автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка, исследования и совершенствование малоразмерного дизеля многоцелевого назначения

Актуальность. Одним из основных резервов повышения производительности труда практически во всех областях материального производства является расширение применения мобильной малогабаритной техники. Машины рассматриваемого типа должны удовлетворять ряду требований, без соответствия которым они не могут выполнять свои функции. К их числу; относятся: малые габариты и масса, высокие эргономические и экологические качества, надежность, универсальность, низкие эксплуатационные расходы, в первую очередь определяемые устанавливаемыми на них двигателями.

В наибольшей степени перечисленным требованиям отвечают малоразмерные быстроходные дизели, опыт разработки которых в России практически отсутствует. Поэтому создание соответствующего научного задела и разработка на его базе отечественного малоразмерного универсального дизеля, обладающего широкими функциональными возможностями, и проведение для достижения этой цели комплекса необходимых научных исследований являются актуальными задачами.

Целью работы являлась разработка принципов конструирования и создание универсального малоразмерного дизеля многоцелевого назначения с высокими технико-экономическими и экологическими показателями для привода различных промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных агрегатов.

Для достижения указанной цели решались следующие научно-технические задачи применительно к малоразмерному дизелю:

- разработка научных основ конструирования и выбор определяющих параметров основных систем, узлов и агрегатов;

- разработка методик расчетов, исследования и испытаний дизеля, его систем, агрегатов и узлов;

- обоснование, исследование и задание технических, экономических и экологических показателей дизеля, в том числе в сравнении с лучшими зарубежными аналогами;

- определение путей дальнейшего совершенствования и развития конструкции дизеля, в том числе за счет создания модификаций различного налачения.

Методы исследования. Экспериментальные исследования, включая Ешдицирование дизеля, выполнялись с использованием современного исследовательского комплекса австрийской фирмы "AVL". Расчеты, обработка опытных данных и разработка конструкторской документации проводились на вычислительной станции "Oniks" фирмы "Silicongrafiks".

Научная новизна. Обобщен и систематизирован мировой опыт создания универсальных малоразмерных дизелей, а также выявлены и оценены специфические проблемы, возникающие при их конструировании. Научно обоснованы и экспериментально подтверждены рекомендации по выбору размерности дизеля, степени его форсирования и принципиальных конструктивных решений, в совокупности составляющие научные основы конструирования малоразмерных универсальных дизелей. Применительно к дизелям указанного класса разработаны новые методики исследований и испытаний. Ценность и новизна работы заключаются также в комплексном изучении и оценке факторов, определяющих их высокий технический уровень. Разработанные новые конструктивные решения защищены авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая ценность работы. Разработана конструкция одноцилиндрового универсального дизеля многоцелевого назначения с рабочим объемом Vh=0,454 л, важнейшие показатели которого либо равнозначны показателям лучших зарубежных аналогов, либо превосходит их, в том числе по достигнутому уровню форсирования, вибрации и пусковым характеристикам. В ходе выполнения работы в АК «Туламашзавод» сформировался возглавляемый автором коллектив конструкторов и исследователей, накопивших опыт по разработке и исследованию малоразмерных дизелей. К выполнению работы был привлечен ряд научно-исследовательских и учебных институтов, в частности Владимирский государственный университет (ВлГУ), что позволило не только активно использовать научный потенциал, но и впервые организовать целевое, обучение студентов по специализации 101204 - двигатели для средств малой механизации и легких транспортных средств.

На защиту выносятся:

1. Разработанные на базе всесторонних исследований принципы конструирования малоразмерных быстроходных дизелей.

2. Способ организации высокоэкономичного и малотоксичного рабочего процесса для данного класса дизелей.

3. Методика профилирования впускных винтовых каналов для малоразмерных дизелей.

4. Результаты исследований дизеля и его систем.

5. Разработанные новые конструктивные решения, защищенные патентами и авторскими свидетельствами.

Реализация в производстве. Созданный в результате выполнения работы дизель успешно прошел все виды испытаний, и с ] 995 г. АК «Тула-машзавод» начато его серийное производство. В настоящее время более 70 предприятий России и стран СНГ используют дизели ТМЗ-450Д в составе изделий различного назначения.

Апробация. Материалы работы доложены на международных и российских научных конференциях, научно-практических семинарах, отраслевых совещаниях и научно-технических советах: ВлГУ (г.Владимир 1989, 1991, 1993, 1995, 1997,1999 гг.); НАМИ (Москва 1991 г.); НИКТИД (г.Владимир 1993 г.); НПО «Агродизель» (Москва 1994 г.); АО «Завод им. В.А.Дегтярева» (г.Ковров 1995 г.); АО «Куроапаратура» (Литва 1995 г.); AVL (Австрия 1996 г). В 1997 г. результаты завершающего этапа, а в 1999 г. работа в целом доложена и обсуждена на расширенном научно-техническом совете АК «Туламащзавод» с участием широкого круга представителей научных и производственных организаций, МОП, МЧС и МО.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 30 научных работ, в том числе монография, полнено ] 7 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

1. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДИЗЕЛЯ

В основу разработки дизеля было положено требование его соответствия различным условиям эксплуатации при достижении высоких технико-экономических и экологических показателей. Конструкция дизеля должна обеспечивать возможность удобной установки на различные виды техники, доступность и простоту обслуживания, высокую надежность и ресурс, равный ресурсу техники, на которую он устанавливается (не менее 4000 моточасов). Вибрация, шумность работы, пусковые качества, дым-ность и токсичность дизеля должны соответствовать перспективным нормативным документам.

С целью быстрого и эффективного решения научных и инженерных задач по созданию дизеля ТМЗ-450Д при непосредственном участии и под руководством автора была разработана методика проведения НИР и ОКР, основной особенностью которой являлось сочетание методов научного поиска и результатов анализа имеющихся статистических материалов. В основу работы были положены патентно-информационные исследования, расчеты систем, агрегатов, узлов и деталей, испытания аналогов на специально созданных установках и моторных стендах, ускоренные испытания отдельных узлов, систем и сопряжений, а также дизеля в целом. Кроме того, при выборе параметров разрабатываемого дизеля учитывались статистические данные по анализу конструкций, конъюктуры производства и применения малоразмерных дизелей в нашей стране и за рубежом.

В основу определения величины требуемой номинальной мощности дизеля многоцелевого назначения были положены результаты анализа энергонасыщенности более 70 зарубежных и отечественных мотоблоков, мини-тракторов и грузовых мини-автомобилей, свидетельствующие о том, что мотоблоки массой до 1000 кг имеют эксплуатационную мощность двигателя 5.6 кВт, а грузовые мини-автомобили полной массой до 1100 кг со скоростью движения 60 км/ч по асфальтобетонной дороге - 8 . 8,5 кВт.

Расчеты и анализ параметров зарубежных аналогов подтвердили, что указанная мощность может быть обеспечена одноцилиндровым дизелем с рабочим объемом 0,42 . 0,45 л при частоте вращения 3600 мин При этом среднее эффективное давление должно составлять 0,60.,.0,63 МПа.

Принятая номинальная частота вращения коленчатого вала дизеля 3600 мин соответствует требованиям большинства предполагаемых потребителей. Для генераторных модификаций она может быть уменьшена до 3000 мин "'.Увеличение частоты вращения свыше 3600 мин сопровождается характерным для одноцилиндровых двигателей резким ростом механических потерь, увеличением вибрации и шумности работы, а также дымности и токсичности отработавших газов.

Для обеспечения намеченных параметров приняты диаметр цилиндра и ход поршня соответственно 85 и 80 мм, (рабочий объем 0,454 л).

Для выбора системы охлаждения под руководством автора был проведен комплекс конструкторских разработок, изготовлены образцы дизелей-прототипов с различными системами охлаждения (воздушная, водяная, масляная), проведены их исследования и сравнительные испытания в стендовых условиях и в составе различных носителей (мини-автомобилей, мотоблоков, электроагрегатов).

Исследованиями установлены существенные преимущества воздушного охлаждения дизеля для выбранной сферы применения:

- меньшая стоимость вследствие экономии затрат на изготовление жидкостных радиаторов из цветных металлов;

- простота обслуживания и ремонта;

- сокращение времени на подготовку к пуску и последующий его прогрев при низких температурах окружающей среды;

- отсутствие возможного размораживания дизеля;

- отсутствие коррозии и кавитационного износа гильзы цилиндра и других деталей, соприкасающихся с охлаждающей жидкостью.

2. ВЫБОР ТИПА И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ

При выборе формы камеры сгорания и других элементов, определяющих рабочий процесс, при непосредственном участии автора были исследованы рабочие процессы дизелей-аналогов, выпускаемых фирмами "Lombardim" (Италия), "Kubota" (Япония), "Stabilimente Mehanic" (Италия), "Hatz" (ФРГ), и прогнозирован уровень перспективных требований к двигателям рассматриваемого класса. По результатам анализа полученных материалов предпочтение было отдано неразделенной камере сгорания. Однако отечественный опыт использования таких камер в малоразмерных дизелях практически отсутствовал.

В результате проведенных исследований установлено, что для двигателей с рабочим объемом 0,454 л наиболее целесообразной является степень сжатия, равная 20 (рис 1). д„г/(кВт ч)

Рис. 1. Зависимость индикаторных показателей дизеля с рабочим объемом 0,454 л от степени сжатия

Одной из основных проблем в малоразмерных дизелях является уменьшение вредных объемов камеры сгорания и утечек заряда через поршневые кольца, наличие которых приводят к снижению температуры начала сгорания и к ухудшению экономичности, высокой дымности.и токсичности.

Для оценки вредных объемов применен коэффициент объемного отношения, представляющий собой отношение объема камеры сгорания к надпоршневому объему при положении поршня в ВМТ:

А- =---L-, где 8 - надпоршневой зазор; h- высота жарового пояса;

X - коэффициент объемов; £ - коэффициент макронеровностей; с1г ц - диаметр головки цилиндра; с - степень сжатия.

Расчеты и исследования показали, что наибольшее влияние на величину указанного коэффициента оказывают надпоршневой зазор 8 и высота жарового пояса h (рис.2). Уменьшение вредных объемов приводит к существенному улучшению показателей дизеля, в том числе к снижению токсичности. Для разрабатываемого дизеля при выбранных 8=0,45 и h=10 мм коэффициент К= 0,8.

Рис. 2. Зависимость коэффициента объемного отношения от надпорш-невого зазора при различных значениях величины жарового пояса

Выполненные в ходе работы исследования были направлены на поиск наиболее рациональных конструктивных решений, позволяющих эффективно реализовать в малоразмерном дизеле с неразделенной камерой егорания энергичное впрыскивание хорошо распыленного топлива в воздушный заряд с интенсивной турбулентностью.

С целью определения места расположения камеры сгорания в поршне был проведен ряд сравнительных экспериментов. Показано, что для двух-клапанных дизелей, имеющих диаметр цилиндра 85 мм и наклонно расположенную форсунку, центр камеры сгорания не должен отстоять от оси цилиндра более чем на 3.5 мм, а от распылителя форсунки - на 2.3 мм. Топливные струи в начальный момент впрыскивания должны попадать на стенку камеры на расстоянии 0,3. 0,5 высоты камеры от ее верхней кромки.

Приведенные на рис. 3 показатели дизеля с различными камерами сгорания свидетельствуют о том, что цилиндрические камеры с центральным вытеснителем обеспечивают высокую мощность и топливную экономичность при удовлетворительной дымности.

С учетом полученных результатов разработана конструкция камеры сгорания, в центре которой расположен вытеснитель цилиндрической формы диаметром 4 мм, выполняющий роль термогомогенизатора и способствующий повышению скорости испарения топлива. При этом приняты следующие параметры топливоподачи: количество отверстий распылителя - 4, диаметр отверстий распылителя - 0,24 мм, давление начала впрыскивания 21,0 МПа, внутренний диаметр трубопровода высокого давления - 1,6 мм, продолжительность впрыскивания - 18 градусов угла ПКВ, угол раскрытия топливной струи -12°.

Предварительно выбранные на стадии проектирования форма и размеры впускного канала в дальнейшем потребовали комплексного уточнения. Оптимизация впускного канала по различным параметрам проводилась на аэродинамической установке (рис.4).В результате анализа результатов выполненных исследований, в частности газодинамических показателей впускных каналов (рис. 5), установлено, что для малоразмерных быстроходных дизелей наиболее целесообразными являются спирально-винтовые каналы, обеспечивающие необходимую интенсивность вихря в процессе впуска при минимальном гидравлическом сопротивлении. При этом угол поворота спирально-винтового канала должен составлять не ме-. нее 360 Впускной канал в процессе моделирования профилировался таким образом, чтобы обеспечить переменную скорость вращения воздушного потока в зависимости от частоты вращения коленчатого вала. Благодаря этому были достигнуты высокие показатели по экономичности и токсичности в широком скоростном диапазоне работы дизеля. Компьютерная м.о

• a t ge, г/(кВт ч)

260 I

Дымность, ед. Бош

Рис.3. Зависимость показателей дизеля от формы камеры сгорания щштвФ! I«

Рис. 4 Схема стенда для исследования и автоматизированного контроля впускных каналов головки цилиндра дизеля:

1 - платы по приему, передаче и управлений исполнительными устройствами;

2 - аналого-цифровой преобразователь;

3 - датчик температуры;

4 - дифференциальный манометр;

5 - манометр:

6 - мерная шайба;

7 - шаговый двигатель; 8 - головка цилиндра;

9 - датчик скорости воздушного потока;

10 - автоматизированное рабочее место дель окончательного варианта впускного канала дизеля ТМЗ-450Д представлена на рис. 6.

Качество впускного канала оценивалось интегральным коэффициентом, представляющим собой отношение циркуляционной энергии в цилиндре к полной, затраченной на получение скоростного напора. Внесенные изменения положительно повлияли на организацию вихря воздушного заряда, вследствие чего коэффициент качества канала увеличен в 1,6 раза по сравнению с аналогами.

Экспериментально найдены определенные связи между скоростью движения воздуха в камере сгорания, числом струй и продолжительностью впрыскивания топлива. В процессе исследований было установлено:

- изменение положения топливных факелов на 5 . 6 градусов от оптимального увеличивает удельный эффективный расход топлива на режиме номинальной мощности на 10.15 г/(кВт-ч), а дымность - на 0,5.2 ед.Бош;

4 5 6 7 8 h, мм

- ТМЗ-450Д - исходный

- ТМЗ-450Д - окончательный h, мм

- модель

- 31Е

- RH-1B

Рис. 5. Газодинамические показатели впускных каналов

Рис. 6. Компьютерная модель окончательного варианта впускного канала дизеля ТМЗ-450Д

- увеличение диаметра отверстий распылителя свыше 0,24 мм заметно повышает удельный расход топлива (особенно при малых частотах вращения и небольших нагрузках), а уменьшение его до 0,18 мм вызывает коксование отверстий на режиме максимального крутящего момента;

- увеличение внутреннего диаметра трубопровода высокого давления с 1,6 мм до 2,0 мм приводит к увеличению удельного эффективного расхода топлива на 4.8 г/(кВт-ч) с одновременным увеличением дымности на 0,5 .-1,0 ед.Бош.

Выбранные по результатам этих исследований конструктивные параметры обеспечили достижение удельного расхода топлива на номинальном режиме в пределах 252.256 г/(кВт-ч) при коэффициенте избытка воздуха 1,4. 1,6 и максимальном давлении сгорания 8,0.8,5 МПа, что для дизеля рассматриваемого класса следует считать довольно высокими.

Повышение давления впрыскивания до 50,0 МПа и выше также благоприятно сказывается на всех характеристиках дизеля, но реализовать это преимущество в существующей топливной аппаратуре, применяемой для малоразмерных дизелей, пока не представляется возможным. Данное направление является перспективным и в дальнейшем позволяет рассчитывать на существенное улучшение характеристик дизеля, в том числе и на резкое снижение шумности рабочего процесса.

3. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ДИЗЕЛЯ

По завершении отработки отдельных узлов были определены основные показатели конструкции, изготовлены и испытаны опытные образны, выполнен анализ их работоспособности в различных условиях эксплуатации. Завершился процесс созданием комплекта рабочих чертежей, эксплуатационной документации и внедрением дизеля в производство.

Продольный и поперечный разрезы дизеля ТМЗ-450Д представлены на рис. 7.

Компактность и небольшая масса обеспечены за счет новых принципов конструирования: многофункциональности и совмещения узлов и агрегатов дизеля и применения встроенных в картер систем. Так, вентилятор системы охлаждения, маховик и генератор энергообеспечения совмещены в одном компактном узле: маховик выполнен совместно с рабочим колесом вентилятора, а ротор генератора закреплен в полости маховика и, враша-ясьвместе с ним, увеличивает момент инерции, что позволяет уменьшить размеры собственно маховика. Масляный насос системы смазки расположен в перегородке картера, что кроме снижения шума уменьшает габариты а) б)

Рис.7. Продольный (а) и поперечный (б) разрез дизеля ТМЗ-450Д дизеля. Уравновешивающий вал размещен в средней части картера, а его противовес располагается между щек коленчатого вала, что уменьшает габариты и массу дизеля в целом.

Топливный насос высокого давления и центробежный регулятор разделены и встроены в картер. Причем в качестве вала регулятора использован распределительный вал механизма газораспределения.

Масса дизеля уменьшена также за счет применения в качестве материала картера и головки цилиндра алюминиевого сплава АК-12М2, обладающего не только высокими прочностными характеристиками, но и надежно работающего в узлах трения, что позволило исключить из конструкции бронзовые втулки.

Быстрый запуск дизеля при низких температурах обеспечивает свеча накаливания. Положение свечи выбрано таким образом, что на пусковых режимах, когда воздушный вихрь незначителен, одна из топливных струй форсунки направлена на раскаленный конец свечи, чем облегчается воспламенение топлива. После запуска воздушный вихрь отклоняет струю топлива от свечи, благодаря чему устраняется отрицательный эффект от воздействия свечи на процесс нормального смесеобразования.

Для доступа к тем или иным механизмам, расположенным внутри картера, не требуется его полная разборка. Достаточно снять заднюю или переднюю половинки картера.

Универсальность дизеля достигнута также за счет особой конструкции его картера, имеющего два маслоприемника и позволяющего располагать двигатель на носителе как вертикально, так и с наклоном к вертикальной оси. Кроме того, дизель может оснащаться различными по конструкции и размерам стыковочными фланцами и соединительными полумуфтами. Дизель имеет широкий рабочий диапазон чисел оборотов коленчатого вала (1600-3600 мин1).

4. ИССЛЕДОВАНИЕ, ИСПЫТАНИЕ И ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ

При разработке дизеля особое внимание уделялось его экологическим характеристикам. В настоящее время в нашей стране величины токсичных составляющих малоразмерных дизелей регламентируются ОСТ 233.25-98 Р, поэтому испытания проводились по методике указанного стандарта. Допустимые показатели составляют для СО, СН и NOx соответственно 11,0; 6,0 и 18,0 г/(кВт-ч).

Результаты замеров токсичности дизеля ТМЗ-450Д и его лучших зарубежных аналогов, а также другие сравниваемые параметры приведены в табл. ] и на рис. 8. Как следует из приведенных данных, показатели токсичности дизеля ниже норм стандарта. Здесь также можно отметить, что в ближайшем будущем они будуг дополнительно улучшены.

Таблица

ТМЗ-450Д 3LD-450 RH-186 О

Показатели АК "Тулз- "Lombn'duu" "Slabilimcnte ''Gieaves'' ма газа вод' (Италия! Meham (Мидия)

Россия) (Италия")

Диаметр цилиндра, мм

Ход поршня, мм

Рабочий объем, л 0.454 0.454 0,430 0.

Номинальная мощность, кВт 8,1 7.5 7.0 6, при частоте вращения, мин"

Максимальный крутящий момент, Н-м при частоте вращения, мин"

Минимальный удельный расход топлива, г/(кВт-ч)

Литровая мощность, кВт/л 18 16.5 16.3 15,

Масса, кг

Габаритные размеры, мм 360x530x350 360x580x360 385x540x365 370x530x

Дымность ОГ, %

Токсичность, г/(кВт-ч):

NO х 13.8 17,5 15,5 16,

СО 9.5 8.8 9,5 10, сн 4.2 2.6 2,3 2.

Уровень вибрации, м/с

Минимальная температура пуска, °С -25 -10 -10

Акустические испытания дизеля проводились на полностью безэховом испытательном стенде. Исследования позволили определить основные излучающие шум зоны и элементы дизеля: переднюю крышку корпуса вентилятора (25 %), пусковой шкив (17 %), цилиндр (16 %), крышку головки цилиндра (11 %). Шум остальных элементов дизеля незначителен и на данном этапе представляет меньший интерес (рис. 9). Полученные данные были положены в основу комплекса решений, направленных на дальнейшее снижение шумности работы двигателя (уменьшение жесткости рабочего процесса, изменение материала и увеличение жесткости ряда деталей, повышение точности изготовления, оптимизация профиля юбки поршня и др.). Их реализация обеспечила достижение требуемых шумовых характеристик дизеля ТМЗ-450Д.

Выбросы СО, ррш

0.70.8о.т 0. воо 1200 1«00 2000 2400 2600 3200 3600 ишг '

Выбросы СН. ррт

1200 1Я00 2000 2400 2в(Ю 3200 3600 отв»

Выброси NOx, ррт

800 1200 1600 2000 2400 2в00 3200 3600 мив»'

Уровень дыин^сти, ед.Бош

Ре МПа —

ВОО 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 шчг

Рис. 8. Результаты замеров токсичности дизеля ТМЗ-450Д

105 10095 -90 -85

1600 2000 2400 2800 3200 3600 ииГ1 Общий уровень внешнего шума — Полная нагрузка 50% вагрувка Беэ нагрузки

Рис. 9 Анализ и снижение уровня шума дизеля ТМЗ-450Д: а) калькуляция мощности звука, излучаемая отдельными узлами и деталями дизеля; б) общий уровень внешнего шума

Исследование вибрационных характеристик включало экспериментальное определение виброускорений двигателя на различных скоростных и нагрузочных режимах, а также их спектральный анализ. Установлено, что максимальные среднеквадратичные значения виброускорений изменяются на различных режимах от 13,1 до 18,6 м/с2. Как следует из полученных спектрограмм плотности дисперсий ускорений, наибольшее вибрационное воздействие на двигатель оказывают неуравновешенные силы инерции второго порядка. Это объясняется наличием механизма уравновешивания сил инерции первого порядка, что выгодно отличает дизель ТМЗ-450Д от сравнимых с ним дизелей, не имеющих механизма уравновешивания этих сил, уровень вибрации которых в 1,5-2 раза выше. Результаты сравнительных испытаний дизеля ТМЗ-450Д и его аналогов по уровню вибрации представлены на рис. 10.

Достигнутые экологические показатели свидетельствуют о правильности принятой концепции дизеля и его рабочего процесса.

В ходе исследований выполнено калькулирование механических потерь по отдельным узлам дизеля. Из мощности общих потерь на номинальном режиме 3,8 кВт на привод вентилятора системы охлаждения затрачивалось 0,9 кВт (24 %), что объяснялось несовершенством конструкции лопаток вентилятора, низким качеством рабочей поверхности лопаток и повышенным сопротивлением воздушного тракта. Комплекс исследований вентилятора и воздушного тракта позволил снизить затраты мощности на систему охлаждения до 0,65 кВт при допустимом уровне теплового состояния дизеля. Максимальная температура в верхнем поясе цилиндра на номинальном режиме составила 187 0 С (рис.11, табл.2).

Для снижения потерь на трение в цилиндропоршневой группе были проведены исследования путей повышения жесткости цилиндра. В результате выбрана конструкция, обеспечивающая существенное снижение деформации цилиндра (рис. 12). Кроме того, были проведены испытания различных поршней и поршневых колец (трапецевидных, с бочкообразной рабочей поверхностью, прямоугольных, скребковых, минутных и т.д.). При этом использовались различные покрытия рабочей поверхности кольца. В результате доказана возможность применения на дизеле ТМЗ-450Д двух компрессионных колец вместо трех. Оптимальное сочетание колец (верхнее компрессионное - прямоугольное, хромированное, высотой 2,0 мм; второе компрессионное - скребкового типа, высотой 2,5 мм, маслосъемное - хромированное, высотой 4 мм) позволило снизить механические потери на 0,15 кВт. Насосные потери за счет совершенствования впускного

G J 450 СН-6Д G-10G0 T-450Д СК-14Д

2000 2200 2400 2600 2800 3000 частота вращения мин"

2000 2200 2400 2600 2800 3000 частота вращения, мин

Рис. 10. Результаты сравнительных испытаний дизеля ТМЗ-450Д: а) вертикальные виброускорения; б) горизонтальные виброускорения

Охлаждающий воздух (от вентиляторе)

Сторона обдува

Сторона привода

Охлаждающий воздух (после цилиндра)

Рис. 11. Схема замера температуры цилиндра: 1,2,3 - пояса расположения термопар

Результаты замеров температуры цилиндра (п= 3600 мин"1, ре = 0,59 МПа)

Таблица

Номер пояса Температура, °С

Расположение термопар отраб. газов головки цилиндра охлажд. воздуха

А В С D

2 170 126 I з 142 118 | 129 ! 122 615 185 | 59 '.

Исходный вариант

Окончательный вариант

0'/180*

50 нхм

-50

0 мм 20 мм 40 мм 60 мм 80 мм 100 мм 120 мм 140 мм 160 мм

90/270"

50 0 -50

Рис. 12. Деформации цилиндра от усилия затяжки: а) в поперечных сечениях: б) в продольных сечениях

50 мкм и выпускного каналов были снижены на 18%. В целом в результате проведенных исследований суммарное снижение механических потерь составило 0,7 кВт.

Для оценки надежности дизеля применялась методика ускоренных испытаний на безотказность по 400-часовому циклу и режимам в соответствии с ГОСТ 23.1.146-86, в ходе которых были определены детали и узлы, не в полной мере отвечающие требованиям безотказной работы, разработаны и реализованы меры, исключившие эти недостатки.

Программа эксплуатационных испытаний дизеля ТМЗ-450Д разработана автором таким образом, чтобы охватить весь спектр возможных условий его применения. Однако с целью сокращения сроков и объемов испытаний из всего многообразия объектов-носителей были определены основные, наиболее полно характеризующие реальные условия эксплуатации:

- электроагрегаты ВЭМЗ (г. Вязьма), СЭМЗ (п. Свобода);

- мини-тракторы КМЗ (г. Курган), «Гомсельмаш» (г. Гомель);

- дорожная техника, асфальтовый каток БМЗ (г. Брянск );

- водяные насосы АО «ВЗОТ» (г. Волгоград);

- холодильные компрессоры КНПО «АВТОМАШ» (г. Ковров);

- мобильные гидростанции АО «ЗИД» (г. Ковров).

Испытания проводились в условиях заводских лабораторий, а также на полигонах предприятий-изготовителей вышеуказанной техники. При испытаниях двигатель и его системы показали высокую надежность в различных условиях. Пуск двигателя надежно осуществлялся при температурах до - 25 °С без специального предпускового прогрева внешним источником тепла, с использованием только свечи накаливания. Система охлаждения во всех условиях эксплуатации обеспечивала температуру деталей двигателя и температуру масла в допустимых пределах. Относительный расход масла на угар не превышал 0,4 % от расхода топлива. Подтверждена возможность непрерывной круглосуточной эксплуатации дизеля в составе электроагрегатов и холодильных установок. Наработка на отказ составила 600 моточасов (по техническим условиям 400 моточасов), а 90-процентный ресурс до первого капитального ремонта - 4000 моточасов. В настоящее время испытания дизеля продолжаются с целью определения его ресурса в составе других агрегатов и машин.

Сравнение показателей, подтвержденных результатами испытаний, выполненных в различных организациях России, а также в исследовательском центре фирмы «AVL» (Австрия), позволяет заключить, что по большинству из них дизель ТМЗ-450Д находится на мировом уровне, а по степени форсирования, вибрации и пусковым характеристикам превосходит лучшие зарубежные образцы дизелей данного класса и полностью отвечает современным и перспективным требованиям.

В качестве дополнительного подтверждения указанного вывода на рис.13 представлена нагрузочная характеристика дизеля при частоте вращения 3600 мин'1, из которой следует, что в основном рабочем диапазоне индикаторный КПД составляет 0,41.,0,43, коэффициент наполнения -0,82.0,87, максимальное давление цикла - 7,5.8,5 МПа, а минимальный удельный расход топлива не превышает 235 г/(кВт-ч). Указанные значения следует считать достаточно высокими для двигателей рассматриваемого класса.

При разработке конструкции дизеля и его узлов была предусмотрена возможность дальнейшего повышения мощности за счет увеличения рабочего объема при допустимой разунификации с базовой моделью. Поэтому картер дизеля имеет определенный запас жесткости, детали кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы рассчитаны на соответствующие более высокие нагрузки. Предусмотрены возможности увеличения производительности вентилятора системы охлаждения и установки масляного радиатора с повышенной теплоотдачей. Увеличение мощности до 10. 12 кВт и увеличение частоты вращения до 4500 . 4800 мин"1 позволят значительно расширить круг потенциальных потребителей.

Основной путь дальнейшего развития дизеля ТМЗ-450Д заключается в продолжении совершенствования рабочего процесса и достижении норм вредных выбросов, ожидаемых в 2005.2010 гг. Исходя из анализа проектов нормативных документов и опубликованных научных материалов по исследованию двигателей иностранными фирмами-конкурентами, целью ближайших лет для такого класса дизелей целесообразно считать следующие ориентиры: токсичность выпускных газов СО. СН и NOx соответственно не более 5,0; 1,2 и 7,0 г/(кВт-ч), удельный расход топлива 220.230 г/(кВт-ч). Выполненные к настоящему времени исследования показывают, что достижение указанных показателей является реальной задачей при условии обеспечения короткого энергичного впрыскивания топлива, возможно двухстадийного, под давлением 60. 70 МПа форсункой с 5 - 6 сопловыми отверстиями диаметром 0,15 . 0,18 мм.

Рг.МПа

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Рс, МПа

Рис.13. Нагрузочная характеристика дизеля ТМЗ-450Д (г, = 3600 мин"')