автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной топливной экономичности транспортных дизелей регулированием их рабочих объёмов

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621.436.038.001

На правах рукописи

ПЕТРУНЯ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ИХ РАБОЧИХ ОБЪЁМОВ

Автореферат

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

1 АПР 2015

Москва, 2014

005566453

005566453

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: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Игорь Валентинович Московский государственный индустриальный университет (МГИУ); каф. «Автомобили и двигатели»;

кандидат технических наук, доцент Вальехо Мальдонадо Пабло Рамон, Государственный технический университет «МАМИ» (ГТУ - «МАМИ»);

Ведущая организация: Московский государственный технический

университет им. Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Защита диссертации состоится Оигхф, 20iSTb 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 yZÇ1 201^>гГ'

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: nikpalrah@rnail.ru

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.203.33

профессор ^ JI. В. Виноградов

Основные обозначения и сокращения, принятые в работе

ВСХ - внешняя скоростная характеристика. МН - малые нагрузки.

РНД- регулирование начального давления топлива. СОЦЦ - система отключения цилиндров или циклов. XX - холостой ход.

ЧСХ - частичная скоростная характеристика.

Ме, М;, Мм, Мс - моменты эффективный, индикаторный, механических потерь, сопротивления (потребителя).

Ь;, Ье, Ьм - работа индикаторная, эффективная, механических потерь, [Дж]. ЬПолн - работа полная, [Дж]. Цд - работа удельная, [Дж/дм3].

г-Уь - рабочий объём двигателя с т. работающими (активными) цилиндрами, [дм3].

Ьр - положение рейки ТНВД.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ В условиях эксплуатации транспортные двигатели, а также двигатели других мобильных машин длительное время работают на режимах малых нагрузок (МН) и холостых ходов (XX), на режимах принудительных холостых ходов (ПХХ), а также на неустановившихся режимах работы (НУР). Все эти особенности работы ухудшают эксплуатационные экономические, экологические показатели ДВС, показатели надёжности и долговечности.

Одним из методов улучшения экономичности режимов МН и XX, а также уменьшения выбросов С02, как парникового газа, является метод регулирования двигателя изменением его рабочего объёма, что в простейшем случае достигается отключением части цилиндров, или отдельных циклов. Преимущественное развитие метод получил применительно к двигателям с искровым зажиганием. В меньших объёмах отключение цилиндров используется в дизелях, что связано с более сложной конструктивной схемой выключения - включения подач топлива и т.д. Исследования метода применительно к дизелям разного назначения дают положительные, но в количественном плане достаточно противоречивые результаты по достижимой возможности повышения экономичности.

Целью данного исследования является оценка возможностей повышения эксплуатационной экономичности транспортных дизелей путём выключения — включения подач топлива и устранения переходных процессов в топливной аппаратуре при этих процессах.

Для достижения указанной цели требуется решение следующих задач.

1. Усовершенствовать методику расчётно — экспериментальной оценки удельной, часовой и путевой экономичности дизеля при реализации метода регулирования дизеля отключением - включением цилиндров или, иначе говоря, изменением его рабочего объёма.

2. Провести адаптацию методики применительно к дизелям типа 8 ЧН 13/14, 6 Ч 11/12,5 и выполнить анализ зависимости ожидаемых результатов по экономичности при реализации разных ездовых циклов или режимов движения автомобиля.

3. Получить ожидаемые количественные показатели повышения экономичности при реализации разных режимов движения автомобиля.

4. Предложить техническое решение по устранению переходных процессов в топливной аппаратуре при включениях - выключениях подач топлива.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Усовершенствован и исследован применительно к дизелям типа Д-260 и ЯМЭ-238 метод регулирования дизелей с системой топливоподачи разделённого типа изменением их рабочих объёмов, с целью повышения экономичности таких режимов.

Усовершенствована и применена в исследовании методика расчётно-экспериментального исследования экономичности режимов малых нагрузок дизелей, регулируемых изменением рабочего объёма, основанная на анализе экспериментальных универсальных характеристик двигателей Д-260 и ЯМЗ-238, построенных в координатах: удельная работа — частота вращения вала дизеля.

Усовершенствована и применена в исследовании методика оценки возможностей снижения путевого расхода топлива автомобилем с дизелем типаЯМЭ-238.

Предложены новые представления нагрузочных и регуляторных характеристик дизелей, регулируемых изменением рабочего объёма, в функции от регулируемого параметра - удельной работы двигателя.

Применительно к дизелям типа 6 Ч 11/12,5 и 8 ЧН 13/14 получены новые количественные данные, подтверждающие эффективность метода по показателям экономии топлива.

Практическая значимость результатов исследования заключается в подтверждении работоспособности элементов модернизации топливной аппаратуры разделённого типа для регулирования дизеля изменением рабочего объёма двигателя и регулирования начального давления топлива.

Разработанные методики оценки изменения экономичности дизеля при работе на малых нагрузках дают возможность оперативно определять возможные экономические эффекты от применения данного метода регулирования.

Применение предложенного метода и реализующей его системы позволит снизить расходы топлива при работе дизелей типа 6 4 11/12,5 и 8 ЧН 13/14 на режимах малых нагрузок и холостых ходов в широком диапазоне скоростных режимов до величин порядка 20 - 30 % от расхода полноразмерного дизеля.

Методы исследования. В работе применены расчётно - экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование ряда режимов работы дизелей.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется тем, что они не противоречат фундаментальным законам физики, достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью с результатами опубликованных экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры, в учебном процессе и при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Результаты работы доложены на научно -технических конференциях инженерного факультета РУДН в 2012, 2013 и 2014 г.г., на Всероссийском семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана, на юбилейной конференции в Вятской агроинженерной академии.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы 6 статей, 3 - материалы конференций и тезисы докладов, ещё 3 статьи находятся в печати, причём, 7 работ опубликованы в изданиях по списку ВАК РФ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведён анализ режимов работы автотранспортных дизелей в условиях эксплуатации и показана актуальность проблемы повышения топливной экономичности на режимах малых нагрузок и холостых ходов.

В первой главе показано, что проблеме повышения экономичности эксплуатационных режимов работы дизелей посвящены работы таких авторов, как Андрусенко П.И., Балабин В.Н., Баширов P.M., Березний В.В., Га-лиуллин P.P., Голубков JI.H., Грехов JI.B., Драгунов Г.Д., Ерохов В.И., Зиня-ев А.Б., Зленко М.А., Злотин Г.Н., Кутенёв В.Ф., Марков В.А., Минкин JI.M., Олесов И.Ю., Островский Г.Л., Патрахальцев H.H., Симеон А.З., Сла-вуцкий В.М., Толшин В.И., Филиппов А.З., Хомич А.З., Шатров Е.В., Эм-миль М.В., Эфрос В.В., Aouki Fujiro, Ekkert К., Henry W., Gauger R., Gilbert Peters., A.V. Romero, Toyoaki Fukui и др.

Реальные условия эксплуатации дизелей различного назначения отражаются в ездовых и др. испытательных циклах, представляющих собой результаты статистической обработки массы практических реализаций эксплуатационных режимов. Доля режимов малых нагрузок (МН) и холостых ходов (XX) может достигать 50 % и более от всего времени работы в условиях эксплуатации и при этом дизель тратит более 40 % общего расхода топлива. Одним из методов повышения эксплуатационной экономичности дизеля является метод регулирования его изменением рабочего объёма, что в простейшем случае достигается отключением-включением цилиндров (ОЦ) дви-

гателя. Среди средств ОЦ дизелей с топливной аппаратурой разделённого типа достаточно простыми и эффективными являются средства, основанные на использовании клапанов регулирования начального давления (РНД) с электроприводом. Показана необходимость методики предварительной рас-чётно — экспериментальной оценки возможностей повысить экономичность дизеля, реализующего такой метод. В результате проведённого анализа публикаций сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проанализированы причины снижения экономичности дизеля на режимах МН и XX. К ним относятся следующие. Низкое качество распыливания и распределения топлива по камере сгорания, а следовательно и смесеобразования. Чрезмерно высокие значения коэффициентов избытка воздуха а, приводящие к снижению индикаторного КПД, в соответствии с регулировочной характеристикой дизеля. Высокие неравномерности подач топлива по цилиндрам и нестабильности по циклам, приводящие к снижению индикаторного КПД (г|;), в связи с нелинейностью его зависимости от а. Снижение механического КПД (г|„) со снижением нагрузки, в соответствии с нагрузочной характеристикой дизеля. Поскольку включение - выключение подач топлива сопровождается переходными процессами в топливной аппаратуре (ТА), то возникают дополнительные потери, в частности из - за необходимости повышать минимальные частоты вращения. Пониженное тепловое состояние камеры сгорания (КС) приводит к потере рациональности установленного угла опережения впрыскивания топлива.

Анализ показал, что основными путями повышения экономичности таких режимов являются следующие. Выбор областей эксплуатационных режимов, отвечающих требованиям повышенной экономичности двигателя. Отключение цилиндров или циклов, приводящее к росту цикловых подач топлива и коэффициентов избытка воздуха в активных цилиндрах и соответственно росту т|;. Регулирование начальных давлений (РНД) топлива в активных цилиндрах, приводящее к стабилизации режимов работы дизеля с потребителем, снижению минимально устойчивых частот вращения, повышению качества процессов топливоподачи, устранению переходных процессов в ТА при выключении - включении подач топлива. Применение «физико-химического регулирования» (ФХР) дизеля, т.е. регулирования физико-химических и моторных свойств топлива, приводящее к улучшению процессов смесеобразования - сгорания при малых цикловых подачах топлива и низких частотах вращения. Выполнен анализ изменения механических потерь в дизеле при его регулировании отключением цилиндров (ОЦ). Показано, что с достаточной точностью можно принять, что абсолютные механические потери (Мм, рм и т.д.) дизеля зависят только от частоты вращения и не зависят от количества активных цилиндров.

Суммарные механические потери и их составляющие наиболее достоверно определяются прокруткой вала двигателя посторонним источником энергии с замером момента Мм. Возможно - методом выбегов после отклю-

чения всех цилиндров и т.д. В работе построены характеристики изменения М;, Ме, = Дп) при Ьр = 100 % при разном числе активных цилиндров г. Построены нагрузочные характеристики изменения т)м в зависимости от удельной работы (Ьуд), совершаемой дизелем (рис.1).

Рис. 1. Зависимость механического КПД (т|м) двигателя Д-260 при работе с числом активных цилиндров г = 2ц, Зц, 4ц, 5ц, 6ц при полных подачах топлива в активные цилиндры (Ир = 100 %):

ЬПОЛ11/^ V}-,), Ь^по данном режиме МН.

В главе приведено описание схемы и принципов работы системы отключения цилиндров или

120 140 160 180 200'220 240 260 280 300 320 340 360 - работа, выполняемая полноразмерным дизелем на

13 141516 „ Слив 1 jsdafesaUs А

Подтип

циклов, применяемой в данной работе (рис.2). Рис. 2. Схема системы топливоподачи с устройством отключения цилиндра и регулирования начального давления (РИД) топлива.

На схеме обозначено: А - штатная система топливоподачи, Б - дополнительный узел отключателя цилиндра и системы РНД: 1 - топливный бак, 2 - топливоподкачивающий насос, 3 - топливный фильтр, 4 - линия низкого давления (ЛНД), 5 - плунжер ТНВД, 6 - нагнетательный клапан с объёмной разгрузкой, 7 - линия высокого давления (ЛВД), 8 - форсунка закрытого типа, 9 - дизель, 10 - корпус клапана регулирования начального давления (РНД), 11 - ограничитель хода клапана РНД, 12 - возвратная пружина, 13 - клапан РНД, 14 - седло клапана РНД, 15 - электромагнитная катушка, 16 — полый подвижный шток, 17 - магнитный элемент, связанный со штоком 16, 18 - канал слива топлива и подпитки ЛВД топливом, 19 - крышка электромагнитной катушки, 20 - крышка катушки.

Предложены новые представления регуляторных характеристик дизеля, регулируемого изменением рабочего объёма (рис. 3).

Регулятор при падении частоты вращения включил дополнительно два цилиндра, т.е. дизель вышел на новый режим при z = 5.

Рис. 3. Схема регулирования дизеля 6 Ч 11/12,5 изменением числа активных цилиндров: наброс нагрузки от МС1 = 157 Нм (работа дизеля на трёх цилиндрах при Ьр = 100 %) до Мй = 329 Нм.; Ап - неравномерность регулирования.

В третьей главе выбраны объекты исследования (дизели типа ЯМЗ-238 (8 ЧН 13/14) и Д - 260 (6 Ч 11/12,5)) и приведены их параметры и показатели, даны описания стендов для исследования топливной аппаратуры с элементами её модернизации и дизелей в штатном и экспериментальном исполнении, основные расчётные уравнения обработки экспериментальных результатов, анализ погрешностей измерений и обработки результатов. Показано, что использование результатов измерений и их обработки позволяют решать поставленные в работе задачи.

Изложена методика оценки возможности повышения экономичности дизеля на режимах МН при его регулировании отключением цилиндров или циклов и выполнена её адаптация к объектам исследования. Разработана методика оценки путевого расхода топлива автомобилем с дизелем, регулируемым изменением рабочего объёма.

Эффективность работы дизеля при всех активных цилиндрах (т.е. полноразмерного дизеля) отражают показатели Ме, Ме и ре. При этом, ре отражает как эффективность работы одного цилиндра, так и всего двигателя. Если часть цилиндров выключена, то эффективность одного активного цилиндра выражается величиной ре. Но применить это ре для характеристики всего двигателя нельзя. Зато можно оценить работу всего двигателя, работающего при некотором количестве г активных цилиндров, выполняемой двигателем удельной работой (Ьуде). Пусть известен момент Ме [Нм], развиваемый полноразмерным дизелем. Выполняемая дизелем полная эффективная работа в этом случае равна

Ьполн.е= 2-71'Ме. [Дж] (1)

Тогда при полном рабочем объёме двигателя )-Уь [дм3] удельная работа полноразмерного дизеля равна

¿А II

700 1000 1300 1600 1900 2200 п, МИН~

Цде =2-тгМе/(1-Уь), [Дж/(дм3)], (2)

Если у дизеля число активных цилиндров равно ъ, то удельная работа такого дизеля при выполнении той же полной работы равна

ЦДе=ЬполнДг-Уь)= Ък-МДг-Уъ). (3)

Если режим полноразмерного дизеля задан через среднее эффективное давление ре [МПа]. Тогда

Ьуде = 500-ре [Дж/(дм3)]. (4)

Для дизеля с числом активных цилиндров ъ получаем:

ьуде = 500'ре •¡•У,У(7-УЬ) = 500-реч/г [Дж/(дм3)]. (5) Механический КПД двигателя, регулируемого отключением цилиндров (ОЦ), можно представить через отношение удельных работ:

/(Цде+Ьу„м) (6)

Поскольку Ьполн м = 2-я Мм, то полная индикаторная работа равна

I 'поли | 1^полн.е ^ чюлн м- (7)

Тогда

Лм=1-1/(1+(Ьуде/Ьудм) (8)

Существо методики изложено с использованием ранее опубликованной универсальной характеристики дизеля КамАЗ - 7406 (8 ЧН 12/12) (Уь = 1,36 дм3, ЬУь = 10,85 дм3). Пусть дизель на всех восьми цилиндрах работает на режиме с МН (с эффективным крутящим моментом Ме 8. = 80 Н-м при п = 1200 1/мин). Полная работа, выполняемая на данном режиме полноразмерным дизелем равна

Ьполн=2-тг-Ме = 2-л-80 = 503 Дж. (9)

Удельная работа полноразмерного двигателя на данном режиме составляет

Цд = Ьполн/О'Уь) = 46,3 Дж/(дм3). (10

По универсальной характеристике определяем, что ge = 370 г/(кВт-ч). Такую же полную работу (503 Дж) дизель должен выполнять при числе активных цилиндров г < Во всех этих случаях дизель развивает крутящий момент Ме, равный 80 Нм, т.е. порядка 10 % от полной нагрузки. Следовательно удельные работы дизеля с разным числом активных цилиндров составят:

при ъ = 6 Цд6 = 503/(1,36-6) = 503/8,16 = 61,6 Дж/(дм3); (11) при г = 4 Ьуд4 = 503/(1,36-4) = 503/5,44 = 92,5 Дж/(дм3); (12) при г = 2 Ц,д2 = 503/(1,36-2) = 503/2,72= 185 Дж/(дм3). (13) По универсальной характеристике при разной удельной работе двигателя получаем дизеля при разном числе активных цилиндров, а также относительные уменьшения удельных расходов (А§с), по соотношению

Л8е=[^е,8-8е,г)/8е,8М00%. (14)

Поддержание такого режима одним цилиндром невозможно. Известна методика построения топливной характеристики установившегося движения автомобиля с помощью МПХ. Допустим, что известна (или получена соответствующими расчётами) зависимость мощности N3, необходимой для движения автомобиля со скоростями Кроме того, известны передаточное отношение трансмиссии итр=4,239, КПД трансмиссии г)^ =0,9,

радиус колеса автомобиля гк=0,27 м. Тогда для ряда выбранных значений скорости автомобиля можно определить мощность двигателя

N«=N,/1^ (15)

и частоту вращения коленчатою вала п:

п = (ув/гк).(30/я).и1р (16)

По этим данным находим на МПХ полноразмерного двигателя (в координатах Ме - п) соответствующие точки пересечения ординаты частоты вращения с линиями постоянной мощности или вычисляем крутящий момент, исходя из полученных значений мощности и частоты вращения. В итоге получаем характеристику момента сопротивления потребителя, приведенную к валу двигателя. Пересечение этой характеристики с линиями постоянных ge позволяет построить зависимости ge=fl(va) и От=Г2(уа). Затем с учетом плотности топлива (рт) строим зависимость путевого расхода топлива от скорости (уа), т. е. (}т=1з(уа) в литрах на 100 км, где рт — в кг/дм3, а уа— в м/с. При регулировании двигателя изменением его рабочего объёма, МПХ целесообразно перестроить в координаты удельной работы двигателя (Цд) - частоты вращения (п), так как изменяя на данном режиме МН величину рабочего объёма двигателя, мы меняем его удельную работу при сохранении той же полной работы. Затем проводятся аналогичные операции для других режимов, а также для случаев отключения разного числа цилиндров. Реализация методики изложена в главе 4.

Проведён схематический анализ вибраций и колебаний автомобиля с дизелем, регулируемым отключением цилиндров. Возбудителями колебаний автомобиля могут быть внешние или внутренние источники. Внешние источники — это особенности вождения водителем, неровности дороги, особенности реакции автомобиля на эти причины и т.д. Внутренние источники определяются работой двигателя. ДВС является источником ряда периодических воздействий, зависящих от конструкции двигателя (т-тактность) и числа цилиндров (1 или т). В основном внутренние источники колебаний -это изменения крутящего момента на валу и изменения текущего момента инерции, а также периоды времени между ними. Число главных возбуждений колебаний определяется соотношением

КглавнИ/(т/2) (17)

Когда происходит отключение части цилиндров, Кглавн. изменяется. Частота возбуждений определяется уравнением

Рвозб= п-Кглавн.,60, (18)

где ^35 - частота (в герцах) следования главных возбуждений колебаний (Кглавн).

Таким образом, ускорения и замедления коленчатого вала, вызванные импульсами крутящего момента и момента инерции, приводят к повышенным колебаниям в системе передачи момента на колёса, к колебаниям в шестерёнчатых передачах (в пределах выборки зазоров в зацеплениях), продольным колебаниям автомобиля. Продольные колебания (ускорения - за-

медленна) автомобиля вызывают колебания блока двигателя, корпуса трансмиссии. Всё это снижает качество (комфортность) условий эксплуатации. Удары в зубчатых зацеплениях снижают их надёжность и долговечность. Кроме того, они передаются на подшипники трансмиссии, что является существенным источником шумового излучения, т.е. «загрязнения» окружающей среды. Работа с отключёнными цилиндрами увеличивает интервалы между вспышками и существенно изменяет показатели этих шумов (считается, что этот недостаток является одной из причин пониженной «востребованности» таких двигателей на рынках сбыта). Особенно неприятным является случай, когда частота этих колебаний совпадает с частотой собственных колебаний того или иного узла автомобиля. Считается, что отключение цилиндров целесообразно применять при числе цилиндров не менее шести, а предпочтительно - восьми, причём, предпочтительно - для V- образных двигателей.

В главе 4 на основе разработанной методики проведён анализ возможностей снижения удельных эффективных расходов топлива при работе на режимах малых нагрузок дизеля типа ЯМЭ-238 при его регулировании изменением рабочего объёма (рис. 4).

Рис. 4. Универсальная характеристика полноразмерного дизеля ЯМЗ - 238, перестроенная в координаты Ьуд — п для анализа возможностей повышения экономичности при регулировании двигателя изменением рабочего объёма; для примера обозначено: х-8 ц. - режим работы полноразмерного дизеля при ре=0,1 МПа при п=700 мин"1, Цд=50 Дж/(дм3), ge=540 г/(кВт.ч); х-4 ц. - режим работы дизеля при г=4 ц., при п=900 мин"' при выполнении той же полной работы, что и полноразмерный двигатель, а Ц,=100 Дж/(дм3), §е=320

г/(кВт.ч); х-2 ц. - тот же нагрузочный режим, но ъ=2, Ьуд=200 Дж/(дм ), §е~230 г/(кВт.ч).

Показано (рис. 5), что при нагрузке порядка 10 % от полной возможно отключением цилиндров достигнуть снижения удельного расхода на величину до 40 - 50 %.

•а

■С7 °5^1500 1900

Iе 170 3

900 110С 4L >

— 3 2 lO'Oi А

00 X Age

íV

60 50 40 30 20 10 0

7 6 5

2 z

Рис. 5. Изменение ожидаемых удельного эффективного расхода топлива (ge) и снижения удельного расхода (Age) в зависимости от числа активных цилиндров (z) двигателя, т.е. регулируемого изменением рабочего объёма, при поддержании нагрузки, соответствующей нагрузке ре = 0,1 МПа полноразмерного дизеля с «реечным» регулированием.

Отметим, что указанную нагрузку дизель может поддерживать при всех частотах вращения при числе активных цилиндров не менее двух.

При увеличении исходной нагрузки снижение расхода топлива уменьшается (рис. 6).

гЗО рис. 6. Изменение ожидаемых удельного эффективного расхода топлива (ge) и снижения удельного расхода (Age) в зависимости от числа активных цилиндров (z) двигателя, регулируемого изменением рабочего объёма, при поддержании нагрузки, соответствующей нагрузке ре = 0,4 МПа полноразмерного дизеля с «реечным» регулированием.

Предложено новое представление нагрузочных характеристик дизеля по ge в зависимости от удельной работы, выполняемой дизелем с отключением цилиндров при сохранении

исходной нагрузки (рис. 7). Рис. 7. Нагрузочные характеристики дизеля ЯМЗ — 238, регулируемого изменением рабочего объёма (отключением цилиндров), а следовательно в зависимости от выполняемой двигателем удельной работы Ьуд (исходный режим полноразмерного дизеля ре = 0,1 МПа).

и i m

1 — fe700 ->-8e>900 | -^fe,1100 -~ie>1300_ -*-€еЛ500 ^8e.l700|--^2eJ900 —ge,2100—

1

V

\

\ Ь

% \

Ц и

300 400 500 Дж/(ямЗ)

Методика оценки возможности повышения путевой экономичности двигателя при его регулировании изменением рабочего объёма (см. гл. 3) реализуется следующим образом. На рис. 8. наносится точка А, которая соответствует эффективному крутящему моменту, эффективной мощности или среднему эффективному давлению полноразмерного дизеля при частоте вращения 713 об/мин (или, иначе, скорости движения автомобиля (уа), равной 7 м/с).

Ьуд> Ре, 8е"258 г/ГкВгч)

Дж ^ П а ■

дмЗ

500

600 700 800 713 7

-1-

1000 1200 1400 1606

1019 1325 1631

10 13 16

36 47 [ 58

1800

Ые--15

2100 КВТ 1936 и,об/минг 19 \'я, м/с

68 \''а, км/ч

Рис. 8. Многопараметровая характеристика дизеля ЯМЗ-238, построенная в координатах Ьуд - п, с нанесёнными на неё характеристиками изменения удельных работ дизеля полноразмерного (8 ц.) и с разными числом активных цилиндров (7 ц., 6 ц., 5 ц., 4 ц., 3 ц.) при движении автомобиля с постоянными скоростями с постоянным передаточным отношением.

Аналогичным образом строятся точки при п = 1019, 1325, 1631, 1936. В результате характеристика А - Б представляет собой мощности (моменты) полноразмерного двигателя, которые нужны, чтобы на данной передаче двигаться с постоянными скоростями уа. Точки пересечения этой характеристики с параметрическими кривыми постоянных удельных расходов топлива (§е) дают характеристику изменения ge = %а). (Значения ge, лежащие между нанесёнными параметрическими кривыми ge = Дп), получаем интерполированием).

Для вариантов работы двигателя с числом активных цилиндров г = 8 ц., 7 ц., 6 ц., ...3 ц. вычисляем и наносим на характеристики значения удельных работ Ьуд. Например, для скорости движения 7 м/с и следовательно частоте вращения вала 713 мин 1 получаем значения удельных работ 125, 143, 166, 200, 249, 333 Дж/(дм3) соответственно для дизеля с числом активных

цилиндров г = 8, 7, 6, 5, 4, 3. (Работа дизеля на данном выбранном режиме малой нагрузки на двух или одном цилиндрах невозможна, что определяется недостижимо высокими значениями Ьуд). По аналогии с построением характеристики А - Б строим другие характеристики, например, В - Г, которая представляет собой потребное изменение удельной работы двигателя, работающего на тех же режимах, что и полноразмерный дизель, но уже с числом активных цилиндров г = 3 ц. Отметим, что дизель, работающий с тремя активными цилиндрами на тех же режимах, что и полноразмерный дизель (характеристика А - Г), развивает те же мощность и крутящий момент, что и полноразмерный двигатель. По полученным значениям удельных расходов, зная, что двигатель во всех вариантах регулирования развивает указанную эффективную мощность, рассчитываем часовые и путевые расходы топлива (Ст,0т=ад)(рис.9).

г45

•360-

, 280

10

-о-Ее,8 —0т,3

.. \

\ \ч \ \

\ \

--

13 16

40 35 |

о

зо 2

25 20 15

СУ

200

100 150 200 250 300 350

Рис. 9. Снижение удельного и путевого (С2Т) расходов топлива дизелем ЯМЗ-2Э8 при работе на трёх цилиндрах по сравнению с работой на тех же режимах полноразмерного дизеля.

При разработке методики регулирования дизеля отключением цилиндров или циклов выявилась целесообразность представления нагрузочных характеристик дизеля по удельному расходу топлива при разном числе активных цилиндров (рис. 10). Рис. 10. Изменения удельных эффективных расходов топлива при работе дизеля, регулируемого отключением части цилиндров, на том же режиме малой нагрузки полноразмерного двигателя в зависимости от удельной работы (Ьуд), выполняемой двигателем с разным числом ак-

400 Ьуд, Дж/(дмЗ)

тивных цилиндров.

Такая характеристика позволяет предложить порядок и количество активных цилиндров, которые следует применить для минимизации удельного расхода топлива.

Пусть потребная мощность рассмотренного выше автомобиля определяется заданным уравнением, например, = 0,0031"(уа2'8). Тогда на уни-

версальной характеристике (рис. 11) строится зависимость Ыс = А^п) для полноразмерного двигателя. Точки пересечения этой характеристики с ординатами скоростей автомобиля уа = 7, 10, 13, 16, 19 м/с дают значения ge для полноразмерного дизеля и соответствующую характеристику ge = для 8ц. При известных мощностях получаем и строим характеристику изменения часового расхода топлива От = для 8 ц. При известности скоростей получаем характеристику путевого расхода <3Т = для 8 ц.

Ьуд рд=258гЯк-Нтч')

ж-*) к ■ И Ч-^Л

кВт

250200-

13(47)

10

16(58) 19Г68"! уа. м/с (\'д, км/час)

Рис. 11. Применение многопараметровой характеристики дизеля типа ЯМЗ-238, перестроенной в координаты Ьуя - п, для построения характеристик расходов топлива при установившемся движении автомобиля и заданной характеристике мощности, потребной для движения автомобиля (N3), при регулировании двигателя изменением числа работающих цилиндров (8 ц., 6 ц., 4 ц., 2ц.).

Затем при тех же значениях мощности дизеля определяем значения удельных работ дизеля с числом цилиндров, например, ъ = 6. И повторяем

п_мин"1 40 От, кг/ч

30 -[>5 (2Х, )- -50л/(100 км) >45 -40 -35 ■30 ■25 ■■20 ■15

СГ:

г/(кВт.ч} ' 550- -500450- -400350--300-

операции, изложенные выше, получая характеристики Ьуд, ge, От, (2Т = йуа) уже для дизеля с числом активных цилиндров, равным шести. Аналогичным образом выполняются операции построения характеристик для дизеля с числом активных цилиндров 4 и 2.

Из рисунка следует, что на скоростных режимах от минимального до п = -1020 об/мин целесообразно (с точки зрения минимизации расходов топлива) работать на двух (активных) цилиндрах. В диапазоне частот от -1020 до -1630 - на четырёх, а в диапазоне частот от - 1630 до номинальной — на шести. Все восемь цилиндров активируются при необходимости выполнить ускорения или преодолеть повысившееся дорожное сопротивление или подъём. Видно, что в области низких скоростей движения автомобиля возможно отключение до 6 цилиндров. При скорости около 13 м/с режим работы дизеля выходит за внешнюю скоростную характеристику. Т.е. такие режимы невозможны. Отключением двух или четырёх цилиндров достигается выигрыш в расходе топлива до скорости около 16 м/с.

Как отмечалось выше, снижения расходов, полученные по применяемой методике, т.е. в идеальных условиях реализации, для получения реальных численных значений могут бьгть уменьшены на 40 - 50 %. Таким образом, они могут составить от 6 до 25 % для минимальной скорости. При скорости автомобиля 13 м/с (47 км/час) экономия путевого расхода топлива может составить 5-10 %. При скорости 58 км/час можно ожидать лишь 2-5 % экономии топлива.

Часть аналогичных исследований проведена применительно к дизелю Д-260 (рис. 12).

Рис. 12. Изменения удельных эффективных расходов топлива дизелем типа Д-260 и снижений удельных расходов при регулировании двигателя изменением числа активных цилиндров и реализации режимов с Ме = 35 Им, (т.е. меньше 10 % от полной).

Общие выводы. 1. Проведённые исследования подтвердили возможности повышения эксплуатационной топливной экономичности транспортных дизелей регулированием их рабочих объёмов, что реализуется отключением части цилиндров или циклов. В условиях равновероятности нагрузок и их продолжительности экономия топлива может составить порядка 30 %.

2. Выбрана схема модернизации топливной аппаратуры дизеля, на котором реализуется метод. Схема основана на установке в линии высокого дав-

600' г/(кВт-ч)

ления клапанов регулирования начального давления (РИД) с электромагнитным приводом удержания их в открытом состоянии для отключения цилиндра.

3. Разработана новая методика оценки путевого расхода топлива автомобилем с дизелем, регулируемым изменением рабочего объёма. Усовершенствована методика расчётно - экспериментальной оценки удельной экономичности дизеля при реализации метода регулирования рабочего объёма дизеля.

4. Проведена адаптацию методик применительно к дизелям типа 8 ЧН 13/14, 6 4 11/12,5 и выполнен анализ зависимости ожидаемых результатов по экономичности при реализации разных режимов дизеля или режимов движения автомобиля.

5. Предложено новое представление зависимости удельных эффективных расходов топлива от удельной работы, выполняемой при известном числе активных цилиндров двигателя.

6. Предложены новые представления характеристик изменения механического КПД дизеля, регулируемого изменением рабочего объёма.

7. Разработаны новые принципы формирования регуляторных характеристик дизеля, регулируемого изменением рабочего объёма. Предложены новые представления таких регуляторных характеристик.

8. Исследования показали возможности снижения удельных расходов топлива дизелем, работающим на режимах малых нагрузок, путём изменения его рабочего объёма, на величины до 20 - 40 % от расхода штатного дизеля, работающего на том же режиме.

9. Предложено техническое решение по устранению переходных процессов в топливной аппаратуре дизеля с системой отключения цилиндров или циклов, основанное на регулировании начального давления топлива.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах. СТАТЬИ

1. Патрахальцев H.H., Никишин И.А., Петруня И.А. Повышение экономичности режимов малых нагрузок дизеля КАМАЗ-740 изменением его рабочего объёма//Грузовик &... 2013. - № 5. - С. 31 — 34.

2. Патрахальцев H.H., Петруня И.А., Никишин И.А. Применение альтернативных топлив для регулирование рабочего процесса дизеля изменением физико-химических и моторных свойств топлива // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. - 2013. - № 2 (71). - С. 8 - 13.

3. Патрахальцев H.H., Мельник И.С., Петруня И.А. Повышение экономичности режимов малых нагрузок судового дизеля, работающего на вит-регулируемого шага // Двигателестроение. — 2013. - № 1. - С. 38 - 41.

4. Возможности повышения экономичности режимов малых нагрузок двигателя ВАЗ-2118 / H.H. Патрахальцев, И.А. Петруня, P.O. Камышников, Э.А. Савастеко // Автомобильная промышленность, 2014. - № 4. - С. 9 - 10.

5. Оценка возможности повышения экономичности автомобиля регулированием рабочего объёма двигателя / Патрахальцев H.H., Петруня И.А.,

Камышников P.O., Савастенко Э.А. // Автомобильная промышленность. -2014,-№6.-С. 10-12.

6. Снижение токсичости и дымности выбросов дизеля добавкой СПБТ и регулируемого м рабочего объёма. / Н.Н. Патрахальцев, И.А. Петруня, P.O. Камышников, Д.С. Скрипник //Транспорт на альтернативном топливе. -2014. -№3 (39)-С41 -47.

МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИЙ

1. Патрахальцев Н.Н., Петруня И.А., Камышников P.O. Корректирование внешней скоростной характеристики 4-х тактного двигателя (тезисы доклада.) // 88-й Всероссийский семинар в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Февраль 2013 г. - 2014. - № 1. - С. - 114.

2. Патрахальцев Н.Н., Петруня И.А., Камышников P.O. Оценка возможности повышения экономичности режимов малых нагрузок дизеля, работающего с винтом регулируемого шага. (Материалы конференции) // Вторая всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы морской энергетики». Санкт-Петербургский морской технический университет. Санкт-Петербург. - 14 февраля 2013 г. — С. 71 - 74.

Петруня Игорь Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ИХ РАБОЧИХ ОБЪЁМОВ Показана возможность и оценены количественные показатели повышения экономичности режимов малых нагрузок дизелей типа ЯМЗ-238 и Д-260 отключением цилиндров или циклов. Приведены новые представления регуляторных, универсальных и нагрузочных характеристик в зависимости от удельной работы дизеля с частью отключённых цилиндров.

Petrunya Igor Aleksandrovich There presented some opportunities and indices of rising of fuel economy of vehicle diesels ЯМЗ-238 and Д-260 by disconnection some cylinders or cycles during low loads. There presented some new characteristics in dependence of specific work of engine with some disconnected cylinders.

л/

Подписано в печать 22.09.2014 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме.

_Усл. печ. л. 6,74. Тираж 100 экз. Заказ 1286._

Российский университет дружбы народов

_115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3_

Типография РУДЫ 115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3, тел. 952-04-41