автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Улучшение показателей рабочего цикла дизеля при пуске подогревом впускного заряда

О ! , ' « 1 '

- ■ У

На правах рукописи Для служебного пользования Экз.

Шишков Виктор Владимирович

УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ ПРИ ПУСКЕ ПОДОГРЕВОМ ВПУСКНОГО ЗАРЯДА

Специальность 05.04.02 - «Тепловые двигатели»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск- 20<Ю

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания».

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Шароглазов Б А.

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор "КукисЪ.С.;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ъгоров ВН.

"Ведущее предприятие — Государственный научно-исследовательский институт по промышленным тракторам.

Защита состоится 28 июня 2000 г., в _ часов, на заседании

диссертационного совета К053.13.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В Л. Ленина, 76 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по указанному адресу на • вмя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослав «_

мая 2000 г.

Ученый секретарь диссерташошюго совета, кандкдяг технических паук, доцент

В.В.Жесткоь

у,

гос у л ¡>схп '"'м /14ц

.....~ ...... ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема улучшения пусковых качеств дизелей при шзких температурах окру-хающей среды решается посредством мероприятии, ¡аправлеиных. а частности, на обеспечение воспламенения топлива в цилиндре. 3 сачестве такого средства широкое распространение получил подогрев впускного юздуха продуктами сгорания топлива. Подогрев впускного заряда уменьшает [ер иод задержки воспламенения, сокращается время от начала пуска до псявле-шя первых вспышек в цилиндре. Снижение плотности свежего заряда и умень-цение концентрации кислорода в нем ухудшают пусковые качества дизеля. Для »абочего цикла в этих условии характерны низкие значения индикаторной работа, неполное сгорание топлива.

Расчетное моделирование и анализ внутрицилиндровых процессов позво-иют на стадии проектирования определить показатели рабочего цикла и количе-твенно оценить пусковые качества дизеля при решении задач анализа конструк-орских проектов, а также выбрать решения по улучшению показателей рабочего [икла дизеля в период пуска а условиях подогрева впускного воздуха продуктами горания топлива.

Цель работы Цель диссертационной работы заключается з улучшении оказателей рабочего цикла тракторного дизеля в условиях пуска при низких емпературах окружающей среды подогревом впускного воздуха продуктами горания топлива.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

- разработать расчетную модель, описывающую внутриинлиндровыс провесы с учетом особенностей пуска дизеля, в том числе и с учетом подогрева пускного воздуха продуктами сгорания топлива;

- оценить влияние основных конструктивных и регулировочных пара-етров тракторного дизеля на продолжительность пуска и на основе методов ногомерного статистического анализа с использованием расчетной модели полу-ить многопарамегрическую зависимость;

- на основе расчетной модели и миогопарамегрической зависимости разра-этать методику расчетного определения требуемой величины подогрева вггуск-эго заряда;

- разработать моделирующую установку для исследования подогревателей тусклого воздуха и по результатам исследовании определить мероприятия, по-юляюшие повысить надежность и эффективность работы подо1ревателеи впусх->го воздуха;

з

- выполнить экспериментальные исследования влияния параметров впускного заряда на показатели рабочего цикла дизеля при пуске;

- разработать методику анализа рабочего цикла по индикаторной диаграмме, учитывающую особенности внутрицилиндровых процессов в период пуска дизеля, в том числе и влияние подогрева впускного заряда;

- по результатам расчетных и экспериментальных исследований разработать иронические рекомендации и технические решения, направленные на улучшения показателей рабочего цикла дизеля в условиях холодного пуска.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в разработке методики выбора параметров впускного заряда, разогреваемого продуктами сгорания топлива, в соответствии с которой на основе выявленной статистической зависимости продолжительности пуска дизеля и разработанной расчетной модели внутрицилиндровых процессов предусмотрено определение условий, при которых обеспечивается воспламенение топлива в цилиндре, и осуществляется расчетное прогнозирование параметров рабочего цикла дизеля при заданных условиях пуска.

Применительно к условиям пуска разработана методика анализа рабочего цикла дизеля по индикаторной диаграмме с использованием ЭВМ, в которой предусмотрена оценка потерь заряда в период газообмена и рабочих ходов, учтено влияние теплообмена, изменение параметров впускного заряда в результате его разогрева, а также неравномерности вращения коленчатого вала при определении характера тепловыделения и параметров состояния рабочего тела в течение цикла.

Разработан способ облегчения запуска дизельного двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления (А. с. № 1720343), предполагающий выравнивание температур впускного заряда, подогреваемого продуктами сгорания топлива, за счет подачи сжатого воздуха во впускной заряд цилиндра, имеющий наиболее высокую температуру.

Практическая ценность. Получена многопараметрическая статистическая зависимость продолжительности пуска холодного дизеля, отражающая влияние ряда конструктивных и эксплуатационных факторов, которая позволяет на стадии проектирования определить время пуска дизеля.

Разработанная методика выбора параметров впускного заряда, базирующаяся на расчетной модели внутрицилиндровых процессов дизеля и статйсти-ческой зависимости продолжительности пуска дизеля, позволяет установить, е частности, влияние параметров заряда на впуске на индикаторные показатели раГючего цикле и посредством этого осуществить целенаправленный выбор параметров устройств, повышающих температуру впускного воздуха.

А

Разработанная методика анализа рабочего цикла дизеля по индикаторной диаграмме, учитывающая особенности процессов, протекающих в период пуска дизеля, в том числе и изменение параметров подогреваемого впускного заряда, позволяет повысить достоверность результатов и эффеетивность эксперимента-гл-ных исследований.

Полученные з работе результаты позволили разработать практические рекомендации, направленные на улучшение пусковых качеств дизелей.

Pecuimauiui работы. Результаты работы, в частности, результаты экспериментальных исследований, использованы в ГСКБД ОАО "ЧТЗ" при доводке системы подогрева впускного воздуха. Расчетная модель внутрицилитровых процессов реализована в виде программного продукта и используется в учебном процессе кафедры ДВС ЮУрГУ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции /СибАДИ, г. Омск/ 9 1984 г., на Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах" /МВТУ, г. Москва/ в 1987 г., на республиканской научно-технической конференции /ТЛИ, г. Горький/ в 1,988 г., на Всесоюзной научно-технической конференции /ЛСХИ, г. Ленинград/ в 1990 г., на научно-технической конференции "Двигатели внутреннего сгорания и их конкурентноспособность" /УДЭНТП, г. Челябинск/' в 1991 г., на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЮУрГУ (1983-1988. 1990-1993, 1995-1999).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ и получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка и 6 таблиц. Список использованных источников включает 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована ее цель и перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор и анализ исследовании, направленных на улучшение пусковых качеств дизелей. Рассмотрены методы моделирования и

исследований параметров рабочего цикла в условиях пуска, в том числе при подогреве впускного заряда.

Анализ работ, посвященных решению проблемы пуска дизелей в условиях низких температур, показал, что пусковые качества могут быть улучшены за счет использования моторных масел с пологой вязкостно-температурной характеристикой. Это обеспечивает высокую пусковую частоту прокручивания коленчатое вала при удовлетворительной смазке поверхностей трения. Улучшение пусковые качеств происходив при подогреве впускного воздуха. В этих условиях пуск современных отечественных и зарубежных дизелей становится возможным пр1

температурах до минус 20...25 °С, однако тенденция форсирования двигателей пс

(

наддуву и частоте вращения, сопровождающаяся снижением степени сжатия затрудняет пуск. Влияние параметров впускного заряда, разогреваемого продук тамн сгорания топлива, на рабочий процесс дизеля неоднозначно. Для проведение экспериментальных исследований по определению пусковых качеств дизелз необходима холодильная камера и значительные затраты времени. Оценка воз можностей улучшения показателей рабочего цикла на основе расчетного модели рования внутркцилиндровьгх процессов позволяет существенно снизить затрать на проведение исследований.

Во второй главе приведена расчетная модель внутрицилиндровых процес сов для условий пуска дизеля. В модели учитывается влияние на параметры рабо чего тела свойств впускного заряда, подогреваемого продуктами сгорания топлн ва_ утечек заряда из цилиндра через неплотности ЦПГ, явлений теплообмена неравномерности вращения коленчатого вала, подачи воздуха из системы возду хопуска. Основные уравнения модели получены из зависимостей объемного 1 газового баланса в соответствии с расчетной схемой, разработанной профессоров Н.М.Глаголевым для моделирования рабочего цикла ДВС.

Изменение параметров рабочего тела в течение цикла описывается системо дифференциальных уравнений

= к-р-(б„у+ЗьъУ + +6ъ.у + г^ + д^ + етч + дыч - /уV; (1 ¿т = т-[(1 - 1/к>'у-ар/р + о - ш'„ уетч + (1 - т/т,& >з,ьу +

+ д^/ + (1-1П'ш}джпУ + диУ]П/-, (2

(¡Ма = гш • сяМ + Гоь - Сй>М +■ га ■ (оъЬМ + 6ыМ + 5угМ) + сшМ - 5М,„ ; и <ЗМо = Г«. - <5„М + гоЬ • + Го • (ОььМ + ЗыМ + ¿^М) + С'М0Х; Н

4»ах «(М^-Мс + МдУЛг .

Здесь р. Т. к. V - давление, средняя температура газа в цилиндре, показател адиабаты и текущий объем цилиндра; Т'„, Т'^, Т',„ - гемпесатуры газа, пост пившего в цилиндр соответственно из впускного, выпускного трубопроводов

в

пускового клапана, после расширения до давления р. Элементарные изменения объемов, обусловленные соответственно: ôBV, д^У - входом газа в цилиндр из впускного и выпускного трубопроводов; c^V, c^V - выходом газз из цилиндра в выпускной и впускной трубопроводы; ÔqV - подводом к рабочему телу тепла (при сг орании и теплообмене); <3,TV - утечками заряда кз цилиндра через неплотности 1ЩГ; ctnV - поступлением воздуха из пускового клапана; duV- изменением количества молей газа при сгорании топлива; dV - изменением геометрического объема цилиндра. Элементарные изменения количества газа в цилиндре: в период газообмена определяются соответствующими составляющими csbM, 0ъьМ. C't«M; дугМ - в результате утечек заряда через неплотности ЦПГ; ôBnM - в результате поступления воздуха из пускового клапана; сМ^ - количество молен чистого воздуха, затраченного на сгорание элементарной доли топлива; с?М<,х - количество молей продуктов полного сгорания, образовавшихся при сгорании элементарной доли топлива. Рабочее тело в цилиндре, а также входящий и выходящий газ рассматриваются состоящими из продуктов полного сгорания топлива при а = 1 и избыточного чистого воздуха. Для внутрицилиндровых газов доля продуктов полного сгорания г„ = Мо/М, доля избыточного чистого воздуха rtt=Mc;'M- Определяющие доли компонентов смеси газов во впускном (г,» гм) и выпускном (гоь. Гоъ) трубопроводах задаются в качестве исходных данных. Момент ШтгД передаваемый на коленчатый вал от пускового двигателя задается массивом данных. Для злектростартерной системы пуска использована известная методика расчета рабочих характеристик злектропусковых систем ДВС. Момент сопротивления двигателя прокручиванию (Мс) определяется по эмпирическим уравнениям.

При определении потерь рабочего тела через неплотности ЦПГ учитывается изменение давления в межколечных объемах, в частности, давление в первом межколечном объеме определяется давлением в цилиндре р к давлением картер-ных газов Ре- по зависимостям: для двух компрессионных колец pi = ( р • Рп V *; для трех компрессионных колец pi = (р: • Prr Это позволяет учитывать влияние числа компрессионных колец. Максимум давления pi не совпадает по углу поворота с максимумом давления в цилиндре Смешение массива давлений pi на соответствующий угол в зависимости от частоты врашения задается в исходных данных к программе расчета.

На основе разработанной расчетной модели по литературным материалам, содержащим результаты экспериментальных исследований пусковых качеств дизелей, определялась температура конча сжатия Тс которая непользовалась в качестве обобщающего параметра при получении эчнирнческой зависимости продолжительности пуска дизеля. Оценивалось также влияние следующих факто-

ров: температуры окружающей среды Тл К; частоты вращения коленчатого вала пв. мин"'; относительного отклонения установочного угла опережения впрыскивания топлива от оптимального при пуске дизеля Л6Уот„.; относительного отклонения цикловой подачи топлива от оптимальной при пуске дизеля AGUcrra: числа цилиндров дизеля i: хода поршня S, см; геометрической степени сжатия с,: качественного параметра К. Пределы изменения независимых переменны?;: Т(; -253...293 К; п„ - 60...275 мин"1; Тс - 540...720 К; деУота - 1...1.35; -

1 ...1.46; i - 4...8; S - I2.5..20.5 см; сг - 14...19,3; К - 2 - для камер сгорания с кольцевым вихрем (типа ЦНИДИ). К = 3 - для камер сгорания с осевым вихрем.

За основу модели принята степенная функция вида

у = а0 - • •... . (6)

К линейному вицу выражение (6) приводится логарифмированием с заменой переменных. Объем выборки составил 180 значений. Реализация метода многомерного статистического анализа в виде программы для ЭВМ и проведенные вычисления позволили получить зависимость для определения времени пуска холодного дизеля

In = 175-9,05 -In Т0+ 0,121-Inn,-16,4-InТс +1,34-In Д9Уотп +

+ 1,45 • In ЛОцотв - 0,631- In i - 1,01- In S - 1,99 • In К-4,62 • In c-t . (7) Работоспособность модели оценивалась параметром у, который показывает, во сколько раз происходит снижение общего рассеивания наблюдений зависимой переменной при использовании данной модели и не должен быть меньше 3. Для г-ависимостк (1) у = 4.19 . что свидетельствует о возможности ее применения для опенки пусковых качеств тракторных дизелей.

В третьей главе даны описания экспериментальной установки' на базе полноразмерного дизеля 4ЧН 14,5/20,5, безмоторной установки для исследования подогревателей впускного воздуха дизеля 6ЧН 15/16 и методики анализа рабочего цикла дизеля по индикаторной диаграмме.

Исследования параметров рабочего цикла дизеля при пуске проводились в условиях изменения температуры окружающей среды, частоты вращения коленчатого вала, параметров впускного заряда (температуры и концентрации кисло рода), а также цикловой подачи топлива. Обработка результатов эксперименте включала анализ рабочего цикла дизеля по индикаторной диаграмме с использованием разработанной методики, учитывающей особенности вттрицилиндровых процессов в период пуска дизеля. Индикаторная диаграмма позволяет на основании соотношений (1)...(5) рассчитать количество теплоты, выделившейся на элементарном участке в процессе горения. Для этого количества теплоты справедливо

в

_еаР - уу(к - Р) - (К • <кз„ у(р -сР)-буУ-дту+с!У

** [(II • Нв)/(р - ср) + V • (Н/4 + 0/32УМ] - Оц Методика анализа реализована з виде программы для ЭВМ. Эксперимент для оценки работоспособности модели и соответствующего алгоритмического обеспечения выполнен на полноразмерном тракторном дизеле типа 4ЧН 14,5/20,5. При этом впускной заряд подогревался отработавшими Газами пускового двигателя, часть которых подавалась зо впускной трубопровод дизеля. Измерялась концентрация кислорода во впускном заряде и температура на входе з индицируемый цилиндр. При пусковой частоте вращения коленчатого вала 143 мин-1 температура заряда на впуске повысилась на 49 градусов. При этом доля чистого воздуха во впускном заряде г^ составила 0,67. Анализ результатов, приведенных на рисЛ, позволяет отметить, что допущение об отсутствии утечек рабочего тела приводит к ошибке в определении показателей рабочего цикла, в частности, максимальное значение х« занижается на 0,137. Величина неравномерности вращения коленчатого вала в меньшей степени, чем утечки рабочего тела, влияет на сшибку в определении параметров рабочего цикла.

Полученные в результате обработки индикаторных диаграмм характеристики выгорания топлива могут быть применены для расчетного моделирования на основе уравнения выгорания профессора И.И.Вибе. Показатели полуэмпириче-екого уравнения выгорания определяют построением логарифмической анаморфозы. В рассмотренном выше примере, а также для большинства анализируемых диаграмм анаморфозы имеют 5-образную форму, рис.2. При таком характере изменения логарифмической анаморфозы представление сгорания одностадийным не позволяет достаточно точно моделировать характеристику выгорания при синтезе рабочего цикла, а следовательно, и его показатели, поэтому целесообразно выделить кинетический период процесса сгорания, диффузионный и период догорания.

Показатели уравнения выгорания для первых двух участков достаточно точно могут быть определены по логарифмической анаморфозе:

для первого участка (0<ф<ф0 условная продолжительность сгорания Ф^ю'49*1,

показатель характера сгорания т1=1я(-0,33-1я(1-хг1)]/^фг1-1, уравнение выгорания х= 1 —ехр[с(ф/ф21)т 1 ] ; для второго участка (ф,<ф<ф2) соответственно Фй=10!чфга, ш7-!аН,33-!Ч(1-х22)]ЛЧфй-1, х=1-ехр[с(ф/ф22)т2+1].

Для третьего участка характерен рост погрешностей в определении давления пои обработке индикаторных диаграмм, а следовательно, и доли выгоревшего топлива.

Учитывая также незначительное, близкое к линейному, изменение на третьем участке доли выгоревшего топлива, моделирование процесса сгорания может осуществляться заданием линейного изменения скорости выгорания от её значения в конце второго участка при ф=ф2 до нуля при <р=фг.

Рис Л. Сравнительный анализ рабочего цикла: Т0 = 272 К; п, = 143 мин"'; G„= 0,186 г, ДТ,= 49 К (I - со - var, Шут * 0; 2 - ш - var, m^ = 0; 3 - ш - const, ф 0)

ю

/

1пГ- 0 331 <1(1-1 и)] /

1 1 Г

-0,33 1 ЬО-ь,)] Л

1

/

-3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -15 1д[-0,331д(1-х)]

-1.0

0.5

-0.5 0

1д[-0,331д(1-х,)]

1д[-0,331д{1-х я)]

Рис.2. Логарифмическая анаморфоза

Для рассматриваемого выше примера определены <р2 = 125°, ф! = 9,6°, ф;= 36°, фл = 22.4°, = 676°, Ш1 = 1,32 , пь = -0,54, и проведено сравнение параметров рабочего цикла, полученных в результате анализа индикаторной диаграммы, и при расчетном моделировании. При выбранном способе моделирования закона выгорания топлива расхождение индикаторных показателен цикла не превышает 3%.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований рабочего цикла дизеля 4ЧН 14,5/20,5 в условиях пуска. Получены данные о характере изменения показателей рабочего цикла и параметров процесса сгорания.

Для выявления зависимостей влияния степени подогрева и состава впускного заряда на показатели рабочего цикла в условиях пуска оценивались показатели первого рабочего цикла с момента включения подачи топлива. При низкой величине подогрева, до 25 градусов, наблюдаются пропуски воспламенения топлива (рис.3). Дальнейшее повышение температуры впускного заряда стьбилизирчст воспламенение. Однако, снижение плотности впускного заряда и доли чистого воздуха во впускном заряде Го, снижают коэффициенты выделения и использования теплоты (5 и £ соответственно), в также индикаторную работу цикла Ц.

При увеличении Дг, от 80° до 125° и соответствующем снижении г,» от 0,66 до 0,30 период задержки воспламенения ф, увеличивается от 11 до 15 град ПКВ несмотря на то, что температура впускного заряда при этом повысилась на 45°. Эю обстоязельство свидетельствует о более значительном влиянии концентрации

кислорода во впускном заряде на скорость предпламенных химических реакций по отношению к повышению температуры впускного заряда для данного его состава.

Доля чистого воздуха в конце процесса сгорания гш снижается по мерс повышения Д^ и соответствующего снижения гш . Максимальная температура

Рив,

грод ПКВ

10 "20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 ДЦ, "С Рис.3. Влияние величины подогрева впускного заряда ка показатели рабочего цикла (п. = 210...230 мин"1; 1« = -6...-10 °С; Сц = 0.194...0.198 г)

п

Тща, и максимальное давление цикла увеличиваются по мере снижения Аи , однако при позднем воспламенении происходит снижение рюп.

Изменение величины подогрева впускного заряда оказывает влияние на характер выгорания топлива. В условиях пуска показатели рабочего цикла в значительной мере определяются характером выгорания топлива в кинетический период. Период диффузионного сгорания характеризуется малыми скоростями выгорания топлива по причте низкой интенсивности его испарения.

Представленные на рис.4 зависимости позволяют отметить характерное влияние периода задержки воспламенения ср, на кинетические показатели процесса сгорания. В частности, в области малых значении Д!», увеличение подогрева

т2 -0,4 -0,5

ггагПКВ 50

40

20

,Х1 0,6

0.4

Р»

рПКВ 23

10

о

/

шг

д

га,

Л)

/

ч /

/

*

1

дагПКВ 2000

1000

0

т,, 2

1 О

Й,.

60 4С

20

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Д^Т

Рис.4. Влияние величины подогрева впускного заряда на показатели процесса сгорания ¿п, = 210...230 инб"1; ^ = -6...-10 °С; Сс = 0,194-0,198 i)

впускного заряда сопровождается сокращением периода задержки воспламенения. а в результате уменьшения количества топлива, испарившегося за период задержки воспламенения, снижается продолжительность кинетического периода сгорания ф1; условная продолжительность сгорания первого периода ф^, а также доля выгоревшего топлива Хь В области высоких Ли увеличение подогрева впускного заряда сопровождается повышением его загазованности и, как следствие, увеличением периода задержки воспламенения. Это увеличивает количество топлива, испарившегося за период задержки воспламенения, и формирует показатели процесса сгорания не только в кинетический, но и в диффузионный период. В области низких Гщ, меньше 0,6, происходит прогрессивное увеличение Фь а также ф^, вызванное недостаточным количеством кислорода для сгорания топлива.

В условиях подогрева впускного воздуха продуктами сгорания топлива увеличение цикловой подачи топлива приводит к снижению доли выделившейся теплоты 6 (рис.5). Количество выгоревшего топлива 6 СЦ при этом зависит от коэффициента избытка воздуха а. При снижении а до 1,1... 1,2 наблюдается увеличение количества выгоревшего топлива, а при дальнейшем снижении а -уменьшение. Соответственно изменяется и индикаторная работа цикла Ь,. С повышением цикловой подачи топлива увеличивается период задержки воспламенения. Это обусловлено более интенсивным охлаждением рабочего тела при увеличении цикловой подачи топлива. Значение доли чистого воздуха в конце процесса сгорания Таг изменяется в пределах от 0,23 до 0,32. При этом наблюдается минимальное значение Гщ в области а = 1,1 ...1,2. В условиях подогрева впускного воздуха продуктами сгорания топлива целесообразно корректировать цикловую подачу до обеспечения значений а = 1,1...1,2. В противном случае происходит снижение индикаторной работы цикла.

Методика выбора параметров подогреваемого впускного заряда применительно к элеюгростартерной системе пуска предполагает последовательность расчетов. В первом расчетном цикле в качестве критерия выбора необходимой и достаточной степени подогрева впускного заряда в первом расчетном цикле выбирается температура конца сжатия, при которой время пуска соответствует заданному и определяется в соответствии с эмпирической зависимостью (7). Расчет показателей второго и последующих циклов производится для новой частоты крашения, величина которой зависит от индикаторной работы цикла.

Ь циклах, начиная со второго, в качестве критерия выбора степени подогре-кь впускного заряда служит температура конца сжатия, при которой период за-лепжки воспламенения по углу поворота коленчатого вала остается неизменным

к

0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 С„. г Рнс.5. Влияние цикловой подачи топлива на показатели рабочего цикла в условиях пуска дизеля с подогревом впускного заряда (п, = 230...240 мшГ!; Ь, = -6...-10 °С; Та, = 0,63...0,66; Д1, = 87...93 °С)

во всех циклах (фц+1=(р^). Эта температура определяется из уравнения академика Н.Н.Семенова для расчета периода задержки воспламенения

т, = (с^р^-е(Е/КТ). Ю"3 . В результате преобразований из уравнений ^ находим зависимость для определения температур воспламенения во втором и последующих циклах ТВж = Т„ / {(КТр., /Е) 1п [(п3/п5^,Хрн-|/йЛ + 1} ■ Представленные на рис.6 результаты расчетов параметров в период разгона дизе-пя 4ЧН 14,5/20,5 показывают, что для принятых условий моделирования процесса запуска ({о= -20°С, 75% заряженности АКБ, кинематической вязкости моторного

масла 3000 мм2/с) частота прокручивания коленчатого вала составляет 69 мин"1. Без средств облегчения запуска врел-я пуска для данных условий достигает 79 секунд (согласно формуле 7). Повышение температуры впускного заряда для обеспечения воспламенения топлива в цилиндре должно составлять, согласно расчетам, не менее 71 градуса. В первом цикле с воспламенением топлива индикаторная работа составляет 0,579 кДж, за счет этого частота вращения увеличивается с 69 до 101 мин"1. В начальный период разгона дизеля наблюдается снижение необходимой степени подогрева впускного заряда. Это объясняется интенсивным повышением температуры процесса сжатия с ростом а, в данном

п3,

мин1 200 150 100

2 I 0

К 70

60

50

П3

—-

^г

Рши. МПа

6 4

Тв.

К

700 650 600

2 3 4 5 6 7 Тп, с Рис 6. Изменение параметров в период разгона дизеля

диапазоне. При дальнейшем увеличении п, наблюдается необходимость увеличения ДТ,. Результаты расчетов свидетельствуют, что температуру подогреваемого впускного заряда в период разгона целесообразно регулировать в зависимости от частоты вращения коленчатого вала.

Выполненные эксперименты по пуску дизеля с ЭФП позволяют отметить, что при равных температурах впускного заряда для электрофакельного подогрева характерны более низкие значения содержания продуктов сгорания во впускном заряде. Tai-, например, при электрофакельном подогреве впускного заряда на 100 градусов расчетное значение доли чистого воздуха во впускном заряде Го, составляет 0,86, а при подогреве отработавшими газами пускового двигателя до такой же температуры Гщ, равен 0,50. Это, безусловно, сказывается на полноте сгорания топлива в цилиндре и на величине индикаторной работы цикла.

Для дизеля с пусковым двигателем ограниченное добавление во впускной заряд отработавших газов пускового двигателя повышает стабильность воспламенения топлива в цилиндре дизеля при его холодном запуске. ЭФП более эффективен с точки зрения меньшей загазованности впускного заряда, однако требует комплектации дизеля системой ЭФП, согласованной по своим параметрам, в частности, с применяемыми АКБ.

В пятой главе приведены результаты исследований системы подогрева впускного воздуха дизеля 6ЧН 15/16 на безмоторной установке. Для штатной системы ПВВ характерна высокая неравномерность температур впускного заряда по цилиндрам (рис.7,а), что негативно сказывается на индикаторных показателях рабочего цикла. В качестве количественной оценки неравномерности гемператур заряда по цилиндрам был выбран параметр

У " А Г, К „ = ^-- ,

г

заряда i - то цилиндра; ДУ, = ¡7^ — - отклонение температуры заряда i - го цилиндра от средней температуры впускного заряда; п - число цилинл[х>в.

Для проведения целенаправленных опытов по выявлению возможности воздействия на изменение температур впускного заряда по цилиндрам через перераспределение тепловых потоков во впускном трубопроводе в опытных камерах сгорания (OKС) варьировались длина камеры и диаметры центрального и бокового выходных отверстий. Исследования были построены на основе теории планирования jKcnepHMeirra и осуществлялись в соответствии с матрицей полного

где T^ - — ^^ "=17*, - средняя температура впускного заряда; 7", - температура

факторного эксперимента для трех независимых факторов. Выявленный значимый фактор (диаметр центрального выходного отверстия) был применен для ШКС посредством установки на выходном срезе экрана с центрально расположенным отверстием, что позволило снизить неравномерность температур на 25%.

Более существенное снижение неравномерности температур обеспечивает способ, предполагающий добавление сжатого воздуха во впускной заряд, имеющий наибольшую температуру. Практическая реализация признанного изобретением способа облегчения запуска дизельного ДВС и устройства для его осуществления (A.c. 1720343) позволила снизить параметр оценивающий неравномерность температур, до уровня значений, не превышающих 0,7 (рис.7,б).

Применение в ЭФП топливных жиклеров с малым проходным сечением (диаметр менее 0,2 мм) вызвано необходимостью точного дозирования топлива для обеспечения воспламенения и сгорания топлива в цилиндре с максимально возможной индикаторной работой. Для предотвращения. засорения топливного жиклера его проходное сечение может быть увеличено при сохранении неизменным расхода топлива за счет применения разработанного устройства, обеспечивающего локальное понижение давления топлива перед топливным жиклером (A.c. 1635647).

1 .2 3 4 Ь 6 7 8 Т.с

а)

Кт 1,0 O.Ei 0,6

0.2

0' 1 2 S. 4 5 С ? В т,с б)

Рис.7. Изменение параметров впускного заряда: а - штатная камера сгорания; б - при добавлении сжатого воздуха

К элсктрофакелъньш подогревателям предъявляются требования обеспече-пт: '•■'с'. оичииого горения топлива во впускном трубопроводе в период разгона и

работы дизеля на холостом ходу. Разработана конструкция ЭФП, направленная на предотвращение срыва пламени с подогревателя в период разгона дизеля (А.;. 1207240)

Результаты расчетов рабочего цикла показали, что уплотнение ШТГ позволяет улучшить пусковые качества дизеля. В этой связи предложено устройство для предпусковой подачи масла в цилиндры двигателя. Устройство имеет ограниченные габариты и массу, которые не зависят от объема масла, по лапаемого а цилиндры дизеля (А.с. 1561390).

ВЫВОДЫ

1. На основе анализа закономерностей влияния конструктивных и эксплуатационных параметров на пусковые качества дизелей путем статистической обработки данных получена многопараметрическая зависимость продолжительности лусха холодного дизеля, отражающая влияние этих факторов (в частности, пускозой частоты вращения коленчатого вала, степени сжатия, угла опережения впрыскивания топлива, температуры окружающей среды и других) на время пуска дизеля. Зависимость позволяет определить время пуска дизеля на стадии проектирования.

2. Анализ особенностей в!гутрицилиндровых процессов в условиях пуска дизеля при подогреве впускного воздуха продуктами сгорания топлива позволил установить, что известные модели для расчетного определения параметров рабочего гела не отражают влияние изменения состава рабочего тела на закономерности протекания рабочего цикла. Применительно к условиям пуска разработана расчетная модель внутринштиндровых процессов дизеля, учитывающая изменение состава рабочего тела в процессе газообмена и в Период рабочих ходов, потери заряда из цилиндра через неплотности ЦПГ и в результате запаздывания закрытия впускного клапана, а также неравномерность вращения коленчатого вала. Модель позволяет установить влияние параметров впускного заряда на индикаторные показатели рабочего цикла и посредством этого осуществить целенаправленный выбор параметров устройств, повышающих температуру ".пус гаю го зоздуха.

Применительно к условиям пуска разработана методика анализа рабочего :л;кла дизеля по индикаторной диаграмме с использованием ЭВМ, з которой предусмотрена оценка потерь заряда в период газообмена и рабочих ходов, учтено влияние теплообмена, а также неравномерности вращения коленчатого вала на паиаметры состояния рабочего тела з течение цикла.

4. Экспериментальные исследования на полноразмерном дизеле 4ЧН 14.5/20,5 показали, что подогрев впускного воздуха продуктами сгорания топлива при пуске стабилизирует воспламенение топлива в цилиндре. Вместе с тем, наличие во впускном заряде продуктов сгорания, а также понижение плотности впускного заряда, снижают индикаторную работу цикла. В частности, при объемной концентрации кислорода во впускном заряде равной 6% и менее индикаторная работа цикла становится отрицательной. Снижение степени подогрева апускного заряда увеличивает индикаторную работу цикла вплоть до наступления пропусков воспламенения. Из этого следует, что при пуске в условиях низких температур следует стремиться к минимальной степени подогрева впускного воздуха, достаточной для воспламенения топлива. Целесообразное значение величины цикловой подачи в таких условиях пуска является функцией степени подогрева и должно быть тем ниже, чем выше подогрев впускного воздуха (численное значение цикловой подачи должно оставаться таким, чтобы коэффициент избытка воздуха в цилиндре находился в пределах значений 1,1...1,2).

5. Испытания подогревателя впускного воздуха двигателя 6ЧН 15/16 на моделирующей установке позволили установить причину медленного роста температур впускного заряда после включения ПВВ, заключающуюся в частичном заполнения топливопровода сжатым воздухом при выключении ПВВ. Разработан вариант конструкции клапана ПВВ, обеспечивающий удаление воздуха из топливопровода. В ГСКБД ОАО "ЧТЗ" изготовлены опытные образцы клапана и проведены испытания. В ходе экспериментальных исследований на безмоторной установке предложены мероприятия, позволяющие существенно снизить неравномерность температур впускного заряда по цилиндрам дизеля. Мероприятия включают как изменение конструкции камеры сгорания, так и использование способа выравнивания температур впускного заряда, предполагающего подачу сжатого зоздуха через "штуцер с жиклером во впускной заряд цилиндра, имеющий наиболее высокую температуру. Установлено, что разница температур по цилиндрам может быть снижена с 250...270 до 140 градусов. Указанный способ и устройство для его осуществления признаны изобретением.

6. В ходе экспериментальных исследований выявлены причины нестабильной работы ЭФП. обусловленные падением расхода топлива через топливный дошрующий жиклер в результате его засорения. Предложены мероприятия, направленные на стабилизацию работы подогревателей. ■ Повысить надежность работы подогревателя позволяет увеличение диаметра топливного жиклера при сохранении расхода топлива, в частности, прерывистое срабатывание электро-чагяипюго клапана, как показали опыты, позволяет увеличить проходное сечение