Содержание к диссертации
Введение
1 Особенности работы тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на типовом режиме самостоятельного холостого хода 18
1.1 Работа дизелей автотракторной техники в режиме холостого хода 18
1.2 Работа карбюраторных двигателей автомобилей в режиме холостого хода 34
1.3 Способы улучшения технико-экономических и экологических показателей тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на холостом ходу и устройства для их осуществления 45
1.3.1 Способы улучшения показателей дизелей на режиме холостого хода и устройства для их осуществления 45
1.3.2 Способы улучшения показателей бензиновых двигателей на режиме холостого хода и устройства для их осуществления 49
1.4 Обоснование проблемы и задачи исследования 55
2 Теоретическое обоснование экспериментального режима самостоятельного холостого хода двигателей автотракторной техники 59
2.1 Сущность экспериментального режима холостого хода 59
2.2 Расчетно-теоретическое обоснование экспериментального режима холостого хода дизеля
2.2.1 Анализ сил и моментов, действующих на кривошипно-шатунный механизм поршневого ДВС в экспериментальном режиме холостого хода 66
2.2.2 Обоснование закона изменения угловой скорости коленчатого вала в пределах цикла экспериментального режима холостого хода дизеля 70
2.2.3 Обоснование и расчет параметров управляющих воздействий на топливоподачу при реализации экспериментального режима холостого хода дизеля 79
2.3 Расчет показателей рабочего процесса дизеля в режиме холостого хода на ПЭВМ 89
2.4 Расчетно-теоретическая оценка влияния состава топливовоздушной смеси на показатели автомобильного карбюраторного двигателя в экспериментальном режиме холостого хода
2.4.1 Взаимосвязь конструктивных и гидродинамических параметров системы холостого хода карбюратора с составом топливовоздушной смеси 99
2.4.2 Влияние состава топливовоздушной смеси на показатели рабочего процесса карбюраторного двигателя 106
2.4.3 Закономерности перемещения клапана системы холостого хода карбюратора 112
2.5 Обоснование нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала комбайнового дизеля на экспериментальном режиме холостого хода 118
2.6 Определение эксплуатационных показателей автотракторной техники 131
Выводы 133
3 Системы автоматического управления работой тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на экспериментальном режиме самостоятельного холостого хода 134
3.1 Система автоматического управления работой тракторного дизеля на режиме холостого хода 134
3.1.1 Система автоматического управления с воздействием на рейку топливного насоса высокого давления и варианты конструктивного исполнения 134
3.1.2 Система автоматического управления с воздействием на рычаг центробежного регулятора частоты вращения и варианты конструктивного исполнения 144
3.1.3 Система автоматического управления с воздействием на вильчатый рычаг ограничения подачи топлива регулятора частоты вращения 155
3.2 Система автоматического управления работой комбайнового дизеля на режиме холостого хода 159
3.3 Система автоматического управления работой автомобильного дизеля на режиме холостого хода 165
3.4 Системы автоматического управления работой карбюраторного двигателя, оснащенного электромагнитным или электропневматическим клапаном экономайзера принудительного холостого хода 172
3.4.1 Система автоматического управления работой карбюраторного двигателя, оснащенного электромагнитным клапаном ЭПХХ 172
3.4.2 Система автоматического управления работой карбюраторного двигателя, оснащенного электропневматическим клапаном ЭПХХ 182
3.5 Система автоматического управления работой инжекторного двигателя на режиме холостого хода 189
Выводы 194
4 Программа и методика экспериментальных исследований 196
4.1 Программа исследований 196
4.2 Методика проведения эксплуатационных наблюдений за работой автотракторной техники в режиме холостого хода 198
4.3 Методика безмоторных исследований дизельной топливной аппаратуры 199
4.4 Методика лабораторных исследований карбюраторов, агрегатов системы зажигания и генератора переменного тока 201
4.5 Методика определения нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя на экспериментальном режиме холостого хода 207
4.6 Методика моторных исследований 209
4.6.1 Методика моторных исследований дизеля в стендовых условиях 209
4.6.2 Методика моторных исследований дизеля в составе трактора 221
4.6.3 Методика моторных исследований дизеля в составе комбайнам.. 235
4.6.4 Методика моторных исследований дизеля в составе автомобиля 238
4.6.5 Методика моторных исследований карбюраторного двигателя в стендовых условиях 242
4.6.6 Методика моторных исследований карбюраторного двигателя в составе автомобиля 259
4.7 Методика эксплуатационных исследований автотракторной техники 260
4.7.1 Методика эксплуатационных исследований тракторов и комбайнов : 260
4.7.2 Методика эксплуатационных исследований автомобилей 263
4.8 Методика оценки погрешностей величин измерений 265
Выводы 268
5 Результаты экспериментальных исследований 271
5.1 Результаты хронометража времени работы двигателей автотракторной техники в режиме холостого хода 271
5.2 Результаты исследований тракторного дизеля Д-240
(44 11/12,5) 275
5.3 Результаты исследований комбайнового дизеля СМД-31А (6ЧН 13/14) 304
5.4 Результаты исследований автомобильного дизеля ЯМЗ-238М2 (84 13/14) 314
5.5 Результаты исследований карбюраторных бензиновых двигателей УМЗ-414, ЗМЗ-402 (44 9,2/9,2) и ВАЗ-2103 (44 7,6/8) 322
Выводы 339
6. Экономическая эффективность от внедрения системы автоматического управления работой двигателей автотракторной техники в экспериментальном режиме самостоятельного холостого хода 343
Выводы 351
Общие выводы 352
Список использованной литературы
- Способы улучшения технико-экономических и экологических показателей тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на холостом ходу и устройства для их осуществления
- Обоснование и расчет параметров управляющих воздействий на топливоподачу при реализации экспериментального режима холостого хода дизеля
- Система автоматического управления с воздействием на рычаг центробежного регулятора частоты вращения и варианты конструктивного исполнения
- Методика определения нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя на экспериментальном режиме холостого хода
Введение к работе
Актуальность темы. При остановках и стоянках автотракторной техники (тракторов, комбайнов, автомобилей и др.) с невыключенным двигателем последний работает на малых оборотах типового самостоятельного режима холостого хода (РХХ), который из-за пониженных цикловых подач топлива и некачественного смесеобразования характеризуется ухудшенным протеканием рабочего процесса в цилиндрах. Внешними признаками этого безнагрузочного режима являются нестабильная (неустойчивая) работа двигателя, непроизводительный расход топлива, повышенное содержание вредных веществ в отработавших газах и интенсивное нагаро- и смолоотложение на деталях и впускном тракте.
Хронометраж времени и замер расхода топлива у различной автотракторной техники при выполнении ими производственных функций показывают, что на типовом самостоятельном РХХ двигатели автомобилей работают 15-30%, с.-х. тракторов 4-29% и зерноуборочных комбайнов 5-16% фонда рабочего времени, сжигая при этом «впустую» (не производя полезной работы) соответственно 7-15%, 6-12% и 5-17% суммарного расхода топлива. В зимних условиях эксплуатации, и особенно в условиях Северных широт, время работы двигателей на РХХ еще более возрастает. Все это приводит к существенным потерям топлива и перерасходу денежных средств.
Таким образом, на самостоятельном РХХ двигатель расходует топливо, но при этом автотракторная техника полезную работу не выполняет. Однако этот режим объективно присущ поршневым ДВС, поэтому улучшить показатели самого двигателя и эксплуатационные показатели автотракторной техники можно только за счет принципиально новых подходов к реализации режима холостого хода.
В связи с этим исследования, направленные на улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники путем совершенствования работы двигателей на холостом ходу являются актуальными и практически значимыми для экономики страны и аграрного производства в частности.
Работа выполнена в соответствии с программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006 – 2010 г.г., по плану НИОКР Пензенского центра Поволжского отделения ООО «Российская академия транспорта», ФГОУ ВПО «Саратовский аграрный университет им. Н.И. Вавилова» и ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» при техническом содействии ОАО «Тракторная компания «Волгоградский тракторный завод», ГУП «Терновкаагросервис» г.Пенза, ООО «Евросервис-Беково» Пензенской области и Министерства сельского хозяйства Самарской области.
Цель исследований – улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники путем совершенствования работы двигателей на холостом ходу за счет управляющих воздействий на орган топливоподачи, обеспечивающих периодически повторяющиеся такты отключения и такты включения подачи топлива.
Объект исследования – процесс работы тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей в типовом и экспериментальном режимах самостоятельного холостого хода.
Предмет исследований – технико-экономические показатели двигателей на холостом ходу (дизели 4Ч 11/12,5 (Д-240), 4ЧН 13/14 (Д-440), 6ЧН 12/14 (СМД-31А), 8Ч 13/14 (ЯМЗ-238М2), бензиновые карбюраторные двигатели 4Ч 9,2/9,2 (УМЗ-414, ЗМЗ-402) и 4Ч 7,6/8 (ВАЗ-2103), бензиновый впрысковый двигатель 4Ч 8,2/7,1 (ВАЗ-2111)) и эксплуатационные показатели автотракторной техники (тракторы МТЗ-80 и ДТ-75М, з/у комбайн ДОН-1500, автомобили МАЗ-53366, ГАЗ-33021, ВАЗ-21061 и ВАЗ-2112).
Научную новизну работы представляют:
способ работы двигателей автотракторной техники на режиме самостоятельного холостого хода;
математическая модель управления работой двигателя в экспериментальном режиме холостого хода;
расчетно-теоретическое обоснование параметров управляющих воздействий и показателей рабочего процесса двигателей в экспериментальном режиме холостого хода;
критерии выбора нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя в цикле экспериментального режима холостого хода;
системы автоматического управления тракторными, комбайновыми и автомобильными двигателями в экспериментальном режиме холостого хода;
эксплуатационные показатели автотракторной техники с учетом работы двигателей на экспериментальном режиме холостого хода.
Новизна способа работы двигателей автотракторной техники на холостом ходу и устройств для его осуществления подтверждена патентами РФ на изобретения (№ 2170914, № 2204730, № 2296236, № 2302542).
Практическая значимость работы. Системы автоматического управления, реализующие разработанный способ (экспериментальный режим), позволяют существенно повысить эффективность работы автотракторной техники и улучшить технико-экономические и экологические показатели тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на холостом ходу.
При работе дизеля Д-240 трактора МТЗ-80 на экспериментальном режиме холостого хода (400 мин-1) часовой расход топлива снижается в 2,2 раза, общая загрязненность поверхности поршней – 1,9 раза, содержание продуктов износа в моторном масле на 10,4%, интенсивность закоксовывания распылителей форсунок – 4,6%, содержание в отработавших газах оксида углерода, углеводородов и оксидов азота – 20…50% по отношению к типовому режиму (800 мин-1). При этом погектарный и производительный расход топлива трактора, работающего с использованием экспериментального РХХ, уменьшился соответственно на 0,3 кг/га и 0,25 кг/мото-ч.
У дизеля СМД-31А зерноуборочного комбайна ДОН-1500 на эксплуатационных режимах с использованием экспериментального РХХ (600 мин-1) суммарный расход топлива снижается в 1,09 раза, расход топлива на единицу выполненной работы комбайном на 0,01 кг/ц и 0,5 кг/га по сравнению с работой дизеля с использованием типового РХХ (800 мин-1). При этом на экспериментальном РХХ концентрация в отработавших газах оксида углерода и углеводородов снижается в 1,2-1,4 раза по отношению к работе дизеля на типовом РХХ.
При работе дизеля ЯМЗ-238М2 автомобиля МАЗ-53366 на экспериментальном РХХ (600 мин-1) часовой расход топлива снижается в 1,3 раза, содержание оксида углерода в отработавших газах на 14% по отношению к типовому РХХ (600 мин-1). При этом путевой и транспортный расходы топлива с использованием типового РХХ составили соответственно 39,37 л/100 км и 4,54 л/100, а с использованием экспериментального РХХ – 38,96 л/100 км и 4,49 л/100.
У двигателя ЗМЗ-402 автомобиля ГАЗ-33021, карбюратор которого оснащен электропневматическим клапаном ЭПХХ, при работе на экспериментальном РХХ (800 мин-1) часовой расход топлива снижается на 8…22% (в зависимости от типа системы зажигания) по сравнению с работой двигателя на типовом РХХ (800 мин-1).
У двигателя ВАЗ-2103 автомобиля ВАЗ-21061, карбюратор которого оснащен электромагнитным клапаном ЭПХХ, часовой расход топлива на экспериментальном РХХ (850 мин-1) снижается на 4…10% (в зависимости от типа системы зажигания) по сравнению с типовым РХХ (850 мин-1).
Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными исследованиями дизельных и бензиновых двигателей в стендовых и эксплуатационных условиях с использованием тензотермометрической и осциллографической аппаратуры, контрольно-измерительных приборов и разработанных средств для воспроизведения экспериментального режима холостого хода на различной автотракторной технике. В работе применялись основные положения теории поршневых ДВС и эксплуатации машинно-тракторного парка, теории автоматизации быстропротекающих процессов с обработкой опытных данных на ПЭВМ.
Реализация исследований. Разработанный способ работы двигателей на режиме самостоятельного холостого хода и устройства для его осуществления (системы автоматического управления) внедрены в ОАО «Тракторная компания «Волгоградский тракторный завод» и в агропредприятиях Пензенской и Самарской областей.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и одобрены на постоянно-действующих международных семинарах по проблемам эксплуатации ДВС и улучшению их показателей Санкт-Петербургского ГАУ (2000, 2002 и 2003г.г.) и Саратовского ГАУ (2002, 2006, 2007, 2008г.г.), научно-технических конференциях Пензенской ГСХА (2001-2007г.г.), Самарской ГСХА (2001, 2002, 2005, 2008г.г.) и Чебоксарского института (филиала) МГОУ (2005г.), международных научно-технических конференциях Мордовского государственного университета (2002г.), Пензенского государственного университета (2000, 2001г.г.), Пензенской ГАСА (2000, 2002г.г.), Приволжского Дома знаний (2000г.), научно-практических конференциях вузов Поволжья и Предуралья (2004, 2005г.г.), Всероссийских НПК Ульяновской ГСХА (2008г.) и Московского ГАУ (2008г.).
Системы автоматического управления работой двигателей автотракторной техники на экспериментальном РХХ экспонировались на V, VI и VII Всероссийской выставке «НТТМ-2005», «НТТМ-2006» и «НТТМ-2007» (г. Москва – ВВЦ), IV Ярмарке бизнес-ангелов и инноваторов Приволжского Федерального округа (г. Саранск, 2006г.), VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, 2007г.), I Инновационном форуме Пензенской области (2007г.), областных и городских выставках г.Пензы (2000-2003, 2007г.г.), где отмечены медалью и дипломами.
Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 67 печатных работ, в т. ч. 13 статей в изданиях, указанных в «Перечне … ВАК», получено 4 патента РФ, в т.ч. 2 патента на способ и устройство. Общий объем публикаций составляет 25,9 п.л., из них 13,4 п.л. принадлежит соискателю.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка использованной литературы из 316 наименований (в т.ч. 9 на иностранных языках) и приложения на 64 страницах. Работа изложена на 386 страницах, содержит 187 рисунков и 39 таблиц.
Способы улучшения технико-экономических и экологических показателей тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на холостом ходу и устройства для их осуществления
На минимальной частоте вращения РХХ дизеля удельный эффективный расход топлива может достигать 800 г/кВт ч, что обусловлено уменьшением механического КПД по сравнению с режимом полной нагрузки. Коэффициент избытка воздуха (а) при этом достигает 8,5, что превышает а на номинальном режиме в 4 раза. При больших а увеличивается период задержки воспламенения, ухудшается смесеобразование из-за снижения цикловой подачи топлива, интенсивности вихря и повышения относительных потерь тепла в стенки цилиндров, что приводит к понижению индикаторного КПД. С уменьшением частоты вращения к.в. при работе дизеля на РХХ индикаторный КПД снижается еще более резко, что свидетельствует об ухудшении рабочего процесса в условиях уменьшения мощности, затрачиваемой на трение сопрягаемых деталей ДВС [88].
Режим холостого хода ДВС характеризуется пониженной эффективностью использования топлива из-за ухудшения процесса смесеобразования и, как следствие, неполноты сгорания. К примеру, при работе дизеля на РХХ с малыми частотами вращения коленчатого вала (550...800 мин"1) пониженные цикловые подачи топлива приводят к интенсивному закоксовыванию распылителей форсунок и ухудшению качества распыливания топлива. Последнее может вызвать закоксовывание и потерю подвижности поршневых колец и, следовательно, нарушить условия смазки в сопряжении «поршень-цилиндр». В связи с чем длительная работа (более 15...20 мин.) дизеля на РХХ не рекомендуется.
Установлено, что с уменьшением диаметра распыливающих отверстий форсунок на 20% подача топлива по отношению к исходному диаметру отверстий значительно падает: на номинальном режиме на 6,3%, на холостом ходу на 19%. Учитывая, что величина нагаро- и смолоотложений на распылителях форсунок по цилиндрам ДВС неодинаковая, то это приводит к возрастанию неравномерности топливоподачи по линиям нагнетания и ухудшению топливной экономичности дизеля.
Расход топлива у дизелей на РХХ может быть снижен за счет повышения температуры охлаждающей жидкости и моторного масла, которая на холостом ходу занижена. Суммарные потери тепла в системы охлаждения и смазки на РХХ достигают 50...60%. Так при снижении температуры охлаждающей жидкости и масла до 30 С потери тепла увеличиваются примерно на 10%; возрастают также потери с отработавшими газами. Снижение температуры теплоносителей (воды и масла) на 20 С, при оптимальном значении других факторов, вызывает увеличение расхода топлива на 6,5% [9, 21, 88].
Одновременное повышение температуры воды и масла при работе дизеля на РХХ приводит к существенному снижению часового расхода топлива, что связано с уменьшением механических потерь (потерь на трение) и некоторым улучшением процесса сгорания. Улучшение процесса сгорания происходит за счет уменьшения теплоотдачи от газов в стенки гильз цилиндров (в связи с уменьшением перепада температур между температурой рабочего тела - в цилиндрах и температурой стенки гильзы) и, главным образом, вследствие уменьшения периода задержки воспламенения, обусловленного повышением температуры конца сжатия и увеличением влияния теплоотдачи от стенок.
Влияет на часовой расход и температура топлива, так как с ее повышением уменьшается вязкость топлива, энергия струи и ее дальнобойность. С ростом температуры топлива часовой расход увеличивается [308, 309].
Учитывая длительность работы ДВС на РХХ, следует стремиться поддерживать нормальную температуру охлаждающей жидкости, моторного масла и топлива при любых природно-климатических условиях эксплуатации. В связи с этим системы охлаждения, смазки и топливоподачи рекомендуется оснащать устройствами для автоматического поддержания постоянных температур, соответствующих номинальному режиму. На РХХ желателен и подогрев воздуха на впуске (особенно при низких температурах окружающей среды), причем подогрев воздуха целесообразен до 35...40 С, т.к. не исключено преждевременное сгорание топлива до ВМТ. Снижение часового расхода топлива на холостом ходу при минимальной частоте вращения к.в. за счет подогрева воздуха до 40 С достигает 15...20% по сравнению без подогрева при температуре воздуха на впуске 5...10С[885 161].
Повышенная температура воздуха на впуске и рабочего тела в цилиндре способствует также уменьшению нагарообразований. При повышении средней температуры рабочего тела в цилиндре меняется и характер нагаро-отложений: вместо смол, характерных для низких температур, остается лишь сажа [9, 200].
Из общего времени работы ДВС на РХХ значительная доля связана с прогревом двигателей после холодного пуска [232]. В производственных условиях из множества эксплуатационных и конструктивных факторов, влияющих на прогрев двигателя неподвижной машины, можно изменять только скоростной режим в период прогрева, а также утепление двигателя. Наиболее существенное влияние увеличенной частоты вращения к.в. сказывается на температуре моторного масла, так как при этом возрастают (практически линейно) механические потери на трение. Поэтому тепло, выделяемое при трении деталей кривошипно-шатунного механизма, в основном поступает в моторное масло, нагревая его. Однако с увеличением частоты вращения и механических потерь неизбежно возрастает расход топлива.
Нагрузочный режим работы в основном сказывается на температуре охлаждающей жидкости [45]. Поэтому для ее повышения на РХХ необходимо загрузить двигатель. Одним из способов загрузки двигателя на РХХ является нагружение его собственными инерционными массами, создавая последовательно чередующие такты выбега и разгона при воздействии на орган управления топливоподачей [7].
Обоснование и расчет параметров управляющих воздействий на топливоподачу при реализации экспериментального режима холостого хода дизеля
Для реализации теоретического ЦЭР необходимо соответствующее управление топливоподачей. Как показал анализ уравнения динамики дизеля, наиболее приемлемым для экспериментального (динамического) РХХ является ЦЭР с постоянным значением динамического момента (ускорения, цикловой подачи) на такте разгона и свободным выбегом.
Условием достаточного постоянства динамического момента при разгоне является фиксация рейки (дозатора) ТНВД в заданном положении, обеспечивающем необходимую для данного скоростного режима холостого хода цикловую подачу топлива. Наиболее точно выполнить это условие можно при непосредственном воздействии на рейку (дозатор) специальным исполнительным механизмом [8]. Общий характер перемещения рейки в этом случае будет иметь вид трапеции (рисунок 2.5). Однако, такой способ управления топливоподачей в ряде случаев требует переделки конструкции крышек ТНВД и РЧВ, что не всегда целесообразно.
В связи с этим, применительно к различным типам дизелей, предложен другой способ управления топливоподачей: с воздействием на наружный рычаг РЧВ по определенному закону (для тракторных и комбайновых дизелей со свободным впуском), с воздействием на скобу останова двигателя (для автомобильных дизелей) и с воздействием на вильчатый рычаг РЧВ (для тракторных дизелей с турбонаддувом). Способ обеспечивает нахождение рейки в заданном для данного скоростного режима положении на протяжении всего такта разгона за счет создания динамического равновесия между восстанавливающей [ Е = f(h, а) ] и поддерживающей [ С = f(h, со ) ] силами РЧВ.
Процесс управления топливоподачей при непосредственном воздействии на рейку (дозатор) ТНВД протекает следующим образом. При реализации экспериментального (динамического) РХХ дизеля рычаг РЧВ устанавливается в положение, соответствующее минимальной частоте вращения холостого хода CDX
В результате этого, перед началом экспериментального (динамического) РХХ, дизель работает на минимальной частоте вращения к.в. типового (самостоятельного) РХХ. При включении системы управления экспериментального РХХ подается питание на электромагнитный исполнительный механизм (рисунок 2.6), якорь 7 которого связан с отводкой 12, воздействую 81 щей на рейку 17 ТНВД 18. При втягивании якоря, отводка перемещает рейку ТНВД из положения h\, соответствующего а х . , в положение выключенной подачи топлива (ho). Подача топлива прекращается, и происходит такт выбега при уменьшении У СКВ от а х . до щ,. При достижении щ. система управления отключает питание электромагнита и его якорь вместе с отводкой, под действием сил РЧВ и возвратной пружины 11 исполнительного механизма, перемещается в сторону увеличения цикловой подачи топлива до положения (hi), соответствующего данному скоростному режиму. При этом дальнейшее перемещение рейки ограничивается специальным регулировочным упором 9, воздействующим на якорь электромагнита.
Кинематическая схема всережимного центробежного регулятора частоты вращения и исполнительного механизма для управления топливоподачей при воздействии на рейку ТНВД: 1- дизель; 2,3- шестерни; 4 - траверса; 5 - грузики; 6 - муфта; 7 - якорь; 8 - сердечник; 9 - регулировочный упор вылета якоря; 10- обмотка электромагнита; 11 - возвратная пружина; 12- отводка; 13- двуплечий рычаг; 14- тяга; 15- пружина регулятора; 16- наружный рычаг регулятора; 17- рейка ТНВД; 18-корпус ТНВД Время и характер перемещения рейки ТНВД будет зависеть от соотношения сил РЧВ и возвратной пружины исполнительного механизма, с одной стороны, и сил трения и сил инерции, создаваемых сопряжениями и деталями исполнительного механизма и РЧВ, с другой стороны. Начнется такт разгона с определенной (постоянной) цикловой подачей и динамическим моментом. При достижении а 2- ( 2- сох ) система управления включает питание электромагнита, и он опять переместит рейку из положения hi в положение ho выключенной подачи за время, зависящее от характеристики электромагнита, РЧВ, а также от хода рейки (hi - hg). Преимуществом данного алгоритма управления топливоподачей является благоприятное взаиморасположение электромагнита и РЧВ при выключении подачи топлива (рисунок 2.7). Действительно, при достижении УСКВ а 2- сила РЧВ, прижимающая рейку ТНВД к упору, уменьшается до минимального значения, а при приближении к а х . , становится отрицательной и отводит рейку от упора в сторону уменьшения цикловой подачи до положения, соответствующего режиму холостого хода (hx . ), т.е. в момент включения электромагнита сопротивление перемещению рейки в сторону уменьшения цикловой подачи, оказываемое РЧВ, минимально, и будет возрастать лишь на участке от hx . до hg. Усилие, развиваемое силовым электромагнитом, минимально при максимальном вылете якоря из сердечника (/ = /тах)- Оно возрастает по мере его уменьшения и достигает максимума при нулевом значении (/ = 0) , причем максимальное значение в несколько раз превышает начальное паспортное значение. Так, у электромагнита МИС-3100, начальное паспортное значение тягового усилия при вылете якоря / = 20 мм составляет 31 Н, а конечное (при / = 0 ) достигает 146 Н (рисунок 2.7). 160
Таким образом, на начальном участке перемещения вследствие малого сопротивления якорь, отводка и детали РЧВ, двигаясь ускоренно, запасают кинетическую энергию, которая в конце хода помогает преодолевать возрастающее сопротивление пружин РЧВ и возвратной пружины исполнительного механизма. В конце выбега, когда сила РЧВ, стремящаяся передвинуть рейку ТНВД в сторону увеличения подачи топлива, достигает максимума, большой запас усилия электромагнита не позволяет ей отодвинуть якорь от сердечника до момента достижения нижнего предела УСКВ.
Система автоматического управления с воздействием на рычаг центробежного регулятора частоты вращения и варианты конструктивного исполнения
Во время остановок и стоянок автомобиля водитель включает тумблер SA1, переводит рычаг коробки передач в нейтральное положение, отпускает педаль акселератора и педаль сцепления (при необходимости может манипулировать педалью тормоза). При этом контакты датчиков нейтрального положения рычага коробки передач и педали сцепления замыкаются. Частота вращения коленчатого вала двигателя на этом режиме ниже частоты включения блока управления экономайзером принудительного холостого хода, поэтому с его выхода будет поступать сигнал высокого (единичного) уровня на генератор прямоугольных импульсов и нормально замкнутые контакты реле К1.
При замкнутых контактах датчиков нейтрального положения рычага коробки передач и педали сцепления, включается реле К1, и с выхода генератора прямоугольных импульсов через нормально замкнутые контакты К 1.1 реле на электромагнитный клапан будут поступать импульсы, с периодом следования, примерно, через 240 мс. В результате этого электромагнитный клапан будет работать в соответствующем импульсном режиме и пропускная способность топливного жиклера уменьшится. Следовательно, уменьшится количество топлива поступающего в систему холостого хода карбюратора, а топливовоздушная смесь обеднится, что приведет к снижению минимально-устойчивой частоты вращения к.в.
Разработанная САУ, обеспечивая возвратно-поступательное перемещение иглы клапана по определенному закону, способствует не только динамической пульсации потока топлива и перемешиванию его с воздухом в СХХ карбюратора, во впускном коллекторе и цилиндрах двигателя на тактах впуска, но и качественному смесеобразованию и приготовлению обедненной топ-ливовоздушной смеси по сравнению с составом на типовой подаче. Подтверждением этого является более устойчивая частота вращения к.в. на минимальных оборотах холостого хода: регламентированная заводом-изготовителем на типовом РХХ - 650±25 мин"1, на экспериментальном РХХ — 650ІІ0МИН"1.
Большая частота пульсаций потока топлива, а так же его перемешивание с воздухом в системе холостого хода карбюратора, во впускном коллекторе и цилиндрах двигателя на тактах впуска способствуют равномерности и однородности поступления топливовоздушной смеси по цилиндрам двигателя, равномерности их работы и частоты вращения к.в. на режиме холостого хода.
При трогании транспортного средства с места или переходе на тяговый режим происходит воздействие на педаль сцепления и/или рычаг коробки передач, при этом контакты соответствующих датчиков размыкаются, реле К1 обесточивается и его контакты КІЛ переключаются в исходное положение. Сигнал высокого (единичного) уровня с выхода ЭБУ через нормально замкнутые контакты КІЛ поступит на электромагнитный клапан, который начнет работать в штатном режиме (постоянно открыт), т.е. регулируемая подача топлива через топливный жиклер СХХ отключается.
В результате количество топливовоздушной смеси, проходящей через СХХ карбюратора, повысится до типового значения, что приведет и к повы 179 шению скоростного режима. Так как этот процесс начинается в начальный период перехода к тяговому режиму и является быстропротекающим, то к концу периода частота вращения к.в. гарантированно достигнет типового значения, и процесс перехода с РХХ на тяговый режим двигателя происходит штатно (без провалов).
Монтаж электронного блока САУ к штатной системе электрооборудования транспортного средства осуществляется следующим образом.
Электронный блок САУ подключается параллельно к штатной цепи управления экономайзером принудительного холостого хода, включающей в себя блок 15 (рисунок 3.32) ЭПХХ, микропереключатель 11, датчик 12 частоты вращения к.в. (контакты прерывателя-распределителя системы зажигания). С помощью разъемов блок управления экспериментальным РХХ соединяется с «массой» и входом электромагнитного клапана ЭПХХ. Провод, подводящий ток к клапану в типовой схеме (от замка зажигания), подключается к питающему плюсовому проводу блока управления экспериментальным РХХ.
Режимы работы САУ определяются по взаимодействию датчиков положения (см. рисунок 3.33 или таблицу 3.2), которые позволяют формировать сигналы высокого (единичного) или низкого (нулевого) уровней в электронном блоке управления (ЭБУ).
При работе двигателя транспортного средства на тяговом режиме сцепление включено — с датчика ДС подается сигнал высокого (единичного) уровня, рычаг коробки передач находится в положении «рабочая передача» -с датчика ДКП подается сигнал высокого (единичного) уровня, дроссельная заслонка находится в приоткрытом положении - сигнал с датчика ДДЗ подается низкого (нулевого) уровня. Сигналы, пришедшие в ЭБУ, позволяют сформировать выходной сигнал на электромагнитный клапан карбюратора низкого (нулевого) уровня, т.е. его обмотка питается постоянным напряжением.
Монтажная схема: 1 - электромагнитный клапан; 2 - корпус карбюратора; 3 - топливный жиклер; 4 - воздушный жиклер; 5 - топливный канал; б - эмульсионный канал; 7 - отверстие переходных режимов; 8 - технологическая заглушка; 9 - регулировочный винт состава смеси; 10- отверстие регулируемое винтом; 11 - микропереключатель; 12- датчик частоты вращения коленчатого вала (контакты прерывателя); 13-замокзажигания; 14- аккумуляторная батарея; 15- электронный блок управления ЭПХХ; 16- катушка зажигания; 17- электронный блок управления экспериментальным режимом холостого хода; 18- датчик нейтрального положения коробки передач; 19- датчик сцепления перевод рычага в нейтральное положение, тем самым датчик нейтрального положения ДКП размыкается и посылает в ЭБУ сигнал низкого (нулевого) уровня. Полученные ЭБУ сигналы позволяют сформировать сигнал высокого (единичного) уровня, тем самым обеспечить импульсное управление питанием электромагнитного клапана карбюратора и переход работы двигателя на экспериментальный РХХ.
При переходе с РХХ на тяговый режим, необходимо обеспечить типовую (паспортную) динамику разгона транспортного средства, для этой цели имеется промежуточное положение датчиков, при котором срабатывание любого из них приводит к отключению импульсного управления и питание клапана осуществляется по штатной схеме, обеспечивая типовой РХХ перед разгоном.
Методика определения нижнего значения интервала изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя на экспериментальном режиме холостого хода
Важными параметрами осциллограммы давления топлива являются максимальное давление топлива перед форсункой, объемная скорость впрыскивания топлива и скорость нарастания давления топлива. Эти параметры при фиксированных положениях рейки ТНВД (при определенной цикловой подаче топлива) в наибольшей степени оказывает влияние на протекание рабочего процесса дизеля.
Так, например, при положении рейки ТНВД, обеспечивающем номинальную цикловую подачу топлива Уц =100% при пк =400 мин"1, давление топлива перед форсункой составляет 26,5 МПа, объемная скорость впрыскивания топлива равна 5,6 мм3/град, а скорость нарастания давления топлива достигла 2,3 МПа/град. При положении рейки ТНВД, обеспечивающей цикловую подачу топлива Уц =25% от номинальной величины при пк =400 мин"1, давление топлива перед форсункой равно 11,9 МПа, объемная скорость впрыскивания топлива составила 0,76 мм /град, а скорость нарастания давления топлива 1,5 МПа/град. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при частоте вращения кулачкового вала ТНВД пк = 400 мин"1 уменьшение цикловой подачи топлива на 75% приводит к снижению давления топлива перед форсункой на 14,6 МПа, объемной скорости впрыскивания топлива на 4,84 мм3/град и скорости нарастания давления топлива на 0,8 МПа/град.
Таким образом, результаты безмоторных исследований ТНВД на различных скоростных режимах свидетельствуют о том, что для обеспечения нормативных параметров топливоподачи и лучшего протекания рабочего процесса дизеля на пониженных оборотах холостого хода необходимо, чтобы цикловая подача топлива обеспечивалась в пределах не менее 50...70% от номинального значения.
Для определения допустимого значения минимальной частоты вращения к.в. в конце такта выбега (или в начале такта разгона) цикла экспериментального РХХ, т.е. такого значения, при которых обороты дизеля при их падении в такте выбега не только обеспечивают подачу моторного масла для смазки деталей, но и минимально допустимую толщину масляной пленки в сопряжениях двигателя, были выполнены замеры суммарной наведенной ЭДС [275].
Результаты замеров наведенной суммарной ЭДС, выраженной в виде интегрированного сигнала «В/деление», в сопряжениях дизеля (в цепи гальванопары «поршень - цилиндр», «подшипники - коленчатый вал» и др.) при температуре масла в поддоне картера дизеля tM =45...50 С приведены в таблице 5.3.
Частота вращения коленчатого вала, мин 1 Интегрированныйсигнал (число клетокх0,05), В/деление Частота вращения коленчатого вала, мин"1 Интегрированный сигнал (число клеток х 0,05), В/деление п=200 мин"1 наведенная ЭДС прибором не фиксируется, а толщина масляной пленки в сопряжениях дизеля критическая и, по всей видимости, происходит локальный контакт (сухое трение) между поршнем и цилиндром или вкладышем и шейкой коленчатого вала. Поэтому за допустимое нижнее значение интервала изменения частоты вращения к.в. в цикле экспериментального РХХ (т.е. за допустимое значение частоты вращения к.в. в начале такта разгона или в конце такта выбега) с некоторым запасом можно принять пн 250 мин"1.
Результаты моторных исследований дизеля Д-240 в стендовых условиях Для снятия индикаторных диаграмм рабочего процесса и определения индикаторных показателей были проведены сравнительные экспериментальные исследования дизеля Д-240 (44 11/12,5) при работе на типовом и на экспериментальном режимах холостого хода. Воспроизведение экспериментального режима осуществлялось с помощью разработанной САУ путем создания последовательно повторяющихся тактов отключения подачи топлива (тактов выбега) и тактов включения подачи топлива (тактов разгона) при ав-, томатическом воздействии на рейку топливного насоса УТН-5А.
В результате исследований дизеля получены характеристики холостого хода (рисунки 5.9-5.10), показывающие изменение среднего индикаторного давления (Р,), индикаторной мощности (N;), удельного индикаторного расхода топлива (g;) и индикаторного КПД (ТІЇ) в зависимости от частоты вращения к.в. (п).
С уменьшением п величина Pj снижается (рисунок 5.9 а). Так, например, на типовом РХХ при п =2000 мин"1 давление Р; =0,2 МПа, а при п =800 мин"1 давление Pi = 0,12 МПа. Для повышения Р; в области пониженных частот вращения к.в. необходимо увеличивать цикловую подачу топлива, что возможно за счет использования экспериментального РХХ. Это наглядно демонстрирует кривая Р{=/(п) на рисунке 5.9 а. На экспериментальном РХХ при п=2000 мин"1 (интервал выбега - разгона: пн = 1800 мин"1, пв =2200 мин") индикаторное давление возросло по отношению к типовому РХХ до 0,74 МПа (в 3,7 раза), а при п = 800 мин"1 до 0,41 МПа (в 3,4 раза). Кроме того, на экспериментальном РХХ имеется возможность не только снизить минимальную частоту вращения к.в. с 800 мин"1 до 400 мин"1, но обеспечить при такой частоте вращения более высокое давление Pj по сравнению с типовым РХХ: на экспериментальном РХХ при частоте вращения п=400 мин"1 давление Р;=0Д6 МПа, что соответствует такому же давлению на типовом РХХ при п = 1400 мин"1 [99, 268].
Индикаторная мощность на экспериментальном РХХ по отношению к типовому также возрастает (рисунок 5.9 б), к примеру, на п =800 мин"1 с 3,77 кВт до 13,7 кВт (в 3,5 раза).
При этом установлено, что на малых частотах вращения к.в. типового РХХ дизель работает в области, близкой к максимальным значениям удельного индикаторного расхода топлива. Например, на весьма распространенном типовом режиме минимальной частоты вращения к.в. (п = 800 мин"1) дизеля Д-240, удельный индикаторный расход топлива достигает 414 г/кВт-ч (рисунок 5.10). На экспериментальном режиме при частоте вращения (п=800 мин"1) удельный индикаторный расход топлива составил 273 г/кВт-ч (рисунок 5.10 а). Снижение g; на экспериментальном РХХ происходит на всей ветви характеристики по сравнению с типовым РХХ при аналогичных значениях частоты вращения к.в.
При работе дизеля на типовом РХХ с уменьшением частоты вращения индикаторный КПД снижается наиболее резко (рисунок 5.10 б), что свидетельствует об ухудшении рабочего процесса в условиях уменьшения затрат мощности на трение и затрат мощности на привод вспомогательных устройств. Это обуславливается ухудшением процессов распыливания и смесеобразования, увеличением относительных потерь теплоты в стенки цилинд--ров. Однако на экспериментальном РХХ, например при п = 800 мин"1, индикаторный КПД возрастает на 11% по сравнению с аналогичным скоростным режимом типового холостого хода. Увеличение Гц наблюдается на всей ветви характеристики (рисунок 5.10 б) экспериментального РХХ по сравнению с типовым.
