автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Анализ влияния закоксованности органов газообмена на рабочий процесс и токсичность двухтактного форсированного высокооборотного транспортного дизеля

ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

РГ Б ОД

. На правах рукописи

- 2 ОКТ 1935

БУТУРЛИН Петр Яковлевич

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЗАКОКСОВАННОСТИ ОРГАНОВ ГАЗООБМЕНА НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС И ТОКСИЧНОСТЬ ДВУХТАКТНОГО ФОРСИРОВАННОГО ВЫСОКООБОРОТНОГО ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ

05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о

Харьков - 1995

• _ Диссертация является рукописью

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания'1 ■ Восточноукраинского государственного университета

Научные руководители доктор 'технических наук,

профессор Рыбальченко-А.Г.

доктор технических ■ наук,

профессор[Станиславский Л.В.1'

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Пойда А.№. '

кандидат технических наук, доцент Теслик А.Г.'

Ведущая организация - Юждизельыаш Украины

•Защита„состоится " рхЯ&^ЯЛЭЭЬу . в /^-^часов в ауд. ■■ на"заседании специализированного совета Д 114.04.01 по тепловым .двигателям при Харьковской государственной академии железйодо--рожного транспорта по адресу:

310050,'г. Харьков -'50', площадь Фейербаха, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковской; государственной академии железнодорожного транспорта.

Автореферат разослан " ег^е&^Л^Яг 1996 г., <

- Ученый секретарь специализированного совета ' Пелепейченко В .И.

3 - • _

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ, АКТУАЛЬНОСТИ И СТЕПЕНИ ИССЛЕДОВАННОСТИ ТЕМАТИКИ ДИС($РТАЦИИ В связи с уменьшением запасов энергоносителей, перед учеными.и конструкторами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на Украине ставятся ответственные' задачи по улучшению технических и эксплуатационных характеристик двигателей, с целью повышения топливной экономичности ДВС.

Основные показатели двигателя в значительной мере определяются характеристиками и техническим состоянием его рабочего процесса, связанного с необходимостью значительной интенсификации процесса сжигания топлива в цилиндре и оптимизации условий сгорания при жестких'ограничениях максимального давления газ:ов в цилиндре и .топлива в системе, -температуры деталей и газов .перед турбиной. Основными показателями, характеризующими'качество'процесса газообмена, являются коэффициент наполнения, коэффициент избытка продувоч'ного воздуха, коэффициент остаточных газов, коэффициент продувки, коэффициент утечки продувочного воздуха. '" Вследствие недостаточного числа термодинамических взаимо. связей параметров рабочего тела, находящегося в цилиндре двухтактного двигателя в период газообмена, до настоящего времени нет точных аналитических зависимостей для определения этих коэффициентов, поэтому их находят экспериментально.

Наиболее существенным фактором технического состояния двигателя, влияющим на коэффициент наполнения, является закоксовы-вание органов газообмена (окон) смолистыми веществами и сажей. При закоксованных окнах (твердый нагар может уменьшать их проходное. сечение более чем в 2 раза) значительно снижается давление в цилиндре в нонце наполнения из-за дросселирования потока воздуха, ухудшается очистка цилиндра, при этом растут температура стенок и количество остаточных газов. Имеется много различных причин, вызывающих загрязнение газораспределительных органов: на-

- 4 - . .

рушения режимов смазки и охлаждения цилиндров, неудовлетворительная, работа маслосъемных и уплотнительных колец, ухудшение' распиливания и сгорания топлива. Но одна причина непосредственно связана" с организацией процессов газообмена, и в то же время является следствием- загрязнений - это заброс газов из цилиндра в ре.-сивер в начальной фазе-открытия впускных окон. Заброс газов иногда является результатом недостаточной доводки систем газообмена и наддува. Такой двигатель с самого начала выпуска подвержен сильным загрязнениям газораспределительных органов и трактов. Заброс газов и ухудшение газообмена также происходит при закоксо-вывании выпускных окон, когда их проходное сечение становится недостаточным и свободный выпуск затягивается и переходит на фазу продувки. Помимо влияния на время-сечение фаз газообмена, загрязнение 'газораспределительных органов вызывает и изменение аэродинамики продувочного потока в цилиндре, ухудшение которой в двигателях с турбонаддувом ничем не компенсируется.

Вопрос технического состояния дизеля требует глубокого изучения и в этом аспекте большого внимания заслуживает изучение состава продуктов сгорания, образующихся в цилиндре двигателя в ~ зависимости от режима его работы, .наработки, различных регулировок, изменения условий окружающей среды или конструкции.

До настоящего.времени опыт применения метода отбора газа из цилиндра ДВС ограничивался малбоборотными двигателями из-за отсутствия быстродействующих устройств для отбора газа. Наиболее широко, проявляются возможности данного метода применительно к высокооборотным двухтактным двигателям с высоким форсированием рабочего процесса.

С учетом изложенного в представленной к защите диссертации, разработана методика определения состояния продувочных и выпуск-' ных окон по дизелю в целом и по отдельным цилиндрам и связанных с ним отклонениям параметров рабочего процесса дизеля по измене-

- Ь Г

нию'состава газа, отобранного из цилиндров и газовоздушных трактов. Предложены методики реализации данных выводов в-практику двигателестроения, что при общей характеристике диссертационной работы, позволяет ее квалифицировать как актуальную, направленную на решение научной проблемы, имеющей важное хозяйственное' •значение.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

I. Исследование внутрицилиндровых процессов высокооборотно-

* 1 ' . „ го двухтактного форсированного транспортного ^дизеля методом отбора газа из цилиндров и газовоздушных трактов в заданные моменты времени. Б результате исследования определить взаимосвязь отклонения параметров рабочего процесса дизеля и степень закоксо-

Л -

ванности продувочных и выпускных окон дизеля по изменению состава газа, отобранного' из цилиндров и газовоздушных трактов. , 2. Поиск технического решения разработки'газоотборного комплекса для отбора газа из цилиндра.и газовоздушных.трактов, с целью исследования внутрицил'индровых процессов форсированного вы-сокооборотн'ого. транспортного дизеля, методом отбора газа из цилиндра и газовоздушных трактов в заданные моменты'времени с минимальным интервалом отбора меньше I мс;

ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ-И ПРАКТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЕГО НАУЧНОЙ НОВИЗНЫ

Теоретическая ценность диссертационной работы определяется

* —

новыми алгЬритмами и методикой расчетно-экспериментального исследования двухтактного высокооборотного форсированного-дизеля, научными обобщениями автора, выполненными на базе единого подхода к проблеме исследования'.рабочего процесса форсированного двух- , тактного высокооборотного дизеля. При этом'практическая ценность диссертационной работы определяется результатами расчетно-экспериментального исследования рабочего процесса"форсированного высокооборотного транспортного дизеля 5-ТД методом отбора газа из ци-

- 6 - •

линдров,и газовоздушных трактов. Разработан комплекс методик и алгоритм для проведения данного исследования, которые в ходе проведения хоздоговорных и госбюджетных НИР переданы к использованию в промышленности и академических институтах. В работе:

1. Показана возможность применения метода отбора газа из цилиндра и газовоздушных трактов на двигателе 5-ТД и двигателях автомобиля КамАЗ/ Результаты экспериментального исследования позволяют изучить динамику образования токсичных компонентов в-цилиндре дизеля, установить взаимосвязь меаду отклонениями информативных параметров и степенью закоксовэнности продувочных и выпускных окон при которой дальнейшая эксплуатация нецелесообразна. • • .

2. Разработаны технические решения газоотборных средств, позволяющих производить стробоскопический отбор проб газа из цилиндров форсированных высокооборотных двухтактных дизелей в за' данные моменты времени в заданных интервалах отбора (заявка

4816168/06/0127753) и из выпускной системы (а.с. 2920509, СССР)-в зоне выпускных окон.. Предложена .конструкция клапана для отбора ' проб газа большого объема (а.с. 1135952, СССР). . ■

3. Разработан.алгоритм определения предельных отклонений параметров рабочего процесса дизеля 5-ТД по результатам газового анализа, при которых дальнейшая эксплуатация нецелесообразна. -

Предложен метод .экспериментального определения зависимости параметров рабочего процесса дизеля от состояния органов газораспределения дизеля и отдельных цилиндровых комплектов. Получены экспериментальные!данные, раскрывающие особенности изменения состава газа в цилиндрах .дизеля .и структуру изменения информативных параметров в зависимости от конструктивных факторов дизеля. ' ,

• 5. Отмечено, что практическую ценность имеет:

т газоотборный комплекс для исследования "внутрицилиндровых

процессов форсированных быстрооборотных дизелей; комплекс доведен и испытан в процессе исследования дизедо 5-ТД и используется на испытательных стендах ХКБД ПО "Завод им. /Малышева'^ '

В процессе исследования рабочего процесса дизеля 5-ТД получены информативные данные, характеризующие измене-ние паоаметрбв рабочего процесса дизеля в зависимости от степени закоксованнос-ти продувочных и выпускных окон.в. общем по дизелю и по отдел^ым цилиндрам: ■ ■ '

По результатам анализа'газа из цилиндров, могут быть вычис- • лены: с^/' - коэффициент избытка воздуха при горении; ^ - ..коэффициент остаточных газов; -^ - коэффициент наполнения.■ В результате- анализа данных, полученных при,исследовании рабочего процесса дизеля,.выделены информативные параметры для оценки технического состояния органов газораспределения:

Ту - относительное изменение температуры газов после турбины и Цн^ - неполнота сгорания топлива-в среднем по дизелю; _ • ¿¡^ -. относительное изменение коэффициента избытка воздуха^ при горении и -.изменение относительной массы оксида углерода т-

для локализации зако'ксованности продувочных и'выпускных окон по отдельным цилиндрам., .

Научную новизну исследования составляют: I.: Экспериментально-теоретическое исследование рабочего процесса форсированного зысокооборогного транспортного дизеля 5-ТД методом отбора газов из цилиндров и газовоздушных трактов. В результате анализа полученных данных выделены информативные параметры для оценки технического состояния газовоздушных трактов по дизелю в целом и отдельным цилиндрам в частности. Определены основные информативные параметры рабочего процесса дизеля, свидетельствующие о предельной закоксоранности продувочных и выпускных окон. -

2. Техническое решение г8з_оотборного комплекса, позволяющего производить стробоскопический отг>ор проб газа*иа цилиндров форсированных высокооборогных двухтактных дизелей в заданные моменты времени в заданных интервалах отбора (заявка 4816168/06/ /012775.3) и из выпускной системы (а.с. 2920509, СССР) в зоне выпускных'окон/ Предложена конструкция клапана для отбора проб газа большого объема (а.с. 1135952, СССР).

3. Разработан алгоритм математической модели предельного отклонения-параметров рабочего.процесса дизеля 5-ТД, при которых дальнейшая эксплуатация нецелесообразна.

, 4. Метод экспериментального определения зависимости параметров рабочего процесса дизеля от состояния органов газораспрй-деления дизеля и отдельных цилиндровых- комплектов.

УРОВЕНЬ РЕАЛИЗАЦИИ, ВНЕДРЕНИЯ НАУЧНЫХ РАЗРАБОТОК

Диссертация выполнена в-соответствии с отраслевым координационным планом НИР и ОКР Министерства тяжелого и транспортного машиностроения СССР по созданию транспортных дизелей. Исследования выполнялись, и взятое направление продолжается,■по плану НИР. Восючноукраинского государственного университета в рамках следующих работ: . " ■ ' "

- Исследование'рабочего процесса двигателя. Тепа Н-63^85, номер госрегистрации 01850013490..

- Создание системы стендового диагностирования технического состояния цилиндровых комплектов дизеля с применением методов газового анализа.. Тема Н-038-89, номер, госрегистрации 01890080436.

- Исследование рабочего процесса диз'еля и газодизеля методом отбора проб газа из цилиндра. Тема Н-036-89, номер госрегистрации 01890080419. ' -

. - Исследование и диагностирование параметров рабочего прот .цесса зысокофорс^рованных быстроходных трайспортных дизелей методом отбора газа из цилиндров я газовоздушных трактов."Тема

- у -

ГН-бЗ-92, номер госрегистрации 01930002461.

Результаты научного исследования переданы в ХКБД ПО "Завод-"им. Малышева" и используются при доводке. 1<овых-образцов двигатв-жй дан определения параметров рабочего процесса, при которых необходимо проводить техническое обслуживание. . '

Годовой экономический эффект от внедрения гэ,зоотборного комплекса с отечественной аппаратурой непрерывного газового зна-. лиза составляет 270 тыс. рублей в ценах 1986 года.

.АПРОБАЦИЯ -И ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ,

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Апробация работы. Основные результаты данной работы.доложе- . ны на всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и дви-' гателей новых схем и на новых топливах"""(Москва, 23-25 сентября 1987 года, МВТУ им. Баумана); всесоюзной научно-технической'-кон-ференции "Современный уровень и пути совершенствования экономи- . ческих и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания" (Ворошиловград, ВМСИ, 1983г.);-научно-технических конференциях ВМСИ (Ворошиловград, ВМСИ, 1982-1992гг.); йаучно-техничес-кой'конференции.профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников ВУГУ (Луганск, ВУГУ, 18-20 апреля 1994 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, получено авторское свидетельство СССР и подана заявка на авторское свидетельство.. - • -

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, . пяти глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложения. Работа содержит 150 страниц основного текста, ¡9 таблиц и ¿Гэ рисунков.

. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД В РАЗРАБОТКУ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, ' -ВЫНОСИМЫХ НА ЗАЩИТУ В ходе выполнения диссертационной работы автором получены.

. - ю -

новые теоретические и практические результаты, которые выносятся на защиту. К ним относятся: , '

. I. Методика экспериментального исследования технического состояния газовоздушных трактов цилиндровых комплектов форсированного высокооборотного транспортного дизеля посредством анализа газа из цилиндра дизеля, выпускных окон и-на выпуске за турбиной. *

2. Техническое решение конструкции газоотборного комплекса, позволяющего производить стробоскопический отбор проб газа из цилиндров форсированных высокооборотных двухтактных дизелей в заданные моменты -времени в заданных интервалах отбора (заявка 4816168/06/012753); клапан-для отбора проб газа большого объема (а.с. 1135952, СССР). " ,

3. Методика расчета конструкции газоотборного клапана, электромагнитного привода клапана и силовой части устройства автоматизированного управления электромагнитным приводом.

4.. Алгоритм определения предельных отклонений информативных' параметров дизеля, как объекта исследования, в который вошли ряд дополнительных методик, раскрытых в главав диссертации.

ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОЛОГИИ,~МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ •/ - . ' . • ПРЕДМЕТА И ОБЪЕКТА

Применяемая в диссертационной работе совокупность средств, -методов и приемов базируется на принципах-системности, которая -предусматривает: комплексный подход к разработке системы, оценивающей качество газовоздушного тракта; расчетно-экспериыенталь-ный метод научного' исследования; разработку новых методик, позволяющих в сочетании с известными, рациональным образом обеспечить решение цели и задач диссертации.. ,

При этом новая методика математического моделирования рабочего процесса форсированного высокооборотного дизеля предусматривает, применение метода интерполяции полученных информативных па-

раметров с использованием метода наименьших квадратов, идентификацию математических моделей с реальными процессами, зафиксированными экспериментально, обеспечивает выработку практических ' рекомендаций.

Объектом научного исследования является семейство форсированных двухтактных высокооборотных дизелей со встречнодвииущими-ся поршнями 5-ТД иб-ТД.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ, ВЫТЕКАЮЩИЕ ИЗ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Текст рукописи диссертационной работы содержит основные результаты диссертационного' исследования-.-При этом во введении обоснована тема диссертационной работы, дана общая ее характеристика, сформулированы цель и задачи исследования, приведены положения, которые выносятся на защиту.

Подчеркнуто, что в основу диссертационной работы положены теоретические труды и прикладные разработки научных школ и. коллективов: ХГПУ (ХШО, ХГА1Т (ХИЙТ), УЗПИ, МГТУ, ХКБД ПО "Завод им. Малышева" и др. организация'Украины, а также зарубежных стран.

Показано, что диссертационное исследование выполнено применительно к быстроходным-дизелям типа 5-ТД и 6-ТД. Отмечено, что диссертационная работа явилась результатом сотрудничества автора с коллективом ХКБД ПО "Завод им. Малышева", ГСКБД, учеными кафедры ДВС ВУГУ. ...

В первой главе "проанализированы методы исследования рабочего процесса двигателей, описанные в отечественной и зарубежной литературе. Проведен обзор различных методик, использующих анализ газа из цилиндров и.газовоздушных трактов для .исследования рабочего процесса дизелей.

Рассмотрены виды неисправностей и оделан'ориентировочный выбор информативных параметров рабочего процесса для исследова-

иt'H дизеля.

Обширный теоретический и экспериментальный .материал по решению вопросов исследования дизелей1 опубликован..в трудах ХПИ, ХИИТа, МВТУ им. Баумана, в работах Глаголева Н.М., Станиславского Л.В.г Седакова Л.П., Федорко П.П., Ахмедзянова A.M., Бобко-ва Ю.А., Мозголевского А.О. Все исследователи создавали устройства пригодные для отбора газа из цилиндров двигателей, имеющих обороты меньше 1500 мин-*. Отсутствуют данные по расчетам конструкции газоотборяых клапанов и приводов к ним.

Поэтому для достижения цели данной работы предусмотрено решение следующих задач: ' - . ' ,-

1. Разработать газоотйорный комплекс для исследования рабочего процесса .форсированного высокооборотного дизеля.

2. Провести экспериментально-теоретическое исследование рабочего процесса форсированного высокооборотного транспортного ди-." зеля. Определить информативные параметры рабочего процесса, оценивающие техническое, состояние органов газораспределения цилиндровых комплектов дизеля. ~

3. Разработать методику определения технического состояния органов газообмена дизеля и цилиндровых комплектов по параметрам .анализа гааа, отобранного из цилиндра и газовоздущных трактов.

Во второй главе описана разработка алгоритма оценки технического состояния продувочных и выпускных окон_и алгоритма исследования дизеля, методика определения изменения яроходного сечения . органов газораспределения дизеля и цилиндровых комплектов.

Для построения математической модели.выделены структурные - ■ параметры X, под'которыми подразумевается техническое состояние отдельных узлов, деталей, агрегатов дизеля, оказывающих влияние на показатели ело рабочего процесса и состав газа в цилиндрах и выпускных трактах.

В качестве структурных параметров выбраны:

- 13 - -

техническое состояние цилиндро-поршневой группы (цпг); Хо - проходное сечение выпускных окон; Х^ - проходное сечение продувочных окон; Х^ - техническое состояние нагнетателя; Х^ - техническое состояние турбины;

Хб - техническое состояние топливной аппаратуры. Этот пара)

метр необходимо разделить на подпараметры: •

- угол опережения подачи топлива ( О )"; Хб_2 - цикловая подача топлива (В );

Х^ - прочие конструктивные и регулировочные параметры узлов и деталей топливной аппаратуры;

- техническое состояние_узлов дизеля, изменение которых оказывает влияние на величину механических потерь. В качестве информативных параметров выбраны:-. I) массовый, расход воздуха.( бб); " ' -

2) давление'гаЬа перед турбиной ( Рг );

3) давление воздуха после компрессора ( рк );

I

4).часовой расход топлива (Ст );

5) удельный эффективный расход топлива );

6) температура газа перед турбиной ();. ,

7) температура газа на выхлопе (Тог );

•'8) концентрация отдельных компонентов СО,-С, Н2, СПНЯ,

С0£, О^) в отработавших газах;

9) относительная неполнота сгорания топлива (Цнс)',

10) концентрация отдельных компонентов в картерных газах;

11) механический КПД или мощность трения.

■ Задача построения модели сводится к нахождению функциональных зависимостей информативных параметров дизеля от структурных. В. общем виде это уравнение: >

В каждой конкретном случае зависимости вида (-/ ) необязательно должны содержать все структурные параметры. Получение зависимостей (/ ) монет быть осуществлено путём активного эксперимента. • '

*

В данной главе приведен план испытаний.дизеля на -определенных режимах,составленный на основе метода математического планирования эксперимента. • *

Для -получения зависимостей информативных параметров от про- . ходных-сечен^ выпускных и продувочных окон ^ и Х3,'-провели пассивный эксперимент в.ходе ускоренных испытаний (в объеме 5 •этапов) по типовой- заводской программе, которая предусматривала получение данных о влиянии низкого качества масла на закорсован-ность выпускных и продувочных окон и влияние изменения'фазы открытия и'закрытия продувочных окон. При этом приняты допущения, что существенное -изменение отдельных структурных параметров (кроме Ъ^ и Х-^) не происходит, вследствие малой продолжительности испытаний по времени. После завершения испытаний производили -разборку дизеля и определяли значения структурных параметров ' -и Х3 для каждого цилиндра.

Математическая обработка данных, полученных в ходе эксперимента, дозволила определить искомую зависимость вида:

= + + ОзгХз ' ; (2)

Если принять, что Д2=1 и Ху=1 при отсутствии закоксованнос-ти оконца Х^=0 и Ху=0" при" полной закоксованности окон, то при Х2=1 и Х3=1, $1/г =0, т.е. 0.г = <2^ - &Ъг ■

(?Уг = а2г(Хг'))+азг (Х3-1) (3 )

Здесь Х£.-1 и Х3-1 относительное уменьшение проходного сечения выпускных.и продувочных окон соответственно.

В ходе -эксперимента, при работе дизеля на номинальном реки-

ко в стендовых условиях производился отбор газа из цилиндра и выпускного тракта и замер параметров рабочего „процесса:' частоты вращения коленчатого вала (А? ), эффективной мощности (/14), расхода топлива ($•), расхода воздуха'(£?й),- давления наддува ($<■), давления газа после, турбины температуры газа после турби-

ны {Тг ).

Пробы газа из цилиндре отбирались нз такте сжатия (интервал открытия газоотборного клапана 250-280 град. п.к.в. после ВМТ) и в конце процесса расширения (интервал 60-90 град.п.к.в. после ВМТ).

Отбор производился ступенчато сшагом 4 град. п.к.в. и. продолжительностью отбора газа 20,-24, 32 град. п.к.в., в зависимости от оборотов дизеля (2000 и 2800 об/ыин) и необходимой величи- -ны пробы газа для анализа.

В качестве информативных параметров рассматривались следующие величины:

1) в целов по дизелю: удельный эффективный расход топлива (<^); расход воздуха {Св); коэффициент избытка воздуха, определенный по составу газа, отобранного из-выпускной системы {1у); температура гэз'а после турбины (Тг ); давление наддува (Р/с); кон-

-цешгрэции соответствующих компонентов в "сухих" продуктах сгорания (СО2, СО, Н2, 02); относительные массы (г/кг топл.) соответствующих компонентов ({ПсОрГПсоуМНщЮОг относительная неполнота сгорания топлива без учета сани (Цнс).

2) по отдельным цилиндрам:, коэффициент избытка воздуха- при горении (<)Цр-; коэффициент остаточных газов ); коэффициент наполнения (^р; концентрации,,соответствующих компонентов (СОг'},

Ой! Н21 Ог'и'СНы относительные массы компонентов в пробе-, отобранной из цилиндра в конце расширения

Т^Мц'у); относительная неполнота сгорания топлива, без учета сажи, к'концу расширения

Перед началом испытаний определяли пппиярпттмп«»™"«-— —

> •

ливных насосов совме(2Тно с форсунками. После завершения эксперимента замеряли долю закоксованности рродувочных и выпускных окон в каждом цилиндре. Результаты выполненных измерений представлены в виде таблиц. . ^ -- _ ; \ ' - 1

На рис.1 и рис.2 показано относительное изменение показателей дизеля от этапа наработки.' На основании данных экспериментальных зависимостей принято допущение, что изменение проходных сечений продувочных и выпускных окон происходит линейно-и вычислены степени закоксованности окон'в цилиндрах после отработки третьего этапа. ■ ' '

Вследствие того, 'что для различных дизелей и различных условий эксплуатации степень .закоксованности газораспределительных органов во времени будет различна; а, следовательно,'наклон прямой, характеризующей изменение параметра, будет тоже различном, то, для математической модели находили зависимости исследуемы* параметров от степени закоксованности продувочных и выпускных окон в ходе математической -обработки экспериментальных данных.'

В процессе обработки экспериментальных данных определяли козффи-» _

циенты-аппроксимирующих уравнений вида: ■

&у=С1о1 &!'прод + 0.02 ¿"^ып + <2/г &{прод {Ьью (4 )

I

где 8у - относительное изменение исследуемого параметра; З^прод - уменьшение сечения продувочных окон {%) вследствие закоксованности;

¿У^ЫП - уменьшение сечения выпускных окон (%).

Для относительного изменения.параметров-рабочего процесса по цилиндрам были получены-зависимости, представленные в порядке ухудшения адекватности, например: ,

(5)

= о.ооюгЩпрод - о.оюзъ $$ьмщоошЩи-Цп9оЬ:.

8Ьт--0,000№&1ород-0,0Ю5Ъ81Ьып*0,00041!ЩародЩып (6 )

Аналогичные уравнения были получены и для параметров, характеризующих работу дизеля в целом. Математической обработке были подвержены и результаты испытаний, проведенных ранее.. Данные двух испытаний хорошо согласуются. ' -

С помощью функциональных зависимостей данного вида, определяли состояние продувочных и выпускных окон. В общем видег'для, решения поставленной задачи, достаточно двух уравнений: SQ - а О! Sjnpod + /¡02 Sjibtn / /1/2 Цпрод ■ Sfam

(7)

gU-- Soi £jnpodt$ol у$ып + £fnpod. Щ ёыо

Если известны.относительные изменения параметров рабочего процесса дизеля Q и U , то решив систему уравнений (. ), можно определить изменение сечения продувочных и выпускных.окон.

'МипШ.tâi&wlL {8)

Для получения достоверных результатов, из уравнений выбирают. дваi■которые дают сходимость результатов расчета б опытными данными, это уравнения, у которых коэффициенты при одноименных членах существенно различны (наряду с хорошей адекватностью).

Анализ показал, что в качестве информативных параметров при оценке закоксованности органов газораспределения дизеля в целом, следует брать относительные изменения температуры газов после турбины Тг й относительную массу оксида углерода, в отработавших газаxfflco » а для отдельных цилиндров - относительные изменения, коэффициента избытка воздуха'^/у, при горении и относительнув массу оксида углерода lïlfl) •

Далее в- главе описаны:

- метод исследования рабочего процесса дизеля;

- алгоритм и математическая модель дизеля, как объекта ио-следования.л ряд вспомогательных методик: приведения параметров

■дизеля в исходном состоянии к часовому расходу: топлива и условиям окружающей-среды; корректировки результатов газового анализа; расчета информативных параметров по результатам газового знали--■за; определения параметров, характеризующих неравномерность рабочего процесса-в отдельных цилиндрах.

Для приведения параметров рабочего процесса к нормальным атмосферным условиям, кроме определенных выше, необходимые зависимости получили путем дополнительных испытаний дизеля (на -номинальном режиме), в ходе которых изменяли разрежение на всасывании, температуру воздуха на входе в дизель, часовой расход топлива. По результатам испытаний получили аппроксимирующие зависимости вида: . ■ х

$П= ан.$Мьс *0.т£6т +-йо8То (9 )

где - относительное изменение информативного параметра; 8Ивс,ёОГ1$То - относительное изменение разрежения на всасывании, расовой -расход топлива и абсолютная температура воздуха на входе.

Расчеты показывают-, что на достоверность экспериментальных данных влияют случайные.погрешности газового анализа, поэтому для.корректировки"результатов анализа газа из цилиндра дизеля, разработали методику, которая позволяет осуществлять корректировку по всем основным компонентам.

этой же г.лаве дана блок-схема программы- обработки экспериментальных данных и исследования цилиндровых комплектов с подпрограммой для корректировки и обработки результатов газового анализа.

Третья глава посвящена иатематическому расчету конструкции . газоотборного клапана.и объему пробы, отбираемой из цилиндра дви-гатеай, выбору конструкции газоотборного клапана, расчету электромагнитного привода газоотборного клапана и электрической схемы силовой части устройства управления, техническому решению га-

зоотборного комплекса.

Отбор проб гэза из цилиндра производили .газоотборным клайа-ном стробоскопического действия.с двойным элекяромагнитным приво-аом, открывающимся в цилиндре дизеля при противодавлении 12 МПа. {инимальный интервал времени работы клапана % ь 0,5б'Х0~^с.

Отбор газа из выпускных окон в период свободного выпуска' гроизводили с помощью-системы лепестковых клапанов (а.с. 2920509,. ÎCCP). ' '

-Хорошая сходимость значений <jL в зоне камеры сгорания и вы-[уск'ных окон свидетельствует о том, что отбираемые пробы газа в [роцессе расширения, после 60° п.к.в. за ВМТ соответствуют средне-iy составу газа, по объему цилиндра, что показано на рис.' 3. Ана-1из газа из цилиндра был проведен аппаратурой непрерывного газо-юго анализа отечественного производства.

В четвертой главе описаны результаты .экспериментальных ис-ледований. - ' *

Построены графики, выражающие результаты.анализа, проб газа, тобранных из цилиндра дизеля 5-ТД и выпускных окон и график из-енения коэффициента-тепловыделения. Причем результаты анализа аза, отобранного в момент открытия выпускных оАон, являются как ы продолжением процесса,- происходящего в цилиндре (рис. Запятая глава', охватывает проблему определения точности иссле-эвания дизеля, выбору аппаратуры информационно-измерительной дстемы. В работе выполнен анализ определения предельной погреш-рсти вычисления, информативных параметров.

Приведенная мегодикэ позволяет определить возможность реали-щии разработанного -алгоритма и перспективные решения для уменьшил погрешностей исследования. ' -

' ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ • . ' •

I. На основании расчетно-.экспериментального исследования ус-' (новлено, что применение,газоотборного комплекса позволило осу-

ществить отбор проб газа из отдельных цилиндров дизеля,-получить показатели, характеризующие рабочий процесс в цилиндрах'.и опреде

. с

лить техническое состояние цилиндровых комплектов дизеля.--

-2. Найдено техническое решение газоотборного.комплекса для

исследования внутрицилиндр'овых процессов форсированных вцсокообо

ротных дизелей. -Экспериментально подтверждена, возможность его

л .. • " •

.применения для дизелей с частотой вращения коленчатого вал.а боле

3000 пин'й высоким.максимальным давлением в цилиндре (до 14,5 МП Г 3, Разработана математическая модель расчета электромагнитного привода газоотборного клапана и устройства автоматизированного управления электромагнитным приводом клапана. Получены экспериментальные данные, раскрывающие особенности изменения состава газа в цилиндрах дизеля 5-ТД и.определена, структура изменения информативных параметров в зависимости от з'акоксованносги -продувочных и ¿ыпускных окон. , '

4. Предложен алгоритм оценки состояния рабочего процесса ди зеля и математическая модель, в которую вошли: методика расчета

• информативных и структурных параметров по результатамтазового •'анализа; методика определения влияния закоксованности выпускных и продувочных окон цилиндров "дизеля на информативные параметры. рабочего процесса; методика приведения информативных параметров рабочего процесса дизеля к заданным условиям; методика определения параметров,- характеризующих неравномерность рабочего процесса в отдельных цилиндрах. '

5. В работе представлена методика расчета предельных погре! ностей определения параметров рабочего процесса и показателей г; зового анализа.

. . Разработана структурная схема математической модели исследования дизеля, позволяющая производить соответствующие.расч' ■ ты с помощью ЬВМ. .

7..Ноше технические решения, полученные при разработке га

- 21 - . #

зсохборного комплекса, могут быть использованы для исследования рабочего процесса форсированных высокооборотных дизелей методом

У **

газового анализа, а методики обработки экспериментальных данных могут, быть применены для дизелей любого назначения.

. 8. Результатами исследованиями методиками обработки результатов газового анализа, в настоящее время, пользуются в ХКБД ПО "^авод им.Малышева" и НТЦ АО. "КамАЗ" при разработке новых типов дизелей.

• Основное, содеряание диссертации опубликовано в работах:

1. Станиславский.Л.В., Улановский Э.А., Дзецина О.П., Ради-онов А.С., Алексеев В.Г., Бутурлин П1я.'Обработка "индикаторных -диаграмм-с учетом состава газов! в цилиндра. '6 (164), 1985, — 154'с. - Деп. .в ВИНИТИ К» 1431' ты- 85 Деп. • '

2. Бутурлин П.Я., Заиграев. Л.С., .Тырловой С.И. Способ обработки тахограмм двойного выбега при определении Механических потерь дизеля.' / ЛМСИ. - Луганск, 1989., - 20 с. - Деп-. в УкрНИИНТИ. • 14.09.89, № 2006 - УК 89.

3. Бутурлин П.Я., Бычков В.З., Фурса В.В., Щербаненко Г.В. Газоотборный комплекс для исследования внутрицилиндровых процес-, сов. - -М: ЦНИИТЗИШМАШ, ДВС,- 1991, № 4 (184), с. 25-56. ' ..

4. Бутурлин' П.Я., "Рыбальченко А.Г.,. Газоотборный комплекс Для диагностирования внутрицилиндровых процессов дизелей / ЛМСИ.-Лугэнск, 1991. - П с. - Деп. в УкрНИИНТИ 17.10.91, № 1682-Ук'92.

5. Бутурлин П.Я.» Рыбальченко А.Г., Заиграев Л.С.' Исследование рабочего процесса-высокофорсированного многооборотного двухтактного транспортного дйзеля методом газового анализа / ЛМСИ. -Луганск, 1991. - 18 с. -,.Деп. в ГНТБ Украины 26.07.93г.

\

Относительное изменение параметров дизеля

<5-н2 , Sc о, ,. $сог, âo2

Относительное изменение параметров дизеля

¿тк2, Smco, $тсо2, íocr, <Ьу, ft>B, í^e , ITPK

Результаты анализа проб гаэа из цилиндра лиэслр выпускних окон

t 1,0 0,9 0,8 0,7 o,é 0,5 OA 0,3 0,2 oÁ о -0,1

/ • /

г кo/S*''

/

&сог

5 N'imana

4 Рис.-1

• - опытные точки; ——--по аппроксимирующим уравнения'«.

t

0,6

0,5 0,4 - 0,3 '0,2 ОД О -0,1

0,1 .0 -0,1

0,1 О -0,1

5 Н'зтта

С,% 18 16

И

Ц

10 8

6 *

2

30

\ — ■

\

\

\

-

•

V

V ■ГО

о

■со 0,

/ со

S со В-.'

50 ?0 SO. 110

Рис * 3

Л « 2800 cd/um; Ni 1. о - оюор'иэ гыпусйных-окон.

Рис. г

- опйтные точки;

- гъ -

Buturlin P.J. The analisys of gas exchange devices influence to the working: process, and toxicity of the multirevolution highba-est two stroke transport Diesel engine.

The dissertation for presenting candidate's degree technical sciences pn speciality 05.04.02_, heat engines,. Kharkov State Academy of Railway Transport, Kharkov, 1994. In the thesis are represented the methods and the results of researches of multirevolution higbboost two stroke Diesel engine stated in 9 rese&rcA works and in one authors certificate. The offered gas exchange complex allows to define the level of the exhaust and scavenging parts gumming - up by of gas composition from the cylinder and air gas parts which will allowed to increase Diesel service life.- The-results of-this investigation are implemented in the technical project speed ICE, in the practice 4}f research and experiment design work's.

Бутурлин П.Я. Анализ влияния'закоксованности органов газообмена на рзбочий процесс и токсичность форсированного двухтактного высокооборотного транспортнго д'изеля. ■

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.04.02' -' 'Тегглсвые двигатели, Харьковская госуд. академия жел.-дор. трзкеп., Харьков, 1994.

На защиту вынесены методики и результаты исследования форсированного двухтактного высокооборотного транспортнго дизеля изложенные в 9 научных и одном авторском свидетельстве. Предлагаемый газоотборный комплекс позволяет определить уровень за-коксованности выпускных и продувосных окон по составу газа из цилиндра и газовоздушных трактов, что позволит увеличить моторесурс дизеля. Результаты исследования внедрены в техническом проекте форсированных высокооборотных ДВС, практике НИР и ОКР. Кточовх слова: двохгактн'ий ДВЗ, газов1дборний комплекс.