Исследование экспериментальных моделей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Янкин, Евгений Михайлович

• Янкин, Евгений Михайлович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Янкин, Евгений Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

1.1 Комплексный подход к исследованию экономичности действительного цикла дизельного двигателя.

1.2 Энтропийный подход к анализу экономических показателей цикла.

1.3 Методика оценки влияния температурной неоднородности рабочего тела в цикле дизельного двигателя.

1.4 Анализ экономичности поршневых двигателей с помощью TS-диаграмм.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ.

2.1 Пути совершенствования системы питания топливом дизельного двигателя.

2.2 Форсунка с микрокапиллярным фильтром.

2.3 Клапан из упругих стержней как устройство управления потоком.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПО ПРЕЦИЗИОННОЙ ОБРАБОТКЕ КРОМОК ОТСЕЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ ВТУЛКИ ПЛУНЖЕРНОЙ ПАРЫ ТОПЛИВНОГО НАСОСА.

3.1 Характер заусенцев и предъявляемые требования к их удалению.

3.2 Предотвращение возникновения заусенцев охлаждением кромок отсечных отверстий.

3.3 Механические средства по снятию заусенцев.

3.4 Электрохимическая обработка кромок.

3.5 Экспериментальная установка для снятия заусенцев при серийном производстве.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ЭВОЛЮЦИИ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ.

4.1 Системный подход к исследованию различных технических конструкций.

4.2 Анализ эволюции форсунки дизельного двигателя с помощью схемы эволюции систем.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование экспериментальных моделей топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания»

В настоящее время поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) остается базовой энергетической установкой для наземных транспортных средств и различных мобильных машин. Надвигающаяся угроза появления экологических катаклизмов вынуждает государственные органы ужесточать нормативные требования к экологическим показателям выпускаемых двигателей, а производителей еще дополнительно вести поиски путей повышения экономических показателей работы двигателей [1-3]. Экономические показатели ДВС определяются прежде всего совершенством применяемой топливной аппаратуры (ТА), качеством конструкторских решений и технологии изготовлении. Сложная взаимосвязанность показателей между собой, ограниченность материальных средств и времени, требования потребителей усложняют создание новых конструкций и технологий. Поэтому разработка и совершенствование экспериментальных моделей ТА ДВС является актуальной проблемой.

Системный подход к анализу эволюции технических систем позволяет наметить возможные пути решения проблем, определить перспективные направления работ по совершенствованию различных конструкций [4-6]. При этом важное место занимает метод выявления и оценки резервов совершенствуемых показателей. Одним из подходов, отражающих организацию рабочего процесса и условия его протекания во времени, является энтропийный подход. Данный подход основан на термодинамическом анализе влияния условий ввода теплоты в действительный цикл ДВС [7-9]. При таком анализе цикла ставится задача по определению факторов, от которых зависит значение индикаторного коэффициента полезного действия (КПД), и выявлению процессов, которые необходимо совершенствовать с целью уменьшения потерь при осуществлении цикла. Поэтому дальнейшее совершенствование методики по выявлению резервов повышения экономических показателей двигателей является важным аспектом совершенствования топливной аппаратуры.

Для решения проблемы улучшения показателей двигателей в ряде исследований используется электронное управление процессом впрыскивания, согласующее начало подачи топлива с режимом работы двигателя [10-12]. Однако, стоимость электронного оборудования соизмерима со стоимостью самого двигателя. Другие трудности, с которыми при этом приходится сталкиваться производителям двигателей - это существенное удорожание двигателя, связанное с необходимостью повышения технологического уровня изготовления ТА. Альтернативным способом улучшения эколого-экономических показателей является применение гетерогенных сред, в т.ч. жидких и газообразных присадок в топливо [7,13-16]. В этом способе заложены определенные резервы, заключающиеся в переводе режима работы двигателя на питание любыми видами топлив, в том числе и нетрадиционными двух - и трехфазными смесями с соответствующим составом присадок.

Не менее важным аспектом совершенствования ТА является повышение требований к производственным технологиям изготовления деталей и узлов. Особое место среди них занимают прецизионные технологии обработки твердых сплавов, как наиболее ответственные за качество и, соответственно, конкурентоспособность производимой продукции. Одним из важных элементов, обеспечивающих надежную работу ДВС, является втулка плунжера топливного насоса [17-19]. Во втулке плунжера на линии сопряжения центрального и отсечного отверстий после операции хонинго-вания остаются заусенцы в виде «натяга» материала корпуса. Заусенец нарушает геометрическую форму отсечного отверстия, что вызывает нестабильность параметров режима работы топливного насоса. После продолжительной эксплуатации втулки плунжера заусенец разрушается потоком топлива, распадаясь на мелкие частицы металла. Попадание таких частиц в зазор между плунжером и втулкой приводит к заклиниванию плунжера и остановке работы насоса.

Цели работы

Диссертация посвящена разработке и совершенствованию экспериментальных моделей топливной аппаратуры двигателя внутреннего сгорания. При этом ставились следующие задачи:

1. Совершенствование методики по выявлению резервов повышения показателей двигателей и оценка влияния температурной неоднородности рабочего тела в действительном цикле.

2. Разработка и совершенствование экспериментальных моделей ТА с применением двухфазных потоков.

3. Исследование технических средств и методов по прецизионной обработке кромок отсечных отверстий втулки плунжера топливного насоса.

4. Разработка структурно-функциональной схемы применительно к прогнозированию и анализу эволюции элементов ТА.

Научная новизна работы

1. Предложена методика по оценке влияния температурной неоднородности рабочего тела на индикаторный КПД действительного цикла ДВС, предложено развитие энтропийного метода анализа экономичности ДВС.

2. Разработаны новые экспериментальные модели ТА ДВС с применением двухфазных потоков.

3. Разработана оригинальная установка по прецизионной обработке кромок отсечных отверстий втулки плунжера топливного насоса.

4. Предложена новая структурно-функциональная форма схема развития топливной аппаратуры ДВС.

Практическая значимость работы

1. Разработаны экспериментальные модели элементов топливной аппаратуры с применением двухфазных потоков: форсунка с микрокапиллярным фильтром и клапан из упругих стержней.

2. Разработана и внедрена в технологический процесс установка по прецизионной обработке кромок отсечных отверстий втулки плунжера топливного насоса.

Полученные результаты могут быть использованы в двигателестроении, других областях машиностроения, химии и нефтехимии, при разработке тепловых энергетических установок и трубопроводной арматуры.

Основные положения, представляемые к защите

1. Методика оценки влияния температурной неоднородности на индикаторный КПД действительного цикла, развитие энтропийного метода анализа экономичности цикла ДВС.

2. Экспериментальные модели элементов топливной аппаратуры: форсунка для ДВС с микрокапиллярным фильтром и клапан из упругих стержней.

3. Экспериментальная установка по прецизионной обработке кромок отсечных отверстий втулки плунжера топливного насоса.

4. Структурно-функциональная схема развития ТА ДВС.

АНАЛИЗ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЦИКЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Янкин, Евгений Михайлович

Основные выводы и результаты работы:

1. Разработанная методика оценки влияния температурной неоднородности в цилиндре двигателя на индикаторный КПД действительного цикла основана на двухзонном представлении рабочего тела. Предложено развитие энтропийного метода анализа экономичности действительных циклов ДВС с применением TS-диаграмм, позволившее оценить влияние термодинамических условий подвода теплоты на показатели преобразования энергии.

2. Разработанные экспериментальные модели топливной аппаратуры включают форсунку для ДВС с микрокапиллярным фильтром и клапан из упругих стержней.

3. Разработана установка по прецизионной обработке кромок отсечных отверстий втулки плунжера топливного насоса.

4. Предложена структурно-функциональная схема эволюции топливной аппаратуры, на основе которой выявлено одно из возможных направлений развития ДВС с использованием газожидкостных смесей.

Разработанный опытный образец экспериментальной установки для электрохимической обработки втулки плунжера апробирован в технологическом процессе ОАО «Алтайский завод топливных насосов». Разработанные технические конструкции новых элементов топливной аппаратуры с применением двухфазных потоков защищены двумя патентами Российской Федерации.

Серия работ в направлении «Комплексный подход к организации рабочего процесса поршневых двигателей внутреннего сгорания» стала лауреатом в разделе «Естественные науки» конкурса на лучшую научную работу, проводимом в АлтГУ в 2002 г. За выполнение работ по теме диссертации автором получен грант Правительства Российской Федерации на 2003-04 уч. г.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю профессору, д.т.н. Волкову В.И. и доценту, к.т.н. Дудкину В.И. за постоянную активную поддержку научной работы и советы по ее проведению; к.х.н. Перову Э.И. за предоставленное оборудование для исследования кромок отсечных отверстий; проф., д.т.н. Плотникову В.А. за предоставленные материалы для проведения работ по механическим средствам для удаления заусенцев; ассистенту кафедры ЭФ ФТФ АлтГУ Утемесову P.M., аспиранту кафедры ЭФ ФТФ АлтГУ Борозденко Д.А., кафедре мед-биофизики АГМУ, отделу главного технолога ОАО «АЗТН», секторам рабочего процесса и газотурбинного наддува, лаборатории топливной аппаратуры СКБ ОАО «Алтайдизель» за оказание неоценимой помощи в проведении данной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Янкин, Евгений Михайлович, 2003 год

1. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. -М.: Транспорт, 1985. 120 с.

2. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Изд-во Рос. ун-та дружбы народов, 1998. - 214 с.

3. Топливные системы и экономичность дизелей/ И.В. Астахов, Л.Н. Горбунов, В.И. Трусов и др.-М.: Машиностроение, 1990. 287 с.

4. Альтшуллер Г.С. Найти идею: Введ. в теорию решения изобрет. задач. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ие, 1991. - 223 с.

5. Альтшуллер Г.С., Злотин Б.Л., Зусман А.В., Филатов В.И. Поиск новых идей: от озарения к технологии. Кишинев: Картя Молдавеняскэ, 1989. -381 с.

6. Варшавский В.И., Поспелов Д.А. Оркестр играет без дирижера: Размышления об эволюции некоторых технических систем и управлении ими. М.,1984. - 207 с.

7. Дудкин В.И. Резервы повышения индикаторной экономичности и пути их реализации в современных тракторных дизелях. // Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. Л., 1984. - 151 с.

8. Матиевский Д.Д. Разработка и использование методологии анализа индикаторного КПД для снижения расхода традиционного топлива, дымности и токсичности тракторных дизелей: Автореф. дис. докт. техн. наук.-Л., 1987.-40 с.

9. Брилинг Н.Р., Вихерт М.М., Гутерман И.И. Быстроходные дизели. М.: ГОНТИ, 1951.-520 с.

10. Иващенко Н.А., Вагнер В.А., Грехов Л.В. Дизельные топливные системы с электронным управлением. Барнаул: Изд-во АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 2000. - 111 с.

11. Мазинг М.В. Дизель, газодизель и электроника // Автомобильная промышленность, №9,1998. С.7-9.

12. Барсуков С.И., Муравьев В.П., Бухвалов В.В. Топливоподающие системы дизелей с электронным управлением. 4.1. Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1976.- 142 с.

13. А.с. 1023120 СССР. Способ впрыска топлива в дизель/ Дудкин В.И., Матиевский Д.Д. Опубл. 15.06.83. Бюл. №22.

14. А.с. 1087681 СССР. Система питания двигателя внутреннего сгорания/ Вагнер В.А., Матиевский Д.Д., Дудкин В.И., Новоселов A.JL, Свистула А.Е. Опубл. 23.04.84. Бюл. №15.

15. Свистула А.Е. Снижение расхода топлива и вредных выбросов дизеля воздействием на рабочий процесс присадки газа к топливу: Автореф. дис. канд. техн. наук. JI.,1987. - 20 с.

16. Вагнер В.А. Улучшение экономических и экологических характеристик дизелей методом насыщения жидкого топлива водородом: Автореф. дис. канд. техн. наук. JL, 1984. — 20 с.

17. Антипов В.В. Износ прецизионных деталей и нарушение характеристики топливной аппаратуры дизелей. М.: Машиностроение, 1972. -177 с.

18. Повышение надежности работы прецизионных пар топливной аппаратуры дизелей/ Бахтиаров Н.И. и др. М.: Машиностроение, 1972. - 200 с.

19. Павлючук А.И. Технология изготовления плунжерных пар топливной аппаратуры дизелей. Обзор. М., 1963. - 49 с.

20. Янкин Е.М., Дудкин В.И. Анализ экономичности в термодинамических циклах дизеля/ Тезисы докладов III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов. Красноярск: ССА, 1999. - С.216.

21. Стечкин Б.С., Генкин К.И., Золотаревский B.C., Скородинский И.В. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий циклбыстроходного поршневого двигателя. М.: Изд. АН СССР, 1960. - 200 с.

22. Матиевский Д.Д., Толстов В.Т. Уравнение связи индикаторного КПД с характеристиками подвода и отвода тепла и его анализ // Исследование рабочего процесса и систем быстроходных дизелей: Межвуз. сб./ Ал-тПИ им. И. И. Ползунова. Барнаул, 1976. - С. 51- 63.

23. Матиевский Д.Д., Толстов В.Т., Дудкин В.И. Повышение топливной экономичности дизелей АМЗ // Исследование и совершенствование быстроходных дизелей: Межвуз. сб. / АлтПИ им. Ползунова И.И. -Барнаул, 1978. С. 79 - 93.

24. Дудкин В.И. Метод анализа использования теплоты в рабочем цикле поршневого ДВС // Молодые ученые и специалисты Алтая народному хозяйству. - Барнаул, 1982. - С. 45-47.

25. Дудкин В.И., Волков В.И., Янкин Е.М. Комплексный подход к анализу эколого-экономических показателей цикла ДВС // Двигателестроение, №1. С.-П., 2003. - С. 32-35.

26. Теория двигателей внутреннего сгорания/ Под ред. проф., д-ра техн. наук Н.Х. Дьяченко. Д.: Машиностроение, 1974. - 552 с.

27. Хандов З.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания (теория). -М.: Транспорт, 1975. 368 с.

28. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей. / Д.Н.Вырубов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др.; Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

29. Матиевский Д.Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла дизеля // Двигателестроение, №6. JL:, 1984. - С.7-11.

30. Селиверстов В.М., Бажан П.И. Термодинамика, теплопередача и тепло-обменные аппараты: Учебник для институтов водного транспорта. -М.: Транспорт, 1988. 287 с.

31. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат,1988. - 288 с.

32. Дудкин В.И., Янкин Е.М. К методу оценки влияния термодинамических условий подвода теплоты в цикл на индикаторный КПД поршневых ДВС/ Известия АТУ, №1 (19). -Барнаул: изд-во АГУ, 2001.- С. 103105.

33. Dudkin V.I., Yankin Е.М. То a method of an estimation of profitability of a duty cycle of internal-combustion engines/ 6-th Workshop on Transport Phenomena in Two-Phase Flow: Proceedings.-Bourgas, 2001.- P. 19-24.

34. Дудкин В.И., Волков В.И., Янкин Е.М. К методу анализа экономичности циклов поршневых теплоэнергетических установок/ Российский национальный симпозиум РНСЭ: материалы докладов. — Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2001. T.I, С.263-266.

35. Янкин Е.М., Волков В.И., Дудкин В.И. К оценке влияния неоднородности температурного поля на преобразование энергии в цикле двигателя/ Теория и приложения задач со свободными границами: тезисы докладов. Барнаул: изд-во АлтГУ, 2002. - С.99-101.

36. Лазурко В.П., Кудрявцев В.А. Программа обработки индикаторной диаграммы дизеля на ЭЦВМ «Мир-1» // Сб. «Труды ЦНИДИ». Выпуск 67.-Д., 1974.-С.81-84.

37. Матиевский Д.Д., Гладышев А.В. Уточненный метод расчета индикаторной диаграммы: Методические указания для студентов специальности 15.01 ЦИПС/ Алт. политехи, ин-т им. И.И.Ползунова, Барнаул, 1990. - 23 с.

38. Петриченко P.M., Оносовский В.В. Рабочие процессы поршневых машин. J1., Машиностроение, 1972. - 168 с.

39. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие / Костин А.К. и др. Д.: Машиностроение, 1979.- 222 с.

40. Янкин Е.М. Элементы энтропийного анализа методов экономичности двигателей внутреннего сгорания/ Известия АГУ, №1 (27). -Барнаул: изд-во АлтГУ, 2003.- С.95-97.

41. Янкин Е.М. Энтропийное приложение к анализу экономичности поршневых ДВС/ Физика, радиофизика новое поколение в науке: выпуск 3. Сборник работ молодых ученых. - Барнаул: изд-во АлтГУ, 2002.- С.71-72.

42. Дудкин В.И., Грачев B.C. К некоторым вопросам системного подхода в оценке влияния параметров распылителя на рабочий процесс двигателя

43. Тезисы докл. междунар. науч. -техн. конф. "Совершенствование быстроходных дизелей". Барнаул, 1993, С. 88-90.

44. А.с. RU № 15016. Устройство для получения контрольного слепка проточной части корпуса распылителя форсунки дизеля/ Дудкин В.И., Герман В.А. Опубл. 10.09.2000. Бюл. №25.

45. Дудкин В.И., Янкин Е.М. Пути совершенствования системы питания дизельного двигателя// Известия АГУ, №1 (23). -Барнаул: изд-во АГУ, 2002.- С.112-116.

46. Малов Р.В. Снижение токсичности дизельного выпуска воздействием на рабочий процесс// Автомобильная промышленность, №7, 1972. С. 5-6.

47. А.с. 289215 СССР. Способ питания двигателя внутреннего сгорания/ Файнлейб Б.Н., Смирнов Е.Ф. Опубл. 08.12.70. Бюл. № 1.

48. Патрахальцев Н.Н., Камышников А.С., Лупачев П.Д. Газодизель с внутренним смесеобразованием// Автомобильная промышленность, №8, 1991.-С. 8-9.

49. А. с. 1312230 СССР. Форсунка для двигателя внутреннего сгорания/ Матиевский Д.Д., Новоселов A.JI., Цемахович Б.Д., Вагнер В.А. Опубл. 23.05.87. Бюл. №19.

50. Положительное решение о выдаче патента на заявку № 2001119025/06 (020166) от 09.07.2001. Форсунка для ДВС/ Волков В.И., Дудкин В.И., Янкин Е.М.

51. Альтшуль А.Д., Животовский JI.C., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика: Учеб. для вузов. -М.: Стройиздат, 1987. -414 с.

52. Гуревич Д.Ф., Шпаков О.Н. Справочник конструктора трубопроводной арматуры.-Л.: Машиностроение, 1987.- 517 с.

53. Положительное решение о выдаче патента на заявку № 2001120336/06 (021556) от 20.07.2001. Клапан/ Волков В.И., Янкин Е.М.

54. Газизуллин К.М. Формирование сложных профилей в пульсирующем потоке электролита// Технология машиностроения, №6, 2002. с.22-23.

55. Зайдман Г.Н., Петров Ю.Н. Формообразование при электрохимической бработке металлов / АН МССР, Ин-т прикл. физики.- Кишинев: Штин-ца, 1990.-204 с.

56. Орлов В.Ф., Чугунов Б.И. Электрохимическое формообразование. М.: Машиностроение, 1990. - 239 с.

57. Приспособления для электрофизической и электрохимической обработки / Под общ. ред. В.В. Любимова. М.: Машиностроение, 1988. -171 с.

58. Электроэрозионная обработка металлов / Под ред. И. Г. Некрашевича; АН БССР, Физ.-техн. ин-т, Минск: Наука и техника, 1988. -215 с.

59. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки // Амитан Г.Л., Байсунов И.А., Барон Ю.Н. и др.; Под общ. ред. В.А. Волосатова. Л.: Машиностроение, 1988. - 719 с.

60. Шукис А.А. Системный подход и его основные принципы // Метод, разработка по курсу "Теория систем".-Барнаул: Изд-во АПИ имени И.И.Ползунова,1980. 34 с.

61. Глушков В.М. Введение в кибернетику. Киев, 1964. - 324 с.

62. Волков В.И. Изобретательские задачи в процессах переноса. Барнаул: Изд. АГУ, 1997.- 150 с.

63. Волков В.И., Янкин Е.М. Анализ эволюции технических систем // Известия АТУ, №1(23). Барнаул: изд-во АТУ, 2002. -С. 108-112.

64. Ховах М.С., Трусов В.И. Системы питания автомобильных дизельных двигателей. М.: Транспорт. - 1967. - 188 с.

65. Дудкин В.И., Волков В.И., Янкин Е.М. Анализ эволюции форсунки дизельного двигателя с помощью системного оператора // Труды XXXI Уральского семинара по механике и процессам управления. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2001. - С.221-224.