Проект топливной системы тепловозного дизеля Д49 с электронным управлением топливоподачи

В дипломном проекте рассмотрены, современные технические способы повышения эффективности эксплуатации, и эффективности ремонта тепловозных двигателей.

Предложено заменить механический топливный насос высокого давления (ТНВД) на двигателе Д49 тепловоза 2ТЭ25А «Витязь», на индивидуальный ТНВД с электромагнитный клапаном фирмы Bosch.

Сегодня тенденция разработки тепловозов требует все больше внимания. При создании новых и модернизации эксплуатируемых тепловозов дизели выбирают по таким показателям как мощность, надежность, топливная экономичность, габаритные размеры, масса и стоимость единицы выполненной работы.

Экономичность работы тепловоза определяется экономичностью его силовой установки — дизеля. Основные требования к конструкции дизеля направлены на экономию затрат на топливо, техническое обслуживание, ремонт и прочие расходы в процессе его эксплуатации.

Общие требования к дизелям определяются существующими и перспективными потребностями тепловозостроения, уровнем и возможностями развития дизелестроения, а также с учетом многолетнего опыта эксплуатации автономных локомотивов они постоянно изменяются, возрастают и должны удовлетворять:

— требуемой величине эффективной мощности (от 350 до 4420 кВт) при соответствии габаритных размеров и весовых норм для локомотивов и обладать возможностями повышения эффективной мощности на перспективу;

— экономичности по расходу топлива и смазочных материалов во всем диапазоне рабочих режимов в эксплуатации;

— возможности работы на дешевых низкосортных топливах (содержание серы в топливе до 2,5%);

— быть технологичными и относительно простыми по конструкции, обеспечивая низкую стоимость и удобство при изготовлении, монтаже, демонтаже, ремонте и обслуживании в эксплуатации;

— требованиям безотказности пуска при минимальном расходе энергии;

— приемлемым массам и габаритным размерам вспомогательных систем (очистка воздуха, охлаждение, смазка и т. д.), а также расходам мощности на их функционирование, не снижающих механический к.п.д. двигателя на номинальном режиме работы менее 0,85;

— возможности быстрого изменения режима работы при сохранении экономичности;

— возможности создания мощного ряда, обеспечивающего потребности железнодорожного транспорта с целью максимальной унификации конструкций отдельных узлов и деталей, приводящей к снижению стоимости изготовления, ремонта и обслуживания локомотивов;

Дизельные силовые установки, характеризуются: высокой экономичностью (эффективный к.п.д. достигает от 42 до 46%), достаточной надежностью и т. д., наиболее полно удовлетворяют в настоящее время предъявляемым требованиям по сравнению с силовыми установками других типов. Это обеспечило широкое использование таких установок на тепловозах и в обозримом будущем они сохранят ведущую роль в транспортном машиностроении.

Удельный эффективный расход топлива на номинальной мощности у современных отечественных четырехтактных тепловозных дизелей достигнут 190−5-200 г./(кВт-ч) на дизелях типа Д49 (ОАО «Коломенский завод»), у двухтактных — от 215 до 230 г./(кВт-ч) — типа 10Д100 и масла от 1 до 1,5% от расхода топлива.

Для тепловозных дизелей существенным преимуществом могла бы явиться их топливная универсальность, особенно возможность применения низкосортных топлив; однако при высокой форсированности тепловозных дизелей этому препятствует резкое снижение их надежности и моторесурса.

Наиболее важным технико-экономическим показателем, количественно характеризующим качество тепловозных дизелей и оказывающим весьма существенное влияние на эффективность тепловозной тяги, является надежность дизелей. Надежность тепловозных дизелей определяет величину их моторесурса, под которым понимают время непрерывной работы до переборки или капитального ремонта, выраженное в часах работы, или километров пробега тепловоза.

Для дизелей средней быстроходности ресурс до капитального ремонта должен быть не менее 40 000−50 000 часов работы.

Однако, несмотря на существующие, достигнувшие результаты, двигатель Д49 и сегодня привлекает внимание, для повышения показателей, таких как: эффективные, индикаторные, экономические и т. д.

Рисунок 1 — Мощностной диапазон двигателей Д49

1. Выбор прототипа и технико-экономическое обоснование проекта

1.1 Обзор тепловозных дизелей и существующих методов их совершенствования

Возможности создания новых, более совершенных и эффективных тепловозов, в первую очередь, определяются состоянием дизелестроения, как нашей стране, так и во всем мире ведь, как не крути, дизель является основным энергетическим узлом локомотивов. Проанализировав таблицу 1, основных параметров дизелей примененных или применявшихся, на отечественных тепловозах, а также проектировавшихся и построенных в экспериментальном порядке в стране и за рубежом, можно выявить три основных класса дизельных двигателей:

— двухтактные дизели средней быстроходности (со скоростью вращения вала на номинальных режимах от 750 до 900 — 950 об/мин);

— четырехтактные дизели средней быстроходности (от 750 до 1000−1100 об/мин);

— четырехтактные быстроходные дизели (1400−1600 об/мин).

Для тепловозных двухтактных дизелей средней быстроходности в последние десятилетия достигнуты единичные мощности порядка 2 900−3 000 кВт (3 950−4 050 л.с.) — двигатели типов 645 и 710 Дженерал Моторе (США). Двухтактные дизели, как было показано в предыдущих главах, использованы на отечественных тепловозах типов ТЭ10 и М62, составляющих и ныне основную часть грузового тепловозного парка, а также на пассажирских ТЭП60. Двухтактные дизели имеет значительная часть (не менее половины грузового парка) тепловозов железных дорог США — это локомотивы производства Отделения электрической тяги корпорации Дженерал Моторе (Electro-Motive Division, General Motors Corporation). Такие тепловозы работают также во многих странах Южной Америки, Азии и Африки.

Удельная масса этих двигателей составляет 5,6−6,4 кг/кВт (4−7 кг/л. с), что при нормальной величине массы дизеля для шестиосной секции тепловоза в пределах 18−20 тон, дает возможность иметь ее секционную мощность именно на том уровне, о котором была речь выше, — порядка 2 900 кВт (4 000 л.с.).

Достигнутая величина, среднего эффективного давления у мощных двигателей (р_с = 0,9−1,1 МПа), по-видимому, максимальна для этого класса, и возможности их дальнейшей форсировки исключены всеми производителями.

Однако этого нельзя сказать о возможностях повышения экономичности этих двигателей. Они связаны в основном с улучшением качества работы двигателей на частичных (не номинальных) режимах и нагрузках. Магистральный грузовой тепловоз около половины времени своей работы не потребляет энергии от своего дизеля, и последний работает на холостом ходу.

Таблица 1 — Основные параметры тепловозных дизелей

Ряд мер, направленных на улучшение работы дизелей типа Д100 планировался их изготовителем — Харьковским заводом им. Малышева — еще в середине 80-х годов. На первом этапе модернизации предусматривались: повышение давления сгорания, применение топливных насосов с увеличенным диаметром плунжера, новых кулачковых валов и двухрежимных форсунок. Реализация только этих мер позволяла ожидать снижения удельного расхода топлива на 7−9 г./кВт ч. На втором этапе предполагалось улучшение аэродинамики камеры сгорания и окон гильзы цилиндра, а также повышение к.п.д. турбокомпрессора, что могло привести к еще большему снижению расхода топлива. К сожалению, большая часть этих разработок осталась нереализованной.

В то же время корпорация Дженерал Моторс, которая в течение 60 лет ориентировалась исключительно на развитие своего ряда двухтактных дизелей (типы 567, 645 и 710), получила существенный эффект па двигателях сначала типа 645 за счет целого ряда следующих усовершенствований в этом направлении:

— снижения частоты вращения коленчатого вала в режиме холостого хода с 315 об/мин сначала до 235, а затем и до 200 об/мин. При этом сокращались затраты энергии на привод вспомогательного оборудования и на преодоление трения в движущем механизме;

— повышения степени сжатия в цилиндре с 14,5 до 16; усовершенствования турбокомпрессора; увеличения диаметра плунжера топливных насосов.

Значительные успехи были достигнуты в создании мощных четырехтактных дизелей средней быстроходности, к которым относятся и двигатели типа Д49 Коломенского завода, с применением которых были созданы современные отечественные тепловозы: грузовые 2ТЭ116, 2ТЭ121, 2ТЭ136 и пассажирские ТЭП70, ТЭП80, и даже на базе последней, новой модификации Д49, был выпущен новый тепловоз 2ТЭ25А, именуемый «Витязь», о котором расскажем более подробно, т. к. прототипом является его двигатель.

Магистральный грузовой двухсекционный тепловоз 2ТЭ25А «Витязь», изображенный на рисунке 2, построенный ОАО «Коломенский завод», с электрической передачей переменного тока, с поосным регулированием силы тяги предназначен для вождения грузовых поездов на железных дорогах Российской Федерации в районах с умеренным климатом при температуре окружающей среды от 40 °C до минус 50 °C. Эксплуатационные испытания тепловоза 2ТЭ25А показали, что по тяговым характеристикам он значительно превосходит тепловозы, которые находятся в эксплуатации у ОАО «РЖД». В 2007 году, во время испытаний, «Витязь» успешно провел на участке Брянск — Орел поезд общим весом 7 600 тонн. Этот показатель находится на уровне лучших мировых аналогов и значительно превышает возможности тепловозов, составляющих основу парка железных дорог стран СНГ — весовая норма основного грузового тепловоза ОАО «РЖД» 2ТЭ10М составляет 5 200 тонн.

Рисунок 2 — Фотография тепловоза 2ТЭ25А Переход на массовое использование таких машин позволит значительно увеличить средний вес поездов тепловозного полигона сети российских железных дорог, сократит количество «узких мест», позволит повысить эффективность эксплуатации инфраструктуры и уменьшить сроки доставки грузов.

Основными преимуществами тепловоза 2ТЭ25А являются:

— высокая сила тяги при трогании с места и расчетного режима;

— уменьшение объема ремонта тяговых электродвигателей;

— уменьшение количества силовых и вспомогательных электроаппаратов;

— применение встроенных средств с диагностикой параметров;

— оптимизация затрат мощности на привод собственных нужд.

Секция тепловоза оборудуется:

— дизель-генератором 21−26ДГ-01 с электронными системами подачи топлива и перепуска наддувочного воздуха, обеспечивающими возможность оптимизации параметров управления двигателем во всем поле рабочих режимов, увеличение давления наддува на частичных нагрузках, что улучшает протекание рабочего процесса и снижает вредные выбросы. По своим экологическим показателям дизель-генератор соответствует европейским стандартам 7/68/EG;

— электрической передачей переменного тока с синхронным тяговым агрегатом, тяговыми преобразователями на базе автономных инверторов напряжения и асинхронными тяговыми двигателями с поосным регулированием силы тяги, обеспечивающей повышение тяговых свойств тепловоза, увеличение межремонтных пробегов, снижение затрат на ремонт;

— двумя трехосными бесчелюстными тележками с двухступенчатым рессорным подвешиванием (вторая ступень рессорного подвешивания системы «Флексикойл»), низкоопущенным шкворнем, системой радиальной установки колесных пар, с асинхронными тяговыми двигателями, с моторно-осевыми подшипниками качения, обеспечивающими снижение затрат на техническое обслуживание, увеличение межремонтных пробегов тепловоза, повышение плавности хода, уменьшение динамических нагрузок, увеличение коэффициента использования сцепного веса;

— многофункциональной микропроцессорной системой управления, контроля и диагностики с отображением информации на дисплее пульта машиниста (рисунок 3), которая позволяет контролировать техническое состояние оборудования, обеспечивать оптимизацию тяговой и тормозной характеристик тепловоза;

— комплексным локомотивным объединенным устройством безопасности «БЛОК»;

— системой автоматизированного контроля параметров работы дизельного подвижного состава и учета дизельного топлива «АСК»;

— основным пневматическим автоматическим и вспомогательным прямодействующим тормозом;

— стояночным ручным тормозом, удерживающим тепловоз на 30 ‰;

— электрическим обдуваемым реостатным тормозом с системой управления, обеспечивающей регулируемое торможение;

— модульным компрессорным агрегатом АКВ — 4,5/1ПУ2 на базе винтового компрессора с приводом от электродвигателя постоянного тока с системой осушки и очистки сжатого воздуха;

— унифицированным комплексом тормозного оборудования УКТОЛ с краном машиниста дистанционного управления;

— индивидуальным охлаждением тягового электрооборудования радиальными мотор — вентиляторами с асинхронным приводом с плавным регулированием частоты вращения и асинхронного привода осевых мотор-вентиляторов охлаждающего устройства с плавным регулированием с использованием тиристорных преобразователей собственных нужд, обеспечивающих соответствие передаваемой мощности на привод собственных нужд фактической потребности;

— двухступенчатыми системами очистки воздуха, поступающего в дизель и на охлаждение электрооборудования с принудительным выбросом уловленной пыли;

— автоматической системой пожарной сигнализации и пожаротушения «СПСТ»;

— кабиной управления, отвечающей современным санитарно-гигиеническим, эргономическим и климатическим требованиям с установкой обеспечения микроклимата и автономным отопителем «Webasto»;

— системой подогрева теплоносителей дизеля, обеспечивающей дли — тельную стоянку в «горячем» резерве с электропитанием от сети депо;

— колесными парами с бандажами увеличенной толщины, обеспечивающими увеличение пробега тепловоза между переточками колесных пар;

— радиостанциями технологической связи метрового и гектометрового диапазонов;

— умывальником с подогревом воды и экологически чистым туалетом закрытого типа;

— холодильником пищи, электроплиткой для подогрева пищи.

Рисунок 3 — Пример типового экрана с сообщением «Система в норме»

На локомотиве использованы экранированные силовые провода швейцарского производства, применена раздельная трассировка силовых проводов и цепей управления. Для соединения кабелей с тяговыми двигателями использовали джамперные перемычки.

Повышение мощности двигателей ряда Д49 на этих тепловозах приведенных выше, также связана с увеличением среднего эффективного давления Р_с. Сейчас его величина составляет у серийных двигателей 1,3 — 1,6 МПа и достигает 1,7−1,9 МПа и даже более у опытных машин. Эти характеристики привели в последнее время к постепенному вытеснению с тепловозов двухтактных двигателей. В модернизации отечественного тепловозного парка уже предусмотрена замена устаревших дизелей типов Д100 и 14Д40 на более эффективные четырехтактные типа Д49.

Четырехтактные дизели традиционно применяет на своих тепловозах другой крупнейший производитель тепловозов в США — Отделение транспортных систем корпорации Дженерал Электрик (General Electric Transportation Systems).

Даже Дженерал Моторс в США, убедившись в том, что дальнейшее повышение мощности своих двухтактных дизелей имеет предел, в 1996 г. для возможности создания мощных тепловозов совместно с немецкими фирмами разработала четырехтактный двигатель Y625H размерностью 26,5×30 с высоким наддувом и величиной Р_с = 2,13 МПа. Мощность этой машины в 16 цилиндрах достигла 4 700 кВт. Тепловозы с такими двигателями и с электрическими передачами переменного тока уже проходят испытания в опытной эксплуатации.

1.2 Обоснование выбора прототипа

При создании и модернизации эксплуатируемых тепловозов, стараются в целом улучшить такие показатели как мощность, надежность, габаритные размеры, масса, стоимость единицы выполненной работы и особенно уделяют внимание топливной экономичности. Проблема энергосбережения приобрела в настоящее время стратегическое значение. Поэтому исследование путей повышения топливной экономичности и эффективности работы тепловозных дизелей в эксплуатации остается актуальным.

С целью улучшения эксплуатационных качеств двигателей, рекомендовано проведение всесторонних научных исследований, направленных на повышение топливной экономичности и эффективности работы локомотивов в эксплуатации энергетических установок. Проведенные научные исследования в области энергетического диагностирования тепловозных дизелей позволили повысить их топливную экономичность. Однако достигнутый, уровень эффективности работы тепловозных дизелей, недостаточен, для достижения высоких показателей по экономичности дизеля в эксплуатации.

Вначале проекта, стоял вопрос о выборе прототипа двигателя. Актуальность выбора, зависела от того, как широко используется двигатель, и от степени его новизны. Очевидно, что такие условия удовлетворяет двигатель серии Д49, который в основном и применяется на магистральных тепловозах российских железных дорог.

Прототипом был принят двигатель Д49 последней модификации, модель 12ЧН26/26, который установлен на тепловозе 2ТЭ25А.

1.3 Техническое решение по повышению качества работы двигателя

Мы считаем что, главным узлом влияющим на топливную экономичность и работу двигателя является, топливная аппаратура. Строго порционная и своевременная подача топлива и возможность с помощью электроники регулировать угол опережения, отключать несколько цилиндров одновременно, позволяют не только сэкономить топливо, но и оптимизировать работу и облегчить регулировку двигателя. Поэтому было принято решение спроектировать двигатель Д49, заменив механический ТНВД Д49 на индивидуальный ТНВД с электромагнитный клапанном фирмы Вosch.

1.3.1 Представление ТНВД Bosch

Применение и требования

Индивидуальные ТНВД с электромагнитным клапаном применяются на тяжелых дизелях для тепловозов и судов. Максимально допустимая частота вращения коленчатого вала этих двигателей составляет 1000 мин ¹ при цилиндровой мощности 150−450 кВт.

Для определенных случаев эксплуатации тяжелых транспортных дизелей уже существуют узаконенные требования по ограничению токсичности ОГ, для более широких областей применения они находятся в стадии разработки. Такие нормативы наряду со стремлением к оптимизации расхода топлива и уменьшению уровня шума оказывают решающее влияние на совершенствование двигателей и соответственно на дальнейшее развитие систем впрыска.

Для выполнения указанных требований при обеспечении высокой мощности момент начала впрыскивания должен свободно варьироваться. Это условие легко реализуется при помощи индивидуальных ТНВД с электромагнитными клапанами, которые управляются специальными электронными блоками.

При этом, по сравнению с механическими индивидуальными ТНВД, имеющими механические регуляторы, отпадает необходимость в рейке, регулирующей втулке и элементах соединения, а также в исполнительном механизме. Эти громоздкие детали заменяет электрический провод, соединяющий блок управления с электромагнитными клапанами ТНВД.

Описание преимуществ

Преимущества ТНВД Bocsh с электромагнитным клапаном, перед механическими ТНВД Д49 выражается в следующем:

— Отсутствие нагнетательного клапана, что в свою очередь уменьшает расход материалов и комплектующих.

— Большие возможности компоновки при хорошей совместимости с традиционными головками блока цилиндров.

— Быстрая установка и возможность точного регулирования.

— Простота замены в случае ремонта и обслуживания.

— Точное дозирование топлива с возможностью индивидуальной регулировки момента начала и величины подачи по цилиндрам.

— Возможность отключения отдельных ТНВД для обеспечения у оставшихся цилиндров оптимальных параметров при частичных нагрузках на двигатель.

— Отсутствует топливная рейка, что упрощает конструкцию и обслуживание.

— Плунжер индивидуального ТНВД с электромагнитным клапанном выполнен намного проще. Обосновывается это отсутствием канавки с регулирующей кромкой. Кроме того, в гильзе плунжера отсутствуют распределительные отверстия.

Кроме того, появляется возможность задать для каждого цилиндра различные условия регулирования процесса впрыскивания, что позволяет принимать во внимание дополнительные параметры, такие, как температура топлива или степень износа отдельных цилиндров.

Конструкция и принцип действия

По сравнению с индивидуальным механическим ТНВД, плунжер индивидуального ТНВД с электромагнитным клапаном выполнен намного проще. Он не имеет ни спиральной канавки с регулирующей кромкой, ни продольной канавки. Кроме того, в гильзе плунжера отсутствуют распределительные отверстия. Вместо нагнетательного клапана в корпус ТНВД установлен электромагнитный клапан с управляющим поршнем. Цилиндрический управляющий клапан 11 (рисунок 4), ходит по гильзе 12 в верхней части корпуса 14 ТНВД. На этом поршне со стороны катушки электромагнита 9 находится игла с конической посадочной поверхностью, которая взаимодействует с седлом в гильзе. Там же укреплена пластина 7 якоря, которая при подаче напряжения на катушку притягивается электромагнитом, преодолевающим силу возвратной пружины 10 клапана. При этом управляющий поршень переходит в закрытое положение, т. е. игла плотно прилегает к седлу. Между пластиной якоря и корпусом электромагнита остается воздушный зазор. Как только катушка электромагнита обесточивается, пружина клапана сдвигает управляющий поршень от магнита, открывая проходное сечение клапана и прижимая управляющий поршень к упорной пластине 3.

Рисунок 4 — Конструкционная схема ТНВД Bosch: 1 — штуцер; 2 — штекер соединения с блоком управления; 3-упорная пластина; 4-плунжер; 5-канал подвода топлива; 6-канал обратного слива; 7-пластина якоря; 8 — стакан корпуса; 9-катушка эл. магнита; 10-пружина клапана; 11-клапан; 12-гильза; 13-пружина возврата плунжера; 14-корпус; 15-кулачок; 16-толкатель Через кольцевые канавки и отверстия в гильзе плунжера возможны отвод просачивающегося без давления топлива или смазка плунжера под давлением.

Канал подвода топлива выполнен таким образом, что поступающее горючее постоянно охлаждает электромагнит. Для этого величина прокачки выбрана в 3−5 раз больше, чем величина подачи топлива при полной нагрузке двигателя.

Для того чтобы могло произойти впрыскивание топлива, блок управления работой дизеля включает катушку электромагнита в то время, когда плунжер движется вверх. Пока катушка под напряжением, клапан остается закрытым и топливо под давлением подается к распылителю. Одновременно снижается сила тока в катушке электромагнита, удерживающей клапан в закрытом положении. Соответственно, уменьшаются потерн мощности и излишнее тепловыделение, связанные с прохождением тока через катушку. Для окончания впрыскивания блок управления снимает напряжение с катушки. Возвратная пружина клапана сдвигает управляющий поршень в открытое положение. Оставшееся горючее, нагнетаемое плунжером, перетекает через открытый клапан в канал обратного слива топлива. Таким образом, магистраль высокого давления разгружается до давления в системе подачи.

На протекание процесса впрыскивания при использовании системы индивидуальных ТНВД c управлением электромагнитными клапанами, как и при механическом регулировании, влияет форма кулачка привода ТНВД.

Наполнение надплунжерного объема индивидуального ТНВД через проходное сечение конического седла электромагнитного клапана имеет ряд преимуществ. Главным из них является то, что при ошибочном «зависании» управляющею поршня в открытом или закрытом положении не произойдет перехода к недопустимому режиму эксплуатации двигателя (например, к «перекрутке» дизеля из-за превышения величины цикловых подач). Это относится также и к ошибкам в управлении электромагнитным клапаном.

Гильза, в которой перемещается управляющий поршень, горизонтально расположена в верхней части корпуса ТНВД. Если после долгой эксплуатации на седле появляются следы износа, конструкция ТНВД позволяет быстро заменить пару «гильза — поршень».

2. Расчетная часть

2.1 Топливный расчет

Статическая модель расчета топлива базируется на следующих основных положениях: топливо считается сжимаемым, но коэффициент сжимаемости при расчете сохраняет постоянное значение; давление и плотность во всех точках ТВД в любой рассматриваемый момент времени считается постоянным; клапаны насоса и форсунки открываются и закрываются моментально. При этом расчет сводится к решению уравнения объемного баланса, которое в общем случае можно записать в виде:

(1)

Где, Fп — площадь плунжера; Сп — скорость плунжера; t — время; - коэффициент сжимаемости топлива; - эффективное проходное сечение сопловых отверстий распылителя; - объем топлива в магистрали высокого давления; p — давление топлива в магистрали высокого давления; -давление в цилиндре; - плотность топлива.

Расчет топливоподачи по статическому методу происходит на трех этапах.

На первом этапе происходит предварительное повышение давления топлива в магистрали до того момента пока, давление на достигнет величины затяжки, пружины подъема иглы форсунки. В нашем случае эта величина равна 32 мПа.

Расчет данного этапа упрощается за счет исключения правого слагаемого, в правой части уравнения (1) т. е. =0. В этом этапе учитываются объемы над плунжером Vп, в штуцере Vшт, в трубопроводе Vтр и перед иглой Vи, т. е.,

(2)

Второй этап описывается уравнением (1) и продолжается до тех пор до тех пор пока не произойдет впрыск топлива равный цикловой подачи на установленном режиме. В этот момент блок управления прекращает подачу напряжения на катушку электро — магнита.

Расчет производится аналогично. Однако здесь уже учитывается объем посадочного места иглы т. е.

(3)

Третий и заключительный этап — свободное расширение. Начало происходит в момент прекращения подачи топлива насосом и продолжается до момента окончания истечения топлива из форсунки. Здесь уместно говорить о резком падении давления до 0,2 мПа, т. к. напряжения с катушки электромагнита снимается, а значит, клапан под действием возвратной пружины открывается и разобщает трубку высокого давления с ТНВД. Топливо течет по пути меньшего сопротивления уходя на обратный слив.

Расчет производился в программе MS Excel, потому как требует повышенной точности. В итоге расчетных и исследовательских операций мы получили компьютерную программу (рисунок 5), позволяющую автоматически выводить результаты на разных режимах работы двигателя, задавая такие параметры как: угол опережения подачи топлива, обороты коленчатого вала, объем магистрали высокого давления, начальное давление, площадь поперечного сечения плунжера и т. д.

Рисунок 5 — Пример рабочего окна расчетной программы MS Excel

2.1.1 Результаты исследования

Для подтверждения целесообразности применения такой системы к прототипу, был произведен с помощью программы MS Excel, расчет подачи топлива по статическому методу, результатами которого стали, диаграммы (рисунок 6), характеризующие зависимости давления впрыска от угла поворота кулачкового вала на некоторых позициях контроллера машиниста.

Результаты расчета показали, что топливная характеристика примененной топливной системы удовлетворяет условиям эксплуатации. Положительная работа ТНВД в совокупности c преимуществами системы описанными выше, определенно доказывают целесообразность проекта. Однако, положительные результаты исследования, не решают проблему в корне. Мы знаем, что применяемый ТНВД был разработан для эксплуатации на двигателе 7FDL, поэтому монтировать его на двигатель Д49 без вмешательства конструкционной работы невозможно.

Рисунок 6 — Диаграммы зависимости давления подачи топлива от угла поворота кулачкового вала: 1- изменения давления подачи топлива от угла поворота кулачкового вала на холостом ходу; 2-на четвертой позиции контроллера машиниста (ПКМ); 3 — на восьмой ПКМ; 4 — на одиннадцатой ПКМ; 5-на 15 позиции ПКМ; а — срабатывание клапана; б — начало впрыска топлива в цилиндр Конструкторское предложение, описание расчета подачи топлива по статическому методу, а также тепловой расчет приведены далее.

2.1.2 Конструкторское предложение

После анализа, расчета и проверки на рабочую возможность эксплуатации ТНВД Bosch, следовала новая задача. Потребовалось спроектировать такую конструкцию, которая бы не только монтировалась на двигатель Д49, но и чтобы механические составные ТНВД взаимодействуя друг с другом выполняли полезную работу.

Нельзя не упомянуть и о том обстоятельстве, что в современном мире новая конструкция создается сначала виртуально, в компьютерном варианте, т. е. в трех мерном изображении. В нашем случае использовалась программа Solid Works (рисунок 7). Одни из возможностей такого метода позволяют проектировать и видоизменять каждую деталь по отдельности, выполнять сборку, и строить чертежи.

Рисунок 7 — Рабочее окно программы «Solid Works»

Результатом проектирования является ТНВД изображенный на рисунке 8, спаренный из нижний части ТНВД Д49 (рисунок 9) и ТНВД Bosch (рисунок 10).

В первом случае мы оставили без изменений все, кроме платформы и болта внутренней части втулки. Как видно на рисунке 11, в платформе предлагается выполнять только отверстия, через которые проходят шпильки идущие от блока дизеля. Выполнение других отверстий, в отличии от первоначальной модели, является нецелесообразным, т. к. они не пригодятся. Шпильки проходят дальше через отверстия корпуса ТНВД Bosch, тем самым соединяя конструкцию, и после чего две составные части закрепляются болтами. На болт (рисунок 12), выполнятся наращение, которое будет играть роль толкателя плунжера.

Во втором случае предлагается выполнять стакан корпуса ТНВД, с аналогичными геометрическими параметрами, и центром отверстий подобными, «платформе» для возможности соединения.

Рисунок 8 — Представление спроектированного ТНВД: а — в объеме; б — продольный разрез Рисунок 9 — Нижняя часть ТНВД Д49 с измененной платформой: а — вид в объеме; б — продольный разрез Рисунок 10 — ТНВД Bosch с измененной нижней частью корпуса Рисунок 11 — Платформа ТНВД Д49 (вид сверху): а — традиционная; бизмененная Рисунок 12 — Болт внутренней части втулки: а — традиционный; бизмененный При разработке конструкции также была выполнена задача связанная с требования по минимальному отклонению геометрических размеров деталей, от вариантов производителя, что непосредственно упрощает процесс их изготовления для ТНВД.

2.2 Тепловой расчет

Целью теплового расчета является определение основных индикаторных и эффективных показателей прототипа. Расчет сводится к определению параметров состояния рабочего тела в расчетных точках цикла. За расчетный цикл принят круговой процесс, представленный на рисунке 13. По результатам расчета термодинамических параметров рабочего тела определяются показатели эффективности рабочего процесса.

Рисунок-13 Расчетный цикл дизеля: 1−2-политропное сжатие с показателем политропы n₁; 2−3-участок быстрого горения (подвод теплоты по изохоре); 3−4-участок основного горения (подвод теплоты по изобаре); 4−5-горение и расширение (политропное расширение с показателем политропы n₂); 5−1-отвод теплоты по изохоре (выпуск отработавших газов и впуск свежего воздуха) Средний элементарный состав 1 кг дизельного топлива принимаем:

C= 0,87; Н = 0,126; S = 0; О = 0,004.

Теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива L_о, кмоль/кг

;

.

Действительное количество воздуха М₁, кмоль/кг

кмоль/кг, (5)

где б₁ = 1,9 — воздушно-топливное отношение при сгорании, или коэффициент избытка воздуха.

кмоль/кг.

Суммарное количество продуктов сгорания М₂, кмоль/кг

; (6)

Изменение количества рабочего тела при сгорании ?М, кмоль/кг

(7)

Коэффициент молекулярного изменения

(8)

2.3 Расчёт процесса наполнения

Принимаем давление окружающей среды Р₀ = 0,1 МПа, температуру окружающей среды Т₀=290 К Коэффициент остаточных газов принимаем для 4-тактного двигателя с наддувом г_r = 0,02

Давление в конце наполнения равно Р₁, МПа

Р₁ = 0,96· Р_В (9)

Р₁=0,96· 0,22 = 0,211 МПа Температура в конце наполнения определяется из выражения Т₁, К

(10)

где ДТ=5 — подогрев свежего заряда от стенок цилиндра и поршня, К;

Т_r = 700 — температура остаточных газов, К;

Т_в = 310 — температура надувочного воздуха, К.

Рассчитываем коэффициент наполнения Ф_с

(11)

где е_V = 12,6 — действительная степень сжатия;

2.4 Расчет процесса сжатия

Принимаем показатель политропы сжатия n₁ = 1,38

Определяем давление в конце сжатия P₂, МПа

(12)

Определяем температуру в конце сжатия Т₂, К

(13)

2.5 Расчет процесса сгорания

Выбираем коэффициент эффективного выделения теплоты в точке 4, о₄ = 0,84

Рассчитываем действительный коэффициент молекулярного изменения

(14)

Определяем максимальное давление сгорания р_max, МПа

Р_max=Р₃=Р₄= л· Р_2, (15)

Р_max= 1,9· 6,929=13,24 МПа

Решаем уравнение сгорания

(16)

где Н_u = 42 700 — низшая теплота сгорания, кДж/кг;

= 24,711 — средняя мольная теплоёмкость воздуха при постоянном давлении при температуре t₂ = 633 єС, ;

л = 1,9 — степень повышения давления;

— средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении, ;

t_max = (Т_max — 273) = 1500ч1800 єС — температура точки 4 на индикаторной диаграмме, то есть в конце подвода теплоты в теоретическом цикле 4-тактного двигателя, находится из уравнения сгорания.

Теплоёмкость является функцией температуры t_max, поэтому уравнение сгорания является квадратным уравнением относительно величины t_max.

Решение уравнения сгорания сводится к определению величины t_max.

Определяем, что равенство левой и правой части в уравнении сгорания выполняется при:

= 26,234, при t_max=1800 ⁰С.

Вычисляем степень предварительного расширения

(17)

2.6 Расчет процесса расширения

Предварительно выбираем показатель политропы расширения n₂=1,26

Определяем степень последующего расширения

(18)

Температура конца расширения Т₅, К

(19)

Решаем уравнение процесса расширения

(20)

где о₅ = 0,87 доля теплоты, которая затрачена на изменение внутренней энергии и совершение работы расширения от окончания подвода теплоты до конца расширения;

= 21,704 — средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении при температуре t₅=811 єС, ;

=26,487 — средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания при постоянном давлении при температуре t_max = 1727 єС, ;

Определяем давление в конце расширения P₅, МПа

(21)

2.7 Расчет индикаторных показателей двигателя

Рассчитываем среднее индикаторное давление теоретического цикла

P_miT, МПа

(22)

Вычисляем среднее индикаторное давление действительного цикла P_mi, МПа

(23)

где — коэффициент полноты диаграммы, принимаем = 0,99

Рабочий объем цилиндра V_s, м³

(24)

Объем камеры сгорания V_с, м³

(25)

Полный объем цилиндра V_а, м³

(26)

Определяем обьем в конце процесса сгорания V₄, м³

(27)

Определяем индикаторный КПД з_i, %

(28)

Определяем удельный индикаторный расход топлива b_i, кг/(кВтч)

(29)

2.8 Расчет эффективных показателей двигателя

Среднее эффективное давление P_me, МПа

(30)

где з_м = 0,9 — механический КПД МПа Эффективный КПД двигателя з_е, %

(31)

Удельный эффективный расход топлива b_e, кг/кВтч

(32)

кг/кВтч

2.9 Построение индикаторной диаграммы

Тепловой расчет прототипа завершается построением индикаторной диаграммы рабочего процесса в координатах осях P - V. Индикаторная диаграмма, изображенная в этих осях, представляет собой зависимость давления газов цилиндре от его объема.

Расчетная индикаторная диаграмма строится по значениям давлений и объемов в характерных точках расчетного цикла и значениями показателей политроп сжатия и расширения.

При помощи программы MS Excel, согласно расчетным данным была построена и скруглена индикаторная диаграмма представленная на рисунке 14.

Рисунок 14- Индикаторная диаграмма

2.10 Результаты расчета

В ходе расчета были оценены возможности повышения показателей работы двигателя таких как: индикаторный коэффициент полезного действия (КПД), эффективный КПД, удельный эффективный и индикаторный расход топлива, среднее эффективное и индикаторное давление. Действительно, результат несколько превосходит аналоги. Однозначно можно сделать вывод, что совершенствование прототипа допустимо без изменений его геометрической составляющей такой как: диаметр и ход поршня, количества цилиндров и т. д.

В таблице 2.10 приведены технические характеристики прототипа Д49, и его аналогов.

Таблица 2.10 — Основные показатели дизеля прототипа и аналогов

3. Технология создания компьютерных обучающих программ с применением трехмерного моделирования

3.1 Введение в раздел

В этом разделе рассмотрены современные возможности для создания компьютерных обучающих программ в технической сфере. Предложена универсальная технология, позволяющая на основе общей методики создавать компьютерные обучающие программы для изучения конструкций и принципов действия различных устройств в области машиностроения.

В наше время существует множество способов представления обучающего материала. Традиционным является печатная литература (рисунок 15). Развитие полиграфии сделало книги основной формой представления обучающей информации, основным средством самообразования и повышения квалификации. Несмотря на безусловные достоинства такого способа передачи знаний, существуют и очевидные его ограничения. Наиболее ярко они проявляются в учебной и технической литературе, посвященной описанию работы устройств, их конструкции и принципов действия. В этих случаях не обойтись без схем, чертежей и т. д. От авторов учебного пособия могут потребоваться значительные усилия по созданию такой графической продукции, поиск компромисса между наглядностью и внешней схожестью с реальным объектом и, как правило, несколько страниц поясняющего текста.

Появление новых технических средств аудиои видеотехники позволило создавать обучающие программы, ориентированные на пассивное восприятие информации обучаемым. Внешне процесс обучения выглядит простым и увлекательным и, можно предположить, эффективным. Однако создание такой обучающей программы, как правило, очень затратное мероприятие.

Рисунок 15 — Пример иллюстрации печатной литературы

В качестве примера можно привести обучающие фильмы фирмы General Electric, выпускаемые для своей продукции. Для пояснения принципа работы дизеля 7FDL специалистами этой компании был выполнен поперечный разрез двигателя, который оснастили электроприводом. Окончательная версия учебного видеофильма потребовала дополнительной работы мультипликаторов для создания эффектов воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя. Современные компьютерные технологии открыли новые возможности в образовательных технологиях. Главная их особенность — интерактивность, позволяющая обучающемуся перейти из роли «стороннего наблюдателя» в активного участника процесса познания. По нашему мнению компьютерная программа, соответствующая принципу интерактивности должна обеспечить обязательное выполнение следующих возможностей:

— выбор последовательности работы отдельных фрагментов программы в соответствии с текущими потребностями обучаемого;

— контроль (самоконтроль) правильности усвоения учебного материала.

Имеющийся опыт разработки обучающих и тестирующих программ побудил нас к разработке единой технологии их создания, которая бы позволила в будущем с минимальными затратами времени создавать новые учебные пособия. Наряду с интерактивностью к окончательному программному продукту предъявлялись следующие требования:

— возможность защиты авторских прав техническими или программными средствами;

— регулируемый доступ к обучаемым программам;

— изучение конструкции на основе трехмерных моделей деталей узлов и агрегатов;

— изучение принципов работы изучаемых объектов на основе анимированных схем.

3.2 Результаты исследований

При разработке общей технологии создания КОП прежде всего мы должны были определиться со структурой учебного пособия, общей для многообразного перечня устройств в машиностроении. Мы считаем, что необходимым и достаточным для достижения образовательной цели в рассматриваемой области будет наличие двух интерфейсов работы КОП, которые далее будем условно называть подпрограммами. Это подпрограмма «конструкция» и подпрограмма «принцип действия». Каждая из этих подпрограмм должна работать в режимах «обучение» и «тестирование»

Подпрограмма «конструкция» работает следующим образом. В окне программы имеется перечень основных деталей узла. Основную часть окна занимает схема узла, выполненная на основе характерного его разреза (сечения). Каждому элементу в перечне соответствует его «плоское» графическое изображение на схеме узла, краткая текстовая характеристика и трехмерная модель в базе данных программы. Работа с подпрограммой в режиме обучения протекает следующим образом. При прохождении указателя (мыши) над элементом перечня, соответствующая ему часть изображения на схеме выделяется ярче и, наоборот, при прохождении указателя над элементом схемы выделяется нужный элемент в перечне. При щелчке (левой кнопкой мыши) по элементу перечня или части схемы в свободной области окна появляется текстовый фрагмент, содержащий необходимую информацию о детали и её трёхмерная анимированная модель. При первом появлении модель детали вращается относительно характерной для конкретной формы детали оси (вертикальной или горизонтальной), совершая один полный оборот. Обучаемый может повторить анимацию вращения, выбрав любую из двух осей вращения.

В режиме «тестирование» работа подпрограммы заключается в нахождении соответствия между всеми четырьмя визуальными компонентами, а именно: названием детали, её изображением на схеме, текстовой характеристикой и анимированной объемной деталью. Возможны различные комбинации, определяемые генератором случайных чисел. Например, в окне воспроизводится трехмерная деталь, а обучаемый должен правильно указать ее название в перечне элементов. Или по названию детали правильно указать её на схеме и т. д. Все текстовые задания формулируются в текстовом виде, отображаемом в верхней части окна. Наиболее сложным, по нашему мнению, является вариант, когда по текстовой характеристике детали требуется найти её изображение на схеме.

Мы считаем, что работа обучаемого с этой подпрограммой поможет ему: выучить правильную терминологию (названия деталей), их расположение в составе изделия (место на сборочном чертеже); получить представление о внешнем виде деталей и её принципиальных характеристиках.

Рассмотрим интерфейс подпрограммы «принцип действия». В окне подпрограммы расположены схема узла и перечень наименований фаз работы. Схема анимируется в соответствии с логикой работы устройства. При этом каждому временному интервалу анимации соответствует та или иная фаза процесса, название которой выделяется в перечне наименований.

При щелчке по элементу перечня, анимация прерывается и возобновляется с того места, которое соответствует началу выбранной фазы и останавливается в ее конце. Также есть возможность вернуться к первоначальному варианту анимации с непрерывным чередованием характерных фаз.

В режиме «тестирование» от обучаемого требуется остановить анимацию в той фазе работы узла, которая будет задаваться программой в случайном порядке из перечня характерных фаз. В другом варианте программа останавливает анимацию в случайном месте и требует от обучаемого ввода соответствующего наименования процесса. Возможен и третий вариант, когда выбор наименования выполняется в соответствии с заданным текстовым описанием.

Работа обучаемого с этой подпрограммой поможет ему получить представление о принципе действия узла, овладеть правильной терминологией, используемой для наименования и характеристики протекающих процессов. Приведенные выше описания интерфейсов работы программы не исключают разработку некой универсальной среды или конструктора для разработки КОП, работающих по представленному принципу. В настоящий момент мы такую задачу перед собой не ставили, тем не менее, уже на данный момент развития технологии мы можем четко определить те элементарные компоненты — «кубики» программы, которые и позволяют говорить нам об универсальности технологии. Под универсальностью мы здесь понимаем возможность создания новых обучающих программ без изменения внешней управляющей программы, а только наполнением ее новыми компонентами. Их всего три. Рассмотрим каждый подробно.

Первый — это трехмерная модель каждой детали. В настоящее время существует множество программ для трехмерного моделирования. В институте тяги и подвижного состава ДВГУПС студенты ряда специальностей изучают программу «SolidWorks», которую мы также использовали в нашей работе. И хотя процесс создания трёхмерных моделей требует определенных навыков и знаний, он является понятным и естественным для инженера-механика. Именно такого специалиста мы имеем в виду в роли потенциального автора КОП, созданной по нашей технологии. Нельзя не упомянуть и о том обстоятельстве, что в современном мире новая конструкция создается сначала виртуально, в компьютерном варианте, т. е. в виде тех самых трехмерных моделей. Поэтому на момент разработки обучающей программы для нового изделия нельзя исключать возможность приобретения готовых трехмерных моделей у производителя.

Второй компонент — текстовая информация о каждой детали и протекающих в устройстве процессов. Это наиболее простой для программной реализации компонент, не требующий долгих пояснений. В соответствие с задумками автора текст может содержать разнообразную информацию. Каждой детали и характерной фазе работы устройства должен соответствовать свой текстовый файл.

Третий компонент — интерактивная схема объекта. Для программной реализации этого компонента мы использовали возможности программы Adobe Flаsh со встроенным языком программирования ActionScript. В простейшем случае предполагается одна такая схема. С позиций программиста она должна быть «чувствительной» к перемещению мыши в соответствующих областях и «уметь» выделять (контрастностью, цветом и т. п.) отдельные свои элементы. Этот компонент, в отличие от описанных выше, должен иметь программный интерфейс для обмена данными с управляющей программой. Технология Adobe Flash имеет целый арсенал таких средств. На сегодня мы еще не готовы сделать окончательный выбор для «стандартизации» интерфейса взаимодействия компонентов с управляющим модулем, но это вопрос ближайшего будущего. Возможно, для КОП понадобится не одна, а несколько интерактивных схем. Например, при реализации КОП, представленной ниже, мы использовали две схемы, которые отличались скоростью анимации движения и детализацией проработки необходимых фрагментов.

Остальные задачи функционирования КОП решает управляющая программа, код которой должен подвергаться минимальным изменениям при разработке новой программы, в идеале — вообще не должен изменяться.

Рассматривая КОП как образовательный ресурс, обладающий в современном обществе не только социальной, но и коммерческой составляющей, мы не могли не учитывать требование регулируемости доступа к этому ресурсу. Наиболее перспективным и развивающимся направлением в этой области являются, как это ни парадоксально, интернет технологии. Если обучающая программа находится на сервере образовательного учреждения, то в руках технического персонала имеется разнообразный инструмент не только по ограничению доступа к ней, но и учету различной персонализированной информации об использовании данной программы. Наряду с многочисленными положительными сторонами использование Интернет влечет и ряд проблем. В первую очередь это связано с требованием минимальных изменений в программном обеспечении компьютера конечного пользователя. В идеале вообще их отсутствие, т. е. работа КОП в окне стандартного браузера, в крайнем случае, с установкой ActiveX-компонентов от авторитетных компаний. Во вторую очередь, повышенные требования к скорости загрузки отображаемых компонентов КОП, а значит к размеру их кода. По этой причине мы сразу отвергли применение видеофайлов для анимации трехмерных деталей, простая возможность получения которых имеется в программе SolidWorks.