автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Снижение расхода топлива и вредных выбросов дизеля на режимах постоянной мощности

На правах рукописи

Матисвский Герман Дмитриевич

СНИЖЕНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА И ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЯ НА РЕЖИМАХ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ

05.04.02 — тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 НОЯ 2013 005538101

Барнаул -2013

005538101

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ) на кафедре двигателей внутреннего сгорания.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

Свистула Андрей Евгениевич.

кандидат технических наук, доцент Брякотин Максим Эдуардович.

Официальные оппоненты:

Кукис Владимир Самойлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», ведущий эксперт кафедры «Колесные, гусеничные машины и автомобили».

Титов Сергей Владиленович, кандидат технических наук, доцент, ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», доцент кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания».

Ведущая организация: ОАО ХК «Барнаултрансмаш», г. Барнаул.

Защита состоится «05» декабря 2013 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», 656038, г. Барнаул, пр.Ленина, 46, АлтГТУ (тел/факс (3852)298722; E-mail: D21200403@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «30» октября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /

кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важной научно-технической проблемой современного двигателестроения является обеспечение постоянно ужесточающихся норм по расходу топлива и вредных выбросов отработавших газов (ОГ). Она решается комплексом разноплановых мероприятий, в том числе и выполнением ряда специфичных, связанных с особенностями работы потребителя. Так в дизель-генераторах с всережимным генератором и преобразователем частоты, используемых в энергетических комплексах на базе гибридных энергоустановок, предпочтительна работа дизеля по оптимизационной характеристике, обеспечивающей наименьший расход топлива на заданной мощности. Для дизелей промышленного и сельскохозяйственного назначения необходимо иметь значение коэффициента приспособляемости порядка 1,4, что дает преимущества в тягово-экономических показателях и разгонных качествах машино-тракторного агрегата.

Задачи оптимизации скоростного режима и условий обеспечения по расходу топлива и воздуха необходимого значения коэффициента приспособляемости имеют единый подход к решению, основанный на проведении расчетно-экспериментальных исследований характеристик постоянной мощности (ХПМ) и разработке мероприятий, повышающих экономические и экологические показатели дизеля на режимах ХПМ, чему и посвящена данная работа.

Из мероприятий актуально рассмотрение возможностей топливоподающих систем высокого давления типа Common Rail (CR) с электронным управлением параметрами впрыска. Важно и накопление опыта работы с системами CR, созданными на компонентах отечественных проговодителей.

Цель работы - снижение расхода топлива и вредных выбросов отработавших газов дизеля на режимах постоянной мощности оптимизацией частоты вращения коленчатого вала и регулировочных параметров топливной аппаратуры непосредственного действия и типа CR.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1 Выполнить исследование совокупности ХПМ, располагаемых в поле возможных режимов работы дизеля и отличающихся значением мощности N , и

предложить их классификацию по влиянию на величину коэффициента приспособляемости, характер изменения и величину эффективного КПД.

2 Разработать инженерную методику расчета оптимизационной зависимости между частотой вращения коленчатого вала и заданным значением постоянной мощности попт =J{ Necomt) из условия получения наименьшего расхода топлива.

3 Предложить методический комплекс, позволяющий проводить анализ и построение ХПМ, а также отыскание оптимизационной зависимости птт =

ft ^econst

4 Применить методический комплекс к исследованиям ХПМ дизелей ОАО «АМЗ» для выявления главных факторов обеспечения работы дизеля по ХПМ и

основных направлений снижения расхода топлива, предложить алгоритмы отыскания оптимизационных зависимостей попт =ANecomt)-

5 Стендовыми испытаниями дизелей оценить эффективность предложенных алгоритмов оптимизационных зависимостей попт =/( Neconst) в сравнении с нагрузочной характеристикой на номинальной частоте при условии одинаковых значений мощностей по показателям расхода топлива и вредности отработавших газов. Выявить наиболее эффективный вариант оптимизации.

6 Экспериментальными исследованиями опытного одноцилиндрового дизеля проверить эффективность снижения расхода топлива и вредных выбросов ОГ разработанным способом двухступенчатого впрыска топливной аппаратурой непосредственного действия и аккумуляторной аппаратурой типа CR, созданной на отечественных компонентах, с оптимизацией ее параметров по давлению и моменту впрыскивания при работе по ХПМ в сравнении с типовой системой топливопо-дачи.

7 Для каталитического нейтрализатора ОГ конструкции СО РАН определить оптимальное значение температуры каталитического блока и достигаемую степень очистки от оксидов азота, и оценить возможность достижения рабочей температуры каталитического блока на режимах ХПМ при его установке в систему выпуска.

Объект исследования - характеристики постоянной мощности дизелей ОАО «АМЗ» размерности 130/140.

Предмет исследования - процессы, формирующие характеристику постоянной мощности и определяющие запас крутящего момента, топливную экономичность и вредные выбросы ОГ в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов, типа и регулировочных параметров топливной аппаратуры.

Методы исследований и достоверность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы, хорошо известные и апробированные на практике и адаптированные к решению поставленных задач.

Достоверность результатов достигалась соблюдением требований стандартов, анализом и контролем погрешностей, сопоставлением результатов расчетов и эксперимента.

Научную новизну представляют следующие результаты и положения, выносимые на защиту:

- классификация ХПМ по величине мощности с выделением двух зон со своими особенностями формирования эффективного расхода топлива и величины коэффициента приспособляемости;

- методика расчета оптимизационной /по наименьшему расходу топлива/ функции попт =J{ Necomt), выбор вида функции в зависимости от зоны расположения ХПМ и условий построения внешней скоростной характеристики (ВСХ), оценка потенциального снижения расхода топлива в сравнении с расходом по нагрузочной характеристике на номинальной частоте;

- методический комплекс исследований ХПМ, позволяющий выявлять потенциальные возможности повышения индикаторного и эффективного КПД, алгоритмы изменения цикловой подачи топлива и давления наддува и вид оптимизационной зависимости п,жт = Д Necomt);

- результаты исследования системы двухступенчатой подачи топлива, обеспечивающей снижение расхода топлива, содержание сажи и оксидов азота в ОГ при оптимальной величине первичной подачи, определяемой, в том числе и прямыми ее потерями при попадании на стенку цилиндра;

- результаты исследования дизеля с топливной системой типа CR, являющейся эффективным средством снижения выбросов неполных продуктов сгорания с одновременным увеличением топливной экономичности при условии внедрения мероприятий по снижению оксидов азота, включающих оптимизацию давления и угла опережения впрыска топлива в сочетании с устройствами нейтрализации ОГ.

Практическую ценность имеет методика выбора наиболее оптимального варианта зависимости между частотой и мощностью, при которой обеспечивается снижение расхода топлива в широком диапазоне уменьшения мощности двигателя, а также рекомендации и достигнутые результаты по снижению расхода топлива и вредных выбросов применением двухступенчатой подачи топлива, системы типа CR, нейтрализатора ОГ и оптимизацией их регулировок.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются на ОАО «АМЗ», ОАО «АлСЭН», ООО «АЗПИ» при разработке двигателей с повышенным коэффициентом запаса крутящего момента и перспективных дизелей для энергоустановок; в АлтГТУ им. И.И. Ползунова в учебном процессе.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (г. Барнаул, 2009-2013), Международной конференции «Двигатель 2010», посвященной 180-летию Ml'ГУ им. Н.Э. Баумана (М., МГТУ, 2010); Международной научно-технической конференции «Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе» (г. Новосибирск, НГАВТ, 2011); Международном конгрессе двигателестроителей (Украина, 2010, 2011), научно-практической конференции 5-е и 6-е Луканинские чтения (М., МАДИ, 2011, 2013) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 26 печатных работ, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 180 страниц, 3 таблицы, 46 рисунков и 120 наименований списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, изложены цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится краткий обзор работ по исследованию и улучшению показателей работы дизеля по ХПМ и оптимизации скоростного режима по минимуму расхода топлива для заданной мощности. Наиболее широко и много-планово представлены работы по ХПМ, доведенные до создания двигателей постоянной мощности, где ХПМ - есть внешняя скоростная характеристика, и двигателей с двумя уровнями мощности, на одном из которых (меньшем) дизель работает по ХПМ. Вместе с тем, на отечественных дизелях медленно внедряется современная топливная аппаратура высокого давления с электронным управлением параметрами впрыска. Мало изучено совместное влияние давления и угла опережения впрыска на показатели работы дизеля и достигаемый эффект при управлении ими в сравнении с использованием традиционной топливной аппаратуры.

Работ по оптимизации частоты значительно меньше, так как такая задача возникла позже, в связи с развитием альтернативной энергетики. Из работ этого плана следует отметить работы A.A. Малоземова, B.C. Кукиса, O.A. Алешкова, A.B. Копеина. В них синтез алгоритма управления частотой в широком спектре мощностей основан на математическом моделировании рабочих процессов на нерасчетных режимах или определяется экспериментальным путем. Достоинство этих исследований в том, что они выполнены на двигателях, работающих в реальных объектах, т.е. с учетом особенностей функционирования потребителя и вспомогательных механизмов и устройств. Однако, трафик поиска оптимальной частоты достаточно сложен и требует большого объема информации по режиму работы, связь оптимизационной зависимости с принципами построения ВСХ, определяющей выбор оптимизационной частоты, не раскрывается. Для практического использования требуется более простая методика с минимумом исходной информации, основанная на поиске оптимальной частоты через исследование ХПМ, так как минимум расхода топлива есть отличительный режим этой характеристики. Недостаточно полно дается оценка вредных выбросов по характеристикам как оптимизационной по частоте, так и регулировочной по параметрам впрыска топлива.

В конце главы сформулирована цель, и поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки, средств измерения и контроля, а также методики анализа индикаторного и эффективного КПД дизеля, позволяющих провести экспериментальные исследования и выполнить их анализ в соответствии с поставленными задачами исследований.

Испытания опытного одноцилиндрового отсека дизеля УК-2 размерностью 130/140 проводились в лаборатории кафедры ДВС АлтГТУ им И.И. Ползунова, а многоцилиндровых - в лабораториях СКБ ОАО «АМЗ».

На электротормозной установке с одноцилиндровым дизелем УК-2 (1ЧН 13/14) обеспечивалась имитация наддува, и осуществлялась работа с топливопо-дающей аппаратурой непосредственного действия типовой и опытной и аккумуляторной высокого давления (до 1800 бар) типа CR. Опытная аппаратура позволяла производить независимый впрыск двух порций топлива как по моменту начала, так и по количеству впрыскиваемого топлива за счет использования специальной форсунки с двумя каналами подвода топлива под иглу распылителя от двух насосных секций высокого давления.

Система CR имеет типовое исполнение и укомплектована в основном компонентами отечественного производителя. Элеьсгрогидравлическая форсунка, аккумулятор и топливопроводы высокого давления производства Алтайского завода прецизионных изделий (ООО «АЗПИ»). Блок управления работой дизеля выполнен фирмой «Абит» (С.-Петербург). Программа управления с ключом доступа позволяет вносить оперативные изменения в таблицы калибровок, что обеспечивает инженерное управление параметрами топливоподачи во время работы дизеля.

В основу методики исследований положен сравнительный метод. Сбор, обработка и хранение данных быстропротекаюших процессов осуществляется компьютерным комплексом Н-2000.

Специальный стенд использован для выполнения работ по определению условий эффективной очистки отработавших газов каталитическим нейтрализатором конструкции СО РАН и достигаемых результатов очистки.

Обработка материалов эксперимента на анализ индикаторного и эффективного КПД дизеля выполнена по методике и программе, разработанной на кафедре ДВС АлтГТУ им. И.И. Ползунова, которая позволяет дифференцировать потери и неиспользование теплоты в цикле, а также затраты индикаторной работы на преодоление механических потерь в двигателе.

В третьей главе проводится анализ изменения эффективного расхода топлива и коэффициента приспособляемости по совокупности ХПМ, ограничиваемых перегрузочной ветвью ВСХ, а также индикаторного и эффективного КПД, предлагается классификация ХПМ, разрабатывается методика отыскания оптимизационной зависимости птт =Д Necomt ), и осуществляется построение ХПМ.

По влиянию на величину коэффициента приспособляемости Кп, характер изменения t]e —fin), величину максимума КПД >/,,, выбор оптимизационной функции Попт = fi Neco„st ) выделены две зоны ХПМ с мощностью большей и меньшей

Neconst= (0,75-Ю, 80) NemM. Разделяющая их ХПМ с Neconst= (0,75^0,80) Мешш отличается пологостью ge = fin), высокими значениями КПД rje и достижением коэффициента К,,= 1,4 только корректировкой топливоподачи. В зоне высоких мощностей Neœmt >(0,75-Ю,80) NemM целесообразна работа двигателя по ХПМ, в зоне малых мощностей - работа на скоростном режиме птт наилучшей экономичности.

Анализом КПД по статьям неиспользования теплоты в цикле и затратам работы на преодоление механических потерь по ХПМ дизеля 4ЧН 13/14 в зоне мощностей Neconst >0,80 Neиoл|, представленными

на рисунке 1, выявлены наибольшие потенциальные возможности повышения КПД уменьшением коэффициентов несвоевременности сгорания днп изменения показателя адиабаты дк = <5Т дс, отвода теплоты теплообменом дк и насосных потерь /„„.

Из конкретных мероприятий - это оптимизация параметров впрыска топлива, охлаждение надувочного воздуха, динамический наддув и др.

Разработка методики определения оптимизационной зависимости погтг = /(№Ссот1) и

потенциального эффекта в снижении расхода топлива основана на учете значения мощности

N.

и принятого условия построения ВСХ.

1300 К00 1500 1600 1700 п. мии~

Если условие - получение Ме

Рисунок 1 - Анализ эффективного КПЛ дизеля 4413/14 по ХПМ

для каждой диапазоне

етах

частоты п, то в Месот, >(1,(М),70)Л^(ои - это нагрузочная характеристика с п = п,=сот1, для мощностей менее 0,7- это настроенная переменная частота попт. Если условие - максимальная экономичность, то оптимизационная характеристика есть ВСХ. Если комбинация условий (сначала по экономичности, затем по мощности), то при Necom¡ >(1,(М),70) Меном - это ВСХ, при меньшей мощности - настройка оптимальной частоты. Настройка сводится к расчету частоты, для которой загрузка двигателя по заданному значению ^ будет составлять К3 = 7СН-80 % от развиваемой мощности на ВСХ по выражению

_1_

N.

N.

п„

+ 3(—)2 -(—)3

! 1 /опт V )оп

(1)

"и «„

здесь р и 6 коэффициенты в аппроксимационной зависимости мощности от частоты для ВСХ

Для дизеля 4ЧН 13/14 выполнено построение ХПМ с уровнями мощности номинальным и 0,&Ыеном по методике, основанной на использовании функциональных зависимостей индикаторного КПД //, и среднего давления механических потерь от коэффициента избытка воздуха (для >/,), эффективного давления и частоты вращения вала. Полученные зависимости (рисунок 2) устанавливают изменения

к к

МПа

и 12 1.0

с,

кг/ч 24

ÎWSÏSS

р,

тш

МщШ lis

шш

7Г, ■

1 А'Ц k.

^ГА ч 1 ^zzzizzzs

Nt.KSiTi 100 70

Р„ та

Ф г/цикл

ОМ

аю 006 Ч, >1 as

0.3

1300 1400 1500 1600 1100 п. шн'

Рисунок 2 - Расчетная внешняя скоростная характеристика ДПМ 441113/14 -а-var; - - а = 1,4-const

основных факторов обеспечения работы дизеля по ХГТМ: часового расхода топлива Gm и давления наддува Рк. Для обоих вариантов расчета достаточно пологая зависимость ge =fin) допускает возможность управления подачей топлива по ХГТМ из условия постоянства часового расхода топлива.

В варианте NemM необходимо

обеспечить увеличение давления наддува порядка 20 % от значения Рк в номинальном режиме.

Четвертая глава содержит материалы экспериментальных исследований, направленные на снижение расхода топлива и вредности ОГ на режимах ХПМ. Из мероприятий рассматриваются: оптимизация частоты вращения вала, двухступенчатая подача топлива, использование системы подачи топлива типа CR и подбор нейтрализатора с приемлемой степенью очистки ОГ.

Выбор варианта оптимизационной зависимости осуществлен проведением экспериментальных исследований на дизеле 6ЧН13/14 (Д461). Результаты исследований на рисунке 3 подтверждают предпочтительность оптимизации частоты по расходу топлива по варианту ОВСД как комбинацию ВСХ (линия ОВ) при ^„,„,,=(1-0^-65) и ветви CD настройки попт по выражению (1) при Neconst<0'65NeHOM В ПОЛНОМ СООТветствии с условиями построения

ВСХ этого дизеля: на высоких частотах - обеспечение экономичности, на пониженных — достижение мощности.

В этом варианте оптимизации частоты снижение расхода ge по отношению к расходу на нагрузочной характеристике (НХ) при п=пИ происходит во всем диапазоне уменьшения мощности и достигает 20 % при Ne = 0,4 N

0,750

0,875

1,000

Vх. \ -i k il /

Попт/Л| Л

г/

\ A

0,95

0,85

0,80

0,4 0,6 0,8 №со„й1,0

Рисунок З-Огпимизационная частота попт и эффект снижения расхода топлива а 'зависимости от мощности Месош1 доя вариантов оптимизации: -Д- 1 (ОАО); - 2 (ОВСО); -о- ВСХ (ОЕ)

200

0 40 80 120 160 N8, кВт

Рисунок 4 - Зависимости уделыюго расхода топлива, температуры газов, содержания вредных веществ в ОГ

Вместе с тем, содержание оксидов азота (рисунок 4) оказывается выше на участке ОВ работы двигателя по ВСХ как по прямым измерениям, так и по приведенным к одинаковым расходам воздуха с нагрузочной характеристикой при п=п„ (на 30-40 %).

Двухступенчатая подача топлива аппаратурой непосредственного действия реализована на опытном дизеле УК-2 по схеме на рисунке 5. Предварительная или первичная порция топлива подается с момента закрытия выпускного клапана в фазе впуска, основная - перед ВМТ в фазе сжатия. Исследования (рисунок 6), проведенные по выбору оптимальной дозы первичной подачи топлива, соответствующей достижению максимума индикаторного КПД, показали наличие такой дозы, равной 1045 мг. При ней увеличение КПД щ от исходного режима с традиционной подачей составляет 4 %. Одновре-

менно снижается содержание сажи в ОГ на 30 % и оксидов азота на 40 %.

Получение такого результата (¿/„=10-15 мг) объяснено сопутствующими такому впрыску изменениями условий смесеобразования и сгорания основной дозы топлива и прямыми потерями первичной, связанными с ее попаданием на стенку цилиндра, что получило косвенное подтверждение через зафиксированное прокруткой двигателя уменьшение до 10 % потерь на трение.

Эффективность использования аккумуляторной системы впрыска топлива СЯ в сравнении со штатной выяснялась испытаниями на одноцилиндровом отсеке.

Рисунок 5—Диаграмма фаз двойной топливоподачи

Рг. МПа 8.0

7.0

т

0Л5

ОАО С гМ ОАО

025

г?1<Р

< \МОх ш/

-Л с

600 Тг'с 500 ЫР ЫФ. Ші град

0.7

05

N0*г г//>! 2.5

1.0

О 10 20 О п, мг/ц Рисунок 6 - Влияние первичной порции топлива на показатели дизеля и=1750 мин"1; Р/-0.875 МПа

МОх. ррт

Результаты сравнительных испытаний на рисунке 7 показывают, что с системой СЯ при давлении впрыска Р^ = 120 МПа расход топлива снизился в среднем на 4-5 % во всем диапазоне частот ХПМ с коэффициентом приспособляемости Кп= 1,4. Косвенное подтверждение этому - уменьшение температуры ОГ на 50-70 °С. «Жесткость» (с1р1с1ц>)пшх и максимальное давление сгорания Р2 ^ возросли в среднем на 25 % и 1 МПа на пониженных частотах при одновременном сокращении задержки воспламенения примерно на 15-20 %. Существенно снизилось содержание продуктов неполного сгорания по окислам углерода (на 3050 %) и, в особенности, по саже - в 1,5 раза на средних и высоких частотах и в несколько раз на малых. Значительно (в 1,7-2 раза) возросло содержание оксидов азота, что согласуется с увеличением динамики цикла.

В качестве мероприятий, уменьшающих выход оксидов азота, рассматривается оптимизация регулировок по давлению Р^ё и углу опережения впрыска топлива. Для чего сняты соответствующие регулировочные характеристики на режимах ХПМ с п = 1750, 1500 и 1250 мин"1 для значений давления и УОВТ в интервалах 60-160 МПа и 0-20° до ВМТ.

Типичный характер влияния давления Р^ на показатели работы дизеля представлен на рисунке 8.

Существует зона давления Р^еъ в которой оно наиболее существенно влияет на показатели экономичности. Для данного режима это - 6СН-110 МПа. Рост Р^ более 110 МПа практически не изменяет КПД //,, мало влияет на содержание СО и сажи и существенно увеличивает максимальные значения давления и температуры рабочего тела, что влияет на выход ЫОх. Для их снижения в диапазоне частот (1250-1750) мин'1 рекомендовано линей-

со. ррт 500

х X \

1г / 0 \ с\ -Л

о "" Рг„„

< , Зі X N0»/

N Г" СО \ *

Ч сажа

\ 0

4

сажа. ВогсИ

9.

гДкВт ч) •200

1200 1300 1400 1500 1600 1700

О

амин"'

-штатная система,----система СЯ

Рисунок 7 - Показатели работы дизеля 14 13/14 по ХПМ

ное изменение давления Р^ от 100-110 МПа до 130-140 МПа и УОВТ от 8-10° до 14-16° до ВМТ. Однако, даже при настройке и УОВТ на меньшие значения, не выходящие из зоны слабого влияния на КПД //,, снизить содержание ЫОх до уровня штатной топливной аппаратуры не удается. Оно оказывается выше на 30 %. Для дальнейшего снижения содержания ИОх рекомендовано использование каталитического нейтрализатора окисного типа на основе платины. Такое решение предопределено высокими значениями температур ОГ при работе на режимах ХПМ и низким содержанием неполных продуктов сгорания при использовании системы СК Специальными испытаниями нейтрализатора установлены оптимальная температура каталитического блока в 370-400 °С, достигаемый эффект снижения ЫОх не менее 40 % и дополнительное снижение окиси углерода СО и углеводородов

ад.

ТІ. к

Рі. 1МЭХ.

МПа

СО.

ррт

, ^ ► ІЧОх

N / П. 1г

■ 1г

1 С і С0

53Э 9X1

140 ИкІ.ШІї

Рисунок 8 - Характеристика по давлению впрыска топлива //„,,( при и=1250 мин"1, р,=1,24 МПа

Основные результаты и выводы

1 Предложена классификация ХПМ по значению мощности Месопз1 как

основного фактора, определяющего величину коэффициента приспособляемости К„, вид зависимости г]е =Дп) и величину КПД выбор оптимизационной частоты П(тп = А )• Выделены две зоны ХПМ разделяемые ХПМ с Иесот1 =

(0,75-Ю,80) Ыеном , отличающейся пологостью це =/и), высокими значениями КПД

це и величиной коэффициента Кп = 1,4. Ее можно реализовать в двигателях с двумя уровнями мощности корректировкой топливоподачи.

2 Разработанная методика поиска оптимальной частоты наряду с методиками анализа индикаторного и эффективного КПД и построения ХПМ представляют методический комплекс для исследования ХПМ. Применение комплекса к исследованию дизелей ОАО «АМЗ» позволило

- выявшъ возможность повышения КПД мероприятиями, уменьшающими неиспользование теплоты от несвоевременности сгорания, теплообмена и уменьшения показателя адиабаты и снижающими насосные потери;

- определить алгоритм управления цикловой подачей топлива (из условия постоянства часового расхода топлива) и давлением наддува;

- предложить алгоритм зависимости патп =/( №есопи), согласованный с особенностями комбинационного варианта построения ВСХ.

3 Экспериментальными исследованиями дизеля 6ЧН13/14 (Д461) подтверждено прогнозируемое получение наибольшей экономии топлива при работе по предлагаемой оптимизационной зависимости погт =/[ ).

4 Реализацией и исследованиями двухступенчатой подачи топлива с первичной подачей в конце такта выпуска получено увеличение КПД V, на 4 %, снижение сажи и оксидов азота на 30 % и 40 % при оптимальной первичной подаче порции в 10-15 мг. Ее величина определяется не только совокупным изменением рабочего процесса, но и прямыми потерями, связанными с попаданием топлива на стенку цилиндра.

5 Повышение давления впрыска Р^ системой типа СЯ является эффективным средством снижения сажи и продуктов неполного сгорания (в два и более раза) при увеличении топливной экономичности до 6 %. Одновременно в 1,7-2,0 раза возрастает содержание N0*. Предложен алгоритм оптимизации давления и УОВТ, позволяющий практически без снижения положительного эффекта воздействия на экономичность и продукты неполного сгорания существенно уменьшить содержание ИОх. Хотя, оно и остается примерно на 30 % выше, чем при штатной топливоподаче.

6 В плане поиска дополнительных мероприятий по снижению оксидов азота предварительными исследованиями каталитического нейтрализатора конструкции СО РАН установлена оптимальная температура каталитического блока в 370^00 °С с эффектом очистки от оксидов азота не менее 40 %. Температура отработавших газов на режимах ХПМ и оптимизационной равна 400-550 "С, что позволяет обеспечить работу нейтрализатора в оптимальном температурном режиме и рекомендовать его для дальнейшей доработки.

Основные результаты опубликованы в работах: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Матиевский Г.Д. Двойная подача топлива в дизеле с топливной системой непосредственного действия разделённого типа /А.Е. Свисгула, Г.Д. Матиевский //Ползуновский Вестник. - 2009,- №4. - С. 166-173.

2. Матиевский Г.Д. Анализ показателей работы дизеля по характеристике постоянной мощности /Т.Д. Матиевский, С.П. Кулманаков,- Ползуновский вестник.-2010,-№ 1,-С. 13-20.

3. Матиевский Г.Д. Исследование внешней скоростной характеристики дизеля для анализа показателей работы на режимах постоянной мощности /Г.Д.Матиевский, А.Н. Любимов //Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - № 2. - 2011. - С. 260-267.

4. Матиевский Г.Д. Выбор и исследование нейтрализатора отработавших газов на эффективность очистки для дизеля, работающего на режимах постоянной мощности с системой топливоподачи CR /В.А. Синицын,С.П. Кулманаков, Г.Д. Матиевский //Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. -№ 2.-С. 42-48.

5. Матиевский Г.Д. /Улучшение рабочего процесса дизеля при двойной подаче топлива /Т.Д. Матиевский, А.Е. Свистула // Грузовик. - 2011. - № 5. - С.35-38. [режим доступа http: //www. mashin. Ru /zhurnalap/?id=58360&idai=1062661],

6. Матиевский Г.Д. Повышение экономичности и снижение вредных выбросов дизеля на режимах постоянной мощности / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский // Ползуновский Вестник. - 2012. - №3/1. - С. 113-117.

7. Матиевский Г.Д. Оптимизация скоростного режима дизеля по характеристике постоянной мощности / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский, М.Э. Бряко-тин // Известия МААО. - СПб. - Вып. №16. - Т. 4. - 2013. - С. 225-230.

8. Матиевский Г.Д. Построение характеристики постоянной мощности дизеля / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский, М.Э. Брякотин // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2013. - № 12 (115). -Вып. 5.-С. 51-54.

публикации в других изданиях

9. Матиевский Г.Д. Выбор оптимальных параметров топливоподающей аппаратуры двигателя постоянной мощности /А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский //Совершенствование быстроходных дизелей: межвуз. сб. / Алт. политехи, ин-т. -Барнаул, 1991.-С.58-65.

10. Матиевский Г.Д. Оптимизация параметров топливоподающей аппаратуры двигателя постоянной мощности /А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский // Совершенствование быстроходных дизелей: тез. докл. междунар. науч.-практ. конф. / АлтГ-ТУ - Барнаул, 1993. -С. 81-82.

11. Матиевский Г.Д. Особенности проектирования топливной аппаратуры двигателя постоянной мощности / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский, Б.А. Дурдин, П.В. Жданов // Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: матер. 3 науч.-практ. семинара. - Владимир: ВлГТУ, 1994. -С. 74.

12. Матиевский Г.Д. Расчетно-экспериментальные исследования топливной аппаратуры дизеля, работающего в режиме ДПМ / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский, В.Л. Кригер // Совершенствование рабочих процессов ДВС: сб. тр. Автотракторного факультета АлтГТУ. 4.1 /АлтГТУ.- Барнаул: Б.и., 1999.- С. 39 - 43.

13. Матиевский Г.Д. Эффективность двойной подачи топлива в дизеле / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский // Двигатели внутреннего сгорания (Двигуни BHyipiniHboro згоряння). - 2010. - № 1. - С. 17-21.

14. Матиевский Г.Д. Повышение эффективности работы двигателя на режимах и характеристиках постоянной мощности / Г.Д. Матиевский, С.П. Кулманаков //Сборник научных трудов Международной конференции Двигатель-2010, посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана // Под ред. Н.А. Иващенко, В. А. Вагнера, Л.В. Грехова. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - С. 191-194.

15. Матиевский Г.Д. Улучшение рабочего процесса дизеля при двойной подаче топлива / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский // Сборник научных трудов международной конференции «Двигатель 2010», посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э.Баумана / под ред. НЛ.Иващенко, В.А.Вагнера, Л.В.Грехова - М.: МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2010. - С. 224-226.

16. Матиевский Г.Д. Скоростная характеристика дизеля постоянной мощности/ Г.Д. Матиевский // Научное творчество студентов и сотрудников автотранспортного факультета: статьи и тезисы докладов 68-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета / Алт. гос. техн.ун-т,- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010.- С. 1314.

17. Матиевский Г.Д. Повышение показателей рабочего процесса дизеля двойной подачей топлива / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT A.JI. Новоселова. Часть 1/ Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - С.80-86.

18. Матиевский Г.Д. Скоростная характеристика дизеля в режиме постоянной мощности /Г.Д. Матиевский // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей. Часть 2 /Под ред. А.Л. Новоселова; Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова.- Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010,- С. 84-89.

19. Матиевский Г.Д. Анализ и улучшение показателей работы дизеля на режимах постоянной мощности / АЕ. Свистула, Г.Д. Матиевский // 5-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: тезисы докладов научн.-практ. конф. - М: МАДИ, 2011. - С. 21-22.

20. Матиевский Г.Д. Оптимизация скоростного режима работы дизеля / Г.Д. Матиевский // Научное творчество студентов и сотрудников факультета энергомашиностроения и автомобильного транспорта: тезисы и доклады 69-й науч. техн. конф. студентов, аспирантов и проф.-преп. состава технического ун-та. Часть 1 // Алт.гос.техн.ун-т им. И.И.Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011. - С. 74-75.

21. Матиевский Г.Д. Исследование экономических и экологических показателей работы дизеля по характеристике постоянной мощности с топливной аппаратурой непосредственного действия и Common Rail / А.Е. Свистула, С.П. Кулма-

наков, ГД.Матиевский, А.В. Шашев // Обновление флота - актуальная проблема водного транспорта на современном этапе: матер, международ. научн.-техн. конф. - Новосибирск: изд-во НГАВТ, 2011. -С. 153-156.

22. Матиевский Г.Д. Оптимизационная скоростная характеристика двигателя / А.Е. Свистуна, Г.Д. Матиевский // Вестник Сибирского отделения академии военных наук. -2011. - № ю. - С. 111-117.

23. Матиевский Г.Д. Исследование оптимизационной скоростной характеристики двигателя постоянной мощности / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский // Двигатели внутреннего сгорания (Двигуни внутрішнього згоряння). - 2011. - №2. -С. 46-49.

24. Матиевский Г.Д. Совершенствование показателей работы дизеля на режимах постоянной мощности / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский, М.Э. Брякотин // Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей; под ред. д.т.н., профессора, академика PAT А.Л. Новоселова / Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. - С. 4-13.

25. Матиевский Г.Д. Оптимизация скоростного режима дизеля по характеристике постоянной мощности / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский, М.Э. Брякотин // 6-е Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: тезисы докладов научн.-практ. конф. - М: МАДИ, 2013. - С. 34-35.

26. Матиевский Г.Д. Снижение вредных выбросов и расхода топлива дизеля на режимах эксплуатации / А.Е. Свистула, Г.Д. Матиевский, М.Э. Брякотин // Состояние и перспективы развития социально-культурного и технического сервиса: матер. I Всероссийской научн.-практ. конф. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2013.-С. 216-219.

Подписано в печать 21.10.2013. Формат 60x84 1/16. Печать - цифровая. Усл.п.л. 0,93. Тираж 110 экз. Заказ 2013-438

Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46 тел.: (8-3852) 29-09-48

Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.

¡С

/

ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

На правах рукописи

Матиевский Герман Дмитриевич

СНИЖЕНИЕ РАСХОДА ТОПЛИВА И ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДИЗЕЛЯ НА РЕЖИМАХ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ

05.04.02 - тепловые двигатели Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Свистула А. Е. -д.т.н., профессор

Научный консультант: Брякотин М. Э. - к.т.н., доцент

Барнаул - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДВИГАТЕЛЕЙ НА РЕЖИМАХ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ 7

1.1 Скоростная характеристика с участком постоянной мощности и ограничения, 7 возникающие при создании двигателя постоянной мощности.......................

1.2 Анализ процессов смесеобразования и сгорания и возможность их интенсификации в быстроходных дизелях с целью снижения расхода топлива. 23

1.3 Анализ современных способов снижения вредных выбросов........................ 34

1.4 Снижение расхода топлива оптимизацией частоты вращения....................... 41

1.5 Постановка цели и задач исследования................................................... 44

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКА

АНАЛИЗА ИНДИКАТОРНОЙ И ЭФФЕКТИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ 46

ДИЗЕЛЯ

2.1 Описание экспериментальной одноцилиндровой установки УК-2, средств измерения и контроля.......................................................................... 46

2.2 Топливная система испытательного стенда.............................................. 51

2.2.1 Штатная система питания дизеля.......................................................... 51

2.2.2 Аккумуляторная топливоподающая система типа Common Rail.................... 53

2.3 Программа и методика экспериментальных исследований, измерение и обработка экспериментальных данных................................................... 59

2.4 Методика анализа индикаторного и эффективного КПД двигателя................ 64

2.5 Выводы по главе 73 ГЛАВА 3. АНАЛИЗ И ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЯ............................................................................. 74

3.1 Анализ изменения крутящего момента, коэффициента приспособляемости и подачи топлива................................................................................. 77

3.2 Анализ изменения эффективных расхода топлива и КПД............................. 84

3.3 Определение оптимальной по наименьшему расходу топлива частоты

вращения коленчатого вала.................................................................. 93

3.4 Построение характеристик постоянной мощности..................................... 101

3.5 Выводы по главе................................................................................ 108

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ НА РЕЖИМАХ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ......................................................................................... 111

4.1 Оптимизация скоростного режима дизеля по заданной мощности........................................................................................ 111

4.2 Реализация двойной подачи топлива в дизеле с топливной системой непосредственного действия разделенного типа....................................... 122

4.3 Применение аккумуляторной системы впрыска топлива типа Common Rail................................................................................................. 135

4.3.1 Сравнительные исследования показателей работы дизеля с топливоподающей аппаратурой типа Common Rail и непосредственного действия..................... 136

4.3.2 Исследование и выбор давления и угла опережения впрыска топлива аппаратурой типа Common Rail............................................................ 140

4.4 Исследование и проверка эффективности очистки нейтрализатора, принимаемого за базовый.................................................................... 149

4.5 Выводы по главе................................................................................ 157

Основные результаты и выводы.................................................................... 160

Литература............................................................................................... 163

Приложение.............................................................................................. 176

ВВЕДЕНИЕ

Важной научно-технической проблемой современного двигателестроения является обеспечение постоянно ужесточающихся норм по расходу топлива и вредных выбросов отработавших газов (ОГ). Она решается комплексом разноплановых мероприятий, в том числе и выполнением ряда специфичных, связанных с особенностями работы потребителя. Так в дизель-генераторах с всережимным генератором и преобразователем частоты, используемых в энергетических комплексах на базе гибридных энергоустановок, предпочтительна работа дизеля по оптимизационной характеристике, обеспечивающей наименьший расход топлива на заданной мощности. Для дизелей промышленного и сельскохозяйственного назначения необходимо иметь значение коэффициента приспособляемости порядка 1,4, что дает преимущества в тягово-экономических показателях и разгонных качествах машино-тракторного агрегата.

Задачи оптимизации скоростного режима и условий обеспечения по расходу топлива и воздуха необходимого значения коэффициента приспособляемости имеют единый подход к решению, основанный на проведении расчетно-экспериментальных исследований характеристик постоянной мощности (ХПМ) и разработке мероприятий, повышающих экономические и экологические показатели дизеля на режимах ХПМ, чему и посвящена данная работа.

Из мероприятий актуально рассмотрение возможностей топливоподающих систем высокого давления типа Common Rail (CR) с электронным управлением параметрами впрыска, дающими, в том числе, возможность двухступенчатой подачи топлива. Важно и накопление опыта работы с системами CR, созданными на компонентах отечественных производителей.

В работе представлен ряд мероприятий, обеспечивающий снижение расхода топлива и вредных выбросов отработавших газов на режимах постоянной мощности оптимизацией частоты вращения коленчатого вала и регулировочных параметров топливной аппаратуры непосредственного действия и типа CR.

В процессе выполнения работы достигается следующее. Проведено исследование совокупности ХПМ, располагаемых в поле возможных режимов работы дизеля и отличающихся значением мощности №есот(' и предложена их

классификация по влиянию на величину коэффициента приспособляемости, характер изменения и величину эффективного КПД.

Разработана инженерная методика расчета оптимизационной зависимости между частотой вращения коленчатого вала и заданным значением постоянной мощности п(тт = АНесот1) из условия получения наименьшего расхода топлива.

Для реализации которой предложен методический комплекс, позволяющий проводить анализ и построение ХПМ, а также отыскание оптимизационной зависимости попт =/( ^есопх1).

Реализован методический комплекс при исследовании ХПМ дизелей ОАО «АМЗ» для выявления главных факторов обеспечения работы дизеля по ХПМ и основных направлений снижения расхода топлива, предложены алгоритмы отыскания оптимизационных зависимостей попт ~А^есот1)-

В результате стендовых испытаний дизелей оценена эффективность предложенных алгоритмов оптимизационных зависимостей попт = /() в

сравнении с нагрузочной характеристикой на номинальной частоте при условии одинаковых значений мощностей по показателям расхода топлива и вредности отработавших газов. Выявлен наиболее эффективный вариант оптимизации.

Экспериментальными исследованиями опытного одноцилиндрового дизеля проверена эффективность снижения расхода топлива и вредных выбросов ОГ разработанным способом двухступенчатого впрыска топливной аппаратурой непосредственного действия и аккумуляторной аппаратурой типа СЛ, созданной на отечественных компонентах, с оптимизацией ее параметров по давлению и моменту впрыскивания при работе по ХПМ в сравнении с типовой системой топливоподачи.

Для каталитического нейтрализатора ОГ конструкции СО РАН определено значение оптимальной температуры каталитического блока и достигаемая степень очистки от оксидов азота, и оценена возможность достижения рабочей температуры каталитического блока на режимах ХПМ при его установке в систему выпуска.

ч

Объект исследования - характеристики постоянной мощности дизелей ОАО «АМЗ» размерности 130/140.

Предмет исследования - процессы, формирующие характеристику постоянной мощности и определяющие запас крутящего момента, топливную экономичность и вредные выбросы ОГ в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов, типа и регулировочных параметров топливной аппаратуры.

Методы исследований и достоверность результатов. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы, хорошо известные, апробированные на практике и адаптированные к решению поставленных задач.

Достоверность результатов достигалась соблюдением требований стандартов, анализом и контролем погрешностей, сопоставлением результатов расчетов и эксперимента.

Научную новизну представляют следующие результаты и положения, выносимые на защиту:

- классификация ХПМ по величине мощности с выделением двух зон со своими особенностями формирования эффективного расхода топлива и величины коэффициента приспособляемости;

- методика расчета оптимизационной, по наименьшему расходу топлива, функции п0„т = АМесот(\ выбор вида функции в зависимости от зоны

расположения ХПМ и условий построения внешней скоростной характеристики (ВСХ), оценка потенциального снижения расхода топлива в сравнении с расходом по нагрузочной характеристике на номинальной частоте;

- методический комплекс исследований ХПМ, позволяющий выявлять потенциальные возможности повышения индикаторного и эффективного КПД, алгоритмы изменения цикловой подачи топлива и давления наддува и вид оптимизационной зависимости попт =А^есот1)',

- результаты исследования системы двухступенчатой подачи топлива, обеспечивающей снижение расхода топлива, содержание сажи и оксидов азота в ОГ при оптимальной величине первичной подачи, определяемой, в том числе, и прямыми ее потерями при попадании на стенку цилиндра;

- результаты исследования дизеля с топливной системой типа С Я, являющейся эффективным средством снижения выбросов неполных продуктов

сгорания с одновременным увеличением топливной экономичности при условии внедрения мероприятий по снижению оксидов азота, включающих оптимизацию давления и угла опережения впрыска топлива в сочетании с устройствами нейтрализации ОГ.

Практическую ценность имеет методика выбора наиболее оптимального варианта зависимости между частотой и мощностью, при которой обеспечивается снижение расхода топлива в широком диапазоне уменьшения мощности двигателя, а также рекомендации и достигнутые результаты по снижению расхода топлива и вредных выбросов применением двухступенчатой подачи топлива, системы типа CR, нейтрализатора ОГ и оптимизацией их регулировок.

Реализация результатов работы. Материалы диссертации используются на ОАО «АМЗ», ОАО «АлСЭН», ООО «АЗПИ» при разработке двигателей с повышенным коэффициентом запаса крутящего момента и перспективных дизелей для энергоустановок; в АлтГТУ им. И.И. Ползунова в учебном процессе.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного технического университета (г. Барнаул, 2009-2013), Международной конференции «Двигатель 2010», посвященной 180-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (М., МГТУ, 2010); Международной научно-технической конференции «Обновление флота -актуальная проблема водного транспорта на современном этапе» (г. Новосибирск, НГАВТ, 2011); Международном конгрессе двигателестроителей (Украина, 2010, 2011), научно-практической конференции 5-е и 6-е Луканинские чтения (М., МАДИ, 2011, 2013) и др.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 26 печатных работ, в том числе 8 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 180 страниц, 3 таблицы, 46 рисунков и 120 наименований списка литературы.

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И СНИЖЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ДВИГАТЕЛЕЙ НА РЕЖИМАХ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ

В главе приводится краткий обзор работ по исследованию и улучшению показателей работы дизеля по ХПМ и оптимизации скоростного режима по минимуму расхода топлива для заданной мощности. Наиболее широко и многопланово представлены работы по ХПМ, доведенные до создания двигателей постоянной мощности, где ХПМ - есть внешняя скоростная характеристика, и двигателей с двумя уровнями мощности, на одном из которых (меньшем) дизель работает по ХПМ. Вместе с тем на отечественных дизелях медленно внедряется современная топливная аппаратура высокого давления с электронным управлением параметрами впрыска. Мало изучено совместное влияние давления и угла опережения впрыска на показатели работы дизеля и достигаемый эффект при управлении ими в сравнении с использованием традиционной топливной аппаратуры.

1.1 Скоростная характеристика с участком постоянной мощности и ограничения, возникающие при создании двигателя постоянной мощности

Разнообразие применений машино-трансмиссионных агрегатов (МТА) предопределяет наличие классов машин, для которых двигатель и трансмиссия должны обладать определенными свойствами, обеспечивающими наиболее эффективное выполнение заданного набора операций. Каждому классу МТА соответствует набор специфических условий нагружения, которые характеризуются средними величинами амплитуды и частоты изменения момента сопротивления. Момент сопротивления же величина случайная по своей природе.

Двигатели внутреннего сгорания (транспортные, дорожно-строительные, сельскохозяйственные), входящие в состав МТА, в условиях эксплуатации работают на различных режимах при непрерывно случайно изменяющемся моменте сопротивления, воспринимаемом через

1 1

трансмиссию. Случайный колебательный характер изменения момента сопротивления обусловлен изменением сопротивления качению (рельеф местности, агрофизические свойства почв, качество дорожного покрытия), пробуксовкой движителей, сопротивлением рабочих органов сельскохозяйственной машины (например, заглубление и выглубление плуга), воздействием оператора на органы управления (например, включение и выключение муфты сцепления, резкое изменение цикловой подачи топлива, переключение коробки передач трансмиссии, включение вала отбора мощности при большой нагрузке, трогание с места, разгон-торможение) и т.д. [1, 13, 14, 91, 96].

В результате этого двигатели значительную часть времени работают на неустановившихся и переходных режимах, связанных с частыми изменениями скоростного и нагрузочного режимов работы. В тоже время, свойства дизелей при работе на переменных нагрузках не соответствуют реализации их возможностей по энергоотдаче и топливной экономичности. В основном это обусловлено нелинейностью скоростной характеристики в области перехода с регуляторной на корректорную ветвь и низкими значениями коэффициента приспособляемости дизеля, что предопределено особенностями его рабочего процесса и системы регулирования подачи топлива. На корректорной ветви внешней скоростной характеристики дизель недостаточно приспособлен к переменным нагрузкам и имеет относительно низкий средний уровень мощности.

Определяющее влияние на эксплуатационные показатели двигателя, трактора и агрегата в целом оказывают низкочастотные составляющие колебаний момента сопротивления Г<0,5...1 Гц [1, 7, 13, 21]. Более высокие частоты влияют на динамическую нагруженность узлов агрегата и преодолеваются в основном за счет сил инерции МТА [1,7, 43].

Свойства и конструктивное исполнение машино-трансмиссионной установки (МТУ) определяют приспосабливаемость машинного агрегата к переменной нагрузке, надежность работы, простоту и легкость управления, безопасность движения и другие эксплутационные качества, влияющие на показатели производительности МТА. Обеспечение соответствия энергетических и регулирующих свойств МТУ назначению и условиям

эксплуатации МТА - главная задача, сложность которой обусловлена рядом факторов [109]:

- универсальность современных МТА, т.е. обеспечение одним МТА комплекса работ, различающихся технологическими процессами;

- эксплуатация МТА во всех климатических зонах с разнообразными почвенно-грунтовыми условиями;

- воздействие на МТА непрерывно изменяющегося внешнего момента сопротивления, значение и характер которого зависит от вида операций, состава грунта, состояний окружающей среды и многих других факторов.

Таким образом, видно, что МТУ должны обладать широкими регулирующими свойствами, значительно превышающими потребности в каждом конкретном случае его использования.

Из многообразия типов МТА можно выделить класс машин, которые характеризуются высокими тяговыми усилиями, значительной амплитудой колебаний нагрузки, отсутствием прямой зависимости производительности и качества выполнения операции от изменения скорости д�