Evaluation of the effect of fuel unevenness on diesel performance

Full Text

Введение Мощностные, экономические и экологические показатели дизелей определяют их качественные характеристики. Эти показатели тесно взаимосвязаны с качеством регулировки и работы их топливной аппаратуры, обеспечивающей должным образом процесс топливопо-дачи. Среди большого количества влияющих факторов процесса топливоподачи (момент начала подачи, качество распыливания и распределения топлива по камере сгорания, интенсивность подачи топлива и др.) основным остается количество подаваемого топлива [1-3]. Изменение количества подаваемого топлива, с одной стороны, обеспечивает регулирование мощности двигателя, а с другой, оказывает влияние на его экономичность работы, выбросы токсичных компонентов, тепловую нагруженность деталей, образующих камеру сгорания [4-6]. Такое влияние топливоподачи на показатели двигателя требует аккуратного отношения к данному параметру, иначе это может приводить не только к ухудшению экологических, мощностных и показателей экономичности работы, но и вызвать выход его из строя [7]. Цель исследования Дать теоретические подходы к оценке влияния неравномерности подачи топлива на показатели дизеля. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Количество подаваемого топлива в цилиндры двигателя можно рассматривать как величину, состоящую из двух частей: управляемой системы подачи топлива х и неуправляемой Лх, зависящей от качества работы системы. По оценкам исследователей этого вопроса, ухудшение показателей двигателя тем больше, чем выше доля неуправляемой части подаваемого топлива [4, 8]. Неуправляемую часть цикловой подачи топлива Лх можно также разделить на две составляющие: 1-я - связанная с систематической ошибкой регулировки и отклонений размеров деталей топливной аппаратуры в пределах допусков на изготовление; 2- я - связанная с нестабильностью процесса топливоподачи, во многом определяемая наличием зазоров и нестабильностью управляющего воздействия. Первая составляющая неуправляемой части регламентируется требованиями ГОСТ 10578-95 как неравномерность подачи топлива по цилиндрам и, например, для топливного насоса высокого давления (ТНВД) 4-цилиндрового двигателя допускается от 6 до 35 % в зависимости от режима работы при проверке на специализированном стенде с комплектом эталонной аппаратуры. Понятно, что при установке отрегулированного ТНВД на двигатель значение неравномерности станет еще больше, так как и форсунки, и топливопроводы высокого давления имеют разброс своих характеристик гораздо больше, чем эталонные. В отличие от первой - вторая составляющая неуправляемой части не регламентируется требованиями стандартов. По данным различных исследователей она может составлять от 10 до 60 % в зависимости от режима работы и состояния топливной аппаратуры [9, 10]. В результате совместного влияния результат неравномерности подачи может достигать существенной величины отклонения цикловой подачи топлива от среднего значения, что негативно сказывается на работе двигателя. Исследования по влиянию неравномерности подачи топлива в цилиндры двигателя на его показатели свидетельствуют о нелинейном характере этой зависимости. Для неравномерности в пределах до 6-10 % ею можно пренебречь, а при 40-60 % это может приводить к снижению мощности двигателя на 5-7 % и ухудшения экономичности до 2-5 % [9, 11]. Причем, степень влияния неравномерности подачи топлива на разных двигателях и режимах работы может отличаться довольно существенно и объяснение причин такой разницы эффектов не приводится, а также отсутствует алгоритм расчета такой оценки. Объяснение отмеченной причины и количественной оценки влияния неравномерности подачи топлива на показатели двигателя может быть получено при следующем подходе к решению задачи. Обычно оценку влияния количества подаваемого топлива на его показатели производят по регулировочной характеристике двигателя, представляющей зависимость эффективных показателей, токсичных выбросов и температуры отработавших газов от часового расхода топлива при постоянной частоте вращения вала. На рис. 1 представлена регулировочная характеристика, полученная для тракторного двигателя Д-120 на частоте вращения 1800 мин-1 [12]. На характеристике показано изменение эффективной мощности Ne, удельного расхода топлива g температуры отработавших газов Т и дымности C. Из анализа характеристики следует, что при изменении часового расхода топлива Gт приведенные показатели изменяются нелинейно. Причем, вид одних кривых имеет выпуклый характер (N), а других - вогнутый (ge, Тог и С). Между часовым расходом топлива и цикловой подачей топлива имеется следующая взаимосвязь: G = 3 • 108 р n i V. т 1 т ц ц где V - цикловая подача топлива, мм3; рт -плотность топлива, кг/м3; n - частота вращения, мин-1; i - количество цилиндров в двигателе. Так как регулировочная характеристика снимается при постоянной частоте вращения, число цилиндров также неизменно, а изменением плотности топлива можно пренебречь, то вид характеристики не изменится при ее перестроении от цикловой подачи топлива. (1) Изменение какого-либо показателя K двигателя от цикловой подачи топлива V может быть аппроксимировано с хорошей достоверностью полиномом второй степени в виде: K = a + bV + c V2 где K - показатель двигателя; a, b, с - коэффициенты; V - цикловая подача. В процессе работы двигателя, в результате неравномерности подачи топлива, цикловая подача в цилиндры может отличаться от среднего значения на величину AV, то есть составлять V±AV. Рассмотрим это на примере мощности 2-цилиндрового двигателя, как показано на рис. 2. Мощность каждого цилиндра N зависит от подачи топлива V, которую в соответствии с выражением (1) можно записать в виде: N = a + bV + cV2, (2) Для случая одинаковой подачи топлива в каждый цилиндр V (рис. 2, а), имеем равные мощности каждого цилиндра, и мощность двигателя составит: N = N + N2 = 2 (a + bV + cV2) Для случая, когда суммарная подача в двигатель будет такая же (2V), но в один цилиндр будет подано Vx ={V + A V) ,а в другой -V2 = (V - AV), где AV - отклонение цикловой подачи от среднего значения (рис. 2, б), будем иметь мощности для каждого цилиндра соответственно: N = a +b (V + AV) + c (V + AV)2 N2 = a + b (V - AV) + c (V - AV)2, а мощность двигателя составит после преобразования: Ne = N + N2 = 2a + 2bV + 2cV2 + 2cAV2 . (3) (4) Как следует из результатов полученной мощности двигателя по выражениям (2) и (3), разница между нами будет составлять: AN = 2c AV2 i- LU IB r- О T Таким образом, полученное выражение показывает, что при отклонении цикловой подачи от среднего значения происходит изменение мощности двигателя, и это изменение тем больше, чем больше коэффициент с и чем больше отклонение ЛУ, причем, от ЛУ зависимость квадратичная. Пояснение указанной ситуации приведено на рис. 3 для случая квадратичных полиномов, имеющих разные знаки коэффициента с. Для показателя К, имеющего в уравнении (1) коэффициент с < 0 (рис. 3, а), при цикловой подаче V показатель имеет значение K. При цикловой подаче V показатель имеет значение K1, а при цикловой подаче V2 - значение K2. Среднее значение между K1 и K2 лежит на середине отрезка прямой, соединяющей эти точки. Среднее значение меньше величины K на ЛК. Для показателя K, имеющего в уравнении (1) коэффициент с > 0 (рис. 3, б), при цикловой подаче V показатель аналогично имеет значение K. Также и при цикловой подаче V1 имеем K1, а при V2 имеем K2. Однако среднее значение уже больше величины К на ЛК. Величина разницы в показателе K, также как и в выражении (4), будет равна: К = cV2. (5) Анализ полученного выражения (5) показывает, что для показателя, имеющего с > 0, это приведет к его увеличению, а при с < 0 - к его уменьшению. Чем больше величина с и ЛУ тем больше это изменение. При с = 0 (линейная зависимость) значение показателя сохраняется, и оно от неравномерности топливоподачи не зависит. В табл. 1 приведены основные показатели двигателя и значения коэффициента с для них. Анализ результатов показывает, что увеличение неравномерности топливоподачи приводит к ухудшению показателей двигателя. Это ухудшение тем больше, чем больше модуль коэффициента |с|, характеризующий степень кривизны линии изменения показателя K от изменения расхода топлива. Заключение Увеличение неравномерности и нестабильности топливоподачи приводит к ухудшению основных показателей двигателя. Степень ухудшения показателей двигателя тем больше, чем больше неравномерность и нестабильность и чем выше нелинейность кривой изменения показателя от расхода топлива (чем больше коэффициент с). В настоящее время величина нестабильности топливоподачи не регламентируется, что не позволяет управлять качеством процесса.

About the authors

A. S Devyanina

John Deere RU

Email: das-89@list.ru

References

Supplementary files