиску.

Необхідно відзначити недолік ПНВТ дизелів ДКРН 74/160-3 та інших модифікацій, який полягає в тому, що незважаючи на установку демпфера, інтенсивність коливального процесу у підкачувальній магістралі дуже значна і чим менший зазор в.к, тим вищі амплітуди коливань.

Четвертий розділ дисертації присвячений розробці математичної моделі паливоподачі і комплексного методу розрахунку паливоподачі та робочого процесу дизеля.

Загальна схема математичної моделі полягає у початковому розрахунку процесу вприскування палива, в результаті чого при певних не тільки конструкційних, але й експлуатаційних параметрах обчислюються значення циклової подачі палива qц, тривалість вприскування палива вп і кут початку вприскування палива форсункою по куту повороту розподільного вала двигуна оп. Після цього, отримані значення qц, вп і оп використовуються при розрахунку робочого процесу дизеля.

Перший варіант розрахунку паливоподачі і робочого процесу (базовий варіант) проводиться при нульовому зазорі в.к в парі “корпус всмоктувального клапана - напрямна”. В результаті отримуємо базове значення кута початку вприскування палива оп.б (за кутом повороту паливного насоса високого тиску). Наступний розрахунок проводимо при будь-якому значенні зазору в.к у всмоктувальному клапані, при цьому при розрахунку паливоподачі отримаємо новий кут початку вприскування палива оп (він став менший, ніж оп.б). У зв'язку з цим проводимо коректування кута випередження вприскування палива у робочий циліндр двигуна. Подальший розрахунок робочого процесу дизеля дасть можливість оцінити зміну всіх параметрів робочого процесу дизеля при незмінній відсічці подачі палива насосом високого тиску і новому діаметральному зазорі в.к.

Розрахункова схема паливного насоса високого тиску показана на рис. 6.

Під час всього ходу нагнітання плунжера можна виділити три етапи:

– Й - від початку підйому плунжера до моменту перекриття плунжером відсічних отворів;

– ЙЙ - від початку перекриття плунжером відсічних отворів до початку відсічки (активний хід плунжера);

– ЙЙЙ - від початку відсічки до закінчення розрахунку процесу вприскування.

,

де т -- коефіцієнт стисливості палива; н - об'єм надплунжерного простору насоса; н - тиск палива у надплунжерному просторі; - час; п - площа поперечного перерізу плунжера; - переміщення плунжера; о - число відсічних вікон; uo - швидкість палива у вхідному перерізі паливопроводу; о - коефіцієнт витрачення відсічного вікна; о - прохідна площа відкритої частини відсічного вікна; - густина палива; В - тиск палива у всмоктувально-відсічній порожнині; у.н - витік палива крізь плунжерну пару насоса; у.в.к - витік палива крізь зазор в.к ; т - площа поперечного перерізу нагнітального паливопроводу.

Рівняння розв'язуємо різницевим методом. Після перетворення отримуємо:

(1)

де

Середній об'єм циліндра

,

де .

У момент нагнітання в період, коли відсічні отвори перекриті (етап II, o o = 0) рівняння (1) приймає вигляд

,

де

; ; при h hн .

Методика розрахунку витоків палива по зазору між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера насоса у дизелях “Бурмейстер і Вайн” у літературі відсутня. Немає також можливості визначити ці витоки з достатньою достовірністю дослідним шляхом, тому що витоки палива повертаються у всмоктувальну порожнину насоса. Через те розрахунок витоків палива qу.в.к зробимо за формулою руху рідини у вузькій кільцевій щілині, за аналогією з розрахунком витоків палива крізь зазор у компресійній частині плунжера. Тоді

,

де в.к -- діаметральний зазор між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера, м; dв.к -- діаметр корпуса всмоктувального клапана, м; Lв.к - довжина компресійної частини корпуса всмоктувального клапана, м; В и В1 - дослідні коефіцієнти; РН - тиск палива у надплунжерній порожнині ПНВТ, МПа; - кінематична в'язкість палива, сСт.

Коефіцієнти В и В1 визначаємо методом послідовних наближень. З цією метою була проведена серія дослідів на номінальному режимі роботи. Під час дослідів зазор в.к змінювався від 0 до 100 мкм. Після цього була проведена серія розрахунків процесу вприскування палива за тих же умов, при яких проводилися дослідження. У розрахунках значення В змінювалися від 0,5 10-13 до 0,8 10-13, а В1 було прийнято рівним 0,036 (за аналогією з розрахунком витоків палива крізь зазор в компресійній частині плунжерної пари паливного насоса).

Коефіцієнт В враховує деформацію усередненого зазору між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера насоса. В результаті теоретично-дослідної розвідки отримано В = 0,652 10-13.

Розрахунок паливоподачі у паливопроводі високого тиску і у форсунці проводиться за методом проф. Фоміна Ю.Я. на базі гідродинамічного розрахунку з урахуванням в'язкості палива.

Кількість теплоти dQт, яка виділилася при згорянні палива за період dц ;

,

де - швидкість тепловиділення.

Швидкість тепловиділення визначається за формулою проф. Семенова В.С., яка отримана на базі великого об'єму експериментальних досліджень робочого процесу суднових малообертових дизелів.

В.С. Семенов запропонував таку формулу для обчислення швидкості тепловиділення

,

де значення А і К в основному залежать від циклової подачі палива, періоду затримки самозаймання.

В даному розділі розроблено структурну схему комплексного розрахунку паливоподачі та робочого процесу дизеля, на базі якої була складена програма розрахунку на алгоритмічній мові ФОРТРАН і проведено розрахунково-аналітичне дослідження.

Достовірність математичної моделі процесу вприскування палива системами, які мають золотникові насоси високого тиску зі всмоктувальним клапаном, була перевірена шляхом порівняння розрахункових параметрів процесу вприскування палива з дослідними для дизеля Брянського машинобудівного заводу марки 6ДКРН 74/160-3.

На рис. 7 наведено графічні залежності циклової подачі палива qц, максимального тиску у форсунці Pф (у дослідах тиск Pф реєструвався у каналі корпуса форсунки на відстані 50 мм від корпуса розпилювача), тривалості вприскування палива вп і зміни кута випередження вприскування палива оп (у порівнянні з режимом, коли зазор в.к = 0) від діаметрального зазору в.к.

Розрахунки і досліди виконані для номінального режиму роботи двигуна n=120 хв-1, коли при в.к = 0 циклова подача палива складала 39 г. Дослідження проведено для найбільш малов'язкого палива, коли витоки палива крізь зазор між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера насоса найбільші.

Аналіз кривих qц=f(в.к) показує, що при зазорі в.к=40 мкм розрахункове значення подачі qц від дослідного не перевищило 0,3 г. (менше 1%). При подальшому збільшенні зазору в.к характер змін розрахункової залежності qц=f(в.к) такий же, як і дослідної залежності, але відхилення у значеннях qц збільшуються і при в.к =100 мкм досягають 1,7г. (2%).

Середньоквадратична помилка дорівнює 0,82 г. або 2,1 % по відношенню до номінального значення qц, яке дорівнює 39 г. Слід відмітити, що така помилка менша за помилки вимірювання дослідних значень циклових подач.

Найбільша відміна розрахункових значень від дослідних отримана для максимального тиску палива pф (майже 8%). Але в даному випадку підвищена помилка пояснюється не тільки похибкою математичної моделі, але й тією обставиною, що дослідне значення замірялося на відстані 50 мм від розрахункового.

Що ж стосується різниці у розрахункових і дослідних значеннях тривалості вприскування палива вп і кута випередження оп, то вони знаходяться в межах дослідної розвідки при осцилографуванні процесу вприскування палива.

Відомо, що найбільший вплив зазор в.к на вприскування палива робить на режимах малих навантажень. Через те порівняння розрахункових параметрів процесу вприскування палива на цих режимах з дослідними являє собою найбільший інтерес. Але і в даному випадку відмічено задовільна збіжність розрахункових даних з дослідними по всіх чотирьох параметрах процесу вприскування палива: qц, pф, вп, оп.

Таким чином, достатньо широкий обчислювальний експеримент, проведений на базі розробленої методики розрахунку паливоподачі у ПНВТ дизелів БМЗ типу ДКРН, дав ті самі кінцеві результати, що й експериментальні дослідження. Це є переконливим доказом достатньої для інженерної практики достовірності розробленого метода розрахунку вприскування палива у дизелях, у яких ПНВТ має всмоктувальний клапан і додаткову прецизійну пару “корпус клапана - втулка плунжера”.

Достовірність математичної моделі робочого процесу перевірена також на прикладі дизеля БМЗ марки 6ДКРН 74/160-3, паспортні дані по якому подані у монографії проф. Шишкіна В.А., де указано:

– індикаторна потужність Ni = 8667 кВт;

– питома індикаторна витрата палива bi = 0,1944 кг/(кВтгод);

– максимальний тиск згоряння Рz = 6,86 МПа.

При розрахунку на ПЕОМ відповідно отримано:

Ni = 8640 кВт (неузгодження 0,31%);

bi = 0,1951 кг/(кВтгод) (0,31%);

Pz = 6,948 МПа (0,13%).

Розрахунки виконані при тиску наддувного повітря Ps = 0,19 МПа (абс.), який дорівнює дослідному значенню.

Отже, дослідна перевірка показала, що при розрахунках отримані основні параметри робочого процесу близькі до дослідних (в межах похибок визначення останніх).

Щоб оцінити вплив зазору в.к на основні показники процесу паливоподачі, бажано мати прості залежності, які дозволяють визначити зміни циклової подачі палива, початку і тривалості вприскування, а також максимального тиску у форсунці для різних значень зазору.

В результаті дослідження декількох видів моделей, в основі яких лежали експоненційні функції, було знайдено оптимальний вид рівняння двопараметричної моделі:

,

де А,В,С,D - коефіцієнти, значення яких для заданої таблиці експериментальних даних підбираються з допомогою алгоритму Powell-64.

Експоненційна модель, як виявилось, якнайкраще відбиває фізику процесів, які відбуваються у паливній апаратурі, в результаті природного спрацювання прецизійних вузлів.

Вказані рівняння справедливі і при інших значеннях qц.ном, ВП ном та рф ном, які можливі у експлуатації дизелів через зміну сортів палива. Їх можна використовувати і при оцінюванні змін параметрів вприскування палива і в інших дизелях ПО БМЗ третьої, четвертої і сьомої модифікацій, а також у дизелях виробництва фірми “Бурмейстер і Вайн”, а також її ліцензіатах.

ВИСНОВКИ

Результати роботи дають підставу зробити такі висновки:

1. У десертаційній роботі представлене нове розв'язання задачі удосконалення технічної експлуатації паливних систем суднових дизельних установок, що дає змогу підвищити надійність та економічність дизелів.

2. Конструктивне рішення пари “корпус всмоктувального клапана - втулка плунжера” ПНВТ, запропоноване фірмою “Бурмейстер і Вайн” і прийнятою ПО БМЗ є раціональним, тому що дозволяє просто і ефективно регулювати кут випередження подачі палива при експлуатації дизелів.

Основною причиною незадовільної роботи даної паливної апаратури дизеля, яка веде до погіршення параметрів робочого процесу дизеля і до збільшення витрати пального, зростання температури відпрацьованих газів і нагароутворення, є експлуатація паливних насосів із зазорами в.к, що значно перевищують припустимі значення.

Усунення зазору в.к недоцільно, тому що виключається можливість регулювання кута початку подачі палива насосом, що неприпустимо при експлуатації суднового дизеля.

3. Проведене широке натурне експериментальне дослідження дозволило вперше установити залежності впливу зазору в.к на основні параметри процесу вприскування палива при роботі широко розповсюдженого на морському флоті суднового дизеля 6ДКРН 74/160-3 за гвинтовою характеристикою, а також при незмінному індексі паливної рейки ПНВТ.

4. Розроблена математична модель і проведено уточнення метода гідродинамічного розрахунку вприскування палива паливною системою високого тиску з ПНВТ, який має додаткову прецизійну пару “втулка плунжера - корпус всмоктувального клапана”.

5. Розроблено комплексний метод розрахунку процесу вприскування палива і робочого процесу дизеля, а також структурну схему і програму розрахунку, які були базою проведеного розрахунково-аналітичного дослідження.

6. Перевірка показала адекватність прийнятої математичної моделі результатам експериментального дослідження. Обчислювальний експеримент дозволив розширити діапазон досліджень і виявити вплив зазору в.к на параметри робочого процесу дизеля та його економічність.

7. На основі результатів експериментального і розрахунково-аналітичного дослідження було установлено: рекомендувати експлуатаційний зазор у досліджуваній парі в.к у діапазоні від 5 до 30 мкм, а при зазорі більше 40 - 50 мкм вузол всмоктувального клапана повинен бути замінений.

8. Розроблені науково обґрунтовані практичні рекомендації по збільшенню граничного експлуатаційного значення зазору в.к, при якому забезпечується якісне вприскування палива. Це дозволяє збільшити термін експлуатації вузла всмоктувального клапана ПНВТ.

9. Результати натурного експерименту і розроблений комплексний метод розрахунку можуть бути використані для дослідження процесів вприскування палива і робочого процесу інших типів дизелів.

10. Розроблено спрощений метод розрахунку визначення у експлуатації параметрів вприскування палива в дизелях з урахуванням зазору між корпусом всмоктувального клапана і втулкою плунжера насоса.

11. Розроблені методи і програми розрахунку паливоподачі і робочого процесу дизелів дозволяють здійснювати оцінку технічного стану і модернізацію паливної апаратури дизелів, що експлуатуються, з метою підвищення їх економічності і надійності у всьому діапазоні експлуатаційних режимів, а також можуть бути використані при проектуванні.

12. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані на підприємствах морського, річкового і рибопромислового флотів, які займаються експлуатацією та ремонтом дизелів, на дизелебудівних заводах, у конструкторських і науково-дослідних організаціях по дизелебудуванню, а також у навчальному процесі у вищих навчальних закладах.

На цей час результати роботи впроваджені в Українському Чорноморському морському пароплавстві, у державній судноплавній компанії UKMAR, на Одеському судноремонтному заводі “Україна”, в Алжирському морському пароплавстві, а також у навчальних закладах -- ОНМУ і Алжирському морському інституті м. Бусмаїл.

Основні положення дисертації опубліковані у роботах

1. Ивановский В.Г., Ларби Мохаммед. Экспериментальное исследование и анализ влияния гидроплотности посадки корпуса всасывающего клапана ТНВД на впрыскивание топлива в дизелях // Актуальные проблемы теории корабля. Проектирование судов и их конструкций. - Одесса: ОГМУ. - 1999. - Вып.3. - С.150 - 155.

2. Ларби Мохаммед. Комплексный метод расчета топливоподачи и рабочего цикла дизеля // ТЕМА: науч.-техн. сб. - Одесса: ОГМУ. - 1999. - Вып. 4 - С. 32 - 42.

3. Ларби Мохаммед. Метод расчета топливоподачи насосом высокого давления в дизелях ПО БМЗ // Энергетическое судостроение и энергетика: науч.-техн. сб. - Николаев: УДМТУ. - 2000. - Вып. 1(367). - С. 51 - 59.

4. Варбанец Р.А., Ивановский В.Г., Ларби Мохаммед. Определение в эксплуатации параметров впрыскивания топлива в дизелях с учетом зазору между корпусом всасывающего клапана и втулкой плунжера насоса // ТЕМА: науч.-техн. сб. - Одесса: ОНМУ. - 2002. - Вып.8. - С. 135 - 140.

анотація

паливоподача дизель зазор строк

Ларбі Мохаммед Удосконалення процесів паливоподачі суднових малообертових дизелів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.06 - Суднові енергетичні установки. Одеський національний морський університет, Одеса, 2005.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності технічної експлуатації дизельних суднових енергетичних установок, а саме підвищення їх економічності і надійності.

Створені математичні моделі, методи і програми обчислень на ПЕОМ гідродинамічних процесів уприскування палива і робочого процесу дизеля, які стали базою для розрахунково-аналітичного дослідження. Проведено також широке натурне експериментальне дослідження.

Комплексне дослідження процесів паливоподачі і робочого процесу дизеля дозволило встановити вплив зазору в.к на ці процеси і визначити граничні значення зазорів, допустимих в експлуатації, а також розробити практичні рекомендації по збільшенню допустимих зазорів, а відповідно збільшити строки експлуатації паливної апаратури.

Розроблені методи обчислень і результати досліджень дозволяють здійснювати оцінку технічного стану і модернізацію паливної апаратури експлуатованих дизелів з метою підвищення їх економічності і надійності в усьому діапазоні експлуатаційних режимів.

На цей час практичні результати дисертаційної роботи впроваджені на чотирьох судноплавних компаніях і судноремонтному заводі в Україні та Алжирі.

Ключові слова: суднові енергетичні установки, дизелі, експлуатація, паливна апаратура, робочий процес.

Ларби Мохаммед Совершенствование процессов топливоподачи судовых малооборотных дизелей. - Рукопись

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 - Судовые энергетические установки. Одесский национальный морской университет, Одесса, 2005.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности технической эксплуатации дизельных судовых энергетических установок, а именно повышению их экономичности и надёжности.

Основным объектом исследования является широко распространённый на морском флоте главный судовой дизель с нетрадиционной топливной аппаратурой с топливными насосами высокого давления, имеющими дополнительную прецизионную пару: втулка плунжера - корпус всасывающего клапана. Было установлено, что величина эксплуатационного зазора в.к в данной прецизионной паре оказывает значительное влияние на впрыскивание топлива, на рабочий процесс дизеля, а следовательно его технико-экономические показатели.

Созданы математические модели, методы и программы расчёта на ПЭВМ гидродинамических процессов впрыскивания топлива и рабочего процесса дизеля, которые явились базой для расчётно-аналитического исследования.

Проведено широкое натурное экспериментальное исследование на различных режимах эксплуатации дизеля, которое убедительно показало адекватность принятых математических моделей.

Комплексное исследование процессов топливоподачи и рабочего процесса дизеля позволило установить влияние зазора в.к на эти процессы и определить предельные значения зазоров допустимые в эксплуатации, а также разработать практические рекомендации по увеличению допустимых зазоров, а следовательно увеличить сроки эксплуатации топливной аппаратуры.

Разработанные методы расчётов и результаты исследований позволяют производить оценку технического состояния и модернизацию топливной аппаратуры эксплуатируемых дизелей с целью повышения их экономичности и надёжности во всём диапазоне эксплуатационных режимов.

В настоящее время практические результаты диссертационной работы внедрены на четырёх судоходных компаниях и судоремонтном заводе Украины и Алжира.

Ключевые слова: судовые энергетические установки, дизели, эксплуатация, топливная аппаратура, рабочий процесс.

Larbi Mohammed - The improvement of fuel supply processes of slow-speed diesels. - The manuscript.

The master's thesis on specialized training 05.08.05 - Marine power plants. The Odessa State Maritime University, Odessa, 2005.

The thesis is devoted to questions of efficiency increase of technical operation of diesel ship power installations, namely increase of their economy and reliability.

Mathematical models, methods and programs of computer calculations of hydrodynamic processes of fuel injection and diesel engine working processes which were a base for a calculation-analytical experimental research are created.

The complex research of fuel supply and working processes of a diesel engine has allowed to establish the influence of clearance в.к on these processes and to define the limiting clearance significances allowable in operation, and also to develop practical recommendations to increase clearances, and hence to increase the operation terms of the fuel equipment.

The developed methods of calculations and results of researches allow to give an appreciation of a technical condition and modernization of the fuel equipment of maintained diesel engines with the purpose to increase their economy and reliability in all operational modes range.

Now practical results of the research work are introduced in four shipping companies and a ship-repair yard of Ukraine and Algeria.

Key words: ship power installations, diesel engines, operation, the fuel equipment, working process.

Размещено на Allbest.ru

...