автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Обоснование методики и разработка технических средств для исследования эффективности конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском подачи топлива

\

Хусаинов Винер Нанльевич

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНВЕРТАЦИИ ДИЗЕЛЕЙ НА РЕГУЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОПУСКОМ РАБОЧИХ ХОДОВ ПОРШНЕЙ

Специальность: 05.04.02 - тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О з [Г.Р 2011

Санкт-Петербург-Пушкин -2011

4839792

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный

университет»

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ и РБ, член-корр.

АН РБ, доктор технических наук, профессор Баширов Радик Минниханович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Сковородин Василий Яковлевич

доктор технических наук, профессор Русинов Ростислав Викторович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО « Челябинская государственная

агроинженерная академия»

Защита состоится «18 » февраля 2011г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 220.060.05 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, Санкт-Петербург-Пушкин, Петербургское шоссе 2, ауд. 529. Тел.: (812) 470-04-22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в двух экземплярах по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « 17 » января 2011г.

Ученый секретарь диссертационного

совета доктор технических наук, профессор

Салова Т. Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследованиями последних лет установлено, что топливная экономичность тракторных дизелей, работающих в широких диапазонах нагрузок и оборотов, может быть повышена регулированием режимов их работы последовательным отключением цилиндров.

На практике этот метод регулирования уже частично использовался и используется, например, в тракторах Т-130, некоторых моделях автомобилей фирм Ford, Honda, Mercedes и тепловозных двигателях германской фирмы MTU и отечественного производства 2Д100 и др.

К настоящему времени он, особенно его более общий вид, основанный на пропуске рабочих ходов поршней, изучен пока еще недостаточно из-за, кроме всего прочего, отсутствия методики и технических средств для обеспечения работы и исследования дизелей с таким регулированием.

С 2000 года кафедра «Автотракторные двигатели и теплотехника» Башкирского ГАУ ведёт работу по исследованию дизелей с регулированием режимов работы последовательным отключением цилиндров, причём по договорам с Академией наук Республики Башкортостан (АН РБ), Уфимским тепловозоремонтным заводом (ТРЗ), ООО «ЭкоСистемз» и рядом других предприятий.

В объеме настоящей работы, выполнявшейся также на кафедре, обоснована методика и разработаны технические средства для исследования и доводки таких дизелей.

Цель работы и задачи исследований - обоснование методики и разработка технических средств для исследования эффективности конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршней.

Объект исследований - тракторные и тепловозные дизели.

Предмет исследований - методика и технические средства для исследования дизелей, конвертируемых на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршней.

Научная новизна работы:

- аналитические выражения для оценки эффективного к.п.д. дизелей с регулированием режимов работы отключением рабочих ходов поршней и определения величины коррекции подачи топлива в них при работе на корректорной ветви скоростной характеристики, позволяющие, в конечном счёте, наметить методику и технические средства для исследований таких дизелей;

- методика исследований рассматриваемых дизелей;

- технические средства для исследования эффективности регулирования режимов работы дизелей пропуском рабочих ходов поршней;

- высокоэффективные способы повышения экономичности работы дизелей, конвертируемых на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршней, основанные на снижении потерь энергии в выключенном цилиндре.

Личный вклад автора: Г\

- анализ литературных данных по дизелям с регулированием режимов работы последовательным отключением цилиндров и постановка задач исследования;

- теоретические исследования эффективности работы дизелей, конвертированных на регулирование режимов работы отключением рабочих ходов поршней;

- методика исследования дизелей с регулированием режимов работы пропуском рабочих ходов поршней;

- электронно-управляемые топливная система, механизм газораспределения, система охлаждения и регулятор для управления их работой, необходимые для обеспечения работы и исследования дизелей рассматриваемого типа;

- моторный стенд с двухцилиндровым тракторным дизелем воздушного охлаждения для исследования таких дизелей;

- проведение с использованием предложенных методики и технических средств моторных испытаний, обработка и анализ их результатов и разработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию конструкций дизелей, конвертируемых на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршней.

Практическая ценность - предложенные методика и технические средства для исследования эффективности конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршней и методы дальнейшего повышения их топливной экономичности.

Реализация и внедрение результатов работы - они внедрены на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» Башкирского ГАУ, приняты для внедрения Уфимским ТРЗ, опубликованы в учебнике «Основы теории и расчета автотракторных дизелей» (автор Баширов P.M.,Уфа, 2010 г., объем 304 стр.) и используются в учебном процессе студентами инженерных факультетов аграрных вузов, обучающихся по направлению «Агроинженерия».

Апробация работы - основные ее положения обсуждались на научно-практических конференциях Башкирского ГАУ (2006-2010 гг.) и Челябинской государственной агроинженерной академии (2011г.), Секции механизации сельского хозяйства Минсельхоза РБ (2010 г.), Совете по проблемам механизации с.х. АН РБ (2008-2010 гг.) и техническом совете Уфимского ТРЗ (2009 г.).

Публикации - результаты исследований опубликованы в 8 работах.

Структура и объем диссертации - состоит из введения, 6 глав, общих выводов, библиографического списка (из 90 наименований). Она изложена на 116 страницах, содержит 73 рисунков, 8 таблиц и 2 приложений.

Положения, выносимые на защиту:

- методика экспериментального исследования тракторного дизеля, конвертируемого на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршней;

- технические средства для исследования рассматриваемых дизелей, в частности электронно-управляемые топливный насос, механизм газораспределения, система охлаждения и регулятор, обеспечивающий их работу;

- моторная установка для исследования этих дизелей, включающая тормозной стенд и двухцилиндровый тракторный двигатель воздушного охлаждения, оборудованный указанными техническими средствами;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований по методам повышения эффективного к.п.д. тракторных дизелей, конвертированных на регулирование режимов работы пропуском подачи топлива.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны научная новизна и практическая ее значимость, приведены выносимые на защиту основные положения и результаты исследований.

В первой главе проанализированы работы Антони Ю.Х., Астахова И.В., Баширова P.M., Габдрафикова Ф.З., Гайсина Э.М., Галиуллина P.P., Инсафудди-

нова С.З., Патрахальцева H.H., Русинова Р.В., Стефановского Б.С., Суркина В.И., Хомича А.З., Эммиль М.В. и др., касающиеся темы работы.

Из них следует, что у тракторных дизелей, работающих в широких диапазонах оборотов и нагрузок, наилучшая топливная экономичность и низкая токсичность выхлопных газов достигаются на режимах сравнительно высоких оборотов и нагрузок. При переходе на режимы малых оборотов и нагрузок эти показатели существенно ухудшаются.

Этот недостаток намного меньше проявляется при регулировании режимов работы дизелей последовательным отключением цилиндров.

Сравнительно полные данные по этому методу регулирования имеются по тепловозным дизелям.

Из результатов их исследований следует, что эффективность этого метода повышается при фиксации клапанов механизма газораспределения выключенных цилиндров в закрытых положениях (что было сделано немецкой фирмой MTU в ее 225 дизелях, находящихся в эксплуатации), использовании отдельных турбокомпрессоров для отключаемых цилиндров, питании отключенных цилиндров отработавшими газами других цилиндров и др.

Положительное влияние всех этих мероприятий можно объяснить снижением потерь энергии, приходящихся на выключенные цилиндры.

Выявлены и очевидные недостатки этого метода - скачкообразное изменение (при выключении цилиндра) удельного расхода топлива, неиденгичносгь тепловой напряженности (по отдельным цилиндрам) основных деталей кривошипно-ишунного механизма (КШМ), высокая степень неравномерности вращения коленчатого вала двигателя и др.

Эти недостатки меньше проявляются при регулировании режимов работы двигателей отключением не цилиндров, а рабочих ходов поршней, причём с равномерным чередованием их по цилиндрам. Отключение цилиндров является частным случаем отключения рабочих ходов поршней.

Испытание дизелей с выключением рабочих ходов поршней встречает определенные трудности, обусловленные отсутствием методики их исследований и технических средств, необходимых для обеспечения их работы и испытаний.

Циклы работы цилиндров отключенного и с выключенным рабочим ходом поршня существенно не отличаются. Поэтому результаты их испытаний тоже не будут существенно отличаться. Отсюда напрашивается вывод - результаты исследований двигателей с последовательным отключением цилиндров могут применяться и для дизелей с отключением рабочих ходов поршней и наоборот.

С учетом этого обстоятельства для решения в объеме настоящей работы были сформулированы задачи:

- анализ дизелей с регулированием режимов работы последовательным отключением цилиндров с целью выявления факторов, определяющих эффективность их работы и на этой основе - возможные направления работы по разработке методики и технических средств для исследования дизелей с пропуском рабочих ходов поршней;

- обоснование методики исследований рассматриваемых дизелей;

- разработка технических средств и в целом моторного стенда для исследования дизелей, конвертируемых на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршней;

- исследование этих дизелей с использованием разработанных методики и

технических средств и выявление методов повышения эффективности их работы.

Вторая глава посвящена обоснованию методики исследований дизелей рассматриваемого типа.

Предварительно был исследован тепловозный дизель Д-50 (шестицилиндровый, #,,=740 кВт при и=750 мин"1).

Результаты его исследований, проведенных при нашем участии в Уфимском ТРЗ на режимах, соответствующих II, III и V позициям контроллера (частотам вращения коленчатого вала 300,330 и 480 мин"1), представлены на рисунке 1.

Как видно, положительный эффект от отключения цилиндров проявлялся только на относительно узких диапазонах нагрузок и частотах вращения; при 330 мин"1 и 180 кВт при отключении двух цилиндров экономичность повысилось на 50 г/(кВт- ч) (рисунок 1, б).

кВт ч 600 400 200

1 \\ а)

\\ \

\ i

V >

кВт ч 500

. 400

в)

\

V

\

\ V

hJ к р

1 -X.

ge• г

0 25 50 N ,кВт

кВт ч

400

300

0)

*

N V

150 ЗООЯ.хВт

50 ■ 100 Ие,кВт

Рисунок 1 Зависимости удельного расхода топлива ge тепловозного дизеля Д-50 от нагрузки при частотах вращения коленчатого вала 300 мин1 (а), 330 (б) и 480 (в): о - работают все цилиндры; - отключен один цилиндр; • - отключены два

Исследования двухцилиндрового тракторного дизеля Д-21А1 (Л^=18 кВт при и=1800 мин"1) также не выявила существенного влияния отключения цилиндра на его топливную экономичность.

Недостаточная эффективность регулирования режимов работы этих дизелей последовательным отключением цилиндров объясняется, вероятно, тем, что механизмы отключенных цилиндров продолжали функционировать, сохраняя основную часть приходящихся на него потерь энергии.

Как известно, основные потери энергии в двигателях с обычным методом регулирования приходятся на трение в механизмах (до 75%, причем почти 50% из них на трение колец и 14% - поршня), теплоотвод в систему охлаждения в процессе сжатия (10%), привод вспомогательных механизмов (15%) и др.

При работе с отключением цилиндров, производимом отключением подачи топлива, исключается увеличение давления после сжатия в надпоршневом пространстве. Это, конечно, уменьшает потери энергии в отключенном цилиндре. Однако это снижение оказывается далеко не достаточным.

Снижение потерь энергии, приходящихся на выключенный цилиндр, можно учесть предложенным нами коэффициентом снижения потерь энергии к„.

Если считать, что потери на трение в реальном двигателе пропорциональны давлению газов в надпоршневом пространстве, т.е. степеням сжатия ей нарастания давления в процессе сгорания Л, а потери энергии на насосные ходы поршня (газообмен) и теплоотвод в систему охлаждения учесть величинами с]т и цпх., то при числе выключенных цилиндров г этот коэффициент можно представить в виде функции

к„ =Дг;,и<7,а, qm.,...). (1)

Наибольшее влияние на этот коэффициент оказывает степень сжатия выключенного цилиндра двигателя в связи с тем, что она определяет нагрузки на детали в подвижных узлах (и, как следствие, потери энергии на трение в них) и те-плоотвод в систему охлаждения в процессе сжатия.

Влияние степени сжатия выключенного цилиндра на удельный расход топлива было исследовано на дизеле Д-21А1.

Особенность этого дизеля - его степень сжатия может регулироваться изменением объема камеры сжатия установкой дистанционного кольца между блок-картером 5 и цилиндром 1 (рисунок 2).

Данные по общему влиянию степени сжатия у выключенного цилиндра на показатели работы двигателя для случая работы на оборотах 1800 мин"1 представлены на рисунке 3. На графиках е=1 соответствует случаю, когда снята головка выключенного цилиндра двигателя.

Зе.

г

кВтч

600

400

200

ш )

9,

X А £-1 1.5

Sn 65

ч4 1 *

0

< Л

L/C

0 2 3 4 5 6 Ne.KBm Рисунок 3 Зависимости эффективного удельного расхода топлива (ge) и температуры отработавших газов (Q от эффективной мощно- emu (Ne) дизеля Д-21А1 при работе на одном цилиндре и различных степенях сжатия (е) выключено-го цилиндра

Рисунок 2 Схемы (а и б), поясняющие регулирование степени сжатия: 1 -цилиндр; 2 - поршень; 3 - головка цилиндра; 4 - дистанционное кольцо; 5 -блок-картер; 6 - шпильки крепления головки; Ус/ и Ус2 - объемы камеры сжатия до и после установки дистанционного кольца 4 Как видно, с уменьшением степени сжатия у отключенного цилиндра эффективный удельный расход топлива снижался. Так, при ее уменьшении с 16,5 до 6,5 на режиме Ме=2 кВт он снизился на 160 г/(кВт'ч).

С уменьшением оборотов двигателя (увеличением продолжительности теп-лоотвода в охлаждающую среду в процессе сжатия) влияние степени сжатия на удельный расход топлива, естественно, снижалось; если при оборотах 1500 мин"1 удельный расход топлива снизился на 110 г/(кВт-ч), то при 1200 - только на 90.

Особенно большой эффект может дать снижение фактической степени сжатия путем, например, фиксации клапанов механизма газораспределения в закрытых положениях. Она при достаточно малых значениях позволит снизить давление в надпоршневом пространстве на столько, что в нем будет создаваться разря-

жение, которое оттянет кольца от гильзы цилиндров и дополнительно снизит потери на трение в них.

При работе с последовательным отключением цилиндров эффект этот может снижаться из-за просачивания картерных газов в надпоршневое пространство.

С учетом предложенного коэффициента нами при участии доцента Галиул-лина P.P. было получено выражение для оценки эффективности конвертации дизелей на регулирование режимов работы последовательным отключением цилиндров.

Эффективный к.п.д. ще одноцилиндрового двигателя было записано в виде

N. N,-Nu Ле ~ Hi • = 1i — = Hi ^ , (2)

где t]e, rji и tjM - эффективный, индикаторный и механический к.п.д. двигателя;

Ne, Ni и Дг„- мощности эффективная, индикаторная и механических потерь двигателя.

Для многоцилиндрового двигателя с общим числом цилиндров / и числом отключенных цилиндров г предположим, что мощности индикаторная Nf и механических потерь NM у работающих цилиндров одинаковы, а у неработающих равны соответственно нулю и NM-k„. С учетом этого предшествующее выражение после ряда преобразований для многоцилиндрового двигателя было записано в виде

7, = 1,

1-2

О):

Эту формулу можно применять и для случая регулирования режимов работы двигателя выключением рабочих ходов поршней в случае, если под г понимать число пропущенных рабочих ходов поршней за рабочий цикл, а /' - число цилиндров двигателя.

Теоретические зависимости, построенные для шести- и восьмицилиндровых двигателей с использованием этого выражения в предположении, что для работающих цилиндров цм =0,8 и //,=0,5, а число цилиндров гипотетически может быть и «дробным», представлены на рисунке 4.

Отношения соответствующих холостым ходам двигателей величин :б=4,8 и г«=б,4, показанных на рисунках, к числам цилиндров двигателей определяют, в конечном счете, их механические к.п.д., равные принятому при расчетах 0,8.

Как видно из приведенных графиков, эффективный к.п.д. двигателя с регулированием режимов работы отключением рабочих ходов поршней повышается по мере снижения коэффициента к„, т.е., приходящихся на рабочий цикл с выключенным рабочим ходом поршня потерь энергии на трение, насосные ходы поршня, охлаждение, привод вспомогательных механизмов и т.д.

Снижение некоторых из этих потерь уменьшает и другие. Например, снижение потерь в систему охлаждения за счёт выключенного цилиндра позволяет снизить производительность вентилятора и, тем самым, дополнительно повышает механический к.п.д. двигателя, а снижение степени сжатия (как геометрической, так и фактической) выключенного цилиндра уменьшает и теплоотвод от него в процессе сжатия в систему охлаждения.

При исследованиях особое внимание следует уделять изучению влияния именно таких наиболее существенных влияющих факторов.

б)

0 4

0,3"'

0,4-' , ■ ' ;

0,3 • , '

0 ... ' ^ - -о

0,2' ' ■. -:/, . о,2 °'2" 4 ' / -о.2

0,1- . / 0-4 0,1 \Д - ,, 0.4

- • 0,6 • ' 0,6 л \ ', к О

0 1 , - * 0.8 и 2 /-'0.8 3 , V 4 ■

2 4 4,8 6 6.4

Рисунок 4 Влияние числа выключенных цилиндров (доли пропущенных подач) : и коэффициента снижения потерь мощности выключенных цилиндров к„ на эффективный к.п.д >]е шести- (а) и восьмицилиндрового (б) двигателей.

Из представленных данных следует также целесообразность разработки вентилятора с регулируемой производительностью и газораспределительного механизма, позволяющего регулировать фактическую степень сжатия выключенного цилиндра.

Методика испытаний разработана с учётом рассмотренных данных. Она предусматривает использование двухцилиндрового двигателя воздушного охлаждения с тем, чтобы отключить один из цилиндров и на нем выявить степень влияния факторов, определяющих потери на трение, привод вспомогательных механизмов, насосные ходы поршня, в систему охлаждения и др.

Для снижения отрицательного влияния просачивающихся в надпоршневое пространство картерных газов можно рекомендовать открывать в конце хода сжатия один из клапанов газораспределительного механизма (ГРМ) и выбрасывать эти газы в атмосферу.

Результаты таких испытаний затем переносятся на двигатель, работающий с отключением рабочих ходов поршней.

Завершающие испытания проводятся при работе обоих цилиндров, обеспечивая равномерное (по цилиндрам) чередование отключения рабочего хода поршней.

Обязательным является исследование неравномерности вращения коленчатого вала двигателя и выбор факторов для ее снижения.

Неравномерность вращения коленчатого вала и в этих двигателях определяется неравномерностью топливоподачи. Однако неравномерность топливоподачи здесь не может определяться как в обычных дизелях. Объясняется это тем, что при работе с выключением цилиндров она всегда будет равна 200 %.

Эту проблему можно решить, определяя среднюю величину неравномерности топливоподачи. При этом за основу можно принять среднюю цикловую подачу (определив её как среднюю суммарную от подач всех секций и межцикловых).

Неравномерность вращения коленчатого вала тоже невозможно определить обычным способом - по максимальному и минимальному угловым скоростям коленчатого вала за рабочий цикл одного из цилиндров двигателя. Объясняется это тем, что пропуск подачи может осуществляться и за пределами рабочего цикла одного цилиндра.

Эта проблема может решаться определением максимального и минимального угловых скоростей коленчатого вала за определенное количество рабочих циклов, ориентируясь на известные рекомендации по оценке суммарной неравномерности топливоподачи на основе анализа 30-50 следующих друг за другом рабочих циклов.

Третья глава посвящена разработке технических средств для обеспечения работы и исследования двигателя с пропуском подачи топлива - насоса высокого давления, его регулятора, механизма газораспределения, системы охлаждения и др. Конструкции их приведены в диссертации.

Топливный насос высокого давления, разработанный с учётом результатов теоретического анализа, схематически изображен на рисунке 5.

Насос распределительного типа. Предназначен для работы с электронным регулятором, исполнительными элементами которого являются шаговый электродвигатель 18, воздействующий на дозирующую муфту, и золотниковый перепускной клапан для обеспечения перепуска подачи при работе на регуляторной ветви.

Рисунок 5 Схема насоса: I - плунжер; 2 - распределительный паз; 3 и 17 - нагнетательный и впускной каналы; 4 - втулка плунжера; 5 -штуцер; б - якорь; 7 - электромагнит; 8- золотник; 9 - электронный контроллер; 10, 11, 12 и 13 - датчики положения педали управления подачей топлива, частоты вращения двигателя, объема поступающего в цилиндры воздуха и положения поршня; 14 - корпус клапана; 15 и 16 - каналы; 17 - наполнительный канал; 18 - шаговый электродвигатель; 19 -дозирующая муфта; 20 - радиальный канал плунжера; А и Б - полости надплунжерная и низкого давления; С - полость слива; г -радиус кривошипа.

При рядных насосах каждая секция, должна снабжаться, естественно, своим перепускным устройством, а шаговый электродвигатель может перемещать общую рейку насоса.....

Насос работает следующим образом.

При всасывающем ходе плунжера 1 (совершающего, как и в обычном распределительном насосе, возвратно-поступательное и вращательное движения) электромагнит 7 обесточен и золотник 8 находится в крайнем левом (по схеме) положении (топливо поступает в надплунжерное пространство одновременно по каналам 16 (из полости С) и 17).

Для обеспечения подачи топлива к форсунке при последующем нагнетательном ходе плунжера на обмотку электромагнита 7 подается напряжение. При этом якорь 6 притягивается к электромагниту 7, а движущийся под его воздействием золотник (преодолевая усилие от давления топлива в полости С) перекрывает канал 16, а нагнетаемое топливо проходит через распределитель-

ный паз 2 плунжера 1, канал 3 втулки 4 и штуцер 5 к форсунке и впрыскивается в цилиндр двигателя. Впрыск прекращается, как и обычно (при выходе радиального канала 20 плунжера из кромки дозирующей муфты 19, т.е. соединении надплунжерного пространства с полостью низкого давления Б).

В случае, если к электромагниту 7 напряжение не подается, то золотник 8 под действием давления топлива в полости С находится в исходном (крайне левом по схеме) положении, а нагнетаемое плунжером топливо через каналы 16 и 15, направляется в линию низкого давления, т.е. происходит пропуск подачи топлива.

Следует отметить, что на корректорной ветви коррекция может осуществляться с использованием, в конечном счете, того же электромагнита 7, управляющего пропуском подачи топлива (воздействием на длительность подаваемого импульса). При этом конструкция насоса существенно упрощается - отпадает необходимость использования дозирующей муфты. Однако для экспериментальных исследований более удобным представляется корректирование подачи насоса своим автономным устройством.

Высокая цикличность перепускного устройства обуславливает необходимость снижения мощности электромагнита 9, т.е. использование золотника с возможно малым усилием для его перемещения.

При работе на регуляторной ветви электромагнит должен развивать усилие

F3^{pn-Dl+fTF-PT.dl)+m-a, (4)

где Pu и Рт~ давления топлива в полости С и канале 16 (в надплунжерном пространстве Л);

fip - коэффициент трения;

D3 и dK~ диаметры соответственно золотника 8 и канала 16 (рисунок 5);

m и а - масса и ускорение движущихся деталей перепускного устройства (золотника и якоря).

Как видно, это усилие зависит и от радиального давления топлива Рт на золотник (со стороны надплунжерного пространства).

Для определения возможных путей снижения усилий от радиального давления топлива на золотник были проведены специальные эксперименты, результаты которых приведены на рисунках 6 и 7. Усилие F определялось по давлению в полости С в момент страгивания золотника.

В соответствии с рисунком 6 это усилие зависело от величины hn перекрытия отверстия канала 16. Так, при hn =0 оно оказалось на 28 H больше, чем при h„=3 мм. Объяснялось это перекосом золотника из-за малой его длины (/=10 мм). Отсюда следует целесообразность увеличения хода перекрытия hn и длины I золотника (приняв / >ЗД).

Уменьшить усилие перемещения золотника можно и подводом топлива к золотнику через два диаметрально противоположно расположенных канала (как это делается для уравновешивания усилий в плунжерных парах насосов высокого давления) (рисунок 7).

На рисунке 8 представлен алгоритм управления топливоподачей системы предложенными насосом и регулятором.

Регулятор должен обеспечивать работу насоса в соответствии с нагрузкой на двигатель и его оборотами.

О 0,5 1 1,5 2 К,мм Рисунок б Зависимость усилия ^ от

перекрытия И„ канала 16 при 1'г 30 МП а

Подачей напряжения в электромагнит 7 и электродвигатель 18 управляет электронный блок 9 регулятора в соответствии с сигналами, поступающими отдатчиков 10, 11, 12 и 13.

В случае работы с пропуском рабочих ходов поршней в качестве режимов, на которых будут реализовываться 100% полных подач топлива, т.е. двигатель будет работать без пропуска рабочих ходов поршней можно выбрать режимы:

максимального крутящего момента

(РМк.тах)>

- номинальных оборотов (и„).

Скоростные характеристики в обоих случаях должны формироваться на основе скоростных характеристик рассматриваемой топливной системы и «желаемого» вида, предложенную Бол-тинским В.Н. (рисунок 9).

На регуляторной ветви при обоих режимах двигатель будет работать с пропуском подачи топлива.

Из скоростных характеристик рассматриваемой системы (рисунок 9) видно, что в обоих случаях в «корректорной» зоне цикловая подача возрастает по мере увеличения оборотов.

Если не предпринимать специальные меры, то в первом случае с увеличением оборотов реализуемая цикловая подача будет превышать цикловую подачу по «желаемой» характеристике на величину Дgц ¡., причем к номинальному режиму

5 10 15 20 Р-, Мпа Рисунок 7 Экспериментальные зависимости усилия /<" перемещения плунжера насоса 4 УТНМ от давления топлива Рг при подводе топлива по одному (Ри двум (Р2) диаметрально расположенными радиальными каналами

[ Иачала\

Считывание информации с датчикоб К, и ц и их адрабаша

X

Расчет дцю и дцл

Да / \ Нет

Эц ш

Зцг9цм>' 9иг Зцяг

1,-0 2гЩ, Щ)

[ Получение из матрицы данных ~~1—

Реализация г,

Рисунок 8 Алгоритм управления топливоподачей: г -число пропущенных подач; Я - положение имитатора педали; шаг электродвигателя; г - длительность подводимого тока к обмотке

электромагнита

это превышение может достичь 20% и двигатель будет работать с соответствующим пониженным коэффициентом избытка воздуха (порядка 1,3 вместо 1,5), а во

втором случае на оборотах, меньших номинальных, - с большим коэффициентом избытка воздуха.

Напрашивается вывод, что для обеспечения требуемой цикловой подачи придется по мере уменьшения оборотов при работе по первому режиму - уменьшать подачу, обеспечиваемую насосом, по второму - увеличивать.

Отключаемое в соответствии с режимом работы двигателя число подач топлива на регуляторной ветви в зоне п„ - птах х.х. удобно определять, используя среднюю величину цикловой подачи.

При работе с последовательным отключением цилиндров цикловая подача в продолжающие работать цилиндры будет равна подаче на номинальном режиме £цср . При этом, если число выключенных цилиндров (подач) будет то средняя величина подачи по секциям составит

. , (5)

где ¡-:=т - число реализованных подач.

Она определяется скоростной характеристикой топливоподачи.

Как известно, для регуляторной ветви современных топливных систем

8Ч1=ауп,+вз. (6)

Мклшх "и "/)'

Рисунок 9 Скоростные характеристики топливной системы двигателя Д-21А1 (штриховые кривые) и «желаемого» вида (сплошные): п и gч - частота вращения и цикловая подача; индексы п, М,,тах, нив- соответствуют режимам пуска, максимального крутящего момента, номинальному и полного выключения подачи; 3, 4, и 7 — рёгуляторные ветви характеристик; 8 - характеристика на пусковом режиме

Приняв gч ср^ц/ получаем

о,и, + в, = -

£„„('-г)

(V)

Отсюда находим число отключенных цилиндров (долю пропущенных подач) при оборотах Л/

• и, + в,

г = I 1 -

ё цц

Для текущего значения оборотов средняя цикловая подача будет

(1 •(",■-«.)

(8)

(9)

Отсюда находим число реализованных подач

. (1-К)(п,-пи)ч т = 1-2 = 1---—-—— =

где <5=0,05-гО,08.

1-

(1-К)(п,-пн)

0,5г(«тмх.х +и„)

«=[1 -(1-К)(п,-пИ)]-1.

(10)

На корректорной ветви «желаемой» скоростной характеристики цикловая подача описывается, как известно, выражением

%цср=СЦП1+ в,п,+с

С другой стороны, фактические скоростные характеристики систем с насосами непосредственного действия таковы, что текущее значение фактической цикловой подачи равно

Еа=а2п?+ в2п,+с2.

С учетом этих обстоятельств были определены величина коррекции подачи Ag и соответствующий угол поворота ротора шагового электродвигателя на рассматриваемых оборотах и, и режимах:

(а2 - а,)л,2 + (рг - Ь^п, + (с2 - с^

- первом - Ag=gcrg4cp и а,„ = arc cos

- втором - Ag=g,<lp-gc, И а,., = arc с

1 + -

1+i

(о, -а2)п,2 + (А, - Ь2)п, + (с, - сг)

(11) (12)

п„ мин

Рисунок 10 Скоростные характеристики, снятые при фиксированных пяти шагах Электродвигателя

На рисунке 10 представлены экспериментальные зависимости цикловой подачи от частоты вращения кулачкового вала насоса, снятые при закрытом (золотником 8) канале 16 через каждые 5 фиксированных шагов электродвигателя 18 (рисунок 5).

; Как видно, при всех оборотах кулачкового вала пк с увеличением шага электродвигателя 18 цикловая подача насоса возрастала.

■:' Так, при пк = 600 мин"1 (режим максимального крутящего момента) поворот ротора шагового электродвигателя на первоначальные 5 шагов увеличивал цикловую подачу на 8 мм3/ цикл (кривая 1 рисунка 10), а на 35 (кривая 7) -150 мм3/ цикл. На участках между 20-30 шагами (кривыми 4 и 6) наблюдалось максимальное изменение цикловой подачи; при повороте на 1 шаг цикловая подача возрастала на 6,5 мм3/ цикл.

При необходимости уменьшения подач за шаг электродвигателя (повышения точности регулирования) можно достичь, вводя между валами электродвигателя и эксцентрика привода дозирующей муфты редуктор с соответствующим передаточным отношением.

На рисунке 11 представлены скоростные характеристики при управлении топливоподачей - непрерывно на корректорной и дискретно на регуляторных ветвях. Цикловые подачи регуляторных ветвей характеристик 3-14 получены расчётным путём (по числу пропущенных подач).

При частотах вращения около 200 мин"1 регулятор обеспечивал требуемую пусковую подачу - 200 мм3/цикл (в 4 раза большую номинальной).

На режиме максимального крутящего момента (600 мин"1) цикловая подача составила 70 мм3/цикл, т.е. была выше номинальной в 1,2 раза.

ГРМ с электронно-управляемыми клапанами. Схема его работы показана на рисунке 12.

При работе дизеля без пропуска подачи электронный блок 4 подает импульсы на обмотки электромагнитов 6, обеспечивая их открытие и закрытие, как и в обычном случае.

Для пропуска подачи топлива электронный блок не подает сигналы на обмотки электромагнитов 6 и клапаны 3 остаются закрытыми. Из-за этого воздух не поступает в цилиндр двигателя и, в результате, последовательно снижаются фактическая степень последующего сжатия и потери на насосные ходы поршня.

Для снижения отрицательного влияния картерных газов, просочившихся в надпоршневое пространство, в конце хода сжатия поршня открывается один из клапанов и эти газы выбрасываются в атмосферу. Создаваемое в цилиндре двигателя разряжение (при движении поршня к НМТ) оттягивает кольца от гильз и этим дополнительно снижает в них потери на трение.

Не менее важно и то, что исключение возрастания давления в процессе сжатия снижает температуру газов в цилиндре и, как следствие, теплоотвод в систему охлаждения, т.е. увеличивает индикаторный к.п.д. двигателя.

Система охлаждения должна снабжаться вентилятором с электрическим приводом, например, фирмы «Алус». При этом производительность его будет регулироваться изменением напряжения.

В четвертой главе приведены схема, общий вид использованного испытательного стенда, измерительная аппаратура, погрешность определения измеряемых величин и др.

За основу принят стенд DS-926-4/V с установленным в нем двухцилиндровым двигателем воздушного охлаждения Д-21А1, оборудованным предложенными электронно-управляемыми топливной системой, механизмом газораспределения и системой охлаждения. Функциональная схема его дана на рисунке 13.

Основные показатели процесса топливоподачи и работы двигателя определялись по общепринятой методике, а статистическая обработка полученных данных проводилась с использованием IBM PC Pentium IV при помощи стандартных программ «Statistika», «Matchcad» корпорации «Майкрософт», специализирован-

Рисунок 11 Скоростные характеристики при комбинированном управлении: 1 - зона пусковых подач; 2 - корректорная, 3-14 - регуляторные

электронно-управляемым клапанами ГРМ: 1 - поршень; 2 - цилиндр; 3 и 8 -выпускной и впускной клапаны; 4 - электронный блок; 5 - якоря; б - обмотки электромагнитов; 7 - пружины

ного комплекса программ «АСТеБ^Рго» производства ООО «Лаборатория автоматизированных систем» и крейт-контроллера ЬТС.

Рисунок 13 Функциональная схема дизеля с электронно-управляемыми топливоподающей системой с насосом высокого давления (НВД), механизмом газораспределения и системой охлаждения: ИМ - исполнительные механизмы непрерывного (НР) и дискретного (ЕР) регулирования; и - напряжения импульсов; 0 и I - опережение и длительность импульсов; А - положение рейки(дозирующей муфты)

НВД; Я - имитатор задатчика скоростного режима; у - опережение открытия клапанов ГРМ; 4„„ - производительность вентилятора

Пятая глава содержит результаты экспериментальных исследований, выполненных на предложенном тормозном стенде с использованием разработанных методики и технических средств и в обобщенном виде представленных в таблице 1 и на рисунке 14.

% у отключенного Ьторого цилиндра Как ВИДНО, при всех вариантах ра-

боты двигателя с уменьшением степени снята голоВка цилиндра сжатия отключенного цилиндра на всем диапазоне оборотов наблюдается снижение удельного расхода топлива. Так, на режиме Ау-1,6 кВт при работе со снятой головкой цилиндра (е =1) удельный расход топлива снизился на оборотах «=1100 мин"1 на 10 г/(кВгч); 1200 - 80; 1500 - 110 и 1800 - 200. Экономичность двигателя повышалась и при снятии поршневых колец (из-за дополнительного снижения сил трения). Так, на том же мощностном режиме удельный расход топлива снизился дополнительно при и=1100 мин"1 на 40 г/(кВт-ч); 1200 - 50; 1500- 80 и 1800 -110.

Заметный эффект достигался при прекращении охлаждения отключенного цилиндра путём двукратного снижения производительности вентилятора (снижением передаточного числа от коленчатого вала к валу вентилятора) и установкой заслонки для прекращения подачи охлаждаемого воздуха к выключенному цилиндру. Так, на том же режиме (Аге=1,6 кВт) при и=1100 мин"1 расход топлива снизился на 60 г/(кВт ч); 1200 - 70; 1500 - 90 и 1800 - 190.

Ожидаемым явилось и то, что при всех вариантах и на всех режимах снижалась температура отработавших газов. При N„=1,6 кВт и «=1100 мин"1 и снятой

50

— сняты кольца поршня 1

12 3 15 6 7 Рисунок 14 Зависимость эффективного удельного расхода топлива ge (в %) на режиме N¿=6 кВт и п=1800 мин1; 1-7 - варианты работы двигателя

Таблица 1 Результаты испытаний двигателя Д-21А1, проведенных на предложенном тормозном стенде с использованием разработанных методики и технических средств

. Варианты работы двигателя Мощность, кВт

1,6 | 4 | 6

Частота вращения, мин-1

1100 1200 1500 1800 1200 1500 1800 1200 1500 1800

на двух цилиндрах г/(кВт-ч) 600 710 1000 1200 350 480 570 290 360 430

240 270 310 420 380 420 505 480 505 580

на одном первом цилиндре при простом отключении второго цилиндра г« г/(кВт-ч) 550 660 870 1100 390 500 670 360 490 600

430 440 540 590 680 850 800 860 1100 1040

после уменьшения степени сжатия е у отключенного цилиндра до 6,5 ё; г/(кВт-ч) 480 570 770 980 380 420 500 360 360 490

440 435 530 530 680 800 760 855 1000 920

после уменьшения степени сжатия до 6,5 и фиксировании клапанов ГРМ в закрытом положении г/(кВт-ч) 450 530 700 820 350 380 440 350 330 360

430 420 470 500 680 690 690 855 850 840

после снятия головки у отключенного цилиндра (е=1) г/(кБт-ч) 540 580 760 900 345 410 480 320 360 440

¿,°С 410 420 510 590 640 750 750 820 980 890

после снятия головки у отключенного цилиндра и колец его поршня г/(кВт-ч) 500 530 680 790 330 360 420 310 310 380

Г, °С 380 410 480 550 610 680 700 790 840 820

после снятия головки и колец и прекращения охлаждения отключенного цилиндра г/(кВт-ч)' 440 460 590 , 600 295 310 350 295 270 305

Г,°С 410 405 430 490 605 630 640 795 820 790

головке отключаемого цилиндра она оказалось на 20°С ниже, а при снятых головке и кольцах - ниже еще на 30°С. При работе без охлаждения отключенного цилиндра температура отработавших газов снижалась незначительно.

В то же время во всех случаях отключение второго цилиндра приводило к повышению температуры отработавших газов. Так, например, простое выключение второго цилиндра при «=1800 мин"1 на режиме Л^=4 кВт привело к повышению этой температуры на 295°С (т.е. до 800°С - величины, соответствующей номинальному режиму). Такое повышение температуры можно объяснить увеличением цикловой подачи на работающий цилиндр.

С увеличением частоты вращения температура отработавших газов снижалась более ощутимо.

На рисунке 15 представлены результаты заключительных сравнительных моторных испытаний двигателей серийного и опытного, оборудованного предложенными электронно-управляемыми топливоподающей системой и ГРМ, и работающего с регулированием режимов пропуском подачи топлива по варианту, близкому к 7-му по рисунку 15.

При этих экспериментах впускной клапан ГРМ закрывался к началу такта впуска в выключаемом цилиндре.

Удельный расход топлива снижался при этом более ощутимо на меньших оборотах.

В шестой главе показано, что числовая оценка экономической эффективности внедрения предложенных мероприятий представляет определенную трудность в связи с тем, что предложенные методика и технические средства позволяют выявить только эффективность конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршня. Следует лишь отметить, что работами Гайсина Э.М. показано, что при конвертации дизеля трактора МТЗ-80 регулированием режимов работы пропуском подачи топлива экономия за год составляет 360 литров.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1.Обзор литературных данных и результаты проведённых нами исследований показали, что если не предпринимать дополнительные меры, то простое отключение цилиндров (подачи топлива) существенного эффекта не дает. Эффективность его усиливается при снижении потерь энергии в выключенных цилиндрах.

В соответствии с этим разработка методики и технических средств исследования таких дизелей должна базироваться на выявлении и анализе эффективности возможных методов снижения потерь энергии в выключенных цилиндрах (циклах с отключением рабочих ходов поршней).

10 12 14 16Ые,кВт Рисунок 15 Нагрузочные характеристики дизеля Д-21А1 при п=1800 мин' и работе: • - без пропуска подачи и Д- с пропуском подачи и электронным управлением впускным клапаном ГРМ

2. Анализ эффективности конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском подачи топлива упрощается при использовании предложенного нами коэффициента снижения потерь энергии в выключенном цилиндре.

С использованием этого коэффициента получено аналитическое выражение, позволяющее оценивать эффективность конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском подачи топлива.

3. Предложена методика испытаний рассматриваемых дизелей, предусматривающая использование двухцилиндрового двигателя воздушного охлаждения с тем, чтобы отключить один из цилиндров и на нем испытывать факторы, влияющие на эффективность регулирования режимов работы пропуском рабочих ходов поршней, в частности, потери на трение, на привод вспомогательных механизмов, насосные ходы поршня, в систему охлаждения и др.

Для исключения отрицательного влияния просочившихся в надпоршневое пространство картерных газов рекомендуется их выбрасывать в атмосферу открыв один из клапанов ГРМ при нахождении поршня около ВМТ.

Механический к.п.д. двигателя, характеризующий достигнутую полноту снижения потерь энергии в выключенном цилиндре, определяется как отношение числа выключенных цилиндров при работе на холостом ходу к общему числу цилиндров.

Итоги испытаний двигателя с регулированием режимов работы с последовательным отключением цилиндров затем переносятся на дизель, работающий с отключением рабочих ходов поршней.

Завершающие испытания проводятся при работе обоих цилиндров с равномерным чередованием по цилиндрам отключения подачи топлива.

Обязательным при моторных испытаниях является выявление и оценка эффективных способов снижения неравномерности вращения коленчатого вала двигателя.

При этом степени неравномерностей топливоподачи и угловой скорости вращения коленчатого вала рекомендуется определять соответственно по средней величине подачи по отдельным секциям, рассматривая 30-50 рабочих циклов цилиндров.

Для получения достоверных данных рекомендуется использовать тормозные стенды с достаточно малым моментом инерции.

4. Моторный стенд для испытания и доводки тракторных двигателей, конвертируемых на регулирование режимов работы пропуском подачи топлива, должен оборудоваться двухцилиндровым тракторным дизелем, оснащенном устройствами, допускающими изыскание способов повышения эффективности конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском подачи топлива, в частности предложенными электронно-управляемыми в соответствии с режимом работы двигателя:

- топливным насосом высокого давления, позволяющим варьировать числом и очередностью отключения рабочих ходов поршней при работе на регуля-торной ветви, и отсечкой подачи насоса на корректорной;

- механизмом газораспределения, допускающим снижение степени сжатия в цилиндре в цикле с выключенной подачей топлива и перепуск в атмосферу просочившихся в надпоршневое пространство картерных газов;

- системой охлаждения, обеспечивающей снижение теплоотвода в систему

<

охлаждения в соответствии с числом выключенных подач топлива;

- устройством для оценки и изыскания эффективных способов снижения неравномерности вращения коленчатого вала двигателя;

Электронный регулятор, управляющий системой топливоподачи, может использоваться одновременно и для управления системой охлаждения и клапанами механизма газораспределения.

5. Установлено, что в исследованных дизелях:

- существенному снижению потерь энергии способствует уменьшение степени сжатия в цикле с пропуском рабочего хода поршня;

- отношение чисел реализованных подач на холостом ходу к числу подач на номинальном режиме соответствует механическому к.п.д. двигателя;

-характерное для регулирования последовательным отключением цилиндров ступенчатое изменение показателей работы двигателя проявляется и в том, что обороты холостого хода двигателя оказываются завышенными.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Хусаинов, В.Н. Топливоподающая система с электронным регулятором для тракторного дизеля [Текст] / P.P. Гапиуллин, В.Н. Хусаинов // Тракторы и с.х. машины, 2007. - №9. - С. 10-12.

2. А. с. 1114807 (СССР), МКИ F 01 D 1/20. Устройство для регулировки зазора. / Асхабутдинов А.З., Хусаинов В.Н. Опубл. 23.09.84. - Бюл. № 35.

3. Хусаинов, В.Н. Контактная очистка отработавших моторных масел рапсовой технологией [Текст] / О.Р. Рафиков, В.Н. Хусаинов // Сельские узоры, 2006.-№2.-С. 25,

4. Хусаинов, В.Н. Разработка топливной системы с электронным регулятором / Баширов P.M., Галиуллин P.P., Хусаинов В.Н. // Материалы всероссийской научно-практической конференции. - Уфа: БГАУ, 2007. - С. 12-16.

5. Хусаинов, В.Н Топливная система с электронным регулятором [Текст] / P.P. Галиуллин, В.Н. Хусаинов // Материалы международной научно- практической конференции. - Уфа: БГАУ, 2007. - С. 68-71.

6. Хусаинов, В.Н. Электронно-управляемые топливные системы для дизелей, работающих пропуском подачи топлива [Текст] / P.M. Баширов, P.P. Галиуллин, В.Н. Хусаинов // Материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием - Уфа: БГАУ, 2008. - Часть 4. - С. 31-35.

7. Хусаинов, В.Н Эффективный к.п.д. двигателя, с регулированием режимов работы пропуском подачи топлива [Текст] / В.Н. Хусаинов // Материалы международной научно- практической конференции. - Уфа: БГАУ, 2010 - С.45-47.

8. Хусаинов, В.Н Повышение машинно-технологического и энергетического потенциалов сельского хозяйства [Текст] / P.M. Баширов, В.Н. Хусаинов и др. // Отчет о научно-исследовательской работе по АН РБ. - Уфа, 2010. - 46 с.

Лицензия РБ на издательскую деятельность № 0261 от 10 апреля 1998 года Подписано в печать 12.01.2011 г. Формат 60x84. Бумага типографская.

Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,04. Тираж 100 экз. Заказ № 559 Издательство Башкирского государственного аграрного университета Типография Башкирского государственного аграрного университета Адрес издательства и типографии: 450001. г. Уфа, ул. 50 лет Октября, 34

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ДИЗЕЛЕЙ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ОТКЛЮЧЕНИЕМ ЦИЛИНДРОВ.

1.1 Режимы работы тракторных дизелей и методы их регулирования

1.2 Технико-экономические показатели дизелей с регулированием режимов работы последовательным отключением цилиндров.

1.3 Анализ механизмов отключения цилиндров и подачи топлива в отключаемые цилиндры дизелей.

2 ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИЗЕЛЕЙ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ОТКЛЮЧЕНИЕМ ЦИЛИНДРОВ

2.1 Анализ долговечности дизелей.

2.2 Изыскание методов повышения эффективного к.п.д. дизелей рассматриваемого типа.

2.3 Теоретический анализ эффективности регулирования дизелей последовательным отключением цилиндров (пропуском подачи топлива).

2.4 Обоснование методики исследований дизелей, конвертируемых на регулирование режимов работы пропуском подачи топлива.

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОПУСКОМ ПОДАЧИ ТОПЛИВА.

3.1 Топливный насос высокого давления.

3.2 Регулятор.

3.3 Газораспределительный механизм и система охлаждения.

4 РАЗРАБОТКА СТЕНДОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПРОПУСКОМ ПОДАЧИ ТОПЛИВА

4.1 Обзор известных конструкций тормозных стендов.

4.2 Тормозной стенд для дизелей с регулированием режимов работы пропуском подачи топлива.

5 МОТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1 Измерительная аппаратура, погрешность определения измеряемых величин.

5.2 Обработка экспериментальных данных, оценка погрешностей измерений.

5.3 Результаты исследований. Их анализ.

6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРОПУСКОМ ПОДАЧИ ТОПЛИВА.

Дизельные двигатели широко применяются в тракторах, автомобилях, железнодорожном транспорте, судах, стационарных установках, боевых машинах и др.

В сельскохозяйственном производстве они стали основным источником энергии. Вследствие этого и само сельскохозяйственное производство стало крупнейшим потребителем нефтепродуктов (в отдельные периоды потребляло до 40.45% вырабатываемого в стране дизельного топлива). В этой связи себестоимость сельскохозяйственной продукции во многом определяются именно технико-экономическими показателями дизелей и их дальнейшее улучшение является непреходящей проблемой.

Дизельные двигатели совершенствуются по направлениям повышения их топливной экономичности, снижения расхода смазочных материалов и металлоемкости, уменьшения токсичности выхлопных газов и шума работы, повышения надежности, упрощения конструкции и др.

В последние годы особую остроту приобрела проблема повышения топливной экономичности из-за постоянного удорожания нефтепродуктов и все острее ощущающегося их недостатка.

Хотя на сегодня дизели и являются наиболее экономичным источником энергии (в них удельный расход топлива может быть доведен до 188 г/(кВт-ч), тогда как в других тепловых машинах он намного выше) следует отметить, что их потенциальные возможности по топливной экономичности пока еще далеко не исчерпаны.

Наибольшего успеха в работе по направлению топливной экономичности дизелей можно достичь при совершенствовании их с учетом условий их работы.

Тракторные дизели работают в широких диапазонах нагрузок и оборотов. Наибольшая топливная экономичность их работы достигается на режимах, близких к номинальному. Снижение ее при переходе на частичные нагрузки, особенно на режимы пониженных частот вращения во многом объясняется особенностями работы применяемых в них топливоподающих систем непосредственного действия, а именно, снижением при этом давления впрыскивания, с одной стороны, и цикловой подачи, с другой, обуславливающих ухудшение качества процесса топливоподачи, в частности, увеличение относительной доли более грубо распиливаемого топлива в начальном и конечном участках процесса впрыскивания (соответствующих подъему и посадке иглы распылителя форсунки) и, в конечном счете, ухудшение процесса смесеобразования и сгорания топлива [3, 9, 47, 53, 60, 74, 75, 76, 91, 101].

Эффективным методом дальнейшего повышения топливной экономичности дизелей на режимах малых нагрузок и оборотов может стать переход на аккумуляторные системы топливоподачи [25, 26, 27, 28].

Однако такие системы пока еще не нашли применения в отечественных тракторных дизелях. В этой связи на сегодня большой практический интерес представляет и совершенствование оправдавших себя в течение многолетней эксплуатации и хорошо отработанных по конструкции и технологии изготовления ныне применяемых систем непосредственного действия.

Существенному улучшению качества работы топливоподающих систем непосредственного действия на режимах частичных нагрузок способствует повышение их цикловой подачи топлива. Это может реализоваться, например, в двигателях с регулированием режимов работы с выключением подачи топлива [4, 5, 7, 8, 12, 30, 31, 32, 33, 57, 61, 81, 86, 98, 99, 102, 106, 107, 113, 114, 117, 118, 119, 120].

На сегодня относительно больше исследованы двигатели с последовательным отключением цилиндров.

По зарубежным данным, такое регулирование позволяет экономить до 15% топлива [25].

На практике этот метод регулирования уже частично использовался и используется, например, в тракторах Т-130, некоторых моделях автомобилей фирм Ford, Honda, Mercedes и тепловозных двигателях фирмы MTU и отечественного производства 2Д100 и др.

Широкому его практическому применению в массовых тракторных дизелях препятствуют присущие ему серьезные недостатки, в частности, обусловленные скачкообразным изменением при отключении цилиндров показателей работы двигателя, возрастанием неидентичности по цилиндрам тепловой напряженности основных деталей двигателя, увеличением неравномерности вращения коленчатого вала и др.

Есть основания полагать, что при работе с отключением рабочих ходов поршней указанные недостатки могут не проявляться.

Отключение цилиндров является частным случаем отключения рабочих ходов поршней.

Работа дизелей с отключением рабочих ходов поршней изучена пока еще совершенно недостаточно. Объясняется это помимо всего прочего и отсутствием соответствующих методик их испытаний и испытательных стендов.

Кафедра «Автотракторные двигатели и теплотехника» Башкирского ГАУ с 2000 г. ведет работы по исследованию этого метода регулирования.

В объеме настоящей работы разрабатывались методика и технические средства, необходимые для испытаний таких дизелей.

Предварительно был проведен анализ работы этих двигателей и возможных методов повышения их эффективного к.п.д. Полученные при этом данные позволили определить возможные Управления работы по обоснованию методики их испытаний и технические средства для испытаний.

За основу моторной установки был принят двухцилиндровый дизель воздушного охлаждения Д-21А1 (трактора Т-25). Двухцилиндровый двигатель был выбран в связи с тем, что позволял вести сравнительные исследования дизелей при работе как последовательным отключением цилиндров, так и пропуском подачи топлива. В качестве тормозной установки использовался стенд DS-926-4/V -1.

1. Автомобильные и тракторные двигатели. Ч. 1.. Конструкция и расчет двигателей. / Под ред. И.М. Ленина. - М.: Высшая школа, 1976. - 280 с.

2. Аллилуев В.А., Ананьин А.Д., Михлин В.М. Техническая эксплуатация машинно-тракторного парка. М.: Агропромиздат, 1991. 367с.

3. Антони Ю.Х., Краснокутский В.В., Лепехин А.Т., Дудин Б.М. Влияние отключения части работающих цилиндров двигателя на количество загрязняющих веществ. // Пробл.аграр.сектора Юж.Урала и пути их решения. Челябинск 1999. С.146-150.

4. Антони Ю.Х., Краснокутский В.В. Повышение эффективности использования тракторного транспортного агрегата путем отключения части цилиндров двигателя. // Пути повышения эффективности с.-х. пр-ва. Челябинск 1998. С.153-156.

5. Антони Ю.Х., Лепехин А.Т. Выбор способа отключения цилиндров на работающем двигателе. // Совершенствование агротехники и технологии возделывания с.-х. культур. Челябинск 1996. С.53-59.

6. Антони Ю.Х. Перспективы использования метода отключения цилиндров тракторного двигателя. // Пробл. аграр. сектора Юж. Урала и пути их решения. Челябинск 1999. С. 152-153.

7. Арсеньев Е.С и др. Обеспечение работы дизельного двигателя на холостом ходу методом выключения цилиндров. // Науч.-техн. сб. № 4. Москва- 1980. С.56-60.

8. Астахов И.В., Трусов В.И., Хачиян A.C. и др. Подача и распыливание топлива в дизелях. М.: Машиностроение, 1971. - 359 с.

9. А. с. 1193280 (СССР), МКИ F 02 D 17/02. Система подачи топлива в цилиндры дизеля. / Терских И.П. и др. Опубл. 30.01.90. Бюл. № 4.

10. А. с. 850882 (СССР), МКИ F 02 М'63/02. Система питания топливом дизеля. / Шароглазов Б.А. и др. Опубл. 30.10.86. Бюл. № 40.

11. А. с. 987149 (СССР), МКИ F 02 М 59/28. Механизм управления топливным насосом высокого давления. / Линник A.B. и др. Опубл. 23.04.91. -Бюл. № 15.

12. А. с. 550485 (СССР), МКИ F 02 D 17/02. Устройство для отключения подачи топлива в цилиндр дизеля. / Березний В.В. и др. Опубл. 07.07.86. -Бюл. № 25.

13. А. с. 1548497 (СССР), МКИ F 02М 55/00. Система подачи топлива в дизель. / Патрахальцев H.H. и др. Опубл. 08.09.90. Бюл. № 9.

14. А. с. 319746 (СССР), МКИ F 02 Д 39/00. Устройство для периодического отключения подачи топлива в двигатель. / Ромашов В.М., Чертков В.Н., Потапов А.И. Опубл. 04.03.89. Бюл. № з.

15. Бахтиаров Н.И., Белявцев A.B. и др. Топливная аппаратура тракторных и комбайновых двигателей. М.: Колос, 1980. - 160 с.

16. Багиров Д.Д., Златопольский A.B. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин. М., Машиностроение, 1974, 220 с.

17. Баширов P.M., Габдрафиков Ф.З., Инсафуддинов С.З. Последовательное отключение цилиндров как метод повышения эффективности работы тракторного дизеля. // Достижения аграрной науки производству. Уфа — 2004. С.20-23.

18. Баширов Р.М и др. Надежность топливной аппаратуры тракторных и комбайновых двигателей. М.: 1978. - 184 с.

19. Баширов P.M. Основные показатели работы топливных систем автотракторных дизелей: Учебное пособие для студентов ВУЗов. Ульяновск: Ульяновский СХИ, 1978. - 86 с.

20. Баширов P.M. Основы теории и расчета автотракторных двигателей. -Уфа: БашГАУ, 2010.-304 с.

21. Баширов P.M. Топливные системы для автотракторных дизелей. -Уфа: Гилем, 2005. 204с.

22. Баширов P.M., Галиуллин P.P., Гайсин Э.М. Сравнительные исследования эффективности последовательного отключения цилиндров дизеля Д50. // Отчет о научно-исследовательской работе. Уфа, 2007. — 35 с.

23. Березний В.В. О регулировании судовых дизелей отключением цилиндров. // Двигателестроение, № 4. 1980. С.39- 41.

24. Березний В.В. Сравнительные испытания судового вспомогательного дизеля при отключении части цилиндров различными способами. // Двигателестроение, № 11. 1985. С.6- 9.

25. Березний В.В. Теоретическое обоснование возможности повышения экономичности дизелей при отключении части цилиндров. // Двигателестрое-ние, № 9. 1982. С.24- 26.

26. Березний В.В. Экономические и энергетические показатели работы дизелей при регулировании отключением цилиндров. // Двигателестроение, № 8.- 1980. С.47- 49.

27. Валеев Д.Х. и др. Возможности улучшения экономических и экологических свойств дизелей КамАЗ-740 отключением цилиндров и циклов на режимах холостых ходов и малых нагрузок. // Двигателестроение, № 8-9. -1991. С.62-63.

28. Вальдеррама А.Р. Повышение экономических и экологических качеств дизеля методом отключения цилиндров и циклов: дис. канд. техн. наук. Москва, 1995. — 161 с.

29. Веденяпин Г.В. Общая методика экспериментального исследования и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. - 199 с.

30. Взоров Б.А., Молчанов К.К., Трепененков И.И. Снижение расхода топлива с.-х. тракторами путем оптимизации режимов работы двигателей. // Тракторы и с.-х. машины, № 6. 1985. С. 10-14.

31. Гайсин Э.М. Повышение топливной экономичности тракторных дизелей регулированием режимов их работы пропуском подачи топлива: Дисс. канд. техн. наук. Санкт-Петербург-Пушкин, 2007. — 123 с.

32. Галиуллин P.P. Повышение эффективных показателей тракторных дизелей электронным управлением топливоподачи: Дисс. докт. техн. наук. -Санкт-Петербург-Пушкин, 2009. 600 с.

33. Галиуллин P.P., Гайсин Э.М. Регулирование режимов работы дизелей пропуском подач топлива. // Механизация и Электрификация сельского хозяйства, № 11.-2005. С.30-31.

34. Галиуллин P.P. Разработка для тракторных дизелей топливоподаю-щих систем непосредственного действия с электронно-управляемым впрыском: Автореф.дисс.канд.техн.наук. Санкт-Петербург-Пушкин, 2002. - 18 с.

35. Глаголев Н.М. Испытания двигателей внутреннего сгорания. Харьков: Харькховск. ун-т, 1958. - 300с.

36. Гольверк A.A., Вагнер И.Б., Методика испытаний топливной аппаратуры дизелей. Киев: Урожай, 1984. - 149 с.

37. Гольверк A.A. Влияние переменной нагрузки на топливную экономичность тракторных двигателей. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, №8 1985. С. 18-20.

38. ГОСТ 8670-82. Насосы топливные высокого давления автотракторIных дизелей. Правила приемки и методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1982.-5 с.

39. ГОСТ 18509-88 Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний М.: Изд-во стандартов, 1988. - 46 с.

40. ГОСТ 14846-81 Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний М.: Изд-во стандартов, 1981. - 55 с.

41. Горбунов В.В., Олесов И.Ю. Отключатели цилиндров и циклов дизеля//Грузовик, № 9 1999. С. 13-16.

42. Горелик Г.Б., Дьяченко Н.Х., Магидович JI.E., Пугачев Б.П. Работа топливоподающей аппаратуры дизелей на частичных и переходных режимах. //Труды. ЛПИ, Вып. 316-1971. С. 19-22.

43. Гуревич А.Н. и др. Топливная аппаратура тепловозных и судовых двигателей типа Д100 и Д50. М.: «Машиностроение», 1968. - 248 с.

44. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов / Луканин В.Н., Алексеев И.В., Шатров М.Г. и др.; Под ред. Луканина В.Н. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005.- 479 с.

45. Диваков Н.В. Регулирование мощности автомобильного двигателя отключением цилиндров. // Сб. статей «Вопросы машиноведения». М.: Издательство АН СССР, 1950. - С. 158 - 160.

46. Евстрифеев Б.В., Соин Ю.В., Крючков П.А. и др. Опыт эксплуатационной проверки системы отключения части цилиндров на тепловозных дизелях. // Двигателестроение, №1 1999. С.23-25.

47. Ждановкий Н.С., Ковригин А.И., Шкрабак B.C., Соминич A.B. Неустановившиеся режимы работы поршневых и газотурбинных автотракторных двигателей. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1974. - 222 с.

48. Жерновой A.C. О возможности повышения экономичности многоцилиндровых автомобильных дизелей на холостом ходу. // Промышленная теплотехника, № 4. 1982. С.65- 69.

49. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. — Л.: Наука, 1968.-96 с.

50. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. 2-е изд., перераб. -М.: Машиностроение, 1981. - 160 с.

51. Зиняев А.Б., Корнилов Г.С., Курманов В.В., Олесов И.Ю., Патра-хальцев H.H., Эмиль М.В. Возможности повышения топливной экономичности дизелей типа ЯМЗ-2Э8 отключением цилиндров и циклов. // Двигателе-строение, № 3. 1991. С.З9-41.

52. Злотник М.И., Иванов Е.И. и др. Трактор Т-130. М.: Высшая школа, 1973.-207 с.

53. Иванов A.M., Солонцев А.Н., Гаевский В.В. и др. Основы конструкции автомобиля. М.: «За рулем», 2006. - 354 с.

54. Инсафуддинов С.З. Совершенствование методики оценки неравномерности подачи топливных систем тракторных дизелей: Дис. канд. техн. наук. Оренбург, 2005. - 152 с.

55. Кислов В.Г., Баширов P.M., Попов В.Я. Топливные насосы распределительного типа. -М.: Машиностроение, 1975. 176 с.

56. Кислов В.Г., Павлов В.А., Трусов А.П. и др. Топливная аппаратура тракторных и комбайновых дизелей: Справочник. М.: Машиностроение, 1981.-208 с.

57. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. -М.: Высшая школа, 1980. 400с.

58. Конструкция и расчет автотракторных двигателей. / Под ред. Ю. А. Степанова М.: Машиностроение, 1964. - 552 с.

59. Костарев К.В. Улучшение топливно-экономических показателей тракторного дизеля совершенствованием конструкции топливоподающей системы на основе управления характеристиками топливоподачи: Дисс. канд. техн. наук — Уфа, 2001. 111 с.

60. Коц Б.Э. Электромагниты постоянного тока с форсировкой. М.: Энергия, 1973.-80 с.

61. Кузнецов Т.Ф., Котов В.В., Вовчек А.Н. Влияние конструктивных элементов топливной аппаратуры на стабильность подачи по циклам. // Тр. Харьковск. инс-т инж- жел.-дор. тр-та, вып. 18. Харьков, 1973. С.9-18.

62. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. М.: Агропромиздат, 1994. - 224с.

63. Любчик М.А. Расчет и проектирование электромагнитов постоянного и переменного токов. М.: Госэнергоиздат, 1959. - 223 с.

64. Марков В.А., Баширов P.M., Габитов И.И., Кислов В.Г. Токсичность отработавших газов дизелей. Уфа: БашГАУ, 2000. - 120 с.

65. Марков В.А., Шатров В.И. Характеристики топливоподачи, топливная экономичность и вредные выбросы дизелей. // Автомобильная промышленность, №4-1998. С. 13-16.

66. Меламед М.И. Экономия бензина путем выключения цилиндров. // Автомобиль, № 3 1949. С. 11-13.

67. Мероприятия по оптимизации выброса выхлопных газов двигателями MTU на железнодорожных дорогах Германии. Emissionsoptimierung an MTU-Motoren der Deutchen Bahn AG / Schmidt R.-M.// ETR: Eisenbahn techn/ Rdsch. 1996.- Bd. 45 № 1-2. S.61.

68. Николаенко A.B. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: Колос, 1992. - 414 с.

69. Николаенко A.B., Хватов В.Н. Повышение эффективности дизелей в сельском хозяйстве. Л.: Агропромиздат, 1986. - 191с.

70. Олесов И.Ю. Совершенствование экономических и экологических качеств дизелей использованием метода отключения цилиндров: Дисс. канд. техн. наук. — Москва, 1993. 250 с.

71. Островский Г.Л. Возможности повышения топливной экономичности двигателей при регулировании мощности отключением цилиндров. // Дви-гателестроение, № 11. 1986. С.52- 54.

72. Патент № 2380562 РФ МПК F02D 17/02. Способ дискретного изменения мощности ДВС (варианты) Текст. / А.А. Грабовский // Открытия. Изобретения, 2010. Бюл. № 3.

73. Патрахальцев Н.Н. От отключения цилиндров к отключению циклов. // Автомобильная промышленность, №11 — 1995. С. 18-21.

74. Суркин В.И. Основы теории и расчета автотракторных двигателей: учебное пособие. Челябинск: ЧГАУ, 2004. - 200 с.

75. Эммиль М.В. Анализ динамического уравнения дизеля с отключением цилиндров и циклов. // Тракторы и с.-х. машины, № 9 1999. С. 17-19.

76. Patent USA № 4492191. Fuel cut-off device for fuel injection pumps for multi-cilinder internal combustion engines. / Aouki Fujio, Isob Hiroshi (Diesel Kiki Co.)- 1985.

77. Patent USA № 4411229. Cylinler deactivation device. / Curtis N.A., Karner J.E. 1982.

78. Patent USA № 4414935. Cylinler deactivation device with slotted sleey mechanism. / Curtis N. A., Renshaw С. M. 1983.