автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Возможности повышения экономичности режимов малых нагрузок автотракторного дизеля типа Д-260 (6Ч11/12,5) изменением его рабочего объёма

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621.436.038.001

На правах рукописи

КОРНЕВ БОГДАН АНДРЕЕВИЧ

ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ РЕЖИМОВ МАЛЫХ НАГРУЗОК АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ ТИПА Д-260 (6411/12,5) ИЗМЕНЕНИЕМ ЕГО РАБОЧЕГО ОБЪЁМА

Автореферат

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

2 8 НОЯ 2013

Москва, 2013

005539809

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

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

доктор технических наук, профессор Грехов Леонид Вадимович, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана;

Ведущая организация

доктор технических наук Тер-Мкртичьян Георг Георгович, Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ), заведующий лабораторией

Московский государственный агроинженер-ный университет (МГАУ) им. В.Н. Горячкина

Защита диссертации состоится " I 0" 2013 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д ¿t2.203.33 ВАК РФ * при Российском университете дружбы народов по адресу: 117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5. ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо - Маклая, д. 6.

Автореферат разослан «_

I K^Ov^-i :

2013 г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета. Телефоны для справок: 952-67-87, 952-62-47. E-mail: nikpatrah@mail.ru

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.203.33 профессор

J1. В. Виноградов

Основные обозначения и сокращения, принятые в работе

ВСХ - внешняя скоростная характеристика. МН - малые нагрузки.

РНД - регулирование начального давления топлива. СОЦЦ - система отключения цилиндров или циклов. XX - холостой ход.

ЧСХ - частичная скоростная характеристика.

Ме, М„ Мм, Мс - моменты эффективный, индикаторный, механических потерь, сопротивления (потребителя).

и, Ье, Ь„ - работа индикаторная, эффективная, механических потерь, [Дж]. Ьполи - работа полная, [Дж]. Цд - работа удельная, [Дж/дм ].

2.уь - рабочий объём двигателя с г работающими (активными) цилиндрами, [дм3].

Ир - положение рейки ТНВД.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ В развитых странах мира доля транспортных средств с дизелями непрерывно растёт. Так, доля легковых автомобилей, оснащённых дизелями, в странах Европы превысила 50 % от общего числа автомобилей. Объясняется это прежде всего их высокой экономичностью и низкой токсичностью выбросов. Однако, в условиях эксплуатации реальные загрузки современных автомобильных двигателей чрезвычайно низки. Доля режимов малых нагрузок (МН) и холостых ходов (XX) достигает 50 % и более. Поскольку для этих режимов типичны высокие удельные расходы топлива и пониженные экологические качества, то актуальными проблемами современного дизе-лестроения являются дальнейшее совершенствование эксплуатационных экономических и экологических показателей режимов малых нагрузок.

В настоящее время разрабатываются и реально применяются различные методы и средства совершенствования показателей режимов МН и XX. К ним относятся методы и средства совершенствования протекания процессов топливоподачи, совершенствования протекания рабочих процессов на этих режимах, а также метод уменьшения рабочего объёма двигателя, находящий применение, например, в гибридных силовых установках. Кроме того, метод регулирования двигателя изменением рабочего объёма всё шире применяется и в традиционных силовых установках, т. е. содержащих только ДВС. Применение его на двигателях с искровым зажиганием наиболее распространено. На дизелях, особенно оснащённых топливной аппаратурой разделённого типа, его применение пока ограничено и требует дальнейшего подтверждения целесообразности его применения и совершенствования. Изменение рабочего объёма двигателя во время его работы может достигаться либо изменением хода поршней, либо, чаще всего, отключением части цилиндров. Это выполняется либо отключением подач топлива в часть цилин-

дров, либо в сочетании с изменением фаз газообмена, с остановкой части поршней, с остановкой части коленчатого вала с поршнями отключаемых цилиндров. Наиболее реально, в том числе для модернизации существующих дизелей, применим метод отключения части цилиндров прекращением подач топлива в них.

Целью данной работы является дальнейшее совершенствование метода повышения экономичности работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов оперативным изменением его рабочего объёма, путём отключения топливоподачи.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

- выбор элементов модернизации дизельной топливной аппаратуры разделённого типа, обеспечивающей отключение - включение отдельных цилиндров или циклов при регулировании начального давления топлива перед циклами топливоподачи в широком диапазоне скоростных режимов;

- совершенствование математической модели работы дизеля с потребителем на режимах малых нагрузок и холостых ходов;

- дальнейшее подтверждение эффективности методики оценки возможностей повышения экономичности режимов малых нагрузок дизеля методом изменения рабочего объёма по универсальным характеристикам дизеля;

- получение численных значений возможных выигрышей в расходах топлива при применении метода регулирования дизеля изменением рабочего объёма.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Усовершенствованы и исследованы метод и средства повышения экономичности протекания режимов малых нагрузок и холостых ходов дизеля типа Д - 260 (6 Ч 11/12,5) с системой топливоподачи разделённого типа путём выключения подач топлива. Усовершенствованы элементы топливоподачи, обеспечивающие реализацию метода регулирования дизеля выключением — включением цилиндров или циклов в широком диапазоне скоростных режимов. Выполнено дополнительное подтверждение эффективности методики оценки возможностей повышения экономичности режимов малых нагрузок дизеля методом изменения рабочего объёма путём отключения части цилиндров по универсальным характеристикам дизеля, перестроенным в координаты удельной работы - частоты вращения. Усовершенствована математическая модель реализации режимов частичной нагрузки дизеля методом изменения числа работающих цилиндров или циклов. Применительно к дизелю типа 6 4 11/12,5 получены количественные данные, подтверждающие эффективность метода по показателям экономии топлива.

Практическая значимость результатов исследования заключается в подтверждении работоспособности элементов модернизации топливной аппаратуры разделённого типа для регулирования дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов. Математические модели позволяют ус-

корить анализ возможностей получения положительных эффектов от применения метода. Применение предложенного метода и реализующей его системы позволит снизить расходы топлива при работе дизеля типа 6 Ч 11/12,5 на режимах малых нагрузок и холостых ходов в широком диапазоне скоростных режимов.

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

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

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры, в учебном процессе и при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Результаты работы доложены на научно -технических конференциях инженерного факультета РУДН в 2010 и 2011 г.г., на Всероссийском семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана (2010 г.), на юбилейной конференции в МАДИ - ГТУ в 2011 г. и конференции инженерного факультета РУДН в 2012 г.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы 11 работ, из которых 6 - статьи, 2 - материалы конференций и 3 - тезисы докладов, причём, 6 работ опубликованы в изданиях по списку ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация содержит 140 страниц, в том числе 65 рисунков и 8 таблиц и состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка использованной литературы в количестве 102 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 105 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы разработки методов и средств, обеспечивающих повышение качества работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов.

В первой главе проведён обзор работ, направленных на решение проблемы. Вопросам разработки и исследования методов и средств организации рабочих процессов дизелей, работающих на режимах малых нагрузок и холостых ходов, а также их регулирования методами отключения - включения цилиндров или циклов посвящены работы ряда отечественных и зарубежных учёных: Балабин В.Н., Болховитинов Г.В., Голубков J1.H., Грехов JI.B., Де-вянин С.Н., Драгунов Г.Д., Зленко М.А., Злотин Г.Н., Марков В.А., Ерохов В.И., Гусаков C.B., Кутенёв В.Ф., Олесов И.Ю., Островский Г.Л., Патра-

хальцев H.H., Славуцкий В.М., Тер-Мкртичьян Г.Г., Толшин В.И., Филиппов А.З., Шатров Е.В., Ekkert К., Gauger R. и др.

Проведённый анализ позволил сделать следующие выводы.

Метод регулирования двигателя изменением его рабочего объёма путём изменения числа работающих цилиндров применяется прежде всего на бензиновых автомобильных двигателях. Реже - на тепловозных дизелях, дизелях большегрузных машин и машин строительно-дорожной техники, на дизелях привода электрогенераторов. Применительно к дизелям такой метод регулирования используется для повышения эксплуатационной топливной экономичности установок, повышения экологических качеств, снижения коксования и лакообразования в цилиндрах и в целом повышения надёжности и долговечности работы дизеля.

Регулирование мощности и повышение экономичности автотракторных дизелей отключением - включением цилиндров или циклов известно лишь по относительно ограниченному числу публикаций. На сегодняшний день информация об экономическом, экологическом и проч. эффектах от применения метода на дизелях ограничена. В связи с результатами проведённого анализа в работе сформулированы цель и задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Во второй главе проведён анализ применимости метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма. Дополнена классификация методов отключения цилиндров выключением топливоподачи. Проведена систематизация путей достижения поставленной цели повышения экономичности режимов малых нагрузок (МН) и холостых ходов (XX) (Рис. 1).

Рис. 1.

Систематизация путей достижения поставленной цели повышения экономичности режимов малых нагрузок (МН) и холостых ходов (XX).

При анализе абсолютных механических потерь в дизеле при регулировании его изменением рабочего объёма выключением топливоподачи в часть цилиндров принято допущение об их постоянстве и зависимости

только от частоты вращения вала. Иначе говоря, r]M =Le/Lj = 1- LM /L;, а метод регулирования Lj на механические потери не влияет. Справедливость

Повышение экономичности режимов малых нагрузок и х. х.

Обогащение горючей смеси в активных цилиндрах (благодаря росту gт ц) до области повышенного _ индикаторного КПД__

Улучшение процессов топливоподачи

Повышение качества

распыпивания и распределения топлива _ по КС

Повышение стабильности по циклам иравномерносга по цилиндрам подачтоплие;

¡Снижение механических потерь

Отсутствие насосных потерь в 1 деакгивироваиных цилиндрах 1 при закрытых клапанах (уменьшение момента 1 сопротивления при выбеге) | |)ри закрытых клапанах деактивироваииных цилиндров повышение т]| и пм благодаря процессам сжатия • расширения.

Выпуск ОГ акгивн. пил. через! деакгивированные | Уменьшение теплоотвода в активных цилиндрах

такого допущения определяется тем, что наиболее надёжными методами определения механических потерь являются прокрутка вала двигателя от постороннего источника или проведение выбегов после выключения подач топлива. Тогда М; =Ме+Мм. В общем случае Ме 2 =М^2-Мм. В работе среднее давление механических потерь рм определяется через средние скорости поршня (Сп) по эмпирическому уравнению рм =0,103 + 0,0118-Сп. Здесь Сп = Б- п/30. Мм =рм ■ • Ь 9550/(30-т).

В подавляющем большинстве проведённых ранее работ при отключении части цилиндров положение рейки ТНВД изменяется от исходного (например, Ир. х х.) до некоторого промежуточного. Т. е. регулятор устанавливает такое Ир, при котором новый момент дизеля был бы равен исходному моменту сопротивления (Ме = Мсисх). Однако максимальная экономичность активного цилиндра достигается при положении рейки ТНВД вблизи полного. Отключение части цилиндров при неизменном положении 11р приводит к снижению индикаторного момента соответственно на величину, пропорциональную числу отключённых цилиндров. Тогда М;>2. = ((М;б)/6)- ъ. Поддержание режима МН предложено проводить реализацией разгонов - выбегов двигателя с г и ъ - к активных цилиндров с полной подачей топлива.

Методика предварительной оценки эффективности метода изменения рабочего объёма дизеля выполнена с использованием универсальных характеристик дизеля, перестроенных в координаты Ьуд. - удельной работы, которая зависит от рабочего объёма двигателя. Выполняемая дизелем полная работа при данном значении Ме равна Ьпол„= 2-я-Ме. Удельная работа при всех 1 работающих (активных) цилиндрах равна Ьуд = Ьполн./(1-Уь) [Дж/(дм )]. Если число активных цилиндров равно г, то удельная работа такого дизеля при выполнении той же полной работы равна Ьуд = Ьгт0Л11/(2-Уь) = 2-7гМе/(2-\'ь). Если режим полноразмерного дизеля (т.е. со всеми работающими цилиндрами) задан через среднее эффективное давление ре [МПа], то Ьполя = 500-ре'1'\^. Для полноразмерного дизеля Ц,д. = 500-ре [Дж/(дм3)]. Для дизеля с числом ъ активных цилиндров ЬуД = 500-ре -гУь/^-Уь) = 500-реч/г [Дж/(дм3)].

Дизель КамАЗ-7406 имеет следующую перестроенную в координатах Цд. - п универсальную характеристику (рис. 2).

Рис. 2. Универсальная характеристика дизеля КамАЗ — 7406 (8 ЧН 12/12), перестроенная в координаты Ьуд - п : х - режимы работы дизеля с числом активных цилиндров г = 8, 6, 4, 2, 1 при одинаковой малой нагрузке порядка 10 % от полной.

Дж/(д1 £

юоо

1400

1800

2200

г/СкВтч) ■300

Обработкой характеристик получаем следующие показатели ожидаемого удельного эффективного расхода топлива (ge) при работе на режиме с нагрузкой ~ 10 % от полной и п = 1200 мин"1 с числом активных цилиндров z = 8, 6, 4, 2. Здесь же приведён ожидаемый относительный выигрыш в удельном эффективном расходе топлива (Age=((gez=1-gez)/gez=i)-100 %) при регулировании дизеля изменением рабочего объёма (ge z) по сравнению с полноразмерным дизелем (gez=i) (рис. 3). Аналогичный анализ проведён для других скоростных режимов. Методика оценки повышения экономичности работы двигателя на XX и МН по универсальным характеристикам проверена сравнением результатов с экспериментальными данными.

Рис. 3. Зависимость ожидаемого удельного эффективного расхода топлива (ge) дизелем КамАЗ -7406 при работе на режиме с нагрузкой ~ 10 % от полной и п = 1200мнн"' с числом активных цилиндров z = 8, 6, 4, 2 и ожидаемый относительный выигрыш в расходе топлива (Age) при регулировании дизеля изменением рабочего объёма по сравнению с полноразмерным

дизелем.

В первом приближении такая проверка проведена с использованием опубликованных данных фирмы BMW. Показано, что при отключении четырёх цилиндров из восьми и сохранении того же режима (Nc = 20 кВт, п = 1300 мин") можно ожидать снижения удельного эффективного расхода топлива ge от 450 г/(кВт-ч) до 330 г/(кВт-ч), т. е. на 26,7%. Однако, результаты экспериментального исследования, проведённые фирмой BMW, показывают уменьшение расхода только до 380 г/(кВт-ч), т. е. на 15,6%. Эти отличия связаны с необходимостью выполнять ряд ограничительных мероприятий, а именно: плавное включение - выключение цилиндров («гистерезис»), учитывать тепловую задержку, отказаться от применения данного метода регулирования на первой и второй передачах, выполнить ограничения по вибрациям, работать на повышенных частотах вращения. В результате полученные оценочные данные могут снизиться на величину до 50 %.

Принципиальна схема модернизированной системы топливоподачи

показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема системы топливоподачи с устройством отключения цилиндра: А — штатная система топливоподачи, Б - дополнительный узел отключателя цилиндра, 1 - топливный бак, 2 - топли-воподкачивающий насос, 3 - топливный фильтр, 4 - плунжер ТНВД, 5 - нагнетательный клапан, 6 - линия высокого давления (ЛВД), 7 - клапан РИД, 8 -

электромагнитная катушка, 9 - магнитна пластина, 10 - форсунка, 11 - дизель.

Исследования, проведённые ранее и в данной работе, показали принципиальную работоспособность системы, а также высокое быстродействие клапанов РНД, способное обеспечить отключение - включение цилиндра в течение времени одного цикла. Однако диапазон режимов, на которых происходит надёжное открытие - закрытие клапана РНД, ограничен свойственной данной топливной системе характеристикой изменения остаточного давления в ЛВД с изменением скоростных и нагрузочных режимов.

У штатной аппаратуры зоной уверенного срабатывания клапана РНД, т. е. зоной, в которой гарантировано открытие клапана за счёт гидродинамических явлений в ЛВД, является зона с диапазоном частот вращения коленчатого вала от 500 до 700 и от 1000 до 1600 мин"1. Для того, чтобы гарантировать срабатывание РНД в других диапазонах, нужно снизить величины остаточных давлений в ЛВД. Такое снижение на штатной аппаратуре достигнуто увеличением разгрузочного объёма (Ур) нагнетательного клапана ТНВД, что получено уменьшением объёма запорного конуса клапана. Переходные процессы в системе топливоподачи при включении - выключении подач топлива устранены благодаря стабилизации начального давления топлива с помощью РНД. Одним из методов поддержания режима МН является отключение - включение части цилиндров или циклов при постоянном положении рейки ТНВД, например, Ир = 100 %, т.е. реализацией режимов разгонов - выбегов в допустимом диапазоне неравномерности вращения вала. Моделирование таких условно установившихся режимов основано на решении уравнения динамического равновесия системы двигатель - потребитель:

]. м _ м„. При этом целесообразно воспользоваться методом пред-Л

ставления скоростных характеристик двигателя и потребителя в виде аппроксимирующих зависимостей, которые подставляются в уравнение движения системы двигатель - потребитель. Такой подход применим при условии допустимости квазистатического представления НУР. Аппроксимируем ВСХ Ме = Дп) дизеля (при Ьр = 100 %) и скоростную характеристику нагрузочного устройства Мс= А^п) полиномами, например, следующих видов:

Ме=А-п3+В-п2+С-п + Б; и Мс = Е-п2 + Р-п + Н.

Тогда, задавая в качестве шага расчёта время (продолжительность) одного цикла А1, изменение частоты вращения вала при разгоне без нагрузки и с нагрузкой определим по соотношениям:

«Ч =пм + — -{[А - (пм)3 +В- (п^)2 +С - п4_! + Щ} (1) I п

П; = пм + —{[А- (пм)3 + В- К_!)2 + С- ПМ 1 к

[Е.(пм)2+Р.(пм) + Н]}.

В третьей главе приведено описание стендов для испытаний топливной аппаратуры с системой регулирования начального давления (РНД) и системой отключения цилиндров и циклов (СОЦЦ), а также для испытаний дизеля в штатном исполнении и с установленными на нём элементами топ-ливоподачи с РНД и СОЦЦ. Изложена методика исследования, проведена оценка погрешностей измерений и регистрации параметров и показателей работы двигателя. Проведено построение внешних и частичных скоростных характеристик дизеля 6411/12,5 при его регулировании традиционным «реечным» методом и методом отключения цилиндров и циклов. Проанализированы ошибки прямых и косвенных измерений и показана возможность решения поставленных задач с использованием рассмотренного стенда и его измерительной и регистрирующей аппаратуры. Для реализации математического моделирования режимов дизеля 6411/12,5 проведена полиномиальная аппроксимация характеристик дизеля при его регулировании традиционным методом и методом отключения цилиндров и циклов. Подтверждена адекватность результатов эксперимента и результатов оценки экономического эффекта исследуемого метода с использованием универсальных характеристик. С учётом принятых допущений получены внешние скоростные характеристики.

Для моделирования режимов работы дизеля характеристики изменения эффективных крутящих моментов при регулировании дизеля с помощью рейки ТНВД были сняты частичные скоростные характеристики дизеля, причём, начальными точками взяты значения моментов при номинальной частоте вращения, которые были равны аналогичным моментам при регулировании дизеля изменением числа работающих цилиндров.

То - есть значение Ме при п = 2200 1/мин при реечном регулировании установлено равным Ме>з, т.е. значению эффективного момента двигателя при работе на пяти цилиндрах (г = 5) при положении рейки ТНВД Ьр = 100 %. При этом моменте подобрано значение положения рейки, которое составило Ир = 82 % от полного. Для случая работы на четырёх цилиндрах оно составило Ьр = 58 % от полного и т. д. Эти значения положений рейки условно обозначены через 80, 60, 40, 20. Характеристики моментов и сравнение их протекания в функции от частоты вращения приведены на рис. 5.

Характеристики изменения удельных эффективных расходов топлива при регулировании дизеля традиционным методом (Ьр = уаг при ъ = 6) и методом изменения числа работающих цилиндров {т. = уаг при Ьр = 100 %) получены экспериментально, результаты повторных измерений обработаны статистически. С достоверностью 0,95 результаты укладываются в доверительный интервал, равный ±3 %. По результатам экспериментов построены универсальные (многопараметровые) характеристики дизеля по удельному эффективному расходу топлива. Воспользовавшись универсальной характеристикой дизеля по удельному расходу топлива, построенной в координатах Цд - п> (рис. 6), определяем удельные расходы и выигрыши в расходах при регулировании дизеля выключением цилиндров.

Рис. 5. Сравнение ВСХ и частичных характеристик дизеля 6 Ч 11/12,5 при разных методах регулирования: Ме6; Ме5 ...Ме>2 -работа дизеля на числе цилиндров ъ, равном шести, пяти и т. д. и на двух с полной подачей топлива (Ьр=100 %) (РБ: работа на одном цилиндре не поддерживается, т.к. Мм>Ми); МеЛоо; Ме>80 ... Ме>20 - -работа дизеля на всех цилиндрах при Ир = 100, 80,... 20.

На рис. 6 показаны режимные точки при работе двигателя на шести цилиндрах (активных цилиндрах), т. е. полноразмерного дизеля (6 цил.), на пяти активных цилиндрах (5 цил.) и т. д.

Рис. 6. Определение по универсальной характеристике = ЯЦд, п) удельных эффективных расходов топлива дизеля б Ч 11/12,5 при реализации режима Мс = Ме = 40 Н-м, п = 1000 1/мин изменением рабочего объёма двигателя отключением части цилиндров: 6 цил., 5 цил, ...1 цил. - количество активных цилиндров

Зависимость изменения удельных эффективных расходов топлива от числа активных цилиндров ъ (а следовательно

700 1000 1300 1600 1900 2200

400

Ьуд-,

Дж/(дмЗ) 350

300

250

700 1000 1300 1600 1900 2200

и от рабочего объёма г-Уь двигателя) при реализации режима Мс=Ме=40 Н-м (п=1000 1/мин) показана в таблице 1.

__Таблица 1.

г г-Уь, дм3 Ьуд, Дж/(дм") йе, г/(кВт-ч) Айе, %

6 7,124 35,3 540 0

5 5,937 42,3 510 7,7

4 4,749 52,9 460 14,4

3 3,562 70,5 440 20,2

2 2,375 105,8 390 27,9

750 ge-700 г/(кВтч) 650

Зависимость удельного расхода топлива (ge) и его относительного изменения (Age) от величины удельной работы (Ц,д) дизеля при реализации нагрузочного режима Мс = Mez = 40 Н-м при разных п показана на рис. 7.

Рис. 7. Зависимость удельного расхода топлива (ge) и его относительного изменения (Age) от величины удельной работы (Ьуд) дизеля при реализации нагрузочного режима Мс = Ме = 40 Н-м при разных п.

Нагрузочный режим Мс = 80 Н-м, т.е. около 20 % от полной нагрузки, не поддерживается даже двумя активными цилиндрами. Дальнейшее увели-90 юо но чение нагрузки, например, Мс = Ьуд, Дж/Сдм3) Mez = 120 Н-м (т.е. уже порядка

30 % от полной), приводит к уменьшению роста экономичности. При этом уменьшается и зависимость выигрыша от частоты вращения, так как характеристики ge для разных п сближаются. Режим также не поддерживается одним и двумя активными цилиндрами. Режим Мс = 160 Н-м не поддерживается даже тремя активными цилиндрами. Режим Мс = 200 Н-м поддерживается работой не менее пяти активных цилиндров. В работах кафедры экспериментально подтверждены возможности повышения экономичности режимов малых нагрузок и холостых ходов дизелей типа КамАЗ, ЯМЗ, Д-260, В-31 на величину порядка 20 - 25 %. Конкретно для дизеля 6 4 11/12,5 при работе на частичном режиме, составляющем порядка 15 % от полной нагрузки, работой на четырёх и трёх цилиндрах достигнуты результаты по экономии топлива соответственно 8±5 и 17±5 %.

В приведённых экспериментальных материалах отключение цилиндра сопровождается смещением рейки ТНВД на повышенную, но отличную от 100 %, подачу. А именно при таких подачах обычно достигается близкий к минимальному удельный эффективный расход топлива. Поэтому предпочтительно, чтобы цилиндры работали всегда при такой нагрузке, когда достигается удельный эффективный расход топлива, близкий к минимальному. Для удобства реализации метода далее выбрано постоянное положение рейки 100%. Удобство заключается в том, что при реализации метода не требуется изменение упора подачи ТНВД. У двигателей с «реечным» регулированием реализация метода отключения цилиндров или циклов сопровождается смещением рейки ТНВД на новую подачу или на упор подачи. В случае использования на дизеле только метода выключения - включения цилиндров ТНВД не имеет «реечного» регулирования, является «однорежимным» по производительности, т. е. всегда работает при полной подаче топлива.

Мс=20 Нм

18 №№ циклов

Обязательным условием при реализации данного метода является работа активных цилиндров с полной нагрузкой. Режимы, отличающиеся по нагрузке от значений, получаемых примерно делением нагрузки на число цилиндров, реализуются чередованием разгонов - выбегов вблизи средней, кратной им, нагрузки. Т. е. поддержание «условно установившегося» режима изменением числа активных цилиндров, происходит в соответствии с рис. 8.

Рис. 8. Изме- п>мин-1 GT, г

нение частоты вра- 800 т—i±——---—-—Т °>8

щения вала (п) и часового расхода топлива (GT) при поддержании режима п = 700±20 мин"1 с Мс = Ме = ~ 20 Нм (момент инерции установки 1уст= 9 Н-м-с2) путём чередования работы при числе активных цилиндров z = 2 и выключенных цилиндрах (z = 0) (hp=100 % = const), т.е. режим 2-0.

В данном примере дизель работает на двух активных цилиндрах до достижения верхнего допустимого предела по частоте вращения. Затем происходит выключение обоих цилиндров, происходит выбег двигателя до минимально допустимой частоты вращения. Затем вновь включаются два цилиндра (причём, это предпочтительно должны быть другие цилиндры).

В данном случае включение и выключение цилиндров зависит от момента достижения верхнего и нижнего предела допуска изменения п. Реализуется режим, обозначаемый далее как 2-0. Аналогично может быть представлен режим 3 - 0, 3 - 1 и т. д.

Рис. 9. Сравнение часовых расходов топлива (GT) при поддержании условно установившихся режимов (Мс = Ме = 20 Н-м) путём разгонов - выбегов в вариантах 2 — 0 и 3 - 0 и выигрыши в расходах (AGT) при реализации метода 3 - 0 по сравнению с методом 2-0. AGT = ((GT.3_o - Gt.2_o)/Gt.3_o)- 100

0,34 1,01 1>б9 2 38 3>08 t, с. 0,67 1,35 2,03 2,73

3,5 3 2,5

а1

Ч 2

0Ч5 1

0,5 0

Представляет интерес сравнение

700 10001300 1600 1900 2200 п,1/мин

расходов топлива при реализации одного и того же режима разными методами, а именно:

1 - работой полноразмерного дизеля (ъ = 6) при соответственно минимальном положении рейки ТНВД,

2 - при повышенных удельных работах активных цилиндров {г = 5, 4, 3, 2),

3 - при поддержании того же условно установившегося режима разгонами -выбегами, например, на двух и трёх цилиндрах, т. е. методами 2 — 0 и 3 — О (рис.10).

Рис. 10. Сравнение часовых расходов топлива (вт) при реализации режима малой нагрузки (Мс = 40 Н-м) и работе дизеля полноразмерного (г = 6), с разным числом активных цилиндров (г = 5, 4, 3, 2) и при реализации условно установившихся режимов методами разгонов - выбегов на двух или трёх цилиндрах (2 - 0 и 3 - 0).

700

3-0

мин

2200

900

1600

1300

000

О

г=6 5 4 3 2 2-0 3-0 Метод поддержания режима

Видно, что наиболее экономичной является работа (поддержание режима) путём разгонов - выбегов типа 3 — 0. Некоторое ухудшение происходит лишь при высокой частоте вращения (п = 2200 мин"1). Режим 2-0 менее экономичен, чем режим при постоянной работе с числом активных цилиндров г < 4 или 5. Объясняется это очевидно тем, что максимальная экономичность обеспечивается всё же при 11р < 100%, что и может достигаться при постоянном отключении части цилиндров. На рис. 11 видны численные значе-

ния выигрышен в расходах топлива и более чёткая

возможность их сравнения.

Рис. 11. Сравнение выигрышей в часовом расходе топлива при реализации разных скоростных режимов с нагрузкой Мс = 40 Н-м разными методами

Существенное повышение часовых расходов топлива при поддержании

режима методом разгонов - выбегов (2 — 0) связано с тем, что работа с постоянным отключением части цилиндров сопровождается выходом рейки в положение, наиболее близкое к режиму максимальной экономичности. А разгон на двух цилиндрах происходит при Ьр = 100 %, т.е. уже вне зоны максимальной экономичности. Устранить такой недостаток можно выбором положения рейки в зоне максимальной экономичности, например, 90%.

Характеристики показывают, что наиболее эффективно снижение расхода топлива происходит при поддержании режима методом разгонов - выбегов, причём, методом 3-0. Более высокий крутящий момент Ме3 приводит к более короткому разгону в данном диапазоне изменения п, чем в случае Ме 2. При этом ge з < ge 2■ И хотя в период такого разгона От з > Ст2, но продолжительность выбега остаётся неизменной, что и обеспечивает получение выигрыша в часовом расходе топлива.

Общие выводы.

1. Проведённое исследование подтвердило возможности повышения экономичности режимов малых нагрузок и холостых ходов дизеля методами изменения его рабочего объёма отключением части цилиндров или циклов путём выключения подачи топлива в отключаемые цилиндры.

2. В работе проведена систематизация методов и средств, обеспечивающих повышение экономичности режимов малых нагрузок и холостых ходов изменением его рабочего объёма, и выбран метод отключения цилиндров или циклов, применимый при модернизации существующих дизелей.

3. Проведена модернизация топливной аппаратуры разделённого типа дизеля 6411/12,5, обеспечивающая отключение подачи топлива в цилиндр или группу цилиндров на время, вплоть до времени одного цикла, причём, во всём диапазоне возможных частот вращения.

4. Для устранения переходных процессов в топливной аппаратуре при включении подач топлива в ранее отключённые цилиндры применено регулирование начального давлении топлива в линиях высокого давления.

5. Усовершенствован метод управления величиной рабочего объёма дизеля, заключающийся в поддержании условно установившихся режимов малых нагрузок путём реализации разгонов - выбегов дизеля с пониженным числом активных цилиндров, причём, во всех случаях работающих с полной подачей топлива. Показана принципиальная возможность создания дизеля с однорежимной (по величине нагрузки) топливной аппаратурой.

6. Усовершенствована математическая модель режимов работы дизеля на малых нагрузках при регулировании дизеля изменением числа работающих цилиндров как на установившихся режимах, так и на условно установившихся режимах, реализуемых разгонами - выбегами дизеля при полных подачах топлива в активные цилиндры. Модель усовершенствована выбором шага времени счёта, равным времени одного цикла, вместо произвольного сколь угодно малого.

7. Уточнены операции определения возможных удельных эффективных расходов топлива и выигрышей в расходах по универсальным характеристикам дизеля, перестроенным в координатах: удельная работа - частота вращения. В подтверждение эффективности метода обработаны опубликованные результаты испытаний дизеля типа КамАЗ, а также публикации фирмы BMW. Показано удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчётных (по применяемой методике) результатов.

8. Результаты исследования показали возможности снижения удельных расходов топлива дизелем, работающим на режимах малых нагрузок, путём изменения его рабочего объёма на величины до 50 % от расхода штатного дизеля, работающего на том же режиме.

9. На режимах малых (порядка 10 % от полной) нагрузках выигрыши в расходе топлива могут достигать 35 - 45 % при применении метода разгонов - выбегов с тремя активными цилиндрами (вид 3-0). Несколько меньшие результаты (27 - 43 %) достигаются при постоянной работе дизеля на двух цилиндрах. С использованием опубликованных данных отмечено, что получаемые таким методом результаты должны быть скорректированы (уменьшены на величины до 50 %) в случае необходимости удовлетворения ряда ограничительных показателей (по вибрациям, по плавности хода и т.д.).

Основные положения диссертации изложены в следующих работах.

1. Патрахальцев H. Н., Соловьёв Д. Е., Корнев Б. А., Андрее Вальдеррама Ромеро. Регулирование дизеля методом выключения - включения цилиндров или циклов (доклад) // Материалы IV междунар. науч.-практ. конф. «Наука -Технология- Ресурсосбережение». - Киров, 7 февраля 2011

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

3. Патрахальцев H. Н., Соловьёв Д. Е., Мельник И. С., Корнев Б. А. Возможности экономии нефтяного дизельного топлива частичным замещением его альтернативным (статья) // АвтоГазоЗаправочный комплекс + альтернативное топливо. - 2011. - № 2 (56). - С. 21 - 24.

4. Санчес JI. В. А., Патрахальцев H. Н., Корнев Б. А., Мельник И. С. Экспериментальное определение цетановых чисел смесевых и эмульгированных дизельных топлив (статья) // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. -№2 (20).-С. 30-33.

5. Патрахальцев H. Н., Страшнов C.B., Мельник И.С., Корнев Б.А. Изменение числа работающих цилиндров дизеля - вариант повышения экономичности его режимов малых нагрузок (статья) // Автомобильная промышленность. - 2012. - № 2. - С. 11 - 13.

6. Патрахальцев Н. Н., Страшнов С. В., Мельник И. С., Корнев Б. А. Регулирование дизеля изменением его рабочего объёма (статья) // Тракторы и сельхозмашины. -2012. - № 1. - С. 19 - 22.

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

8. Патрахальцев Н. Н., Соловьёв Д. Е., Корнев Б. А., Мельник И. С. Применение метода отключения цилиндров для регулирования работы дизеля, работающего на спиртовых топливах (тезисы доклада) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2011. - № 4 (85). - С. 116. (Тезисы доклада на 86-м Всероссийском научно - техническом семинаре (ВНТС) по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова. МГТУ им. Н. Э. Баумана, январь 2011).

9. Патрахальцев Н. Н„ Соловьёв Д. Е., Мельник И. С., Корнев Б. А. Экономия нефтяного дизельного топлива частичным замещением его альтернативным топливом (тезисы доклада) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». - 2011. - № 4 (85). - С. 116 - 117. (Тезисы доклада на 86-м Всероссийском научно - техническом семинаре (ВНТС) по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В.И. Крутова. МГТУ им. Н.Э. Баумана, январь 2011).

10. Патрахальцев H.H., Соловьёв Д.Е., Мельник И.С., Корнев Б.А. Анализ возможностей повышения эксплуатационной экономичности дизеля 6411/12,5 методом изменения рабочего объёма двигателя (статья) // Материалы V междунар. науч.-практ. конф. «Наука- Технология- Ресурсосбережение», посвященной 60-летию инженерного факультета. Киров, 6 февраля 2012 г.

11. Патрахальцев H.H., Гришин Д.К., Эммиль М.В., Корнев Б.А. Регулирование дизеля отключением - включением циклов (Статья) // Вестник РУДН, сер. Инженерные исследования. -2012. - № 3. - С. 69 - 74.

Корнев Богдан Андреевич ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ РЕЖИМОВ МАЛЫХ НАГРУЗОК АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ ТИПА Д-260 (6411/12,5) ИЗМЕНЕНИЕМ ЕГО РАБОЧЕГО ОБЪЁМА

Исследованы возможности повышения экономичности дизеля типа 6 Ч 11/12,5 регулированием его рабочего объёма путём изменения числа работающих цилиндров или циклов. Модернизирована топливная система разделённого типа элементами повышения начального давления и отключения цилиндров. Подтверждена эффективность методики предварительной оценки возможности повышения экономичности дизеля отключением части цилиндров с использованием экспериментальных универсальных характеристик. Показана целесообразность вывода активных цилиндров на работу с полной подачей при реализации поддерживаемых режимов проведением разгонов - выбегов в заданном диапазоне изменения частоты вращения.

Kornev Bogdan Andreevich POSSIBILITIES TO RISE OF ECONOMY OF LOW LOAD REGIMES OF AUTOMOBILE DIESEL 6411/12,5 BY CHANGING OF WORKING

VOLUME

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

К

18

Подписано в печать 06.11.2013 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 1560. Российский университет дружбы народов 115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоиикидзе, д. 3 Типография РУДН 115419, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3, тел. 952-04-41

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621.436.001

04201451616 На правах рукописи

КОРНЕВ БОГДАН АНДРЕЕВИЧ

ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ РЕЖИМОВ МАЛЫХ НАГРУЗОК АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ

ТИПА Д-260 (6411/12,5) ИЗМЕНЕНИЕМ ЕГО РАБОЧЕГО ОБЪЁМА

Диссертация

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

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

Москва, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Список принятых обозначений и сокращений............................5

Определения метода регулирования двигателя

изменением рабочего объёма...................................................7

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................9

ГЛАВА 1. Анализ результатов опубликованных работ................15

1.1. Развитие методов регулирования ДВС изменением рабочего объёма.........................................................................15

1.2. Эффективность метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма....................................................21

1.3. Устройства для регулирования дизеля изменением

числа работающих цилиндров........................................................28

1.4. Моделирование режимов работы дизеля, регулируемого изменением рабочего объёма путём отключения - включения цилиндров или циклов (использованием отключения топливоподачи)...................35

1.5. ВЫВОДЫ по главе 1....................................................37

1.6. Постановка цели и задач исследования.............................39

ГЛАВА 2. Основные теоретические положения.........................40

2.1. Анализ применимости метода регулирования дизеля изменением его рабочего объёма.....................................................40

2.2. Анализ механических потерь в дизеле при регулировании его изменением рабочего объёма (изменением числа работающих цилиндров или циклов)................................................................45

2.3. Возможности повышения экономичности режимов холостого хода и малых нагрузок регулированием дизеля отключением - включением

цилиндров или циклов.................................................................53

2.4. Методика предварительной оценки эффективности метода изменения рабочего объёма дизеля типа ЯМЭ-238 по универсальным характеристикам........................................................................56

2.5. Методика предварительной оценки эффективности метода изменения рабочего объёма дизеля типа КамАЗ-7406 по универсальным характеристикам........................................................................63

2.6. Проверка метода оценки возможности повышения экономичности двигателя с помощью универсальных характеристик.....................68

2.7. Модернизация системы топливоподачи средствами отключения - включения цилиндров или циклов.................................................74

2.8. Влияние переходных процессов в системе топливоподачи

на эффективность регулирования дизеля отключением - включением цилиндров или циклов....................................................................80

2.9. Математическая модель режимов работы дизеля, регулируемого отключением - включением цилиндров или циклов.......83

2.10. ВЫВОДЫ по главе 2.....................................................84

ГЛАВА 3. Основные методические положения..........................86

3.1. Объект исследования......................................................86

3.2. Стенды для исследования топливной аппаратуры и дизеля......86

3.3. Получение исходной информации для дальнейшего исследования.............................................................................91

3.4. ВЫВОДЫ по главе 3.....................................................106

ГЛАВА 4. Результаты проведённого исследования....................107

4.1. Оценочный анализ возможности повышения экономичности режимов малых нагрузок дизеля типа Д- 260..............................107

4.2. Повышение экономичности режимов малых нагрузок

дизеля проведением режимов разгонов - выбегов.............................115

4.3. Сравнение эффективности методов.................................119

4.5. ВЫВОДЫ по главе 4....................................................126

Общие выводы.................................................................128

Список литературы............................................................130

Список принятых сокращений и обозначений

АВСХ - абсолютная внешняя скоростная характеристика (двигателя). ВСХ - внешняя скоростная характеристика (двигателя). ГО - газообмен.

ДсИЗ - двигатель с искровым зажиганием.

КПД - коэффициент полезного действия.

ЛВД - линия высокого давления (топливной системы).

ЛНД - линия низкого давления (топливной системы).

МН - малые нагрузки.

НУР - неустановившийся режим работы (двигателя). ПП - переходньщ процесс.

РНД - регулирование начального давления топлива (в ЛВД).

СОЦЦ - система отключения цилиндров или циклов (работы двигателя).

ТНВД - топливный насос высокого давления.

ТП - топливоподача.

ТЧ - твёрдые частицы.

УР - установившийся режим (работы двигателя).

ФХР - «физико - химическое» регулирование (двигателя, дизеля, т. е. регулирование двигателя, дизеля изменением физико - химических и моторных свойств топлива). XX - холостой ход.

ЧСХ - частичная скоростная характеристика (двигателя).

В - дымность ОГ, [ед. Бош].

Сс - концентрация сажи в ОГ, [мг/л].

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

1Д, 1уст, 1м, 1п - моменты инерции соответственно, двигателя, установки (двигатель - потребитель), муфты, передачи, [Н-м-с ].

Ье, Ьм - работа индикаторная, эффективная, механических потерь, [Дж]. Ьполн - работа полная, [Дж]. Ьуд - работа удельная, [Дж/дм3].

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

Ие, Н, Ым - мощности эффективная, индикаторная и механических потерь, [кВт].

Рост, Рнач - остаточное и начальное давления топлива в ЛВД соответственно после окончания и перед началом нагнетания топлива топливным насосом высокого давления [МПа].

Уь - рабочий объём одного цилиндра двигателя, [дм3, л].

ge - удельный эффективный расход топлива, [г/(кВт-ч)].

Ьр - положение рейки топливного насоса высокого давления.

1 - полное число цилиндров двигателя (полноразмерного двигателя).

1'Уь - рабочий объём полноразмерного двигателя, [дм3, л].

п - частота вращения, [1/мин].

ре, рь рм - средние эффективное и индикаторное давления, среднее давление механических потерь [МПа]. г - число работающих (активных) цилиндров.

г-Уь - рабочий объём двигателя с ъ работающими, не отключёнными, ци-

о

линдрами, [дм , л], а - коэффициент избытка воздуха. 5 - коэффициент неравномерности хода двигателя, т - тактность двигателя (4 или 2).

Ль Ле, Лм-индикаторный, эффективный и механический КПД.

со - угловая скорость вращения вала, [1/с].

£ - угловое ускорение вращения коленчатого вала, [с" ].

¡, е, м - индексы: индикаторный, эффективный, механических потерь.

Определения метода регулирования двигателя изменением рабочего объёма

В рассмотренных далее публикациях применяются следующие определения исследуемого в работе метода регулирования двигателя. «Безреечное регулирование» - регулирование дизеля изменением рабочего объёма, иначе, числа работающих цилиндров или циклов (и порядка их работы).

Дискретное изменение мощности двигателя (ДИМ).

Метод регулирования ДВС отключением - включением цилиндров или циклов.

Регулирование двигателей отключением части цилиндров. Регулирование дизеля пропуском рабочих ходов поршней. Регулирование дизеля пропуском подач топлива.

Регулирование изменением степени сжатия и рабочего объёма двигателя. «Active Cylinder Control (АСС)» - технология регулирования двигателя управлением количеством работающих (активных) цилиндров фирмы Daimler - Chrysler.

«Automotive Cylinder Deactivation System (ACDS)» - автомобильная система отключения цилиндров.

«Cylinder Deactivation Capability» - возможность отключения цилиндров. «Cylinder Deactivation Device» - устройство отключения цилиндра. «Cylinder cutout» - выключение цилиндра. «Cylinder put off» - выключение цилиндра.

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

«Modulated Displacement (MD)», Mitsubishy - изменяемый рабочий объём. Piston and Valve Deactivation (for improved part load performances of internal combustion engines) - деактивация поршня и клапана (для улучшенной работы ДВС на режимах частичных нагрузок).

«Variable Cylinder Management (VCM)» - технология регулирования двигателя отключением цилиндров фирмы Honda.

«Variable Displacement Engine» - двигатель с изменяемым рабочим объёмом.

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее повышение мощностных, экономических и экологических качеств дизелей является актуальной проблемой современного дизе-лестроения. Автотракторные дизели в условиях эксплуатации работают с коэффициентами загрузки, достигающими 0,6, а в условиях городского движения - даже 0,4. Таким образом, в современных условиях режимы холостого хода (XX) и малых нагрузок (МН) являются приоритетными практически для любых типов двигателей [10]. Новый Европейский испытательный цикл (№ЮС) устанавливает жёсткие нормы расхода топлива. Реальный уровень этих расходов существенно зависит от экономичности режимов МН и XX, занимающих существенное время в продолжительности указанного цикла. Средние значения времени работы и расходов топлива на режимах холостого хода достигают для дизелей городского транспорта соответственно 45 и 10 - 15 %.

Существует ряд методов и средств повышения экономичности режимов XX и МН. Одним из них является метод регулирования двигателя изменением рабочего объёма двигателя, что достигается по меньшей мере отключением - включением части цилиндров. (Под рабочим объёмом двигателя подразумевается сумма рабочих объёмов тех его цилиндров, в которых происходят процессы выработки механической энергии).

Термин «изменение рабочего объёма двигателя» является более общим понятием метода регулирования двигателя, так как он включает в себя не только изменение числа работающих (активных) цилиндров или циклов, не только изменение фаз газообмена или отключение газораспределения, но и метод, при котором либо останавливают поршни неработающих цилиндров при вращающемся вале, либо останавливают часть коленчатого вала или один из валов (для соответствующих многовальных ДВС). Этот же термин применим и для анализа гибридных энергетических установок (комбинированных энергетических установок).

Наиболее часто изменение рабочего объёма двигателя достигается отключением - включением цилиндра или групп цилиндров. При этом возможно отключение цилиндра только путём прекращения в него топли-воподачи, либо применением отключения подачи топлива совместно с изменением фаз газообмена, либо путём отключения топливоподачи, фаз газообмена и остановки поршней отключаемых цилиндров и т. д.

В качестве положительных эффектов метода регулирования двигателя изменением рабочего объёма (отключением части цилиндров на режимах XX и МН) отмечается не только повышение топливной экономичности, но и уменьшение износов цилиндропоршневой группы, снижение смолообразования, коксования поршневых колец и клапанов, а также уменьшение разжижения смазки несгоревшим топливом. Как правило, характеристики дизеля с отключением части цилиндров протекают при повышенных коэффициентах приспособляемости, улучшенной устойчивости режимов. Благодаря быстродействию системы отключения - включения цилиндров или циклов улучшается ряд динамических характеристик дизеля.

Считается, что применением метода изменения рабочего объёма двигателя на режимах XX и МН можно сэкономить до 10 % суммарного эксплуатационного расхода топлива.

Недостатками такого способа регулирования дизеля являются его ступенчатость, во многих случаях - сложность автоматизации управления, нарушение температурного режима отключённых на длительное время цилиндров, а также неравномерный износ в случаях, если отключаемыми являются всегда одни и те же цилиндры.

По способу управления возможно отключение - включение одной и той же группы цилиндров, чередование групп отключаемых - включаемых цилиндров, отключение - включение отдельных цилиндров и их чередование, а также выключение - включение отдельных циклов в части или во всех цилиндрах. Всё это возможно как без изменения фаз газообмена, так и

с их изменением. Метод механического отключения цилиндров с остановкой поршней путём отключения части коленчатого вала или одного из, например, двух валов пока только начинает развиваться. Наиболее распространён метод отключения топливоподачи без изменения фаз газообмена.

Исторически метод получил наибольшее распространение применительно к бензиновым двигателям. Позднее - применительно к сравнительно крупным дизелям (тепловозным, стационарным, крупных строительно -дорожных машин и т.д.). В последнее время метод находит применение и на дизелях автотракторного назначения, причём, как многоцилиндровых, так и малоцилиндровых (4-х и 3-х цилиндровых).

По данным фирмы MTU отключение ряда цилиндров V - образного дизеля позволило снизить расход топлива на XX на величину до 18%, загрязнение масла в картере на 81% и токсичность выхлопных газов - на 72 % [11, 78].

Метод (прежде всего отключение топливоподачи) сравнительно легко может быть применён на дизелях с системами типа «Коммон Рейл» с электронным регулированием. Однако, в эксплуатации находится большое число автомобильных и тракторных дизелей, оснащённых системами топливоподачи разделённого типа. На них применение метода достаточно сложно.

Целью данной работы является дальнейшее совершенствование метода повышения экономичности работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов оперативным изменением его рабочего объёма, путём отключения топливоподачи в часть цилиндров.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

- выбор элементов модернизации дизельной топливной аппаратуры разделённого типа, обеспечивающей отключение - включение отдельных цилиндров или циклов при регулировании начального давления топлива

перед циклами топливоподачи в широком диапазоне скоростных режимов;

- совершенствование математической модели работы дизеля с потребителем на режимах малых нагрузок и холостых ходов;

- дальнейшее подтверждение эффективности методики оценки возможностей повышения экономичности режимов малых нагрузок дизеля методом изменения рабочего объёма по универсальным характеристикам дизеля;

- получение численных значений возможных выигрышей в расходах топлива при применении метода регулирования дизеля изменением рабочего объёма.

Научная новизна работы заключается в следующем.

<

Усовершенствованы и исследованы метод и средства повышения экономичности протекания режимов малых нагрузок и холостых ходов дизеля с системой топливоподачи разделённого типа.

Усовершенствованы элементы топливоподачи, обеспечивающие реализацию метода регулирования дизеля выключением - включением цилиндров или циклов в широком диапазоне скоростных режимов.

Выполнено дополнительное подтверждение эффективности методики оценки возможностей повышения экономичности режимов малых нагрузок дизеля методом изменения рабочего объёма по универсальным характеристикам дизеля.

Усовершенствована математическая модель реализации режимов частичной нагрузки дизеля методом изменения числа работающих цилиндров или циклов.

Применительно к дизелю типа 6 Ч 11/12,5 получены количественные * данные, подтверждающие эффективность метода по показателям экономии

топлива.

Практическая значимость результатов исследования заключается в подтверждении работоспособности элементов модернизации топливной аппаратуры разделённого типа для регулирования дизеля изменением числа работающих цилиндров или циклов.

Математические модели позволяют ускорить анализ возможностей получения положительных эффектов от применения метода.

Применение предложенного метода и реализующей его системы позволит снизить расходы топлива при работе дизеля типа 6 Ч 11/12,5 на режимах малых нагрузок и холостых ходов в широком диапазоне скоростных режимов.

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

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

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры, в учебном процессе и при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Результаты работы доложены на научно -технических конференциях инженерного факультета РУДН в 2010 и 2011 г.г., на Всероссийском семинаре в МГТУ им. Н.Э. Баумана (2010 г.), на

юбилейной конференции в МАДИ - ГТУ в 2011 г. и конференции инженерного факультета РУДН в 2012 г.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы 11 работ, из которых 5 - статьи, 3 - материалы конференций и 3 - тезисы докладов, причём, 5 работ опубликованы в изданиях по списку ВАК РФ.

Г�