автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование средств и методов определения механических потерь энергии диагностируемых автотракторных дизелей

На правах рукописи

МИННИГАЛЕЕВ Айдар Маснавиевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ДИАГНОСТИРУЕМЫХ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность: 05.20.03 - технологии и средства технического обслуживания в

сельском хозяйстве

З ОКТ 2013

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005534034

Уфа -2013

005534034

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ и РБ, чл.-кор. АН РБ Баширов Радик Минниханович

Неговора Андрей Владимирович

доктор технических наук, профессор, кафедра тракторов и автомобилей ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ, профессор

Ведущая организация:

Загайко Сергей Андреевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра двигателей внутреннего сгорания Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиацион-но-технический университет», доцент

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Защита состоится 18 октября 2013 г. в 10 на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, ул. 50-летия Октября, 34, ауд. 259/3. Тел.: (347) 228-91-77

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан «/%> ОЗ 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Мударисов С.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с широким применением дизелей в сельскохозяйственном производстве большое практическое значение имеет обеспечение высокой эффективности их работы.

Эффективность работы дизелей определяется их техническим состоянием. В соответствии с ГОСТом 23435-79 техническое состояние дизелей в целом оценивается следующими диагностическими параметрами - эффективной мощностью и удельным расходом топлива, давлением масла в главной масляной магистрали, содержанием окиси углерода в отработавших газах и дымностью отработавших газов.

Оптимальные значения этих параметров при их производстве обеспечиваются соответствующими их проектированием и доводкой рабочего процесса и регулированием их механизмов и агрегатов.

По мере эксплуатации дизелей изнашиваются детали их трущихся пар и нарушаются их регулировочные параметры. Это ухудшает техническое состояние дизелей и существенно снижает эффективность их работы. Своевременные техническое обслуживание, предусмотренное в соответствующих технических уходах, а при необходимости качественный их ремонт позволяют восстановить первоначальное техническое состояние дизелей.

Необходимость ремонта определяют диагностированием дизелей. ГОСТ 1852379 предусматривает проведение диагностирования с использованием кроме указанных выше диагностических параметров и механических потерь энергии (механического к.п.д.), определяемых проворачиванием коленчатого вала электродвигателем.

В принципе в эксплуатации эффективные показатели работы дизеля можно было бы определять и по его индикаторным показателям, в частности эффективную мощность - умножив индикаторную мощность на механический к.п.д., а удельный расход топлива - разделив индикаторную ее величину на этот лее к.п.д. Однако в настоящее время так не делают из-за недостаточной точности определения, на наш взгляд, этого к.п.д. и сложности применяемого при этом оборудования.

Механический к.п.д. дизелей определяют при их диагностировании методами одинарного выбега коленчатого вала, используя серийно выпускаемый индикатор мощности ИМД-ЦМ, универсальные мотор-тестеры, например Белорусской фирмы ТИРОИД (работа этих устройств основана на оценке механических потерь по угловому замедлению коленчатого вала) или определяя обороты двигателя при работе дизеля на одном цилиндре по предварительно построенным номограммам (метод Ждановского). В двигателях с искровым зажиганием и электронным управлением его определяют, используя различные диагностические программы (например «Мотор-Тестер», г. Самара).

Известные методы определения механических потерь энергии требуют использования сложного оборудования и отличаются большой энерго - и трудоемкостью и не всегда обеспечивают необходимую точность. Из-за этого, по данным Ждановского Н.С. и Мишина И.А., не всегда своевременно обнаруживается снижение номинальной мощности даже на 15-20%, и перерасход топлива на 15% и выше.

В этой связи большое практическое значение приобретает совершенствование средств и методов оценки механических потерь энергии в дизелях.

Работа выполнялась по договору с АН РБ в соответствии с республиканской программой «Государственная научно-техническая программа Республики Башкортостан на 2011-2012 годы» (утвержденной Постановлением Правительства Респуб-

лики Башкортостан от 12 ноября 2012 г. №424) на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» ФГБОУ ВГТО Башкирский ГАУ.

Степень разработанности. Литературные данные по известным методам определения механического к.п.д. двигателей существенно отличаются. Это свидетельствует о недостаточной объективности имеющихся данных и во многом объясняется тем, что исследования проводились с использованием различных стендов и двигателей. Отсутствие объективных сравнительных данных существенно затрудняет выбор оптимальных методов определения механических потерь энергии, а также выявление возможных направлений их совершенствования.

Цель работы. Повышение точности и снижение энергозатрат и трудоемкости определения механических потерь энергии автотракторных дизелей при их диагностировании.

Объект исследований. Технологии и средства определения механических потерь энергии в дизелях.

Предмет исследовании. Методы определения механических потерь энергии в дизелях.

Научная новизна работы:

- впервые по единой методике с использованием одних и тех же технических средств и одного и того же двигателя проведены сравнительные испытания известных методов определения механических потерь энергии в дизелях и на основе их результатов получены сравнительные данные по их преимуществам и недостаткам;

- разработан метод определения механического к.п.д., основанный на пропуске рабочих ходов поршней на холостом ходу дизелей, позволяющий повысить точность и снизить энергозатраты и трудоемкость его определения;

- получено аналитическое выражение для определения механического к.п.д. в зависимости от часовых расходов топлива, режимов работы и характеристик топливо-подачи, отличающееся тем, что определяется лишь один показатель (число пропущенных рабочих ходов поршней).

Личный вклад автора:

- выполнен сравнительный экспериментально-теоретический анализ известных средств и методов определения механического к.п.д. дизелей;

- теоретически обоснована возможность определения механического к.п.д. методом пропуска рабочих ходов поршней;

- разработаны технические средства для реализации предложенного метода;

- предложена методика определения механического к.п.д. дизелей предложенным методом.

Теоретическая и практическая значимость. Разработан новый метод определения механического к.п.д. дизеля, основанный на пропуске рабочих ходов поршней, отличающийся высокой точностью и простотой применяемого испытательного оборудования, и предложены техническое устройство и методика его реализации.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования базировались на положениях и методах классической механики и математики. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием стандартных и частных методик их проведения. Полученные экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики на ЭВМ.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные метод и устройство для диагностирования приняты для внедрения ОАО «Уфимский ТРЗ» и ОАО

«487 Центральный авторемонтный завод» и используются в учебном процессе и научно-исследовательской работе Башкирского ГАУ.

Степень достоверности и апробация работы. Основные ее положения обсуждались на научно-технической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация» в рамках III Всероссийской научно - практической конференции (г.Уфа, 2012 г.), Всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Инновационные методы преподавания в высшей школе» (г.Уфа, 2012 г.), Всероссийской конференции, посвященной 80 - летию со дня рождения профессора А.П.Иофинова «Роль науки в инновационном развитии АПК» (г.Уфа, 2012 г.) и Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК» (г. Уфа, 2013).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 работах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 монографии, получено свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка из 117 наименований, изложена на 111 страницах, содержит 48 рисунков, 23 таблицы и 2 приложения.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты проведенных по единой методике сравнительных исследований известных методов определения механического к.п.д. дизелей;

- математическое обоснование возможности совершенствования известного метода скоростных характеристик;

- новый применимый в условиях эксплуатации и ремонта высокоэффективный метод оценки механического к.п.д. дизелей, основанный на пропуске рабочих ходов их поршней;

- электронно-управляемое устройство определения механического к.п.д. дизелей пропуском рабочих ходов поршней;

- методика определения механического к.п.д. предложенным способом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны научная новизна и практическая ее значимость, приведены выносимые на защиту основные положения и результаты исследований.

В первой главе «Обзор НИР по методам и средствам определения механических потерь энергии в автотракторных дизелях» проанализированы результаты научно-исследовательских работ, касающихся темы диссертации, в частности Баширова P.M., Белова П.М., Ждановского Н.С., Загайко С.А., Райкова И.Я., Рикардо Г.Р., Синю-гина A.B., Сороко-Новицкого В.И., Стефановского Б.С., Тазьбы М.М. и др.

Одним из важнейших, причем наиболее информативных диагностических параметров дизеля является его механический к.п.д., находящемуся у современных дизелей в пределах 0,70-0,90. Он позволяет определять эффективную мощность (если известна индикаторная, и наоборот), мощность механических потерь, удельный эффективный расход топлива и др.

Известные эксплуатационные методы определения механического к.п.д. дизелей основаны на нагружении двигателя различного рода догружателями. Они не всегда обеспечивают необходимую точность и к тому же требуют больших затрат энергии и времени.

Более точными являются стендовые методы. Однако большинство из них (за ис-

ключением метода Малеева) требует применения сложного испытательного оборудования и не учитывает (за исключением методов индицирования, Вилланса и скоростных характеристик) зависимость механических потерь от возрастающего при сгорании топлива давления газов в надпоршневом пространстве. Из-за последнего недостатка результаты оказываются в какой-то мере приближенными и их справедливо называют условными.

Данные различных исследователей по механическому к.п.д. существенно отличаются и поэтому не позволяют в полной мере выявить преимущества и недостатки известных методов. Объясняется это проведением испытаний с использованием различных стендов и двигателей. В этой связи несомненный интерес представят сравнительные данные, полученные с использованием одних и тех же технических средств и на одном и том же дизеле. Эти данные могут использоваться для выявления наиболее точных и применимых в условиях эксплуатации средств и методов, а также дальнейшего их совершенствования.

В соответствии с проведенным обзором литературных данных были сформулированы для решения в объеме настоящей работы следующие задачи:

1. Провести сравнительные исследования известных методов определения механического к.п.д. дизелей и выявить метод, перспективный для дальнейшего совершенствования с целью применения в условиях эксплуатации и ремонта;

2. Усовершенствовать выявленный перспективный метод определения механического к.п.д.;

3. Создать технические средства для реализации усовершенствованного метода;

4. Разработать методику диагностирования дизелей предложенным методом.

Во второй главе «Сравнительный анализ известных стендовых методов и средств определения механического к.п.д. автотракторных дизелей» описаны стенды и аппаратура, использованные при безмоторных и моторных исследованиях, методика и результаты исследований.

Безмоторные испытания проводились на регулировочном стенде КИ-22210-УХЛ4, а моторные - на тормозном DS-926-4/V (Чехословакия) с использованием четырехцилиндрового тракторного двигателя воздушного охлаждения 44105x120 (трактора JIT3-60) номинальными мощностью (Л^=44,1 кВт) и частотой вращения (и=2000 мин').

Экспериментальные данные обрабатывались на персональном компьютере с использованием программ KoMnac-3D и Excel 2007.

Механические потери энергии, не поддающиеся непосредственному измерению, находились косвенными методами с использованием результатов непосредственных измерений определяющих их величин. При этом за вероятные их значения принимались среднеарифметические, а абсолютные погрешности оценивались по средне-квадратическим отклонениям. Погрешность определения механического к.п.д. вычислялась как сумма частных производных функций по каждой из величин, определяющих механические потери энергии.

Результаты оценки погрешностей рассмотренных методов и их исследований приведены в таблице 1.

В начале был исследован метод двойного выбега (ЦНИДИ), считающийся одним из наиболее точных и позволяющий непосредственно определять механический к.п.д. двигателя. Исследования показали, что объективность результатов здесь зависит от точности проведения касательных к линиям падения числа оборотов; их еле-

Таблица 1 Сопоставление методов оггоеделения механического к.п.д. двигателя 44105x120

Метод 1« Исходная формула и погрешность определения Характеристика

Чм Формула для определения погрешности % Достоинства Недостатки

цниди 0,697 1 С с 1 § I 8п - l2Лa:■[(,ga.+tgaJ+lg:a,¡t ГД£ ^ и й„ - уГЛЫ наклона касательных к графикам чисел оборотов при выбеге коленчатого вала с работы под нагрузкой и на холост, ходу 0,50 Высокая точность Сложность применяемого оборудования

Морзе 0,690 1 0,91 —II— То же и невозможность испыт. одноцил. двиг.

Прокр. к. вала 0,713 і ^ = + , где Л', = и, ■ /. - ¡1 ■ Я,, ^ =(>, +(- /,'-М.) и ия, 1я, Яя - сопротивление якоря, напряжение и ток на якоре электродвигателя 2,30 Наглядность исслед. и возможность поэлементного определения потерь Необходимость под держания рабочего теплового состояния двигателя

Скор, харак. 0,738 к. Є5 "Й 5г] .. (с," -Жт) +{<Ю?У ,гле О,. и (!!" - часовые раг.холы топ- Т| (о,-с? У пива при работе под нагрузкой и на холостом ходу 14,40 Применимость в полевых условиях Низкая точность

Малеева 0,745 £ + £ Зц - + ,где = (о>.еу-Л1' +(7 0>У-Аю2 +(Уо)1 -Ас2 V ' NT=J-а-е и J~ момент инерции двигателя, со и е - угловая скорость и замедление коленчатого вала 2,00 Может использоваться только при известном 3 или наличии норматив. данных по е

Вил-ланса 0,750 + < еп. - + - где Ь - посто" янная и к - угловой коэффициент 4,00 Простота обработки эксп. данных Сложность обо-руд. и недостаточная точность

дует проводить, начиная от номинальных. При этом по результатам он вплотную приближается к считающемуся наиболее точным методу индицирования двигателя.

Применение этого метода в условиях эксплуатации проблематично из-за большой трудоемкости реализации. Данные, полученные методом ЦНИДИ, нами использовались для оценки точности и расположения по убывающей других исследованных методов.

Для поэлементных исследований потерь энергии особый интерес представляет метод прокручивания коленчатого вала электродвигателем.

Этим методом нами исследовалась зависимость механических потерь энергии от температуры картерного масла, степени сжатия и частоты вращения коленчатого вала двигателя, потерь на привод топливного насоса, вентилятора и генератора и насосные ходы поршня (рисунок 1).

Из приведенных данных следует, что резкое влияние на результаты испытаний оказывает температура смазочного масла. С учетом этого обстоятельства в необходимых случаях тепловое состояние двигателя поддерживалось на одном и том же уровне (85 °С) установленным в картер двигателя электрическим нагревателем (ТЭН) с терморегулятором.

Этим методом исследовалось влияние степени сжатия на механические потери. Для проведения этих исследований камера поршня заливалась расплавленным силумином, а необходимая степень сжатия создавалась соответствующим частичным снятием (расточкой) залитого металла.

Рисунок 1 Экспериментальные зависимости общих потерь энергии двигателя 44105*120 от частоты вращения коленчатого вала при различных степенях сжатия е (а), температурах картерного масла (б) и работе двигателя в его обычном рабочем состоянии (1), с включенным декомпрессионным механизмом (2), с выключенными топливным насосом (3) и вентилятором и генератором (4) (в)

Как видно, потери на трение существенно возрастали по мере увеличения степени сжатия (давления газов надпоршневого пространства), причем в тем большей степени, чем выше была частота вращения коленчатого вала двигателя. Это обстоятельство должно учитываться при экспериментальном определении механического к.п.д. дизелей.

Выявлено, что для полевых условий особый интерес могут представлять методы одинарного выбега и скоростных характеристик.

Однако первый может быть использован лишь в случае, когда известен приведенный момент инерции двигателя или имеются нормативные данные по угловым замедлениям коленчатого вала двигателя. Определение момента инерции сопряжено, как показали наши расчеты, с выполнением довольно трудоемких операций.

Число их можно уменьшить определяя момент инерции ориентируясь на маховик (совместно с корзиной сцепления) расчетным путем или экспериментально методами нитяных подвесов или атвудовой машины.

Метод скоростных характеристик основан на определении часовых расходов топлива при работе на номинальных оборотах с номинальной нагрузкой и без нагрузки. Здесь экспериментально может определяться расход топлива только на холостых оборотах (на номинальных оборотах он может вычисляться расчетами с использованием величин удельного расхода топлива, мощности и оборотов двигателя). Этот метод позволяет, как и метод ЦНИДИ, непосредственно оценивать механический к.п.д. двигателя.

При испытаниях выявился и серьезный недостаток метода - высокая погрешность определения механического к.п.д., обусловленная тем, что на оборотах холостого хода цикловая подача топлива оказывается малой по величине (почти в 4 раза меньшей номинальной) и из-за этого при малейшем случайном изменении положения рейки топливного насоса происходит существенное изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя (в процессе измерений приходится постоянно корректировать цикловую подачу). Этот метод может использоваться в эксплуатации лишь при повышении его точности.

С использованием результатов исследований проведено ранжирование известных методов определения механического к.п.д. (таблица 2). При этом оценка каждого показателя проводилась по пятибалльной шкале (5 - лучший показатель, 0 - худший). Привлекательность метода для диагностирования возрастает по мере увеличения приведенного в таблице суммарного числа баллов (£).

Как видно, наиболее привлекательным является метод скоростных характеристик. В связи с этим практический интерес представляет изыскание методов повышения его точности.

Таблица 2 Ранжирование известных методов определения механического к.п.д.

Показатели привлекательности

простота применимость

Метод н о о !? о н проведения экспериментов обработки данных испыт. оборудования в полевых условиях для поэлементного определения потесь

прокручивания коленчатого вала электродвигателем 3 2 3 1 0 5 14

скоростных характеристик 1 2 4 2 5 0 14

одинарного выбега (Малеева) 1 5 1 1 5 0 13

последовательного выключения цилиндров (Морзе) 4 3 4 2 0 0 13

двойного выбега (ЦНИДИ) 5 4 2 2 0 0 13

часового расхода топлива (Вилланса) 1 4 2. 2 0 0 9

Третья глава «Теоретическое обоснование методики определения механического к.п.д. пропуском рабочих ходов поршней и технического средства для ее реализации» посвящена изысканию мероприятий по повышению точности метода скоростных характеристик.

Метод скоростных характеристик основан на предположении, что расход топлива пропорционален соответствующей мощности; при работе двигателя под нагруз-

кой От - индикаторной мощности Л'„ а на холостом ходу в" - мощности механических потерь Л^. Если выразить часовые расходы топлива через соответствующие цикловые подачи топлива, то для этого метода можно записать:

ЛГ вт- С" gVI - £„„

= (1)

где и gl¡xx - цикловые подачи на номинальных оборотах при соответственно номинальной нагрузке и на холостом ходу.

Из этого выражения следует, что точность оценки механического к.п.д. при этом методе целиком определяется, с одной стороны, точностью определения цикловых подач топлива и, с другой, соответствия мощностей этим подачам. На холостых частотах вращения второе условие не выполняется - цикловая подача получается чрезвычайно малой и из-за этого ухудшается процесс впрыска и к указанному выше недостатку добавляется второй - часовой расход топлива оказывается завышенным.

От недостатков рассматриваемого метода можно избавиться, переводя двигатель (на период испытаний) на работу с пропуском рабочих ходов поршней. В этом случае цикловые подачи и на холостых оборотах будут равны номинальным, а часовые расходы топлива Сг и <7"определятся только количествами реализованных подач: Ст=3600-п-т-1-8,1и/60 = 60-п-т-1-811и (2)

О? = 3600■ я • г • ■ а-гтах)/60 = 60-п-т-ёц11-(', - гта:) (3)

где /' и 2тах - числа подач на номинальном режиме работы и пропущенных на холостом ходу;

тип -коэффициент тактности и частота вращения коленчатого вала двигателя. Подставив эти значения в выражение (1), получим:

77=-- -Г-- (4)

Отсюда следует, что на любом скоростном режиме работы двигателя отношение чисел пропущенных подач на холостом ходу к общему числу подач плунжеров насоса высокого давления и будет представлять механический к.п.д. двигателя.

Выражение (4) справедливо для случая, когда при выключении рабочего хода поршня механические потери соответствующего цилиндра сохраняются. В реальном случае этого не происходит; потери, с одной стороны, снижаются из-за уменьшения давления в надпоршневом пространстве (обусловленного отсутствием воспламенения топлива) и, с другой, возрастают из-за увеличения затрат энергии на выброс отработавших газов в конце процесса расширения.

Для определения механического к.п.д. при указанных изменениях потерь энергии можно воспользоваться соотношением:

и,-0+ -Ыт (5)

где Д и -мощности цилиндра двигателя индикаторная и механических потерь; кн - коэффициент изменения потерь; в зависимости от соотношений указанных потерь он может быть как меньше, так и больше 1. Из выражения (5) имеем:

Т.к. ^/Ы, =1-т)м (где »/„-механический к.п.д. испытуемого двигателя), то:

Отсюда максимальное число пропущенных рабочих ходов поршней на холостых номинальных оборотах составит:

м

max (к + п -к ■ п

н м н

а фактическое значение механического к.п.д. будет

...._ц»

i

П , = ■

(7)

(8)

к,

здесь г/и ;/„ - механический к.п.д. соответственно фактический и условный.

Из этого выражения следует, что фактическое значение механического к.п.д. двигателя, определенное с учетом изменения потерь энергии при выключении цилиндров г]будет отличаться от условного //„, определенного по не учитывающему их выражению (4), знаменателем дроби выражения (8).

Если допустить, что при выключении подачи топлива потери не меняются (£„=1), то в соответствии с выражением (8) получается, что rfм = г/м, т.е. условный механический к.п.д. оказывается равным фактическому.

На рисунке 2 представлены расчетные (по выражениям (7) и (8)) зависимости Zmax и >/ '„ от к„. Графики построены для 0,8<&„<1,2 с учетом того, что чрезмерное изменение потерь энергии не соответствует действительности.

Фактическое значение механического к.п.д. может определяться в случаях особо высокоточных испытаний (по крайней мере не в полевых условиях), причем когда имеются соответствующие данные по коэффициенту к„.

При использовании предложенного метода в полевых условиях без учета изменения к„ будет определяться как и сейчас условный механический к.п.д. двигателя.

При работе с пропуском рабочих ходов поршней обороты двигателя будут меняться дискретно (скачкообразно). Это означает, что также дискретно будет меняться и механический к.п.д. двигателя. Поэтому только в редких случаях найденное значение механического к.п.д. может соответствовать искомому (например, на требуемых номинальных оборотах). Истинную величину механического к.п.д., на требуемых, например, номинальных оборотах можно найти по зависимости его от оборотов коленчатого вала простой интерполяцией.

Наиболее просто пропуск рабочего хода поршня можно осуществить, установив в линию высокого давления топливной системы (между плунжерной парой насоса высокого давления и форсункой) электронно-управляемое устройство пропуска подачи топлива, соединяющее до начала подачи плунжера линии высокого и низкого (слива) давлений.

Схема секции насоса высокого давления, оборудованной возможным перепускным устройством, изображена на рисунке 3.

В качестве перепускного клапана в нем использован электро-гидроуправляемый клапан фирмы DENSO, применяемый в японских дизелях 1KZ-TE и 2L-TE. Из-за уста-

0.8S- % -es >i'„ \

ОМ -Л]

ил 7S ч ах

Рисунок 2 Расчетные зависимости г/,„ и гтах от коэффициента кн при холост, ходе на номинальн. оборотах

новки этого клапана объем линии высокого давления системы топливоподачи увеличился на 0,253 см3.

Если к его обмотке клапана 5 напряжение не подается, то нагнетаемое плунжером топливо идет в линию низкого давления топливной системы. При подаче напряжения линия слива закрывается, и топливо направляется к форсунке.

Расчеты показали, что в общем случае при работе двигателя на холостых номинальных оборотах часть цилиндров будет выключена полностью, часть будет работать с полной подачей. Только один будет работать с чередованием пропускаемых и реализуемых рабочих ходов поршней.

Число полностью выключенных секций насоса (цилиндров двигателя) можно определять ориентируясь на ожидаемый механический к.п.д. двигателя.

При числе цилиндров е=4 (как в нашем случае) число выключенных цилиндров г при ожидаемом механическом к.п.д. 0,7 составит r-r¡'„ e = 0,7-4 = 2,8, т.е. получается нецелочисленным. Его следует принять равным целой части этого полученного числа, т.е. 2.

Рисунок 3 Схема устройства пропуска подачи топлива: 1 - плунжер; 2 - переходник; 3-канал; 4 -нагнетательный клапан;5-электрогидроуправ-ляемый клапан DENSO

Число цилиндров, работающих полностью, будет к=е-г=4-2,8=1,2, т.е. должно приниматься равным 1 :.._Е (тоже целой части полученного числа). Для работы с пропуском Í ■ останется' как уже было сказано, один цилиндр.

JдЛя определения ориентировочного количества выключаемых подач, например, за секунду в цилиндре, работающем с пропуском, можно воспользоваться соотношением w = \цм ■ е - г) ■ п • г / 60.

По этому выражению для двигателя 4Ч105х]20 при цм=0,7 получается w=13,33.

Выключенные и оставленные для работы цилиндры следует определять так, чтобы они чередовались равномерно.

Разработан электронный блок управления пропуском подач. В качестве управляющих были приняты сигналы от датчиков давления (серии MD-10-60V), установленных у штуцеров форсунок первого (Д1) и второго (Д2) цилиндров и к надплун-жерному пространству четвертой секции ТНВД (ДЗ).

На рисунке 4 приведен алгоритм работы блока управления. Он имеет следующие особенности:

- поскольку в цилиндр, работающий с пропуском подач, впрыскивается не каждая подача, то время, уделяемое на срабатывание электромагнита, увеличивается и, как следствие, устраняется необходимость подачи форсирующего напряжения (для обеспечения быстродействия);

- в качестве управляющих приняты сигналы от датчиков давления, что заметно упростило процесс регулирования;

(Начало)

Наспром партії Мода Ыода

Счиггы&ми? инфврншш с дтчикоб дсйтния

- применение двух датчиков Д2 пД1 исключило вероятность ложных срабатываний перепускного клапана и повысило надежность работы всей системы;

- использование быстродействующего микроконтроллера ^Г/ие^а/б фирмы <ШтеЬ> устранило необходимость применения дополнительного резонатора.

Четвертая глава «Экспериментальные исследования метода пропуска рабочих ходов поршней» содержит результаты исследований предложенного метода определения механического к.п.д. двигателя.

Испытания проводились по методике и с использованием стендов, описанных в главе 2.

Система топливоподачи была отрегулирована на цикловую подачу, увеличенную на 20% от подаваемой в цилиндры. Рейка насоса была закреплена в корпусе.

На рисунке 5 представлены осцил-

Рисунок 4 Алгоритм работы электронного блока управления

лограммы давлений у штуцера форсунки при работе системы на безмоторном стенде на номинальных оборотах насоса (1 ООО мин').

Процесс топливоподачи секции, оборудованной перепускным устройством, отличался тем, что на 1,5 МПа оказались ниже максимальное давление впрыска и остаточное давление в топливопроводе (из-за указанного выше некоторого увеличения объема линии высокого давления).

Результаты моторных испытаний, проведенных на тормозном стенде (штриховые кривые) и с коленчатым валом, отсоединенным от вала стенда, т.е. без него (сплошные), изображены на рисунке 6.

Предварительно отметим, что в отличие от метода скоростных характеристик при любом количестве пропусков двигатель работал устойчиво. На номинальном режиме (2000 л«»/"') механический к.п.д. составил 0,700 при работе на стенде и 0,715 без него.

Со снижением частоты вращения он плавно возрастал и к 1700 мин1 достигал значений 0,718 (со стендом) и 0,737 (без стенда) соответственно. Меньшие значения механического к.п.д. при работе на тормозном стенде объясняются механическими потерями в самом стенде.

Из полученных данных следует, что предложенный метод по точности вплотную приближается к методу двойного выбега (таблица 1).

Приведенные данные подтверждают простоту реализации и высокую точность предложенного метода.

Широкие возможности для применения данного метода открываются в дизелях с электронным управлением процессом топливоподачи; в них отпадает необходимость использования специального устройства пропуска подачи топлива (эту функцию можно предусмотреть в уже имеющемся электронном блоке).

б02 ом о'об от о.ю ак «« а® иіт.с Рисунок 5 Осциллограммы давлений топлива у штуцера форсунки при системах штатной (а) и с перепускным устройством при работе без пропуска (б) и с пропуском 50% подач (в)

«•„ г/цикя -■0,065

'от

По принятой нами схеме ранжирования предложенному методу было присвоено максимальное количество баллов - 25 (точность 5, простота проведения экспериментов 4, простота обработки данных 5 и испытательного оборудования 4, применимость в полевых условиях 5 и для поэлементного определения потерь 2).

Механический к.п.д. двигателя г\м предложенным методом предлагается определять по следующей методике:

1. Система топливоподачи двигателя регулируется на безмоторном стенде в установленном порядке;

2. Для номинального режима работы вычисляется общее количество подач ;';

3. Определяются выключаемые и продолжающие работать цилиндры. К топливопроводу одного из выключенных цилиндров подключается дополнительная форсунка с датчиком давления, исключающим ложное срабатывание. На секцию насоса высокого давления, работающую с пропуском подачи, устанавливается предложенное перепускное устройство;

4. Устанавливаются датчики давления в надплунжерное пространство секции насоса высокого давления, работающей с пропуском подачи, и у штуцера форсунки цилиндра двигателя, работающего без пропуска;

5. Выключением части подач секции, работающей с пропуском, двигатель переводится на холостую работу на двух частотах вращения, близких к номинальным оборотам, и определяется максимальное количество пропущенных подач гтах;

6. Экстраполированием находится число пропущенных рабочих ходов поршней и вычисляется механический к.п.д. по выражению ^„=гЮ£П//.

Рисунок 6 Зависимости механического к.п.д. (/;,„), доли реализуемых подач (к), температуры выхлопных газов (?г) и цикловой подачи топлива^,,) двигателя 44105x120 от частоты вращения его коленчатого вала

В пятой главе «Технико-экономическая эффективность использования предложенных средства и метода определения механического к.п.д. двигателя» на примере трактора ЛТЗ-60 показано, что при годовой наработке в 1100 часов при применении предложенного метода определения механических потерь двигателя годовой экономический эффект, обусловленный сокращением затрат на топливо и необоснованное, преждевременное проведение капитального ремонта, составит 54210,98 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведенные по единой методике с использованием одного и того же дизеля сравнительные исследования известных стендовых методов определения механического к.п.д. показали:

- наиболее точным является метод двойного выбега; при нем значение механического к.п.д. двигателя 44105*720 составило 0,697;

- большинство из известных методов требует применения сложного испытательного оборудования и отличается высокими энерго- и трудоемкостью и не может рекомендоваться для диагностирования двигателей в полевых условиях;

- к условиям эксплуатации в наибольшей степени приспособлен метод скоростных характеристик. Однако по погрешности он уступает всем известным методам;

- погрешность известных методов можно снизить путем совершенствования методики обработки экспериментальных данных (ЦНИДИ), стабилизации экспериментально определяемых параметров (скоростные характеристики), приближения условий испытаний к рабочим поддержанием температуры масла и охлаждающей жидкости в рабочем диапазоне (прокручивание коленчатого вала электродвигателем), уточнения данных с вычетом потерь самого тормозного стенда.

2. Погрешность метода скоростных характеристик является довольно высокой; при наших экспериментах они доходили до 14%. Ее можно существенно снизить, ориентируясь на выявленные возможные пути снижения. В частности одним из эффективных путей может стать перевод двигателя на период испытаний на работу с пропуском рабочих ходов поршней. Достигаемый при этом эффект объясняется снижением числа измеряемых величин до минимума, определяемого количеством пропущенных рабочих ходов поршней на холостых номинальных оборотах, с одной стороны, и повышением стабильности подачи топлива, с другой.

3. Предложенный метод исключает недостатки и объединяет преимущества всех известных методов:

- единственным определяемым параметром при нем оказывается число подач на номинальных оборотах при холостом ходе двигателя (это приближает его по точности к методу ЦНИДИ; механический к.п.д. для двигателя 44105x120 при предложенном методе оказался почти таким же - 0,700 (механические потери составили 18,4 кВт) при работе со стендом и 0,715 (17,1 кВт) без стенда;

- отличается простотой реализации (оказывается сравнимым с методом скоростных характеристик);

- позволяет частично исследовать поэлементные потери, приходящиеся на шатунно- и цилиндро-поршневую группы деталей (берутся преимущества метода прокручивания коленчатого вала электродвигателем);

- позволяет испытывать одноцилиндровые двигатели (свободен от недостатков метода Морзе).

4. Пропуск рабочих ходов поршней можно осуществлять пропуском подачи топлива. Для этого достаточно использовать одно электронно-управляемое перепускное устройство, соединяющее до начала подачи плунжера линии высокого и низкого давлений. Работа перепускного устройства обеспечиваться предложенными электронным блоком и программой управления его работой.

5. Разработана методика определения механических потерь дизелей с использованием предложенных устройства и метода, основанная на переводе их на период испытаний на работу пропуском рабочих ходов поршней и определении на холостых номинальных оборотах числа пропущенных рабочих ходов поршней.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

в издании, рекомендованном ВАК:

1. Миннигалеев, A.M. Совершенствование послеремонтного диагностирования тракторных дизелей [Текст] / A.M. Миннигалеев, Д.Д. Харисов, С.З. Инсафуддинов //Механизация и электрификация сельского хозяйства. -2013. - Вып. №4. - С. 23-24.

2. Миннигалеев, A.M. Сравнительный анализ методов определения механического к.п.д. двигателей внутреннего сгорания [Текст] /Р.М.Баширов, Э.М. Гайсин, A.M. Миннигалеев // Известия Международной академии аграрного образования. -2013. -Вып. № 17. - С. 146-152.

3. Миннигалеев, А.М.Электронный блок управления пропуском подачи топлива устройства оценки механического к.п.д. двигателя внутреннего сгорания [Текст] / А.М.Миннигалеев, Д.Д.Харисов, А.Ж.Хисматуллин // Известия Международной академии аграрного образования. -2013.-Вып.№ 17.-С. 188-191.

в монографии:

4. Миннигалеев, A.M. Методика исследования дизелей, регулируемых пропуском впрыска топлива [Текст] / Р. М. Баширов, В. Н. Хусаинов, А. М. Миннигалеев. - Уфа : Башкирский ГАУ, 2011. - 111 с.

в других изданиях:

5. Миннигалеев, A.M. Обоснование методики исследования эффективности конвертации дизелей на регулирование режимов работы пропуском рабочих ходов поршней [Текст]/ Р.М.Баширов, В.Н.Хусаинов, А.М.Миннигалеев // Энергообеспечение и энергосбережение на предприятиях АПК: межвузовский научный сборник : вып. 6 - Уфа : Башкирский ГАУ, 2011. - С. 26-33.

6. Миннигалеев, A.M. Сравнительный анализ методов определения моментов инерции подвижных деталей автотракторных двигателей [Текст] / Р. М. Баширов, А. М. Миннигалеев // Инновационно-промышленный салон: Ремонт. Восстановление. Реновация : материалы III Всерос. науч. -практ. конф., 28 февраля - 2 марта 2012 г. / Башкирский ГАУ - Уфа, 2012. - С. 156-159.

7. Миннигалеев, A.M. Механические потери двигателя как один из важнейших разделов курса двигатели внутреннего сгорания [Текст] / Р.М.Баширов, А.М.Миннигалеев // Инновационные методы преподавания в высшей школе : материалы Всероссийской науч.-методич. конференции с межд. участием / МСХ РФ, Башкирский ГАУ. - Уфа, 2012. - С. 31-36.

8. Миннигалеев, A.M. Определение механического КПД дизельного двигателя методом пропуска подачи топлива [Текст] / Р. М. Баширов, Э.М.Гайсин, А.М.Миннигалеев // Роль науки в инновационном развитии АПК : материалы Всероссийской науч.- практ. конф., посвящ. 80-летию со дня рождения известного ученого, профессора А. П. Иофинова (13-14 декабря 2012 г.) / Башкирский ГАУ. - Уфа, 2012. - С. 95-99.

9. Миннигалеев, A.M. Диагностирование технического состояния автотракторных дизелей по механическому к.п.д. [Текст]: /Р.М.Баширов, А.М.Миннигалеев, Д.Д.Харисов // Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК (ФОНТиТМ-АПК-13): материалы Всероссийской научно-практической конференции. Часть 1. -Уфа: Башкирский ГАУ, 2013. - С. 68-74.

10. Определение механического к.п.д. двигателя пропуском подачи топлива [Текст]: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613126 / Баширов P.M., Миннигалеев A.M., Гайсин Э.М., Хисматуллин А.Ж. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 2013-26-03 г.

Подписано в печать 11.09.2013. Формат бумаги 60x84'/ls. Усл. печ. л. 0,93 Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура «Тайме». Заказ 405. Тираж 100 экз.

РИО ФГБОУ ВПО БГАУ, 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34

ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

На правах рукописи

04201362087

МИННИГАЛЕЕВ Айдар Маснавиевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ И МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ДИАГНОСТИРУЕМЫХ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность: 05.20.03 - технологии и средства технического обслуживания в

сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, заслуженный деятель науки РФ и РБ, чл.-кор. АН РБ P.M. Баширов

Уфа-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1 ОБЗОР НИР ПО МЕТОДАМ И СРЕДСТВАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ 10 МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЯХ

1.1 Общие сведения о механических потерях энергии в ДВС и классифи- 10 кация методов определения механического к.п.д.

1.2 Полевые методы 17

1.3 Стендовые методы 20 Выводы по главе 25 ГЛАВА 2 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ СТЕНДОВЫХ МЕ- 28 ТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

2.1 Общая методика исследований 29

2.2 Стенд для безтормозных исследований 29

2.3 Стенд для моторных исследований 30

2.4 Измерительно-регистрирующая аппаратура 32

2.5 Обработка экспериментальных данных, оценка погрешностей измерений 37

2.6 Сравнительный теоретико-экспериментальный анализ известных методов определения механического к.п.д. 38

2.6.1 Метод сопоставления эффективной и индикаторной мощностей 38

2.6.2 Метод прокручивания коленчатого вала электродвигателем 41

2.6.3 Метод скоростных характеристик двигателя 50

2.6.4 Метод Вилланса (по часовому расходу топлива при работе по нагрузочной характеристики) 53

2.6.5 Метод одинарного выбега коленчатого вала 56

2.6.6 Метод двойного выбега 67 Выводы по главе 73

ГЛАВА З ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ПРОПУСКОМ РАБОЧИХ ХОДОВ ПОРШНЕЙ И ТЕХНИЧЕСКОГО СРЕДСТВА ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ 75

3.1 Разработка методики определения механического к.п.д. пропуском подачи топлива 75

3.2 Система топливоподачи для непосредственного определения механического к.п.д. пропуском подачи топлива 80

3.3 Определение чисел пропускаемых подач и цилиндров, работающих с пропуском подачи топлива 81

3.4 Разработка электронного блока управления пропуском подачи топлива 82 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПРО- 87 ПУСКА РАБОЧИХ ХОДОВ ПОРШНЕЙ

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬ- 88 ЗОВАНИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ СРЕДСТВА И МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО КПД ДВИГАТЕЛЯ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 92

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 96

ПРИЛОЖЕНИЯ 98

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Щ,е,м,о) - термический, индикаторный, эффективный, механический и относительный к.п.д.

V (е,м) - эффективный и механический к.п.д. двигателя работающего с пропуском;

Ы^т) и р^т) - мощность и давление индикаторные (/), эффективные (е) и механических потерь (г).

Щ ирщ - мощность и давление цилиндра индикаторная, кВт и МПа; Ытр, ртр - потери на трение, кВт и МПа;

Инас, рнас - потери на совершение насосных ходов, кВт и МПа; Ипр, рпр - потери на привод вспомогательных агрегатов, кВт и МПа\ Мк,рк - потери на привод нагнетателя, кВт и МПа\

рг - гидравлические потери, кВт и МПа; п - частота вращения коленчатого вала, мин1', £> и £ - диаметр цилиндра и рабочий ход поршня, м; т - коэффициент тактности; Уьц - объем цилиндра, м3;

От и Ст ** — часовые расходы топлива при работе под нагрузкой и на режиме холостого хода, кг/час;

£н(хх) - угловое замедление с номинального режима и холостого хода, рад/с ; со - угловая скорость, с1;

J- приведенный момент инерции подвижных частей двигателя кг-м2;

ан(хх) - угол наклона линий числа оборотов под нагрузкой и на холостом ходу,

град;

г - число отключенных цилиндров; е - общее число цилиндров; к - число работающих цилиндров;

кн - коэффициент изменения потерь;

і, 2тах - число подач общее и максимально пропущенных;

м' - число пропусков подачи топлива приходящихся на цилиндр работающий с

пропуском;

Яц и Чцн- цикловые подачи на режиме холостого хода и на номинальном режиме, мм3/цикл

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В связи с широким применением дизелей в сельскохозяйственном производстве большое практическое значение имеет обеспечение высокой эффективности их работы. Практика показывает, что высокие технико-экономические показатели их работы могут обеспечиваться на основе периодического диагностирования технического состояния при эксплуатации и в процессе послеремонтной обкатки. В литературных источниках приводятся данные о том, что оно позволяет снизить расход топлива на 20-25%, повысить безотказность работы на 20-30%, сократить число капитальных ремонтов в 1,3-1,5 раза и расход запасных частей в 1,5-2 раза [24, 25, 26, 61].

Техническое состояние дизелей в целом оценивают по следующим диагностическим параметрам - эффективной мощности и удельному расходу топлива, давлению масла в главной масляной магистрали, содержанию окиси углерода в отработавших газах и дымности отработавших газов [46, 47, 50].

Оптимальные значения этих параметров обеспечиваются в производстве соответствующим и их проектированием и доводкой рабочего процесса и регулировкой их механизмов и агрегатов. По мере эксплуатации дизелей нарушаются их регулировочные параметры и изнашиваются детали их трущихся пар. Это ухудшает техническое состояние дизелей и существенно снижает эффективность их работы.

Своевременные техническое обслуживание и качественный ремонт позволяют восстановить первоначальное техническое состояние дизелей.

ГОСТ 18523-79 предусматривает диагностирование дизелей, используя, кроме всего прочего, и механические потери энергии (механический к.п.д.), определяемые проворачиванием коленчатого вала электродвигателем.

В принципе в эксплуатации эффективные показатели работы дизеля можно было бы определять и по его индикаторным показателям в частности эффективную мощность - умножив индикаторную мощность на механический к.п.д., а

удельный расход топлива - разделив индикаторную ее величину на этот же к.п.д. Однако в настоящее время так не делают из-за недостаточной точности определения этого к.п.д. и сложности применяемого при этом оборудования.

Механический к.п.д. дизелей определяют при их диагностировании методами одинарного выбега коленчатого вала, используя серийно выпускаемый индикатор мощности ИМД-ЦМ, универсальные мотор-тестеры, например, фирмы ТИРОИД (Республика Беларусь) (работа этих устройств основана на оценке механических потерь по угловому замедлению коленчатого вала) или определяя обороты двигателя при работе дизеля на одном цилиндре по предварительно построенным номограммам (метод Ждановского) [61, 77].

Известные методы определения механических потерь энергии отличаются, кроме необходимости использования сложного оборудования и большой энерго -и трудоемкостью и не всегда обеспечивают необходимую точность. Из-за этого, по данным Ждановского Н.С. и Мишина И.А., не всегда своевременно обнаруживается снижение номинальной мощности даже на 15-20%, и перерасход топлива на 15% и выше [61, 76]. В двигателях с искровым зажиганием и электронным управлением его определяют, используя различные диагностические программы (например «Мотор-Тестер», г. Самара).

В этой связи большое практическое значение приобретает явившееся целью настоящей работы совершенствование методов и средств оценки механических потерь энергии в дизелях.

Работа выполнялась по договору с АН РБ в соответствии с республиканской программой «Государственная научно-техническая программа Республики Башкортостан на 2011-2012 годы» (утвержденной Постановлением Правительства Республики Башкортостан от 12 ноября 2012 г. №424) на кафедре «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Степень разработанности. Литературные данные по известным методам определения механического к.п.д. двигателей существенно отличаются. Это свидетельствует о недостаточной объективности имеющихся данных и во многом объ-

ясняется тем, что исследования проводились с использованием различных стендов и двигателей. Отсутствие объективных сравнительных данных существенно затрудняет выбор оптимальных методов определения механических потерь энергии, а также выявление возможных направлений их совершенствования.

Цели работы. Повышение точности и снижение энергозатрат и трудоемкости определения механических потерь энергии автотракторных дизелей при их диагностировании.

Научная новизна:

- впервые по единой методике с использованием одних и тех же технических средств и одного и того же двигателя проведены сравнительные испытания известных методов определения механических потерь энергии в дизелях и на основе их результатов получены сравнительные данные по их преимуществам и недостаткам;

- разработан метод определения механического к.п.д., основанный на пропуске рабочих ходов поршней на холостом ходу дизелей, позволяющий повысить точность и снизить энергозатраты и трудоемкость его определения;

- получено аналитическое выражение для определения механического к.п.д. в зависимости от часовых расходов топлива, режимов работы и характеристик топ-ливоподачи, отличающееся тем, что определяется лишь один показатель (число пропущенных рабочих ходов поршней).

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан новый метод определения механического к.п.д. дизеля, основанный на пропуске рабочих ходов поршней, отличающийся высокой точностью и простотой применяемого испытательного оборудования, и предложены техническое устройство и методика его реализации.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования базировались на положениях и методах классической механики и математики. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием стандартных и частных

методик их проведения. Полученные экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту.

- результаты проведенных по единой методике сравнительных исследований известных методов определения механического к.п.д. дизелей;

- математическое обоснование возможности совершенствования известного метода скоростных характеристик;

- новый применимый в условиях эксплуатации и ремонта высокоэффективный метод оценки механического к.п.д. дизелей, основанный на пропуске рабочих ходов их поршней;

- электронно-управляемое устройство определения механического к.п.д. дизелей пропуском рабочих ходов поршней;

- методика определения механического к.п.д. предложенным способом.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные ее положения

обсуждались на научно-технической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация» в рамках III Всероссийской научно - практической конференции (г.Уфа, 2012 г.), Всероссийской научно-методической конференции с международным участием «Инновационные методы преподавания в высшей школе» (г.Уфа, 2012 г.), Всероссийской конференции, посвященной 80 - летию со дня рождения профессора А.П.Иофинова «Роль науки в инновационном развитии АПК» (г.Уфа, 2012 г.) и Всероссийской научно-практической конференции «Фундаментальные основы научно-технической и технологической модернизации АПК» (г. Уфа, 2013).

По материалам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 монографии, получено свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР НИР ПО МЕТОДАМ И СРЕДСТВАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ АВТОТРАКТОРНЫХ

ДИЗЕЛЕЙ

1ЛОбщие сведения о механических потерях энергии в ДВС и классификация методов определения механического к.п.д.

Одним из важнейших, причем наиболее информативных диагностических параметров технического состояния дизеля является его механический к.п.д., находящемуся у современных дизелей в пределах 0,70-0,90. Он позволяет определять эффективную мощность (если известна индикаторная, и наоборот), мощность механических потерь, удельный эффективный расход топлива и др.

Механические потери мощности (индикаторного давления) зависят от большого числа факторов и трудно поддаются аналитическому определению. Величину их часто находят, используя эмпирические выражения.

Потери энергии складываются из потерь на трение (Итр, ртр), совершение насосных ходов поршней (А[нас, рнас), привод вспомогательных агрегатов двигателя (IVпр, рпр) и нагнетателя (Ию рк), гидравлические потери (Ыг, рг) и др. Их можно представить в виде сумм мощностей или давлений [57]

= N тр + N нас + N пр + N к + N г; (1Л)

РТ = Ртр + Рнас + Рпр + Рк+ Рг> (1.2)

Они зависят от оборотов двигателя (средней скорости его поршня) и описываются следующими эмпирическими выражениями

Ыт =а-п2+Ь-п + с; (1.3)

рТ =а1+Ь1 -10~3 -п 0-4)

где а, Ь, с, а1 и Ь] - коэффициенты;

п - обороты двигателя.

Значения входящих в эти выражения коэффициентов зависят от типа, конст-

рукции, размеров, количества цилиндров и других показателей двигателя. При увеличении, например, количества цилиндров уменьшается количество подшипников, приходящихся на один цилиндр, и снижаются гидравлические потери.

В таблице 1.1 приведены значения <я/ и для отечественных тракторных дизелей без наддува [33].

Таблица 1.1 Значения коэффициентов а} и Ь] для двигателей без наддува

Дизель аи МП а Ь1, МПа-мин'

А-03 0,047 0,106

Д-21 0,085 0,075

Д-65Н 0,080 0,075

Д-50 0,038 0,100

А-41 0,037 0,098

Д-37М 0,050 0,083

Д-240 0,038 0,080

С увеличением оборотов и нагрузки механические потери энергии возрастают и на номинальном режиме работы двигателя доходят до 15-25% от индикаторной мощности.

На рисунке 1.1 представлены зависимости основных показателей работы двигателя от частоты вращения коленчатого вала.

Рисунок 1.1 Зависимости Л^, Ыт, и Мк от частоты вращения коленчатого вала п\ пр, п„ и пмтах - обороты разносные, номинальные и соответствующие максимальному крутящему моменту двигателя

В точке, соответствующей разносным оборотам (пр), вся индикаторная мощность затрачивается на преодоление механических потерь двигателя (т.е. Ые=0).

Потери на насосные ходы поршня оказываются тем больше, чем выше сопротивление впускной и выпускной систем и скорость движения газов в них. Для определения их значения имеется следующая эмпирическая зависимость [74, 94]

Ц (для случая ци =соп$И

пн Пр а мин

Рнас=А-п\ (1.5)

где А - постоянная; т=\,1 ...2,0 (большие значения относятся к двигателям с газотурбинным наддувом, в которых плотность газов, впускаемых в цилиндр и выпускаемых из него, как правило выше).

В двигателях с искровым зажиганием потери на газообмен возрастают по мере уменьшения нагрузки (т.е. прикрытия дроссельной заслонки, увеличивающего сопротивление впускной системы).

Гидравлические потери сравнительно малы и также возрастают по мере увеличения частоты вращения

Рг=Ах-п\ (1.6)

где А1 - постоянная.

Потери на привод вспомогательных механизмов описываются выражением аналогичным (1.6) (только с другой постоянной А2). Считается, что они не зависят от нагрузки.

Распределение общих потерь по составляющим показано в таблице 1.2 [16].

Таблица 1.2 Распределение механических потерь, в %

Потери* ЫТ

Общие потери на трение В том числе: поршневых колец и поршня в подшипниках коленчатого вала в механизме газораспределения до 62-75** 42-50 16-19 4-6

Потери на насосные ходы поршня до 15-13

Общие потери на привод вспомогательных агрегатов В том числе: водяного насоса вентилятора масляного насоса приборов электрооборудования топливного насоса 12-17 2-3 6-8 1-2 1-2 2

Потери на привод нагнетателя до 6-10

* Все потери приняты за 100%

** Меньшие значения относятся к ДсИЗ, большие - к дизелям (у них больше число компрессионных колец и выше степень сжатия).

Правильным конструированием двигателя, использованием перспективных технологий изготовления, выбором размеров впускной и выпускной систем, обес-

печением оптимальных теплового состояния и оборотов двигателя можно потери свести до минимума.

На механические потери существенное влияние оказывают и целый ряд эксплуатационных факторов.

Серьезное влияние оказывает тепловое состояние двигателя, влияя на вязкость масла.

Подтверждением этого могут служить данные исследований механических потерь методом выключения цилиндров при разных средних эффективных давлениях, предшествующих прекращению подачи топлива в цилиндр двигателя А-41 представленные на рисунке 1.2 [33].

0,20 0,30 ОАО 0.50 0.60 ре. МПа

Здесь отсутствует влияние давления газов от сгорания топлива и частота вращения коленчатого вала поддерживается постоянной. Наблюдающееся уменьшение среднего давления механических потерь по мере увеличения исходного среднего эффективного давления при определенной частоте вращения коленчатого вала может быть объяснено лишь повышением температуры масляной пленки.

Вместе с тем следует учесть, что чрезмерное увеличение температуры масла приводит к нарушению жидкостного трения и соответственно - р