автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Расчетная оценка возможности пуска тракторного дизеля и эффективность облегчения пуска подогревом впускного воздуха



, ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА*' НАУЧНО-КССЛЕДОВАТЕЛЬСКЙЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ЙНСТНТУТ

на правах рукописи

С0Р0ВКК03 Валентин Федорович

УДК 621.435-5"?

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПУСКА ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБЛЕГЧЕНИЯ ПУСКА ПОДСГГЕВСЙ ВПУС1ШОГО ВОЗДУХА

Специальность 05.04.02 - теплоенё дзйгатели

А В Т О Р Е Ф Е Р А X дассертаций на соискание ученой степени кандидата технически* наук

С.- Петербург 1993

Работа выполнена в! Белорусском аграрном техническом университете (г. Минск).' -"'

Научный руководитель: Ч.В.ДРОБЫШЕВЙ01Й, кандидат

технических наук, доцент

Официальные оппоненты: А.В.ННКОЛАЕНХО, доктор технических

наук, профессор;

Ы.й.БЕЛоусов, кандидат технических наук,■ старший научный сотрудник.

.Ведущее предприятие;. производственноеч объединение "Минский тракторный завод"

Защита диссертации состоится "45" Ос&__1994 г. в часов

в конференц-зале института на заседании специализированного совета K-134.02.0l по присуждению ученой степени 1сандидс1та технических наук при Центральном ордена "Знак. Почета" научно-исследовательском дизельном институте по адресу: 196158, г. О-.-Петербург, Московское шоссе, д. На, корп. 1.

и диссертацией можно ознакомиться ' в технической библиотеке института. . • .

Отаывн на. автореферат просим направлять в двух экземплярах, ва-верошше печатью, по ^указанному 'адресу, на имя ученого секретаря специализированного совета. , ■

Автореферат разослан "¿13"__1993г.

Ученый секретарь совета, к.т.н., с.н.с.

Б.М-БОГДАНОВ

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Улучшение пусковых качеств автотракторных дизелей в условиях низких температур окружающей среды является -весьма важной научно-технической и народнохозяйственной задачей. Наиболее перспективным способом запуска дизелей- является' запуск без предварительного разогрева масляной ванны и деталей,), образующих • камеру сжатия воздушного заряда, так называемый холодный пуск. Это сложная задача, включающая в себя комплекс проблем по разработке зимних масел, мокших пусковых систем, средств облегчения пуска. Кроме того, проведение экспериментальных исследований по этой проблеме трудоемко и дорогостояще, как из-за сложности моделирования условий окружающей среды, так- и из-за высокой Стоимости образцов опытных систем и узлов. При этом, замена хотя бы части физического эксперт мента математическим является важной современной задачей при прогнозировании , эффективности технических мероприятий по. улучшению пусковых качеств тракторных дизелей. . -

Цель исследований. Целью диссертационной работы является разработка методики расчетной оценки возможности пуска дизеля и улучшение пусковых качеств дизеля, путем максимального использования возможностей такого способа облегчения пуска,' как подогрев впускного воздуха. ' .

• Объект исследований. Принятый з качестве объекта исследования, дизель Д-144 выпускается АО "ВТЗ" (г. Владимир) и применяется в качестве силового'агрегата на тракторах тягового класса 0,9 кН Т28*4М и его модификациях, Т-40 ДМ, Т-40 АНМ и на ряде мобильных машин различного назначения (экскаваторы ЭМ- 152В,' катки ДУ-50 и другие строительно-дорожные машины).

Методика исследований. При теоретических исследованиях использованы законы .термодинамики и теплопередачи для решения задачи разработки методики расчета термодинамических параметров воздушного заряда на такте сжатия и определения ' значения периода задержки воспламенения (ПЗВ) при первой вспышке .топлива. Методика реализова-вана в пакете прикладных программ для автоматизированного расчета указанных параметров пускового процесса на ЭВМ. '. ' ' ,

Лля .подтверждения полученных результатов теоретического анализа и нрякомернасти • сделанных допущений проведены э^лериментальные исследования, рк-иочдащие'.в' себя\ индииирование и термогрэфирование

рабочего тела дизеля при прокручивании дизеля в пусковых режимах, определение пусковых характеристик дизеля при применении некоторых средств облегчения.пуска, индициравание при пуске и разгоне дизеля, оценка влияния на наполнение дизеля установки теплообмеиного пускового устройства во впускной системе дизеля. ' ' , Научную ндвизну представляет разработка следующих вопросов: метод расчета ' термодинамический параметров воздушного заряда дизеля на такте сжатия с учетом переменного количества воздуха, .участвующего в.'сжатии; ' ■

- методика .получения расходной функции утечек воздушного заряда на такте'сжатия взависимости от. условий пуска-,- ''....'

метод приближенного . определения ГВВ при первой 'вспышке топлива, по расчетном диаграммам- т'ермодинашч^ских параметров сжатия.. ■ Практическую ценность в работе представляет разработанный пакет программ для .ЭВМ,.реализующий предложенную методику расчетной оценки 'возможности ,' пуска, тракторного :дизеля. Применение разработки позволит прогнозировать': ■ '.".--,. ' И ... '••."'.

- зону уверенного пуска дизеля в различных условиях без применения средств облегчения пуска, и облегчении пуска подогревом впускного .'воздуха, 'необходимую эффективность. подогревателей впускного воздуха:' ' ' ' ' .''■ ' / . •'..-' '. : ' '•;' -

- рациональную-температуру стенок камеры сжатия при проектировании систем предпускового подогрева диэдля - по ;возмсшнрсти. появления первых вспышек топлива в цилиндрах;. • \

- оптимальный угол опережения впрыска топлива (УОЬТ) припуске.

Установлена высока эффективность облегчения холодного пуска ди-аеля при применении интенсивного' подогрева впускного воздуха, подт-верЗкдено благоприятное протекание рабочего , процесса; дизеля, при пуске и' разгоне дизеля с применением этого способа облегчения пуска, в результате работы предложен-ряд технических- решений щ .уровне изобретений, направленных на улучшение пусковых качеств дизелей. _ • "'■""...•'' '..':,'.' ''.'*• .'•'..,.' • • • ' Реализация результатов исследований. Пакет, программ, реализукмцих раараоотанше методики;: 'принят к использованию [в ГСНБ АО "ВТЗ" (г. Владимир) и* ОТК^изёДьногЬ,производства рмз (г.: Рыбинск). В ходе разрабочей опытного теплообмеиного нускошго устройства с . участием автора-диссертации, предлой'ейа модернизация, с поинаенис-м чффектив'-ности, электрофакельного ю>догрсп.чтпт ЭМ1-«1СМбио 'я.е. счл'Р N 1

"ЧР г0"). РЧ''рабОТ-'>НЧ И применяется !• И'КН АО ИПР>Ь \«--1;,>1И>-'! ШНИ-

цирования и получения разгонных характеристик дизеля при пуске с согласованием частотных характеристик звеньев измерительной цепи, состоящей иs достаточно распространенных датчиков и приборов.

Ведется подготовка производства, к внедрению на РМЗ головки блока цилиндров по а.с. СССР N'1 710 805 ', содержащей модернизированный впускной канал "падающего" типа, уменьшающий" интенсивность осевого вихря в цилиндре дизеля и повышающий, тем самым, значения термодинамических параметров воздушного заряда на такте сжатия.

БАТУ совместно с ПО "Минский моторный завод" (г. Минск) с участием автора диссертации ведется разработка злектроподогревателя впускного воздуха дизеля на пусковых режимах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции БКМСХ "Проблемы механизации, электрификации, автоматизации сельского хозяйства и подготовка инженерных, кадров" (г. Минск, 1991 г.), заседании кафедры "Тракторы и автомобили" БИМСХ (г. Минск, . 1931 г.), научно-техническом совете ГСКБ ПО "МТЗ'Чг. .Шнек, 1993 г.).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах,, в т.ч. в пяти статьях. '

птр/ктура и объем работы.. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы (57 наименований, из них & - на иностранных языках), двух приложений. Работа из-, ложена на 98 страницах машинописного текста, иллюстрирована • 31 рисунком, содержит*. 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и кратко излагается ее содержание.- .

В первой главе диссертации проведен обзор и анализ работ В.Л. Купершмидта, Н.И.Ролдугина, В.А.Назарова, H.H.Сметнева, Г.С.Лоса-вио, Н.С.Ждановского, А.В.Николаенко, А.К.Костина, В.В.Карницкого, Ю.В.Микулина, Е.М.Харитокчика, Н;В.Болдырева, Л.А.Николаева. Г.С. Кузьмина, Н.П.Цаюна, B.W. Степанова, Ю.м.Стесина и др., посвященных проблеме улуч->"!ия пусковых качеств дизелей, рабочего процесса при пуске, прогнозирования пусковых'характеристик дизеля в зависимости от условий пуска. Результаты этих работ позволили улучшить пусковые системы автотракторных дизелей .теоретически' и экспериментально выявили основные закономерности процессия на пусковых режимах. Тем

не менее, следует признать, что процесс холодного пуска тракторных дизелей изучен недостаточно. Например, недостаточно полно изучены: неустановившиеся гидродинамические и термодинамические процессы в цилиндрах дизеля на тактах наполнения и сжатия заряда воздуха, потери тепла в стенки цилиндров и камеры сжатия. Неполно изучены особенности применения различных средств облегчения пуска, их влияние на показатели рабочего процесса дизеля. Отсутствуют удовлетворительные для современного уровня знаний методики прогнозирования возможности пуска дизеля даже для такого простого способа облегчения пуска, как подогрев впускного воздуха.

Исходя из изложенного, в настоящей работе были.поставлены следующие основные задачи : ' ,

- разработать методику расчета диаграмм давления и температуры воздушного заряда дизеля ■ на такте сжатия в пусковых режимах и методику приближенной оценки возможности появления первой вспышки топлива при пусковом прокручивании дизеля по расчетным диаграмма».: сжатия ;

- экспериментально оценить адекватность разработанной методики ;

- выявить максимальные возможности и преимущества способа облегчения пуска интенсивным подогревом впускного воздуха дизеля.

Во второй главе теоретически рассматривается процесс сжатия воздушного заряда в цилиндре дизеля на пусковых режимах. Основными особенностями процесса являются неравномерность вращения коленчатого вала (к.в.) дизеля и значительные утечки заряда при приближении поршня к ВМ'Г, Таким образом, получение диаграмм термодинамических параметров сжатия требует знания текущих утечек воздушного заряда.

Исходными положениями для разработки методики расчета диаграмм сжатия являются следующие. .

Н.С. Ждановскнй, A.B. Ннколаенко и Г.С. Кузьмин при рассмотрении процесса сжатия предложили считать, что тепло, выделившееся в процессе политропного сжатия Qi , полностью отдается в стенки камеры сжатия Ог , т.е. |Qi|»|Q2|. Qi и Qz можно определить с помоаью известных из термодинамики выражений : ,

Qi « т3 Су—-——- Тп (г/1'"1 - 1) ; (1)

ni- 1

Q2 - tip ср Пэкг 'Тот) Ftc t i (2)

где го», Cv, Та - состьететг^нмо, ма^оа. г«плоемкость и- темп^рату-

ра заряда, участвующего в процессе сжатия; ед - действительная степень сжатия; Ые ср- средний за процесс сжатия коэффициент теплоотдачи от воздушного заряда в стенки камеры сжатия; ТЭКв" эквивалентная температура заряда; Тст - температура стенок камеры сжатия; Р?е-" поверхность теплоотдачи за процесс сжатия; х - продолжительность процесса сжатия; гн - показатель .политропы сжатия.

При этом е£Р ср определялся с помощью выражения Г. Вошни для мгновенных значений коэффициента теплоотдачи :

*г ср

1 561 0-°'2 См0'8 р0-8 Г0'53 ; (3)

где р и Т -соответственно, мгновенные значения давления и температуры заряда; Ь - диаметр цилиндра; сы - средняя скорость поршня.

Окончательное выражение для определения среднего показателя щ политропы.сжатия и, соответственно, ,ТС и рс - температуры и давления'конца, сжатий на режимах пуска-имеет вид : - '

П1 - к .'." ' ■ '•■ г 1561 см0'8(т3Ю0'5з(РаУаП|)0'27

-- Та:(едп^ 1 -1) + .,■-' ¿.V -л

П1 - 1 г УН

Твйда-Едп1"2)

уаО, 47-0,2?п, _ у ..0, 47-0.27гц V

0,47 - 0.27гц

(£д-1)(2-Гц)

Ртс "С - 0; (4)

где г - экспериментальный коэффициент, учитывающий расхождение ре-вультатов пуска по сравнению с рабочими режимами..

Однако, приведенная методика Позволяет получить лишь давление и температуру Конца такта сжатия, а для сценки возможности возникновений первой вспышки, топлива необходимо производить расчет диаграмм давления и температуры процесса сжатия при пусковом прокручивании дйзеля. Для; этого, во-первых, необходимо задаться экспериментальной зависимостью Изменения мгновенной частоты вращения к.в. дизеля от угла поворота к.в.,. пе « Т1 ($), при интересующей нас средней частоте вращения п3 ср. Во-вторых, для расчета текувда значений коэффициента сохранения заряда можно воспользоваться допущением, что, при Кусочно-непрерывной аппроксимации'процесса сжатия, в пределах элементарного изменения Ар, можно принять истечение воздуха через неплотности сопряжения "поршень-цилиндр" - как истечение из объема с постоянным давлением, - равным среднему давлению за этот период.

Расход воздуха при политическом режиме, истечения может быть определен по формуле :

в - 8,34*104 рГ Рм /-- (1 " — ) 5 (5)

V ТмРм ^ г Рм '

где р - давление среды, в которую поступает газ; Рм - давление среды, из которой вытекает газ; Тм - температура среды, из которой вытекает газ; .ц. - коэффициент расхода; ? - площадь сечения отверстия, эквивалентного неплотностям сопряжения "поршень-цилиндр". При надкритическом истечении - по формуле : л ' Рт

; в » 4,08*30 р.Г - . (6)

Поскольку течение воздуха в сопряжении "поршень-цилиндр" является сложным, то коэффициент расхода воздуха р. трудно описать аналитически. Поэтому, наиболее простым и достаточно точным способом описания Функции расхода воздуха может быть получение эмпирической зависимости расхода от основных параметров сжатого воздуха. Учитывая выражения (5, 6), можно предложить на участке сжатия воздуха утечки заряда описывать Функцией вида: в - Га ((рСр - 0,1) / т о.

'ср / •

В. Л. Купершмидтом предложено на пусковых режимах вести расчет температуры и давления конца сжатия с учетом коэффициента сохранения заряда г; :

П1

Ра - Рс (£дС) ; (7)

П1"1

Та - Тс (ед$) . ■ (8)

Такой же подход предложен автором диссертационной работы и к рассматриваемому участку сжатия, при этом используется текущий коэффициент сохранения заряда.

Средние значения давления, температуры и коэффициента теплоотдачи от.воздушного заряда к станкам камеры сжатия в предел?» изменения угла .поворота к. р. Л? от 91 дс (рт определялись среднеарифметические :

Рор - 0.5 п[ 1 + (ЕГ,т)П]]; '9)

Г "1-11

Тер - 0,5 Т1[ 1 + (е4т) (10)

«/, ср - 0,5*1661 [>-0.2с>8р,0.8ТГ0'53[ 1 + (е^)0'27П1+0,63];(11)

где г = VI/У|+1 - степень сжатия на элементарном участке.

Можно.допустить равенство ТЭкв = Тер, поскольку рассматриваемый элементарный процесс не является пульсирующим.

Для окончательного расчета термодинамических параметров на участке сжатий получаем систему ¿-«"трансцендентных уравнений с 2-мя неизвестными' П1. и Ст : .

\

Г)1"к г П1-1 г

ШН1 См - 71 (б£т) -1 + у сср(Тср - Тст) Рт Лх к 0 ;

П1-1 1 ->

. (12) а Ьл .

<Т - 1 - --

ЯН

Имея неравномерность вращения к.'в. дизеля, например, как дискретные угловые перемещения за отрезки времени, по известным геометрическим м кинематическим соотношениям'легко определяются е; см; Рт для каждого участка диаграммы. Определив средние значения ги и ?т элементарного участка,-по соотношениям^ 7, 8) можно определить значения, давления и. температуры в: конце, каждого элементарного участка. Расчет начинается с начала процесса сжатия , с момента закрытия впускного клапана. 'Параметры начала сжатия, креме случая Подогрева впускного воздуха, задаются на основе литературных данных: ра = 0,1 МПа, Та.'4 Тскр. Такой подход подтвержден, в частности. исследованиями Н.П.Цаюна (БГПА).

В результате анализа экспериментальных данных В.Н.Степановым и Б.Шлоссером было установлено, что значения ПЗВ при пусках дизеля удовлетворительно'аппроксимировались,выражением .:

Е» .

Х\ =» С Р-1'2 т0'7 ехр -1 ; (13)

Т '

где р - давление воздуха в момент подачи топлива; т - определяющая температура, интегральная аа ТОВ; В'-- суммарная энергия, с клады на-

ющаяся из энергии, затрачиваемой, на испарение топлива, и кажущейся энергии активации топлива; {? = 8,314 Дж/(моль*К) - универсальная "азопач постоянная.

Указанными авторами установлено, что при пусках дизеля 6418/12,5 в условиях низких температур окружающей среды (от 252 К до 271 К) наблюдались юсолютные значения %\ « 0,015-0,058 с..Т.о., по мнению авторов, вспышка происходит,. если условия. в цилиндре позволяют достичь значения XI не более 0,060 с. Автором данной диссертационной работы при индицировании пусков дизеля Д-1.44 при окружающей температуре 2<5Ь К установлено, что предельные отмеченные ПЗВ успешных пусков при различных УОВТ..составили 0,052-0,053 с. Сопоставимость этих данных позволяет использовать положение о предельном значении ГОВ при расчете. Вторым ограничением может одновременно считаться момент прихода поршня,в ВМТ, -т.к. большинство исследователей отмечают невозможность' .начала видимого сгорания на такте расширения. ■ . ... ; .

Автором принято.допущение, что, качественно, На процесс воспламенения топлива влияет характер изменения и величины давления и температуры воздушного заряда при сжатии, например, полученные при прокручивании дизеля без подачи топлива в таких же условиях. Количественно же, влияние изменения параметров состояния воздуха при впрыске топлива может быть учтено численным, коэффициентом С в формуле (13).

Таким образом, в общем виде, метод расчетной оценки возможности пуска дизеля предполагает решение следующих задач : . .

1. Получение расчетным путем диаграмм давления и температуры воздушного заряда при его сжатии в цилиндре дизеля на пусковых . режимах.

2. Получение коэффициента ; С формулы (13) на основе экспериментальных данных (сопоставлением полученных В одинаковых условиях 2-х индикаторных диаграмм - расчетной, без подачи топлива, и экспериментальной, с записью первой вспыщки топлийа).

3. Оценка возможности появления первой вспышки в цилиндре дизеля. Расчет начинается с момента нач&ча подачи топлива с постепенным увеличением расчетного,периода времени смесеобразования до предельного значения ПЗВ, прел-'" 0,000 с. Расчет также прекра"!апт-?я при достижении .у -** 360° грац.и.к.р. . .

В третьей главе приведены- программа- и методика оксп^римчитапьинн исследовании и о^ррортки ^ж/льтатор.- " Программа ргл-п»^*««:- теми ««х

исследований включила в себя четыре основных этапа:

- оценка, термодинамических.параметров воздушного заряда дизеля на тачте сжатия в пусковых режимах, и подтверждение адекватности разработанной математической модели процесса;

- оценка основных параметров рабочего процесса дизеля Д-144 с применением подогрева ВПускного воздуха и. легковоспламеняющейся жидкости при пуске и разгоне дизеля; .

- определение пусковых характеристик дизеля Д-144 с применением интенсивного подогрева-впускного воздуха для облегчения пуска при низких температурах окружающей среды; ■

- оценка влияния установки теплообменного пускового устройства во впускной системе дизеля Д-144 на мощноетно-эко'номическкэ показа-

■ тели дизеля при работе, на нагрузочных, режимах.

• Экспериментальные исследования- при низких температурах окружающей среды проводились' в холодильной, камере ЗИЛД. ГСКВ АО "ВТЗ". Дизель Д-144 был установлен в камере, на подмоторной-раме. и прокручи-зался электростартером при питании- от'; низковольтного агрегата АС50-24/48... Тепловое "состояние дизеля контролировалось согласно ГОСТ 13509-88 о помощью автоматических, потенциометров КСП4. Для проведения исследований.с применением интенсивного подогрева воздуха на впуске дизеля был разработан опытный малогабаритный воздуаный подогреватель-.- -Схема основной его части. -;газовоздушого теплооб-

!юситаз!я) ,

Комплекс измерительной аппаратуры для „термографирования и инди-цирования рабочего процесса дизеля состоял из светолучевого осциллографа Н117/1 с блоком питания П-133, тензометрического усилителя "Топаз 3-01" и датчиков, предназначенных для регистрации в процессе исследований следующих величин :

- текущего д гвления в 1-м цилиндре дизеля ; •

- давления впрыска и .момента начала подачи, топлива в 1-й цилиндр ;

- отметок ВМТ 1-го цилиндра и углового перемещения к.в. дизеля ;

- мгновенных температур воздуха в 1-м цилиндре и в начальном участке впускного коллектора во время прокручивания дизеля без подачи топлива.

Термографирование рабочего тела в цилиндре дизеля производилось по методике и датчиками, предоставленными ЦНИДИ. Термопреобразователь сопротивления (ТС) ЩМДИ был установлен вместо распылителя форсунки, чувствительный элемент,- родиевая нить диаметром 10 мкм, находился своей средней частью на расстоянии 7 мм от огневого днища головки цилиндра, рис. г. ТС в начальном участке впускного коллектора был установлен в бонке установки свечи СН-150. Давление газов в цилиндре дизеля измерялось тенэодатчиком конструкции НИИавтопри-боров, давление топлива перед форсункой - тенэодатчиком конструкции ВТЗ, рис. 3. Угловые перемещения к,в. и отметки.ВМТ в различных сериях исследований регистрировались с помощью фотодатчика ДО1 или индуктивного датчика конструкции ВТЗ.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований и их анализ. В результате экспериментальных исследований были получена осциллограммы процесса сжатия воздушного заряда в цилиндре дизеля Д-144 в диапазоне окружающих температур от 243 К до 263 К, диапазон исследуемых частот прокручивания составил 40-140 мин-1. Применением разработанной математической 'модели процесса сжатия и специальной программы расчета, сравнением расчетных данных с экспериментальными результатами по оценке утечек воздушного заряда дизелей производства ВТЗ, полученными-8.Л.Купершмидтом, была получена расходная функция воздуха на участке сжатия в виде :

/•Рср-0,1ч /Рср-0,1-1 _/Рср-0,1ч

* <-'79 гЫ + ^irw + f)'859*10'3 rdr •

. мср ' '1ср ' 'ср . ■

Экспериментальный коэффициент расхождения, результатов для ртжимор пуска по сравнению с рабочими ртдимами у - 4,3.

Рис. 2. Установка термопреобразователя сопротивления (ТС) ЦНИДИ в Цилиндре дизеля Д-144 (а), ТС ЦНИДИ (б): 1- ;ТС ЦНИДИ, г- корпус форсунки 6Т2, 3- чувствительный элемент датчика - родиевая проволока диаметром 10 мкм, 4- фарфоровый сепаратор, 5- выводы ТС.

Рис; 3. Установка датчиков давления при нндицировании дизеля Д-144 : 1 - датчик давления газов в цилиндре дизеля,-2- датчик давления топлива в топливопроводе.высокого дав-' пер^д форсункой дизеля. ' '

■ - 12 - '

Па рис. 4 показан пример полученных диаграмм давлений и температур воздушного заряда.дизеля-на одном из пусковых режимов.

. ¿3$

509

m

300

200

, * А

г г

J Г

А>

У r j / / >

[Ас ■ .

Л /

■у* ■

Р,Ма 2,0

ij¡

О

' язв ж m m зез. m зчо внт

¡P,rpa3.n.K.l

•Púa. 4. Диаграммы давления и температуры воздушного заряда дизе-. ля Д-144 на пусковых режимах при Т0кр= 243 К, ns ср= 68 . мни"'1 без подогрева впускного воздуха (1) и с подогревом • опытным подогревателем (2): - эксперимент (Т -г темпе-р'атура, измеренная' в -;зс>не носка распылителя форсунки);

расчетное давление; - расчетная среднеобъем-ная температура.,.

Максимальное расхождение, расчетных и .экспериментальных данных по оценке давления воздуха составило не более 3% в-указанных /диапазонах исследований. Установлено, что расчетная .среднеобъеМиая темпе. ратура воздушного- - завяда в конце -такта-сжатия меньше' на 8,0-100 .К, чем измеренная в зоне начала воспламенения. Из анализа полученной информации, следует, -что в процессе наполнения подогретым воздухом цилиндров дизеля имеют место'вначитель.ные „тешюпотерй, вследствие • чего установившаяся' температура воздуха в цилиндре к началу сжатия меньше температуры- входящего „в.- цилиндр подогретого воздуха "'на 70-100 к. Повышение температуры воздуха в начале такта сжатия на 1 ■К повышает температуру, сматого воздуха в период, соответствующий впрыску топлива, в среднем, на 1 К, что позволяет существенно улучшить пусковые качества, д'йзеля интенсивным подогревом впускного воа-

- 13 - - . ■

духа. Подтперждено- значительное исчсажение диаграмм давления и температуры воздушного заряда дизеля при снижении частоты- nycitcccro прокручивания и повышении неравномерности вращения к.в.. При этом, максимумы давления и температуры сдвигаются от ВМТ з сторону начала такта.сжатия.

В ходе экспериментальных исследований была произведена" серия пусков дизеля Д-144 при Т0кр = S93 К и,из холодного состояния (при Токр = 248 К, без предпускового подогрева цилиндров и масляной ванны, с подогревом воздуха на впуске) с индицированием рабочего процесса дизеля.. На рис. . 5 приведена осциллограмма первой вспышки при пуске дизеля. Сравнением осредненных индикаторных диаграмм успешных пусков и соответствующих расчетных диаграмм прокручивания дизеля в этих те условиях, ТОКр = 248 К и ns ср.- 23 мин"1, было получено значение коэффициента С для использования в формуле (13).

Сравнением расчетных ГШ и ПЗВ экспериментальных индикаторных диаграмм, полученных в различных условиях пуска,, подтверждена удовлетворительная сходимость расчетных-и опытных результатов.

Используя зависимость (13), с помощь» математического эксперимента, было-установлено, что'в диапазоне технически -возможных в настоящее время температур воздушного заряда дизеля в конце наполнения - начале сжатия - не существует оптимальной температуры Та для воспламенения- топлива и следует стремиться к ее максимальной величине.

При оценке пусковых характеристик 'дизеля. Д-144 с применением в качестве облегчения пуска подогрева впускного воздуха, с помощью разработанного теплообменного пускового .устройства (ТПУ), обеспечившись следующие температуры подогретого всздука на входе во' спускной коллектор (на выходе из воздушного тракта теплообменника) при прокручивании дизеля :

- при Т0кр * 248 К в диапазоне средних частот прокручивания дизеля 60 - 100 мин"1 впускной воздух шел температуры 603 - 423 К; соответственно ; ■ • '

- при Токр » 243 к в диапазоне средни? частот прокручивания дизеля . 50 - 100 мин-1 впускной воздух имел температуры' 473 - 413 К,

соответственно. ' , ■

' Полученные в результате эксперимента пусковые характеристики дизеля приведены на рис. б. Отмечены : высокая стабильность пусковых характеристик и быстрый,, в течение 0,5 - 1,0 с, выход дизеля на ре-пгм м-^сшаль ной'частоты вращения холостого хода. ' ■

ф-I

I » ! I ' ' 1111 I

Рис. Б. Осциллограмма первой вспышки при пуске дизеля Д-144 с по-дсгрэЕШ впускного воздуха: Токр" 248 К, п3 Ср- 98 мин-1.

Рис. 6. Пусковые характеристики дизеля Д-144 с.применением опытного ТПУ для подогрева впускного воздуха: Я - Токр- 243 К, УОВТ » 27-28° П. К. В. ДО ВШ; а - Токр« 243 К, УОВТ »16-17° п.К.В. ДО ВМТ; о - Т0кр= 248 К, УОВТ = 27-28° п.К.В. ДО ВМТ; А - Токр= 248 К, УОВТ » 16-17° П.К.В. ДО ВМТ;

Эффективность - применения легковоспламеняющейся яидкости (ЛВПй) "Автолидкость для запуска дизелей" при Токр - 248 К я. средней пусковой частоте вращения 100 ± 10 мин"1, оцениваемая по времени пуска, приблизительно, равна эффективности применения интенсивного подогрева воздуха на впуске.- Отмечена нестабильность пусков с применением ЛВПЖ из-за имеющих место вспышек топлива до ВМГ, особенно ярко выражены преждевременные вспышки топлива при установке штатного УОВТ, 27 -28 град.п.к.в. до ВМТ. После запуска дизеля с помощью ЛВШ жидкость необходимо подавать во впускной коллектор не- менее 1 мин, т.к., в противном случае, дизель останавливался несмотря на максимальную подачу топлива. _

В результате эксперимента подтверждено, что в пусковых режимах рабочий процесс дизеля имеет повышенную динамику По сравнению с рабочими релимами. С понижением температуры окружающей среды динамика цикла увеличивается, причем "жесткость" первых вспышек топлива и увеличение количества ж°стких циклов зависят также от типа примени-

- 16 -

емого средства облегчения пуска и УОБТ.'

Установлено, что при пуске дизеля Д-144 при Тркр ■= 293 К. и холодного дизеля при 'Гокр ■ 243 К с помощью подогрева впускного воздуха наиболее высокие значения Ртах "жестких" циклов. находятся, приблизительно; на одном уровне, при-пуске дизеля с'помощью ЛВГШ значения увеличены на 15 - 56% . в зависимости от УОВТ. Установлено, что после появления, первых'вспышек топлива значения Ртах Достигают наиболее высоких значений, затем, в результате раз»она,дизеля, снижаются и далее начинается монотонное приближение процесса к нормальному тепловому состоянию. Причем, "жесткие" циклы с высокими значениями Ртах соответствуют частотам вращения к.В. дизеля, при которых пусковой обогатитель уже ' выключен, т.е. можно полагать, что,: в данном случае, .в процессах сгорания, по мер? прогрева Поверхностей, образующих камеру Сгорания дизеля, участвует топливо, полностью не. сгоревшее'в первых, циклах и 'осевшее на стенках камеры сгорания. Отсюда следует очеЬидный ^ывод, что быстрый и надежный пуск дизеля, уменьшая время прокручивания и количество топлива» впрыснутое в этот период,и ускоряя разгон, дополнительно уменьшает динамические нагрузки на основные детали Дизеля.

; В результате Стендовых моторных испытаний установлено-, что при принятых габаритных размерах опытного теплообменного' пускового устройства и при установке его воздушного тракта как начального участка впускного коллектора дизеля Д-144, несколько ухудшаются наполнение и мощноетно-зкономические показатели дизеля. Так, максимальная величина потерь наполнения дизеля на исштаянш режимах составила = 0,Old.. Ухудшение экономичности при этом обнаружилось -на нагрузках, больших, чем Ре " 0,60 Ша, и составило 1-2 Г/(КВт*ч) на номинальном режиме.• Стендовые моторные Испытания проводились в условиях,- определённых ГОСТ 18509 - 68 как нормальные. .Т.о., в случае применений эффективного подогревателя впускного воздуха дизеля, желательно, предусматривать его сезонное использование.

ВЫВОДЫ.И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Процесс -сжатия воздушного варяда.в цилиндре дизеля на пусковых режимах при низких частотах прокручивания и значительной нерав номерности вращения к.в. 'сопровождается значительной теплоотдачей от воздуха к стенкам камеры сжатия и утечками воздуха через неплотности сопряжения "поршень-цилиндр". В этих условиях, максимумы ди-

аграмм давления и температуры смещаются от ВМТ в сторону начала сжатия. Поэтому, для прогнозирования величины ПЗВ и оценки возможности пуска дизеля, необходимо получение расчетных диаграмм давления и температура"воздушного заряда в зависимости от условий пуска.

2. Дано аналитическое обоснование основных положенийрасчета термодинамических параметров воздушного заряда дизеля -на такте сжатия и расчета ПЗВ дизельного топлива по расчетным диаграммам давления и температуры конца сжатия. .

3. Разработаны расчетные методы:

- определения расходной 'функции сжатого воздуха через неплотности сопряжения "поршень-цилиндр" на такте сжатия*

- определения диаграмм давления и температуры по экспериментальной зависимости ns » fi(y ) прокручивания дизеля;

- определения значений 1138 при первой вспышке топлива по расчетным диаграммам давлений и температур сжатия.

4. Применение разработанных расчетных методов позволяет:

- определить зону уверенного Утуска дизеля в различных условиях;

- оценить возможности и эффективность некоторых средств облегчения пуска;

- определить оптимальную температуру воздушного заряда дизеля в конце наполнения-начале сжатия при использовании подогрева воздуха на впуске дизеле в качестве облегчения пуска;

- аналитически уточнить выбор оптимального УОВТ для обеспечения гарантированного появления первой вспышки топлива в цилиндре дизеля припуске;

-определить рациональную температуру - стенок деталей, образующих камеру сжатия, лри проектировании систем предпускового подогрева дизелей - по оценке возможности появления первых вспышек топлива в цилиндрах дизеля.

4. Расхождение расчетных и экспериментальных данных по. диаграммам давления воздушного заряда на такте сжатия не превышает. ЗХ. Разработанные методики можно рекомендовать к использованию при проведении НИ и ОКР по улучшенйо пусковых качеств дизелей. ■ .

5. Установлено, что повышение температуры начала сжатия на 1 К в диапазон»? выполненных исследований позволяет повысить среднеобъем-ную температуру воздушного заряда в конце . сжатия; приблизительно, на 1 к и существенно улучшить пусковые качества дизеля интенсивным подогревом впускного воздуха. • ' ■

в. Экспериментально подтверждено, что облегчение, пуска дизеля'

д-144 путем интенсивного подогрева впускного воздуха имеет высокую эффективность, оцениваемую'временем пуска с начала", прокручивания к.в. до отключения пускового устройства при успешном пуске. Отмечена высокая стабильность пусковых характеристик при таком способе облегчения пуска. Важным достоинством способа является-быстрый выход дизеля, в течение , 0,5-1,0 с, на режим максимальной частоты вращения холостого.хода дизеля.- . ' ,

'7. Установлено, что количество "жестких" циклов и абсолютные значения- максимальных давлений сгорания Р№ах при пусках дизеля Д-144 в условиях низких температур окружающей среды зависят от окружающей температуры, типа применяемого.средства облегчения пуска, урвт.

8. При пусках дизедя ' Д-144 с подогревом воздуха на впуске при Токр = 248 К значения максимальных давлений сгорания находятся на уровне пуска дизедя в нормальных условиях. . При пуске холодного дизеля о помощью ЛВПК максимальные давления сгорания увеличены на 1556%, в вависимости от УОВТ.

■' 9. Учитывая низкий уровень динамики рабочего цикла дизеля при облегчении пуска путем интенсивного подогрева воздуха на впуске и высокую эффективность такого способа облегчения пуска, целесообразно ' дополнять пусковые системы дизелей подогревателями впускного воздуха перспективных конструкций, имеющих высокую эффективность и иизкое гидравлическое сопротивление воздушному потоку. Желательно предусматривать сезонное использование таких устрбйств или их расположение в байпасных впускных трубопроводах.

у • •

• Основное содержание диссертации опубликовано в следующих рабо,-тах:, • ''•.'. .. . "

1. Боровиков В.Ф. Повышение пусковых качеств тракторных дизелей с помощью пусковых теплообменных устройств. - Механизация и электрификация сельркого хозяйства. - 1985. -N 5. - С. 63.

,2. Дробыгаевский Ч.Б., Боровиков В.Ф., фахрутдинов А.Г., Егоров

A.C. Улучшение пусковых характеристик тракторного дизеля Д-144 путей' подогрева впускного воздуха. - Двигателестроение. - 1Ö87. - N

B. - ('. 52-54. ' '; ... <3..' .Дробьше.вскии Ч.Б, • БорОвиков В.ф.

параметров процесса сжатия.воздуха в цилиндре дизеля при пуске. -'Конструирование и эксплуатация автомобилей и тракторов.' - Минск, 1988. - НИИ. 3. - С. 97-tOQ. '' ' . '

расчету термодинамических

4. Дробышевский Ч.Б.. Боровиков В.Ф. К вопросу о влиянии угла опережения впрыскивания топлива на пусковые качества дизеля. - Дви-гателестроение. - 1989. - N 9. - С. 39, 81.

б. Дробышевский Ч.Б., Боровиков В.Ф., фачрутдинов А.Г. .Лаэурко В.П. Оценка термодинамических параметров наряда на пусковых реяимач и возможности пуска. - Двигателестроение, - 1989-. - N U. - 0. 9-10, 15. " •

6. A.c. N 1 237 779 СССР. Охладитель масла ДВС. Глушаков B.C., Боровиков В.Ф., Сайко В.И.,. Савченков В.И- .

7. A.c. N 1 29Ó 80S СССР. Электрофакельный подогреватель впускного Воздуха ДВС. Дробышевский .4.Б. . Боровиков В.Ф., Горитейн В.А,, Стесин Ю.М.

8. А^с. N 1 324 845 СССР., ТеплооОменный элемент. Боровиков В.Ф.. Сазченков В.И,, Сайко В.И.' !

9. A.c., Ú I 475 266 СССР. Газовоздушная система дизеля. Дробк-шеьский Ч.Б, Боровиков В.Ф., Савченков ВЛ., Бородин A.B.

10. A.c. Н 1 710 805 .'СССР. Головка цилиндра ДВС. Дробышевский Ч.В., Боровиков В.Ф., Клюев В.А., Седов В.П. '

•11. Положительное решение НИИГПЭ о признании изобретением эаявки Н 4 868 005/ Об от 19.02. Ш. ДВС. Дробыйезский Ч.В., Боровиков В.Ф.