Важнейшим направлением повышения эффективности машинно-тракторного агрегата является улучшение технико-экономических показателей его двигателя. Наиболее эффективно эта задача может решаться путем совершенствования конструкции, ремонта и технического обслуживания системы топливоподачи. Объясняется это тем, что качество работы топливной аппаратуры в значительной степени определяет рабочий процесс дизеля и, как следствие, его технико-экономические и экологические показатели.
Существенное ухудшение мощностных и топливно-экономических показателей дизелей объясняется, в первую очередь, изменением технического состояния элементов топливоподающих систем и параметров топливоподачи и в меньшей степени зависит от износа двигателя.
Эксплуатационные показатели топливной аппаратуры определяются стабильностью ее конструктивно-регулировочных параметров и параметров процесса топливоподачи, в частности, равномерностью цикловой подачи и угла опережения впрыскивания, идентичностью продолжительности впрыскивания и закона подачи, характеристик давлений впрыскивания и др.
На качество работы ТА влияют различные эксплуатационные факторы: характер и объем выполняемых работ, почвенно-климатические условия работы машины, эксплуатационные показатели топлив, принятая система технического обслуживания и ремонта, качество и наличие нормативно-технической документации и технических средств обслуживания машин, качество выполнения правил эксплуатации и ТО машин.
К настоящему времени созданы определенные научная и техническая основы оценки качества работы топливной аппаратуры и обеспечения ее надежности в процессе эксплуатации. Однако существующие технологические процессы, методы и средства диагностирования не учитывают в достаточной мере особенностей функционирования современных ТПС, перспективы их развития и совершенствования. Все это приводит к ухудшению качества работы ТА, неполному использованию заложенных в конструкции ресурса или к преждевременному ее отказу.
Не в полной мере используется контроль качества работы ТА по до-пусковым значениям ее параметров. В частности к настоящему времени не разработаны методики определения последовательных цикловых подач топлива и оценки влияния межцикловой неравномерности топливоподачи на технико-экономические показатели работы дизеля. Целый ряд вопросов, связанных с межцикловой неравномерности топливоподачи не выяснен. Недостаточно экспериментально подтвержденных данных о ее допусковых значениях и влиянии ее на технико-экономические показатели работы дизеля. С другой стороны даже в условиях производства и тем более обслуживания и ремонта не контролируются некоторые параметры, степень влияния которых необоснованно занижена или точность их контроля или оговоренные в ТУ допуски не соответствуют степени их влияния на процесс в ТПА. Допустимые значения не всех даже контролируемых параметров научно обоснованы в плане их равновесного влияния на характеристики ТПА и дизеля. Практически не используются возможности математического моделирования для получения детерминированных функциональных связей между структурными параметрами, параметрами технологической неустойчивости, параметрами работы ТПА и диагностическими параметрами.
В отечественной практике в силу ряда причин пока еще не нашли применения принципиально новые технологические процессы диагностированию двигателя и в том числе ТПС, в которых система диагностики объединена с общей системой управления двигателем. Широко применяемая ТПС с жестким приводом плунжера и механическим регулятором не может удовлетворить указанным требованиям даже при изменении большинства конструкторских или режимных параметров. Между тем оперативный контроль качества функционирования ТА или непрерывное диагностирование может применяться только в современных ТПА, оснащенных электронными системами управления топливоподачей. Оно может осуществляться как для анализа технического состояния, так и пополнения электронной базы данных блока управления ТПС, необходимых в последующем для корректировки базовых характеристик управления топливоподачей.
Снижение трудоемкости диагностирования за счет рационального сочетания встроенных внешних средств, включая электронные приборы и автоматизированные диагностические системы, за счет повышения приспособленности топливной системы к диагностированию продолжает оставаться актуальной задачей.
Анализ систем и устройств диагностирования ТА показывает, что на сегодня практически не разработаны основы проектирования таких систем, их соответствующего программного обеспечения. В России не производятся портативные информационно-измерительные системы для диагностирования ТА, обладающие возможностью одновременного диагностирования большинства конструктивно-регулировочных параметров ТА. Между тем в таких устройствах нуждаются специализированные предприятия по техническому сервису ТА.
Все еще существуют вопросы обеспечения качественной работы ТА во время перехода на зимний период эксплуатации, связанные с улучшением низкотемпературных свойств топлив непосредственно в производственных условиях.
На сегодня назрели организационные проблемы по обеспечению качества работы сложной ТА энергонасыщенных, высокопроизводительных и дорогостоящих машин и тракторов. При этом для качественного ремонта и точной регулировки такой топливной аппаратуры требуется и высокая квалификация исполнителей, а также необходимый уровень организации работ.
Проведенный анализ показывает, что улучшение эксплуатационных показателей топливной аппаратуры сельскохозяйственных дизелей путем научного обоснования технологических процессов, методов и средств диагностирования представляет актуальную задачу, имеющую важное народнохозяйственное значение.
Связь с планами научных исследований и производством. Диссертационная работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой «Повышение эксплуатационных показателей топливоподающих систем тракторных дизелей» (№ 281-З-ЗМ МСХ и П РФ, 1995.97гг.), республиканской программой «Научные основы создания ресурсосберегающих конструкций, методов эксплуатации и ремонта сельскохозяйственной техники» (№ 164/АН РБ, 1993.2000гг., Академия наук республики Башкортостан), на основе договорных работ с ОАО «Ногинский завод топливной аппаратуры», ЗАО «Зирганская МТС» и рядом других предприятий и организаций.
Цель работы: улучшение эксплуатационных показателей современной и перспективной топливной аппаратуры сельскохозяйственных дизелей путем научного обоснования и реализации в ремонтном производстве технологических процессов, методов и средств диагностирования.
Методы исследований и достоверность результатов. Методологической основой исследований являются теоретические положения теории ДВС, общие уравнения гидродинамики, физики и термодинамики.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы подтверждается: применением высокоточных автоматизированных средств измерения параметров топливоподачииспользованием сертифицированных средств испытания дизелей, топливной аппаратуры и газового анализасовпадением расчетных данных с экспериментальнымииспользованием стандартных пакетов прикладных программ анализа данных.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном исследовании факторов, определяющих качество работы ТА дизелей сельскохозяйственного назначения в эксплуатации, в установлении взаимосвязи между ними, получении моделей, описывающих эти зависимости, анализе и обобщении теоретических положений и закономерностей, в результате которых:
— разработаны модель функционирования и комплексная методика диагностирования ТА по допусковым отклонениям;
— разработана математическая модель электрогидравлической форсунки (ЭГФ) электронно-управляемой ТПС типа Common Rail, реализующей новый технологический процесс диагностирования;
— предложены методики определения и оценки влияния межцикловой неравномерности топливоподачи на показатели работы дизеля, обоснованы ее допусковые значения;
— разработана математическая модель для определения комплекса параметров устройства измерения цикловой подачи.
Новизна предложенных технических и технологических разработок подтверждена авторским свидетельством и тремя патентами РФ.
Практическую ценность работы представляют:
— диагностические комплексы, устройства оценки и контроля параметров топливоподачи, выполненные на уровне изобретений и патентов;
— рекомендации по организации технического сервиса ТА;
— рекомендации по применению депрессорной присадки к топливу;
— разработанные и усовершенствованные современные средства диагностирования и экспериментального исследования процессов топливоподачи с регистрацией и автоматизированной обработкой данных на ЭВМ;
— алгоритмы, базы данных и пакеты прикладных программ, позволяющие обеспечить автоматизацию процессов определения параметров топливоподачи и диагностирования. и.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований внедрены в ОАО «Ногинский завод топливной аппаратуры» и в его филиале ЗАО «Башдизельпрецизион», ЗАО «Алтайский завод прецизионных изделий», ГУ СП «Башкирская МТС», ОАО «Зирганская МТС», ГУСП «Башсель-хозтехника» и ряде других организаций. Присадка «Недисс» внедрена в производство «НИИРеактив», ОАО «Башкирнефтепродукт».
Результаты диссертационной работы используются в учебном, научно-исследовательском процессах в МВТУ им. Н. Э. Баумана, Башкирском и Санкт-Петербургском ГАУ.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научно-практических конференциях Башкирского ГАУ (1989.2001гг), Свердловской СХА (1990г), Ижевской СХА (1991 г), Оренбургского ГАУ (1994г.), Челябинского ГАИУ (2001г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Разработка и оптимизация динамических характеристик двигателей мобильных сельскохозяйственных комплексов» в г. Казани (1991г.), региональных конференциях «Ресурсои энергосбережение в республике Башкортостан: проблемы и задачи» Башкирском ГУ (1997), Уфимском ГАТУ (1998,1999гг.), «Сервис большого города» в Уфимском ТИС (1999г.), научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок в МГТУ им. Н. Э. Баумана (2001г.), научно-техническом семинаре стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» в Санкт-Петербургском ГАУ (1993,1997, 2000,2001гг), «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ» в Саратовском ГАУ (2001г.), международных конференциях «Экология и гуманизм» СПбГАУ, (2000г.), «Актуальные проблемы механизации сельскохозяйственного производства» в Белорусской СХА (2000г.), «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС» во Владимирском ГУ (2001г.), ОГК.
Ногинского завода ТА (1992,1997,2000гг.). Результаты работы демонстрировались на региональных и международных выставках «Arpo» в г. Уфе (1998.2001гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, в том числе две монографии, авторское свидетельство, 3 патента, 43 статей и материалов конференций.
На защиту выносятся.:
— модель функционирования и комплексная методика диагностирования ТА по допусковым отклонениям;
— математическая модель электрогидравлической форсунки (ЭГФ) аккумуляторной ТПС с электронным управлением;
— методики определения межцикловой неравномерности и оценки ее влияния на показатели работы дизеля;
— комплекс конструктивных разработок и технических мероприятий, заключающийся в разработке устройств для определения параметров топливо-подачи и организационных мероприятий по улучшению техсервиса ТА.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем 322 стр., основного текста — 218 стр., приложений — 21 стр., имеется 142 рисунка, 37 таблиц, список литературы из 215 наименований.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
1. В результате расчетно-теоретических и экспериментальных исследований разработаны научно обоснованные модели, технологии, методы и средства диагностирования ТА, комплекс организационно-технических мероприятий, реализация которых обеспечивает улучшение эксплуатационных показателей ТА дизелей сельскохозяйственного назначения.
2. На основе комплексного исследования факторов, определяющих качество работы топливной аппаратуры, получена модель функционирования ТА и разработана методика диагностирования ТА, реализующая автоматизацию диагноза.
Математическим моделированием определены детерминированные функциональные связи между структурными параметрами, параметрами технологической неустойчивости и параметрами работы ТА, диагностическими параметрами. Численными исследованиями обоснована и экспериментально подтверждена достаточность использования 14 оценочных параметров, полученных из зависимостей давления топлива от угла поворота кулачкового вала в ЛНД и ЛВД, для гарантированного распознавания 18 основных неисправностей ТА.
3. Разработанная математическая модель электрогидравлической форсунки электронно-управляемой ТПС аккумуляторного типа Common Rail позволяет определять характеристики впрыскивания с учетом технического состояния элементов ТА и условий эксплуатации.
Проведенные численные и экспериментальные исследования ЭГФ подтвердили ее высокие потенциальные возможности по формированию заданл ных базовых характеристик цикловой подачи (0, 12.200мм /цикл), угла опережения впрыскивания (0.45град) и характеристик заданных давлений впрыска (15.60МПа) во всем диапазоне скоростных (0.2200мин1) и нагрузочных режимов работы дизеля. При этом обеспечивается оптимальный выбор характеристик топливоподачи в соответствии с эксплуатационными условиями и техническим состоянием ТА. Использование ЭГФ позволяет снизить потребляемую мощность на привод ТНВД на 20%.
4. В аккумуляторной системе топливоподачи с разработанной электрогидравлической форсункой осуществляется управление впрыскиванием и технологический процесс диагностирования на основе непрерывного контроля параметров топливоподачи. Это создает реальные предпосылки для удовлетворения перспективных требований обеспечения надежности ТА и дизеля, а также выполнения перспективных норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами EURO-III.
5. Предложенные методики оценки цикловой подачи и межцикловой неравномерности топливоподачи на основе использования устройств измерения цикловой подачи обеспечивают за счет автоматизации сокращение продолжительности процессов измерения и обработки данных с 1,5.2 часов до 0,5.2 минут при относительной погрешности измерений до 3%.
6. Разработанная математическая модель для определения комплекса параметров устройства измерения цикловой подачи позволяет установить параметры элементов с учетом конструктивных особенностей и режима работы ТПС, согласовать рабочий процесс аналого-цифрового преобразователя при обработке входных сигналов от датчиков. Предложенные алгоритмы, базы данных и пакеты прикладных программ обеспечивают автоматизацию процессов синхронизированного определения и анализа множества параметров ТП и ТА. Так, полный цикл процесса диагностирования ТА дизеля Д-243 с помощью диагностического комплекса при проведении ТО-3 занимает не более 20минут.
На основе предложенных принципов функционирования и проектирования автоматизированных информационно-измерительных систем с применением микропроцессорных средств и элементов разработаны диагностические комплексы, системы и устройства для оценки и контроля качества работы ТА, которые существенно повышают эффективность работ по диагностированию, ТО и регулировке ТА. В частности, производительность труда мастеров-наладчиков ТА при проведении регулировочно-настроечных работ ТНВД повышается в 1,5. .2 раза.
7. Межцикловая неравномерность топливоподачи оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели работы. С уменьшением частоты вращения и нагрузки дизеля влияние межцикловой неравномерности топливоподачи возрастает. Так, при п=1300 мин" 1 и §-цхр=70 мм3/цикл увеличение 5 с 11% до 80% привело к снижению эффективной мощности на 4,8% и повышению удельного расхода топлива на 6,4%. На минимально-устойчивой частоте вращения холостого хода увеличение 5 с 20% до 100% приводит к ее повышению на 6,7% (с 900 мин" 1 до 960 мин" 1). На номинальном режиме работы дизеля 14 12.5×14 ее допусковое значение составляет 20%, на режиме холостого хода — 40%.
8. Межцикловая неравномерность топливоподающих систем современных дизелей с механическим регулятором на номинальном режиме не превышает 15%, а на режимах малых нагрузок и цикловых подач достигает 60%. Снижение межцикловой неравномерности топливоподачи обеспечивается стабилизацией остаточного давления в ЛВД, ЛНД. Так, стабилизация оста.
1 л точного давления на уровне 4.0 МПа при пн=400мин" и § ц=15мм /цикл снижает межцикловую неравномерность топливоподачи с 53% до 38%. Давление в ЛНД для насосов типа УТН целесообразно поддерживать не ниже 0,07МПа, для НД -0,15МПа.
9. Механические регуляторы на номинальном режиме увеличивают неравномерность топливоподачи на 3. .5%, а на режиме холостого хода — на 20.25%. Применение электронного регулирования в системе непосредственного действия с жестким приводом плунжера обеспечивает межцикловую неравномерность на номинальном режиме не более 10%, на режиме холостого хода — 40%. Наилучшая межцикловая неравномерность топливопо-дачи (не более 6%) обеспечивается в аккумуляторной ТПС с разработанной ЭГФ.
10. Качественный ремонт и ТО ТА дизелей Ford, Iveco, Volvo, MercedesBenz, Cummins, Perkins, применяемых на сельскохозяйственных тракторах и комбайнах, не обеспечивается в традиционных условиях отечественной ре-монтно-обслуживающей базы АПК. Наиболее эффективным является введение сервисного обслуживания ТА. Сервисное обслуживание ТА парка из 99 комбайнов CASE2366 в МТС «Зирганская МТС» с применением разработанных методов и средств, привело к исключению сложных отказов ТА, при этом годовой экономический эффект составил 318 тыс. руб.
11. Система технического сервиса ТА дизелей сельскохозяйственного назначения отечественного и зарубежного производства организована и внедрена в республике Башкортостан. Головной организацией в системе выступает региональное специализированное предприятие по техническому сервису ТА ЗАО «Башдизельпрецизион». При ремонте ТНВД типа MW в ЗАО «Башдизельпрецизион», в сравнении с ремонтом в фирме, снижаются прямые затраты сельхозпредприятий более чем в 1,7 раз при сокращении сроков ремонта в 2,5 и более раз.
