автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Регулирование дизеля 6 Ч 11/12,5 изменением числа работающих цилиндров или циклов

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621.436.038.001

005018914

СТРАШНОВ СТАНИСЛАВ ВИКТОРОВИЧ

РЕГУЛИРОВАНИЕ ДИЗЕЛЯ 6 Ч 11/12,5 ИЗМЕНЕНИЕМ ЧИСЛА РАБОТАЮЩИХ ЦИЛИНДРОВ ИЛИ ЦИКЛОВ

На правах рукописи

Автореферат

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

і з МАЙ 2012

Москва, 2012

005018914

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

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

доктор технических наук, профессор Ерохов Виктор Иванович, МГТУ-МАМИ, профессор кафедры «Автомобильные и тракторные двигатели»,

доктор технических наук, профессор Марков Владимир Анатольевич, МГТУ им. Н.Э. Баумана, профессор кафедры Э-6

Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина

Защита диссертации состоится "16" мая 2012 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 на базе Российского университета 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 «10» апреля 2012 г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

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

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.203.33

профессор JI. В. Виноградов

Основные обозначения и сокращения, принятые в работе

НУР - неустановившийся режим работы. РНД — регулирование начального давления. СОЦЦ - система отключения цилиндров или циклов. УР - установившийся режим работы.

ФХР — «физико - химическое» регулирование дизеля, т. е. регулирование дизеля изменением физико - химических и моторных свойств топлива.

Определения исследуемого метода регулирования двигателя

В рассмотренных публикациях применяются следующие определения исследуемого в работе метода регулирования двигателя. Метод регулирования отключением — включением цилиндров или циклов. Регулирование дизеля отключением части цилиндров. Регулирование дизеля пропуском рабочих ходов поршней. Регулирование дизеля пропуском подач топлива. Регулирование двигателя изменением его рабочего объёма. «Безреечное регулирование» - регулирование дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов и порядка их работы. Дискретное изменение мощности (ДИМ).

Регулирование двигателя «деактивацией» цилиндров или циклов. «Active Cylinder Control (АСС)» - технология управления числом «активных» (работающих) цилиндров фирмы Daimler - Chrysler. «Variable Cylinder Management (VCM)» - технология регулирования двигателя отключением цилиндров фирмы Honda.

«Cylinder Deactivation Device» - устройство отключения (деактивации) цилиндра.

«Cylinder cutout» - выключение цилиндра.

«Multi - Displacement System (MDS)» - система изменяемых рабочих объёмов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальными проблемами современного дизелестроения являются дальнейшее повышение эксплуатационных мощностных, экономических и экологических качеств. Для многих условий эксплуатации характерны длительная работа на холостом ходу, на режимах малых нагрузок, на переходных режимах, при относительно низких коэффициентах использования мощности, доходящих до 0,6 - 0,4. Это приводит к повышенному удельному расходу топлива, снижению экологических качеств двигателя, ухудшению свойств смазочного масла, вероятностям лакообразований и отложений сажи, вероятности коксования распылителей форсунок и т.д., т.е. снижению надёжности и долговечности двигателя. Свидетельством важности проблемы является то, что режимы холостого хода составляют более 30% времени в Европейском ездовом цикле, характерном для условий движения автотранспорта в современных крупных городах. Важной задачей является повышение динамических качеств двигателя и установки с ним.

Все перечисленные проблемы могут в различной степени решаться с помощью нетрадиционных методов регулирования дизеля, например, изменением числа работающих цилиндров или циклов работы двигателя.

Для реализации рассматриваемого метода созданы различные средства отключения - включения подачи топлива и управления фазами газообмена. Последние требуют изменений конструкции дизеля, усложняют реализацию такого метода регулирования, особенно в условиях существующих конструкций двигателей. Большинство известных средств реализуют отключение - включение одних и тех же цилиндров дизеля. Это существенно снижает их эффективность. По-существу, только системы топ-ливоподачи типа Common Rail с электронным регулированием позволяют применить регулирование дизеля отключением - включением отдельных циклов. Для большинства существующих дизелей, оснащённых системами топливоподачи разделённого типа, возможности достижения подобных эффектов проблематичны.

Целью данной работы является повышение эффективности, экономичности эксплуатации, повышение динамических качеств дизеля методом изменения числа работающих цилиндров или циклов.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

- выбор элементов модернизации дизельной топливной аппаратуры (разделённого типа), обеспечивающей отключение - включение отдельных цилиндров на короткое время, в том числе время одного цикла, при одновременном регулировании начального давления топлива перед циклами топливоподачи после включения цилиндров;

- создание математической модели режима работы дизеля с потребителем, реализующего как поддержание установившихся режимов пониженных нагрузок, так и ряда типичных дня автотракторного дизеля неустановившихся режимов;

- разработка методики оценки возможностей повышения экономичности дизеля отключением цилиндров или циклов по универсальным (комбинированным) характеристикам дизеля;

- получение численных значений возможных выигрышей во временах выполнения операций, выигрышей в расходах топлива при применении рассматриваемого метода.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней разработаны и исследованы метод и средства совершенствования показателей работы автотракторного дизеля с системой топливоподачи разделённого типа на режимах малых нагрузок, холостых ходов и ряда неустановившихся режимов, путём регулирования дизеля выключением - включением цилиндров или циклов при сохранении полной нагрузки на остающиеся в работе (активные) цилиндры, а также путём регулирования начального давления топлива. Разработана методика предварительной оценки эффективности метода регулирования дизеля отключением цилиндров или циклов по много-

параметровым характеристикам дизеля. Предложена математическая модель реализации установившихся режимов частичной нагрузки и неустановившихся характерных режимов работы дизеля методом изменения числа работающих цилиндров или циклов, новизна которой заключается в том, что в ней учитываются переходные процессы в системе топливопода-чи дизеля, либо устраняются эти переходные процессы, благодаря регулированию начального давления топлива в топливных системах работающих цилиндров. Применительно к дизелю типа 6 Ч 11/12,5 получены количественные показатели эффективности метода по показателям экономии топлива и повышения динамических качеств дизеля.

Практическая значимость результатов исследования заключается в подтверждении работоспособности элементов модернизации топливной аппаратуры разделённого типа для регулирования дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов, что позволяет начинать проведение соответствующих опытно - конструкторских работ, с целью перехода от опытных образцов систем топливоподачи к серийным. Математические модели позволяют ускорить анализ возможностей получения положительных эффектов от применения метода. Применение предложенного метода и реализующей его системы позволит повысить динамические качества дизеля типа 6 Ч 11/12,5 при реализации ряда неустановившихся режимов работы, снизить расходы топлива при работе дизеля в диапазоне малых нагрузок и холостых ходов.

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

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

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 2009, 2010 и 2011 г.г., на Всероссийском семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана (2010 г.), на юбилейной конференции в МАДИ - ГТУ в 2011 г.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы 6 работ, из которых 4 - статьи и 2 - тезисы докладов, причём все 6 работ опубликованы в изданиях по списку ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 131 страницу, в том числе 58 рисунков и 2 таблицы и состоит из введения, четырёх глав,

выводов и списка использованной литературы в количестве 102 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 100 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы разработки методов и средств, обеспечивающих повышение качества работы дизеля на режимах малых нагрузок, холостых ходов, а также на ряде эксплуатационных (неустановившихся) режимов.

В первой главе проведён обзор работ, направленных на решение проблемы. Вопросам разработки и исследования методов и средств организации рабочих процессов дизелей, работающих на режимах малых нагрузок, холостых ходов и неустановившихся режимов, а также их регулирования методами отключения - включения цилиндров или циклов посвящены работы ряда отечественных и зарубежных учёных. А именно: Бала-бин В.Н., Болховитинов Г.В., Голубков Л.Н., Девянин С.Н., Драгунов Г.Д., Злотин Г.Н., Марков В.А., Ерохов В.И, Гусаков C.B., Кутенёв В.Ф., Олесов И.Ю., Островский Г.Л., Патрахальцев H.H., Славуцкий В.М., Тер-Мкртичьян Г.Г., Толшин В.И., Филиппов А.З., Шатров Е.В., Ekkert К., Gauger R. и др.

Проведённый анализ позволил сделать следующие выводы.

Метод регулирования двигателя изменением числа работающих цилиндров или циклов применяется прежде всего на бензиновых автомобильных двигателях. Реже метод применяется на тепловозных дизелях, дизелях большегрузных машин и машин строительно - дорожной техники, на дизелях привода электрогенераторов. Применительно к дизелям такой метод регулирования применяется как правило, для повышения эксплуатационной топливной экономичности установок. Известно применение такого метода с целью повышения доли замещения основного дизельного топлива альтернативным. Метод также применим для повышения надёжности холодных пусков, для проведения технического диагностирования и аварийной защиты дизелей. В подавляющем большинстве случаев системы отключения цилиндров выполнены так, что они позволяют отключать всегда одни и те лее цилиндры. Регулирование мощности дизелей отключением -включением цилиндров или циклов известно лишь по относительно ограниченному числу публикаций. Анализ экономического и других эффектов от применения метода отключения цилиндров проводится обычно экспериментальным путём. На сегодняшний день информация об экономическом, экологическом и проч. эффектах от применения метода на дизелях явно ограничена. В связи с результатами проведённого анализа в работе сформулированы цель и задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Во второй главе систематизированы основные цели, достижение которых возможно в той или иной степени с использованием метода и реализующих его средств «безреечного» регулирования дизеля, т. е. регули-

рования его изменением числа работающих цилиндров или циклов. Цилиндры, находящиеся в работе, т. е. не отключённые, называют «активными». В данной работе реализующая метод система отключения цилиндров или циклов обозначается СОЦЦ.

В подавляющем большинстве проведённых ранее работ при отключении части цилиндров положение рейки ТНВД изменяется от исходного положения (например, холостого хода - Ьр хх.) до некоторого промежуточного, меньшего, чем 100 %. Т. е. регулятор устанавливает такое Ьр, при котором новый момент дизеля был бы равен исходному моменту сопротивления (М£ = Мс исх ). Однако максимальная экономичность активного цилиндра достигается при положении рейки ТНВД вблизи полного (90 - 100 %), что и предложено в работе. Отключение одного или нескольких цилиндров при неизменном положении Ьр приводит к сниженгао индикаторного момента соответственно на величину, пропорциональную числу отключённых цилиндров. Иначе говоря, для исследуемого дизеля справедливо соотношение:

м^7=т-ф)/бут, (1)

где ъ - число работающих цилиндров. Примем допущение, что момент механических потерь в дизеле сохраняется вне зависимости от нагрузки и числа работающих цилиндров и изменяется только в зависимости от изменения частоты вращения. Тогда в общем случае

Ме,2 = Ми-Мм. (2)

В работе ставится задача обеспечить регулирование дизеля изменением числа работающих цилиндров, причём, не отключённые (активные) цилиндры имеют подачи топлива при положении рейки ТНВД, равном 100 %. Т. е. топливная аппаратура становится как бы однорежимной по величине производительности. Следовательно, при полной подаче топлива среднее индикаторное давление полноразмерного дизеля равно сумме измеренных среднего эффективного давления и среднего давления механических потерь. При этом рм определяется через средние скорости поршня (Сп) по уравнению рм = 0,087 + 0,01-Сп. Здесь С„ = Б- п/30 [м/с], гдеБ-ход поршня [м], п - частота вращения коленчатого вала [мин1]. (Неравномерностью показателей по цилиндрам, а также и нестабильностью по циклам, пренебрегаем). Поскольку число цилиндров ограничено и обязательным условием является работа цилиндров с полной нагрузкой при изменении числа активных цилиндров, то режимы, отличающиеся по нагрузке от значений, получаемых делением нагрузки на число цилиндров, реализуются чередованием разгонов - выбегов вблизи средней, кратной им нагрузки, т. е. происходит в соответствии со схемой, приведённой на рис. 1.

Возможность уменьшения расхода топлива дизелем на режимах малых нагрузок или холостых ходов путём отключения части цилиндров зависит прежде всего от регулировочной характеристики дизеля Т], = Да). Отключение одного или нескольких цилиндров приводит к увеличению

подачи топлива в работающие цилиндры для поддержания режима, например, холостого хода дизеля. Коэффициент избытка воздуха в работающем цилиндре снижается, приближаясь к а„ом , а индикаторный КПД растёт. В таких режимах работа топливной аппаратуры происходит с максимальной эффективностью по максимальному и среднему давлениям впрыскивания, по характеристикам распыливания топлива, по показателям равномерности

и стабильности подач по циклам.

Ме

z работающих МеССОЦЦ)1\«™РОВ

Ме(СОЦЦ|

\z-l

работающих цилиндров

п П1 п2

п2 ПсР- П1 z работающих цилиндров

z-1 работающих цилиндров

равных 100%.

Рис. 1. Схема реализации условно «установившегося» режима (точка А на частичной (Ир < 100%) скоростной характеристике (Ме =Щ1Р)) путём разгонов (при числе работающих цилиндров г) и выбегов (при числе работающих цилиндров, например, г-1) с нестабильностью частоты вращения от П) до п2, равной 5п: Ме (СОЦЦ) - внешние скоростные характеристики дизеля при данном числе активных цилиндров (г и г-1) и при положениях рейки ТНВД,

В работающих цилиндрах рабочий процесс протекает при оптимальных условиях теплообмена, теплового состояния, при меньшем теплоотво-де. Применение регулирования начального давления (РИД) топлива, его повышение в работающем цилиндре, обеспечивает положительное корректирование внешней скоростной характеристики (ВСХ) этого цилиндра, а следовательно повышение устойчивости режима, снижение неравномерности и нестабильности работы топливной аппаратуры. Всё это и приводит к росту индикаторного КПД.

Предложена методика оценки возможности повышения топливной экономичности режимов частичных нагрузок дизеля использованием его универсальных характеристик по удельной топливной экономичности. В качестве параметра по ординате используется удельная работа, выполняемая двигателем. При этом в зависимости от числа активных цилиндров меняется удельная работа, которая зависит не только от момента (Ме) и среднего эффективного давления (ре), но и от рабочего объема двигателя при z работающих цилиндров. Для обоснования метода выбран дизель ЯМЗ -238 с СОЦЦ, испытания которого были проведены в рамках хоздоговорных работ кафедры на ЯЗТА. В качестве примера выбран режим работы на всех 8 цилиндрах со средним эффективным давлением ре8 = 0,1 МПа при п = 1200 1/мин. Удельная работа дизеля (Цд) определена по соотношению: Ьуд = 500- ре [Дж/(дм3)]. При peS = 0,1 МПа удельная работа (Ьуд) дизеля

вне зависимости от числа активных цилиндров составляет 50 Дж/(дм3). То-

гда полная работа (Ь) дизеля при восьми активных цилиндрах равна Ь = Цд-(г-Уь) = 50-8-1,857 = 743 Дж. Эту же работу дизель совершает при числе активных цилиндров ъ = 6 или 4, или 2, т. е. когда рабочий объём двигателя уменьшен в соответствии с числом отключённых цилиндров и составляет 11,15, 7,43 и 3,72 дм3 соответственно. Следовательно удельные работы дизеля с разным числом активных цилиндров составят: при ъ = 6 Ц.д 6 = 743/(г-Уь) = 743/11,15 = 67 Дж/(дм3); при ъ = 4 Цд4 = 743/(2-V,,) = 100 Дж/(дм3); при г = 2 Ьуд 2 = 200 Дж/(дм3).

Тогда с использованием универсальной характеристики получаем удельные эффективные расходы дизеля при разном числе активных цилиндров (и следовательно при разной удельной работе двигателя), а также относительные выигрыши в расходе топлива (Дge):

дёе =((ёе„8 _ёе.г)/'§е,8)-100%. При числе активных цилиндров ъ = 6, 4, 2

выигрыши в расходе топлива составляют, соответственно, 7, 19, 38 %. Полученные данные подтверждены результатами указанного эксперимента с точностью до 6 %.

Проведено обоснование возможности повышения динамических качеств дизеля с системой отключения - включения цилиндров или циклов путём устранения п. п. в системе регулирования дизеля. Теоретически п. п. изменения нагрузки всегда более кратковременны, чем п. п. изменения частоты вращения. Поэтому изменение нагрузки отключением - включением цилиндров всегда более кратковременно.

Схема системы отключения цилиндров или циклов показана на рис. 2. Работа системы происходит следующим образом.

Рис. 2. Схема системы топливоподачи с устройством отключения цилиндра: А -штатная система топливоподачи, Б - дополнительный узел отключателя цилиндра, 1 - топливный бак, 2 - топливопод-качивающий насос, 3 - топливный фильтр, 4 - плунжер ТНВД, 5 - нагнетательный клапан, 6 - линия высокого давления, 7 — клапан РНД, 8 - электромагнитная катушка, 9 - магнитная пластина, 10 - форсунка, 11 - дизель.

Топливо из бака 1 подаётся обычным порядком насосом низкого давления 2 через систему фильтрации 3 к ТНВД 4, а при нагнетательном ходе плунжера через нагнетательный клапан 5 - в линию высокого давления 6, а затем впрыскивается форсункой 10 (закрытого типа) в цилиндр дизеля 11. При отсечке подачи, когда нагнетательный клапан 5 ТНВД садится в седло и своим разгрузочным пояском формирует в ЛВД 6 волну пониженного давления, она, подходя к клапану РНД 7, открывает его. Если к этому моменту на электромагнитную катушку 8 подано электропитание, то магнит притягивает пластину 9, а она своим штоком нажимает на клапан РНД 7 и он остаётся в открытом положении.

При очередном цикле топливоподачи топливо сливается через открытый клапан РИД в линию низкого давления. Впрыска топлива в цилиндр не произошло. После снятия напряжения с электромагнитной катушки 8 клапан РИД 7 закрывается и система готова к очередному впрыскиванию топлива в цилиндр. Но в последующих циклах топливоподачи в линиях высокого давления проходят переходные процессы изменения остаточного давления (Рост), что, как правило, ухудшает характеристики впрыскивания. Проведён анализ п. п. в системе топливоподачи при использовании метода отключения - включения цилиндров или циклов. Показана целесообразность либо учёта этих процессов, либо их устранения регулированием начального давления топлива (Р„ач).

Выбрана математическая модель работы дизеля с системой отключения цилиндров или циклов на условно «установившихся» режимах и ряде неустановившихся режимов. Модель основана на численном решении уравнения динамического равновесия системы двигатель - потребитель

Ід.усг.— —= Ме(п)-Мс(п). (3)

В него подставляются уравнения полиномиальной аппроксимации экспериментальных характеристик Me=f(n) и Mc=f(n).

Me=A + B-n + C-n2 + D-n3+E-n4; Мс = F+G-n + H-n2. (4,5) At ЗО

iij =пм +----{[А + В - nM + С - (Пі-і) + D - (п;_іГ +

Тогда: І п (6)

+ E-(ni-i)4]-[F + G-(nM) + H-(nM)2]}. Для кратковременных режимов применимо уравнение, учитывающего п. п. в системе топливоподачи (изменение начального давления Р„ач). л dn SM- , SM« оМР 5Р„

Іусг • ~'■ —= An + ^S-. Ah„ + An +

-VCT- 30 dt c-n chp p oP„ai[ 5n

5Me 5Рнач AU аМ c A 5MC 4X,

+ -—5---—-Ahp----An---• AN.

оРнач 5h p H on SN

(7)

Для реализации предложенных математических моделей необходимы экспериментальные характеристики исследуемого дизеля.

В третьей главе приведено описание стендов для испытаний топливной аппаратуры с системой регулирования начального давления (РНД) и системой отключения цилиндров и циклов (СОЦЦ), а также для испытаний дизеля в штатном исполнении и с установленными на нём системами топливоподачи с РНД и СОЦЦ. Изложена методика исследования, проведена оценка погрешностей измерений и регистрации параметров и показателей работы двигателя, а также методика статистической обработки результатов многократных разгонов двигателя и установки, с целью выявления достоверной характеристики разгона. Проведено построение внешних и частичных скоростных характеристик дизеля 6411/12,5 при его регули-

ровании традиционным «реечным» методом и методом отключения цилиндров и циклов. Проанализированы ошибки прямых и косвенных измерений и показана возможность решения поставленных задач с использованием рассмотренного стенда и его измерительной и регистрирующей аппаратуры. Для реализации математического моделирования установившихся и неустановившихся (динамических) режимов дизеля 6411/12,5 проведена полиномиальная аппроксимация характеристик дизеля при его регулировании традиционным методом и методом отключения цилиндров и циклов. Подтверждена адекватность результатов эксперимента и результатов оценки экономического эффекта исследуемого метода с использованием универсальных характеристик. Показано, что с надёжностью 0,95 достоверная характеристика разгона дизеля лежит в доверительном интервале ± 5%. С учётом принятых выше допущений (соотношения 1 н 2) получены внешние скоростные характеристики (рис. 3).

Рис. 3. Внешние скоростные характеристики дизеля 6 Ч 11/12,5 и характеристика момента сопротивления Мс: Мм - момент механических потерь дизеля, Ме,6; М, ,6 — моменты эффективный и индикаторный при работе всех шести цилиндров 0'=6).

Характеристики изменения механических КПД при отключении части цилиндров аппроксимированы полиномиальными зависимостями, например, для случая работы на четырёх цилиндрах (г = 4):

Пм.4 = 0,0006- (п/300-4/3)3 - 0,0099- (п/300

+ 0,0289 • (п /300 - 4 /3) + 0,7507.

Для моделирования режимов работы дизеля характеристики изменения эффективных крутящих моментов при регулировании дизеля с помощью рейки ТНВД были сняты частичные скоростные характеристики дизеля, причём, начальными точками взяты значения моментов при номинальной частоте вращения, которые были равны аналогичным моментам при регулировании дизеля изменением числа работающих цилиндров. То -есть значение Ме при п = 2200 1/мин при реечном регулировании установлено равным МЄі5, т.е. значению эффективного момента двигателя при работе на пяти цилиндрах (ъ = 5) при положении рейки ТНВД \ = 100 %.

1000 1300 1600 1900 2200 п,1/шн

-4/3)2 +

(8)

При этом моменте подобрано значение положения рейки, которое составило Іір = 82 % от полного. Для случая работы на четырёх цилиндрах оно составило Ьр = 58 % от полного и т. д. Эти значения положений рейки условно обозначены через 80, 60, 40, 20 %. Характеристики моментов и сравнение их протекания в функции от частоты вращения приведены на рис. 4.

-Ме,б -Ме,5 -Ме,4 -Ме,3 -Ме,2 Ме,1 МеД00 Ме,80 Ме,б0 Ме,40 Ме^О

700 1000 1300 1600 1900 2200 п,1/мин

Рис. 4. Сравнение частичных характеристик дизеля 6 Ч 11/12,5 при разных методах реіулирования: Ме,б; Ме>5.. .Ме,і - работа дизеля на числе цилиндров z, равном шести, пяти и т. д. и на одном с полной подачей топлива; Me.ioo; Me so • • • Ме.2о - - работа дизеля на всех цилиндрах при hp = 100%, 80%, ...20%.

Пример аппроксимации частичной скоростной характеристики при положении рейки ТНВД hp = 40 %.

Ме>4о =0,2037- (п/ЗОО-4/З)3 -5,996- (и/300-4/3)2 +

+ 42,229- (п/300-4/3)+ 55,667.

Характеристики изменения удельных эффективных расходов топлива при регулировании дизеля традиционным методом (hP = var при z = 6) и методом изменения числа работающих цилиндров (z = var при hp = 100 %) получены экспериментально, результаты повторных измерений обработаны статистически. С достоверностью 0,95 результаты укладываются в доверительный интервал, равный 3 %. По результатам экспериментов построены универсальные (многопараметровые) характеристики дизеля по удельному эффективному расходу топлива.

В четвёртой главе проведён расчётно - экспериментальный анализ возможностей повышения экономичности режимов малых нагрузок и холостых ходов дизеля 6 Ч 11/12,5, работающего на частичной нагрузке, например, при Ме = 35 Н-м (т. е. менее 10 % от полной) при п = 1000 мин"'.

Воспользуемся универсальной характеристикой дизеля по удельному расходу топлива (рис. 4), построенной в координатах Цд- п.

1-уд.,

400 дж/(дм3) 350

Рис. 4. Универсальная характеристика дизеля б Ч 11/12,5 по удельному эффективному расходу топлива, перестроенная в отношении удельной работы Цд, выполняемой дизелем при разном числе активных цилиндров (6 цил., 5 цил. и т. д.)

При всех работающих цилиндрах (і = 6) удельная работа определяется соотно-

1000

п. мин

шением: Цл =2-я-Ме

/(і'Уь)= 2-л-35/(6-1,187) = 30,85 Дж/(дм3). Тогда полная работа, выполняемая на этом режиме полноразмерным двигателем, составляет Ьполн = Ьуд •і-Уь = 219,7 Дж. При работе с «г» работающими цилиндрами на этом же режиме, удельная работа будет определяться соотношением Ьуд = Ьполн /(г-Уь) Дж/(дм")- Результаты расчётов сведены в характеристики рис. 5.

290

275 250

Z00

4 раб. щш.

40

б рабо

\н

рао. ціш.

або

так

.7Z:

Рис. 5. Сравнение удельных эффективных расхо- туууд-т.^1_§раЗотг$одй1х Цаш^ндфов дов топлива (ge) и выигрышей в удельных рас- раб. шш. ходах (Age) при реализации частичного режима с , Jfj35n_ Ме = 35 Н-м и п = 1000 з?о_ об/мин полноразмерным двигателем 6 Ч 11/12,5 и двигателем с числом работающих цилиндров z = 5,4, 3,2 или 1

Предполагая работу двигателя на, напри- о 40 80 мер, одном цилиндре и полной подаче топлива, нужно проверить саму возможность реализации такого режима с нагрузкой, равной механическим потерям и внешней. В рассмотренном выше примере работа на одном цилиндре будет возможна,

-ї рао. ціїіґ

аю: цих

- рао. шш.

щих ЦШШЕДрОВ

цишшдро:

Age, 40

35%

30

25

20

15

10

5

120 1б0Ьуд.Дж/(дмЗ)

если индикаторный момент этого цилиндра составляет следующий порядок: = Ме/г|мех = 35/0,1=350 Н-м. Что невозможно. Тот же Ме = 35 Н-м реализуется работой двух цилиндров, если их суммарный индикаторный момент будет составлять 35/0,55 = 64 Н-м, что вполне возможно.

Показано, что при нагрузке порядка 10 - 15 % от полной в диапазоне частот вращения 1000 - 1600 мин'1 установившихся режимов отключением разного количества цилиндров можно снизить удельный эффективный расход топлива дизелем на величину до 15-20 % от расхода топлива полноразмерного дизеля. При этом при работе на разном числе цилиндров дизель стабилизирует установившийся режим при разных положениях рейки ТНВД, отличных от полных. Снижение абсолютного часового расхода топлива при работе с нагрузкой от 10 до 35 Н-м составляет от 25 % при минимальных частотах вращения до 5 - 7 % - вблизи или на номинальных частотах.

При реализации режимов, поддерживаемых чередованием разгонов -выбегов (рис. 6) в допустимом диапазоне неравномерности частоты вращения при работе активных цилиндров с полной подачей топлива (Ьр=90-100 %) может быть достигнут повышенный экономический эффект в размере 18 - 25 и 5 - 7 % соответственно для пониженных и повышенных

частот вращения. Рис. 6. Поддержание во времени (1) режима п = 1000 мин"1 с заданной неравномерностью + 20 мин"1 при Мс ср. = 34,37 Н-м дизеля 6 Ч 11/12,5 разгонами на двух цилиндрах (2ц) и выбегами при выключении всех цилиндров (2ц - 0ц).

В данном

примере дизель работает на двух активных цилиндрах до достижения верхнего допустимого предела по частоте вращения. Затем происходит выключение обоих цилиндров, происходит выбег двигателя до минимально допустимой частоты вращения. Затем вновь включаются два цилиндра (причём, это предпочтительно должны быть другие цилиндры). В данном случае включение и выключение цилиндров зависит от момента достижения верхнего и нижнего предела допуска изменения п. Т. е. программа, определяющая порядок работы (номера включаемых - выключаемых цилиндров) отсутствует и она не нужна.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 и с.

В результате моделирования режима с низкой нагрузкой в широком диапазоне частот вращения получено (рис. 7), что экономичность режима дизеля с СОЦЦ может быть повышена на величину до 25% при низких и до 5 - 7 % при высоких частотах вращения в сравнении с расходами топлива при штатном регулировании (положение рейки в области 20 % от номинала).

Рис. 7. Часовые расходы топлива при «реечном» (Сг, Ьр.20) и «безреечном» (в,. 2ц-0ц) регулировании дизеля и выигрыш в расходе (ДОт, 2ц-0ц) при применении «безреечного» регулирования по сравнению с «реечным».

Реализация этого же режима отключением двух цилиндров с выводом их на режим частичной нагрузки (т. е. действительно установившийся режим, но при положении рейки ТНВД, меньшем полного), позволяет достигнуть выигрыша в расходе топлива в количестве соответственно, 20 и 4%. Очевидное объяснение этому заключается в том, что при реализации условно «установившихся» режимов (т. е. при поддержании скоростного режима чередованием разгонов - выбегов) топливная аппаратура и дизель (его активные цилиндры) работают при более высокой эффективности, более высоких КПД.

На рис. 8 показаны выигрыши в расходе топлива, достигаемые при применении СОЦЦ, по сравнению с обычным, т.е. «реечном» регулированием. Они составляют порядка 21 - 28%.

Показано, что изменение момента инерции установки при реализации режимов разгон - выбег несколько влияет на погрешность определения экономичности, что связано с цикличностью работы дизеля.

С увеличением внешней нагрузки целесообразность отключения цилиндров снижается и пропадает.

Моделированием режимов разгонов - выбегов показана возможность повышения динамических качеств установки с дизелем, регулируемым с помощью СОЦЦ.

Выключение всех цилиндров после разгона и следующий за ним выбег приводят к срабатыванию регулятора частоты, который за время М выводит рейку ТНВД в положение полной подачи. ТНВД подготовлен (без задержки, т. е. А1 = 0) к полной подаче топлива в момент включения ранее выключенных цилиндров. А это включение происходит за время, меньшее

I г~ /

5Т, 11р.20 }т, 2ц-0ц «Зт,2ц-0ц

- -о-С А

-+-1 А

А

*

Р\ у*

Трецд -1 - п,3 - /мин

700 1000 1300 1600 1900 2200

40 35 30

25 ^

20

15

10

5

0

О <

двух оборотов коленчатого вала, которое меньше указанного времени задержки Д1 Устранение переходных процессов в топливной системе при включении - выключенных цилиндров (т. е. использование системы с РНД) позволяет повысить динамические показатели тех же режимов на ~ 8 % по сравнению с исходным вариантом с «реечным» регулированием.

0,4 0,35

н

О

0,345 і 1

1

* 2 -Ц4 •^с 0,248

/ /

/ >

/

32 28 24 20

16 5 12 ^ 8 4 0

Рейка XX

Метод регулирования дизеля

СОЦЦІ=5СОЦЦІ 7 СОЦЦ 1=9

Рис. 8. Часовые расходы топлива (От) при работе на холостом ходу (п = 700 об/мин) при «реечном» (Рейка XX) и «безреечном»

0,15 — —[- - \—\— МН Н"12 (СОЦЦ) регулированиях дизеля и выигрыши в расходе топлива (Авт) при поддержании режима с помощью СОЦЦ и разных моментах инерции установок (I = 5, 7, 9 Н-м-с2).

Моделированием режимов дизеля 6 ЧП/12,5 получено повышение динамических показателей, а именно, уменьшение времени приёмистости на величину до 8-10% при реализации режимов выбег - разгон в диапазоне частот вращения 2000 - 700 - 2000 об/мин.

Очевидно, что ожидаемая величина выигрыша в расходе топлива ограничивается наличием перечисленных выше факторов - от необходимости плавного увеличения - уменьшения момента до необходимости повышать минимальную частоту холостого хода для снижения её неравномерности. В то же время, использование универсальных характеристик и математического моделирования являются эффективными средствами поиска рациональных решений при применении метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма, т. е. числа работающих цилиндров или циклов.

Общие выводы н рекомендации

1. Предложены принципы управления работой дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов на установившихся режимах с частичной нагрузкой и неустановившихся режимах разгонов - выбегов и приёмов нагрузки, заключающиеся в том, что остающиеся в работе цилиндры работают с полной подачей топлива, а установившиеся режимы малых нагрузок и холостых ходов реализуются чередованием разгонов - выбегов в пределах допустимой неравномерности вращения вала.

2. Проведён подбор элементов модернизации топливной аппаратуры дизеля типа 6 Ч 11/12,5, обеспечивающих отключение — включение от-

дельных цилиндров на короткое время, в том числе время одного цикла, при возможности регулирования начального давления топлива перед циклами топливоподачи после включения цилиндров.

3. Предложена математическая модель реализации установившихся режимов частотной нагрузки и неустановившихся характерных режимов работы дизеля методом изменения числа работающих цилиндров гаи циклов.

4. Разработана методика оценки возможностей повышения экономичности дизеля отключением цилиндров или циклов по универсальным (комбинированным) характеристикам дизеля.

5. Получены численные значения возможных выигрышей в расходах топлива (до 20 - 25 %), выигрышей во временах выполнения операций разгонов - выбегов и набросов нагрузки (порядка 8-10 %), при применении предложенного метода регулирования по сравнению со случаями штатного регулирования с помощью рейки ТНВД.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах.

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

2. Патрахальцев H.H., Страшнов C.B., Корнев Б.А., Мельник И.С. Экономия нефтяного дизельного топлива частичным замещением его этанолом (тезисы доклада) /ЛОбилейные 5-е Луканинские чтения «Проблемы и перспективы развития автотракторного комплекса». М. - МАДИ, 10 февраля 2011. С. 113 - 115.

3. Патрахальцев H.H., Санчес Л. В. А., Фернандо И.Д.К.П., Страшнов C.B. Фактические значения цетановых чисел смесей дизельного топлива с альтернативными // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + альтернативное топливо. -2011.-№ 3 (57). - С. 12-15.

4. Патрахальцев H.H., Страшнов C.B., Мельник И.С., Корнев Б.А. Регулирование дизеля изменением его рабочего объёма // Тракторы и сельхозмашины. -2012. - № 1.С. 19-22.

5. Патрахальцев H.H., Страшнов C.B., Корнев Б.А., Мельник И.С. Регулирование дизеля методом отключения - включения цилиндров или циклов // Двигателестроение. - 2011. - № 3 (245), июль - сентябрь 2011. - С. 7 - 12.

6. Патрахальцев H.H., Казаков С.А., Фернандо Кумара П.И.Д., Страшнов С.А. ЛВЖ как инструмент повышения качества разгонов дизеля после пуска (статья) // Автомобильная промышленность. - 2011. - № 4. С. - 8 - 11.

7. Патрахальцев H.H., Страшнов C.B., Мельник И.С., Корнев Б.А. Изменение числа работающих цилиндров дизеля - вариант повышения эконо-

мичности его режимов малых нагрузок // Автомобильная промышленность. - 2011. - №.....- С........(в печати).

8. Патрахальцев Н.Н., Страшнов С.В., Корнев Б.А., Мельник И.С. Регулирование дизеля изменением физико — химических и моторных свойств топлива (статья) // ВЕСТНИК РУДН - Сер. Инженерные исследования. -2012. - № 2. С.....(в печати).

Страшнов Станислав Викторович РЕГУЛИРОВАНИЕ ДИЗЕЛЯ 6 Ч 11/12,5 ИЗМЕНЕНИЕМ ЧИСЛА РАБОТАЮЩИХ ЦИЛИНДРОВ ИЛИ ЦИКЛОВ В работе проведено исследование возможности повышения экономических и динамических качеств дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов. Проведена модернизация штатной топливной системы элементами повышения начального давления и отключения цилиндров, в том числе на время одного цикла. Разработана методика предварительной оценки возможности повышения экономичности дизеля отключением части цилиндров с использованием экспериментальных универсальных характеристик. Показана целесообразность вывода активных цилиндров на работу с полной подачей при реализации поддерживаемых режимов проведением разгонов - выбегов в заданном диапазоне изменения частоты вращения. Подтверждена возможность повышения динамических качеств дизеля, регулированием числа работающих цилиндров.

Strashnov Stanislav Viktorovich REGULATION OF DIESEL 6411/12,5 BY VARIATION OF NUMBER OF DEACTIVATED CYLINDERS OR CYCLES

There carried out an investigation of opportunity to rise of economical and dynamical qualities of diesel by variation of number of deactivated cylinders or cycles. For this aim there modified fuel system by using of regulation of pressure initial of fuel and deactivation some cylinders during the time of one cycle. There presented a method of calculation of effectiveness of such regulation with use of universal characteristics of diesel. It is necessary to regulate of active cylinders on full load and stabilize the regime by acceleration - deceleration of motor. There presented, that dynamical qualities of diesel rise with using the method.

Подписано в печать 04.04.2012 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме.

_Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 367.

Российский университет дружбы народов

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

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

61 12-5/2384

РОССИЙСКИИ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ УДК 621.436.038.001

На правах рукописи

СТРАШНОВ СТАНИСЛАВ ВИКТОРОВИЧ

РЕГУЛИРОВАНИЕ ДИЗЕЛЯ 6 Ч 11/12,5 ИЗМЕНЕНИЕМ ЧИСЛА РАБОТАЮЩИХ ЦИЛИНДРОВ ИЛИ ЦИКЛОВ

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

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

Москва, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Список принятых сокращений и обозначений.............................4

Определения метода регулирования двигателя............................5

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................6

ГЛАВА 1. Анализ результатов опубликованных работ.................14

1.1. Развитие методов регулирования ДВС изменением числа работающих цилиндров или циклов......................................................14

1.2. Метод регулирования дизеля изменением числа работающих цилиндров...............................................................................19

1.3. Устройства для регулирования дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов.....................................................27

1.4. Моделирование режимов работы дизеля, регулируемого отключением - включением цилиндров или циклов................................33

1.5. ВЫВОДЫ по главе 1...................................................36

1.6. Постановка цели и задач исследования.............................37

ГЛАВА 2. Основные теоретические положения.........................39

2.1. Анализ применимости метода...........................................39

2.2. Возможности повышения экономичности режимов холостого хода и малых нагрузок регулированием дизеля отключением - включением цилиндров или циклов..................................................................43

2.3. Возможности повышения динамических качеств дизеля.........53

2.4. Возможности повышения эффективности применения нетрадиционных топ л ив в дизелях...........................................................55

2.5. Модернизация системы топливоподачи средствами отключения - включения цилиндров или циклов...............................................56

2.6. Влияние переходных процессов в системе топливоподачи при регулировании дизеля отключением - включением цилиндров или циклов.........................................................................................61

2.7. Математическая модель режимов работы дизеля, регулируемого отключением - включением цилиндров или циклов...........................63

2.8. Системы управления (регулирования) дизеля отключением -включением циклов....................................................................70

2.9. Возможности повышения экологических качеств дизеля........75

2.10. ВЫВОДЫ по главе 2...................................................75

ГЛАВА 3. Основные методические положения..........................78

3.1. Объект исследования......................................................78

3.2. Безмоторный стенд для исследования топливной аппаратуры дизеля........................................................................................79

3.3. Стенд для исследования дизеля........................................80

3.4. Погрешности измерений................................................82

3.5. Результаты снятия скоростных характеристик дизеля............84

3.6. Статистическая обработка результатов многократных измерений................................................................................93

3.7. Анализ адекватности метода оценки экономичности дизеля по многопараметровым (универсальным) характеристикам......................95

3.8. Выводы по главе 3.........................................................95

ГЛАВА 4. Результаты проведённого исследования.....................97

4.1. Повышение экономичности режимов малых нагрузок и холостых ходов дизеля.............................................................................97

4.2. Поддержание установившихся режимов работы дизеля, регулируемого методом отключения - включения цилиндров или циклов......103

4.3. Влияние момента инерции установки на достижимый эффект повышения экономичности............................................................108

4.4. Подтверждение возможности повышения динамических качеств дизеля и установки с ним............................................................115

4.5. ВЫВОДЫ по главе 4.....................................................117

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

Список литературы............................................................120

Список принятых сокращений и обозначений

ВСХ - внешняя скоростная характеристика дизеля.

ДсИЗ - двигатель с искровым зажиганием.

КПД - коэффициент полезного действия.

ЛВД - линия высокого давления.

ЛНД - линия низкого давления.

НУР - неустановившийся режим работы.

РИД - регулирование начального давления.

СОЦЦ - система отключения цилиндров или циклов.

ТНВД - топливный насос высокого давления.

УР - установившийся режим работы.

ФХР - «физико - химическое» регулирование дизеля, т. е. регулирование

дизеля изменением физико - химических и моторных свойств топлива.

ЧСХ - частичная скоростная характеристика.

В - дымность ОГ, [ед. Бош].

Сс - концентрация сажи в ОГ, [мг/л].

Н - дымность ОГ в единицах Хартриджа, [%].

Ме, М;, Мм - эффективный, индикаторный крутящие моменты на валу дизеля и момент механических потерь, [Нм].

Ке, N¡5 >1М - мощности эффективная, индикаторная и механических потерь, [кВт].

с|е - удельный эффективный расход топлива, [г/(кВт-ч)].

- положение рейки топливного насоса высокого давления. "Н - частота вращения, [ 1 /мин]. £ - число работающих цилиндров. 0С- коэффициент избытка воздуха.

г|е, г)м - индикаторный, эффективный и механический КПД. 1к3 - угловая скорость вращения вала, [1/с].

Определения метода регулирования двигателя

В рассмотренных далее публикациях применяются следующие определения исследуемого в работе метода регулирования двигателя. Метод регулирования отключением - включением цилиндров или циклов. Регулирование двигателей отключением части цилиндров. Регулирование дизеля пропуском рабочих ходов поршней. Регулирование дизеля пропуском подач топлива.

Регулирование изменением степени сжатия и рабочего объёма двигателя. «Безреечное регулирование» - регулирование дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов и порядка их работы. Дискретное изменение мощности (ДИМ).

«Active Cylinder Control (АСС)» - технология отключения цилиндров фирмы Daimler - Chrysler.

«Variable Cylinder Management (VCM)» - технология регулирования двигателя отключением цилиндров фирмы Honda. «Cylinder Deactivation Device» - устройство отключения цилиндра. «Cylinder cutout» - выключение цилиндра.

«Multi - Displacement System (MDS)» - система изменяемого рабочего объёма, изменяемых рабочих объёмов.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальными проблемами современного дизелестроения являются дальнейшее повышение мощностных, экономических и экологических КФчеств. В условиях эксплуатации транспортные дизели работают с коэффициентом загрузки, редко превышающим 0,7 или даже 0,6. Особенностями работы например дизеля на тепловозе являются длительная работа на холостом ходу в режиме прогрева и поддержания рабочей температуры теплоносителей, большим относительным временем работы на переходных режимах, относительно низким коэффициентом использования мощности, доходящим для магистральных тепловозов до 0,4, а для маневровых - до 0,2 [99].

Длительная работа дизелей на режимах холостых ходов и малых нагрузок, особенно в условиях пониженных температур окружающей среды, приводит к повышенному удельному расходу топлива, связанному с тем, что при впрыскивании малых цикловых подач ухудшается качество рас-пыливания и снижается полнота его сгорания, повышается неравномерность и нестабильность подач. В отдельных цилиндрах появляются пропуски воспламенения топлива, которое, попадая в масло, снижает его вязкость.

Кроме того, масло, попавшее в камеру сгорания, не сгорает полностью. Оно частично окисляется и сбрасывается в картер поршневыми кольцами со втулок цилиндров при ходе поршня к нижней (наружной) мёртвой точке, частично попадает в ресивер , зоздуха и вы-

пускной тракт дизеля. В результате масло загрязняется продуктами неполного окисления, растёт его вязкость и падает оптическая плотность масла, т. е. снижаются его физико - химические показатели, эксплуатационные характеристики. При длительной работе на таких режимах масло может скапливаться в выпускных трактах и при последующих нагружениях дизеля воспламеняться. Это приводит к местному перегреву коллекторов, газоприёмных патрубков турбины, глушителя, снижая их долговечность. Ещё

опаснее, когда сгорающее масло из коллектора выбрасывается на лопатки газовой турбины, что может привести к её разносу. Работа на таких режимах с повышенной частотой вращения увеличивает не только перерасход топлива и масла, но и повышает опасности нарушения технического состояния двигателя.

Длительная работа на таких режимах сопровождается вероятностями лакообразований и отложений в камере сгорания сажи, вероятностью коксования распылителей форсунок и в конечном итоге - снижением надёжности и долговечности двигателя.

Дизели сельскохозяйственного производства стали крупнейшими потребителями нефтепродуктов. До 40 - 45% всех дизельных топлив потребляют машины сельхозсектора [22]. Экономия топлива - важнейшая задача, особенно с учётом роста его стоимости, а следовательно и стоимости сельхозпродукции.

Режимы холостого хода составляют более 30% времени в Европейском ездовом цикле, характерном для условий движения автотранспорта в современных крупных городах [43].

Дизели транспортного назначения длительное время эксплуатируются на неустановившихся режимах. Продолжительность таких режимов в эксплуатации достигает 80 - 90% от всего моторесурса двигателя [58]. Поэтому важной задачей является повышение эффективности характерных эксплуатационных (неустановившихся) режимов - прежде всего режимов разгонов и приёмов нагрузки. То - есть актуально повышение динамических качеств двигателя и установки с ним.

Одним из важнейших недостатков дизеля является повышенный выброс сажи - адсорбента канцерогенных и других токсичных компонентов ОГ. Кроме того, сажа в ОГ, дымность выбросов - это визуально различимый признак токсичности. И этот факт вызывает социальный протест со стороны человека [79]. Снижение эксплуатационных выбросов сажи при

реализации эксплуатационных режимов - одна из важнейших задач современного дизелестроения.

Прогнозируемое истощение нефтяных ресурсов ставит задачу применения в дизелях различных нетрадиционных (альтернативных) топлив, многие из которых также способствуют снижению токсичности и дымно-сти выбросов двигателя.

Все перечисленные проблемы могут в различной степени решаться с помощью нетрадиционных методов регулирования дизеля. К таким нетрадиционным методам относится «безреечное» регулирование дизеля, т. е. регулирование его не перемещением, например, рейки ТНВД, а регулирование изменением числа работающих цилиндров или отдельных циклов работы двигателя. Иначе говоря, методом регулирования отключением -включением цилиндров или даже циклов. Такой метод также называют методом регулирования дизеля изменением его рабочего объёма. Иногда говорят об изменении числа активных цилиндров. За рубежом иногда применяется термин «Multi - Displacement System». Иногда под двигателем с изменением рабочего объёма понимают соединение в одной установке по -существу двух двигателей с собственными коленчатыми валами, связываемыми разобщительной муфтой (Variable Displacement Engine Concept).

Известен также метод изменения рабочего объёма двигателя путём изменения хода поршня. Это требует изменения конструкции кривошипно - шатунного механизма, который приобретает свойства изменяемого рабочего хода [101].

Одним из достоинств таких методов является то, что топливная аппаратура дизеля превращается в «однорежимную», т. е. такую, когда на всех нагрузочных режимах топливоподача осуществляется при положении рейки ТНВД, близком или равном 100% [51]. Это повышает качество процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания, что и обеспечивает улучшение эксплуатационных показателей дизеля.

Для реализации метода созданы различные средства, включающие как элементы отключения - включения подачи топлива, так и элементы управления фазами газообмена, отключения - включения системы газообмена. Последние, как правило, требуют существенных изменений конструкции дизеля, усложняют реализацию такого метода регулирования, особенно в условиях существующих конструкций двигателей. Большинство известных средств отключения - включения топливоподачи в дизель реализуют отключение - включение одних и тех же и одного и того же количества отключаемых цилиндров. Это существенно снижает их эффективность. По - существу, только такие современные системы топливоподачи, как система типа «Common Rail», позволяют реализовывать регулирование дизеля отключением части цилиндров или циклов, причём, с изменяемым количеством отключаемых цилиндров (циклов) и изменяемым порядком их отключения. Очевидно, что если продолжительность отключения цилиндра может составлять до одного рабочего цикла, то это и будет управление путём вариирования числа рабочих циклов, получается регулирование отключением - включением циклов [59]. Для большинства современных дизелей, оснащённых системами топливоподачи разделённого типа, возможности достижения подобных эффектов проблематичны.

Возможности регулирования дизеля изменением числа работающих цилиндров, причём, отключением - включением цилиндров на время, сравнимое со временем цикла, иначе говоря, отключением - включением отдельных циклов, могут реализовываться с помощью систем с регулированием начального давления (РНД), дополненных элементами управления клапаном РНД, а следовательно отключения подачи топлива форсункой.

При регулировании работы дизеля таким методом устраняются переходные процессы в системе автоматического регулирования, связанные со временем перемещения регулирующего органа, что способствует повышению динамических качеств дизеля и установки с ним.

Одним из приоритетных направлений в исследованиях ДВС является совершенствование протекания режимов холостых ходов и переходных процессов [100].

Исследования возможностей регулирования дизеля отключением -включением цилиндров или циклов с изменением числа и номеров ВКкАЮчаемых - включаемых цилиндров, а также продолжительности, времени их отключённого - включённого состояния носят ограниченный характер, информация о результатах таких исследований ограничена, хотя принципиальная работоспособность таких систем и их эффективность подтверждается рядом исследований.

Целью данного исследования является повышение эффективности, экономичности эксплуатации, повышение динамических качеств дизеля методом изменения числа работающих цилиндров или циклов.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

- выбор элементов модернизации топливной аппаратуры дизеля, обеспечивающей отключение - включение отдельных цилиндров на короткое время, в том числе время одного цикла, при одновременном регулировании начального давления топлива перед циклами топливоподачи после включения цилиндров;

- создание математической модели режима работы дизеля с потребителем, реализующего как поддержание установившихся режимов пониженных нагрузок, так и ряда типичных для автотракторного дизеля неустановившихся режимов;

- разработка методики оценки возможностей повышения экономичности дизеля отключением цилиндров или циклов по универсальным (комбинированным) характеристикам дизеля;

- получение численных значений возможных выигрышей во временах выполнения операций, выигрышей в расходах топлива при применении рассматриваемого метода.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Предложены принципы управления работой дизеля типа 6 Ч 11/12,5 изменением числа работающих цилиндров или циклов на установившихся режимах с частичной нагрузкой и неустановившихся режимах разгонов и приёмов нагрузки, новизна которых заключается прежде всего в том, что остающиеся в работе цилиндры всегда работают с полной нагрузкой, т. е. равной 100 %.

Разработана методика предварительной оценки эффективности метода регулирования дизеля отключением цилиндров или циклов по много-параметровым характеристикам двигателя.

Предложена математическая модель реализации установившихся режимов частичной нагрузки и неустановившихся характерных режимов работы дизеля методом изменения числа работающих цилиндров или Цйл Идов, новизна которой заключается в том, что в ней либо учитываются переходные процессы в системе топливоподачи дизеля, либо устраняются эти переходные процессы, благодаря регулированию начального давления топлива в топливных системах работающих цилиндров.

Применительно к дизелю типа 6 Ч 11/12,5 получены количественные показатели эффективности метода по показателям экономии топлива и повышения динамических качеств дизеля.

Практическая значимость результатов исследования заключается в следующем.

Подтверждённая работоспособность элементов модернизации топливной аппаратуры разделённого типа для регулирования дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов позволяет н