автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение эффективности неустановившихся режимов работы автотракторного дизеля 4Ч11/12,5 изменением физико-химических свойств топлива

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи 005015229

КАЗАКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ 4411/12,5 ИЗМЕНЕНИЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОПЛИВА

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели

1 2 2012

Москва, 2012

005015229

Работа выполнена на кафедре теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Патрахальцев Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ерохов Виктор Иванович,

кандидат технических наук, ст. науч. сотр. Мазинг Михаил Владимирович.

Ведущее предприятие:

Научно - производственное предприятие (ООО) "АГРОДИЗЕЛЬ"

Защита диссертации состоится " 21 " марта 2012 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 ВАК РФ при Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5. ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо - Маклая, д. 6.

Автореферат разослан «_» февраля 2012 г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета.

Телефоны для справок: 952-67-87,952-62-47. E-mail: nikpatrah@mail.ru

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.203.33

профессор fbtuuv^pЛ. В. Виноградов

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ ВСХ - внешняя скоростная характеристика. ДВСХ- динамическая внешняя скоростная характеристика. ЛВЖ- легко воспламеняющаяся жидкость. НУР - неустановившийся режим. РЯД - регулирование начального давления. УР - установившийся режим. ФХР - физико-химическое регулирование. Кя - коэффициент использования динамических свойств. Кщ - относительный показатель качества протекания НУР (по мощности). Пце - средний за переходный процесс относительный показатель качества протекания НУР.

В — дымность отработавших газов, ед. Бош. п. п. - переходный процесс.

С«,, Отяеж - расход топлива часовой, соответственно штатного дизельного и смесевого (с добавкой ЛВЖ и приведённого к дизельному по теплоте сгорания), кг/ч.

/<ь 1Уст, - моменты инерции двигателя, установки, Н-м-с2. Мс - момент сопротивления вращению вала дизеля, Нм. Ме, Мемж, - эффективный крутящий момент дизеля при работе на дизельном топливе и с добавкой ЛВЖ, Нм. Л'е. - мощность дизеля эффективная, кВт. РНач., Рост., - начальное и остаточное давления в ЛВД, МПа.

- положение рейки топливного насоса высокого давления.

- частота вращения, об/мин. (пр - время приёмистости, с.

е - угловое ускорение разгона вала дизеля, рад./с2.

ДЯд> - относительная степень отклонения показателя качества протекания НУР (по мощности, аналогично по моменту).

ДЯЛе - относительное отклонение от УР показателя качества протекания НУР (по мощности, аналогично по моменту и т.д.).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Доля автомобилей с дизелями в общем количестве автомобилей в странах Европы выросла до 50 %. Анализ условий эксплуатации автотранспортных дизелей показывает, что от двигателя требуются повышенные динамические качества, способность быстро запускаться, разгоняться, в том числе с места, принимая нагрузку, длительное время работать в условиях меняющихся нагрузок и частот вращения. Т. е. в подавляющем большинстве случаев (до 80 - 85 % всего моторесурса) дизели в условиях эксплуатации работают на неустановившихся режимах (НУР). Опыт эксплуатации показал, что работа на НУР приводит к потере эффективности (мощности, крутящего момента, а следовательно производительности машины), снижению экономичности, повышению загрязнения

окружающей среды, снижению моторесурса и надёжности работы, сопровождается повышенной шумностыо и т. д. по сравнению с аналогичными показателями, получаемыми при установившихся режимах (УР) работы в сходственных циклах (режимах) по положению регулирующего органа и частоты вращения вала. Повышение эффективности работы двигателя при НУР является актуальной проблемой двигателестроения. Правильная оценка возможной, достижимой степени загрузки двигателя при реализации НУР, повысит надёжность оценки эксплуатационной производительности машин с ДВС, что необходимо при планировании соответствующих работ.

Для России, где до 80 % территории находится в зоне низких температур окружающего воздуха, где автотракторная техника зачастую хранится на открытых площадках, а двигатели не оснащены средствами предпусковых прогревов, актуальным является обеспечение быстрого разгона (в том числе с места) после пуска холодного двигателя. Такие режимы важны также в случаях вынужденных экстренных пусков - разгонов двигателей специальной техники, машин обеспечения борьбы с чрезвычайными ситуациями, оборонной техники и т. д.

Существующие методы и средства повышения эффективности НУР дизелей как правило распространяются на случаи работы двигателей в области УР, т. е. скоростных режимов от минимальной до номинальной частот вращения. А в этих условиях дизель уже не является холодным, его тепловое состояние уже повысилось по сравнению с исходным даже при холодном пуске. А следовательно и применяемые в этих условиях методы и средства не рассчитаны на экстремально низкие температурные состояния двигателя. Этим ограничивается полнота решения проблемы.

Для дизелей автомобильного назначения наиболее важными эксплуатационными режимами являются режимы разгона, которые зачастую могут осуществляться от пусковой частоты, т. е. сразу после пуска, в том числе холодного.

В ряде европейских стран законодательно установлена необходимость остановки (выключения) двигателя при стоянке перед светофорами (с числовой индикацией времени стоянки до включения сигнала, разрешающего движение). Такие режимы важны при трогании с места после стоянки у тротуара и т. д. Особенно важны такие режимы для боевых машин при экстренном пуске и приёме нагрузки.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода повышения эффективности неустановившихся режимов разгона холодного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой, путём изменения физико - химических свойств топлива.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи.

1. Проанализировать возможности метода повышения эффективности протекания неустановившихся режимов разгонов в диапазоне частот вращения от пусковой частоты холодного дизеля при низких температурах окружающего воздуха путём изменения физико - химических свойств топлива добавкой к основному топливу легко воспламеняющейся жидкости или сжиженного нефтяного газа.

2. Разработать и оценить количественные значения показателей качества протекания неустановившихся режимов в этих условиях.

3. Модернизировать систему топливоподачи элементами регулирования начального давления для реализации метода.

4. Усовершенствовать математическую модель разгонов холодного дизеля при низких температурах окружающей среды в широком диапазоне частот вращении, начиная от пусковой, и провести необходимые численные эксперименты.

Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчётно - экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование неустановившихся режимов разгонов холодного дизеля при низких температурах окружающей среды в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью результатов с результатами опубликованных экспериментальных исследований, обработанных с применением методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней разработан и исследован метод повышения эффективности режимов разгонов холодного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой, путём изменения физико - химических свойств топлива добавкой к основному топливу легко воспламеняющейся жидкости или сжиженного нефтяного газа через клапаны регулирования начального давления топливоподающей системы. Уточнена математическая модель разгонов дизеля, учитывающая пониженное тепловое состояние двигателя. Расчётно - экспериментальными методами получены количественные значения показателей качества протекания неустановившихся режимов в экстремальных условиях по тепловому состоянию.

Практическая ценность работы заключается в том, что при реализации предложенного метода достигается повышение эффективности неустановившихся режимов разгона в широком диапазоне скоростных режимов, начиная от пусковых, в том числе холодного дизеля при низких температурах окружающего воздуха. Математические модели могут применяться для ускорения поиска рациональных показателей регулирования дизеля предложенным методом. Полученные количественные значения показателей качества процессов дизеля в указанных режимах-позволяют

оценивать потери эффективности работы дизеля в указанных режимах и возможности их совершенствования.

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов, в учебном процессе, в том числе при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на научных конференциях инженерного факультета РУДН в 2006 - 2010 г.г., на 84-м и 85 -м Всероссийских научно - технических семинарах в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009 и 2010 г. г., а также на Международной конференции Двигатель - 2010, посвященной 180 - летию МГТУ им. Н. Э. Баумана, в ноябре 2010 г.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы одиннадцать работ, из которых восемь - в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объём работы. Объём диссертации 133 страницы. Она содержит введение, 4 главы основного содержания, общие выводы, приложение и список использованной литературы, включающий 105 наименований. Основное содержание изложено на 112 страницах машинописного текста, на 57 рисунках и в 23 таблицах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы повышения эффективности неустановившихся режимов разгонов автотракторного дизеля, как прогретого, так и холодного, причём, в условиях низких температур окружающего воздуха.

В первой главе проведён обзор и анализ опубликованных работ, направленных на решение указанной проблемы. Анализ публикаций позволил сделать следующие выводы по состоянию проблемы. Для двигателей любых назначений в особый разряд неустановившихся режимов работы следует выделить экстремальные режимы пусков - разгонов холодного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха. В опубликованных работах задачи исследования и повышения эффективности экстремальных режимов разгонов холодного дизеля, протекающих от пусковых частот вращения, ставились редко. Для оценки показателей качества протекания НУР, качества и способностей дизелей реализовывать такие режимы, предложены различные показатели. Однако применимость их для случаев разгонов холодного дизеля в области низких частот вращения, начиная от пусковой, не подтверждена, а количественные показатели качества отсутствуют. Для численного эксперимента при исследовании НУР дизелей широко применяются математические модели, однако отсутствует информация о применимости их для режимов, расположенных ниже минимально устойчивых частот вращения, а также для случаев экстремально низкого теплового состояния ди-

зеля. Для повышения эффективности работы дизеля, в том числе при НУР, известно применение метода регулирования процессов в дизеле изменением физико - химических свойств топлива. Информация, подтверждающая эффективность такого метода для низких, от пусковых, частот вращения при экстремально низких тепловых состояниях дизеля, недостаточна. Известно применение систем топливоподачи с клапанами регулирования начального давления (РНД) для реализации метода физико - химического регулирования (ФХР) дизеля. Однако, информация о применимости таких систем для реализации экстремальных режимов как по частоте вращения, так и по тепловому состоянию дизеля, ограничена.

По результатам анализа публикаций сформулированы цель работы и задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Во второй главе проведён анализ особенностей рабочих процессов в дизеле при разгонах из холодного и горячего состояний. Показано, что в области низких частот вращения разгоны, проводимые сразу после холодного пуска, особенно с использованием легко воспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), представляют собой предельно возможные условия реализации разгонов. При более низком тепловом состоянии протекание разгонов невозможно. Метод ФХР может быть применим для повышения эффективности работы дизеля при НУР, так как при его реализации достигается существенное изменение характеристик тепловыделения и теплоиспользо-вания. Выбраны показатели качества протекания НУР дизеля, основанные на сравнении показателей при НУР и при УР. Важным показателем, характеризующим переходный процесс (п. п.) разгона, является его длительность, время приёмистости . Эта величина исчисляется с момента изменения режима до завершения п. п. или его выбранной части. В работе использованы такие показатели, как относительный выигрыш во времени выполнения операции:

где Ц шт- времена приёмистости двигателя (или установки с ним)

соответственно при применении добавки ЛВЖ и в исходном, штатном исполнении, принятом за базу для последующих сравнений. Коэффициент использования динамических свойств:

где * пр. ты , { пр. шт. - минимальное, теоретически возможное время приёмистости при квазистатическом (кв. ст) представлении НУР, т.е. при допущении, что мг = МР'Р при одинаковых положениях 1гр и п.

Относительный показатель качества протекания п. п. текущий и относительная степень отклонения показателя по мощности:

пр шт)і

(і)

(2)

(3,4)

Аналогично - по моменту.

Средние за п. п. относительные показатели качества протекания НУР, а также их относительные отклонения от УР (по мощности, по моменту), например:

т„

дг Нур I NЄП УР(*)<ІТ „ур

ЛИ = -;АП„ = 7. (5,6)

Є Я» Т»г„ ' М»

е" \КепУР(т)с1т 14 ч

о

Здесь Ие — рассматриваемый показатель рабочего процесса; —

среднее за НУР длительностью т„ (равной, в частности, времени приёмистости 1пр ) значение показателя при неустановившемся режиме; А'еур — свойственное статической характеристике значение показателя, соответствующее Иенур по частоте вращения п коленчатого вала и положению кр органа, регулирующего подачу топлива.

Коэффициент загрузки двигателя (по моменту или соответственно по мощности),

__ Кз.Ме = мец /Мен (7)

где Мег( — средний за разгон (двигателя или установки с ним) момент двигателя; Мен — номинальный крутящий момент двигателя.

В качестве базы для сравнения показателей качества протекания реального НУР разгона дизеля в штатном исполнении (гит.) выбраны аналогичные показатели теоретически возможного НУР, смоделированного с допущением квазистатического (кв. ст.) протекания п. п., т. е. без учёта особенностей рабочих процессов двигателя при НУР. Для оценки эффективности предложенного метода ФХР базой для сравнения являются показатели НУР дизеля (или установки с ним) в исходном, штатном исполнении, т. е. например, отношение мощности, развиваемой при добавке ЛВЖ (Ле. леж.) к мощности в штатном исполнении.

Проведён выбор математической модели для численного исследования НУР разгонов дизеля в исходном состоянии и при применении разработанного метода повышения эффективности НУР. Моделирование исследованных режимов проведено на основе результатов испытаний двигателя.

В начале разгона двигателя (с моментом инерции 1д) или установки (момент инерции 1уст) без нагрузки, вызванного мгновенным смещением рейки ТНВД в положение полной подачи топлива, создаётся НУР, который представляется уравнениями движения двигателя или установки:

М =1д-— или соответственно Ме-1 (8,9)

* ' т

Численное моделирование режимов разгонов может производиться на основании следующих положений. Для моделирования длительных НУР разгонов при допущении квазистатического протекания НУР целесообразно воспользоваться методом представления скоростных характери-

стик двигателя в виде аппроксимирующих зависимостей, которые используются в уравнении (1) движения системы двигатель - потребитель.

Внешние скоростные характеристики дизеля Ме = /(п) можно аппроксимировать полиномом следующего вида:

Ме = А + В-п + С-п2 +0-п3 +Е-п4; (10)

Тогда, задавая шаг расчёта Л(, частоту вращения вала при разгоне без

нагрузки определим по соотношению:

Л1 30 7 1

щ =+ — — {[А + В ■ щ_] + С ■ + о • (4-7/ +

I Л (11)

+ Е-(щ_1)4 ]}

При применении такого метода усложняется учёт п. п. в элементах, системах дизеля. Для учёта п. п можно воспользоваться экспериментально определенными динамическими внешними скоростными характеристиками (ДВСХ). Т. е. требуется определение ДВСХ на режимах разгонов. При этом разгоны должны проводиться в предельных условиях по тепловому состоянию (холодные и горячие). Имея ДВСХ дизеля, аппроксимируя их полиномиальными зависимостями, можно моделировать множество других, близких к используемым в экспериментах, разгонов. При этом также облегчается обработка результатов исследования.

Для реализации предложенного метода ФХР топливная аппаратура выполнена с подключением к ее линиям высокого давления (ЛВД) вблизи форсунок источников с добавками ЛВЖ или СПБТ через клапаны регулирования начального давления (РЯД) (рис.1).

Рис. 1. Система подачи добавок в дизельное топливо (ДТ) для реализации метода ФХР: 1 -ТНВД, 2 - нагнетательный клапан ТНВД, 3 - ЛВД, 4 - ограничитель хода клапана РИД, 5 - клапан РИД, 6 - питание электромагнитной катушки, 7 - ввод добавки, 8

— фильтр, 9 - вентиль, 10 — линия подвода добавки, 11 - электромагнитная катушка, 12 - шток, 13

- магнитная пластина, 14 - седло клапана РИД, 15 - направляющий хвостовик, 16- баллоны с добавками, 17 - форсунка закрытого типа, 18 — дизель.

При отсечке подачи топлива нагнетательный клапан 2 штатного ТНВД 1 при посадке в седло своим разгрузочным пояском формирует в ЛВД 3 волну пониженного давления, клапан РИД 5 открывается, благодаря возникающему перепаду давления на нём, и добавка из ёмкости 16 поступает в ЛВД 3. Здесь она смешивается с основным ДТ, создавая смесевое

топливо, которое в очередных циклах топливоподачи обычным порядком впрыскивается штатной форсункой 77 в цилиндр дизеля 18. Для прекращения подачи добавки на режимах, когда эта подача не желательна, подают электропитание на электромагнитную катушку 11. В результате магнитная пластина 13 притягивается к электромагниту и за шток 12 удерживает клапан РНД 5 в закрытом состоянии. Подача добавки прекращается. В работе приведены экспериментальные осциллограммы срабатывания системы с клапаном РНД.

Анализ энергетических свойств смесевого топлива, содержащего основное ДТ и ЛВЖ, показал, что теплота сгорания горючей смеси на базе такого топлива не зависит от содержания ЛВЖ в нём, а определяется лишь составом горючей смеси - коэффициентом избытка воздуха а . Следовательно, изменением содержания ЛВЖ в смесевом топливе нельзя влиять на развиваемый крутящий момент двигателя (при прочих равных условиях). Только обогащением горючей смеси (без превышения уровня предела дымления для штатного дизеля) можно увеличивать теплоту сгорания заряда и развиваемого крутящего момента. Целесообразное содержание ЛВЖ в смесевом топливе определяется возможностью получения надёжного самовоспламенения смеси при пусках из холодного состояния, а также приемлемым усложнением системы регулирования подачи ЛВЖ.

В третьей главе разработаны методики сравнительного исследования влияния различного исходного теплового состояния дизеля на протекание характеристик разгонов, а также влияния добавок легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) на повышение эффективности разгонов. Разработаны стенды и методики для исследования топливной аппаратуры дизеля и дизеля в целом с системой подачи ЛВЖ.

Для моделирования различных режимов разгонов, особенно в области частот вращения, на которых отсутствуют возможности поддержания УР, необходимо располагать динамической ДВСХ дизеля. Получение её возможно путём обработки характеристики разгона двигателя.

Представим ВСХ дизеля в виде аппроксимирующего её полинома, например, второй степени:

2

Ме =а; +а2-а+аусо , (12)

где а/,а2,- постоянные коэффициенты, требующие определения, сз-угловая скорость вращения вала. (Предварительным анализом нужно показать, что аппроксимация экспериментальной ВСХ полиномом второй степени обеспечивает достоверные результаты с достаточной точностью. В противном случае степень аппроксимирующего полинома должны быть повышена). Тогда для случая разгона дизеля без нагрузки получаем следующее уравнение динамического равновесия двигателя:

а]+а2-а + а3-со2-1^-е = 0. (13)

Если в период разгона определить три значения угловой 'скорости и три значения угловых ускорений, то получим систему уравнений:

а; + а2 - СО] +а3 - со/ - • Є] -0;

2

а] +й2 ■ со2 +а$-а>2 -І&-Б2 =0; (14,15,16)

а! + ¿¡2 ■ &з + ■ т\ -• £3 = 0.

Решение системы уравнений имеет следующий вид:

в} = 1д ' В1 ~ а2 ' ~а3 '(17>

а2 =1д-(є2~єі)/(со2-соі)-аЗ-(<>>2+®і); О8) и

аз={Ід-(єЗ-Бі) + Ід-[(£2-еі)/(<02-аі)]-(со1-

2 (19)

~(02)}/[соі •Сй2~сй3'со2~01'со3+ ^з ]■

При разгоне дизеля с потребителем, но без нагрузки необходимо знать момент инерции установки. В остальном процедура расчёта та же.

Проведены расчёты погрешностей определения основных параметров и показателей работы дизеля при различных режимах. Показана необходимость проведения многократных испытаний дизеля на одном и том же режиме. Показано, что выполняя 4-5 повторных реализаций режимов разгонов можно с достоверностью в 95 % утверждать, что результат исследования изменения частоты вращения вала не выйдет за пределы доверительного интервала, равного 10 %. В целом, применяемое оборудование и методики исследования обеспечивают получение достаточно точных и достоверных результатов.

Четвёртая глава. Проведён выбор легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ), как вещества, обеспечивающего физико - химическое регулирование (ФХР) рабочего процесса дизеля без превышения допустимого предела дымления при установившихся режимах (УР), при сохранении экономичности и без потери эффективности пуска - разгона из холодного состояния, но при некотором (до 8 %) повышении максимальных давлений циклов (без изменения угла опережения впрыскивания топлива). Добавка ЛВЖ к основному топливу через клапан РНД при полном и постоянном положении рейки ТНВД обеспечивает форсирование дизеля по моменту при УР на 8 - 9 % во всём диапазоне частот вращения (рис. 2). Такое форсирование стало возможным благодаря снижению дымности ОГ. Т. е. при работе на смесевом топливе с добавкой ЛВЖ не достигался допустимый предел дымления штатного дизеля.

Показано, что форсирование дизеля по моменту добавкой к основному топливу около 8 % массовых ЛВЖ через клапан РНД при постоянстве положения рейки ТНВД (Ър = 100%) практически не меняет показатели экономичности дизеля (даже несколько улучшает их) (рис. 3), несмотря на некоторое очевидное снижение коэффициента избытка воздуха.

700 1000 1300 1600

1900 2200 п, ¡/мин

Рис. 2. Внешние скоростные характеристики дизеля 44 11/12,5 (Д-240) и его модификации добавкой ЛВЖ через клапан РНД.

По результатам обработки достоверных характеристик разгонов двигателя или установки с ним при горячем и холодном состояниях по-

лучены динамические внешние скоростные характеристики дизеля (ДВСХ) (рис. 4), а также зависимости, аппроксимирующие эти характеристики, что необходимо для моделирования разных видов разгонов в пределах выбранных тепловых состояний.

300,0

280,0

260,0

■ - 240,0

а К)

700 1000 ¡300 1600 1900 2200 п, 1/мин

ЛВЖ в подаче.

Рис. 3. Внешние скоростные характеристики по показателям экономичности дизеля и дизеля с регулированием процесса добавкой ЛВЖ к дизельному топливу через клапан 220,0 РНД: (расход ЛВЖ приведён к ДТ по теплоте сгорания), ge , geJ,aж - удельные эффективные расходы ДТ и смесевого топлива (ДТ +ЛВЖ), Х- массовая приведённая доля

•■200,0

180,0

Обработкой ДВСХ получены аппроксимирующие зависимости характеристик крутящих моментов горячего или холодного двигателя в штатном исполнении и с добавками ЛВЖ, например:

Ме.х. = °>9384-(п/300 + 2/3)4 -19,333 -(п/ЗОО + 2/З)3 + +132,37-(п/300 + 2/З)2 - 306,68-(п/300 + 2/3) + 266,95. Я2 =0,9991.

350

300

250

£ 200

150

100

1000 1300 1600 1900 2200 п, ¡/мин

Рис. 4. Динамические ВСХ дизеля Д-240 в горячем (Г), а также и холодном (Л') состояниях (при пусках с подачей ЛВЖ на всасывании) и последующих разгонах, и вводе ЛВЖ через РНД и сравнение их с ВСХ штатного дизеля (Ме): Ме,(Г) - крутящий момент горячего дизеля после обычного пуска и разгона, МС(Х) - крутящий момент дизеля в холодном пуске (после кратковременного ввода ЛВЖ на всасывании); М^(Г)ЫЖ и Ме,(Х)Явж - соответственно крутящие моменты при разгонах горячего и холодного дизеля с подачей ЛВЖ через клапан РНД', (во всех случаях разгонов и ВСХ рейка ТНВД имеет положение 100%).

Ме.х.лвж. = 0,7179• (п/300+ 2/3)4 -14,351 • (п/300 + 2/3)3 + ^^

+ 93,21 • (п/300 + 2/З)2 -182,87 ■ (п/300 + 2/3) +158,27.

Показано, что в начале разгонов от пусковой частоты вращения относительные показатели качества НУР дизеля в штатном исполнении для горячего состояния могут снижаться на величины до 60 %, а для холодного - до 80 %, а средние за время приёмистости установки относительные показатели качества НУР снижаются на 14 - 34 % для горячего и на 56 - 81 % для холодного состояний.

Коэффициенты загрузки двигателя по моменту в тех же условиях для горячего двигателя составляют 0,70 - 0,85, а для холодного — 0,20 - 0,40. Снижение коэффициента загрузки по моменту двигателя по сравнению с квазистатическим представлением составляет 30 и 80 % для горячего и холодного состояний и самого короткого разгона и 14 и 57 % для самого длительного в этих условиях.

За времена приёмистости (г^,.) двигателя в данном состоянии относительные показатели качества и коэффициенты загрузки по моменту близки между собой. Однако для холодного состояния они снижаются почти вдвое по сравнению с горячим. Показатели качества и коэффициенты за-

грузки по мощности отличаются друг от друга на величины до 30 %, что определяется влиянием частоты вращения. При холодном состоянии двигателя они почти вдвое снижаются по сравнению с условиями горячего двигателя. При разгонах двигателя без потребителя снижение фактического коэффициента загрузки по мощности для горячего состояния (по сравнению с теоретически возможными величинами) составляет 5 и 19 % при разгонах соответственно от минимальной и пусковой частот вращения, а для холодного - 38 и 64 %. Т. е. диапазон частот при разгонах существенно влияет на средние загрузки двигателя. Установка с холодным дизелем теряет в производительности при реализации переходных процессов разгонов в 2 - 3 раза по сравнению с квазистатическим представлением,

В целом, применение ЛВЖ заметно сократило времена приёмистости дизеля и установки (рис. 5).

14

□ і пр,леж ■ (пр.шт.

9,3

4,1 4.1

5,5

4,5т

5,5 5,5

12,5

7ГОП

Де Де Г Д«Х Уст Уст.Г. Состояние двигателя или установки

вании процесса добавкой ЛВЖ(леж).

Уст.Х.

Рис. 5. Сравнение времени приёмистости ((щ,) двигателя (Де) или установки (Уст.) с ним при реализации разгонов от 100 мин"1 в горячем (Г) или холодном (X) состояниях в штатном исполнении (гит.) или при регулиро-

Для сравнительно коротких разгонов (от минимально устойчивой частоты вращения) потери эффективности НУР разгонов для двигателя и установки близки по значениям и составляют 3 - 4 % для горячего и 24 -28 % для- холодного состояний двигателя.

На эффективность развиваемых моментов при пусках - разгонах холодного дизеля с вводом ЛВЖ через РНД (Ме фмж) влияет прежде всего низкое тепловое состояние двигателя. Ввод ЛВЖ не только устраняет переходные процессы в топливной системе, не только повышает производительность тошшвоподач, но и уменьшает задержки воспламенения. Повышенная эффективность приводит к более высокому ускорению разгона дизеля. В результате дизель в этом случае быстрее достигает той же частоты вращения, на что тратится меньше времени, а следовательно дизель к этому моменту прогревается в меньшей степени. Это отрицательно сказывается на развиваемом моменте {Ме^)лж)> который всё же остаётся выше,

чем крутящие моменты холодного дизеля в разгоне после пуска с кратковременным вводом ЛВЖ на всасывании {Мещ) (рис. б).

Видно, что наибольшая интенсивность разгона получена при применении системы РНД для подачи ЛВЖ на «горячем» двигателе.

Рис. 6. Сравнение относительных выигрышей (дел. ( = А() во времени выполнения операций разгонов от 100 мин"1 двигателя (Де) или установки (Уст.) при применении метода ФХР (добавкой ЛВЖ к основному топливу).

Холодный двигатель с такой системой также разгоняется достаточно быстро, причём, у него нет режимов неустойчивого пуска.

Таблица 1.

Сравнение показателей качества (по моменту (Пш) и по мощности (ПКе) процессов НУР с коэффициентами загрузки по моменту (Л"3д&.) и по мощности (К3м) по результатам разгонов двигателя (от 100 1/мия) при приме-

нении ЛВЖ.

\Пока- Пме<Гтж) Пме(Х}П(!Ж ^^

?пг> Ч ^ 1^-зМе (Гшж ^-зМе. (Г)ЖЖ' ^''^К-з.Хе. ООявж

4,1 0,91 0,243 ^^ 0,82 0,075

0,238 ^--"'0,429 „^-"-"ОДШ

4,5 0,923 0,261 ^^^ 0,856 —~ 0,084

^^0,905 0,256

8,0 0,989 ^^ 0,514^^ 0,982 ^^ 0,358

^-^0,978 ^^"0,508 >,742 ^--^0,271

Сравнение эффективности применения ЛВЖ для горячего и холодного состояний двигателя видно на диаграмме рис. 7.

Применение ЛВЖ повышает средний крутящий момент Мср. на 22 и 17 % при разгонах установки от пусковой частоты вращения соответственно в горячем и холодном состояниях. Применение ЛВЖ в разгонах от пусковой частоты вращения более эффективно, чем при разгонах от минимально устойчивой частоты, как для холодного, так и для горячего состояний.

При реализации длительных разгонов из горячего состояния добавкой ЛВЖ удаётся сократить время приёмистости на 10 - 18 %, а из холодного состояния - на 10 - 14 %, вне зависимости от продолжительности разгона в выявленных пределах (двигатель или установка).

0,140 0.136

„ V .

ДвГ(явж) ДвХ(леж) Уст.Г.(леж) Уст.Х.(тж)

а

1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

\l.21 1 1,23 1,23 | 1,22 >1 1. 41 \ !1,2

1,17 1,18 1.1 7 І.і '8 1 ,24 1,17

......0,860

6 81с 1

Ч—™~Г 1..... "Т г— г т-

Л

л

о г

о1

О*

/• /• / 7 г/ „«Г

о

се

г

Относительные показатели (показатель с ЛВЖ/ показатель штатный. Рис. 7. Изменение относительных показателей эффективности НУР разгона двигателя от 100 мин"1 при применении метода ФХР добавкой ЛВЖ: отн. / пр, = г щ „ежАпр шт., отн. Меср, = Ме,срмж. /М е.срмт, и т. д.

Таблица 2.

Выигрыши от применения ЛВЖ при реализации разных режимов двигате-

Двигатель Установка

Показатель От пусковой От часто- От пусковой От часто-

частоты. ты П т1п частоты. ты п т]п

Относит. 1пр Г 18 10 9 10

X 14 10 14 10

Отн. Мср Г 22 12 22 12

X 17 13 18 12

Отн.Н ср Г 23 12 21 10

X 18 14 19 14

Отн. П м Г 23 12 22 12

X 17 12 16 26

Отн. К 3 м. Г 22 11 22 11

X 18 12 9 12

Отн. П дг Г 41 17 62 16

X 24 16 14 18

Отн. К ¡.у Г 20 12 20 12

X 17 14 9 14

Суммарное (условное) среднее Г 24,0 12,3 26,9 11,9

улучшение (%) X 17,8 13,0 15,6 15,1

Общие выводы и рекомендации

1. Показаны возможности повышения эффективности работы дизеля типа 4 Ч 11/12,5 автотракторного назначения и установки с ним при реализации неустановившихся режимов (НУР) разгонов в широких диапазонах частот вращения и тепловых состояний дизеля путём изменения физико -химических свойств топлива (метод «физико - химического регулирования» - ФХР).

2. Метод ФХР добавкой легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) к основному топливу реализован вводом ЛВЖ вблизи форсунок через клапаны регулирования начального давления (РНД) во время выполнения режимов разгонов.

3. В работе выбраны и оценены показатели качества протекания неустановившихся режимов работы НУР (разгонов) дизелей, степени отклонения показателей при НУР по сравнению с установившимися режимами (УР), средние за переходный процесс относительные показатели, или относительные отклонения средних за переходный процесс показателей от соответствующих их значений по статической характеристике, а также коэффициенты загрузки по моменту и мощности двигателя при реализации режимов разгонов.

4. Для определения указанных показателей разработаны методики проведения экспериментальных исследований, обработки их результатов, в том числе с использованием методов математической статистики. Показано, что для получения достоверной характеристики разгона с надёжностью 0,95 необходимо проведение не менее 5 разгонов, что обеспечивает получение доверительного интервала ±5%.

5. Для реализации математических моделей применена методика построения динамических внешних скоростных характеристик дизеля (ДВСХ) при разном тепловом состоянии и при широком диапазоне изменения скоростных режимов, в том числе от пусковых частот (при которых отсутствуют возможности поддержания установившихся режимов) до номинальных.

6. Показано, что относительные степени отклонения (от теоретически возможного уровня при сходственных установившихся режимах), например, крутящего момента, при разгонах от пусковой частоты вращения могут составлять до 60 и 80 % соответственно для горячего и холодного состояний двигателя. При этом коэффициенты загрузки по моменту могут снижаться, в зависимости от времени приёмистости, до 0,7 - 0,85 для горячего и до 0,2 - 0,4 для холодного двигателя.

7. При применении разработанного метода во время реализации разгонов двигателя или установки с ним от минимально устойчивой частоты вращения до номинальной, выигрыши во времени приёмистости, в величинах средних за режим крутящих моментов и развиваемой мощности, коэффициентах загрузки дизеля по моменту и мощности составляют порядка

12 % для горячего и 13 - 15 % для холодного состояния дизеля. Аналогичные выигрыши при реализации разгонов двигателя или установки от пусковой частоты вращения составляют 24 - 27 % для прогретого двигателя и 16 - 18 % для холодного.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах.

1. Савастенко А. А., Казаков С. А., Харитонов В. В. Особенности работы топливной аппаратуры газодизеля с внутренним смесеобразованием // ВЕСТНИК Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. - 2004. - № 2 (9). - С. 40 - 44.

2. Регулирование рабочего процесса дизеля изменением физико-химических свойств топлива. / Н. Н. Патрахальцев, JI. В. А. Санчес, О. В. Камышников, С. А. Казаков // Двигателестроение. - 2008. - Ks 4 (234). С. 3 -8.

3. Патрахальцев Н. Н., Соболев И. А., Казаков С. А. Совершенствование пусковых и динамических характеристик дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха // Двигателестроение. - 2009. - № 3 (237). - С. 32-36.

4. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумара Патабандиге И. Д. Применение сжиженного нефтяного газа для расширения ресурсов дизельного топлива // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2009. - № 3 (45). - С. 3 - 6.

5. Патрахальцев Н. Н.} Казаков С. А., Фернандо Кумар П. И. Д. Регулирование рабочего процесса дизеля изменением физико - химических свойств топлива (Тезисы доклада на 84 -м Всероссийском научно - техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им, проф. В. И. Крутова, МГТУ им. Н. Э. Баумана) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». -

2009.-№4(77). С. 118-119.

6. Тапиа K.M., Патрахальцев H.H., Казаков С.А. Методика диагностирования транспортного дизеля, работающего в экстремальных условиях окружающей среды // Автомобильная промышленность. - 2009. - № 6. - С. 29-32.

7. Патрахальцев Н. Н., Соловьёв Д. Е., Казаков С. А. Совершенствование режимов пусков - разгонов дизеля 4411/12,5 добавкой легковоспламеняющейся жидкости к топливу // Сборник науч. трудов международной конференции Двигатель 2010, посвященной 180 - летаю МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М. - 2010 г. - С. 243 - 247.

8. Патрахальцев Н. Н,, Казаков С. А., Фернандо Кумара П. И. Д. Показатели качества протекания неустановившихся режимов (НУР) разгонов дизеля после пусков (Тезисы доклада на 85 -м Всероссийском научно - техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова, МГТУ им. Н. Э. Баумана) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». -

2010.-№3(80). С. 119.

9. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Страшнов С. А. Повышение эффективности пусков - разгонов дизеля регулированием физико - химических свойств топлива путём добавки легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) к основному топливу (Тезисы доклада на 85 -м Всероссийском научно - техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф, В. И. Крутова, МГГУ им. Н. Э. Баумана) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2010. - № 3 (80). С. 119.

10. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумара П. И. Д. Показатели качества протекания неустановившихся режимов разгонов дизеля после пусков // Автомобильная промышленность. - 2011. - № 3. - С. 35 -38.

11. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумара Патабандиге И. Д. ЛВЖ как инструмент повышения качества разгонов дизеля после пуска // Автомобильная промышленность. -20 П. - № 4.-С.8-11.

Казаков Сергей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ 4411/12,5 ИЗМЕНЕНИЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОПЛИВА В диссертации представлен анализ снижения эффективности работы дизеля и установки с ним при реализации режимов разгонов из горячего и холодного состояния (в сравнении со сходственными установившимися режимами). Разработан метод и количественные показатели повышения эффективности таких разгонов регулированием состав топлива добавкой к нему легко воспламеняющейся жидкости. Показана возможность улучшения этих показателей на 15 - 20 % в сравнении с показателями при штатном исполнении двигателя.

Kazakov Sergey Aleksandrovich Rising of Effectiveness of Transient Regimes of Automotive Engine 44 11/12,5 by Variation of Physicochemical Properties of Fuel In thesis there are presented analyses of reduction of effectiveness of diesel and installation with it in regimes of starting and acceleration in warmed and cold conditions (in comparison with state regimes). There elaborated method for raising of effectiveness of such regimes with appliance of variation of physicochemical properties of fuel by addition of easy flammable liquids. There are demonstrated rising of efficiency of acceleration for 15 - 20 % in comparison with serial diesel. s—/fls^

Подписано в печать09.02.2012г.Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. Усл.

-печ. л. 1,0. Уч. -изд. л. 1,0. Усл. кр. -отт. 1,0. Заказ 117_

Издательство Российского университета дружбы народов

117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3._

Типография ИПК РУДН. 117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3.

61 12-5/2342

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ТЕПЛОТЕХНИКИ И ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

УДК 621. 436. 038.001

На правах рукописи.

КАЗАКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ 4411/12,5 ИЗМЕНЕНИЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОПЛИВА

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.04.02 - тепловые двигатели

Научный руководитель Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Патрахальцев Н. Н.

Москва, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ........4

ВВЕДЕНИЕ........................................................................7

ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы....................................11

1.1. Режимы работы дизелей в условиях эксплуатации...............11

1.2. Особенности рабочих процессов дизелей при неустановившихся режимах работы...........................................................................................14

1.3. Снижение эффективности, экономичности и ухудшение других показателей работы дизелей в условиях эксплуатации.........................17

1.4. Методы и средства повышения эффективности работы дизелей при реализации неустановившихся режимов.....................................18

1.5. Метод физико - химического регулирования дизеля.............23

1.6. Показатели качества неустановившихся режимов работы дизе-

25

леи..........................................................................................^

Выводы по главе 1..............................................................29

Постановка цели и задач исследования....................................30

ГЛАВА 2. Основные теоретические положения..........................32

2.1. Анализ особенностей рабочих процессов в дизеле при разгонах из холодного состояния в области низких частот вращения..................32

2.2. Анализ применимости метода изменения физико - химических свойств топлива для повышения эффективности работы дизеля при неустановившихся режимах................................................................35

2.3. Разработка показателей качества протекания неустановившихся режимов дизеля.............................................................................................45

2.4. Выбор математической модели для численного исследования неустановившихся режимов работы дизелей.....................................50

2.5. Модернизация топливной аппаратуры для реализации предложенного метода.......................................................................54

Выводы по главе 2..............................................................57

ГЛАВА 3. Основные методические положения...........................58

3.1. Объект исследования.....................................................58

3.2. Стенды и приборы, применявшиеся в экспериментальных исследованиях..............................................................................58

3.3. Анализ погрешностей измерений и вычислений...................63

3.4. Метод статистической обработки результатов многократных измерений....................................................................................69

3.5. Метод построения динамической внешней скоростной характеристики дизеля...........................................................................71

Выводы по главе 3..............................................................73

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных и расчётных исследований..........................................................................................75

4.1. Анализ результатов экспериментальных исследований при установившихся режимах работы дизеля................................................75

4.2. Анализ результатов исследований дизеля и установки с ним в штатном исполнении при режимах разгонов в диапазоне частот вращения от 100 до 2200мин"'............................................................82

4.3. Анализ результатов исследований дизеля и установки с ним в штатном исполнении при режимах разгонов в диапазоне частот вращения от 700 до 2200 мин"1................................................................94

4.4. Результаты анализа метода повышения эффективности работы дизеля при неустановившихся режимах изменением физико-химических свойств топлива.........................................................................97

4.5. Анализ эффективности применения ФХР при разгонах в диапазоне частот вращения от 700 до 2200 мин"1......................................110

Выводы по главе 4.........................................................117

Общие выводы и рекомендации....................................119

Список литературы......................................................10.1

Приложение...............................................................132.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ

АВСХ- абсолютная внешняя скоростная характеристика. ВСХ— внешняя скоростная характеристика. ДТ- дизельное топливо.

КДВС - комбинированный двигатель внутреннего сгорания.

КорВСХ- корректорная внешняя скоростная характеристика.

КПД- коэффициент полезного действия.

ЛВД - линия высокого давления топлива.

ЛВЖ- легко воспламеняющаяся жидкость.

ЛНД - линия низкого давления топлива.

НУР - неустановившийся режим работы.

ОГ- отработавшие газы.

ПД- предел дымления.

РИД - регулирование начального давления.

САР - система автоматического регулирования.

СОЦЦ- система отключения цилиндров и циклов.

ТНВД- топливный насос высокого давления.

ТЧ - твёрдые частицы.

УР - установившийся режим работы.

ФХР - физико-химическое регулирование.

ЦЧ- цетановое число.

ЧСХ - частичная скоростная характеристика.

п.п. - переходный процесс.

В - дымность ОГ, ед. Бош.

(тв - часовой расход воздуха, кг/ч.

От, - расход топлива часовой, кг/ч.

Я-дымность отработавших газов по Хартриджу, %.

Нн,дт - низшая теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг. Нн см - низшая теплота сгорания смесевого топлива, кДж/кг. Нгор.см. - теплота сгорания горючей смеси, кДж/кг.

4,1уст, 1М, 4 - моменты инерции двигателя, установки, маховика, потребителя, Н-м-с2.

К- коэффициент приспособляемости по моменту.

К„- скоростной коэффициент.

Ьо, - стехиометрическое число, кмоль/кг.

Мс - момент сопротивления вращению вала дизеля, Нм.

Ми Ме - крутящие моменты дизеля индикаторный и эффективный, Нм.

Ые. - мощность дизеля эффективная, кВт.

Р0, Т0 - давление и температура воздуха, соответствующие нормальному состоянию (Р0 = 100 кПа, Т0 = 298 К).

Рн, РнРф. - давление топлива в насосе, в штуцере насоса, в штуцере форсунки, МПа.

Рнач., Рост., - начальное и остаточное давления в ЛВД, МПа. Тс - температура в цилиндре в конце сжатия, К. Ук - рабочий объём цилиндра, л.

3

gц - цикловая подача топлива, мм .

g е - удельный эффективный расход топлива, г/кВтч.

Ир. - положение рейки топливного насоса высокого давления.

К, Ь рнд - ход иглы форсунки, ход клапана РНД.

К.рнд ~ ограничение хода клапана РНД.

/ - число цилиндров дизеля.

10 - стехиометрическое число, кг/кг.

т6 - молекулярная масса воздуха, кг/моль.

п- частота вращения, об/мин.

Рь Ре - Среднее индикаторное и среднее эффективное давления, МПа. ^ - время приёмистости, с. г - температура, °С.

а - коэффициент избытка воздуха.

ат - коэффициент сжимаемости топлива, мПа"1.

Ьлт- время расходования топлива, с.

ЬУт- объём колбы измерителя расхода топлива, см3.

р- плотность, кг/м3.

ро; рк _ плотность воздуха окружающей среды и перед клапаном, кг/м3. рт - плотность топлива, г/см3.

е ев - угловые ускорения разгона и выбега, рад./с2. в - угол опережения впрыска топлива, град, п.к.в.

(р, - угол поворота коленчатого вала, задержка воспламенения в градусах поворота коленчатого вала, град, п.к.в.

г, тг- - время, период задержки воспламенения в единицах времени, с. X - степень повышения давления при сгорании.

- коэффициенты теплоиспользования в точках г и Ь. Ль 1е, Цм - КПД индикаторный, эффективный, механический. ■Цу - коэффициент наполнения.

Хг> Хъ ~ коэффициенты тепловыделения в точках г и Ъ. ¡Лг- молекулярная масса, кг/кмоль.

ВВЕДЕНИЕ

Анализ условий эксплуатации дизелей во всех возможных установках показывает, что, как правило, от двигателя требуются повышенные динамические качества, способность быстро запускаться, разгоняться и принимать нагрузку, длительное время работать в условиях меняющихся нагрузок и частот вращения. Т.е. в подавляющем большинстве случаев (до 80 -85 % всего моторесурса) дизели в условиях эксплуатации работают на неустановившихся режимах (.НУР) [4, 8, 9, 10, 30, 51]. Опыт эксплуатации показал, что работа на неустановившихся режимах приводит к снижению экономичности, потере мощности, повышению загрязнения окружающей среды, снижению моторесурса и надёжности работы, сопровождается повышенной шумностью и т. д. по сравнению с аналогичными показателями, получаемыми при установившихся режимах (УР) работы [2, 11, 19, 20, 21, 29,31,80, 99].

Поэтому повышение эффективности, экономичности работы двигателя в таких условиях, повышение его экологических качеств, надёжности и долговечности в условиях неустановившихся режимов работы, резко переменных механических и тепловых нагрузок является актуальной проблемой двигателестроения. При этом для России, где до 80 % территории находится в зоне низких температур окружающей среды, где автотракторная техника хранится зачастую на открытых площадках, а двигатели не оснащены средствами предпусковых прогревов, актуальным является обеспечение эффективного пуска холодного дизеля и быстрого приёма нагрузки, выхода на режимы устойчивой работы. Такие режимы важны также в случаях вынужденных экстренных пусков - разгонов двигателей специальной техники, машин обеспечения борьбы с чрезвычайными ситуациями [38, 44, 50, 73,89,98].

Существующие методы и средства повышения эффективности НУР дизелей как правило распространяются на случаи работы двигателей в области скоростных режимов от минимальной до номинальной частоты вра-

щения. А в этих условиях дизель уже не является холодным, его тепловое состояние уже повысилось по сравнению с исходным при пуске. А следовательно и применяемые в этих условиях методы и средства не рассчитаны на экстремально низкие температурные состояния двигателя. Этим ограничивается полнота решения проблемы. Для дизелей автомобильного назначения наиболее важными эксплуатационными режимами являются режимы разгона. (Следует отметить, что доля легковых автомобилей с дизелями в общем количестве легковых автомобилей в странах Европы выросла до 50 %, см. Приложение 1). Эти режимы могут осуществляться как в диапазоне частот вращения, свойственных работе при установившихся режимах, так и разгонов от пусковой частоты, т. е. сразу после пуска, в том числе холодного пуска. Всё более актуальными становятся режимы разгонов и приёма нагрузки в области минимальных частот вращения, а также в области частоты вращения, начиная от пусковой. Так, в ряде европейских стран законодательно установлена необходимость остановки (выключения) двигателя при стоянке перед светофорами (с числовой индикацией времени стоянки до включения сигнала, разрешающего движение). Такие режимы важны при трогании с места после стоянки у тротуара и т. д. Особенно важны такие режимы для боевых машин при экстренном пуске и приёме нагрузки.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода повышения эффективности неустановившихся режимов разгона холодного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой, путём изменения физико - химических свойств топлива.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи.

1. Проанализировать возможности метода повышения эффективности протекания неустановившихся режимов разгонов в диапазоне частот вращения от пусковой частоты холодного дизеля при низких температурах

окружающего воздуха путём изменения физико - химических свойств топлива добавкой к основному топливу легко воспламеняющейся жидкости или сжиженного нефтяного газа.

2. Разработать и оценить количественные значения показателей качества протекания неустановившихся режимов в этих условиях.

3. Модернизировать систему топливоподачи элементами регулирования начального давления для реализации метода.

4. Усовершенствовать математическую модель разгонов холодного дизеля при низких температурах окружающей среды в широком диапазоне частот вращении, начиная от пусковой, и провести необходимые численные эксперименты.

Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчётно - экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование неустановившихся режимов разгонов холодного дизеля при низких температурах окружающей среды в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью результатов с результатами опубликованных экспериментальных исследований, обработанных с применением методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней разработан и исследован метод повышения эффективности режимов разгона холодного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой, путём изменения физико - химических свойств топлива добавкой к основному топливу легко воспламеняющейся жидкости или сжиженного нефтяного газа через клапаны регулирования начального давления топливоподающей системы. Уточнена математическая модель разгонов дизеля, учитывающая пониженное тепловое состояние двигателя. Расчётно - экспериментальными методами полу-

чены новые количественные показатели качества протекания неустановившихся режимов в экстремальных температурных условиях.

Практическая ценность работы заключается в том, что при реализации предложенного метода достигается повышение эффективности неустановившихся режимов разгона в широком диапазоне скоростных режимов, начиная от пусковых, холодного дизеля при низких температурах окружающего воздуха. Математические модели могут применяться для ускорения поиска рациональных показателей регулирования дизеля предложенным методом. Полученные количественные значения показателей качества процессов дизеля в указанных режимах позволяют оценивать потери эффективности работы дизеля в указанных режимах и соответственно возможности их совершенствования.

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов, применяются в учебном процессе и при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на научных конференциях инженерного факультета РУДН в 2006 - 2009 г.г., на международном семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2007 г.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликовано три работы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

11

ГЛАВА 1 Анализ состояния проблемы

1.1. Режимы работы дизелей в условиях эксплуатации

В условиях эксплуатации дизели автотракторного назначения лишь 15-20 % времени работают на установившихся режимах (УР) и до 80 - 85 % времени - при неустановившихся режимах (НУР). В диссертации приняты следующие определения этих режимов.

Установившийся режим (УР) - это работа двигателя при постоянстве во времени показателей рабочего процесса (ре, tje, п, Тг и т.п.). В этом случае наблюдается статическое равновесие моментов (или мощностей) причём, и Ме, и Мс сохраняют постоянство.

Ме = Мс = const, (следовательно, п = const) [59]. (1-1-1)

Таким образом, установившимся режимом (УР) на данном промежутке времени называется такой режим работы двигателя, когда все его параметры и показатели сохраняют практическое постоянство. То - есть в своём изменении они не выходят за пределы неравномерности или нестабильности, свойственной данному двигателю, как машине циклического действия. Для установившегося режима работы (УР) справедлива зависимость:

Основным признаком появления неустановившегося режима работы (НУР) является нарушение статического равновесия моментов двигателя и сопротивления:

В то же время неустановившийся режим возможен и при условии,

что

Mf, N?, glp Т», pz№, м», Nf ,Т}», г, Г,

4yJ,C%0x,C?0...u...m.d. = f(hp,n).

УР

(1.1.2)

(1.1.3)

Ме = Мс = var, п = const.

(1.1.4)

Т.е. равновесие по моментам сохраняется, но уже лишь динамическое, т. к. в общем случае моменты двигателя и потребителя изменяются во времени, оставаясь между собой практически равными в любой момент.

Следовательно, под неустановившимся режимом работы (НУР) двигателя внутреннего сгорания на данном промежутке времени понимается такой режим, когда по меньшей мере один, а в наиболее общем случае все его параметры и показатели в течение данного промежутка времени не сохраняют постоянства [20, 21, 59], то есть в своём изменении в течение за-

и

данного времени / выходят за пределы практического постоянства, свойственного данному двигателю при УР [22].

Для неустановившегося режима работы (НУР) двигателя справедливо в общем виде следующее соотношение:

^1.1.Э)

Любой неустановившийся режим целесообразно представлять в виде изменения по времени параметров и показателей работы двигателя (Ме, п, Ые, Ир... = /(0). Это позволяет разбить время всего НУР на элементарные участки, соответствующие времен�