Efficiency estimation of mechanic regulators of high-pressure fuel injection pumps

Abstract

Influence of design parameters of mechanic regulators of fuel injection pumps on dynamic parameters of internal combustion engine operation have been analyzed using mathematical models accounting influence of lever position of a fuel supply regulator and rotation frequency of cam shaft.

Full Text

УДК 631.372 ТСМ № 10-2014 Оценка эффективности регуляторов топливных насосов высокого давления механического типа Инж. Р.Р. Шириязданов, канд. техн. наук Ф.Х. Халиуллин (Казанский ГАУ, rustem404@rambler.ru) Аннотация. Проведен анализ влияния конструкционных параметров механических регуляторов топливных насосов высокого давления (ТНВД) на динамические показатели работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с использованием математических моделей, учитывающих влияние положения рычага регулятора подачи топлива и частоты вращения кулачкового вала ТНВД. В качестве объектов исследования выбраны регуляторы типа УТН, ТН и КамАЗ, применяемые в агропромышленном комплексе Республики Татарстан. Ключевые слова: регулятор ТНВД, динамические показатели работы ДВС, переходные режимы работы ДВС. Известно, что в условиях производства для автотракторных ДВС характерны переменные скоростные и нагрузочные режимы. Этим обусловлено ухудшение показателей рабочих процессов, приводящее к потерям мощности, крутящего момента и перерасходу топлива [1, 2]. Режим работы дизельных двигателей мобильных машин, в т.ч. при неустановившейся нагрузке, зависит от топливоподачи, влияющей на потери мощности и расход топлива. Топливоподача, в свою очередь, значительно зависит от особенностей конструкции регуляторов ТНВД конкретных машин, поэтому для оценки работы двигателя и определения потерь необходимо проанализировать работу регуляторов ТНВД. В качестве объектов исследования выбраны регуляторы типа УТН, ТН и КамАЗ, поскольку, по данным авторов, в структуре парка мобильных машин Республики Татарстан более 40% всех тракторов составляют МТЗ-80/82 с регуляторами серии УТН и 25% - тракторы с механическими регуляторами типа ТН (ДТ-75 и др.), а среди грузовых автомобилей с дизельными двигателями более 80% составляют автомашины марки КамАЗ с механическими всережимными регуляторами. С использованием уравнений Лагранжа второго рода составлены дифференциальные уравнения, характеризующие работу указанных регуляторов в зависимости от частоты вращения кулачкового вала и положения регулирующего органа. В качестве примера, опуская промежуточные преобразования уравнений, запишем их окончательную форму для регулятора КамАЗ. Уравнение для регуляторной ветви: (1) - для корректорной ветви: (2) - для обратного корректора: (3) В выражениях (1-3): - коэффициенты характеризуют ряд выражений, связывающих конструкционные параметры регуляторов между собой и с параметрами состояния регулятора; - характеризуют конструкционные параметры регулятора; - - начальное положение рейки регулятора, м; - начальная частота вращения кулачкового вала, рад/с; - начальное положение рычага регулятора подачи топлива, рад. Для проведения численного эксперимента выбрана среда математического моделирования Matlab R2010a и численные значения конструкционных параметров регуляторов ТНВД, позволяющие оценить их работу при изменении ряда конструкционных характеристик. Параметры численного эксперимента представлены в таблице. Параметры численного эксперимента Параметр УТН ТН КамАЗ Масса грузиков, кг: - конструкционная - уменьшенная - увеличенная 0,096 0,0816 0,1104 0,01 0,0085 0,0115 0,01 0,0085 0,0115 Жесткости пружин, Н/м: - конструкционные С0 = 4,91 Сп = 0,27 Ск = 780,4 С1 = 9,872 С2 = 4 С3 = 0,375 С1 = 5,32 С2 = 3,924 С3 = 0,981 - уменьшенные С0 = 5,65 Сп = 0,27 Ск = 897,5 С1 = 11,353 С2 = 4,6 С3 = 0,431 С1 = 6,118 С2 = 4,513 С3 = 1,128 - увеличенные С0 = 4,17 Сп = 0,23 Ск = 663,3 С1 = 8,391 С2 = 3,4 С3 = 0,319 С1 = 4,522 С2 = 3,335 С3 = 0,834 В зависимости от изменения конкретных параметров регулятора получены различные варианты переходных характеристик двигателя, примеры которых представлены на рис. 1. Используя полученные графические зависимости, можно определить относительные потери мощности, крутящего момента, топлива и других показателей по сравнению с эталонной характеристикой по зависимости: , (4) где Sp.x. - площадь под графиком с реальной характеристикой; Sэ.x. - площадь под графиком с эталонной (идеальной) характеристикой. Под эталонной понимается такая характеристика, которая позволяет менять подачу топлива практически мгновенно без значительных колебаний. Отсечка по времени t производится, когда колебания графика параметра устанавливаются в пределах 10% от максимального значения. На рис. 2 представлен пример определения потерь мощности по таким графикам. Анализ полученных данных показал, что применение механических регуляторов ТНВД приводит к значительным потерям при работе двигателей в динамических режимах. При этом конструкционные параметры регуляторов могут оказывать значительное влияние на количественные показатели указанных потерь. Так, определенные таким образом потери мощности и крутящего момента, характерные для режима разгона двигателей при различных конструкционных параметрах регуляторов ТНВД, соответствующих приведенным в таблице, составили: 6,3-12,2% для регуляторов типа УТН; 5,2-9% для ТН; 3,1-9,5% для КамАЗ.