Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Обзор конструктивных схем поршней,автоматически регулирующих степень сжатия 9
1.2. Состояние исследований неустановившихся режимов работы двигателей с автоматически регулируемой степенью сжатия 16
1.3. Обзор работ по исследованию неустановившихся режимов дизелей с постоянной геометрической степенью сжатия 19
1.4. Постановка задач исследования 27
2. Математическое моделирование неустановившихся рееимов двигателя с переменной степенью' сжатия 30
2.1. Линейная математическая модель 30
2.1.1. Линеаризованное уравнение динамики двигателя с переменной степенью сжатия 30
2.1.2. Определение коэффициента усиления двигателя по степени сжатия 31
2.1.3. Линеаризованное уравнение динамики поршня, автоматически регулирующего степень сжатия.. 35
2.1.4. Линейная математическая модель двигателя с переменной степенью сжатия 44
2.2. Нелинейная математическая модель неустановившихся режимов двигателя с переменной степенью сжатия . 47
2.2.1. Нелинейная модель для одноцилиндрового дизеля 49
2.2.2. Нелинейная математическая модель для многоцилиндрового двигателя с газотур бинным наддувом 60
3. Расчетно-теоретическое исследование переходных процессов дизеля с переменной степенью сжатия 67
3.1. Исследование работы двигателя с автоматически регулируемой степенью сжатия на переходных режимах с помощью линейной математической модели 67
3.2. Исследование неустановившихся режимов работы двигателя с переменной степенью сжатия путем численного моделирования при помощи нелинейной математической модели 82
3.2.1. Определение влияния конструктивных параметров поршня,автоматически регулирующего степень сжатия, с редукционным клапаном на показатели переходных процессов дизеля с переменной степенью сжатия 82
3.2.2. Исследование работы дизеля с новыми вариантами конструкции ПАРСС без редукционных клапанов на переходных режимах 115
4. Экспериментальное исследование неноминальных и переходных режимов дизеля с регулируемой степенью шатия 150
4.1. Задачи экспериментального исследования 150
4.2. Экспериментальное исследование ПАРСС с редукционными клапанами на дизеле ЧНІ2/І4 при установившихся режимах 151
4.3. Экспериментальное исследование работы новых конструкций ПАРСС без редукционных клапанов 168
4.4. Экспериментальное исследование переходных процессов дизеля с регулируемой степенью сжатия 192
Основные результаты и выводы 201
Список использованных источников 203
Приложение
- Состояние исследований неустановившихся режимов работы двигателей с автоматически регулируемой степенью сжатия
- Нелинейная математическая модель неустановившихся режимов двигателя с переменной степенью сжатия
- Исследование неустановившихся режимов работы двигателя с переменной степенью сжатия путем численного моделирования при помощи нелинейной математической модели
- Экспериментальное исследование ПАРСС с редукционными клапанами на дизеле ЧНІ2/І4 при установившихся режимах
Введение к работе
Повышение уровня форсирования дизелей является важным аспектом улучшения их технико-экономических показателей. Такое направление работ представляет характерную тенденцию дизелестроения последнего десятилетия, совпадающую с главной народнохозяйственной задачей, определенной ХХУІ-м съездом КПСС - достижением более высоких конечных результатов с меньшими затратами трудовых и материальных ресурсов. Кроме того, существует ряд областей применения двигателей внутреннего сгорания, где высокая удельная габаритная мощность является их основным критерием совершенства.
Увеличение удельных мощностей дизельных двигателей достигается главным образом применением высокого газотурбинного наддува.Однако, высокая форсировка дизелей по давлению наддува приводит к недопустимому возрастанию механических и тепловых нагрузок на основные детали двигателя, что снижает его надежность и моторесурс.
Уменьшение степени сжатия при высоком наддуве представляет собой эффективное средство снижения.максимальных нагрузок на деятели ДВС. Пониженная степень сжатия, являясь наивыгоднейшей для форсированных режимов работы двигателя, становится, неприемлемой при работе на.частичных нагрузках, режимах холостого хода, запуска и прогрева. В этих случаях необходимо обеспечить достаточно высокое значение степени сжатия.
Существует ряд способов, позволяющих преодолеть названное -противоречие. Наиболее логичным из них следует признать регулирование степени сжатия в зависимости от режима работы двигателя.
В результате выполненного анализа литературных источников установлено, что в качестве устройств, обеспечивающих регулирование степени сжатия, наиболее эффективными являются поршни, автоматически регулирующие степень сжатия (ПАРСС). В настоящее время уже
имеется ряд отечественных и зарубежных технических решений по конструкции таких поршней, которые позволяют обеспечить высокое качество регулирования степени сжатия двигателя, улучшить его.показатели в большом диапазоне нагрузочных и скоростных режимов.
Вместе с тем, разработка двигателя с ПАРСС представляет серьезную проблему.Прежде всего это касается обеспечения работоспособности сложных поршней.В настоящее время основными факторами,препятствующими применению регулируемой степени сжатия в ДВС,являются присущая ПАРСС конструктивная сложность и недостаточная надежность в работе.Поэтому актуальным является возможное упрощение конструкции таких поршне,что,как правило,позволяет ожидать и повышения их надежности в эксплуатации.Этому вопросу в данной работе отведено важное место.
Другая актуальная проблема применения переменной степени сжатия - обеспечение качественной работы двигателя с ПАРСС на переходных режимах. Широкое применение дизелей на транспорте,в строительных и дорожных машинах, на буровых установках выдвигает проблему эффективной их работы на неустановившихся нагрузочных и скоростных режимах, характерных для указанных видов установок. При переходных процессах ухудшаются основные показатели рабочего процесса, в результате чего увеличивается дымность и токсичность выхлопных газов, тепловые и механические нагрузки деталей двигателя. Являясь важным параметром рабочего цикла, степень сжатия двигателя с ПАРСС в переходных процессах может изменяться в 2 раза. Поэтому несогласованность изменения степени сжатия и других параметров рабочего процесса может привести либо к чрезмерным максимальным механическим и тепловым нагрузкам на детали ЦПГ, либо к резкому ухудшению параметров рабочего процесса, пропуску вспышек в цилиндрах. Указанные явления могут в значительной степени повлиять на показатели переходных процессов, на.их устойчивость. Отсюда вытекает необходимость в оценке влияния системы регулирования степе-
7 ни сжатия на переходные процессы двигателя. Закон изменения степени сжатия при неустановившихся режимах зависит от конструктивных параметров поршней, автоматически регулирующих степень сжатия.Конструкция сложных поршней оказывает также влияние и на статические характеристики работы двигателя.
В настоящей работе уделено значительное внимание исследованию
влияния конструктивных параметров ПЛРСС на характеристики измене
ния степени сжатия, показатели двигателя при переходных и устано
вившихся режимах работы.
При экспериментальном исследовании различных характеристик двигателя с переменной степенью сжатия необходимо определять величину последней при испытаниях. С этой целью разработаны соответствующие методы для определения степени сжатия в цилиндрах.
Для оценки влияния наибольшего числа факторов на работу системы автоматического регулирования степени сжатия существенная часть исследований выполнена с помощью разработанных математических моделей переходных и установившихся режимов работы двигателя с переменной степенью сжатия.
Важными частями настоящей работы явились .разработка и исследование работы новых конструкций ПАРСС, не содержащих прецизионные элементы. Определены характеристики.работы таких поршней при. различных режимах работы двигателя, проанализировано влияние их.основных конструктивных параметров на характер изменения степени сжатия, разработаны рекомендации по применению названных поршней в дизелях с наддувом.
Результаты выполненных исследований показали, что.применение переменной степени сжатия в двигателях внутреннего сгорания позволяет улучшить их показатели на переходных и установившихся режимах, что увеличит эффективность применения ДВС в народном хозяйстве. Названные выше аспекты разработок и исследований посвящены
этой задаче. Сведений по данным вопросам в отечественной и зарубежной литературе недостаточно, особенно для неустановившихся режимов работы ДВС с регулируемой степенью сжатия. Это позволяет считать выбранное направление исследований актуальным, а полученные результаты - представляющими практическую ценность.
Состояние исследований неустановившихся режимов работы двигателей с автоматически регулируемой степенью сжатия
При создании двигателей с системой автоматического регулиро вания степени сжатия важное значение имеет исследование их работы на неустановившихся режимах-при резких изменениях-внешней.нагрузки и частоты вращения коленчатого-вала, которое позволит обоснованно выбрать конструктивные параметры системы АРСС- .. .... - - Так, в работе /88/ справедливо отмечается, что при работе-, с резко изменяющейся нагрузкой в дизеле с поршнями,, автоматически регулирующими степень сжатия, могут иметь место всплески давлений . рабочего тела. Запаздывание снижения степени сжатия при набросена-грузки на дизель, оснащенный поршнями ПАРСС и имеющий нагнетатель, механически связанный с коленчатым валом, может привести.к росту, Pg до 20$ свыше допустимого уровня.по данным ./52/, Период.выхода двигателя на номинал составляет 5„..10с, отмечается В-работе /14/, причем основное изменение параметров рабочих циклов происходит, в течение первых 2...4с переходного процесса, что совпадает со вре менем прохождения всего диапазона степени сжатия, обеспечиваемого системой АРСС. При снижении степени сжатия наблюдается увеличение периода задержки самовоспламенения ч в дизелях. По данным /14/ изменение степени сжатия от 12 до 8 приводит к увеличению Т(, в 1,85 раза и возрастанию жесткости работы в 1,35 раза, вследствие чего происходит смещение процесса сгорания на.линию расширения и ухудшаются термодинамические показатели цикла. От величины степени сжатия зависят характер тепловыделения, коэффициент полезного действия (к.п.д.) цикла, максимальные давления при сгорании, пусковые качества двигателя. В работе /10/ отмечается, что увеличение степени расширения Єр цикла.по сравнению со степенью сжатия ё способствует повышению к.п.д. двигателя, В работе /86/ предложена математическая модель, позволяющая производить расчет параметров рабочего процесса двигателя с ПАРСС на установившихся и неустановившихся нагрузочных режимах. .Лодель учитывает сжимаемость масла в гидравлических полостях сложного поршня, изменение давления рабочего тела в цилиндре двигателя по углу.поворота коленчатого вала, рассчитываемого по методике -Ви бе И.И. Работа агрегатов турбонаддува и регулятора скорости не рас сматриваются. ...,., В работе /94/ приведена более упрощенная модель. Изучение установившихся режимов двигателя-обычно предшествует исследованию неустановившихся.режимов. В этом отношении для двигателей с автоматически регулируемой степенью сжатия проведен значительный объем работ по исследованию гидравлической системы ПАРСС, теплового состояния деталей сложного поршня.и рабочего процесса двигателя с ПАРСС на установившихся- режимах. Следует рассмотреть некоторые работы ,по этому вопросу,, представляющие интерес с позиций приложения их результатов к изучению неустановившихся режимов двигателей с автоматически регулируемой степенью сжатия. Исследования /28/ рабочего процесса дизеля ЧН 36/45 с ПАРСС позволили установить закономерности изменения степени повышения давления при сгорании Л , а также разности максимального давления цикла Рг и давления конца сжатия Рс в широких диапазонах изменения с , давления наддува и частоты вращения вала двигателя. Подробное аналитическое исследование работы ПАРСС, имеющего традиционную конструкцию - две масляные камеры, питаемые маслом.через обратные клапаны, разгрузочный клапан сообщен с.полостью картера - приведено в работах Махалдиани В.В., Эджибии И.Ф., Леонидзе А. М. /52/, Шароглазова Б.А. /85/. Дальнейшее развитие методы расчетных исследований ПАРСС получили в работах /44/, /73/, /87/, /90/ и других. Экспериментальные данные, позволяющие судить о достоверности теоретических результатов расчета гидравлической системы ПАРСС,получены на моделирующей установке, описанной в работах../42/, A3/,-/80/ и на реальном двигателе ІЧІ5/І8 с ПАРСС по данным /79/, /43/, Улучшение динамических качеств двигателя с-регулируемой, степенью сжатия по сравнению с обычным отмечено в работе /52/ при .сравнении кривых разгона танков М-48 с двигателем AVOR-nPO и М- бО, - с двигателемAVCR-J790: более быстрый разгон обеспечивает двигатель с ПАРСС.
Для двигателя с ПАРСС имеет место лучшее протекание кривой мо мента двигателя П по скоростной характеристике. Переходным процессам двигателей присущи характерные особенности, отличающие их от установившихся режимов. Поэтому при изучении двигателя с ПАРСС, как объекта регулирования скорости, необходимо опираться на обширный опыт исследования неустановившихся режимов обычных двигателей с фиксированной степенью сжатия. При изучении неустановившихся режимов работы двигателей внутреннего сгорания широко применяются как экспериментальные, так и расчетные методы исследования. Как.показано в работах Болтинского В.Н./9/, Юшина А.А., Евте-енко В.Г./97/, Малашенко В.А./49/, /50/ и других, в сельском хозяйстве двигатели внутреннего сгорания работают в условиях.резких колебаний угловой скорости и нагрузки.,В работах Акатова Е.И., Белова П.М.,.Дьяченко Н.Х., Мусатова В.С./З/, Антропова5. С. /4/, Соколова Ю.А./74/ и многих других авторов рассматриваются характерные для автомобильных,двигателей неустановившиеся режимы работы -разгоны под нагрузкой. Для двигателей буровых установок, дизель-генераторов характерным является наброс нагрузки.при номинальной частоте вращения вала двигателя (Волокомирский И.И./57/ и др.). . . ... Многие авторы, как например Зпштейн А.С./96/, Севрук И В./72/, Белостоцкий A.M./8/, Шорох В.А./92/ и другие, при исследовании переходных процессов тепловозных ДВС рассматривают плавное или ступенчатое нагружение двигателя тепловоза. Практически только на неустановившихся режимах работают установки всех транспортных машин /б/. Достигнуты определенные успехи в исследовании путей повышения качества переходных процессов ДВС. Такими путями являются: I) подача дополнительного воздуха в цилиндры дизеля с газотурбинным наддувом (ГТН)/13/, /71/ и др. ;.2) дополнительный разгон ротора турбокомпрессора (/39/, /70/ и др.); 3). совершенствование конструкции систем турбонаддува (/54/, /55/ и др.); 4) совершенствование топливоподачи дизелей- /II/,./46/; 5)-регулирование проходных сечений турбины и компрессора, предварительное повышение исходного давления наддувочного воздуха (/17/, /69/и др.); 6) применение на дизелях двухимпульсного регулирования, опережающего регулирования, задержки выхода рейки топливного насоса высокого давления (ТНВД) на упор, автоматически переставляемых упоров реек ТНВД (/16/, /61/ и др.); 7) утилизация отходящего тепла /79/. Исследованиями /19/ установлено, что при неустановившихся режимах работы дизелей наполнение цилиндров отличается от сходственных установившихся режимов. При резком ускорении коленчатого вала весовое наполнение уменьшается на 6%, а при замедлении увеличивается на 11$. Неравномерность наполнения цилиндров при разгоне (в случае бокового подвода воздуха достигающую 12$) удается в значительной степени улучшить при центральном подводе воздуха к цилиндрам. Существенное влияние на протекание рабочего процесса при неустановившихся режимах оказывает также тепловое состояние двигателя /23/, особенно в случаях холодного пуска. В работе /20/ предлагается улучшить динамику и экономичность дизелей с турбонаддувом на неустановившихся режимах за счет доводки их рабочего процесса.
Нелинейная математическая модель неустановившихся режимов двигателя с переменной степенью сжатия
Необходимость разработки и применения нелинейной математической модели двигателя с переменной степенью сжатия при работе на переходных режимах вызвана следующим: 1) результаты расчета переходных процессов по линейной модели достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными лишь при малых отклонениях регулируемых величин от исходных значений; 2) вычисление коэффициентов линеаризованных уравнений динамики требует наличия и обработки большого объема экспериментальных данных ; 3) по названной причине затруднительно проследить влияние ос новных конструктивных параметров системы на изменение в переходном процессе основных показателей рабочего цикла ; 4) линеаризлванное уравнение ПАРСС весьма приближенно описывает закон изменения степени сжатия, не позволяет выявить влияние многих конструктивных параметров сложного поршня на показатели переходного процесса; 5) существующая нелинейная модель двигателя, приведенная в работе /51/, при дополнении ее уравнениями динамики ПАРСС значительно усложняется, что затрудняет использование такой модели для инженерных расчетов; 6) известные математические модели двигателя с ПАРСС применимы только к традиционной конструкции ПАРСС и не учитывают в большинстве случаев утечек масла через неплотности гидравлических полостей, через сочленения верхней головки шатуна с маслоприемником, насыщение масла картерными газами, изменение частоты вращения двигателя и параметров на входе и выходе из цилиндров в переходном процессе. Нелинейная математическая модель переходных режимов двигателя с регулируемой степенью сжатия должна сочетать достаточную простоту при одновременном учете факторов, оказывающих существенное влияние на протекание переходного процесса и изменение степени сжатия. Для проверки применимости основных допущений и эмпирических зависимостей, используемых при расчетах переходных процессов 4-х тактного дизеля с ПАРСС разработана нелинейная математическая модель применительно к одноцилиндровому двигателю, что облегчает как отработку методики расчета, так и сравнение расчетных данных с экспериментальными. Указанная математическая модель позволяет исследовать влияние различных конструктивных параметров ПАРСС на показатели рабочего цикла двигателя при установившихся и переходных режимах, на характеристики переходного процесса в целом.
На основе нелинейной модели для одноцилиндрового двигателя разработана математическая модель неустановившихся режимов полноразмерного комбинированного двигателя с комплектом поршней, обеспечивающим переменную степень сжатия в цилиндрах,
Основные допущения:I) не учитывается влияние углового ускорения коленчатого вала на протекание рабочего процесса в цилиндре и цикловую подачу топлива ; 2) не учитывается неустановившийся характер движения воздуха на впуске и отработавших газов на выпуске ; для расчета газообмена в период переходного процесса считается применимым метод объемного баланса проф.Глаголева Н.М.; 3) тепловое состояние двигателя во время переходного процесса считается неизменным; 4) пренебрегают сжимаемостью масла в полостях ПАРСС ; 5) открытие и закрытие обратного клапана ПАРСС происходит мгновенно вследствие его малой массы и величины хода.
Математическая модель включает системы уравнений для процессов сжатия, сгорания-расширения и газообмена в цилиндре дизеля,изменения степени сжатия вследствие перемещения подвижной оболочки ПАРСС, а также уравнения, описывающие двигатель как объект регулирования скорости вращения коленчатого вала.
Перед началом расчета переходного процесса моделируется установившийся режим дизеля. При этом в ходе итерационного решения корректируются неверно заданные исходные данные.Уравнения рабочего цикла
Процесс сжатия считается политропным с постоянным показателем /7/ . Давление /у в цилиндре в момент Sfy закрытия впускного клапана определяется в результате расчета наполнения цилинд pa свежим зарядом, а в начале расчета - по экспериментальным данным или в случае отсутствия последних задается произвольно: РуЯ /,/Pg . На каждом і -м шаге расчета определяется давление газов в вращения коленчатого вала /2 , относительное положение рейки топливного насоса высокого давления. В начале впрыска топлива в цилиндр - за Sfa П.К.и. до ВМТ-определяются период задержки воспламенения [ L по работе /77/ при известных температуре Tgn идавлении Pgn в момент впрыскаа также цикловая подача ъъътъъ ди 0 + К и h » где ЯцО подача топлива в цилиндр на холостом ходу.Угол поворота вала двигателя fn ПРИ начале сгорания
Расчет процесса сгорания производится по методике И.И.Вибе/12/ с учетом изменения коэффициентов /77 и rL В переходном процессе по работе /51/ Индекс "О" в выражениях для /77 н тг относится к режиму,параметры рабочего процесса которого известны.
В период переходного процесса возможны случаи, когда с(. -{ . При этом принимается допущение, что полностью сгорает количество топлива Д Q-ц , равное &&ц=Яцс с коэффициентом избытка воздуха сі --І
Процесс расширения считается политропным, продолжающимся до момента открытия выпускного клапана .
Процесс газообмена происходит при неустановившихся режимах двигателя, вследствие чего возможны различные сочетания величин давлений газов в выхлопном коллекторе Мр , в цилиндре Н и во впускном ресивере М$ . Поэтому в рассматриваемой модели учтены возможности заброса газов из выпускного коллектора в цилиндр в конце выпуска, продуктов сгорания из цилиндра во впускной ресивер как в процессе продувки, так и в конце наполнения.
Давление газов в период газообмена определяется по методу объемного баланса проф.Глаголева Н.М. с учетом режима истечения:
Исследование неустановившихся режимов работы двигателя с переменной степенью сжатия путем численного моделирования при помощи нелинейной математической модели
Основной объем исследований выполнен применительно к одноцилиндровому дизелю ІЧНІ2/І4 с поршнем, автоматически регулирующим степень сжатия. Выбор указанного объекта исследования объясняется тем, что при рассмотрении большого количества конструктивных вариантов ПАРСС счет переходных процессов одноцилиндрового двигателя занимает существенно меньше машинного времени ЭЦВМ, чем при счете переходных процессов многоцилиндрового дизеля с газотурбинным наддувом, а влияние конструктивных параметров сложного поршня на характер изменения степени сжатия в переходном процессе и показатели самого переходного процесса практически однотипны для многоцилиндрового и одноцилиндрового дизелей.
Для более четкого выявления влияния изменения степени сжатия в переходном процессе на показатели последнего, изменения параметров в газовоздушных трактах навходе и выходе из дизеля во время переходного процесса приняты одинаковыми для всех вариантов счета переходных процессов одноцилиндрового дизеля с ПАРСС. Изменение давления наддувочного воздуха и противодавления на выхлопе во время переходного процесса заданы с помощью аппроксимирующих зависимостей, полученных при экспериментальных исследованиям полноразмерного дизеля с газотурбинным наддувом.
Исследовались два вида переходных процессов - прием нагрузки при номинальной частоте вращения коленчатого вала и разгон под нагрузкой. Величина набрасываемой нагрузки для большинства вариантов составляла 98 Н м, что в пересчете на полноразмерный дизель соответствует номинальной мощности NQ= /WKDT. Соответствующее среднее эффективное давление цикла полноразмерного двигателя равно при этом 0,935 МПа (9,55 кГ/см ). Рассмотрен также прием одноцилиндровым дизелем нагрузки, соответствующей в пересчете на полноразмерный двигателя Рд=і37МПа ( 14 кГ/см2).
При исследовании влияния конструктивных параметров ПАРСС с редукционными клапанами на показатели переходных процессов дизеля рассматривалось влияние: массы подвижной оболочки сложного поршня; давления масла в системе смазки дизеля; расположения редукционного клапана (вертикальное, горизонтальное); площади нижней масляной камеры ПАРСС; сил трения подвижной оболочки ПАРСС о гильзу цилиндров; утечек масла из верхней масляной камеры ПАРСС в нижнюю; диаметра редукционного клапана при площади нижней масляной камеры ПАРСС 25 10 " ыс жесткости пружины редукционного клапана; предварительной затяжки пружины редукционного клапана; негерметичности запорного конуса редукционного клапана ; диаметра запорного конуса редукционного клапана при площади нижней масляной камеры ПАРСС 15 КГ4 м2 .
В настоящее время разработан ряд отечественных и зарубежных конструкций редукционных клапанов ПАРСС, позволяющих получить высокое качество регулирования степени сжатия, в том числе и при переходных процессах двигателя. К недостаткам таких клапанов следует отнести усложнение их конструкции и изготовления.
В данной работе рассмотрены только простейшие редукционные клапаны, посокльку одной из задач являлась разработка и исследование возможно более простых конструкций ПАРСС, позволяющих в то же время получить удовлетворительное качество регулирования степени сжатия. Провести исследование существующих конструкций редукционных клапанов ПАРСС в рамках настоящей работы не представляется возможным. Это должно составить предмет отдельного исследования.
Рассмотрим влияние названных выше факторов на показатели переходных процессов дизеля с регулируемой степенью сжатия по результатам расчетных исследований.
На рис. 3.12 приведены переходные процессы приема нагрузки дизелем ІЧНІ2/І4 с ПАРСС при давлении масла в системе смазки 0,35 МПа и 0,5 МПа. В целом отличие показателей переходных процессов для данных двух вариантов невелико, однако характер изменения степени сжатия и максимального давления цикла заметно различаются. В первом случае (при давлении масла 0,35 МПа) снижение степени ежа кг. тия начинается через I секунду от начала переходного процесса, во втором - через 2 секунды. После окончания переходного процесса значения степеней сжатия отличаются на 9,5$ ( у=7%5У =/ 5 ), а значения Р% соответственно равны 8,4 МПа и 9,3 МПа. Предварительная затяжка пружины редукционного клапана ПАРСС, принятая в расчете рассматриваемых вариантов, соответствует давлению открытия шъ-панй P#/t-/2,7МПй. Статическая ошибка в поддержании заданного давления масла в верхней камере ПАРСС составляет в первом случае 2,8$ (0,4 МПа) и 4,9$ (0,7 МПа) во втором. Амплитуды колебаний подвижной оболочки ПАРСС после окончания переходного процесса около равновесного положения составляют соответственно 0,19мм и 0,32мм.
Таким образом, несмотря на установку редукционного клапана с неизменным усилием затяжки пружины, изменение давления масла в системе смазки двигателя приводит к различным законам изменения и Р в переходном процессе и к различным конечным их значениям.Механизм указанных явлений становится понятным при более подробном рассмотрении процессов в полостях ПАРСС и цилиндре двигателя внутри каждого рабочего цикла.
На рис. 3.13 показано изменение основных параметров дизеля и ПАРСС по углу поворота коленчатого вала на 3-й секунде переходного процесса (2,56с от его начала) рассматриваемых вариантов. Из приведенных кривых изменения скорости перемещения подвижной оболочки ПАРСС /Q[- относительно тронковой части поршня видно, что при давлении масла 0,54 МПа происходит более инетнсивное увеличение скорости оболочки в районе ВМТ при газообмене (от 640п.к.в. до v80n.K.B.) из-за большего перепада давлений масла в полости ма-слоприемника и в верхней камере, а также расширения периода открытия наполняющего клапана ПАРСС. В результате, при увеличенном давлении масла подвижная оболочка поршня поднимается на заметно большую величину, чем при меньшем давлении масла. Это приводит к уве личению степени сжатия в начале процесса сжатия и при сгорании,что в свою очередь приводит к повышению давления рабочего тела в цилиндре в течение всего рабочего хода и, соответственно, Р% . С увеличением давления газов в цилиндре увеличиваются давления масла в камерах ПАРСС,и срабатывание редукционного клапана происходит при большем давлении масла. Увеличивается подъем иглы клапана, что наряду с возросшим перепадом давлений между верхней полостью и картером, обеспечивает истечение из верхней масляной камеры поршня большего количества масла. Величина максимального открытия редукционного клапана при этом увеличивается в 2,5 раза (0,065мм . и 0,16мм), продолжительность открытия - в 1,6 раза (15 и 23).Более резкое перемещение оболочки ПАРСС в сторону уменьшения степени сжатия вызывает соответствующее уменьшение давления масла в нижней камере поршня в этот период на 2 МПа по сравнению с вариантом переходного процесса при давлении масла 0,34 МПа. В случае разгона двигателя с ПАРСС под нагрузкой влияние дав-г ления масла в рассматриваемом диапазоне гораздо более существенно. На рис.3.14 приведены переходные процессы разгона для 2-х значений (0,35 МПа и 0,55 МПа) давлений масла при частоте вращения /Is
Разгон двигателя происходит от частоты вращения 1000 .мин""1 .до—I 1500 мин . При пониженных частотах вращения давление масла в. системе смазки уменьшается. Существенно снижаются также силы инерции ПОДЕИЖНОЙ оболочки, стремящиеся увеличить степень сажтия при газообмене. В результате ухудшаются условия наполнения верхней камеры ПАРСС при насосных ходах, что вызывает некоторое уменьшение сте -пени сжатия и г% по сравнению с номинальной частотой вращения. При давлении масла в системе смазки 0,35 МПа на номинальном скоростном режиме, в случае частоты вращения 1000 мин" давление масла составляет 0,18 МПа, что приводит к чрезмерному уменьшению величины наполнения верхней полости ПАРСС и к практическому выключе
Экспериментальное исследование ПАРСС с редукционными клапанами на дизеле ЧНІ2/І4 при установившихся режимах
При экспериментальном исследовании работы ПАРСС с редукционным клапаном на установившихся режимах дизеля применялись две разновидности простейшего редукционного клапана грбкового типа - с диаметром иглы 4 мм и 6 мм (использовались нагнетательные клапаны топливной аппаратуры дизелей).
Конструкция поршня позволяла устанавливать один или два клапана с диаметром 4 мм, либо один - диаметром б мм.
Рассмотрим вначале результаты, полученные при испытаниях ПАРСС, оснащенных редукционными клапанами с диаметром иглы 4мм.
На рис.4.1 представлены результаты испытаний ПАРСС на дизеле ІЧНІ2/І4 при частотах вращения коленчатого вала 1500 мин" и 1000 мин" 1 (кривые 3 и 3 ). Кривыми I...4 и I ...4 показаны зависимости максимального давления цикла A g и степени сжатия при повышении давления наддува. С целью проверки необходимой герметичности масляных камер ПАРСС предварительно были проведены испытания дизеля с ПАРСС, оборудованного одним редукционным клапаном с затянутой до упора пружиной. Степень сжатия не изменилась несмотря на высокое значение Р -ЩбМПа , что свидетельствует о достаточной герметичности масляных камер экспериментального образца ПАРСС.
Кривые 2 и 2 получены при установке на ПАРСС одного клапана, отрегулированного на давление открытия Р -гт,$пПси Уменьшение степени сжатия при увеличении 2 до 10 МПа было незначительным.
Снижение частоты вращения двигателя до 1000 мин (кривые 3 и 3 ) привело к существенному изменению закона регулирования Давление масла в системе смазки поддерживалось равным 0,3 МПа для всех режимов работы двигателя при проведении данного исследования. Как вижно из рисунка, степень сжатия снизилась в этом случае до минимальной величины при повышении давления воздуха во впускном ресивере Р$ до 0,225 МПа. Максимальное давление цикла возрастало при увеличении Рс от 0,1 до 0,175 МПа и уменьшалось при дальнейшем повышении Р г от 0,175 до 0,225 МПа.
Кривые 4 и 4 получены при частоте вращения 1500мин . ПАРССбыл оборудован 2-мя клапанами диаметром 4 мм, отрегулированнымина давление открытия 5,8 МПа. На режиме холостого хода величинастепени сжатия составляла С - J2t3 , при увеличении Hj до0,11 МПа С снизилась до минимальной величины, максимальное давление цикла составляло 2,8 МПа.
Полученные экспериментальные данные позволяют сделать некоторые выводы:для выполненной конструкции ПАРСС установка 1-го редукционного клапана диаметром 4мм не обеспечивает регулирования степени сжатия в заданных пределах при частоте вращения 1500 мин " ;статическая ошибка в поддержании рассматриваемым клапаном заданного давления в верхней масляной полости ПАРСС (т.е. разность между давлением открытия клапана и максимальным давлением в полости) весьма велика (4...6 МПа), что приводит к нестабильности поддержания заданного значения гС при изменении режимов двигателя ;при частоте вращения двигателя 1000 мин" одного редукционного клапана диаметром 4мм достаточно для обеспечения удовлетворительного закона регулирования степени сжатия по нагрузочной характеристике ;при малых усилиях затяжки пружины редукционного клапана,очевидно, нарушается необходимая герметичность запорного конуса клапана (см.кривые 4, 4 на рис.4.1).
Возможность обеспечения удовлетворительного качества регулирования степени сжатия дизеля ЧНІ2/І4 при 1500 мин с помощью ПАРСС, оснащенного 2 мя редукционными клапанами диаметром 4мм проверялась на комплекте из 6-ти поршней, каждый из которых поочередно устанавливался на двигатель ІЧНІ2/І4.
С целью определения зависимости максимального давления цикла для 4-х ПАРСС идентичной конструкции давления открытия клапанов выставлялись равными 12 МПа, II МПа, 10,5 МПа и 10 МПа. Давление открытия редукционных клапанов оставшихся 2-х ПАРСС составляло 10,5 МПа - для оценки не идентичности регулирования степени сжатия ПАРСС с одинаковыми регулировочными параметрами. Жесткость пружин 12-ти редукционных клапанов поршней, используемых при испытаниях,составляла 330...380 Н/мм. Проходные сечения наполняющих клапановПАРСС находились в пределах б,5...8мм . Параметры масла в системесмазки двигателя поддерживались неизменными - давление 0,3 МПа, температура 65С.
Результаты испытаний 6-ти ПАРСС на стенде ІЧНІ2/І4 представлены на рис.4.2 - при увеличении нагрузки и 4.3 - при ее снижении. Как видно из рис.4.2, разница в регулировании степени сжатия поршнями №1 и №2 ( Рм-12 U ІІНПа соответственно) несущественна, закон регулирования 8 можно считать удовлетворительным. Недостатком регулирования является малый участок характеристики с P -COHbt . Так же достаточно велик завал г% при увеличении нагрузки в зоне действия системы автоматического регулирования степени сжатия, составляющий 1,1...1,2 Ша. Аналогичные характеристики изменения и г 2 обеспечивает поршень №3 с усилием затяжки пружин редукционных клапанов на давление открытия 10,5 МПа. Максимальное значениеР, здесь ниже на 0,6 МПа, большую величину имеет завал Hg при увеличении Mj от 0,22 до 0,25 МПа. Завал по r g при увеличении
Рс Для поршня №4 имел наибольшее значение (3 МПа) по сравнению с результатами испытаний остальных поршней комплекта. Характеристи ки изменения с и Р для поршней №5 и №6 отличны от поршня №4 и друг от друга, несмотря на одинаковую регулировку редукционных клапанов для поршней Ш 4, 5, б ( г -УШ Д). Это, очевидно, объясняется различными утечками масла из гидравлических камер ПАРСС, так как данные математического моделирования влияния утечек масла на регулируемые значения и г% (см. раздел 3.2.1) приводят именно к такому результату. Проведенные после цикла испытаний замеры торцевых зазоров в замках уплотняющих колец масляных полостей поршней подтвердили указанное предположение. Для данной конструкции ПАРСС влияние торцевого зазора в уплотняющих кольцах особенно велико, поскольку для герметизации верхней и нижней масляных камер было использовано по одному чугунному кольцу прямоугольного сечения с прямым замком.Поршень №5 имел наименьшие зазоры в замках колец, поршень Кб - наибольшие. Колебания в пределах комплекта 6-ти поршней зазора в замке кольца верхней полости составляло 0,6...1,1мм, нижней - 0,3...0,7мм. Очевидно, достигнуть лучшей идентичности можно либо обеспечением одинаковых зазоров в замках колец масляных камер, либо установкой большего количества колец в уплотнении полостей ПАРСС.При огом для схемы поршня с соединенными масляными камерами существенно более важное значение имеет качество уплотнения нижней масляной полости.
При сопоставлении рисЛ.2 и 4.3 видно, что при изменении направления нагружения двигателя (увеличение нагрузки или уменьшение) кривые С и гg .не. совпадают, т.е. наблюдается заметный гистерезис в изменении этих параметров. Для поршней №М и 2 гистерезис мало заметен, для поршней ШЗ.к 4 он составляет несколько большую величину и достигает большого значения для поршней №№5 и 6.
Гистерезис степени сжатия, возникающий при уменьшении нагрузки в случае, когда оболочка ПАРСС находится на упоре минимальной степени сжатия, для данной конструкции поршня имеет стабильный ха
