сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
сотрудник
Россия
Караваево, Костромская область, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
В инженерной практике наиболее эффективными методами оценки показателей надежности и определения ожидаемых технико-экономических показателей, с учетом технического уровня совершенствования системы питания дизелей, считают прогнозирование. Решение подобных задач требует описания изменения параметров объектов в различные моменты времени. Цель исследований – прогнозирование возможных значений давления впрыска топлива системы Common Rail на ближайшую перспективу для своевременного создания условий эксплуатации, проведения обслуживающих и ремонтных мероприятий. Для прогнозирования изменения давления впрыска топлива в системе питания дизеля использовали статистический метод. Методика прогноза включала этапы анализа исходной информации, выбора аналитической зависимости изменения рассматриваемого параметра в прошлом, экстраполяции полученной зависимости на прогнозируемый период и оценки результатов. Выбор аналитических зависимостей изменения оценочного значения давления осуществляли методом наименьших квадратов. Степень связи между рассматриваемой аналитической зависимостью и линией, построенной по исходным данным, определяли по величине коэффициента корреляции. Поскольку технико-экономические и экологические требования ужесточаются, растут требования к системе питания двигателей внутреннего сгорания, что вызывает необходимость повышения функциональных возможностей топливной аппаратуры – в первую очередь по величине давления впрыска топлива. В работе рассматриваются результаты прогнозной оценки возможных значений давления впрыска топливной системы Common Rail. Результаты исследования позволяют прогнозировать увеличение давления впрыска топлива системы Common Rail к 2026 г. до 300 МПа. Для обеспечения высоких показателей технической готовности предприятий технического сервиса дизельной топливной аппаратуры необходимо учитывать возможные изменения значений давления впрыска топлива в будущем
дизельный двигатель, давление впрыска, прогнозная оценка
На ближайшую перспективу дизельные двигатели рассматривают как наиболее эффективные двигатели внутреннего сгорания по топливной экономичности. Качество их рабочего процесса в основном зависит от того, как и когда подается топливо, и под каким давлением оно впрыскивается в камеру сгорания. Все процессы происходят под действием топливного насоса высокого давления (ТНВД), который дозирует топливо по цилиндрам [1, 2].
Традиционные системы питания дизелей с механическим регулированием не в полной мере обеспечивают подачу топлива для качественного образования воздушно-капельной смеси в камере сгорания, в силу ряда недостатков, среди которых можно назвать относительно невысокое давление впрыска топлива. Кроме того, во время нагнетания топлива в трубопроводах возникают пульсирующие волновые давления, которые могут привести к преждевременному отказу [3, 4]. Наиболее распространенная причина потери работоспособности плунжерных пар топливного насоса высокого давления (ТНВД) автотракторных дизелей – снижение максимального развиваемого давления и цикловой подачи из-за износа деталей [4]. Самый характерный показатель отказа рядного топливного насоса – увеличение неравномерности распределения топлива и снижение цикловой подачи топлива, на долю которого приходится 29,2 % отказов [5]. Кроме того, традиционные системы питания дизелей с механическим регулированием характеризуются значительным выбросом вредных веществ в отработавших газах и повышенным расходом топлива [2].
Повышение давления впрыска топлива увеличивает скорость истечения топлива из сопла распылителя форсунки и уменьшает средний диаметр капель, что, в свою очередь, повышает однородность распыления, а значит, и эффективность сгорания топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя.
В результате мощность дизеля возрастает, а расход топлива уменьшается, что очень важно для конечного потребителя.
В то же время с повышением давления впрыска топлива возникает необходимость в более точном изготовлении прецизионных элементов. Следовательно, возрастает технологическая и техническая потребность в оценке точности их измерения как при изготовлении, так и при обслуживании и ремонте системы питания Common Rail дизеля. Если эксплуатирующие и сервисные предприятия не успеют создать условия для обслуживания и ремонта таких высокоточных элементов, это может сопровождаться дополнительными простоями техники и непредвиденными расходами.
Цель исследований – прогнозирование возможных значений давления впрыска топлива системы Common Rail на ближайшую перспективу для своевременного создания условий эксплуатации, проведения обслуживающих и ремонтных мероприятий.
Условия, материалы и методы исследований. Работу выполняли в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВО «Чувашская ГСХА» в 2019 г. Объект исследования – изменение давления впрыска топлива системы Common Rail.
Система Common Rail обеспечивает точно дозированную по объему, продолжительности и углу подачу топлива в зависимости от режима работы двигателя. Она обеспечивает мягкий и устойчивый режим работы, улучшение динамических характеристик (мощность, крутящий момент), снижение расхода топлива, уменьшение содержания вредных примесей в выхлопных газах [6, 7]. К основным недостаткам системы можно отнести относительно высокую стоимость, жесткие требования к качеству топлива и сервисному обслуживанию.
Для определения возможных значения давления впрыска топлива системой Common Rail в ближайшей перспективе, целесообразно использование методов прогнозирования, характеризующих изменение параметров рассматриваемого объекта в различные моменты времени.
В зависимости от исходной информации различают следующие методы прогнозирования [8]:
экспертных оценок;
моделирования, включающие физические, физико-математические, информационные модели и др.;
статистические, основанные на интерполяции и экстраполяции данных предварительных исследований, корреляционный и регрессионный анализ.
Выбор конкретного метода прогнозирования зависит от объема и качества исходной информации, характера изменения прогнозируемого параметра, целей прогнозирования и др. Наибольшее распространение получили статистические методы прогнозирования, позволяющие оценить возможные изменения характеристик системы в будущем на основании информации о их поведении в прошлом.
Процедура прогнозирования включает следующие этапы:
анализ исходной информации и построение графика, иллюстрирующего изменение рассматриваемого параметра в прошлом;
выбор математической модели (аналитической зависимости) изменения рассматриваемого параметра в прошлом;
экстраполяция зависимости на прогнозируемый период;
оценка прогнозируемого значения (среднее, доверительный интервал при заданной доверительной вероятности).
Выбор аналитической зависимости может быть выполнен различными методами (выбранных точек, средних, наименьших квадратов и др.). В работе его проводили методом наименьших квадратов.
Чаще всего в качестве аналитической зависимости для одной переменной х используют нелинейные функции (полиномы) вида:
где a0, a1, a2…an– постоянные коэффициенты.
На практике обычно достаточно использование квадратичной функции вида:
(1)
Коэффициенты квадратичного уравнения определяются решением системы уравнений:
(2)
Корректность выбранной аналитической зависимости может быть подтверждена коэффициентом корреляции, вычисленным по формуле:
(3)
где и – средние значения рассматриваемых величин.
Принято считать, что если коэффициента корреляции rxy< 0,3, то связь очень слабая, rxy= 0,3…0,5 – слабая, rxy= 0,5…0,7 – средняя, rxy= 0,7…0,9 – сильная, rxy> 0,9 – очень сильная [9].
В дополнение определяются границы возможного изменения прогнозируемого показателя, то есть доверительный интервал (Iβ). Его величина при доверительной вероятности β
равна:
(4)
где tβ – коэффициент Стьюдента;
Ski – среднеквадратическая ошибка прогноза.
Среднеквадратическую ошибку прогноза для квадратичной функции рассчитывают по выражению:
(5)
где Sr – среднеквадратическое отклонение статистических данных yi от расчетных значений уip в этих точках;
ki – порядковый номер года прогноза; n – количество точек исходной информации.
Среднеквадратическое отклонение статистических данных определяют по формуле:
(6)
Производитель поэтапно совершенствует систему питания Common Rail путем повышения давления впрыска топлива для улучшения технико-экономических характеристик дизеля. Поэтому в качестве основных факторов прогноза были взяты давление впрыска топлива и календарные годы. Исследуемый интерполяционный период ограничен сроком наблюдений, поскольку для системы Common Rail он составляет всего 20 лет, прогнозный период равен 6-и годам.
Прогнозную оценку возможных значений давления впрыска топлива системы Common Rail осуществляли в табличном процессоре EXCEL [10]. Исходные данные (табл. 1) были получены экспериментальным путем на основе измерений с использованием цифрового прецизионного манометра ДМ5002М в ФГУП «Учебно-опытное хозяйство «Приволжское» ЧГСХА, СХПК им. Ильича и СПК «Восток» Моргаушского района Чувашской Республики.
Доверительные интервалы прогнозируемого значения давления впрыска определяли при вероятности 90 %.
Анализ и обсуждение результатов исследования. Полученная на основании системы уравнений (2) зависимость имеет следующий вид:
Ее корректность подтверждает коэффициент корреляции (3), величина которого равна 0,99, что свидетельствует об очень сильной степени связи между экспериментальной и выбранной теоретической кривой. Результаты анализа расчетов, проведенных с использованием указанной зависимости, свидетельствуют, что при сохранении существующих на сегодняшний день темпов увеличения давления впрыска топлива к 2026 г. оно может достичь 300 МПа и более (табл. 2).
Выводы. Таким образом, можно ожидать, что при сохранении существующей тенденции повышения давление впрыска топлива системы Common Rail будет возрастать и к 2026 г. может превысить 300 МПа. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании и реконструкции предприятий по техническому сервису дизельной топливной аппаратуры для своевременного и качественного выполнения технического обслуживания и ремонта.
1. Лебедев В. Г., Иванов В. А. Анализ оценочных показателей технического состояния плунжерных пар ТНВД дизеля // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Перспективы развития технического сервиса в агропромышленном комплексе»: сборник научных трудов. Чебоксары: Чувашская ГСХА, 2014. С. 89-90.
2. Конструкция тракторов и автомобилей: учебное пособие / Под общ. ред. проф. О.И. Полиеваева. СПб.: Издательство «Лань», 2013. 288 с.
3. Повышение точности регулирования производительности насосных секций топливного насоса распределительного типа / Ю. Н. Доброхотов, Ю. В. Иванщиков, А. Р. Валиев и др. // Вестник Казанского ГАУ. 2019. Т. 14. № 1 (52). С. 77-82.
4. Минимизация утечек топлива в изношенных плунжерных парах смещением зон износа / В. Н. Гаврилов, А. М. Новиков, А. В. Семенов и др.// Вестник Казанского ГАУ. 2019. № 4 (56). С.73-77.
5. Казаков Ю. Ф., Иванов В. А. Аналитическая оценка технического состояния плунжерных пар при комплектации их по гидроплотности // Вестник Казанского ГАУ. 2018. № 1 (48). С. 138-142.
6. Голубков Л. Н., Савастенко А. А., Эмиль М. В. Топливные насосы высокого давления распределительного типа BosсhVe, Лукас, Зексель, Ротодизель, НД. М.: Легион-Автодата, 2016. 184 с.
7. Мирошниченко М. Е. HyundaiCounty / CountyLong (C1/C2/C3/C4) с 1998 г. (включая обновление 2004 г. e-County). Дизельные двигатели 4.0 л. Руководство по ремонту и эксплуатации. М.: Монолит, 2017. - 196 c.
8. Основы надежности машин: учебное пособие. В 2-х ч. / И. Н. Кравченко, В. А. Зорин, Е. А. Пучин и др. - М.: РГАУ, 2007. Ч.II. 260 с.
9. Садовникова Н. А., Шмойлова Р. А. Анализ временных рядов и прогнозирование. М.: МФПУ Синергия, 2016. 152 c.
10. Лебедев В. Г. Основы теории надежности: лабораторный практикум / В. Г. Лебедев, Н. Н. Тончева Чебоксары: Чуваш.гос. пед.ун-т, 2014. 122 с.
