Аналізуються резерви забезпечення надійності інжекторних двигунів, як найважливішої складової їх якості та конкурентоспроможності, в порівнянні з надійністю карбюраторних ДВС.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Нікітін Валентин Іванович, Марченко В. В., Салій Д. Ю.


RELIABILITY ANALYSIS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES WITH VARIOUS FUEL FREEDING SYSTEMS

Reserves of injector engines as the main characteristis of their quality and competitiveness as compared to carburetors ICE have been analyzed.


Область наук:
  • Механіка і машинобудування
  • Рік видавництва: 2007
    Журнал: Автомобільний транспорт

    Наукова стаття на тему 'Аналіз надійності двигунів внутрішнього згоряння з різними системами подачі палива'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз надійності двигунів внутрішнього згоряння з різними системами подачі палива»

    ?УДК 004.052 + 621.3.037.3

    АНАЛІЗ НАДІЙНОСТІ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ З РІЗНИМИ Системи паливоподачі

    В.І. Нікітін, доцент, к.т.н., В.В. Марченко, Д.Ю. Салій, студенти, ХНАДУ

    Анотація. Аналізуються резерви забезпечення надійності інжекторних двигунів, як найважливішої складової їх якості та конкурентоспроможності, в порівнянні з надійністю карбюраторних ДВС.

    Ключові слова: двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ); карбюратор; інжектор; надійність; моделі надійності; ймовірність безвідмовної роботи; виграш в надійності.

    Вступ

    Відомо [1, 2, 3], що підвищення конкурентоспроможності сучасних конструкцій ДВС багато в чому залежить від сукупності параметрів, що визначають їх якість, в тому числі таких як ефективність і надійність функціонування двигуна [4, 5, 6]. Таким чином, забезпечення таких найважливіших складових якості, як надійність і ефективність, є актуальною науково-технічною задачею проблемного характеру на етапах конструювання, виробництва та експлуатації ДВС.

    Відомо [4-6], що ефективний механізм забезпечення надійності ДВС лежить в сфері управління резервами цієї властивості на всіх етапах їх проектування, виробництва і експлуатації.

    аналіз публікацій

    Аналіз публікацій [1, 2, 3], свідчить про те, що для легкових автомобілів малого класу основним типом ДВС досі залишається чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, що має достатню потужність, відносно високу економічність, а також малу масу і необхідну екологічність.

    При цьому підкреслюється [1, 2], що традиційні шляхи вдосконалення карбюраторних двигунів до теперішнього часу практично вичерпані, в тому числі в умовах використання науково-технічних досягнень в цій області. В результаті, частка карбюраторних ДВС, вироблених європейськими країнами, постійно зменшується, поступаючись місцем двигунів з системами автономного регульованого упорскування бен-

    зина в кожен з циліндрів, так званих інжекторів. Інжекторниє системи харчування [1,

    2,] мають достатні резерви вдосконалення, пов'язані з розвитком і впровадженням в них елементів електроніки та комп'ютеризації. Подібні системи конструктивно стають складнішими, а їх експлуатація та обслуговування вимагають більш кваліфікованих кадрів і значних матеріальних витрат.

    У зв'язку з цими тенденціями у зміні конструкцій ДВС виникає об'єктивна суперечність між необхідністю переходу від «карбюраторних» до більш складним двигунів з електронним уприскуванням палива і впливом «складності» на надійність останніх. Відомо [3-6], що рівень якості надійності ДВС в значній мірі залежить від складності конструкції та інтенсифікації режимів їх роботи. Допустити, що б сучасні двигуни як більш складні системи мали нижчу надійність (в порівнянні з карбюраторними двигунами) безумовно не можна. Для вирішення цього об'єктивного протиріччя необхідно показати, що в двигунах нового покоління є резерви надлишковими, що забезпечують підвищення їх надійності, а, отже, економію витрат при їх виготовленні, експлуатації, а також новий рівень якості та конкурентоспроможності на ринку товарів і послуг.

    У відомих публікаціях [1-6], присвячених пристрою і надійності ДВС, а також меха-тронних (інжекторних) систем ДВС, практично відсутні відомості про порівняльну ефективність (надійності) систем цього класу і їх складових.

    Мета і постановка задачі

    Розглянемо гіпотетичну ситуацію, при якій власник серійного автомобіля ВАЗ-2106 приймає рішення про можливу заміну «карбюратора» (х1) в системі подачі палива двигуна на «інжектор» (х2). При цьому очікується, що надійність (Р) «інжекторного» ДВС (Х2) буде не гірше надійності «карбюраторного» двигуна (Е1), інакше

    Ре1 (Х1) - РЕ 2 (Х2) .

    (1)

    бюратор справний, то працездатні всі циліндри, якщо немає, то не працює жоден з циліндрів двигуна. В цьому випадку структурна схема надійності ДВС з карбюраторною системою (Е1) має вигляд, представленої на рис. 1.

    І

    До ар бюратор Блок 1-й циліндр

    2-й циліндр

    3-й циліндр

    4-й циліндр

    Ставиться завдання довести, що в процесі модернізації ДВС нерівність (1) існує. Допускається, що в якості «змінних» завдання розглядаються тільки параметри X х2), наділені властивістю їх надійності. Параметри систем (Е1, Е2), які визначаються властивостями і надійності інших вузлів і агрегатів аналізованих ДВС, «за замовчуванням» приймаються незмінними.

    Для вирішення поставленого завдання виникає необхідність розробки моделей надійності двигунів як з інжекторними, так і з карбюраторними системами уприскування палива, з подальшим проведенням на їх базі порівняльного аналізу надійності розглянутих конструкцій (за критерієм імовірності безвідмовної роботи).

    Розглянемо можливі схеми формування паливо-повітряної суміші - «карбюраторну» і «інжекторних». У карбюраторної системі (Е1) серійного автомобіля ВАЗ-2106 карбюратор забезпечує гарантовану подачу горючої суміші до всіх чотирьох циліндрах двигуна. У инжекторной системі (Е2) горюча суміш подається до кожного циліндра двигуна за допомогою окремих форсунок різних конструкцій.

    З огляду на ці конструктивні особливості систем Е і Е2, сформулюємо умови працездатності для кожної з них і розробимо відповідні моделі надійності, що допускають проведення порівняльного аналізу показників надійності ДВС з карбюраторної і інжекторної системами подачі палива.

    Модель надійності ДВС з карбюраторною системою подачі палива

    Припустимо що, в карбюраторному варіанті ДВС надійність блоку циліндрів за критерієм імовірності безвідмовної роботи за певний період часу (Т), близька до одиниці, тобто.

    Мал. 1. Структурна схема надійності ДВС з карбюраторною системою подачі палива (ССН-1)

    Відповідно до графічної моделлю надійності ДВС, представленої у вигляді ССН-1, ймовірність його безвідмовної роботи в цілому знаходиться шляхом перемноження двох ймовірностей

    Р, = Р (Як) • Р (Яц),

    (3)

    де Р (Як) - ймовірність безвідмовної роботи карбюратора, що залежить від складності його конструкції Як; Р (Яц) = РБЦ - ймовірність безвідмовної роботи блоку циліндрів з параметром складності Яц .

    Припустимо, що складність конструкції карбюратора (Як) більше складності блоку циліндрів (Яц). Виходячи з цього, імовірності безвідмовної роботи систем різної складності (блоку циліндрів і карбюратора) пов'язані нерівністю

    Р (Ябц) > Р (Як).

    (4)

    Тоді на підставі (3) і (4) можна стверджувати, що ймовірність безвідмовної роботи системи (Е1) в цілому буде менше надійності менш надійного елемента (карбюратора), тобто.

    Р, 1 - [Р (Як) = Р к] .

    (5)

    [РБЦ (т) = РБЦ] " !.

    (2)

    Отже по (5), надійність ДВС з серійною системою подачі палива (автомобіль ВАЗ-2106) в цілому може визначатися рівнем існуючої надійності карбюратора.

    Модель надійності ДВС з інжекторної системою подачі палива

    У конструкції ДВС з інжекторної системою подачі палива [1, 2] можуть бути сформульовані дві умови його працездатності.

    Тоді на працездатність ДВС буде впливати якість його функціонування тільки карбюратора: якщо кар-

    Перша умова: допускається, що ДВС працездатний в цілому, якщо працездатні все че-

    тире пари форсунка-циліндр. Даному умові працездатності відповідає графічна модель надійності ДВС (ССН-2) у вигляді, так званого «основного» з'єднання розглянутих пар форсунка-циліндр.

    Мал. 2. Варіант структурної схеми надійності ДВС з інжекторної системою подачі палива (ССН-2)

    У термінах «ймовірності безвідмовної роботи» перша умова працездатності набуде вигляду

    (6)

    Якщо прийняти, що спочатку ймовірності безвідмовної роботи модернізованих систем рівні між собою, т. Е.

    і з огляду на по (5), що

    (7)

    (8)

    то ймовірність безвідмовної роботи пари форсунка-циліндр по (6) повинна бути не менше

    P = 4 P = 4 P = P

    1 Фці V E2 V До |'К

    (9)

    Продовжимо аналіз моделей в пошуках відповіді на питання, чи можна за умови (9), коли

    Виходячи з другого допущення вважаємо, що для інжекторної системи подачі палива, функція двигуна зберігається, як при одночасній роботі всіх чотирьох пар форсунка-циліндр ( «поглинання» першого умови), так і при відмові хоча б одного з них. Тоді структурна схема надійності (ССН-3) ДВС з інжекторної системою (Е2) матиме вигляд представлений на рис. 3

    Мал. 3. Структурна схема надійності ДВС з інжекторної системою подачі палива (ССН-3)

    ССН-3 являє собою графічну модель надійності так званих «мажоритарних систем» [4], які отримали своє початкове застосування в обчислювальній техніці.

    Згідно ССН-3, існує дві гіпотези працездатності ДВС з інжекторної системою.

    Перша гіпотеза (НГ) передбачає, що одночасно працездатні (КФЦ) всі чотири пари форсунка-циліндр, тобто.

    Н1: ^ (^ 2) ^ Вфщ

    Л ДфЦ2 Л ДфЦ3 Л ^ ФЦ4. (11)

    P = P '

    Фці До

    перейти від рівності (7)

    Друга гіпотеза (Я2) передбачає працездатний стан системи (Е2) при відмові хоча б одного з чотирьох пар форсунка-циліндр:

    до нерівності виду

    P = P

    1 El -'s 2

    P < P

    El 2E2 •

    (L0)

    Для відповіді на це питання приймемо, що в конструкції ДВС з інжекторної системою топлівопо-дачі іншим умовою його працездатності може бути припущення про те, що якщо хоча б одна з чотирьох форсунок відмовить, то ДВС з трьома залишилися в роботі парами форсунка-циліндр може виконувати задані функції протягом «аварійного» часу його роботи, тобто бути працездатним. (Образно кажучи, зберігається можливість виконання функцій ДВС для руху до «найближчої СТО»).

    H2: R (E2) ^ Rim Л ^ ФЩ Л ^ ЦЕ ЛRФЦ4 H2: R (E2) ^ -ФЩ Л-Фц2 Л -ФцЗ Л RФЦ4 hз: R (E2) ^ ЛRФЦ2 Л ^ ФІІЗ ЛRФЦ4

    H4: R (E2) ^ - ^ ФЩ ЛRФЦ2 ЛRФцЗ ЛRФЦ4

    (L2)

    Тут (ЛФЦ.) - непрацездатний стан однієї з пар форсунка-циліндр.

    Імовірність виникнення першої гіпотези згідно (11) дорівнює

    Р (Ну) = РФЦ1 Л РФЦ2 Л рФц3 Л РФЦ4, (13)

    де (РФЦ.) - ймовірність працездатного стану одного з чотирьох 1-х блоків форсунка-циліндр.

    Імовірність виникнення другої гіпотези по (12) дорівнює

    р (Н 2) = РФЦ1 Л РФЦ2 Л РФЦ3 Л РФЦ4 +]

    + P ^ ФЦ1 Л P 1 ФЦ 2 Л P 1 фцз Л P 1 ФЦ 4

    + P ті фці Л P ФЦ 2 Л P фцз Л P Фц4

    + P ^ фці Л P 1 ФЦ 2 Л P 1 фцз Л P 1 ФЦ 4

    Виходячи з можливості перебування ДВС в одному з станів, розглянутих в гіпотезах, ймовірність працездатного стану ДВС з інжекторної системою подачі палива (Е2) в цілому визначається формулою

    42 = PH) vP (H2) = Рфц4 + 4 [(1-РФЦ) х '

    хРфц] = РФЦ +4 | РФЦ - 4 | РФЦ = '. (15)

    = 4Рфц3 - ЗРфц4 = 4Рфц3 | (1-0,75Рфц)

    Аналіз моделей надійності ДВС з карбюраторної і інжекторної системами подачі палива

    Проаналізуємо, за співвідношенням ймовірностей безвідмовної роботи, надійність двох моделей ДВС за таких умов.

    Нехай по (4) і (5) показник надійності ДВС з інжектором Р ^ буде порівнянний з показником надійності карбюратора (РК).

    Висловимо ймовірність безвідмовної роботи ДВС з інжектором (Е2) через змінну РК. З огляду на (5), (11), отримуємо формулу

    Ре2 = 4 Рк ° '75 (1 - 0,754Рк ° '25). (16)

    Проведемо чисельну оцінку (16). Нехай Рц ~ 1, РК = 0,99. Тоді по (9)

    РФ = ФК = VO99 = 0,9975, (17)

    а по (16) ймовірність безвідмовної роботи ДВС з інжекторної системою харчування буде дорівнює

    PE2 = 4 • 0,99753 - 3 • 0,99754 = 0,99996. (18)

    Таким чином отримуємо нерівність (10) де

    (PE2 = 0,99996) >> (PE1 = 0,99), (19)

    або

    Pe 2 >> Pe,. (20)

    З проведеного аналізу випливає, що надійність ДВС з інжектором (E2) на два порядки вище надійності серійного ДВС з системою подачі палива (E,) автомобіля BA3-2106.

    висновки

    Проведений аналіз досліджуваних систем палив-воподачі ДВС показав, що з точки зору надійності заміна ДВС автомобіля BA3-2106 з карбюратором на інжекторних систему паливо-подачі є повністю раціональної, т. К. Забезпечує потенційні резерви підвищення управління надійності на етапі її застосування.

    література

    1. Aбрамчук Ф.І., та ін. Aвтомобiльнi двигуни:

    Підручник. - К .: Aрiстей, 2004. - 476 с.

    2. Волков В.П. Загальна будова автомобіля: Швч.

    посібник - Харків: ХДДДТУ, 2001. - 85 с.

    3. Aбрамчук Ф.І., Рязанцев М.К., Шеховцов A.O.

    Двигуни внутрішнього згорання: серія підручніків у 6 томах. Т.6. Hадiйнiсть ДВЗ I За ред. A.fr Марченка, A.O. Шеховцова. -Харків: XHAДУ, 2004. - 324 с.

    4. Сотсков Б.С. Основи теорії і розрахунку надеж-

    ності елементів і пристроїв автоматики і обчислювальної техніки. - М .: Вища школа, 1970. - 272 с.

    5. Hікітін В.І. та ін. Hадежность систем електро-

    постачання автомобілів II Вісник Х ^ ДТУ I Зб. наук. тр. - Харків: XHAДУ. - 2000. - Вип. 12-13. - С. 214-217.

    6. ^ Кітін В.І. та ін. Hадежность мехатронних

    систем II Автомобільні транспорт I Зб. наук. праць - Харків: XHAДУ. - 2004. -Вип. 14. - С. 59-62.

    Рецензент: Ф.І. Aбрамчук, професор, д.т.н., XHAДУ.

    Стаття надійшла до редакції 18 січня 2007 р.


    Ключові слова: Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) / КАРБЮРАТОР / ИНЖЕКТОР / НАДІЙНІСТЬ / МОДЕЛІ НАДІЙНОСТІ / Імовірність безвідмовної роботи / ВИГРАШ В НАДІЙНОСТІ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити