Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Богачёв Сергей Александрович. Разработка топливоподающих систем дизеля нового поколения с целью выполнения перспективных нормативов, ограничивающих токсичность отработавших газов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.04.02 : Ярославль, 2002 173 c. РГБ ОД, 61:04-5/1086

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 7

1. Состояние проблемы, цель и задачи исследования 12

1.1. Особенности рабочего процесса дизеля. Причины возникновения вредных веществ в отработавших газах 12

1.2. Современные и перспективные нормативы, ограничивающие вредное воздействие дизелей на окружающую среду 17

1.3. Основные способы снижения токсичности отработавших газов дизелей 24

1.4. Устройство и основные функции системы электронного управления топливоподачей дизеля 39

1.5. Обзор современных и перспективных топливоподающих систем дизелей

1.5.1. Топливоподающие системы с механическим приводом плунжера и гидроуправляемыми форсунками 47

1.5.2. Топливоподающие системы типа HEUI и их модификации 57

1.5.3. Аккумуляторные топливоподающие системы типа Common Rail 63

1.5.4. Аккумуляторные топливоподающие системы импульсного действия 70

1.6. Выводы 74

1.7. Цель и задачи работы 75

2. Методика построения математических моделей топливоподающих систем дизелей

2.1. Особенности рабочего процесса топливоподающих систем дизелей з

2.2. Краткий обзор истории развития методов расчёта рабочих процессов топливоподающих систем дизелей 77

2.3. Методика построения математических моделей топливоподающих систем дизелей 80

2.4. Выбор внешнего управляющего фактора 84

2.4.1. Целесообразность применения эмпирических данных при задании внешних управляющих воздействий 84

2.4.2. Некоторые конструктивные особенности электроуправляемых клапанов 85

2.4.3. Разработка эмпирических формул кинематики управляющего клапана , 86

2.5. Выводы 88

3. Расчётное исследование характеристик топливоподающих систем различных типов 89

3.1. Общие технические требования к перспективным топливоподающим системам дизелей 89

3.1.1. Среднее за цикл давление спрыска топлива 89

3.1.2. Возможность независимого управления давлением спрыска топлива 91

3.1.3. Диапазон устойчиво дозируемых цикловых подач 92

3.1.4. Возможности управления фазовыми параметрами впрыскивания 94

3.2. Критерии сравнения топливоподающих систем различных типов 94

3.3. Определение области исследований 95

3.4. Основные технические характеристики теоретически исследуемых топливоподающих систем 96

3.5. Проведение расчётных исследований 101

3.6. Результаты расчётных исследований рассматриваемых топливоподающих систем 105

3.7. Выводы 118 4. Экспериментальное исследование топливоподающих систем дизелей

с электронным управлением 119

4.1. Методика экспериментальных исследований топливоподающих систем на безмоторном стенде 119

4.2. Основные технические характеристики экспериментально исследуемой топливоподающей системы 126

4.3. Результаты экспериментальных исследований 127

4.4. Выводы 133

5. Анализ результатов 134

5.1. Оценка степени достоверности результатов расчётных исследований 134

5.2. Характерные особенности рабочего процесса

топливоподающих систем с гидроуправляемыми форсунками 135

5.3. Характерные особенности рабочего процесса топливоподающих систем с электроуправляемыми форсунками 137

5.4. Энергетические показатели топливоподачи 139

5.5. Возможности управления давлением впрыскивания 139

5.6. Показатели точности дозирования сверхмалых объёмов топлива 140

5.7. Показатели быстродействия топливоподающих систем 141

5.8. Рекомендации 144

Общие выводы по работе 146

Литература 148

Приложения 163 

Введение к работе:

Среди известных типов двигателей для наземных транспортных средств в настоящее время экономически наиболее эффективным является дизель с непосредственным впрыском топлива и газотурбинным наддувом. Несмотря на интенсивные исследования и разработки других типов двигателей (тепловых, электрических и пр.), они уступают дизелю по основным эффективным показателям. Дизель с непосредственным впрыском топлива и газотурбинным наддувом обладает рядом преимуществ, важнейшим из которых является высокая степень использование теплоты, полученной при сгорании топлива (индикаторный КПД) в сравнении с другими типами ДВС. Например, дизели современных легковых автомобилей расходуют в среднем на (20...30) % меньше топлива по сравнению с бензиновыми двигателями равной мощности [83]. Бензиновые двигатели также постоянно совершенствуются, однако принципы их работы не позволяют значительно увеличить степень сжатия, которая является определяющим параметром топливной экономичности ДВС. Большинство научных исследований и разработок, направленных на повышение эффективности бензиновых двигателей, как правило, не затрагивают их индикаторных показателей [30, 46, 164, 166, 172, 173].

Расходы на топливо в течение жизненного цикла автотранспортного ДВС являются преобладающими и значительно превышают себестоимость изготовления двигателя и прочие расходы на его обслуживание и ремонт [7], поэтому топливная экономичность ДВС является одним из важнейших его показателей. Дизель, несмотря на несколько большую себестоимость изготовления по сравнению с бензиновым двигателем равной мощности, за счёт высокой топливной экономичности оказывается более предпочтительным в эксплуатации.

Очень высокими значениями КПД обладают электрические двигатели, но они не получили такого распространения в транспортных средствах, как ДВС, по причине отсутствия компактных, лёгких, высокоёмких и дешёвых электрических источников питания. Для обеспечения приемлемого запаса хода наземного транспортного средства с электродвигателем масса традиционных электрических аккумуляторов недопустимо велика и соизмерима с полной массой транспортного средства.

Известны компактные электрические источники питания, например, топливные элементы, использующие водород или метанол для получения электрического тока, но существующие технологии производства топливных элементов пока ещё нельзя признать эффективными. По данным отечественных и зарубежных публикаций, в настоящее время себестоимость электрического источника питания на базе топливных элементов для автомобиля значительно превышает себестоимость традиционного ДВС. В ряде промышленно развитых стран применение топливных элементов признано перспективным, и в этом направлении ведутся интенсивные исследования [85, 143, 144]. Актуальность разработки топливных элементов для транспортных средств объясняется тем, что такие агрегаты обладают высокими значениями КПД, а также оказывают гораздо меньшее вредное воздействие на окружающую среду по сравнению с традиционными ДВС.

ДВС загрязняет окружающую среду, так как при работе выбрасывает отработавшие газы, выделяет значительное количество теплоты, а также создаёт шум и вибрацию. Наличие больших количеств и концентраций транспортных средств с ДВС (например, в условиях крупных промышленных городов) может привести к значительному загрязнению окружающей среды и оказать отрицательное воздействие на здоровье людей. Загрязнение воздуха представляет наибольшую опасность. Впервые эта проблема была поднята в Калифорнии (США) в 60-х годах XX века. Климатические условия этого штата препятствуют рассеянию отработавших газов автомобилей, что обусловило рост заболеваемости населения. Вредные вещества в отработавших газах ДВС вызывают заболевания не только органов дыхательной системы, но и многих других [15, 48, 87].

В Калифорнии были впервые в мире приняты законодательные акты, ограничивающие содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей. К настоящему времени подобные законы приняты практически во всех промыш-ленно развитых странах, в том числе и в Российской Федерации [55, 127, 128]. Периодически требования этих нормативов ужесточаются.

Так, в настоящее время в Российской Федерации токсичность отработавших газов серийно выпускаемых автомобилей ограничена нормами, предписываемыми Правилами № 49 и № 83 ЕЭК ООН [55].

Выполнение требований указанных Правил на бензиновом двигателе не требует значительных изменений его конструкции и заключается в оснащении его систем питания и зажигания электронным управлением, а также установке окислительного каталитического нейтрализатора и датчика кислорода (X - зонд) в выпускном тракте. Ведущие российские производители бензиновых ДВС (ВАЗ, ГАЗ и др.) освоили подобные технологии и применяют их в серийном производстве.

Однако сопоставление требований и методик измерения токсичности ОГ при сертификации ДВС свидетельствует о том, что масса вредных выбросов с ОГ бензиновых двигателей значительно больше по сравнению с дизелями [15, 66]. Кроме того, содержание вредных веществ в ОГ бензинового двигателя, в отличие от дизеля, значительно зависит от степени его прогрева и на холодном двигателе многократно увеличивается [15].

Улучшение показателей дизеля сопряжено с определёнными трудностями, так как подразумевает тщательную многофакторную оптимизацию его рабочего процесса [16, 17, IS]. Достигнутый уровень эффективности современных дизелей является достаточно высоким, и дальнейшее их совершенствование, даже незначительное, сопряжено с проведением обширных научных исследований и технических разработок.

Можно выделить следующие основные направления совершенствования транспортных дизелей:

Оптимизация рабочего процесса для снижения расхода топлива и выбросов вредных веществ с ОГ [18, 71]. Это направление подразумевает обеспечение требуемого протекания процессов наполнения цилиндра воздухом, впрыскивания топлива, смесеобразования, предпламенных химических реакций, сгорания топлива, тепловыделения и т.д. Для этого необходима в первую очередь ТПС, позволяющая осуществлять эффективное управление параметрами впрыскивания топлива. Соответственно, для получения требуемых характеристик воздушного заряда в цилиндре необходимы: оптимизация конструкции системы впуска, применение устройств для управления производительностью турбокомпрессора и интенсивно стью вихревого движения воздуха в цилиндре, охлаждение наддувочного воздуха, рециркуляция части ОГ и т.д.

• Последующая очистка ОГ от вредных веществ. Осуществляется посредством каталитических нейтрализаторов, фильтров и т.д. [56, 58, 69, 150, 190].

• Утилизация энергии ОГ. Характерным примером является применение газотурбинного наддува для более полного использования теплоты, полученной от сгорания топлива. Оснащение дизеля системой турбонаддува, как правило, повышает показатели его топливной экономичности. Кроме того, известны так называемые турбокомпаундные дизели, в которых отработавшие газы после турбокомпрессора приводят во вращение ещё одну турбину, передающую дополнительную мощность на коленчатый вал дизеля. Для таких дизелей характерно достижение наивысших показателей топливной экономичности [15, 76].

• Оптимизация систем управления двигателем. Осуществляется за счёт повышения эффективности средств управления двигателя с целью согласования работы его отдельных систем и агрегатов и повышения эффективных показателей [47, 65, 67, 107, 118, 121, 163, 165]. Наиболее широкими возможностями обладают электронные системы управления, выполненные на базе микропроцессорной техники. Степень насыщенности современных ДВС различными электронными устройствами контроля и управления постоянно повышается [128, 157].

• Снижение уровня шума работающего ДВС. Для этого применяются как активные методы, воздействующие непосредственно на источник шума (снижение «жёсткости» процесса сгорания топлива, оптимизация конструкции деталей и кинематики механизмов), так и пассивные, в основе которых лежит свойство поглощения шумов материалами. Хорошими звукопоглощающими свойствами обладает чугун, а также композитные и комбинированные материалы, например «металл - вязкий полимер - металл». В настоящее время ведущими производителями ДВС применяются полимерные и композитные материалы при изготовлении таких деталей, как впускной коллектор, крышка головки цилиндров, направляющая шина цепи привода ГРМ и т. п. [167, 182]. К пассивным методам снижения шумности ДВС также можно отнести его капотирование.

• Повышение механического КПД двигателя за счёт снижения потерь мощности на трение и на привод вспомогательных систем и агрегатов. Данное направление интересно тем, что позволяет совершенствовать различные узлы и агрегаты двигателя независимо друг от друга. Учитывая большое количество потребителей мощности в составе современного транспортного дизеля (КШМ, ГРМ, ТПС, система подачи воздуха и рециркуляции ОГ, система выпуска ОГ, система смазки, система охлаждения, система электропитания, различные навесные агрегаты и т.д.), можно сделать вывод, что даже незначительное повышение КПД каждого из них приводит к заметному снижению расхода топлива.

• Увеличение пробега до очередного технического обслуживания и ремонта. Достигается, в основном, за счёт совершенствования процессов и условий смазки двигателя: оптимизация геометрических параметров деталей, управление производительностью масляного насоса, оптимизация расположения каналов подвода масла к узлам трения, применение поршневой группы с малым расходом масла на угар, снижение общей тсплона-пряжённости двигателя для продления срока службы моторного масла (применение охладителей масла и охладителей надувочного воздуха), применение более качественного моторного масла, многоуровневые системы очистки масла и т.д.

Несмотря на возросшую роль ряда вспомогательных агрегатов в составе дизеля, повышающих его технико-экономические показатели, ТПС продолжает оставаться важным фактором совершенствования его рабочего процесса [21, 24, 63, 127,131,142,145,158].

Сложность совершенствования дизельной ТПС обусловлена следующими причинами:

• высокое рабочее давление, превышающее в некоторых системах величину 200 МПа (что в десятки и сотни раз выше, чем давления в типичных системах впрыска топлива бензиновых двигателей); 

• малая продолжительность процесса впрыскивания, как правило, не превышающая (2...3) мс;

• необходимость дозирования малых объёмов топлива (для автотранспортных дизелей характерный диапазон (0...300) мм3) с высокой степенью точности.

Очевидно, что повышение эффективности управления такими процессами всегда сопряжено с решением ряда конструкторских и технологических задач.

В нашей стране совершенствование дизелей в направлении снижения токсичности их ОГ в силу ряда обстоятельств осуществлялось недостаточно эффективно, в результате чего в настоящее время наблюдается заметное отставание по этим показателям от ведущих зарубежных дизелестроитсльных предприятий.

В настоящее время многие серийно выпускаемые в нашей стране дизели для грузовых автомобилей соответствуют стандарту «Euro - 1». Дизели, соответствующие стандарту «Euro - 2», находятся на различных стадиях внедрения в серийное производство и выпускаются в ограниченных количествах [55, 71]. 1 Іесоответствие международным нормативам является серьёзным препятствием для распространения отечественных дизелей за рубежом. Учитывая достигнутые высокие показатели топливной экономичности (ge min = (190...200) г/(кВт час) ) и надёжности (ресурс до капитального ремонта (10 000... 12 000) моточасов) отечественных дизелей с рабочим объёмом цилиндра (1.5...2) л, а также меньшую себестоимость в сравнении с зарубежными аналогами, можно сделать выводы об их потенциально высокой конкурентоспособности.

Дизели малого и среднего классов в диапазоне мощностей до 120 кВт (с рабочим объёмом цилиндра до 1.2 л) очень эффективны при применении в составе транспортных средств промышленного и коммерческого назначения, сельскохозяйственных машин, средств малой механизации, различных передвижных установок и т.д., поэтому пользуются большим спросом. Потребители в нашей стране ввиду ограниченно представленной отечественной продукции в этом секторе рынка вынуждены использовать менее эффективные бензиновые двигатели или зарубежные дизели. Одной из причин сложившейся ситуации является фактическое отсутствие конкурентоспособных современных дизельных ТПС отечественного производства.

Как показывает практика, разработка новых поколений автомобильных дизелей с малой токсичностью ОГ неразрывно связана с разработкой соответствующих ТПС, возможно даже с отличающимися от традиционных принципами работы [7, 10, 134, 151]. Ведущие зарубежные производители дизельных ТПС в связи с ужесточением нормативов, ограничивающих токсичность ОГ, в течение последнего десятилетия внедрили в серийное производство и продолжают совершенствовать оригинальные высокоэффективные системы с электронным управлением, такие, как HEUI, Common Rail, MEUI-B и т.д.

Совершенствование автомобильных дизелей является наукоёмким процессом и признано в нашей стране на государственном уровне одним из приоритетных направлений развития промышленности. Исходя из этого можно сделать выводы об актуальности разработки ТПС для новых поколений дизелей, соответствующих перспективным нормативам по ограничению вредного воздействия ДВС на окружающую среду. 

Подобные работы
Богачев Сергей Александрович
Разработка топливоподающих систем дизеля нового поколения с целью выполнения перспективных нормативов, ограничивающих токсичность отработавших газов
Грачев Александр Юрьевич
Разработка системы питания дизеля для автомобиля, использующего в качестве основного топлива диметиловый эфир
Бритик Сергей Алексеевич
Разработка системы технического диагностирования судового дизель-генератора по термогазодинамическим параметрам
Эсмаилзаде Эбрахим
Разработка методов организации рабочего процесса топливной системы дизеля при использовании в качестве топлива диметилового эфира
Лазарев Василий Михайлович
Разработка метода расчета и оценки эффективности системы жидкостного охлаждения тракторного дизеля
Шутков Евгений Алексеевич
Разработка методов гидравлического расчета внешних систем смазки и фильтров масла форсированных дизелей
Пигарина Анастасия Алексеевна
Разработка и исследование электрогидравлической форсунки для аккумуляторной системы топливоподачи автомобильных быстроходных дизелей
Черепов Олег Дмитриевич
Снижение токсичности отработавших газов карбюраторных двигателей путем стабилизации смесеобразования в условиях эксплуатации
Ершов Юрий Борисович
Исследование образования хлорсодержащих компонентов топочных газов и разработка методов снижения высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева котлов при сжигании "соленых" углей.
Кульчицкий Алексей Рэмович
Исследование процессов образования и разработка методов снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей внедорожных машин

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net