автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Научные основы создания регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения

Ш - J

4069

На правах рукописи

0046 Ш502

БАЛАБИН Валентин Николаевич

п

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКОМОТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность:

05.02.02 — Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва, 2010

004610502

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Коссов Валерий Семёнович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ковальский Виктор Фёдорович

доктор технических наук, профессор Ковалевский Виталий Иванович

доктор технических наук, профессор Просвиров Юрий Евгеньевич

Ведущая организация: «Петербургский государственный университет

путей сообщения»

Защита диссертации состоится 2 июня 2010 г. в 13 час 00 мин на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 при Московском государственном университете путей сообщения по адресу: 127994, ГСП-4, г. Москва, ул. Образцова, 9 стр.9. МИИТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.01,

доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы заключается в необходимости повышения адаптивности локомотивных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с целью совершенствования эксплуатационных характеристик путём использовании новых видов привода клапанов газораспределения.

Решение проблем, связанных с повышением топливной экономичности и улучшением экологических факторов, потребовало новых подходов, основанных на изменении характеристик локомотивных ДВС.

Новые технические решения по вспомогательным установкам локомотивов, повышение экологической безопасности и топливной экономичности, способствовали развитию микропроцессорных систем управления локомотивньми ДВС, в том числе регулированию приводов органов газораспределения и систем топливоподачи.

В практике отечественного двигателестроения стало активно развиваться новое направление - системы приводов локомотивных ДВС с микропроцессорным управлением.

Цель диссертационной работы - создание и исследование регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения

Задачи исследований, которые решены для достижения поставленной цели:

• выполнен анализ перспектив развития приводов нового поколения для транспортных средств и энергетических установок, применительно к автономным локомотивам;

• сформулированы и научно обоснованы принципы адаптивности локомотивных ДВС (прежде всего механизмов газораспределения) к эксплуатационным тяговым режимам тепловозов, путём замены традиционного привода клапанов газораспределения на альтернативный, немеханический привод;

• определены факторы взаимной корреляции и ковариации основных технико-экономических параметров локомотивных ДВС и их влияние на выбор фаз газораспределения (ФГР);

• разработаны основные технические и конструктивные положения концепции перехода от традиционного механического на прогрессивные электромагнитный и электрогидравлический виды приводов газораспределения перспективных локомотивных ДВС нового поколения;

• проведен комплекс стендовых и моторных испытаний электромагнитного и электрогидравлического приводов газораспределения транспортных ДВС;

• обосновано понятие концепции локомотивных ДВС нового поколения и основные направления их развития;

• выполнена оценка технико-экономической эффективности от внедрения предложенных в работе технических решений.

Направления исследований, вытекающие из сформулированной цели и решаемые в процессе выполнения работы:

1. Расчётно-теоретические и экспериментальные исследования с использованием моделирования процессов в приводе механизма газораспределения и выбор оптимальных значений конструкционных параметров при проектировании альтернативных видов привода.

2. Теоретическая и экспериментальная проработка альтернативных, немеханических видов привода клапанов и систем управления процессами газообмена локомотивных ДВС.

3. Анализ влияния выбранных параметров газораспределения на достигнутые технико-экономические показатели основных серий транспортных дизелей. Определение конвергентности, взаимной корреляции и кова-риации влияния основных технико-экономических параметров двигателей на выбор ФГР при механическом и альтернативных типах приводов.

4. Разработка технических решений по совершенствованию существующих приводов механизмов газораспределения локомотивных ДВС с целью повышения топливной экономичности и надежности в эксплуатационных условиях.

5. Создание прогрессивных систем электрогидравлического (ЭГПК) и электромагнитного (ЭМПК) приводов клапанов газораспределения локомотивных ДВС. Разработка конструктивных параметров ЭГПК и ЭМПК для локомотивных ДВС нового поколения различных мощностных и скоростных градаций.

6. Разработка и рассмотрение концептуальных вопросов повышения эффективности работы локомотивных ДВС на основе анализа эксплуатационных режимов локомотивов.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на данных некоторых известных теоретических положений технологии машиностроения, термодинамики и математического моделирования. Использованы методы теорий линейных и нелинейных систем, теории оптимального управления, гидромеханики и теории сплошных сред, методы теории поля и фазового пространства, проектирования систем управления и методы компьютерного моделирования. Использованы программные пакеты Mathcad и Excel.

Применены современные информационные технологии, интерне т-ресурсы, электронные журналы и различные виды электронных публикаций.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов на стендовых установках, а также согласованностью с некоторыми результатами исследований, выполненных в разные годы ведущими научными и производственными коллективами.

Новизна и оригинальность технических решений подтверждаются 23 патентами и авторскими свидетельствами на изобретения.

Научная новизна заключается в создании новых видов привода газораспределения, оптимизирующих эксплуатацию локомотивных ДВС.

Впервые для перспективного тягового подвижного состава предложены варианты совершенствования локомотивных ДВС, связанные с введением объектов регулирования и соответствующей оптимизацией параметров газообмена рабочего процесса.

Предложены схемные и комплексные решения основных типов альтернативного привода клапанов газораспределения, приведены результаты теоретических и стендовых исследований.

Практические рекомендации заключаются в использовании адаптивности ДВС к эксплуатационным режимам локомотива при использовании новых видов привода механизма газораспределения. Это позволит повысить эффективный КПД, снизить удельный эффективный расход топлива на частичных нагрузках, переходных режимах и холос том ходу.

Практическая значимость результатов исследований состоит в выборе конструктивных параметров альтернативных приводов механизмов газораспределения (ПМГР). Результаты исследования ориентированы на создание новых типов привода органов газораспределения и систем управления, а также послужили основой для создания:

• метода оценки влияния основных технико-экономических параметров локомотивных ДВС на выбор ФГР .и закона движения клапанов ПМГР при адаптивности к изменяющимся эксплуатационным условиям;

• моделей альтернативных систем ПМГР перспективных локомотивных ДВС;

• способов плавного и дискретного регулирования ФГР при немеханических системах ПМГР, позволяющих снизить удельный расход топлива и улучшить эксплуатационные показатели локомотивных ДВС.

Результаты могут представлять значительный интерес для экологии окружающей среды, поскольку именно процессы газообмена локомотивных ДВС являются доминирующими в улучшении этих параметров.

Практические разработки предназначены для использования в перспективных конструкциях локомотивных ДВС. Методики, алгоритмы и схемные решения могут применяться в научных, производственных и учебных целях.

Практический эффект заключается в снижении удельного эффективного расхода дизельного топлива на эксплуатационных режимах локомотивных ДВС в среднем на 5... 6%. Для высокооборотных ДВС уменьшение среднеэксплуатационного расхода топлива может достигать 8... 12% .

Реализация результатов исследований выполнена в разное время в НПО «Тепловозпутьмаш» (ВНИКТИ), НИИ двигателей (Москва), на Барнаульском заводе транспортного машиностроения, Камбарском машиностроительном заводе. Отдельные положения исследований использованы ОАО «Коломенский завод».

Предложены направления оптимизации конструктивных параметров привода механизма газораспределения с точки зрения улучшения качества переходных процессов в силовых энергетических установках локомотивов, заключающиеся в сокращении длительности переходных процессов при изменении скоростных и нагрузочных режимов.

Разработаны рекомендации по использованию регулирования ФГР и закона движения клапанов для конкретных локомотивных ДВС.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на конференциях и научных форумах. Это:

• конференция «Основные направления развития силовых энергетических установок тепловозов», проводимая руководством Латвийской железной дороги. Латвия. Рига, 2003 г.;

• Международный конгресс «МесЬ-2003»: «Механика и трибология транспортных систем-2003»;

• научно-практическая конференция «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта». Москва, ВНИ-ИЖТ, 2004 г.;

® международная научно-техническая конференция «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей». Москва, ГОСНИТИ, 2004 г.;

• международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения». Челябинск, ЮУрГУ, 2006 г.;

• VII научно-практическая конференция «Безопасность движение поездов». Гомель, Белоруссия, 2006 г.;

• IV Международная научно-практическая конференция «Проблемы безопасности на транспорте». Гомель, Белоруссия, 2007 г.;

• VIII научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов». МИИТ, 2007, V-4.

® III Международная научно-техническая конференция: «Эффективность, надежность и безопасность энергетических установок. Энергоустановки-2008». Украина, Севастополь-Батилимаи, 2008 г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 44 научных работах, в том числе в 23 патентах и авторских свидетельствах на изобретения.

Материалы диссертации докладывались:

• 21 февраля 2008 г. на объединенном заседании кафедр «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Теплоэнергетика на. железнодорожном транспорте» Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС);

• 20 мая 2008 г. на заседании учебно-методической комиссии по специальности 150700 (190301) «Локомотивы» в Брянском государственном техническом университете;

• 26 мая 2008 г. на расширенном заседании кафедры «Тепловозы и тепловые двигатели» Белорусского государственного университета транспорта» (БелГУТ);

® 22 июня 2009 г. на объединенном научно-техническом совещании кафедр «Подъёмно-транспортные, путевые н строительные машины» и «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Отдельные положения диссертации используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Локомотивы» Московского государственного университета путей сообщения.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы из 180 наименований. Содержание диссертации изложено на 292 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 74 рисунка, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемых задач, научная новизна разработанных методов и показана практическая значимость полученных результатов.

Обоснована возможность повышения экономических и экологических показателей работы ЛДВС путём применения управляемых приводов газораспределения.

Первая глава посвящена анализу и перспективам развития приводов нового поколения для транспортных средств и энергетических установок.

Применительно к автономным локомотивам рассмотрены перспективные направления развития силового привода общего назначения.

Основные тенденции развития гидропривода:

• интенсивное сращивание гидроприводов с цифровыми электронными системами управления, применение «интеллектуальных» элементов гидропривода со встроенными микропроцессорами;

• повышение рабочего давления (шестеренные и пластинчатые насосы - до 30 МПа, аксиально-поршневые и ролико-лопастные - до 42 МПа, радиально-поршневые - до 70 МПа);

® расширение номенклатуры в основном в сторону миниатюризации (например, у ролико-лопастной гидромашины РЛГ-1 достигнута максимальная частота вращения 30 ООО мин"1).

® улучшение эксплуатационных показателей; унификация параметров и размеров (стандарты ISO); повышение качества на основе сертификации производства по ISO 9000 и стандартизации методов испытаний; повышение безопасности; широкое использование компьютерного проектирования и испытаний хорошо идентифицированных компьютерных моделей.

Широкое распространение силового гидропривода объясняется тем, что он обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов машин. Говоря о преимуществах гидропривода, следует отметить простоту автоматизации работы гидрофицированных механизмов, возможность автоматического изменения их режимов работы по заданной программе.

В России при участи автора диссертации был создан унифицированный ряд гидравлических ролико-лопастных гидромашин (РЛГ) с техническими параметрами, соответствующими современному мировому уровню развития. На сегодняшний день они включают 6 базовых моделей из 20 типоразмеров с рабочими объёмами от 0,5 до 2000 см3/об.

РЛГ предназначены для использования в приводах вспомогательного оборудования локомотивов.

Развитие электроники и микропроцессорной техники привело к существенному росту возможностей реализуемых алгоритмов и программ, вследствие чего логические свойства бортовых устройств локомотивов мало

уступают персональным и стационарным компьютерам. К тому же обеспечиваются высокие показатели надёжности электронных устройств и снижается себестоимость их производства.

Во второй главе рассмотрены существующие системы привода клапанов газораспределения транспортных двигателей, дан анализ особенностей применения механического привода и регулирования фаз газораспределения. Приведены результаты конкретных технических решении по совершенствованию механического привода клапанов (MTIK) газораспределения современных двигателей внутреннего сгорания с целью повышения топливной экономичности и надежности.

Совершенствованием газообмена, регулированием ФГР при M ПК и созданием альтернативных видов привода газораспределения транспортных ДВС занимались в разное время ученые:

Аладышкин В.Я., Афанасьев В.Г., Берман A.A., Богачев В.Г., Брат-ченко A.B., Васильев В.Н., Виноградов A.C., Вырубов Д.Н., Глаголев Н.М., Гриценко Н.Д., Дехович Д.А., Дзецин О.П., Ефимов С.И., Камкии C.B., Корчемный Л. В , Круглов М.Г., Лемещенко А.Л., Леонов Д.И., Ма-ханько М.Г., Меден А.И., Меднов A.A. Мерлис П.М., Мороз В.И., Никитин Е.А., Орлин A.C., Патрахальцев H.H., Пинский ФИ., Пыжанкин Г.В., Серафимов Д.Г., Симеон А.Э., Станиславский Л.В., Строков В.Л, Сура-нов A.B., Тарасов А.М., Толкачев H.A., Третьяков А.П., Улановскип Э.А., Усачев Е.И., Фомин Ю.Я., Хмельницкий Ю.Н., Хохлов О.И., Хуциев А.И. и другие.

Рассмотрены положительные качества и недостатки современного МПК, являющегося основным на транспортных дизелях, в том числе и локомотивных ДВС.

Совершенствование ПМГР является эффективной мерой повышения экономичности транспортных дизелей на частичных и переходных режимах.

В случае резкого изменения нагрузки необходимо адекватное изменение «времени-сечения» клапанов газораспределения для обеспечения требуемого коэффициента избытка воздуха. В этих условиях важнейшим требованием является согласование характеристик систем топливоподачи, газообмена и наддува.

Качество переходных процессов, протекающих в двигателе, существенно зависит от настройки параметров газообмена. При неустановившихся и частичных долевых режимах работы ухудшаются все технико-экономические показатели, связанные с наполнением и очисткой цилиндров.

Перспективные конструкции ПМГР позволят повысить уровень автоматизации дизелей. Известно, что наряду с разработкой традиционных задач автоматизации двигателей необходимо развитие работ в новых

направлениях, в частности, по оптимизации управления двигателей на эксплуатируемых режимах и изменяющихся внешних условиях.

Выполненные патентно-информационные исследования новых конструкций МГЖ показали, что их можно применять для ограниченных целей и задач, не решающих общих проблем повышения топливной экономичности во всем диапазоне регулирования и не обеспечивающих современных экологических требований. Эти недостатки МПК предопределяют исследования других типов привода.

В качестве критики традиционного МПК рассмотрены вопросы влияния неравномерности вращения распределительного вала на ФГР клапанов. Скручивание вала на переходных режимах допускает рассогласование ФГР по крайним цилиндрам многоцилиндровых локомотивных ДВС до 4° п.к.в. (поворот коленчатого вала). Это положение подтверждено современной системой мониторинга дизелей (СМДд), созданной при участии автора диссертации.

В главе приведен анализ существующих схем механизмов с регулированием ФГР. На сегодняшний день ряд ведущих западных компаний проводят полномасштабные исследования систем регулирования ФГР и хода клапанов. Исследованы системы: VALVETRONIC и «Vanos» (Variable Nockenwellen Steuerung) фирмы BMW; VVT (Variable Valve Timing) и VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) фирмы Honda; MIVEC фирмы Mitsubishi; VVL (Variable Valve Event & Lift System) или (VEL) фирмы Nissan Neo; VVС (Variable Valve Control) фирмы Rover; Valvematic компании Toyota и другие.

Оптимальные ФГР современных двигателей, как правило, определяют экспериментальным путём при комплексной стендовой доводке модели двигателя.

На основе этих исследований сформулированы требования по выбору ФГР для транспортных двигателей:

• обеспечение высокой топливной экономичности при оптимальных величинах «времени-сечения» на любых скоростных и нагрузочных режимах;

« плавное изменение диапазонов регулирования и быстродействия движения клапанов при соблюдении устойчивости регулирования;

• точность позиционирования и идентичность закона движения КГР;

® стабильность работы и высокие значения моторесурса при различных скоростных, мощностных и температурных режимах.

Выбор ФГР является сложной технической задачей и зависит от степени форсирования дизеля по давлению наддува, частоты вращения коленчатого вала, типа применяемого привода кулачковых валов, выбранных профилей кулачков и ряда других факторов.

Выполнен анализ влияния выбранных параметров газораспределения на достигнутые технико-экономические показатели 131 двигателя с надду-

вом и 67 - без наддува. Мощностной диапазон для двшателей с наддувом: 50...4110 кВт, для безнадцувных: 45...880 кВт. Диапазон частот вращения коленчатого вала для двигателей с наддувом: 350...2100 мин"', соответственно для двигателей без наддува: 230...2400 мин"1.

Впервые исследованы возможные комбинации из основных параметров: эффективная мощность ./V ; частота вращения коленчатого »ала

Пд ; удельный эффективный расход топлива g ; давление наддува 1\ ; число цилиндров 7= ; рабочий объём цилиндра Ук с различными ФГР. Общий диапазон регулирования ФГР по двигателям с наддувом: (р. -29...94° п.к.в. (опережение открытия выпускного клапана);¡р,- 3...87" (опережение открытия впускного клапана); 8...75° (запаздывание

закрытия выпускного клапана); Ф4~ 22...56й (запаздывание закрытия впу-

скного клапана). По двигателям без наддува соответственно: <р> - !8...60" п.к.в.; <р2~ 5...37°; <рг-5...32°; <р4-20...50°.

Выполнено сравнение среднеквадратичного отклонения, являющегося мерой рассеяния для двух переменных, с отклонением для одной переменной.

Использован метод наименьших квадратов, выражающий минимум расстояния в 1Ч-мерном пространстве при эвклидовой метрике /У — п Н- ! . Где п-номер последнего элемента вектора данных:

Полученная фигура представляет собой эллиптический конус или эллиптический параболоид.

При обработке данных, характеризующих существующие дизели, возникает проблема, связанная с наличием в массиве данных одновременно случайных и детерминированных отклонений.

Известный математический аппарат теории вероятностей, применяющийся для обработки результатов опытов или наблюдений, не позволяет отделить эти два вида отклонений один от другого. Если бы число влияющих параметров было велико, а их влияние сравнимо и независимо, то обусловленные зависимостью от параметров отклонения подчинялись бы нормальному закону распределения, однако ни число параметров (например, только два - длина коллекторов и проходные сечения клапанов), ни степень их влияния неизвестны.

На рис.1 представлены поверхности второго порядка ;;?., ) и сечения отдельных ФГР.

(I>

Фаза <¡>1

Фаза ф2

Лд, МЗШ *-г

500

..., г / г 0 ) 45 / Ф1

/

/ / ____.35'—

/ / Г/

10

15 к,10э,кВт

15 N„10', кВт

Фаза <{>з

Фаза ф4

5 10 15 к«м\кВт 5 10 15 N„10', кВт

Рис. 1. Поверхности второго порядка ;Пд) для фаз (рх, <р2 , ,

Для поверхность регулярная. Зависимость нарушается при малых N , а при больших мощностях имеет форму, значительно отличающуюся от поверхности второго порядка при среднем значении рассеяния и, соответственно, сильном влиянии прочих факторов.

Зависимость фазы (р2 (опережение открытия впускного клапана) при больших Ne имеет форму, отличающуюся от поверхности второго порядка. При этом рассеяние по N е ипд очень велико.

У фазы(запаздывание закрытия впускного клапана) рассеяние

значительно меньше, чем, например, у фазы Щ запаздывание закрытия

выпускного клапана). Мощность и частота вращения являются в этом случае доминирующими факторами. Однако возможно сильное влияние на величину фазы прочих факторов.

Дальнейшие вариационные расчёты показали, что минимальное

среднеквадратичное отклонение фазы (р^ в группе параметров:

0,23 п- 0,29 г/0.25 ,

Пд ■ I н -Vh составляет сг = 6,616, а фазы (рА в группе пара-

—0 25 т —О

метров: па ■ PJf' ■ Vh "' - соответственно а ~ 6,717.

Среди выбранных параметров максимальное влияние на выбор ФГР оказывают п0; Рн и Vh .

В третьей главе рассмотрены особенности немеханических типов приводов клапанов газораспределения.

Наличие гибкого звена между органами газораспределения и коленчатым валом позволяет существенно упростить и повысить эффективность выбора оптимальных ФГР для транспортного дизеля, а также в условиях стендовых испытаний на дизелестроительных заводах точнее проводить выбор эксплуатационных фаз.

Проблемами создания систем альтернативного привода сегодня занимаются около шестидесяти ведущих западных двигателес-троитель-ных фирм и компаний. ОАО «Коломенский завод» и ВНИКТИ проводили исследования на локомотивных ДВС.

В работе представлена классификация альтернативных механизмов газораспределения транспортных двигателей. Перечисленные типы приводов, в свою очередь, отличаются конструкцией органов газораспределения, возможностью изменения моментов открытия н посадки клапанов в зависимости от режимов эксплуатации.

В четвертой главе приведены уточненные методы расчёта газообмена локомотивных ДВС и альтернативных немеханических типов привода клапанов газораспределения газообмена локомотивных ДВС.

До настоящего времени математические модели строились с использованием многочисленных допущений ввиду сложности задачи. В частности, не учитывались некоторые, термодинамические эффекты при продувке, локальные изменения свойств газов и т.д.

Составлена математическая модель, учитывающая все основные явления, происходящие при газообмене. Общая структура математической модели газообмена для оптимизации ФГР при различных типах привода представлена на рис.2. (Величины, представленные на рис.2, соответствуют общепринятым в теории ДВС' и привода).

Рис. 2. Общая структура математической модели газообмена для оптимизации ФГР при различных типах привода

Входные параметры - фиксированные и управляющие:

1 - Блок задания параметров работы ДВС. 2 - Блок расчёта параметров рабочего тела в зависимости от времени и угла п.к.в. 3 - Блок расчёта движения клапана. Учитываются все силы, приложенные к клапанам газо-

распределения: силы давления газов но обе стороны тарелки клапана, силы инерции, силы упругости возвратных пружин и электромагнитная сила силового электромагнита (ЭМ). 4 - Блок расчёта параметров, зависящих от типа привода. Для ЭМПК используются в качестве переменных - напряжение на обмотке и сила тока в обмотке. Для ЭГТЖ - давление в силовом гидроцилиндре (СГЦ) и других точках системы; расход жидкости в трубопроводах. 5 - Блок задания закона управляющего воздействия. Задание моментов включения и выключения привода.

Выходные параметры: 6 - Целевые (расчётные ФГР). 7 - Дополнительные параметры процессов газообмена. 8 - Дополнительные параметры - энергетические показатели привода: потребляемая приводом мощность и КПД.

Процесс газообмена рассматриваем как процесс перетекания газов в системе из нескольких резервуаров, связанных трубопроводами, причём начальные давления (а также некоторые другие параметры) различны.

Схема моделирования процессов продувки представлена на рис.3.

Рис. 3. Схема моделирования процессов газообмена между воздушным ресивером, цилиндром и выпускным коллектором

Решена задача для трёх резервуаров: впускной коллектор (индекс 3), пространство цилиндра (индекс 2) и выпускной коллектор (индекс!).

Исследования показали, что если продувка начинается и заканчивается при одном и том же объёме, то суммарная энергия системы не изменится, по какому бы закону ни менялся объём между начальной и конечной точками. Вместе с тем, распределение энергии между элементами системы и, прежде всего температура и давление в цилиндре, от изменения объёма будут зависеть весьма существенно.

Полученная система содержит три уравнения сохранения энергии:

с ■ 72 -(1т 21 = с1 (т, ■ су ■ 1\)

ср -Т3 ■с1т32 - с -Т2 -с1т21 = с1(т.2 -су -Т2)' ^

-с -Тъ ■с/т32 = -су

два уравнения с шестью неизвестными функциями - температурами и массами рабочего тела:

йтЪ1 = СЪ2 (1, , р2, т3, Уъ) ■ сЬ:; с1т21 = 021 т2, У2 )• Л . (3, 4)

Система замыкается шестым уравнением - законом сохранения массы:

(5)

т01 +т02 +и?03

пц + т 2 +

При объединении уравнений получаем систему уравнений газообмена:

сЕг Шз, ¿Щ-Тх-У2{О4

Л 2 1 т2) У2(0 тх ^ к-1 ^ Щ-Ъ-Ъ , , \

сЩ сН

= У;7- •

Ь

/«3 532(0 2-Аг-Л

з

тп

У3 \! А-1

/

т2 ■Т2-У3

-Т2зп-(к-])

¿21 (О 2-ЬДг Г шГГг[/2(/) К, (0 \| А-1 %

-12-Нг-4.(\пУ2(ф

с!Т%

= -7"у 2 - (к - Х)-—^1 А " У,

Я32(?) 2 -к-Кг

к-1

Щ-тг-у-.з

Л

^2(0

2-к-Ег-Т2 ,

V ,

(6)

йг

<■. • ч пи

-73

К3 ^ *-Г

тъ-ТгУ2(1)

/и.

2-к-Пг-П . -- ' " -с

к2(0 у

V т2'Т2-^1 )

Ш Г3

2-к-Лг-Т3

к-1

Щ-Т2-У3

.щ-ТуУ-.2(0 у

Необходимо отметить, что некоторые из известных методик расчёта процессов газообмена являются частными случаями системы уравнений (6).

Расчёты позволяют точно вычислять коэффициент наполнения и индикаторную мощность двигателя при регулировании ФГР, а также определять затраты энергии на альтернативный привод клапанов газораспределения.

Расчёт электромагнитного привода клапанов газораспределения

ЭМПК решает существующие проблемы регулирования ФГР в широком диапазоне. Кроме того, при ЭМПК реализуются оптимальные энергетические и экологические показатели дизеля при любых режимах работы. Привод включает два основных элемента - блок формирования импульсов и силовой исполнительный узел.

Так как ЭМПК является силовым, то необходимо обеспечить требуемый закон движения якоря, определяемый законом перемещения клапанов газораспределения. Учитывая специфику работы ЭМПК, в частности, необходимость обеспечения полного выхода клапанов для большинства двигателей на 10...25 мм, проектирование силового ЭМ является трудоёмкой задачей.

В диссертации выполнен расчёт для выпускного клапана, который работает в наиболее тяжелых условиях. В этом случае привод необходимо рассчитывать на значительное противодавление газа в начальный момент-открытия клапана. На основании этого создана математическая модель, которая учитывает все основные влияющие факторы.

Основная зависимость для рассматриваемой системы:

т • —х(?)= РЭк1 [*(фЬ АР (')■ 5в - кт, ■ [*(/)+ л-в ] ;

Л ■

Уравнение электрического состояния цепи:

и = ,(/>•/•- ф(0]4'С)- (8)

а/. си ш

Расчёт перепада давлений внутри цилиндра и в выпускном патрубке выполнен с помощью интегрального уравнения неразрывности газового потока.

рА'Ум-у, я-г,

1 г к*1~

2-к р[ ■М (Г [ * 1 *

к-1 Я ыо;

л

Уравнения параметров движения клапана решены методом Рунге-Кутта с фиксированным шагом. Принято, что X и V - перемещение и скорость движения клапана; р - давление газов в цилиндре; / - ток в обмотке ЭМ.

Система уравнений имеет вид: сЬ _

ск> 1 (ш У

'1 ' 1 ' 1 " " * х ' сопр *

сЬ т

Ф _

?

• Д'(*) - (р - рк )■ - К опр

Л сП

К'Тх к

Ел У Р

(10)

у,М) ' V м

■ [и - /(и'2 • Л'(х)- V + /■)]

й\ и'2 • Л(х)

Принято: X , V , ^ - характеристики движения клапана, соответственно: ход, скорость и силы, действующие на тарелку и шток;

Р . V _ Т, Ш , М - параметры рабочего тела в цилиндре; -- проходное

сечение клапана; ~ площадь тарелки клапана; Ш0- масса комплекта

клапана; Рсопр - сила сопротивления возвратной пружины и демпфера; % -

газодинамическая функция; I, 1Р, V - ток, напряжение и сопротивление

ЭМ; Ь - индуктивность; IV - число витков обмотки; Л - магнитная проводимость.

Математическая модель позволяет определять влияние свыше 30 конструктивных и режимных параметров на мощностные и экономические показатели ЭМГЖ.

На рис. 4. представлены результаты расчёта хода клапана при изменении числа витков 1¥ обмотки силового электромагнита и максимального подъёма клапана И .

■Регулирование УУ в сторону уменьшения:

х2(|) х-(О

0.01 '3.02 П.ОЗ О.Гн 0.О- П.1,с

о,—1000 мин ; Нк,,—22 мм: \v-300 вит; с1„р==2,8 мм; (Р(~-50° п.к.в.; ф!=35!' п.к.в

Результат: Е 768,9 Дж; Ра»=6410 Вт; 1,шч=- 190,6 А;

21960 Вт; ¡) пг 86,! %

Р

1 ших

Регулирование Ш_в_сторону увеличения:

х-Щ

0.01 О.Й05

-0.005 _0Ю5

о о,о! 0.02 о.оз 0.01 о.о;-

Пд=1000 мин ; К-..,—22 мм; №=700 вит; с1„р=2,8 мм;

гаО >гО

Ф1=50 п.к.в.; фз=35 п.к.в

Результат: Е = 805,9 Дж, Рср= 6720 Вт; !„,,. 90,0 А;

Р„мх= 9900 Вт; П >м= 90.6 %

Регулирование Ью? в сторону уменьшения:

пд=1000 мин"; !1К,,=22 мм; \\'=500 вит; с1„„--2,8 мм;

сп о о г о

ф]=50 п.к.в.; фз=->5 п.к.в

Результат: Е 7 756,1 Дж; РСр=6300 Вт; = ¡ 23,8 А;

Р,,шх = ¡3620 ВТ; П ХМ = 88,7%

Регулирование в сторону увеличения:

¡до

к" II)

0.01 0.02 И.03

О И » 06

Пд=1000 мин" ; мм;

\у=500 вит; с1ир=:2,8 мм; ф!=50° п.к.в.; фу=35° п.к.в

Результат: Е = 790,0 Дж; Рср=6580 Вт; 134,8 А;

Рпих= 14820 Вт; П )м = 85,5%

Рис. 4. Результаты расчёта хода клапана при изменении числа витков обмотки ЭМ и максимального подъёма клапана

Расчетные параметры: Ит - высота подъёма клапана; й - диаметр обмоточного провода; ^иС/7, - фазы газораспределения; Е - электроэнергия, потребляемая выпускным клапаном; Р и Ртт - средняя и максимальная потребляемая мощность ЭМ; -^тах- максимальный ток ЭМ; КПД привода выпускного клапана.

Расчёт электрогидравлического привода клапанов газораспределения

При ЭГ11К обобщаются достоинства гидравлического и электромагнитного способов управления по требуемому быстродействию и возможности регулирования ФГР (или закона движения) клапанов.

По сравнению с рассмотренными ранее типами приводов ЭГПК обладает рядом преимуществ и, в частности, быстродействием, необходимым для качественного протекания рабочего процесса двигателей (особенно быстроходных), малой массой возвратно-движущихся частей, возможностью регулирования ФГР в широком диапазоне и увеличением «времени-сечения» клапанов при неизменных ФГР. Решены задачи управления ЭГПК в различных нестационарных условиях, а использование динамических моделей позволило не только определять фактические траектории движения, но и проанализировать некоторые нетипичные случаи изменения выходных параметров.

Выполнено аналитическое исследование влияния конструктивных параметров гидравлической части ЭГПК на характер движения клапана. Применен статический метод расчёта с учетом сжимаемости рабочей жидкости. Расчётные схемы ЭГПК представлены на рис. 5.

Расчёт гидравлической части привода выполнен для участков открытия и закрытия клапана газораспределения. В данном теоретическом исследовании оценивалось влияние на характеристики срабатывания клапана следующих параметров: ///р - эффективное проходное сечение соответственно на входе и выходе электрогидравлического клапана (ЭГК); $ -

эффективное проходное сечение дросселя; йТ - внутренний диаметр соединительного трубопровода; йп - диаметр плунжера СГЦ; рау - давление в гидравлическом аккумуляторе; т - масса комплекта клапана газораспределения; уа - текущий ход клапана газораспределения; к - жёсткость клапанных пружин; куд - начальная затяжка клапанных пружин; Д? и Д/п -период движения запорного органа (30) под действием соответственно электромагнита и пружины; й - скорость распространения волн давления; р - плотность рабочей жидкости; ехр{- /с ■ //а)- коэффициент, учитывающий затухание волн давления вследствие гидравлического сопротивления трубопровода.

а)

в)

б)

,перепуск

впуск

порен)ск

г)

Рис. 5. Расчётные схемы ЭГПК двигателя: а - схема с двумя 30; б - схема с одним 30; в - схема с двумя 30 и байпас-ным каналом; г - расчётная схема ЭГПК

Для схемы рис. 5, г получены уравнения мгновенных балансов жидкости для полостей 30 и СГЦ, а также уравнения динамики для движущихся частей систем:

¡2

арл

й2х

"аР~

¡9 .............

а.у ----Ч = („{). . ¡Г.. ;р -]> _ /'

4 <а >р \! р 4 '' '

с!х

(И

Ри'/„-К1'Х0~КГХ+ГПк

(П) (12)

(13)

Уравнение (11) описывает мгновенный баланс рабочей жидкости в полости 30. Уравнение (12) - мгновенный баланс рабочей жидкости в полости СГЦ. Уравнение (13) - процесс движения системы плунжер - клапан.

Величины давлений в СГЦ и 30 определены уравнениями:

„- ш

+ Гт -Ъ - ^-(2ра-Рм + (14)

(мП

ар

Шр-м

р =р +Р' -Р'

2 Г г 2

аср Уц.срРср (р р,\2, 1гГРср / Л2

(15)

На рис. 6 представлены зависимости изменения времени движения клапана газораспределения при открытии I и закрытии 13, а также скорости его движения в конце подъёма С0 и при посадке С3 от каждого из параметров гидромеханической части привода.

а)

б)

• и ^

мс

24

12

/

к

/

/ Со

/

V—

/

X

Со, С„ (,„ ь.

м/с МС

3,0

2,5

2,0

0 10 2,0 3,0 4,0

20

16

12

\

е.,

\

-а., г,

о 1,0 2,0 3,0 4,0

м/с

2,5

2.0 1,5

1,0 0,5

Рис. 6. Зависимости изменения времени движения клапана газораспределения от параметров гидромеханической части привода: а - влияние и б -/л/д на характеристики срабатывания привода

На реальном двигателе необходимо величину </ выбирать из расчёта:

>(ю...15Ы • (ко

Увеличение диаметра плунжера приводит к тому, что движение клапана газораспределения начинается при малых значениях давления в СГЦ. С целью снижения времени открытия и закрытия клапана диаметр плунжера СГЦ целесообразно выбирать близким к предельному значению.

Установлено, что с увеличением давления в гидравлическом аккумуляторе рак с 10 до 40 МПа время 1о снижается, а со возрастает. Такой

характер изменения величин объясняется тем, что с ростом давления рабочей жидкости в аккумуляторе увеличивается сила давления на плунжер СГЦ со стороны рабочей жидкости. Причём, наиболее сильное влияние величина давления оказывает на прир <20...25 МПа. Целесообразным интервалом изменения давления рабочей жидкости является 10...25 МПа.

С увеличением массы т с 0,1 до ¡6 кг время срабатывания / ; и /..

возрастает. Это происходит из-за инерционности системы. При малых массах процесс движения клапана заканчивается до момента достижения максимального значения скорости. Ускорения движения при этом положительны, поэтому с ростом массы до 1 кг со иС3 растут. При увеличении тп свыше 1 кг из-за возросшей инерционности системы остановка клапана происходит при отрицательных ускорениях, в результате чего скорости св и с3 уменьшаются.

С увеличением хода клапана ут величины 1о и г., возрастаю г. причём по законам, близким к линейному, практически во всем диапазоне изменения хода клапана. Закрытие клапана определяется, в основном, воздействием сил упругости пружин, которые возрастают пропорционально величине хода клапана, поэтому /., растет линейно с увеличением

уш. Скорость посадки клапана практически постоянна, так как определяется силой начальной затяжки пружин и не зависит от у ^,

С возрастанием численных значений жесткости К и начальной затяжки ку0 комплекта пружин 1д и увеличиваются, а /.,и с„ уменьшаются. Рост сил упругости клапанных пружин ускоряет закрытие клапана и замедляет его открытие. Это объясняется тем, что сила возденству-

ет на клапан с постоянной величиной, а сила ку0 изменяется пропорционально ходу клапана.

Увеличение времени движения 30 с 0,1 до 16 мс приводит к возрастанию соответствующего периода срабатывания привода. А Г, и Д/п . Это

позволяет в определённых пределах выбором параметров ЭГК изменять время открытия и закрытия клапана.

Проведенные расчёты показали, что увеличение плотности рабочей жидкости р с 600 до 1000 кг/м3 приводит к возрастанию времени (о с 8,5

до 10,1 мс и 13 - с 9,6 до 12,5 мс. Это объясняется уменьшением расхода

рабочей жидкости через проходные сечения ЭГК и СГЦ, обратно пропорционального квадратному корню их величины р . Этот фактор оказывает постоянное воздействие на процесс движения клапана, поэтому величины са и с3 уменьшаются с ростом плотности.

Влияние коэффициента ехр(- к- И а) существенно только в период открытия клапана, так как подавляющая часть времени посадки его происходит после перекрытия нагнетательной магистрали 30. Падение величины с ростом ехр(—к-1 /а) происходит вследствие увеличения давления,

которое при ехр(— к ■ 1 / а) -1 равно рж . В свою очередь это приводит к возрастанию расхода рабочей жидкости через эффективное проходное сечение и величины давления р . При проектировании систем ЭГПК

необходимо стремиться к уменьшению длины нагнетательного трубопровода.

По результатам проведенных теоретических исследований сформулированы общие требования регулирования среднего проходного сечения клапанов газораспределения:

• достижение высокой топливной экономичности локомотивными ДВС постоянным регулированием ФГР и «времени-сечения» на любых скоростных и нагрузочных режимах;

• плавное изменение диапазонов регулирования и темпов подъёма-опускания клапанов при соблюдении устойчивости регулирования;

• обеспечение точности позиционирования и идентичности закона движения клапана по цилиндрам;

• стабильность работы и высокие значения моторесурса ЭГПК при различных скоростных, мощностных и температурных режимах.

Скоростные и нагрузочные режимы тепловозных двигателей охватывают весьма широкий нагрузочно-скоростной диапазон, что отражается на средневзвешенном эксплуатационном расходе топлива, интенсивности износа ряда деталей и, следовательно, моторесурсе работы дизеля. Неуста-

новившиеся режимы, характеризуемые одновременным или неодновременным изменением нагрузки, частоты вращения коленчатого вала н теплового состояния, являются основными режимами локомотивных ДВС и поэтому эффективность именно этих режимов в значительной степени будет определять эксплуатационную экономичность.

Экспериментальные исследования и проверка сходимости результатов проводились на стенде тепловозного дизеля ЧН26/26 (Д49) и малоразмерном дизеле типа 2410,5/12 (Д21 А).

Расчётная диаграмма «времени-сечения» клапанов дизеля фактически состоит из пяти участков, соответствующих следующим процессам: свободного и принудительного выпуска, продувки, наполнения цилиндра и дозарядки.

Для дизеля ЧН26/26 имеем: время свободного выпуска:

т =9Д6-я7^ время продувки цилиндра: г =14,67-л,'-, время до-св.вып о г пр () - г

зарядки цилиндра: т^ = 4,5 • л"1.

Для улучшения показателей газообмена дизеля целесообразно осуществлять регулирование среднего проходного сечения клапанов с выполнением условия постоянства • с/г или уменьшения при снижении частоты вращения.

Зависимость / от величины параметров «времени-сечения» клапанов газораспределения дизелей зависит от значения максимального проходного сечения /тах . При этом характер изменения / при регулировании наклона фронтов зависит от абсолютной величины угла: при меньших абсолютных значениях изменение угла наклона в большей степени сказывается на величине среднего проходного сечения.

Таким образом, для эффективного регулирования среднего проходного сечения клапанов в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы локомотивного ДВС следует на холостом ходу и малых нагрузках изменять углы наклона ветвей подъёма и посадки клапанов, а на средних и номинальных режимах -- переходить к регулированию проходного сечения с помощью изменения ФГР.

Одновременное изменение величины /ср регулированием хода

клапанов и ФГР обеспечивает интенсивную турбулизацию заряда, что особенно важно на номинальном режиме работы ДВС.

На рис. 7 дана зависимость^ =/(«,) двигателя 1А-5Д49. Анализ показал, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала наибольший эффект получается при плавном увеличении фазы ср^ с 30° до 56,5 п.к.в.

Рис. 7. Зависимость ge = /'(пг}) локомотивного ДВС 1А-5Д49

Одновременное изменение величины / регулированием хода клапанов и ФГР обеспечивает интенсивную турбулизацию заряда, что особенно важно на номинальном и близких к нему режимах работы ДВС.

В пятой главе приведены результаты эксплуатационных испытаний новых типов привода клапанов газораспределения на безмоторных и моторных стендах.

Экспериментальные исследования электромагнитного привода клапана газораспределения

Экспериментальные исследования ЭМПК на транспортных двигателях проведены на безмоторных стендах ЧН12/14 и ЧН26/26. На рис.8, приведены осциллограммы ЭМПК стенда дизеля ЧН 26/26.

Для дизелей типа ЧН 26/26 ЭМПК должен удовлетворять следующим требованиям:

• подъём (посадка) впускного клапана не более 116° п.к.в. или при номинальной частоте вращения время подъёма (посадки) не более 19,3 мс;

« подъём (посадка) выпускного клапана не более 134° п.к.в., соответственно время подъёма (посадки) не более 22,3 мс;

• скорость в момент посадки клапана должна быть не выше 0,5...0,6

м/с.

к

/т, =18,8 мм, Ж =600 вит; с=400мкФ,

и =зоов

б)"

71

5.5.«

1-

ттл

I !

I |

К.

44

V-

Юад

Ы*.

и—

16мс

ЕЙ

/?, =22 мм, IV =600 вит; е=600мкФ, (/.=300В

\ =18,1 мм, IV =400 вит; с=600мкФ,

I/ =300В

/?, =22 мм, IV =800 вит; с'=600мкФ, ^=300В

Рис. 8. Осциллограммы ЭМШГбезмоторного стенда дизеля ЧН 26/26: а - влияние изменения ёмкости форсирующего конденсатора С ; б влияние числа витков IV обмотки ЭМ

Испытаниям подвергались конструкции с одним и двумя силовыми электромагнитами. При испытаниях ЭМПК исследовалось влияние на диаграмму движения клапана: длительности управляющего импульса, уровня форсирующего напряжения и величины емкости форсирующего конденсатора, числа витков обмоток электромагнитов, наличия дополнительного импульса тока через обмотку электромагнита перед посадкой клапана, длительности интервала между импульсами, подаваемыми на обмотку верхнего и нижнего электромагнитов, величины зазоров в магнитопроводе системы, характеристик пружин и других параметров.

Хотя ЭМПК в традиционном виде является привлекательным техническим решением, его широкое применение представляется проблематичным. Необходимость охлаждения электромагнитов, а главное - высокая стоимость, вызывают сомнения в практической ценности идеи традиционного ЭМПК.

Эффективным направлением можно считать создание электромагнитного привода на основе импульсного линейного двигателя (ИЛД) в различных его модификациях. ИЛД улучшает энергетические и экологические показатели локомотивного ДВС при любых режимах работы, позволяет без малейших затруднений реверсировать двигатель, осуществлять декомпрессию при пуске, конвертировать локомотивный ДВС в поршневой компрессор и др. Обладает рядом преимуществ, заключающихся в повышенном быстродействии и высоких - до 87% КПД на всех режимах работы локомотивного ДВС.

Линейный двигатель рассчитывается на питающее напряжение 110 В постоянного тока, так как такое напряжение вырабатывает стартёр-генератор тепловоза. Мгновенное значение силы тока для приведения клапана в движение составляет 1000 А, однако среднее значение тока в процессе работы ИЛД только 20 А. Следовательно, средняя потребляемая мощность составляет 2,2 кВт.

Разработана схема подключения ЮВТ-транзисторов, которая составлена с учётом порядка срабатывания клапанов локомотивного ДВС с числом цилиндров 8.. Л 6.

Макет ИЛД для ЭМПК показан на рис. 9. Конструкция позволяет исследовать характеристики ИЛД постоянного тока и предложить способы управления.

Габаритные размеры макета ИЛД соответствуют размерам привода клапанов локомотивных ДВС.

/ 3 4

Рис. 9. Макет импульсного линейного двигателя для привода клапанов

газораспределения.

1 - основание; 2 ~ опоры; 3 - якорь; 4 - обмотки якоря; 5 - распорная пластина; 6 - статоры; 7 - шток

Экспериментальные исследования электрогидравлического привода клапанов газораспределения

Экспериментальные исследования проводились на модельных безмоторных одноклапанной и двухклапанной установках (ЧН12/14), на моторных стендах дизелей 24 10,5/12 (Д21А), 12ЧН 26/26 (2-2Д49) п 6ЧН 21/21 (211-Д2).

При проведении испытаний на моделях и моторных стендах ЗГПК применялись прогрессивные математические методы планирования экспериментов применительно к ДВС.

Экспериментальные работы показали, что для нормального функционирования ЭГПК при частоте вращения коленчатого вала до 40 с"1 требуется создавать давление рабочей жидкости в гидравлическом аккумуляторе порядка 18...25 МПа.

Наличие на одном двигателе двух цилиндров с различным приводом клапанов позволило выполнить ряд сравнительных испытании. Однако в этом случае использование типовых характеристик дизеля оказалось невозможным, так как существовал разброс по расходу топлива и мощности для каждого цилиндра.

Полученные характеристики показали возможность работы развернутого дизеля с переменными ФГР. Изменение ФГР клапанов производилось без остановки дизеля.

Изменение хода, скорости и ускорения свидетельствует, что подъём и посадка клапанов с ЭГПК происходят быстрее, чем с механическим приводом, увеличивая тем самым «время-сечение» на 10... 15%. Скорость посадки изменяется в диапазоне 0,5... 1,0 м/с, а к моменту окончания подъёма составляет 0,7... 1,2 м/с, что несколько выше, чем требуется при механическом приводе, но допустимо при ЭГПК. Максимальные ускорения (менее 500 м/с2) не превышают значений для базового двигателя (по данным испытаний на модельной установке).

Проведены исследования влияния основных параметров таких, как: диаметр плунжера; проходные сечения соединительных трубопроводов, каналов на входе в 30, СГЦ и дроссель; масса движущихся элементов; давление жидкости в гидравлическом аккумуляторе; жёсткость возвратных пружин и др.

При ЭГПК открываются возможности получения несимметричных законов движения клапана, регулирования ФГР и величин подъёма клапана в зависимости от мощностных и скоростных режимов работы двигателя.

На первом этапе исследования дизеля 24 10,5/12 (Д21 А) проводились испытания системы ЭГПК работы двух цилиндров на холостом ходу. Частота вращения изменялась в диапазоне 500... 1700 мин"' при регулировании подачи топлива.

На втором этапе изучалась работа дизеля по внешней характеристике при установке рейки насоса на упор. Дизель нагружался на реостат. Частота вращения изменялась в диапазоне 500...800 мин"1. При нагружении и просадке ниже 300 мин"1 дизель глох.

На третьем этапе проводились испытания экспериментального цилиндра при работе на холостом ходу. Штатный цилиндр отключался де-компрессионным механизмом. Частота вращения коленчатого вала изменялась в пределах 500...1700 мин"1.

На четвертом этапе изучались различные варианты пуска дизеля (экспериментальный, штатный, или оба цилиндра).

Подробно исследовано регулирование всех ФГР. Показано, что слишком позднее закрытие впускного клапана привело к уменьшению количества свежего заряда, а снижение действительной степени сжатия определило снижение температуры в конце сжатия и задержку воспламенения топлива. Установлено, что работа дизеля без перекрытия клапанов при частоте вращения коленчатого вала до Пд = 1000 мин"1 со штатными внешними фазами не влияет на снижение мощности.

На рис. 10. представлена зависимость давления сжатия Рс от фазы

запаздывания закрытия впускного клапана <р4 при различной частоте вращения коленчатого вала пд дизеля 2410,5/12 (Д21А).

Заштрихована зона возможного регулирования фазы (рА, а линия I

- экономичное регулирование этой фазы. Выделена базовая фаза <рл для этого двигателя - 40° п.к.в. Интерес представляет район фазы <рА = 8° п.к.в. при которой на любой частоте от 600 до 1600 мин"' давление постоянно Рс=2,15 МПа. На малой частоте вращения коленчатого вала доминируют потери на такте сжатия после закрытия клапана, а при больших частотах появляется эффект обратного выброса заряда до закрытия клапана. При увеличении Пд давление сжатия увеличивается во всем диапазоне (-15...+80° п.к.в.), кроме участка (рА= -15...0° п.к.в., когда наблюдается ухудшение наполнения цилиндра воздухом.

Для локомотивного ДВС типа ЧН 26/26 привод двух одноименных клапанов от одного СГЦ потребовал применения более вязкой рабочей жидкости при одновременном снижении рабочего давления до 10-Н2 МПа. Расход жидкости на привод клапанов при частоте вращения коленчатого вала в 1000 мин'1 составляет 92,2 л/мин.

При размещении гидравлического оборудования вместо распределительного вала во всю длину дизеля в развале цилиндров расположен гидравлический аккумулятор высокого давления. От аккумулятора получают питание приводы клапанов всех цилиндров. По трубкам высокого давления топливо поступает к ЭГК. Вместо колонки крепления коромысел выпускных клапанов установлена стойка СГЦ (см. рис. 11.)

Открытие и закрытие клапанов при ЭГГЖ происходит быстрее, чем при МПК. Величина «времени-сечения.» при ЭГОК на 33,2% больше, чем при МПК.

Впервые появилась возможность для двигателей типа Д49 расположить форсунку соосно и отказаться от механизма привода клапанов.

На рис.12 представлены зависимости влияния диаметра плунжерами давления жидкости в аккумуляторе рш: на периоды открытия ¡\<р и

закрытия А<р3 клапана при частоте вращення коленчатого вала//.,--•)ООО мин"1.

А Ф'й-М

90

80

70

--открытие А<р„;

--— - закрытие Ад>3

Рис. 12. Влияние диаметра плунжера СГЦ на параметры ЭГПК дизеля

ЧН 26/26

Для дизеля ЧН 2.6/26 целесообразно применить р 15 МГ1а и й?я-19 мм.

Результаты моделирования рабочего процесса двигателя не отражены в данной работе. В модели использованы интегральные оценок однозначно описываемых текущих значений: частоты вращения, цикловой подачи топлива, температуры теплоносителей, количества и состояния рабочего тела в начале сжатия. Влияние регулирования газообмена на переходные процессы определялось с помощью коэффициентов перехода

Кп. Установлено влияние изменения среднего проходного сечения клапанов газораспределения на динамику изменения Кп для двигателей с механическим и немеханическим приводом клапанов газораспределения. Для существующих локомотивных ДВС величина Кп = 0,71... 0.966.

Далее определялось среднестатистическое значение К п , которое использовалось для уточнения влияния переходных процессов на средне-эксплуатационный эффективный расход топлива^'. Оценка эффектнв-

" 1 33

ности проводилась путем анализа изменения относительных величин Т]у; Рих 7Ь ' ЛмЛе и уменьшения удельного расхода топлива на номинальном режиме А&" в зависимости от соотношения величин среднего проходного сечения клапанов с ЭГПК и с МГГК (/ ), которое варьиро-

Рис. 13. Изменение относительных величин параметров от соотношения величин среднего проходного сечения клапана с ЭГПК и МГЖ Исследуемые параметры: 7] - относительный КПД; Т]г - относительный коэффициент наполнения; рнх- среднее давление насосных ходов;

; НГср - среднее эффективное проходное сечение клапана, соответственно для ЭГПК и МГЖ.

Анализ показал, что применение ЭГЛК на дизелях типа ЧП2(»'2о при работе на номинальном режиме приводит к увеличению коэффициента наполнения на 4% и снижению среднего давления насосных ходов на 5,2%.

Это ведет с одной стороны к увеличению коэффициента шОьпка воздуха, а, следовательно, и индикаторного КПД на 2%, при неизменных частоте вращения коленчатого вала, давлении и температуре надувочного воздуха. С другой - уменьшение среднего давления насосных ходов приводит к возрастанию механического КПД на 0,26%. В целом эффективный КПД на номинальном режиме увеличивается на 2,3%. Улучшаются динамические свойства форсированных ДВС на переходных режимах..

В шестой главе дан анализ концептуальных вопросов развития локомотивных ДВС нового поколения.

Требования к характеристикам локомотивных ДВС постоянно меняются. В течение многих лег на первом плане были повышение цилиндровой мощности и КПД, с одновременным снижением удельных показателей расхода топлива и масла. Затем добавились требования снижения вредных выбросов и уровня шума. Именно экологические показатели в настоящее время в России стали приоритетными, особенно для перспективных локомотивных ДВС.

Регламентация понятия «Перспективные локомотивные ДВС» может быть осуществлена по следующим критериям:

• экономическим (отношение факторов затраты/эффективность):

• ресурсным (необходимость в дополнительных модификациях более высокого уровня);

в экологическим (точная регулировка параметров рабочего процесса, применение нейтрализаторов, улучшение качественного состава топлива).

Эти критерии объединены общим конструкционным кри терием, позволяющим реализовывать прогрессивные идеи в новых конструкциях. При этом показатели экономической эффективности новой продукции всегда ориентированы на общемировой уровень, который всегда более жёсткий, чем эксплуатационный.

На рис. 14 показаны приоритетные направления исследований в области создания перспективных локомотивных ДВС с выделением рассмотренного в диссертации направления создания альтернативного привода механизма газораспределения.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЛОКОМОТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Г

ТГХтШХ»КОНОМИПЕСКИЕ ФАКТОРЫ

эмемяуатшын «я ссти ОАО «ККД»

1Сп 9 |ху р Р«ГГО С »Ш-СбСжХ'ТЬ

с ^вру&ежнмми «и&логаш!

Широкая с

сужествумяицчмм ЛЭУ

М л кеямял ы

КЛШТаиМИ К условиям

зкссдузпдшш

КОЖ ГРУКЦ»ЮНЫЫ£ ФАКТОРЫ

Мад^ль-ва« КЛЯГРОИОАМЯ ОСНОМГОГв ня

8ЫМКЯ1

Система лаатитнм-и-

%*С»ЛТрИН1»10Г0 уиражлв«;«»

Отпмя-ншн1* к р*&нплх проиксод ЛЭУ

Счифе^мги*« птгелтиг ньолуед

Рмул врлгя 1гие «ткл#й*»е«явм часты

.\.1Ы«{;1Ш1НЬ1М1( СИГТГМЯ ПрИ£<*ша

I гядеряспртеденмя персгиэстиивгог-л ЛЗУ

1>ркаф©1кн|кт*кме

ТПЛ.ОНШВ

А«п марсе регул *фовая«ге 1и|домггрва «ере«», сетнже* клал мим* газораспрсяелкыия

Регул «роплвги* -ф*1

I вспймщ-атгяьыы! [ снстсч ЛЭУ я сипемм

I ЛОКЭОДТНДО

Рис. 14. Приоритетные направления исследований в области создания перспективных локомотивных

двигателей внутреннего сгорания

Одно из важнейших направлений создания перспективных локомотивных ДВС и соответствующих им локомотивов - это ориентир на региональные требования. Здесь не только климатические отличия (которые занимают сегодня одни из ведущих позиции), но и местные эксплуатационные несоответствия существующим требованиям к тяговому подвижному составу. Это, прежде всего, мощность локомотивных ДВС, топливная экономичность на преимущественных режимах эксплуатации, надежность, экологические параметры.

Актуальность предлагаемых направлений подтверждается практикой отечественного и зарубежного двигателестроения, с активно развивающимся направлением электронного управления системами.

Технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения немеханического привода клапанов газораспределения на локомотивных ДВС проводилось в нескольких направлениях. Это регулирование фаз и закона движения клапанов на установившихся и переходных режимах, отключение части цилиндров и снижение минимальной частоты вращения коленчатого вала, сравнение мощности затраченной на привод при базовом и экспериментальном приводах.

Углублённая оценка эксплуатационной экономичности локомотивных ДВС выполнена на основании распределения режимов эксплуатации и характеристик удельных расходов топлива на соответствующих режимах в интервале рабочих характеристик. При этом учитывалось изменение расхода топлива во время переходных процессов, так как неустановившиеся режимы занимают существенную долю времени эксплуатации двигателя.

На основании разработанных методик получены характеристики влияния среднего проходного сечения клапанов газораспределения /

на показатель g¿>. Определено влияние на величину ^ коэффициента переходных режимов при МПК и ЭГПК.

Например, плавное регулирование только одной фазы (/?., повышает топливную экономичность двигателя на 4,9 %.

Использование плавного регулирования проходного сечения на переходных режимах обеспечит дополнительное снижение расхода дизельного топлива на 6... 11%.

Технико-экономическое сравнение типов привода свидетельствует о перспективности применения ЭГПК на локомотивных ДВС нового поколения и других транспортных дизелях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной диссертационной работы были получены следующие главные выводы:

1. Выполнен анализ отечественного и мирового опыта в конструировании приводов газораспределения ДВС. Исследовано влияние технико-экономических параметров основных серий транспортных ДВС на выбор фаз газораспределения. На основании подробного анализа массива данных по 198 двигателям установлено, что среди выбранных параметров максимальное влияние на выбор фаз оказывает группа: частота вращения коленчатого вала, давление наддува и рабочий объём цилиндров двигателя. Применительно к локомотивным ДВС нового поколения также рассмотрены перспективные направления регулируемых приводов: модульный принцип конструирования с автономным регулированием приводов вспомогательных систем и современный силовой гидрообъёмный привод оборудования локомотивов.

2. Приведены результаты теоретических исследований систем электромагнитного и электрогидравлического приводов клапанов газораспределения локомотивных ДВС. Использована качественная теория дифференциальных уравнений и математическая теория устойчивости при исследовании закона движения клапана. При электрогидравлическом приводе клапанов отмечены высокое быстродействие, необходимое для качественного протекания рабочего процесса ДВС, малая масса возвратно-движущихся частей, увеличение «времени-сечения» при неизменных фазах газораспределения и возможность регулирования фаз в расширенном диапазоне.

3. Впервые сформулированы принципы оптимизации газообмена путём регулирования эффективного среднего проходного сечения клапанов газораспределения в зависимости от типа привода и режима работы локомотивного ДВС. Установлено, что на первом этапе регулирования проходного сечения необходимо изменять углы наклона ветвей подъёма и посадки клапанов, а затем переходить к изменению фаз газораспределения.

4. При расчёте электромагнитного привода клапанов для определения предельно достижимых характеристик силовых электромагнитов использованы методы теории поля и теории подобия. Средний расчётный КПД привода клапанов двигателя типа ЧН 26/26 выше 50%. На отдельных режимах работы в оптимальном варианте КПД может достигнуть величины 89%. Масса силового электромагнита для привода одного выпускного клапана составляет свыше 16 кг, сердечник и обмотка имеют примерно равную массу, а средняя потребляемая мощность на привод клапанов одного цилиндра составляет приблизительно 2,1 % при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин-1.

5. Доказано, что несмотря на возможность создания электромагнитного привода клапанов локомотивных ДВС с приемлемыми характеристиками, его применение в традиционном виде (силовой электромагнит и под-

вижный якорь) представляется нецелесообразным. Основные недостатки заключаются в необходимости охлаждения электромагнитов и высокой первоначальной стоимости системы. Эффективным направлением счи таю создание привода на основе импульсного линейного двигателя в различных его модификациях. Такой привод обладает рядом преимуществ, заключающихся в повышенном быстродействии и высоких - до 87% КПД на всех режимах работы.

6. Разработана математическая модель функционирования и взаимодействия основных элементов электрогидравлического привода клапанов. Выполнено аналитическое исследование влияния некоторых конструктивных параметров гидромеханической части привода на характер открытия и закрытия клапана газораспределения. Исследовано влияние конструктивных параметров системы на работу электрогидравлического привода клапанов.

7. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований по созданию альтернативных приводов механизма газораспределения транспортных двигателей сформулированы общие требования для немеханических систем газораспределения локомотивных ДВС, что позволит автоматизировать управление процессами газообмена на эксплуатационных режимах, упростить компоновку привода в цилиндровых крышках и блоке. Сделана оценка вариантов конструкций электромагнитного и электрогидравлического типов приводов механизмов газораспределения и их технико-экономических характеристик.

8. Экспериментальные исследования электрогидравлического привода клапанов проведены на модельных безмоторных и моторных, одно-и двухклапанных установках 2410,5/12, ЧН12/14, 6ЧН21/21 и 12ЧН26/26. Установлено, что для локомотивных ДВС типа ЧН26/26 при регулировании «времени-сечения» на номинальном режиме эффективная мощность возрастает на ~2%, а удельный эффективный расход топлива снижается на ~ 2,1%. Это, в основном, объясняется увеличением механического КПД при одновременном снижении мощности насосных потерь на -18%. Мощность, затраченная на привод клапанов при штатном приводе двигателя 16ЧН 26/26, подсчитанная по кинематической схеме, составляет 18...22 кВт.

9. Применение электрогидравлического привода клапанов позволяет уменьшить среднеэксплуатационный расход топлива на 5...6% за счет регулирования фаз газораспределения и «времени-сечения» клапанов. Па переходных режимах снижение расхода дизельного топлива составит 6...11%. Для высокооборотных ДВС уменьшение среднеэксплуатацион-ного расхода топлива может достигать 8...12%. Технико-экономическое сравнение типов привода свидетельствует о перспективности применения электрогидравлического привода клапанов газораспределения на локомотивных ДВС нового поколения.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

В монографиях

1. Балабин В.Н. Современные системы газораспределения транспортных двигателей. - М.: Железнодорожное Дело, 2004. - 107 с. - ISBN 593574-017-6

2. Балабин В.Н. Регулирование транспортных двигателей отключением части цилиндров. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж-д. транспорте», 2007. - 143 с. - ISBN 978-5-89035-459-4

В изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Балабин В.Н., Манохин В.А. Тепловозы без пневматических компрессоров // Тяжелое машиностроение. -1991. - № 11. - С. 5-6.

2. Калугин С.П., Балабин В.Н. К вопросу о предельно достижимых характеристиках силовых электромагнитов. // Прикладная физика. - 2005. - №5. - С. 130-136.

3. Балабин В.Н. Электромагнитный привод клапанов газораспределения транспортных дизелей нового поколения // Тяжелое машиностроение. -2007. - № 7. - С. 35-37.

4. Балабин В.Н. Перспективы развития тепловозных дизелей нового поколения // Двигатель. - 2007. - №4. - С. 44-47.

5. Балабин В.Н. Повышение топливной экономичности тепловозных дизелей / Технология машиностроения. - 2008. - №7. - С. 47-48.

6. Балабин В.Н. Перспективы развития локомотивных энергетических установок нового поколения // Вестник машиностроения. - 2008. - №8. - С. 75-79.

7. Балабин В.Н. Перспективы развития тепловозных дизелей нового поколения // Тяжелое машиностроение. - 2009. - №3. - С. 31-34.

8. Балабин В.Н. Привод клапанов газораспределения локомотивных ДВС на основе импульсного линейного двигателя // Машиностроение и инженерное образование. - 2009. - №1. - С. 10-14.

9. Балабин В.Н. Выбор фаз газораспределения транспортных двигателей внутреннего сгорания //Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - №1. - С. 34-38.

В статьях и трудах научных конференций с открытой публикацией

1. Балабин В.Н., Васильев В.Н., Сладковский Ю.М. Анализ существующих конструкций и разработка нового типа привода клапанов газораспределения для транспоргных дизелей // Вопросы конструкции, эксплуатации и ремонта тепловозов: сб. научн. ст. / МИИТ. М.: 1978. - вып. 611.-С. 81-88.

2. Васильев В.H., Фроликов И.И., Балабин В.Н. Динамические характеристики клапанов с элекгрогидравлическим управлением /У Двигатели внутреннего сгорания / ЦНИИТЭИтяжмаш. - 1979. - JfeJ2. - С. 8 -9.

3. Балабин В.Н.., Васильев В.Н. Принцип компоновки элекгро-гидравлического привода клапанов и сравнительный анализ их проходных сечений с механическим приводом на транспортных дизелях // Двигатели внутреннего сгорания / ЦНИИТЭИтяжмаш. - 1979. -№15. - С. 6-9.

4. Балабин В Н., Васильев В.Н. Особенность запуска и работы на холостом ходу дизеля с электрогидравлическим приводом клапанов газораспределения // Двигатели внутреннего сгорания / ЦНИИТЭИтяжмаш. -1981. -№20.-С. 10-13.

5. Балабин В.Н. Способы регулирования дизелей отключением цилиндров // Электрическая и тепловозная тяга. - 1988. - № П. - С. 28-29.

6. Балабин В.Н., Евстифеев Б.В., Соин Ю.В. Повышение топливной экономичности дизелей за счет регулирования отключением част цилиндров // Двигатели внутреннего сгорания / ЦНИИТЭИтяжмаш. - 1988. -Серия 4. - Вып. 1. - 28 с.

7. Балабин В.Н., Манохин В. А. Использование тепловозного дизеля в качестве компрессора//Балабин В.Н. [и др.], М.: Ж-л транспорт. - 1992. - № 3. - С. 47-49.

8. Балабин В.Н. Тепловоз работает без компрессора /,' Локомотив. -1993. -№9-10. - С. 43-46.

9. Балабин В.Н., Сидоров H.A. Конвертация дизеля возможна // Локомотив. - 1995. - № 6. - С. 32-34.

10. Балабин В.Н. Конвертация тепловозного дизеля в пневматический компрессор H Актуальные проблемьг развития ж.д. транспорта: Тез. докл. 11 международная научно-техническая конференция /, / Моск. roc ун-т путей сообщения (МИИТ). - М., - 1996. -С. [01.

11. Балабин В.Н, Перспективы развития электромагнитного привода клапанов газораспределения транспортного двигателя /'/ Соискатель. - 2004. -№1. - С. 72-87.

12. Балабин В.Н. Альтернативные немеханические системы газораспределения для дизелей // Мир транспорта. - 2004. - №2. - С. 52-57.

13. Балабин В.Н. Варианты регулирования фаз газораспределения // Локомотив. - 2004. - №5. - С.26-29.

14. Балабин В.Н. Альтернативный привод клапанов газораспределения транспортных дизелей нового поколения // Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения: Тез. докл. Международной на-учно-техн. конф. /ЮУрГУ. - Челябинск, - 2006. - С. 27-53

15. Балабин В.Н. Некоторые аспекты развития локомотивных энергетических установок нового поколения// Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения: Тез. докл. Международной на-учно-техн. конф. / ЮУрГУ. - Челябинск, - 2006, - С. 30-33.

16. Балабин В.Н., Васильев В.Н. Альтернативный привод клапанов газораспределения локомотивных энергетических установок нового поколения и его влияние на топливную экономичность // Проблемы безопасности на транспорте: Тез. докл. IV Международной научно-практ. конф. / Белорусский государственный университет транспорта. - Гомель. - 2007. -С. 178-180.

17. Балабин В.Н. О приводе клапанов газораспределения тепловозных дизелей // Железнодорожный транспорт. - 2007. - №2. - С.47-48.

18. Калугин С.П., Балабин В.Н. Математическое моделирование процессов газообмена двигателя внутреннего сгорания //' Прикладная физика. - 2007. -№1. -С.20-28.

19. Балабин В.Н. Перспективы развития локомотивных энергетических установок // Ж-д транспорт. - 2007. - №4. - С. 52-56.

20. Балабин В.Н, Важное направление повышения топливной экономичности тепловозных дизелей // Локомотив-информ. Украина. - 2007. -№6. - С.2-5.

21. Балабин В.Н. Экспериментальные исследования электрогидравлического привода клапанов газораспределения транспортных двигателей // Наука и техника транспорта. - 2008. - №4. - С.94-97.

22. Балабин В.Н. Регулирование среднего проходного сечения клапанов газораспределения транспортных дизелей // Эффективность, надежность и безопасность энергетических установок (Энергоустановки - 2008); Тез. докл. III Международной научно-технической конф. - Украина, Сева-стополь-Батилиман, 2008. - С. 35-36.

Список работ, опубликованных по основной научной деятельности

1. Балабин В.Н. Елепин Е.Ю. Создание системы конвертирования цилиндров тепловозного дизеля в пневматический компрессор // Недели науки-94: Тез. докл. Моск. гос. унив. путей сообщения (МИИТ). - М.: МИИТ, 1995.-С. 70-71.

2. Балабин В.Н. Исследование топливной экономичности//Локомотив. - 1998. - № 12. - С. 35-36.

3. Домогацкий В.В., Балабин В.Н., Балашов А.Н. Малогабаритная образцовая установка для поверки расходомеров и счетчиков количества жидкости // Приборы и системы управления. - 1999. - № 5. - С. 41-44.

4. Домогацкий В.В., Балабин В.Н. Новое поколение широкодиапазонных ролико-лопастных расходомеров жидкости и газа // Транспорт и хранение нефтепродуктов. - 1999. - № 6. - С. 9-14.

5. Универсальные ролико-лопастные расходомеры для тепловозов / Балабин В.Н.. Какоткин В.З., Домогацкий В.В., Назаров A.C. // Локомотив. - 2000. - № 4. - С. 26-28.

6. Домогацкий В.В., Балабин В.Н. Универсальный стенд для испытаний ролико-лопастных расходомеров // Измерительная техника. 2000. - № 4. - С. 57-60.

7. Методика испытаний широкоднапазонных ролико-лопастных расходомеров на стенде типа А-2275 / Балабин В.Н,, Какоткин ß 1. Домогацкий В.В., Самойлов Г.Г. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. ■• 2000. - № 10. - С. 59-61.

8. Ролико-лопастные расходомеры в депо: некоторые результаты внедрения / Балабин В Н., Какоткин В.З., Самойлов Г.Г., Назаров A.C. // Локомотив. - 2001. -№ 6. - С. 26-29,

9. Балабин В.Н., Какоткин В.З. Применение широкодиапазонных ролико-лопастных расходомеров в локомотивном хозяйстве /У Проблемы безопасности на транспорте: Тез. докл. Международной науч-но-практ. конф. / Белорусский государственный университет транспорта. - Гомель. - 2002. - \ 94 с.

10. Балабин В.Н., Домогацкий В.В. Существующие системы измерения расхода топлива // Локомотив. - 2003. - № 2. - С.30-32. Продолжение. - 2003. - №3. - С.34-36.

11. Балабин В.Н., Какоткин В.З. Проблемы ресурсосбережения и безопасности движения поездов, решаемые на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТа //Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта: Тез. докл. Научно-практической конференции. / ВНИИЖТ. - М„ 2004. - С. 1 14-121.

12. Балабин В.Н., Какоткин В.З. Применение широкоднапазонных ролико-лопастных расходомеров на транспорте // Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей: Тез. Международной научно-технической конференции. - ГОСНИТИ. - М, 2004. - 168 с.

13. Балабин В.Н. Новый метод настройки генераторных характеристик тепловозных дизелей // Локомотив. - 2006. - №6. - С. 32-34.

14. Система экспресс-диагностики тепловозных дизелей /' Какоткин В.З., Балабин В.Н., Авдеев М.А., Лобанов И.И. //Безопасность движения поездов: Тез. VII научно-практической конференции /' Моск. гос. ун-т путей сообщения (МИИТ). - М„ 2006. - С. V-14 - VI5.

15. Какоткин В.З., Балабин В.Н. Система экспресс-диагностики тепловозных дизелей // Безопасность движения поездов: Тез. Международной научно-практической конференции. Белорусский государственный университет транспорта. - Гомель. - 2006. - С. 180-184.

16. Какоткин В.З., Балабин В.Н. Оперативная экспресс-диагностика топливной аппаратуры высокого давления тепловозных дизелей // Безопасность движения поездов: Тез. Международной научно-

практической конференции. Белорусский государственный университет транспорта. - Гомель. - 2006. - С. 184-188.

17. Балабин В Н. Оперативная экспресс-диагностика топливной аппаратуры высокого давления тепловозных дизелей // Локомотив-информ. Украина. - 2007. - №6. - С. 8-11.

18. Балабин В.Н. Важное направление повышения топливной экономичности тепловозных дизелей // Локомотив-информ. Украина. - 2007. -№7.-С. 10-13.

В авторских свидетельствах и патентах

1. A.c. СССР №756054, Электрогидравлическое устройство для управления газораспределительными органами двигателя внутреннего сгорания / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1980. - №30. с.4: ил.б.

2. A.c. СССР №775359, Механизм газораспределения с электрогидравлическим управлением. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1980. - №40. с.З: ил.З.

3 . A.c. СССР №861668, Электрогидравлическое устройство для управления газораспределительными органами двигателя внутреннего сгорания. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. -1981.-№33. с.4: ил.4.

4. A.c. СССР №972155, Транспортный поршневой двигатель внутреннего сгорания. /Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1982. -№41. с.4: ил.З.

5. A.c. СССР №992788, Способ запуска двигателя внутреннего сгорания с электрогидравлическим приводом газораспределительных клапанов. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1983. -№4. с.З: ил.2.

6. A.c. СССР №1193280, Устройство для отключения подачи топлива в цилиндры тепловозного дизеля. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. -1985. -№43. с.З: ил.2.

7. A.c. СССР №1267025, Способ работы дизеля. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1986. - №40. с.5: ил.5.

8. A.c. СССР №1333802, Способ регулирования V-образного дизеля на холостом ходу. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1987. - №32. с.З: ил.2.

9. A.c. СССР №1346836, Система подачи топлива в цилиндры дизеля. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1987. - №39. с.4: ил.5.

10. A.c. СССР №1503417, Система охлаждения V-образного двигателя внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами / Балабин В.Н. [и др.]. - №ДСП. с.4: ил.1.

11. A.c. СССР №1508003, Способ регулирования многорядного двигателя внутреннего сгорания. /Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1989. - №34. с.2: ил.1.

12. A.c. СССР №1576704, Механизм отключения цилиндров двигатели внутреннего сгорания. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1900 №25. с.З: ил.2.

1 3 . A.c. СССР №1605004, Система охлаждения многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. / Балабин В.Н, [и др.]. Бюл н.юоргг -1990. -№41. с.З: ил.5.

14. A.c. СССР №1636.575, Способ работы двигателя внутреннего сгорания./Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. -1991. -№11. с.2 ил. 1.

15. A.c. СССР №1663216, Система отключения цилиндров V-образного двигателя внутреннего сгорания. / Балабин В.Н. [и др.). Бюл. изобрет. -1991. - №21. с.З: ил.2.

1 6. A.c. СССР №1687861, Система управления двигателем внутреннего сгорания. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1991. - №40. с -I ил. 1.

17. A.c. СССР №1694952, Система воздушного охлаждения рядного двигателя внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами. / Балаби н В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1991. -№44. с.З: ил.2.

18. A.c. СССР №1772418, Пневматический клапан двигателя внутреннего сгорания транспортного средства. / Балабин В.Н. [и др.|. Бюл. изобрет. - 1992. -№40. с.6. ил.7.

19. Патент России №2030611, Система пуска двигателя внутреннего сгорания с отключаемыми цилиндрами. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1995. - №7. с.6: ил.3.

20. Патент России №2042848, Способ работы двигателя внутреннего сгорания. /Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1995. -№24. с.З: ил. 1.

21. Патент России №2042849, Способ конвертирования двигателя внутреннего сгорания транспортного средства в пневматический компрессор./Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет. - 1995. -№24. с 4: ил.6

22. Патент России №2042850, Двигатель внутреннего сгорания транспортного средства. / Балабин В.Н. [и др.]. Бюл. изобрет, - 1995.-№24. с.З: ил.2.

23 . Патент России №2078232, Способ работы многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. / Балабин В.Н. Бюл. изобрет. - 1997. - №12. с ил.

Б АЛАБИН ВАЛЕНТИН НИКОЛАЕВИЧ

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКОМОТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность: 05.02.02 — Машиноведение, системы приводов и детали

машин

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Подписано к печати Щ,. 04. 4.0. Усл. печ. л. --3,0

Печать офсетная. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз. Заказ № 233

Типография МИИТ, 127994, ГСП-4, г. Москва, ул. Образцова 9 стр.9, МИИТ

2009194773

Список применяемых сокращений и аббревиатур.

Список основных условных обозначений.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. 19

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ПРИВОДОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. 36

1.1. Развитие силового привода общего назначения. 36

1.2. Перспективные электромеханические преобразователи для локомотивных ДВС. 40

1.3. Перспективные направления развития регулируемых приводов оборудования локомотивов. 43

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА КЛАПАНОВ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ. 51

2.1. Варианты регуляторов фаз газораспределения при механическом приводе клапанов. 51

2.2. Анализ существующих схем механизмов с регулированием фаз газораспределения. 59

2.3. Оптимизация фаз газораспределения основных типов транспортных двигателей. 70

2.4. Оптимизация фаз газораспределения по параметрам техникоэкономических показателей транспортных ДВС. 75

ГЛАВА 3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ НЕМЕХАНИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРИВОДА КЛАПАНОВ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ . 89

3.1. Особенности гидравлического привода клапанов газораспределения. 96

3.2. Особенности электромагнитного привода клапанов газораспределения. 102

3.3. Особенности электрогидравлического привода клапанов газораспределения. 114

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ПРИВОДА КЛАПАНОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ. 117

4.1. Расчет электромагнитного привода клапанов газораспределения. 117

4.2. Расчет электрогидравлического привода клапанов газораспределения. 131

4.3. Разработка методики оценки влияния изменения ФГР, «времени-сечения» и закона движения клапанов на показатели работы

ЛДВС. 148

ГЛАВА 5. СТЕНДОВЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ. 170

5.1 .Исследование электромагнитного привода клапанов газораспределения .170

5.2. Исследование электрогидравлического привода клапанов газораспределения . 194

5.3. Выбор параметров электрогидравлического привода клапанов перспективных локомотивных ДВС нового поколения. 232

5.4. Анализ применяемых схем электронных блоков управления. 242

5.5. Предварительная оценка надежности электрогидравлического привода клапанов. 245

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ ВОПРОСОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛОКОМОТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. 251

6.1. Перспективы развития локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения. 251

6.2. Модульный принцип конструирования ЛДВС нового поколения . 262

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 266

ЛИТЕРАТУРА. 270

ПРИЛОЖЕНИЕ. 282

Список применяемых сокращений и аббревиатур

БВО Блоки вспомогательного оборудования

БФИ Блок формирования импульсов п.к.в. Градус поворота коленчатого вала

ВМТ Верхняя мертвая точка вниигпэ Всероссийский (всесоюзный) научно-исследовательский институт государственной патентной экспертизы вниижт (ФГУП) Всесоюзный (Всероссийский) научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (Федеральное государственное унитарное предприятие) внити (ФГУП ВНИКТИ) Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт»

ГА Гидравлический аккумулятор гмпк Гидромеханический привод клапанов

ГПК Гидравлический привод клапанов гтн Газотурбинный наддув

ГЦ Гидроцилиндр две Двигатель внутреннего сгорания дгпк Дроссельный гидравлический привод клапанов дип Дискретный исполнительный привод

ЕСЕ Европейская экономическая комиссия зо Запорный орган илд Импульсный линейный двигатель ио Исполнительный орган ицм Интеллектуальные цифровые модули

КГР Клапан газораспределения кпд Коэффициент полезного действия кшм Кривошипно-шатунный механизм лдвс Локомотивный двигатель внутреннего сгорания лдвс-нп ЛДВС нового поколения миит Московский институт инженеров железнодорожного транспорта мки Международный классификатор патентной документации мпк Механический привод клапанов

НАМИ Научно-исследовательский автомоторный институт ниид Научно-исследовательский институт двигателей нмт Нижняя мертвая точка ог Отработавшие газы огпк Объемный гидравлический привод клапанов пгтн Полигазотурбинный наддув пкм Позиция контроллера машиниста

ПМГР Привод механизма газораспределения ппк Пневматический привод клапанов

РЛГ Ролико-лопастная гидромашина сгц Силовой гидроцилиндр тк Турбокомпрессор тнвд Топливный насос высокого давления то Техническое обслуживание

ТР Текущий ремонт

ФГР Фаза(ы) газораспределения

ХГУ Харьковский государственный университет хиит Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта хпи Харьковский политехнический институт цниди Центральный научно-исследовательский дизельный институт цниимэ Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт механизации и энергетики лесной промышленности цпг Цилиндро-поршневая группа эгк Электрогидравлический клапан эггтк Электрогидравлический привод клапанов

ЭГУ Электрогидравлическое управление эммп Электромагнитный привод клапанов с механическим звеном эмпк Электромагнитный привод клапанов эс Электрическая схема

Список основных условных обозначений

Результаты работы использованы НПО «Тепловозпутьмаш», НИИ двигателей, Барнаульским заводом транспортного машиностроения, Камбарским машиностроительным заводом. Отдельные положения исследования использованы ХК «Коломенский завод».

В ходе исследований получены изобретения СССР и России, представленные в табл.:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной диссертационной работы были получены следующие главные результаты:

1. Выполнен анализ отечественного и мирового опыта в конструировании приводов газораспределения ДВС. Исследовано влияние технико-экономических параметров основных серий транспортных ДВС на выбор фаз газораспределения. На основании подробного анализа массива данных по 198 двигателям установлено, что среди выбранных параметров максимальное влияние на выбор фаз оказывает группа: частота вращения коленчатого вала, давление наддува и рабочий объём цилиндров двигателя. Применительно к локомотивным ДВС нового поколения также рассмотрены перспективные направления регулируемых приводов: модульный принцип конструирования с автономным регулированием приводов вспомогательных систем и современный силовой гидрообъёмный привод оборудования локомотивов.

2. Приведены результаты теоретических исследований систем электромагнитного и электрогидравлического приводов клапанов газораспределения локомотивных ДВС. Использована качественная теория дифференциальных уравнений и математическая теория устойчивости при исследовании закона движения клапана. При электрогидравлическом приводе клапанов отмечены высокое быстродействие, необходимое для качественного протекания рабочего процесса ДВС, малая масса возвратно-движущихся частей, увеличение «времени-сечения» при неизменных фазах газораспределения и возможность регулирования фаз в расширенном диапазоне.

3. Впервые сформулированы принципы оптимизации газообмена путём регулирования эффективного среднего проходного сечения клапанов газораспределения в зависимости от типа привода и режима работы локомотивного ДВС. Установлено, что на первом этапе регулирования проходного сечения необходимо изменять углы наклона ветвей подъёма и посадки клапанов, а затем переходить к изменению фаз газораспределения.

4. При расчёте электромагнитного привода клапанов для определения предельно достижимых характеристик силовых электромагнитов использованы методы теории поля и теории подобия. Средний расчётный КПД привода клапанов двигателя типа ЧН 26/26 выше 50%. На отдельных режимах работы в оптимальном варианте КПД может достигнуть величины 89%. Масса силового электромагнита для привода одного выпускного клапана составляет свыше 16 кг, сердечник и обмотка имеют примерно равную массу, а средняя потребляемая мощность на привод клапанов одного цилиндра составляет приблизительно 2,1 % при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин-1.

5. Доказано, что несмотря на возможность создания электромагнитного привода клапанов локомотивных ДВС с приемлемыми характеристиками, его применение в традиционном виде (силовой электромагнит и подвижный якорь) представляется нецелесообразным. Основные недостатки заключаются в необходимости охлаждения электромагнитов и высокой первоначальной стоимости системы. Эффективным направлением считаю создание привода на основе импульсного линейного двигателя в различных его модификациях. Такой привод обладает рядом преимуществ, заключающихся в повышенном быстродействии и высоких — до 87% КПД на всех режимах работы.

6. Разработана математическая модель функционирования и взаимодействия основных элементов электрогидравлического привода клапанов. Выполнено аналитическое исследование влияния некоторых конструктивных параметров гидромеханической части привода на характер открытия и закрытия клапана газораспределения. Исследовано влияние конструктивных параметров системы на работу электрогидравлического привода клапанов.

7. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований по созданию альтернативных приводов механизма газораспределения транспортных двигателей сформулированы общие требования для немеханических систем газораспределения локомотивных ДВС, что позволит автоматизировать управление процессами газообмена на эксплуатационных режимах, упростить компоновку привода в цилиндровых крышках и блоке. Сделана оценка вариантов конструкций электромагнитного и электрогидравлического типов приводов механизмов газораспределения и их технико-экономических характеристик.

8. Экспериментальные исследования электрогидравлического привода клапанов проведены на модельных безмоторных и моторных, одно- и двух-клапанных установках 2410,5/12, ЧН12/14, 6ЧН21/21 и 12ЧН26/26. Установлено, что для локомотивных ДВС типа ЧН26/26 при регулировании «времени-сечения» на номинальном режиме эффективная мощность возрастает на -2%, а удельный эффективный расход топлива снижается на ~ 2,1%. Это, в основном, объясняется увеличением механического КПД при одновременном снижении мощности насосных потерь на -18%. Мощность, затраченная на привод клапанов при штатном приводе двигателя 16ЧН 26/26, подсчитанная по кинематической схеме, составляет 18.22 кВт.

9. Применение электрогидравлического привода клапанов позволяет уменьшить среднеэксплуатационный расход топлива на 5.6% за счет регулирования фаз газораспределения и «времени-сечения» клапанов. На переходных режимах снижение расхода дизельного топлива составит 6. 11%. Для высокооборотных ДВС уменьшение среднеэксплуатационного расхода топлива может достигать 8. 12%. Технико-экономическое сравнение типов привода свидетельствует о перспективности применения электрогидравлического привода клапанов газораспределения на локомотивных ДВС нового поколения.

1.Я. Исследование и выбор оптимальных параметров газораспределения судового четырехтактного дизеля с импульсным газотурбинным наддувом. // Канд. дисс., Горький. - 1970.

2. Афанасьев В.Г. Исследование механизма газораспределения быстроходного автомобильного двигателя с верхним расположением распределительных валов. // Канд. дисс. 1976.

3. Балабин В.Н. Альтернативные немеханические системы газораспределения для дизелей. // Мир транспорта. — 2004. -№2. С.52-57.

4. Балабин В.Н. Важное направление повышения топливной экономичности тепловозных дизелей. // Локомотив-информ. Украина. -2007. - №6. С. 2-5.

5. Балабин В.Н. Исследование и разработка электрогидравлического привода механизма газораспределения транспортного двигателя. // Канд. дисс. 1980. - 24 с.

6. Балабин В.Н. Конвертация тепловозного дизеля в пневматический компрессор. // Актуальные проблемы развития ж.д. транспорта. Тез. докл. 11 международной научно-технической конференции, т.1,- 1996.- 101 с.

7. Балабин В.Н. Корректирование работы блока управления клапанов газораспределения в зависимости от скоростного режима работы дизеля при электрогидравлическом управлении. // Труды МИИТа.- 1979.-№654.-С. 13-18.

8. Балабин В.Н. О приводе клапанов газораспределения тепловозных дизелей. // Железнодорожный транспорт. 2007. -№2. - С. 4748.

9. Балабин В.Н. Перспективы развития локомотивных энергетических установок. // Железнодорожный транспорт. — 2007. -№4. С. 52-56.

10. Балабин В.Н. Перспективы развития локомотивных энергетических установок нового поколения. // Вестник машиностроения. — 2008.-№8.-С. 75-79.

11. Балабин В.Н. Перспективы развития тепловозных дизелей нового поколения. // Двигатель. 2007. - №4. С.44-47.

12. Балабин В.Н. Повышение топливной экономичности тепловозных дизелей. // Технология машиностроения. 2008. - №7. С. 47-48.

13. Балабин В.Н. Перспективы развития локомотивных энергетических установок нового поколения. // Вестник машиностроения. -2008. №8. С. 75-79.

14. Балабин В.Н. Современные системы газораспределения транспортных двигателей. // Железнодорожное Дело. 2004. — 108 с.

15. Балабин В.Н. Способы регулирования дизелей отключением цилиндров. // Электрическая и тепловозная тяга. 1988. - №11. С. 2829.

16. Балабин В.Н. Регулирование транспортных двигателей отключением части цилиндров. Монография. // ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.д. транспорте. М.: -2007. - 143 с.

17. Балабин В.Н. Электромагнитный привод клапанов газораспределения транспортных дизелей нового поколения. // Тяжелое машиностроение. 2007. - № 7. - С. 35-37.

18. Балабин В.Н. Экспериментальные исследования электрогидравлического привода клапанов газораспределения транспортных двигателей. // Наука и техника транспорта. 2008. - №4. - С. 94-97.

19. Балабин В.Н., Васильев В.Н. Инженерная методика оценки влияния фаз газораспределения и закона движения клапанов на показатели работы тепловозного дизеля. // Труды МИИТа. 1980. -№663.-С. 78-87.

20. Балабин В.Н., Васильев В.Н. Особенность запуска и работы на холостом ходу дизеля с электрогидравлическим приводом клапанов газораспределения. // Двиг. внутр. crop. ЦНИИТЭИтяжмаш. -1981. - №20. - С. 10-13.

21. Балабин В.Н., Васильев В.Н. Принципы компоновки электрогидравлического привода клапанов и сравнительный анализ их проходных сечений с механическим приводом на транспортных дизелях. // Двиг. внутр. crop. ЦНИИТЭИтяжмаш. - 1979. - №15. - С. 6-9.

22. Балабин В.Н., Евстифеев Б.В., Соин Ю.В. Повышение топливной27