автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение топливной экономичности и эксплуатационных характеристик транспортных двигателей путем выбора рациональных конструктивных параметров и совершенствования систем регулирования

ЛШС СССР

ХАРЬКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛ.-ДОР. ТРАНСПОРТА /¿- ¿^

имени С. М. Кирова

На правах рукописи

ЕРОЩЕНКОВ Станислав Аркадьевич

УДК 621.436.004.18

УЛУЧШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ экономичности и

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ

КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

(05.04.02 — Тепловые двигатели)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ккаоли^ ^ ¿г

Харьков — 1989

Работа выполнена в Харьковском институте инженеров железнодорожного транспорта им. С. М. Кирова.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор ИВАНЧЕНКО Н. Н.;

— доктор технических наук, профессор ДОЛГАНОВ К". Е.;

— доктор технических наук, профессор РЫБЛЛЬЧЕНКО А. Г.

Ведущее предприятие — ХКБД ПО „Завод имени Малышева".

. Защита состоится „ _„_____________ 1990 года

в часов на заседании специализированного совета

Д 114.04.01 но специальности 05.04.02 — тепловые двигатели при Харьковском институте инженеров железнодорожного транспорта имени С. М. Кирова по адресу: 310050, г. Харьков-50, площадь Фейербаха, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского института инженеров железнодорожного транспорта имени С. М. Кирова.

Автореферат разослан ,______1990 года.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент, кандидат технических наук

В. М. ЛЯЛЮ К

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК/, РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) вырабатывают в наотояцее время около 80% от всех видов энергии, расходуемой человечеством в хозяйственной деятельности, и являются основный потребителем жидкого топлива природного происхождения. В условиях роста потребления жидкого топлива и ограниченности его а ячасов вопросам повышения топливной экономичности двигателей уделяется весьма серьезное внимание во всем мире.

У нас в стране эта проблема также относится к требующей решения. В ряде постановлений и решений ГКНТ, Совмина СССР и ЦК КПСС, а также в проблемных документах предусматривается повышение экономичности транспортных двигателей на 10 ... 12% за счет совершенствования их конструкции и на 25 ... 30% в автотранспорте за счет его дизелезации. При этом планируется повышение в 1,5...1,8 раза производительности различных транспортных средств, а также маши?', силовыми установками которых являются ДВС.

Отсюда следует, что проблема повышения технико-экономичесак/ показателей двигателей является ванной научно-техничес.-.ой и народнохозяйственной задачей, а исследования, направленные ка ее решение, - актуальными.

Единственно объективным показателем топливной экономичности двигателей является среднеэксшгуатационный удельный расход топлива • Определение его может производиться экспериментальным способом в процессе длительной эксплуатации или ускоренных испытаний на стенде завода-изготовителя натурного образца, либо расчетным - о помощью математической модели. В обоих случаях определение г ' должно производиться о учетом работы двигателя по реальному эксплуатационному циклу, представляющему собой некоторую совокупность переходных и установившихся рекимов. В условиях компьютеризации производства.« научных исследований второй способ представляется предпочтительным.

Однако на пути его реализации возникают серьезные трудное".1. заключающиеся в отсутствии единой методики расчета переходных и установившихся режимов ДВС. Расчет переходных и установившихся режимов осуществляется в настоящее время разными-методами, информа-тчвность которых настолько различна, что результаты, получаемые при моделировании эксплуатационных циклов,либо противоречивы, либо не вызывают дэлкного доверия.

Поэтому назрела настоятельная необходимость в разработке

единого одинаково информативного метода расчета переходных и установившихся режимов ДВО. Если математическую модель рабочего процесса, полученную на основе такого метода, дополнить моделями, систем дистанционного управления, регулирования и нагружения, т.е. систем, с помощью которых в реальной эксплуатации осуществляется смена режимов работы двигателей, то можно-получить объединенную . матмодель, позволяющую моделировать не только отдельные режимы, но и весь эксплуатационный цикл. Эта объединенная модель позволит вести направленные проектирование и доводку новых, а также совершенствование находящихся в серийном производстве двигателей по единственно объективному критерию - среднеэксплуатационному удельному расходу топлива.

Многочисленные и длительные наблюдения за эксплуатацией транспортных двигателей показали, что, несмотря на некоторые различия в эксплуатационных циклах, имеется общая закономерность: средне-эксплуатационный расход топлива на 90.. .9 5# 'определяется расходом на неноминальных режимах/к которым относятся холостой ход, частичные и переходные режимы. Поэтому внимание большинства исследователей направлено именно на эти режимы.

Из большого количества методов снижения расхода топлива на режимах холостого хода и частичных наиболее эффективным оказался метод регулирования двигателей отключением части цилиндров. Он обеспечивает экономию топлива до 20...30%.

Несмотря на высокую эффективность, данный способ не нашел практического внедрения на отечественных двигателях. Имеются сведения лишь о лабораторных исследованиях единичных опытных образцов. За рубежом, судя по публикациям, отдельные фирмы- выпускают небольшие опытные партии двигателей с системой отключения цилиндров.

Одной из основных причин такого положения.является отсутствие теоретических и методических разработок по проектированию и расчету таких систем, а также рабочего процесса двигателей с такими системами, особенно на переходных режимах, весьма сложных в изучении.

Настоящая работа направлена на решение проблем, предусмотренных постановлением Государственного Комитета СССР по науке и технике № 555 от 30.11.85 г., научно-технической программой на 1935-1990 г.г. 0.13.07. "Создать и освоить производство новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе",.в

частности, ее разделов 0.13.07.03.15.Н. "Провести исследования по создании системы отключения цилиндров дизелей с турбонаддувом при режимах холостого хода и до 40$ полной мощности с целью снижения эксплуатационного расхода топлива в этом диапазоне на 5...6% для колесных тракторов "и.О.13.07.01.16.Б. "Провести исследования по определению эффективности и надежности дизеля.6ЧН31,8/33 с системой .отключения цилиндров о.целью повышения эксплуатационной экономичности на 2.. .3%", указаниями МПС й 675 пр.Ц от 12.12.85 г.-, шифр 05.15.II. "Снижение эксплуатационного расхода топлива на тракторах и комбайнах в 1986...1990 г.г.% Я 1473-У от 25.12.85 г. шифр 0.54.02.03. "Разработать и внедрить высокоэффективные'технологические и технические процессы в локомотивном хозяйстве", постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР # 328 от 02..91 Г. "Об основных направлениях и мерах по повышению использования топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в 1981...1985 г.г. и на период до 1990 г.". .

Цель работы. Данная работа является научным обобщением теоретических разработок с целью создания метода моделирования эксплуатационных циклов ДВС, состоящих из переходных и установившихся режимов, и направлена на решение научно-технической проблемы выбора рациональных конструктивных параметров транспортных двигателей по среднеэксплуатационному расходу топлива с учетом реальных эксплуатационных циклов.

Для реализации указанной цели необходимо:

1. Разработать едлную методику расчета рабочего процесса 4-х тактных двигателей, пригодную для моделирования как установившихся, так и переходных режимов.

2. Разработать математические модели систем, обеспечивающих работу двигателей по эксплуатационным циклам, включая модель новой системы регулирования отключением части цилиндров.

3. Синтезировать объединенную математическую модель 4-х тантного двигателя, пригодную для моделирования его'работы по эксплуатационным циклам.

4. Разработать методологические основы проектирования систем регулирования двигателей отключением части-цилиндров и требования к ним и двигателей, оборудованных гтими системами.

5. На основе теоретических разработок путем расчатно-знопе-риментадьних исследований предложить рекомендации по снижению

срецнеэксплуатационного расхода топлива двигателями ЧЧН12/14, 6ЧН13/11.5, 12ЧН14/14, 6ЧН31,8/33, 8ЧН26/26.

Научная новизна. Научную новизну работы составляют:

1. Объединенная математическая модель рабочего процесса 4-х тактного двигателя, позволяющая моделировать его работу по эксплуатационным циклам. Она включает модель рабочего процесса собственно двигателя при работа на переходных и установившихся режимах и модели систем, обеспечивающих изменение режимов работы двигателей в эксплуатации. Модель имеет блочную структуру и пригодна для Ч~х тактных двигателей любой размерности, с любым количеством и порядком работы цилиндров, любыми системами турбонаддува, нагружения и регулирования, включая систему регулирования отключением части цилиндров,при работе по любым эксплуатационным циклам. Получаемый в результате расчета сред неэксплуатационный расход топлива ёсрэ зависит от конструктивных, регулировочных и режимных параметров исследуемого двигателя. Поэтому с помощью такой модели можно производить выбор указанных параметров ДВС по величине ёср з •

2. Единый метод расчета рабочего процесса 4-х тактных двигателей при работе как на установившихся, так й переходных режимах. Он учитывает динамику движения группы коленчатого вала и ротора турбокомпрессора и изменение параметров состояния рабочего тела при перемещении его по полостям газовоздушного тракта. Для этого используются уравнения динамического равновесия и уравнения сохранения массы, энергии я уравнение состояния ;

3. Математические модели систем дистанционного управления, регулирования, включая систему регулирования отключением части цилиндров, и нагружения. О помощью этих систем в эксплуатации осуществляется изменение режимов, работы двигателей, и их свойства оказывают существенное влияние на динамические свойства и показатели всей силовой установки транспортного агрегата в целом;

4. Методологические основы проектирования систем регулирования две отключением части цилиндров и требования к ним, позволявшие производить их направленное проектирование и доводку, а также учитывать их влияние на принципы кс ;струирова-ния двигателей и систем наддува;

5.■Результаты исследований влияния ряда конструктивных и регулировочных параметров двигателей и их систем на выходные показатели, включая сргднеэксплуатационный расход топлива.

э

Практическую ценность представляют:

1. Алгоритм и программа, реализующие объединенную модель рабочего процесса 4-х тактного двигателя, позволяющие моделировать работу транспортных ЛВС по эксплуатационным циклам. Они представляют собой инструмент, о помощью которого как конструкторы КБ и НИИ, так и работники эксплуатирующих организаций могут производить оценку влияния того или иного мероприятия 'конструктивного, режимного и организационного характера на среднеэнсплуатационный удельный расход топлива, закладывая наилучшие конструктивные решения в проект, а режимные и организационные - в правила эксплуатации;

2. Алгоритм и программа, реализующие на ЭВМ единый метод расчета рабочего процесса Ц~х тактных двигателей при работе как на установившихся, тан и переходных режимах. Они позволяют оценить влияние конструктивных и регулировочных параметров собственно двигателя на выходные показатели, включал удельный эффективный расход топлива $ при работе на переходных и установившихся режимах, и потому могут быть использованы на стадиях конструирования ,». доводки новых, а также при совершенство вании Находящихся в производстве двигателей;

3. Алгоритмы и программы для расчета переходных процессов в системах дистанционного управления, регулирования и на-гружения, включая систему регулирования отключением части цилиндров;

П. Методологические основы проектирования систем регулирования двигателей отключением части цилиндров и требования к ним. В них изложен набор основных функций и свойств, которыми должны обладать устройства и узлы этих систем, чтобы они были работоспособными, а также перечень основных правил и приемов, как обеспечить эти свойства. Указано, как изменяются конструкции отдельных механизмов и систем двигателей при применении на них отключения чаоти цилиндров;

5. Ряд конструктивных решений устройств и узлов систем отключений части цилиндров двигателей-4ЧН12/1^, бЧИЭ/11,5, 12ЧН14/1'» и 6ЧН31.8/33, защищенных авторскими свидетельствами СССР;

6. Результаты по снижению среднеэксплуатационного расхода топлива на некоторых модификациях транрпортных двигателей различного назначения СчЧНГ2/14, 6ЧНГЗД1.5, 12ЧШ/1Ч, 6ЧН31,8/33).

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены в ПО "Пенз-

дизедьмзш" (г.Пенза), ПО 'Юждизельмаш" (г.Токмак), ПО "Серп и молот" (г.Харьков) и организациях МПС.

Общий экономический эффект составляет 600 тыс. рублей в год.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной райоты докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всесоюзных семинарах по автоматическому регулированию теплоэнергетических установок в МВТУ (1980...1987 г.г.), Всесоюзных семинарах по комбинированным ДВС в МВТУ (1981.-..1988 г.г.). Всесоюзных конференциях "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив" (г.Москва, МВТУ, 1930 г,),. "Высокий навдув поршневых ДВС и роторные двигатели" (г.Тбилиси, ЙММ АН ГССР, 1981 г.), "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания" (г.Москва, МАЛИ, 1982г.), "Современный уровень и пути совершенствования экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания" (г.Ворошиловград, ВМИ, 1983 г.), "Теория и расчет мобильных машин и двигателей внутреннего сгорания" (г.Телави, ИШ АН ГССР, 198-5 г.), "Повышение энергетической эффективности тепловозов" (г.Ростов-на-Дону, РИЙ2Т, 1986 г.), "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топлива*" (г.Москва, МВТУ, 1987 г.), "Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания" (г.Киров, КСХИ, 1988 г.), научно-технических конференциях ХИИТа и ХПИ (1965...1988 г.г.).

По результатам исследований опубликовано 42 печатных работы, 14 авторских свидетельств на изобретение.

Структура работы. - Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.

С0ДЕР1АШЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цель исследования и задачи, которые необходимо решить для ее реализации, обоснована актуальность решаемой проблемы. Показано, что диссертационная работа является научным обобщением имеющихся теоретических разработок с целью создания единого метода расчета рабочего процесса 4-х тактных ДВС при работе по эксплуатационным циклам и направлена на решение проблемы выбора конструктивных параметров ДВС по сред неэксплуатационному расходу топлива с учетом реальных эксплуатационных циклов. Эта проблема является

важной научно-технической задачей, выполняемой в соответствии с комплексными программами Г'КНТ .и МПС ссср и имеющей народнохозяйственное значение.

В первой главе приведены краткие анализы условий эксплуатации и методов определения среднеэксплуатационного расхода топлива транспортных двигателей и, главное, единый метод расчета рабочего процесса 4-х тантных ДВС на переходныхиустано-вившихся режимах.

Из анализа условий эксплуатации транспортных двигателей ' следует, что на неношнальные рекимыприходится не только большая часть времени работы (до 95. ..99,5$), но и основная доля расхода топлива (90...95^).. Здесь под нэноминальными подразумеваются режимы холостого хода, переходные и частичные.

При этом, несмотря на различия в эксплуатационных циклах разных типов двигателей (автомобильных, тракторных, сельскохозяйственных, специальных и строительно-дорожных машин, тепловозник), наблюдается общая закономерность: среднеэ'ксп-луатационный расход топлива на 5...105? определяется расходом на холостом ходу, на 50...65,^ - на частичных, на 20...?.5# - на переходных и на 2...10$ - на номинальном режимах.

Отсюда видно, что добиться снижения эксплуатационного расхода топлива на 1% мояно путем уменьшения его на 10...20$ на холостом ходу, или на 1,5...2% - на частичных, или на

- на переходных, или на 10...50$ - на номинальном режимах. •

Этим, по-видимому, и объясняется характерное для последних 2-х десятилетий внимание исследователей к ненаминальным режимам. .

Оценка топливной экономичности двигателей по удельному расходу топлива на номинальном или других искусственно выбранных режимах, как это предусмотрено действующими поныне ГОСТами, является весьма несовершенной. В связи с чем, появление в конце 70-х годов публикаций об использовании в качестве критерия среднеэксплуатационного удельного расхода топлива ёС1ХЭ явилось серьезным шагом вперед..При этом & определялся по формуле типа:

ё _к <! • а)

■ "" ' $РЛ. '

Где f. - суммарное время работы на установившемся ¿-ы ре- ' жиме. ' -

Но и здесь вкрадись неточности и неопределенности. В основу формулы (i) положена гистограмма эксплуатационных режимов, представляющая собой распределение установившихся режимов по времени. В ней отсутствует информация о переходных процессах, частоте, глубине и последовательности смены режимов в ' эксплуатации. Чтобы кан-то нивелировать это, в формуле (l)f предусмотрен коэффициент Н„ .учитывающий переходные процессы.

Поэтому вместо формулы (i) предлагается использовать совершенно строгую формулу:^

R f'U% \Pedv

а

где и df - продолжительность эксплуатационного цикла и шаг счета,

но в основу реализации которой положен эксплуатационный цикл. Он представляет собой некоторую совокупность переходныхиуста-новивщихся режимов в течение относительно короткого отрезка времени Тц , которая повторяется бесконечное количество раз в реальной эксплуатации.

Для.пользования формулой (г) необходимо, во-первых, иметь единый метод расчета (математическую модель) рабочего цикла на переходных и установившихся режимах и, во-вторых, в этом методе (модели) должны быть представлены системы, с помощью которых в реальной эксплуатации производится смена режимов работы двигателей. Поскольку двигатели внутреннего сгорания работают циклично, то понятие установившийся режим, т.е. режим, на котором все входные и выходные параметры не меняются во времени, ' справедливо с точностью до цикла. Тогда под установившимся здесь понимается режим, на котором все следующие друг за другом рабочие циклы в каждом цилиндре абсолютно одинаковы. Однако в течение одного цикла все кинематические.и тепловые параметры двигателя, а также физические параметры рабочего тела во всех полостях газовоздушного тракта меняются во времени.Поэтому при любом методе расчета рабочего процесса на установившихся ре-хамах, производится определение изменения текущих параметров во времени (или по углу поворота коленвала), но в течение одного цикла. Пои ртом современные методы обеспечивают высокую достоверность результатов.

Все это. свидетельствует о юм, что расчет установившихся режимов ДВС производится методами, не характерными для статических, когда координата время отсутствует, а скорее для динамических методов,

В переходном процессе следующие друг за другом рабочие циклы различны. Поэтому методика расчета должна осуществлять определение изменения этих же текущих параметров не только в течение одного цикла, но и последовательно от цикла к циклу .. течение всего переходного режима.

.....Следовательно,-единая методика расчета обоих режимов не

должна противоречить современным"методаы'расчета"рабочего ~ процесса на установившихся режимах, а базироваться на каком-

то ИЗ НИХ. ........ " "

В предлагаемой методике"движение коленчатого вала и связанных с ним деталей описывается уравнением динамического равновесия:

7 ?' т '¿"'т -У'т

"р- <1т Н'Ч* р» V"; Д,

г-гр

-57 -Т -Т

р< Цтр.г-г, ^огр. Ц иагр. ' ^

где 3 - момент инерции подвижных деталей двигателя и связанных с ним агрегатов;

Т. . , 71 , и 71 я _ , - крутящие момента

Ьв ГИЛ ц тр. £р Ьг тр. в-гр .

' газовых и инерционных сил ¿-го цилиндра а тормозные моменты от сил трения поршней работающих и отключенных цилиндров}

01'. Танагр ~ т0Ри03ныз моменты, создаваемые приводными агрегатами двигателя и. внешней нагрузкой;

2 - число работающих цилиндров;

2-Нр- число отключенных цилиндров. Формула (3) применима я для двигателей с отключением части цилиндров. Если же такой системы нет, то часть членов формулы пропадает.

Крутящие моменты зависят от газовых и инерционных сил поступательно-движущихся частей:

где р я текущие давления газов в ^-ом цилиндре и

картере двигателя.

лг r^i sin(<fi-fi) ^ „у? r cos(4+£) , v cosVn

cosp +c0}[

- ускорение поршня при o)^ = vaz. .....

Тормозные моменты, создаваемые силами трения поршня, определяются по формулам:

т irm' sittЯ ГО

'typ.j ~птр. "п cosp "Р-

или Т =*к" F . tqB , Сб)

*9rW . . пгр.[ ги, cosfi jr у- ' .

где'Л^ и К"р - коэффициенты жидкостного и полусухого трения, Здесь сделана попытка учесть кидкостное и полусухое трение ; поршня, которым можно объяснить характер протекания экспериментальных зависимостей по механическим потерям в двигателях. Получаемые по формулам (5) и Сб) значения момента являются переменными по времени. Состояние рабочего тела' при перемещении его яо полостям, системам и узлам двигателя определяется ■ вектором'скорости перемещения V , плотностью J) , дaвлeни-" eм р и температурой Т \ Изменение этих параметров'можно-определить с помощью уравнений тазовой динамики: уравнения сохранения импульса, массы и энергии и уравнение состояния.

Газодинамические методы, обладая рядом достоинств, требуют применения больших ЭВМ, обладающих емкой памятью и высоким быстродействием, особенно, если расчет производится для множества рабочих циклов.

В предлагаемой модели для описания параметров рабочего тела в газовоздушных полостях двигателя применяется термодинамический метод. Он нашел широкое применение при моделировании установившихся режимов ДБС. Правомерность его использования доказана в работах проф. Симеона А.Э., откуда следует, что при значениях числа Струхаля меньше восьми, результаты расчета и эксперимента хорошо совпадают. Термодинамический метод описывает процессы в полостях с квазистатических позиций. При этом градиенты, параметров по координатам отсутствуют, движение'рабочего тела по газовоздушному тракту учитывается приближенно путем разбиения его на ряд зон по длине, а диссипативные процессы - путем принятия гипотезы о мгновенном перемешивании голов.

Расчетная схема газовоздушного тракта двигателя с газотурбинным наддувом приведена на рлс.1. В общем случае он может бить разделен на следующие зоны: воздушный фильтр, от фильтра до нагнетателя, нагнетатель, от нагнетателя до охладителя наддувочного воздуха, воздухоохладитель, от охладителя воздуха до впускных органов цилиндра, цилиндры, выпускные коллекторы, преобразователи импульсов,'турбина, глушитель.

. Согласно термодинамическому методу дйя каждой зоны.иож-•"■■ записать уравнения законов сохранения энергии, массы и уравнение состояния:

5 п ,, с , с1в

кч ёи -п

р V ■ М Т~ ~ ' Решая их относительно с/г и с1р , можно получить:

(7)

(8) (9)

I

, „ (ю)

Р пУ *

где о у - интенсивность внутреннего источника

' 'теплоты за счет сгорания топлива;

удельный тепловой-поток через поверхность ;

Г.- площадь ¿-го участка контрольной поверхности,

ограничивающей зону, через которую идет поток

• массы;

число участков, через которые проходят потоки тегн-лоты и потоки массы соответственно; К. ' ~ плотность, скорость и эьтальпия рабочего тела, пересекающего контрольную поверхность (.к-определяется по заторможенным параметрам).. Уравнения (б), Сю) и (II) записаны в общем виде.

Закон выгорания топлива в работающих цилиндрах описыва-

ется уравнением Вибе И.И., в котором показатель характера сгорания т и его продолжительность V задаются в виде функций угловой частоты коленчатого вала СО^ , коэффициента избытка воздуха ос и величины цикловой подачи топлива В ^

Потери теплоты в стенки цилиндра определяются с использованием'формулы Г.Вошни, а в стенки выпускного коллектора (охлаждаемого) - формула для коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме движения. Величина площади ограждающих поверхностей цилиндра изменяется в зависимости от перемещения поршня. Температуры стенок цилиндра и выпускного коллектора определялись по экспериментальным данным исследуемых или сходных двигате'лей. При моделировании установившихся режимов они принимались постоянными, а переходных - изменяющимися по экспоненциальному закону: с

Ъ-тт + (Тпя-тп^г') , (12)

где Т и Тстл - температуры на исходном и конечном установившихся режимах; ' ■

■■..... - Т3 •- постоянная времени." ........ .

Здесь следует указать, что расчеты процессов сгорания топлива и'теплоотдачи в стенки цилиндра по уравнениям Вибе И.И. и Г.Вошни не являются принципиальными для настоящей методики. В ней могут быть использованы любые разработки, например, проф. Разлейцева Н.Ф. по процессу сгорания топлива и проф. Розенбли-та Г.Б. по теплопередаче. Применение же указанных выше.уравнений в практических расчетах автора объясняется лишь наличием экспериментальных данных для исследуемых двигателей и навыками школы.

Важнейшими положениями настоящей методики является' то, что расчет процессов в каждом цилиндре ведется с учетом порядка его работы и физической обстановки во впускной и выпускной системах в моменты взаимодействия цилиндра с ними. Поэтому даже на установившихся режимах текущие параметры и выходные показатели в каждом цилиндре оказываются разными, что подтверждается экспериментально. В переходных процессах разными являются и цикловые подачи топлива каждого цилиндра,. Они определяются в зависимости от частоты вращения коленчатого ила ПА и положения дозатора топливного насоса высокого давления (ТНВД) в момент начала подачи очередного по порядку работы цилиндра:

Положение дозатора в момент работы очередного работающего цилиндра kp г ^ определяется в результате расчета регулятора частоты вращения коленчатого вала (глава 2).

Для двигателей с системой отключения части цилиндров цикловая подача неработающего цилиндра равна нули. •

При расчете процессов газообмена изменение массы входящих. и выходящих газов работающего цилиндра определяется по уравнению:

dM**¡Hf cúdv , (ii)

где Cú - скорость течения рабочего тела через впускные (выпускные) органы;

/íj'- эффективное проходное сечение.

Для отключенных цилиндров в установившемся режиме /lj-=0 При моделировании переходных процессов, возникающих при выключении и включении отключаемых цилиндров, текущие значения '/ltj~и 'крг g • определяются -в результате расчета ь-зханизмов отключения га!!эобмена и подачи топлива этих цилиндров (глава 2).

Моделирование процессов во впускной системе, которая ' согласно приведенной расчетной схеме (рис.1) включает в общем случае- шесть зон, производится с учетом характеристик нагнетателя и теплопереноса в воздухоохладителе.

Характеристики нагнетателя турбокомпрессора обычно известны:

. ¿W) , (15)

. Ч" ~f(SC"'ú)™). (1б)

и вводятся в расчет в виде эмпирических зависимостей.

Определение параметров воздуха после охладителя может производиться двумя способами. Для серийных теплообменников:

' ñs=P\s-*P.**-. |( С17)

где Дрвхл и - гидравлическое сопротивление и коэффициент эффективности воздухоохладителя.

Величины йрогл и для серийных теплообменников за-

даются обычно в виде эмпирических зависимостей от массовой скорости воздуха. •

Для охладителей, у которых такие данные отсутствуют, но конструкция известна, определение параметров воздуха приходится проводить путем теплового поверочного и гидравлического

14 '

расчетов. Первый основан на совместном решении уравнений теп-1 нового баланса, теплопередачи и неразрывности, а "второй -уравнения сохранения энергии.

Выпускная система внлючает в общем случае четыре расчетных зоны (см.рис.1).

Параметры отработавших газов в выпускном коллекторе (или коллекторах) определяются путем интегрирования уравнения (в),-(Ю), (II), в которых и В=0 . Если коллектор

теплоизолирован, или потери теплоты невелики, то

• ' ..... I * •

Для охлаждаемых коллекторов величина 2 ¿преде-

У'4 7/.........

ляется в результате теплового расчета ^использованием, как"' уже отмечалось,справочных данных по коэффициентам теплоотдачи и экспериментальных данных по температуре•охлаждающей воды.'

Расчет преобразователей импульсов разработан на'кафедре и может быть введен в модель в виде отдельного блока. ......Расчет турбины производится с использованием ее экспериментальных характеристик:

£у-$(Гч> о)гк) , (го)

которые вводятся в программу в виде эмпирических зависимостей. Если в задачу исследований входит варьирование конструктивными параметрами турбины,то такой подход оказывается неприемлемым. Поэтому программа расчета построена так,что в нее вместо указанных характеристик можно ввести блок расчета турбины,методика, алгоритм и программа которого имеются на кафедре.

Динамика движения ротора турб0К0мпрес90ра описывается уравнением динамического равновесия:

, ..<22)

где Зтк - момент инерции ротора;

МТ1~ крутящий момент турбины по ¿-му входу; М , М „ - моменты сопротивления, создаваемые компрессором и механическими потерями. Мгновенные значения вращающих моментов турбины и тормозного компрессора определяются по формулам:

М 1Т1 /ро)

п ~ со >

мтк

(2ч)

а Ммег - по экспериментальным данным.

Адиабатные перепады на турбине и компрессора рассчитыва-тся по мгновенным параметрам рабочего тела в выпускной и впускной сисг,0>ля"ц' •

где рзт и - текущие давления за турбиной компрессором соответственно;- -•■---Рп и текущие давления перед турбк; ой (по ч-му

входу) и компрессором соответственно. Уравнение (22) замыкает всэ систему уравнений настс.-цэй методики, благодаря чему появилась возможность вести расчет полного замкнутого ц..хла ДБС. Кроме того, оно позволяв? произвольно задавать исходные данные по расчетным зонзу, делая алгоритм расчета быстро■сходящимся.

Интегрирование дифференциальных уравнений пролззо;и:"-сл численными методами: модифицированным катодом'Эйле.са "Спра расчете процессов в цилиндрах , впускных и выпуекнсх. системах) и методами Рунге-Кутта (при расчете регуляторов). Счет ведется по углу поворота коленчатого вала </ , который связапсврс-менной координатой Т простым уравнением. При расчете переходных режимов постоянный шаг счета по углу поворота '/' оказывается переменным по времени Т .

По изложенной методике расчета рабочего цикла ДВС были разработаны алгоритм и программа.на языке РЬ~1 , обеспечивающая проведение расчетного исследования о использованием ЭВМ типа ЕС. Они позволяют проводить расчеты рабочих циклов 4-х тактных двигателей любой размерности, с любым количеством и-порядком работы цилиндров, любой системой турбонаддува и без нее, любой системой регулирования, включая' систему отключения части цилиндров, при работе как на установившихся, так и переходных режимах, обеспечивая одинаковую информативность для обоих режимов. Это значит, что оценивается влияние изменения одного и того же фактора режимного, конструктивного или регулировочного характера на показатели двигателя на уо-

(25)

16 ......

тановившихся и переходных режимах, причем с одинаковой достоверностью и точностью. ~

Во второй главе приведены математические модели систем, с помощью которых в эксплуатации производится смена режимов работы транспортных двигателей, выполнен анализ методов снижения расхода топлива на вспомогательных режимах этих ДВС,изложены методологические основы проектирования систем.отключения части цилиндров и сформулированы требования к ним, синтезирована объединенная' математическая модель 4-х тактных двигателей, позволяющая моделировать-эксплуатационные циклы. ~ К системам, с помощью которых в эксплуатации производится смена режимов работы транспортных двигателей, отногчтся системы дистанционного управления, система регулирования, час^-тоты вращения коленчатого вала, система отключения. Необходимость в разработке математических моделей этих систем вызвана тем, что характер и качество переходных процессов двигателей, являющихся, как уже указывалось обязательной составной частью эксплуатационных циклов, во многом зависят от динамических ■ свойств этих систем. Причем речь идет лишь о динамических моделях." ......... ..........................

Ввиду большого разнообразия в конструктивном исполнении " этих систем для транспортных двигателей вообще не удается разработать единых моделей даже для исследуемой группы двигателей. Поэтому математические модели систем каждого двигателя построены на уравнениях, описывающих те физические явления, которые положены в основу действия этих систем. Здесь использовались уравнения из разных областей научных знаний: механики, гидравлики, термодинамики, электротехники, теории автоматического регулирования. Общим для них всех оказалось лишь то, что все они описывают процессы во времени, т.е. являются динамическими. ' " '

Системы дистанционного управления регуляторами двигателей 4ЧН12/14, 64 НПЗ/И ,5 и 12ЧН14/14 выполнены в механическом исполнении. Они представляют собой совокупность соединенных между собой тяг и рычагов. Передаточная функция такой системы равна передаточной функции безынерционного звена:

X (5)

■ (27)

Поэтому свойства этих систем не оказывают влияния на переходные процессы двигателя.

Система управления регулятором тепловозного двигателя

' ••■--■ ■ - 17...... ' ' ........

641131,8/33 имеет электропневматическое исполнение. Схема ее действия следующая: при'повороте рукоятпн коптроллера машиниста на-определенный угол'замыкается'контакт (или'группа"" контактов), и бортовое напряжение поступает на катушку (на-' тушки)'электропневматического вентиля; он открывает воздушный клапан, и воздух из тормозной системы тепловоза поступает в цилиндр (цилиндры) серводвигателя, перемещая вверх его пор--иень (поршни), который воздействует-на рычаг серводвигателя; рычаг поворачивается и через-систему тяг и рычагов изменяет

затяжку всережимной пружины регулятора." " '.........

Математическая модель такой системы включает следующие уравнения:' уравнение контроллера машиниста

Г75 3 при Ыкн-Ы, . .

П .=4 ' 5 ... (28)

Л«.

О при Л/к.„=Л/6

уравнение,тока в катушке вентиля

уравнение движения воздушного клапана и его проходного

сечения

т

Сю)

£п =ЗС§5'1по1, (¿е -Ззтос^созос,) , ^

уравнение движения ¿-го поршня серводвигателя

уравнение для определения давления в -полости цилиндра серводвигателя .

с Пц Гц ■ . }

уравнение скорости истечения воздуха через клапан

/ Р Р \

(.вид уравнения зависит от ~— и -75— )

Рвит,

уравнение изменения' затяжки всережйм.^й пружины

Система из 8-ми уравнений имеет 8 неизвестных ( ,

I . $ , Д , р , ¡V» л Н3£; ), а остальные .параметры отнс-

'....... 18 ...... -...-. ......

еятся 'к конструктивным и определяются по паспортным данным

элементов;........................ •■- - ...... ■ ------- —- - .........

На всех исследуемых двигателях применяются всережимные ~ регуляторы с центробежными чувствительными'элементами. Двигатели ЧЧШ/1Ч, 6ЧЮЛ1.5 и I24HI4/I4 оборудованы регуляторами прямого действия, а двигатель 6ЧН31,8/33 - непрямого и изо-дромным. Поэтому модели первых трех регуляторов включают уравнение движения чувствительного элемента под .действием центробежных сил грузов, сил пружина и"сия сопротивления и два уравнения связей, а последнего - семь уравнений. Ниже приводится математическая модель регулятора Д 50.36 сб. двигателя -■■.--6ЧН31.8/33. В диссертации приведены также другие модели регуляторов. .....

Модель включает-следующие уравнения: уравнение движения чувствительного элемента

-)#-S„(Ps -pi)-F ,

(36)

уравнение: движения поршня буфера

, <37)

уравнение движения поршня сервомотора

* (38)

"уравнения неразрывности для .правой полости буфера при в -с 2, __

# -ая*''

при г > н___._

# - А * - ^(РгРо)-^ Н**Щ(А -р>) -

уравнения неразрывности для левой полости буфера

при г < 2,

о1к с ¿г,

(ад)

яри г

Ч, л, +

.. ^«.(р'з-р»)-^ , (ад')

уравнение перемещения рейки ТНВД уравнение связи о) и сдр

(41)

Й данной системе нелинейных уравнений неизвестными явля-

ются ,26,Х ,крг ■ , р[ , рЧ . С0р - перемещения муфты золотника,поршней буфера и сервомотора, рейки ТНВД, давления в левой и правой полостях буфера, угловая частота грузов чувствительного элемента, а остальные величины представляют собой, конструктивные параметры регулятора. .-.-..

Регулирование двигателей методом отключения части цилиндров является весьма перспективным. Он обеспечивает существенное снижение расхода топлива и улучшение работы топливной аппаратуры в эксплуатации. Поэтому все двигатели, на которых выполнялась .экспериментальная'часть работы, были оборудованы такой системой регулирования.

Система включает механизмы отключения подачи топлива я газообмена отключаемых цилиндров и управляющее устройство. Поскольку конструктивное исполнение этих механизмов и устройств, на исследуемых двигателях несколько разное, то в дио-оертации-приведены математические модели всех..Ниже излагаются модели разработанных с участием автора механизмов отключения топлива и газообмена тепловозного двигателя 6ЧН31,8/33.

Система регулирования работает следующим образом. При переводе рукоятки контроллера машиниста 3 (рис.2) на о-ю, 1-ю или 2-ю позиции бортовое напряжение 75 в подается на катушку электропневматического вентиля и воздух из тормозной системы тепловоза поступает в полости пневмоцилиндров7,

порщни которых перемещают рейки 6 соответствующих секций 5 ТНВД на нулевую подачу. Одновременно бортовое напряжение подается на катушку электрогидравлического вентиля 10, который прекращает подачу масла в полости гидротолкателей 12. При этом •масло из полостей выдавливается через специальные сбросные клапаны, и при вращении распредвала 14. цилиндр гидротолкателя может перемещаться относительно его поршня, не приводя в движение газораспределительные клапаны 15. Последние остаются в закрытом положении. При переводе рукоятки контроллера на 3-ю позицию й выше (всего б) прекращается подача воздуха в полости пневмоцилиндров 7." При этом рейки б отключаемых секций 5 возвращаются на подачу топлива. Одновременно открывается вентиль 10, и масло из масляной системы двигателя через обратные клапаны 13 заполняет полости гидротолкателей 12,"При этом обеспечивается привод-тазораспределительных'клапанов 15 от распредвала 14 .подобный широко распространенной системе с

гидротолкателями. .......

• Поскольку конструктивное исполнение механизма отключения подачи топлива аналогично исполнению системы дистанционного управления регулятором частоты вращения, то'а математической модели этого механизма используются те же уравнения (28)..;

(34), только численные значения величин конструктивных параметров другие. Положение реек отключаемых секций ТНВД определяется из. уравнений:

К^ при \ (43)

. К - Цг,; . : ш

где ¡1р е ■ - положение рейки ТНВД в момент отключения цилинд-г ров (определяется-в результате расчета регулятора).

Математическая модель механизма отключения газообмена включает уравнение (28) и уравнения, аналогичные выражениям (29), (30) и (31), но для электрогидравлического вентиля, а также следующие:

уравнение расхода масла через электрогидравдический вентиль

' Д , (45)

уравнение материального баланса масляного коллектора

уравнение расхода масла через обратный шариковый клапан

уравнение движения шарика и проходного сечения, открываемого им, ^

Пш (Р" (4в)

« ' , - ■ сад)

уравнение объемного баланса для полости гидротолкателя + = и х w о

dr кргг cFc . ~ ргт /haa.J*as.W3as.JJf/l. ,

(50)

скорость воздуха в зазоре между поршнем я цилиндром гидротод-кателя (вид уравнения зависит от величины отношения )

уравнения- для объема воздуха в полости гидротолкателя

dv'rT~d\lr,-d\l„ (52)

уравнение текущего объема полости гидротолкателя

^т = 5ггХгг , *

уравнение перемещения толкателя

/rr=f(V) , (55)

(эта зависимость для каждого двигателя известна), уравнение для определения текущего значения эффективного сечения газораспределительного клапана

где fitf?"* зависимость, известная для каждого

двигателя;

Р'г fir - значение величины Jl^fo в момент времени T£ ' (при когда наступает равенство Игг — О .

Расчет крг} , kP 2_г / и f,tj по приведенным моделям производится только в переходных процессах, происходящих при переключении числа работающих цилиндров.

Не останавливаясь подробно на описании процессов, происходящих в электрической системе нагружения тепловозного двигателя 6ЧНЭ1.8/ЭЗ, можно привести лишь окончательное выражение для момента сопротивления, создаваемого ею:

с< . dTtemfi.(x) iT с3(а.'а+а.',п.д+а'гп*) <

пл~Сг dr I Ct + CstlA + Cenl + C7n3A tl(t) '

где Cf...c7 , a'g...a'z - постоянные коэффициенты, -

зависящие от конструктивных параметров системы. ........

При расчете переходных процессов данное выражение исполь-зуется'и уравнении (з).

Приведенный в главе-анализ методов"снижения расхода^тогь ливана вспомогательных"режимах показал, что наиболее эффективным является метод отключения части цилиндров. Из предлагаемых его модификаций наибольшая экономия обеспечивается при отклй-" ченми части цилиндров путем прекращения подачи топлива и газообмена в них для 4-х тактных ДВС. Снижение расхода топлива на режимах холостого хода и малых нагрузок при этом происходит" за счет повышения индикаторного к.п.д. работающих цилиндров, отсутствия насосных потерь и уменьшения потерь на трение поршня неработающих цилиндров. Оно достигает 25...33% на режиме, холостого хода я в среднем 10$ % от Ре„а».'

К достоинствам метода следует отнести и то, что он открывает практические перспективу реализации таких методов повышения экономичности как снижение минимальной частоты вращения коленвала и выравнивание мощностей цилиндров, а также улучшает работу топливной аппаратуры, уменьшая закоксовывание распылителей форсунок, что тоже сказывается на повышении экономичности двигателя уже на всех режимах. В работе показано, что такое сочетание методов позволяет снизить расход топлива на холостом ходу на 40...

Этим объясняется столь повышенный интерес к данному методу, о чем свидетельствуют появившиеся в последние годы публикации на эту тему. Однако практического внедрения он еще не надел. Восполнение пробела в теоретических и методических

разработках по проектированию и расчету систем регулирования двигателей откяючег :ем цилиндров, а также рабочего процесса двигателей с такими системами будет способствовать ускорению их внедрения в производство.

В диссертации приведены методологические основы проектирования систем регулирования отключением цилиндров и требования к ним. Они получены на основании обобщения опыта кафедры "■"чдотехники и тепловых двигателей ХИИТа, которая в течение многих лет ведет исследования этих систем при непосредственном участил" автора.

..... Требования к системам отключения части цилиндров можно

рассматривать и как функции, которые она должна выполнять, и как свойства, которыми она должна обязательно обладать, чтобы быть работоспособной. Требования разработаны автором совместно с проф, Симеоном А.Э. и к.т.н. Линником A.B. и сформулированы следующим образом.

Система-должна обеспечить:

1) автоматическое отключение подачи топлива в неработающие цилиндры;" ..........................

2) автоматическое отключение газообмена в неработающих цилиндрах-;.

3) автоматическое переключение числа работающих цилиндров при перехода в зоны эффективной работы;

4) постоянство частоты вращения коленчатого вала при переключении числа работающих цилиндров;

5) согласование расходных .характеристик двигателя и систем турбонаддува при работе на всех и части цилиндре-з.

Они применимы для 4-х тактных двигателей с турбонгддувом. Для 2-х тайтных и безнаддувных ДВС часть (пункт 2 и 5) itä них опускается.

Реализация указанных требований (функций или свойств) осуществляется о помощью отдельных механизмов и устройотв, совокупность которых образуют систему регулирования отключением части цилиндров.

Приведенные в работе методологические основы проектирования этих систем изложены в виде рекомендаций', -указывающих на свойства и функции, которыми должны облада.ъ и выполнять отдельные механизмы, и правил или технических-приемов, позволяющих обеспечить эти свойства и выполнить эти функции. Методологические основы не ориентированы на какое-либо конкретное конструктивное исполнение механизмов и устройств системы от-

ключения за исключением механизма отключения газообмена» В работе показано, что для этого механизма наиболее перспективным является гидравлическое исполнение с использованием гидроголкател'я. Вопросы проектирования таких механизмов освещены подробнее. • Характер и качество переходных процессов двигателей с системой регулирования отключением части цилиндров во многом зависит от динамических свойств самой системы регулирования; При этом наиболее важным показателем является время переходного процесса (регулирования"). Поэтому'вопросу быстродейст- ~ вия механизмов системы уделено достаточное внимание в'методологических основах, а приведенные математические модели позволяют вести их направленное проектирование, оперативнр проверяя влияние того или иного конструктивного параметра на время срабатывания по кривым разгона этих механизмов без привязки к двигателю. ■ - ......... .......

- В этом же разделе показано, что наличие на двигателе системы отключения цилиндров влияет на конструкции некоторых механизмов самого двигателя и его системы наддува. -

Конец главы .посвящен синтезу объединенной математической модели рабочего цикла 4-х тактного двигателя с турбонаддувом. Блок-схема такой модели приведена на рис.3. Объединенная модель включает модели рабочего цикла собственно двигателя, ~ системы дистанционного управления регулятором частоты вращения, регулятора частоты вращения коленчатого вала, системы отключения части цилиндров (если таковая имеется) и системы нагружения. Если модель собственно двигателя позволяет моделировать только установившиеся и переходные процессы, то объединенная - работу двигателя по эксплуатационным циклам. Объясняется это тем, что в эксплуатационных циклах двигателей, в частности работающих по определенным характеристикам" (винтовым, тепловозным, генераторным, регуляторным и др,), приведены не режимы работы, а положение рычага управления двигателем во времени с указанием моментов смены этого положения. Поэтому, если интервал времени между двумя сменами положения рычага управления оказывается меньше времени переходного процесса, то заданный режим работы двигателя не устанавливается. Объединенная модель воспроизводит эти ситуации. В результате моделирования работы двигателя по эксплуатационным циклам определяется среднеэксплуатационный удельный расход топлива.

Объединенная математическая модель, как и модель рабочего цикла собственно двигателя, имеет блочную структурук' что позволяет в зависимости от целей и объекта исследований менять или упразднять отдельные блоки. /

В третьей главе приведены примеры решения практических задач на основе теоретических и методологических разработок,-изложенных-в первых двух главах-работы. При этом в зависимости от целей и объекта исследований использовались как отдельные методики, так и объединенная математическая модель 4-х тактного двигателя. Все расчетные исследования выполнялись с

помощью ЭВМ. ' ■" ........

■Регулирование двигателей 4ЧН12/14. 6ЧН13/Н.5, 12ЧН14/14 и 6ЧН31.8/33 отключением части цилиндров. Указанные двигатели относятся к транспортному классу. Это предопределило-применение на них системы отключения части цилиндров, весьма элективной на режимах ходостого хода и малых нагрузок, столь ха- • ракт.ериых для эксплуатации этих ДВС.

Технической реализации этой системы предшествовало определение величины и пределов эффективности ее применения на эксплуатационных"режимах, включая определение среднеэксплуа-тационн'ого расхода топлива.

. Исследовались модификации двигателей 4ЧН12Л4 и 6ЧН13/11.5, предназначенные для установки на тракторы с механической, и 12ЧН14Д4, 6ЧНЭ1,6/33, предназначенные для установки на маневровые тепловозы с гидравлической и электрической передачами мощности движителю. Для первых двух дв'игатеяей эко- ' плуатационные режимы не характеризуются однозначной зависимостью Ре-$(ПА)> а последние работают по тепловозным характеристикам, представляющим однозначную функции

Все двигатели, снабженные системой отключения половины цилиндров (кроме двигателя 4ЧН12/14), обладают системой импульсного турбонаддува, как неотъемлемым элементом конструкции.- Поэтому отключались цилиндры, объединенные одним выпускным коллектором, а на двигателе 4ЧН12Д4 - поочередно один и два цилиндра. Исследовались два варианта систем отключения цилиндров с прекращением одной лишь подачи топлива и прекращением подачи топлива и газообмена в неработающих цилиндрах.

Было установлено', что отключение одной лишь подачи топлива приводит к увеличению расхода топлива на З...Ю% даже на режимах холостого хода. Это происходит из-за резкого увеличения насосных потерь в неработающих цилиндрах, оказавших-

I 26

ся в компрессорном режиме. При этом индикаторный к.п.д. 'работающих"цилиндров увеличился на 8....10$ за счет улучшения процессов распиливания и смесеобразования увеличенных порций топлива, уменьшения относительных потерь теплоты в систему охлаждения и сокращения периода задержки воспламенения, коэффициент избытка воздуха снизился с ос - 6...7 до сх. =2,7.. .3,5. Однако повышение не может скомпенсировать рост насосных • потерь. Экспериментально было установлено, что отключение одной лишь подачи топлива приводит к уменьшению нагароотложе-ний на распылителях-форсунок и деталях цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Поэтому, несмотря на отрицательный результат по расходу топлива, данный вариант отключения цилиндров мо^ -жет быть рекомендован для использования на двигателях с целью повышения межремонтных пробегов.

Установлено, что отключение половины цилиндров путем прекращения подачи1 то'плива и газообмена (см.рис.4 и 5) обеспечивает снижение расхода топлива на' режимах холостого хода, .на 20...30$. По мере увеличения нагрузки разница в расходах топлива постепенно уменьшается и при мощностях, составляющих О,35...О,4 от мощностей по внешней характеристике, становится равной нулю,- Полученный эффект, как показали теоретические и экспериментальные исследования, обеспечивается во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателей с импульсными сиотемами наддува (см.рис.4 и 5). "

Исследования индикаторного процесса показали, что в работающих цилиндрах увеличивается максимальное давление сгорания рг , интенсифицируется процесс горения топлива, о чем свидетельствуют увеличение скорости тепловыделения и' величины Ximax , уменьшаются период задержки воспламенения и относительные потери теплоты в систему охлаждения. Все это сказывается на увеличении на&...10$ индикаторного к.п.д. Величина насосных потерь практически не изменяется, так как наряду с ростом противодавления рт более резко растет давление наддува р$ . . , '

В неработающих цилиндрах насосные потери отсутствуют,и процесс сжатия происходит при каждом ходе поршня к ВМТ, но давление сжатия из-за утечки воздушного заряда через кольца в картер двигателя уменьшается до 0,25...0,4 Ш1а. При положении" поршня в районе НМТ давление в цилиндре становится меньше атмосферного. J течка основной доли заряда (до 85$) происходит .в течение первых 10...20 с после отключения

газообмена.

Анализ показал, что уназанноа снижение расхода топлива происходит в результате увеличения индикаторного к.п.д. в работающих цилиндрах (б... 10%), отсутствия насосных потерь (10...Ш) и уменьшения потерь на трение поршня в неработающих цилиндрах.

Кроме-остановки клапанов в закрытом состоянии путем разрыва кинематической цепи с кулачком, "исследовались и другие варианты прекращения газообмена. Расчетные и экспериментальные исследования двигателя 6ЧНЭ1.6/33 показали, что прекращение газообмена путем разобщения головки цилиндра от впускных и выпускных патрубков снижает эффект уменьшения расхода топяйва с 20% до 12%. Это происходит из-за затрат энергии на газообмен между полостями цилиндра и головки. Разобщение го-' ловки только со впускным патрубком приводит даже к увеличению расхода топлива на 8% по сравнению'с серийным вариантом и неустойчивой работе турбокомпрессора.

Расчетные исследования, выполненные с помощью объединен-вой модели, показали, что при оснащении указанных двигателей системами отключения половины цилиндров снижение среднеэко-плуатационного удельного расхода топлива достигнет 5...б,%, что безусловно экономически целесообразно.

Проектирование-и доводка систем регулирования двигателей 4ЧН12/Ц, 6ЧН13/П.5, Г2ЧН1У14'и 6ЧН31.3/33 отключением половины цилиндров. . Проектирование и доводка.всех механизмов и их узлов проводились с использованием приведенных ранее моделей и методологических разработок.«По результатам расчетов выбирались определяющие конструктивные параметры (линейные размеры, активные площади пораней, зазоры, жесткости пружин , масса деталей, перестановочные'усилия, проходные сечения каналов и клапанов, давление рабочего тела и др.) деталей и узлов. Основное внимание удеяялось динамическим расчетам, ибо согласованная работа всех механизмов и устройств системы регулирования и характер и длительность переходных процессов в каждом из них во многом определяют характер переходных процессов в двигателе, а также надежность работы как его узлов, так и самого двигателя.

Система регулирования каждого двигателя состоит из механизмов отключения подачи топлива, газообмена и управляющего устройства.

Механизма отключения подачи топлива двигателей

ЩШ.2/1И, бЧНГЗ/11,5 и 12ЧН14/14 выполнены в виде поршневых гидродвигателей., а для 6ЧН31.8/33 - поршневых пневмодвигате-лей. В гидродвигателях рабочим телом является масло из масляной системы двигателя, а в пневмодвигателях - воздух из тормозной системы тепловоза. Отключение подачи топлива осуществляется путем воздействия гидродвигателя на секции топ- . дивных насосов высокого давления (ТНВД). На. двигателе 4ЧН12/14 оно производится, например, путем перевода плунжера секции ТНВД в верхнее положение с помощью гидродвигателя, на двигателе 6ЧН13/11,5 воздействием на дозатор одной секции ТНВД распределительного типа, на двигателе 6ЧНЭ1.8/ЗЭ путем воздействия пневмодвигателей на рейки соответствующих секций ТНВД.

На всех двигателях отключение газообмена осуществляется путем остановки газораспределительных клапанов в закрытом положении с помощью специальных механизмов. На двигателе ЧЧШ2/Ш он выполнен в гидромеханическом исполнении, а на всех остальных - в гидравлическом (принцип гидротолкателя). Рабочим телом везде является масло из масляной системы двигателя.

Управляющее устройство формирует команду на изменение числа работающих цилиндров, когда эксплуатационный режим оказался. на границе, разделяющей зоны эффективной работы на всех и половине цилиндров. Кроме этой основной, оно может выполнять и некоторые другие функции.

На тепловозных двигателях 12ЧН14/14 и 6ЧН31.3/33 управляющие устройства оказались весьма простыми. Они включают электрические реле, установленные на контроллере машиниста, и гидро- и .пневмоэлектрические вентили. Изменение числа работающих цилиндров на двигателе 12ЧН1г»/14 происходит при повороте рукоятки контроллера машиниста на угол, соответствующий режиму ИА = 1180 мин"1 и Ре = 130 кВт, а на двигателе 6ЧНЭ1,8/Э3 - режиму Яд= 300 мин"1 и Ре= 107 кВт (2-я позиция контроллер^. •

Управляющие устройства двигателей ¥Ш2/14 и 6ЧН13/П,5 включают датчик режима, алектрогидравлические вентили, корректирующие и ^нтипомпажные устройства.

В диссертации приведены схемы и подробное описание всех механизмов и устройств.

. Расчетное исследование по кривым разгона показало, что переходные- процессы во всех механизмах прекращения подачи

топлива протекает значительно (в де.сятни раз) быстрее, чем в механизмах прекращения газообмена. Время срабатывания при включении и выключении подачи топлива составляет десятые доли секунды, а для механизмов отключения газообмена оно достигает от нескольких десятых долей до нескольких секунд. Поэтому в схемы механизмов отключения топлива введены дроссе- -ли, обеспечивающие задержку включения подачи топлива на О,5...2 с. ......

Время включения (выключения) газораспределительных клапанов в работу определяется временем заполнения (опоражнивания) полостей гидротолнателей маслом. Заполнение (опоражнивание) происходит за несколько оборотов распределительного вала. При незаполненной полости наблюдается неполный подъем клапана. В "этом случае-посадка клапана на седло осуществляется со скоростями, несколько превышающими допустимые. Для сокращения времени на-удаление масла из полостей гидротолкателей двигателя 6ЧНЭ1.8/33 каждый, из них был оборудован специальным опоражнивающим клапаном.

В результате расчетных исследований с варьированием многими конструктивными параметрами (проходные сечения масляных каналов и шариковых клапанов, массы шариковых клапанов, объем полости гидротолкателя, диаметральный зазор между плунжером и гильзой, давление масла и др.) были разработаны приемлемые конструктивные решения, которые были затем реализованы в металле.

Математические модели использовались также при выборе жесткости пружин гидротолкателей, проектировании предохранительных и опоражнивающих клапанов гидротолкателей, а также при разработке конструктивных решений, обеспечивающих отсутствие (или удаление) воздуха в полостях гидротолкателей.

Управляющие устройства двигателей 4ЧНГ2Д4 и 6ЧН13/П,5 оказались сложнее, чем такие устройства на двигателях 12ЧН14/14 и 6ЧНЭ1.8/33, и выполняют больше функций. Для автоматического изменения числа, работающих цилиндров в них' используется датчик режима, состоящий из датчика нагрузки и датчика частоты вращения коленчатого вала. На двигателе ■ 6ЧН1Э/11,5 он обеспечивает'переключение числа работающих цилиндров по линии АВ,'разделяющей зоны экономичной работы на трех и шести цилиндрах (см.рис.б).

Корректирующее устройство устанавливается на рычаге управления регулятором частоты вращения коленчатого вала и

устраняет резкое изменение частоты вращения при переходе с шести цилиндров^ на три и наоборот (см.рис.6 и 7). Расчет корректора осуществлялся о помощью специально разработанной 'подпрограммы, .

При выходе на максимально допустимую мощность двигателей 4ЧК12/14 и 6ЧН13/11,5 при работе на половине цилиндров и частотах вращения, близких к номинальной, наблюдается неустойчивая работа компрессора (помпаж). Это вызвано резким уменьшением подачи воздуха компрессором. Для устранения пом-■ пажа используется антипомпажный клапан. Он искусственно увеличивает расход воздуха через компрессор. Для двигателей с импульсной системой наддува увеличение расхода воздуха осу. ществляется путем перепуска части воздуха из впускного ресивера в выпускной коллектор отключенного ряда цилиндров. Величина проходного сечения клапана и количество перепускаемого воздуха определялись расчетным путем. .....

Все разработанные системы регулирования отключением половины цилиндров отвечают требованиям, изложенным во второй главе.

Качество переходных процессов, возникающих при изменении числа работающих цилиндров, зависят не только от динамических свойств системы отключения, но и от размерности и быстроходности самого двигателя. Наибольший практический интерес представляет характер и время изменения частоты вращения коленчатого вала. Именно это во многом является одним из критериев практической пригодности системы, конеч.ю, если обеспечены надежность и экономическая целесообразность.

Благодаря применению корректирующего устройства на двигателе 6ЧН13/Н,5 удалось не только существенно уменьшить (в 5. ..15 раз в зависимости от.скоростного режима) изменение частоты вращения коленчатого вала ЯА в периоды переключения числа работающих цилиндров, но и в 5...10 раз сократить время'переходного процесса по пд (см.рис.7).

В период опытной эксплуатации трактора Т150К было обнаружено, что иногда при движении с малозагруженным или порожним приг^поы наблюдаются режимы с непрерывным переключением числа работающих цилиндров с шести на три и наоборот. Анализ показал, что такое явление происходит, если режим работы дви~ гател.. случайно' некоторое время удерживается на уровне, попадающем на линию АВ (ом.рис.б). Поэтому при малейшем изменении нагрузки в ту иди иную сторону датчик режима формирует

команду на.изменение числа работающих цилиндров. Для устранения такого явления в датчик режима была искусственно введена зона нечувствительности.

Для улучшения пусновых качеств опытного двигателя 6ЧН13/11.5, особенно при пониженных температурах окружающей среды, было разработано устройство, обеспечивающее запуск на всех шести цилиндрах', а затем переход на три при .работе на холостом ходу. ""

Особенностью конструкции. V -образного двигателя 12ЧН 14/14 является наличие двух турбокомпрессоров, каждый из которых работает на свой ряд цилиндров. Такое конструктивное решение наиболее целесообразно для регулирования отключением половины цилиндров (одного ряда), поскольку двигатель можно рассматривать как два со своими системами наддува, но работающими на общий коленчатый вал. Однако переходные процессы, особенно при включении всех цилиндров, протекают в неблагоприятных условиях. Это вызвано тем, что разгон второго турбокомпрессора начинается в этом случае при неподвижном роторе. В результате наблюдается растягивание переходного процесса.

Для устранения таких явлений были разработаны два мероприятия. Первое заключается в том, что часть отработавших газов из выпускного коллектора работающего ряда цилиндров подводится к турбине отключенного ряда,' приводя в движение ее ротор. Второе состоит в том, что цилиндры отключенного ряда при включении в работу подпитываются воздухом от компрессора работающего ряда цилиндров. В этом случае, ка.к показали и о» следования, время переходного' процесса двигателя сокращается с 3,5 с до 2,5 с (см.рис.8), а время разгона турбокомпрессора с 30 с до 15 с.

Двигатели 6ЧН31,8/33 оборудованы астатическими регуляторами частоты вращения,коленчатого вала. Поэтому в отличие от двигателей 6ЧН13,И»5 при переключении числа работающих цилиндров с трех на шесть и наоборот при одном скоростном режиме (на 1-й и 2-й позициях контроллера машиниста ГС. =300мин"*) изменения пд практически не наблюдается. Расчетные кривые, а также экспериментальные осциллограммы движения газораспределительных клапанов показали, что если опоражнивание полости гидротолкателя происходит за один оборот, то заполняется она за четыре оборота распредвала. Это свидетельствует о достаточно высоком быстродействии механизма отключения кла-

/ 32

панов. '

Эксплуатация тракторного 6ЧН 13/11,5 (трактор типа TI50K) ;и. тепловозного 6ЧН 31,8/33 (маневровый тепловоз серии ТЭМ2У). ' вариантов двигателей, оборудованных системами отключения трех цилиндров, подтвердила ожидаемый расчетный эффект. Для обоих типов двигателей экономия топлива в эксплуатации составила 6,..б,55$.

Улучшение переходных процессов тепловозного двигателя 64Н 31.6/33. Из всех видов маневровых работ, выполняемых локомотивами на станциях, сортировочные следует отнести к'основному виду. Для этих работ переходные режимы во многом определяют не только эксплуатационный расход топлива (25... 40$), но главное - производительность тепловоза. Это объясняется тем, что выполнение сортировочных работ одиночными и групповыми толчками является наиболее прогрессивным способом. Для осуществлении толчков необходимо, чтобы время разгона силовой установки тепловоза било как можно меньше.

Тепловозный двигатель 6ЧН 31,8/33 (заводская марка ПДГШ) в серийном варианте имеет на номинальном режиме еле-, дующие показатели: Ре=. 882 кВт (1200 л.е.), дд= 750 мин*1 и § = г/(кВт*ч). По технико-экономическим показате-

лям, включая массо-габаритные, он уступает мировым образцам такого же класса. В то же время он отличается простотой обслуживания и ремонта, надежностью, долговечностью и безотказностью в эксплуатации. Поэтому в начале 80-х годов руно- . водство ПО "Пенздизаяьмащ" приняло решение о проведении совместно о кафедрой "Теплотехника и теплозые двигатели" ХИИТа ОКР и КИР, направленных на повышение технико-экономического уровня двигателя 6ЧН 31,8/33.

На первом этапе работ за счет комплекса конструктивных мероприятий (впускной и выпускной коллекторы с улучшенной аэродинамикой, камера сгорания типа уплощенный Гессельман, тангенциальный профиль топливного кулачка, перекрытие фаз 132° п.к.в, вместо п.к,в.) была повышена номинальная мощность до Ре =.ПОЗ кВт (1500 л.с.) и одновременно уменьшен уй-ельный Эффективный расход топлива до $ ^ 218 г/(кВт°ч). Несмотря на повышение мощности на 25^, время разгона двигателя от ПА" 300 мин-1 до /1 •= 750 мин"1 и Р& - ПОЗ кВт сократилось с 14,5...15 с до 13...14 с. При этом средняя скорость .приема нагрузки увеличилась с 86 кВт/с до 115 г.Зг/ч.

На втором этапе работ были внесены дополнительные конструктивные изменения (уменьшены.затраты мощности на привод масляного и водяных насосов, новая топливная аппаратура), что позволило на номинальном режиме ( Пл- 750 мин""1",- Ре = = 1103 кВт) уменьшить расход топлива до ё = 194...197 г/(КВт.^. Время выхода на номинальный режим при набросе нагрузки уменьшилось на 4 с по сравнению с предыдущим вариантом (с 13... 14 с до 9...10 с).

На основании анализа литературных и патентных источников для исследования были выбраны следующие методы сокраще-" ния времени переходных процессов: введение искусственной задержки. нагружения в период разгона двигателя, отключение коьа-прессора в первоначальный период разгона и уменьшение сечения соплового-аппарата турбины в начале разгона двигателя. Критерием такого выбора явилась относительная простота технической реализации данных способов.

Исследования выполнялись расчетно-экспериментальным методом с использованием как математической модели рабочего процесса, так и натурного образца двигателя 6ЧНЗХ,8/33,' установленного на испытательном стенде ПО "Пенздизельмаш".

В процессе исследований было установлено, что расчетные и экспериментальные кривые разгона имеют небольшие различия, особенно в начальный период разгона. Анализ показал, что данное несоответствие вызвано тем, что в математической модели нагрузочное устройство представлено в виде, безынерционного, (усилительного) звена. В действительности электрическое нагрузочное устройство, тепловоза (стенда) имеет более сложную передаточную функцию.

Совместно с аспирантом Касьяновым В.А. разработана математическая модель нагрузочного устройства тепловоза ТЭМ2. Доказано, что после некоторых упрощений выражение для момента сопротивления, создаваемого генератором, имеет вид уравнения (57). В этом' уравнении коэффициент — представляет

собой постоянную времени системы Т . Используя данное уравнение в математической модели рабочего процесса, можно производить расчетное -исследование режимов разгона двигателя с различными задержками нагружения.

В результате расчетных исследований процессов разгона при набросе полной и частичных нагрузок, выполненных с помощью описанной модели для работы двигателя по эксплуата-

: 34

ционному циклу, било выбрано оптимальное значение величины ; Тс- 0,6 с. П.ри Гс= 0,6 о время разгона двигателя 6ЧН /31,8/33 сокращается с 9 с до 6 с, а удельный расход топлива при работе по эксплуатационному циклу уменьшается на 1.9...2*. '

Экспериментальные исследования двигателя 6ЧН31,8/33, выполненные на стенде ПО "Йенздизельмаш", оборудованном установкой "Сура-2", позволяющей имитировать эксплуатационные циклы, подтвердили результаты расчетных исследований.

Для реализации полученной задержки нагруженяя были разработаны электрическая и принципиальная схемы, в которых функцию задерживающего звена выполняет электродвигатель постоянного тока, введенный в схему системы нагружения тепловоза.

Для отключения компрессора в первоначальный период разгона двигателя была разработана специальная схема.'

.Расчетно-экспериментальные исследования показали, что . такая система обеспечивает сокращение времени переходных процессов при полном и частичных набросах нагрузки на 16% и 2...Это происходит из-за увеличения скорости разгона ротора турбокомпрессора при отсутствии сопротивления,со стороны компрессора. Для применения такой система на тепловозных двигателях необходимо специальное устройство, производящее включение этой системы только при разгонах с режима холостого хода.

На двигателе 6ЧН31.8/33 исследовался вариант регулирования турбины путем уменьшения проходного сечения заширмле- . нием части каждого сегмента соплового аппарата. Исследования показали, что из-за уменьшения к.п.д. турбины такой - способ регулирования не приемлем для турбин с парциальным подводом газа.

JB настоящее время автором совместно с асп.Шаройко H.A. ведутся исследования по выбору оптимальных фаз газораспределения и углов опережения впрыскивания топлива двигателя 6ЧН31,8/33. Исследования проводятся с применением указанных методик расчета ДВС. В качестве критерия используется сред-[^эксплуатационный расход топлива.

Не останавливаясь на результатах, 'следует отметить,что фазы газораспределения, выбранные при работе двигателя на установившихся режимах, не оказались оптимальными при работе по эксплуатационному циклу.

35 , :

.••-•■ влияние'типа системы газотурбинного наддува (ГТН) lia среднеэксплуатационный расход топлива транспортных двигателей. Согласно установившейся терминологии системы ГТН классифицируются на изобарные, о преобразователями импульсов и импульсные. Исследованию их'свойств, проектированию и доводке посвящено большое количество работ. /

Проведенные на кафедре "Теплотехника и тепловые; двигатели" ХИИТа под руководством проф. Симеона А.Э. работы по выбору и настройке систем ГТ" для семейства двигателей Д50, ДЮО, Д49, Д70, Д80, КамАЗ, СМД и др. в качестве критерия оптимальности использовали средний расход топлива на сово-• купности установившихся режимов или по эксплуатационным гистограммам. Влияние типа системы ГТН на переходные процессы определялось экспериментальным путем.

В настоящей работе решалась задача выбора с помощью описанной модели системы наддува, обеспечивающей меньший среднеэксплуатационный расход топлива при работе по эксплуатационному циклу с учетом переходных процессов.

■ Для сравнительных исследований были выбраны два двигателя: тракторный 6ЧН13/П,5 о изобарной и импульсной системами наддува и тепловозный 8ЧН26/26 с изобарной системой и с преобразователями импульсов.

Расчетные исследования показали, что замена изобарной системы ГТН двигателя 6ЧН13/11,5 импульсной сопровождается уменьшением S на 2....2,5$, а замена изобарной системы двигателя 8ЧН26/26 системой с преобразователями импульсов -на 1,5.. .2%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I. Разработана объединенная математическая модель рабочего процесса 4-х тактного двигателя, позволяющая моделировать его работу по эксплуатационным циклам. Она включает модель рабочего процесса собственно двигателя при работе на переходных и установившихся режимах .и модели систем, обеспечивающих изменение режимов работы двигателей в эксплуатации. Объединенная модель пригодна для 4-х таятных двигателей любой размерности,, с любым количеством и порядком работы цилиндров, любыми системами турбонаддува, нагружения и регулирования, включая регулирование отключением части цилиндров при работе по любым эксплуатационным циклам.

В результате моделирования определяются выходные

/ 36

'показатели двигателя, включая среднеэксплуатационний удель- 1 ный расход топлива ёср 3 .

2. Объединенная модель позволяет оценить влияние ряда 'конструктивных и регулировочных параметров двигателей и их систем на среднеэксплуатационний удельный расход топлива. Следовательно, модель может быть использована в качестве ин~ . струмента, с помощью которого возможно вести направленные проектирование и доводку новых, а также совершенствование на-г ходящихся в производстве двигателей в непосредственной увязке ■ с условиями их эксплуатации.

3. Разработаны единая методика, алгоритм и программа расчета рабочего процесса 4-х тактных двигателей при работе на переходных и установившихся режимах, рассматриваемых как частный случай переходных. Методика основана на уравнениях движения коленчатого вала и связанных с ним деталей и узлов двигателя и на уравнениях, описывающих изменение состояния рабочего тела в полостях и системах двигателя термодинамическим методом. Обеспечивается одинаковая, информативность при расчете обоих видов режимов.

4. Разработаны математические модели систем, с помощью которых осуществляется изменение режимов работы двигателей в эксплуатации. К ним относятся следующие системы: дистанционного управления, регулирования, включая регулирование отключением- части цилиндров, и нагружения. Все модели являются динамическими и входят составными частями в объединенную модель двигателя, но могут использоваться и самостоятельно для отработки конструкций этих систем или их отдельных механизмов и устройств.

5. Разработаны методологические основы проектирования систем регулирования двигателей отключением .части цилиндров и сформулированы требования к ним. Они обеспечивают проведение направленного проектирования этих систем и учета их влияния на конструкцию самих двигателей и систем наддува.

6. -В результате выполненных расчетНо-эксперименсальных исследований доказано, что для 4-х тактных двигателей 4ЧН 12/14,. 6ЧН13/И.5, 12ЧН14Д4 и 6ЧНЭ1.8/ЭЗ отключение части цилиндров путем прекращения-подачи топлива и газообмена в них является наиболее эффективным вариантом данного метода регулирования.. Он обеспечивает снижение расхода.,стоплива на режимах холостого хода на 20...30% и на режимах частичных нагрузок в-среднем на 10$. С учетом условий эксплуатации ука-

данных двигателей это позволяет уменьшить среднеэксплуата-ционный удельный расход топлива на 5...6,5$.

7. Созданы системы регулирования отключением половины цилиндров указанных двигателей. Применение разработанных методов расчета механизмов этих систем позволило существенно сократить время их доводки и обеспечить продолжительность переходных процессов, возникающих при изменении числа работающих цилиндров до 2 с. Эксплуатация тракторного 6ЧН13/П.5 и тепловозного 6ЧН31,8/33 варынтов двигателей с системами отключения половины цилиндров подтвердила, что снижение расхода топлива составляет 5...6%.

8. Доказано, что даже при форсировании двигателя 6ЧНЗГ,8/33 по среднему эффективному давлению на 25^ (с Ре = = 882 кВт до ' Р * ПОЗ кВт) за- счет применения ряда'конструктивных мероприятий (топливная аппаратура, камера сгорания, система воздухоснабжения, привод водяного и масляного насосов и др.) удается не только снизить удельный расход топлива на 12% (с £ =224 г/СкВт.ч) до ё = 194...197 г/СкВт.ч), но и сократить продолжительность переходного процесса'при набросе полной нагрузки на 30^ (с 13...14 с до 9...10 с).

9. Установлено, что введение задержки нагружения двигателя 6ЧНЭГ.8/33 путем искусственного увеличения постоянной . времени нагрузочного устройства до 7С = 0,6 с обеспечивает сокращение времени разгона двигателя при набросе полной нагрузки на 30$ (с 9 ...10 -с до 6 с). . •

При работе по эксплуатационным циклам такое мероприятие обеспечивает снижение среднеэксплуатационного расхода топлива на 1,9...2%.-.

10. Установлено, что регулирование системы турбонаддува двигателя 6ЧН31,8/33 путем отключения компрессора в начальный период разгона обеспечивает снижение времени разгона при набросе полной и частичных нагрузок на 1б;а и 2...б % соотве!^ ственно.

11. Расчетные исследования, выполненные с помощь» объединенной математической модели рабочего процесса 4-х.тактных двигателей, показали, что применение импульсной системы ГТН вместо изобарной на тракторном двигателе 6ЧН13/П,5 обеспечивает снижение среднеэксплуатационного расхода топлива на 2...2,5$, а системы с преобразователями импульсов вместо изобарной на тепловозном двигателе 8ЧН26/26 - на 1,5...2^.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. ЕрощенксГв O.A. О рабочем процессе тепловозного дизеля 2Д100 в области малых нагрузок и пониженных оборотов холостого хода,- Тезисы докл. первой научно-техн. конф. асп. и соискателей института, ХИИТ, Харьков, 1965, с.23.

2. Чиркин А.П., Ерощенков С.А. Особенности рабочего про-' цесса тепловозного двигателя 2Д100 при работе на пониженных оборотах коленчатого вала при холостом ходе и малых нагрузках.- Труды ХИИТа, вып.51.- М.: Транспорт, 1966, C.3...6.

3. Ерощенков С.А, Результаты экспериментальных исследований режима холостого хода тепловозного дизеля 2Д100. -Тезисы докл. второй научно-техн.конф. асп. и соискателей института, ХИИТ,- Харьков, 1967, с.70.

Ерощенков С.А. Методика выбора оптимальных оборотов дизеля. Е. "Электрическая и тепловозная тяга", Ä 12.- М.: Транспорт, 19 58, с.39. •

5. Симеон А.Э., Руднев Е.А., Шевчук В.Д., Ерощенков С.А. и др. Пути повышения технико-экономической эффективности эксплуатации тепловозов ТЭЗ и ТЭ10. Ж. "Электрическая и тепло--возная тяга", № 12.- М.: Транспорт, 1971, С.3...6.

6. Симеон А.Э., Хомич А.З., Ерощенков С.А. Повышение экономичности дизеля тепловоза ТЭЗ.- Труды ХИИТа, вып.120.-М.: Транспорт, 1972, C.I7...2I«

7. Симеон А.Э., Ерощенков С.А., Линник A.B. К вопросу о регулировании дизелей отключением цилиндров.- В кн.: Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания. - Тез. докл. Все-союзн. научно-техн. конф., Москва, 1982, с.58.

8. Хомич А.З., Симбон А.Э., Ерощенков С.А. и др. Способ запуска двигателей внутреннего сгорания. -А.с.№ 896249 (СССР). Опубл. в Б.И., 1982, MI.

9. Хомич А.3., Симеон А.Э., Соболь В.М., Ерощенков С.А. и др.-Способ'запуска дизелей.- A.c. № 918491 (СССР).-Опубл. в Б.И., 1982, № 13. •

• 10. Ерощенков С.А., Линник A.B., Рябикин А.Г. Устройство длл управления дизелем.- A.c. № 966263 (СССР). Опубл. в Б.И., 1982, U 38.

II. Симеон А.Э., Ерощенков С.А., .Линник A.B. Двухимлульс-ный регулятор для двигателя внутреннего сгорания.- A.c.' # 973694 (СССР). Опубл. в Б.Й., 1982, № 42.

12. Симеон А.Э., Ерощенков С;А., Линник A.B. Привод дозаторов топливного насоса.-А.с. № 987149 (СССР), Опубл.в Б.И.

1983, Ä I.

. 13. Симеон А.Э., Ерощеннов O.A., Линнин A.B. Автоматизация процесса отключения цилиндров транспортного дизеля 6ЧН 13/11,5 (СЫД-62). - В кн.: Современный уровень и пути совершенствования экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания. - Тез. докл. Всес. научно-техн. . конф., Ворошиловград, 1983, ч.1, с.. 5...6.

14. Розенблит Г.Б., Ерощенков С,А., Касьянов A.B. и др. Повышение топливной эксплуатационной экономичности при форсировании дизеля 6ЧНЭ1,8/ЗЭ для мощного маневрового тепловоза.- В кн.: Современный уровень и пути совершенствования экономических и экологических показателей двигателей внутреннего- сгорания. - Тез. докл. Всес. научно-техн. конф,, Ворошиловград, 1983, ч.П, с.130...131.

15. Симеон А.Э., Ерощенков С.А., Безнос 0.П. Некоторые результаты исследования переходных • процессов дизелей маневро-. вых тепловозов.- В кн.: Современный уровень и пути совершенствования экономических я экологических показателей двигателей внутреннего сгорания. - Тез, докл. Всесоюзн.научно-техн. конф., Ворошиловград, 1983, ч.П, с.177.

16.' Ерощенков С.А., Линнин A.B., Рябикин А.Г. Двигатель внутреннего сгорания.- A.c. ,4 1068607 (СССР). Опубл. в Б.И. ,

1984, Я 3. •

17. Симеон А.Э., Розенблит Г.Б., Ерощенков С.А. и др. Регулятор- прямого действия двигателя внутреннего сгорания.-A.c. Л III092I (СССР). Опубл. в Б.И.,1984, JE 32.

18. Линник A.B., Гильман Л.С., Ерощенков С.А. и др. Система управления двигателя внутреннего сгорания транспортного средства.- A.c. JS II82I87 (СССР). Опубл. в Б.И., 1985, й 36. -

19. Симеон А.Э., Розенблит Г.Б., Касьянов .A.B., Ерощенков С.А. и др. Привод■управления топливным насосом.- A.c.

№ 1183702 (СССР). Опубл* в Б.И., 1985, № 37.

20. Ерощенков С.А., Линник A.B., Сударский В.М., Петров H.H. Повышение экономичности дизеля 6ЧН31.8/33 маневрового тепловоза ТЭМ2. - Вопросы диагностики и совершенствования рабочего процесса транспортных двигателей внутреннего сгорания. - Межвуз. тематический сб., Вып. 180, РИШТ, Ростов-на-Дону, 1985, с.45...49;

21. Ерощенков С.А. Методика расчета показателей 4-х такт-ных двигателей при регулировании числом работающих цилиндров.-Деп. в ЩШТЭПтяжмаш, № 1479 тм-С5 Деп. Опубл. в Б.У. ВИНИТИ.

-Деп. научн. работы, JS 10 (168), 1985, с.144.

22. Ерощенков С.А., Петросянц В.А.-, Кадневски'й В.Е. Выбор проходного сечения соплового аппарата турбины TKP-IIC для дизеля 64HI3/II,5 с отключением цилиндров. - Деп. в ЦНИИТЕПтяж-маш, £ 1539-тм. Опубл. в Б.У.ВИНИТИ,'Деп. научн.работы, № I (171), 1986, с.155.

■ 23. Ерощенков O.A. Методика расчета регуляторных характе-' ристик транспортных дизелей при отключении цилиндров. - Деп. • в ЦНИИТЭПтяжмаш, & 16Г2-тм. Опубл. в Б.У. ВИНИТИ Деп.научн. работы, № 5 (175), 1986, с 145.

24. Симеон А.Э., Ерощенков С.А., Крушедольский А.Г. Динамика изменения индикаторных показателей тепловозного дизеля при работе на переходных режимах. - Теория и расчет мобильных маиин и двигателей внутреннего сгорания. - Тез. докл. Всес. конф. (октябрь 1985, Телави), Институт механики машин АН ГССР, Тбилиси, 1985, .0,74

25. Ерощенков С.А., Линник A.B., Сударский B.U., Гапон В.В. Система отключения части цилиндров дизелей маневровых тепловозов. - Теория и расчет мобильных машин и двигателей.-Тез. докл. Всес. конф. (октябрь 1985, Телави), Институт механики машин АН ГССР, Тбилиси, 1985, с.75,

26. Ерощенков O.A., Петросянц В.А., Кадневский В.Е., Линник А.В>: Исследования влияния проходного сечения соплового аппарата турбины TKP-IIG на эффективные показатели дизеля 6ЧНЗД1,5. - Теория и расчет мобильных машин и двигателей внутреннего сгорания. - Тез. докл. Всес. конф. (октябрь 1985, Телави), Институт механики машин АН ГССР,Тбилиси,1985, с.77. • .

27. Симеон А.Э., Ерощенков С,А., Синенко П.Н. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. - A.c. № I2099II (СССР). Опубл. в Б.И., 1986, Ü 5.

28. Розенблит Г.Б., Ерощенков С.А., Сударский В.М. и др. Повышение эксплуатационной экономичности маневровых тепловозов ТЭМ2 за счет автоматического регулирования работающих цилиндров. НТО железнодорожного транспорта. - Тез. докл. Всес. ;научно-техн. конф. : Повышение энергетической эффективности тепловозов, Ростов-на-Дону, 1986, с.47.

29. Ерощенков С.А., Безнос Ю.П., Шаповалов М.Э. Двигатель внутреннего сгорания. - A.c. № 1268770 (СССР). Опубл. в Б.И. ,1986. X 41.

30. Ерощенков С.А. Математическая модель регулятора теп-

ловозного дизеля 6ЧН31.8/33. - Повышение топливной экономич- ' ности тепловозных дизелей и теплопотребляющих установок железнодорожного транспорта . Межвуэ. сб. научн. тр., ХИИТ, Харьков, 1986, с.32.

. 31. Ерощенков С.А., Ибрагимов С.Д., Касьянов В.А;., Кравцов В.И. Математическая модель системы нагруженйя двигателя маневрового тепловоза ТЭМ2. - Повышение топливной экономичности тепловозных дизелей и теплопотребляющих установок железнодорожного транспорта. Межзуз. сб. научн.тр.,ХИИТ, Харьков, 1986, с.63.

32. Ерощенков С.А., Хомич А.З., Петров H.H. и др. Некоторые результаты стендовых испытаний тепловозного двигателя 6ЧН 31,8/33 с системой отключения трех цилиндров. - Повышение топливной' экономичности тепловозных дизелей и теплопотребляющих установок железнодорожного трансаорта: Межвуз.сб. научн. тр., ХИИТ. Харьков, 1986, с.19.

33. Линник A.B., Курдюков А.П., Ерощенков С.А. и др. Четырехтактный дизель с газотурбинным наддувом. - A.c.

Л» '1281705 (СССР). Опубл. в Б.И., 1987, Ii I.

34., Симеон А.З., Ерощенков С.А. Оптимизация систем и агрегатов двигателя по минимуму удельного сред неэксплуатационного расхода топлива. - Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на • новых топливах /Под ред. М.Г.Нруглова. - Тез. докл. Всес. научно-техн. конф. МВТУ'им. Н.Э.Баумана. - М.,1987,45...46.

35. Ерощенков O.A., Га^он В.В., Линник A.B. Особенности-переходных процессов переключения числа работающих цилиндров дизеля 12ЧН14Д4 промышленных тепловозов. - Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем.и на новых топливах/ Под ред; М.Г.Круг-лова. - Тез. докл. Всес.научно-техн.конф. МВТУ им.Н.Э.Баумана.- М., 1987, С.120.

36. Ерощенков'С.А., Линник A.B., Кадневский В.Е. Возможные пути расширения диапазона экономичной работы дизеля с отключением цилиндров. - Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего,сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах /.Под ред. М.Г.Нруглова.- Тез. докл. Всес. научно-техн.конф., МВТУ им. Н.Э.Баумана, М. ,1987,с. 120.

37. Симеон А.Э., Ерощенков С.А., Крушедольский А.Г. Математическая модель рабочего процесса комбинированных двигателей внутреннего сгорания. - Перспективы развития комбв-

нированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей.новых схем и на новых* топливах / Под ред. М.Г.Круглова. -. Тез.докл.

• Всес. научно-техн. конф,, МВТУ им. Н,Э.Баумана,м. ,1987,с. 131.

38. Ерощенков С.А., Касьянов В.А., Шаройко H.A. Повышение эксплуатационной экономичности дизеля маневрового тепловоза. - Перспективы развития комбинированных двигателей внут^-реннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах/ Под ред. М.Г.Круглова. - Тез. докл. Всес. научно-техн. конф.,

.МВТУ им. Н.Э.Баумана, М., 1987, с. 144.

39. Линник A.B., Симеон А.Э., Касьянов A.B., Розенблит Г.Б., Ерощенков С.А., Сударский В.М. Механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания с отключение цилиндров.-A.c. й 13430 6 5 (СССР). Опубл. в Б.И., 1987, № 37. .

40. Курдюков А.П., Ерощенков С.А., Пелепейченко В.И. и др. Четырехтактный дизель с газотурбинным наддувом. - .A.c. Ji 1370274 (СССР). Опубл-. в Б.И., 1988 , Ä 4.

41. Ерощенков С.А., Каграманян A.A., Марцун П.И. Исследование топливоподачи газодизеля 6ЧН 31,8/33. Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания. - Тез. докл. Всес. научно-техн. конф. ГКНТ СССР, Кировский сеяьскохоз. институт, Киров, 1988, с.71.

42."Симсон А.Э., Ерощенков С.А. Выбор конструктивных параметров транспортных ДВС по среднеэксплуатационному расходу топлива. - Е. Двигателестроение, 1989, Л I, с.55...58.

Схема двигателя 6ЧН 31,8/33 С отключением трех цилиндров

1 ~ доиеатель; В -генератор; 3-контроллер машиниста ; 4-элентропнеВматичесниц Вентиль ; 5-секция топливного^ насоса ; 6-рейт; 7-пне§моцилиндр\ 8-регулятор; 9-масляный фильтр 10-электрогидраолический Вентиль ; Н-дополнительный маслянШ "коллектор 8-гиЗро/полхатель ; 13 - шарино&ый клапан - Н-расщ делительшй о ал • /¿г- газораспределительный ила пан ; /- Р7 - номер цилиндроо '

Рис.8.

Блок- схема расчета эксплуатационных циклаё аёигателвй и среднеэксплуатационнага расхода тсллиёа

8

111§ § § 15

МИ

Мате матическая модель рабочего процесса дёигателя с турбо-наддуёам

Математическая модель латреёителя

Математическая модель механизма отключения еазаоЗмгна

Математическая модель механизма отключения таплиёа

Математическая модель управляющего устройс/пёа

Математическая модель аеги- -ггчара

Математическая модель топлиёнаго насоса

Рис. ■

Нагрузочные характеристики двигателя 4ЧН 12fib

45 Ре,нВт

ПД = 1500ман'1

51 Ре,нВт n.'isaa мин'1

А

-pabomamm 2Ц '----Зц ;----4-ц

Рис. 4

¡еплаоозная характеристика

Заигателя 12 ЧН

705 900 1100

то п.мин

А '

Рис.S

Области экономичной раЬаты и регуля тарные характеристики дёигателя 6ЧН 1з/н,5

то то то то ггао п. мин4 Я В - граница оЗластей экономичной работы ;

—-на 6 цилиндрах;---на з цилиндрах с серийным

регулятором;---на 3 цилиндра с корректором

Рис. 6

мин 2000

1800 1600

изменение П. при переключении числа работающих цилиндраё дёигателя ВЧН 13/11,5 '

. I

\ 1 !

1 1 <2 ^ 1 !

1 '

и-—— • 1 1 ! * 1 1 ¿г !

1 ¡^^ 1 ! з

1

-е- 1 \

1

О 0,8 ОД 0,6 0,8 1,0 Г, С

1-е Зцилиндроё на 6 ёез корректора ; 2-е 3 цилиндров на 8 с корректором ; 3 - с В цилинроо на 3 с корректором

Рис. 7

Переходные процессы при переключении С 6цилиндроё на 12 дЕигателя 12 ЧН u/f+

--— сЕцилиндроё на 18 дез перепуска ёоздут-,

-- с 6 цилиндров rio 12 с перепуском ёоздуха.

Рис. 8

А в т о р е ф е р л т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

УДК 621.436.004.18

УЛУЧШЕНИЕ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ЕРОЩЕНКОВ Станислав Аркадьевич

Ответственный за выпуск к. т. н., доцент КРУШЕДОЛЬСКИЙ Л. Г.

БЦ № 19040. Подписано к печати 17/Х1-1989 г. Формат бумаги 60x 84'/,Бумага для множ. аппаратов. Печать офсетная. Усл.-печ. лист. 3,0. Уч.-изд. лист. 3,25. Тираж 100. Зак. 1С06р. Бесплатно.

Издание ХИИТа, 310050, г. Харьков-50, пл. Фейербаха, 7. Тип. ХИИТа, 310050, г. Харьков-50, пл. Фейербаха, 7.