Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 8
1.1. Характер нагрузки мобильных машин 8
1.2. Пути энергосбережения в сельскохозяйственном производстве 13
1.2.1. Перевод двигателей на газовое моторное топливо 13
1.3. Методы использования альтернативных топлив 17
в качестве моторных 17
1.4. Использование динамических характеристик рабочих процессов газодизельных двигателей МТА 21
1.5. Исследование газодизельных двигателей 21
при стационарных нагрузках 21
1.6. Факторы, которые препятствуют внедрению газовых двигателей в сельскохозяйственное производство 24
Выводы 25
ГЛАВА 2. Теоретические основы исследования газодизельного двигателя 27
2.1. Основы получения динамических характеристик 27
2.2. Методы получения динамических характеристик 32
2.3. Методика получения математической модели газодизельного двигателя МТА 40
2.3.1. Математическая модель двигателя при работе на корректорной ветви при сбросе и набросе нагрузки 44
2.3.2. Математическая модель двигателя при работе по регуляторнои ветви при сбросе и набросе нагрузки 45
2.4. Методика определения коэффициентов дифференциального уравнения второго порядка 47
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 53
3.1. Перевод двигателя Д-243 на газовое топливо 53
3.2. Методика экспериментальных исследований двигателей Д-243 и Д-243Г 56
3.2.1. Методика экспериментальных исследований 57
Существуют два этапа программы исследования испытания двигателя: 57
3.2.1.1. Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах 57
3.2.2. Исследование двигателя на установившихся режимах 58
3.2.3. Исследование двигателя Д-243 и Д-243Г 59
на переходных режимах 59
3.2.3.1. Выбор режимов для исследования двигателя 59
3.3. Экспериментальная установка для динамических исследований двигателя Д - 243 и Д-243Г Назначение установки 59
3.3.1. Автоматизированный комплекс сбора и обработки данных 59
3.3.2. Имитационное загрузочное устройство 62
3.4. Точность измерений и подбор датчиков 63
3.5. Планирование опытов, их проведение и контроль 75
3.6. Методика обработки экспериментальных данных 76
Выводы: 78
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 79
4.1. Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах 79
4.2. Исследование дизельного двигателя Д-243 и Д-243Г при установившейся нагрузке 82
4.3. Исследование дизельного двигателя Д-243 и Д-243Г 85
при неустановившейся нагрузке 85
Выводы: 95
ГЛАВА 5. Оценка эффективности работы газодизельного двигателя при неустановившейся нагрузке 97
5.1. Расчет технико-экономических показателей газодизельного двигателя Д - 243Г 97
Общие выводы по работе 100
Библиографический список
- Пути энергосбережения в сельскохозяйственном производстве
- Методика получения математической модели газодизельного двигателя МТА
- Методика экспериментальных исследований двигателей Д-243 и Д-243Г
- Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах
Введение к работе
Последние годы в Российской Федерации осуществляются определённая работа по дальнейшему улучшению структуры топливно-энергетического баланса страны за счёт снижения в нём доли нефти как топлива и замены её природным газом.
Запасы газа в стране значительны. Поэтому именно природный газ и продукты его переработки должны в перспективе заменить значительные количества традиционных нефтяных моторных топлив в эксплуатации дизельной автотракторной техники.
В настоящее время дизеля имеют самый широкой спектр применения среди всех существующих двигателей внутреннего сгорания.
За последние два десятилетия наблюдается ускоренное развитие дизелей. Достигаются высокие удельные мощности, повышается надежность и долговечность, увеличиваются интервалы технического обслуживания, уменьшается токсичность отработанных газов. Особенно это касается таких компонентов, как NOx и сажи, являющихся наиболее критичными составляющими общей токсичности рабочего расхода топлива.
На сегодняшний день работа над усовершенствованием дизелей диктуется, в первую очередь, все более жесткими требованиями по токсичности отработавших газов, а также необходимостью снижения расхода топлива, улучшения тяговых качеств.
Технико-экономические показатели двигателей в значительной степени зависят от основных эксплуатационных режимов, в число которых следует включить режимы холостого хода, а также и переходные режимы. Поэтому вопросы совершенствования рабочих процессов на нагрузочных, переходных режимах и холостом ходу необходимо отнести к отдельному приоритетному направлению исследований. Данное направление имеет наибольшее практическое значение для двигателей внедорожных машин, включая двигатели сельскохозяйственной техники, так как их эксплуатация осуществляется, главным образом, на неустановившихся режимах.
Перевод сельскохозяйственных тракторов на газовое топливо приводит к сокращению затрат на производство сельскохозяйственной продукции за счёт использования дешевого газового топлива.
Экономия энергетических ресурсов является наиболее действенным и эффективным направлением обеспечения топливом сельского хозяйства. Система ресурсоэнергосбережения в значительной мере формирует конкурентоспособность сельского хозяйства и машиностроения для агропромышленного комплекса. Нарастает разрыв между реальным расходом энергии и её величиной, необходимой стране в случае использования лучших мировых технологий. На единицу сельскохозяйственной продукции затраты энергетических ресурсов в 3...4 раза выше, чем в высокоразвитых странах.
Главными причинами этого являются:
1. Несовершенство методов экономического стимулирования и экономии энергоресурсов.
2. Государственные стандарты регламентируют исследования рабочих процессов двигателей при стационарных режимах. Поэтому двигатели для тракторов выпускаются для работы в стационарных условиях, а сельское хозяйство эксплуатирует их при неустановившихся режимах. При этом все системы двигателей начинают работать несогласованно. Вследствие этого ухудшаются индикаторные и эффективные показатели двигателей. Эффективная мощность уменьшается на 20...25%. Часовой расход топлива всегда больше, чем получен на стендах на 15...20%
К сожалению, эти потери являются "скрытыми", так как их нельзя определить на стандартном оборудовании. Чтобы их выявить, необходимы специальные стенды для динамических исследований [62, 106]. Использование динамических характеристик рабочих процессов газодизелей - это большой резерв снижения себестоимости сельскохозяйственной продукции.
Пути энергосбережения в сельскохозяйственном производстве
Дефицит нефтяного моторного топлива приводит к необходимости использования альтернативных топлив в сельскохозяйственном производстве.
В работах [29, 50, 61, 67, 72, 102, 103] приводятся данные изменения-сырьевой базы в сторону дешевого природного газа в качестве основного сырья.
По данным ОПЕК, при существующем уровне добычи нефти истощение месторождений в США планируется к 2010 году, Мексики к 2026 г. В России рентабельные месторождения истощатся к 2015 году. К альтернативным топливам относятся:
Водород. Он не токсичен, это экологически чистое топливо. В результате его сгорания образуется вода. Его недостатки - взрывоопасен, сложность регулирования состава смеси в двигателях внутреннего сгорания и дороговизна промышленного производства водорода.
Спирты. Это возобновляемые источники энергии. Он не токсичен, это экологически чистое топливо.
Этиловый спирт. В стране пока нет значительных избытков сельскохозяйственной продукции, которую можно пустить на спирт.
Метанол. Обладает высокой теплотворной способностью. В России налажено промышленное производство метанола, имеется хорошая сырьевая база. Октановое число равно 110... 115 по исследовательскому методу. Низкое стехиометрическое соотношение равное 5,4, а у дизельного топлива -14,5.
Недостатки метанола: 1. Низкая склонность к самовоспламенению, его цетановое число равно 2.. .3, а у дизельного топлива - 40.. .50 единиц. 2. Низкая теплотворная способность и высокая температура воспламе-нения-470 С, а у дизельного топлива - 320.. .380 С. 3. Большая электролитическая коррозионная активность к металлам (алюминий, цинк, латунь). 4. Метанол ядовит.
Проводятся исследования по использованию метанола в качестве моторного топлива. В зависимости от способа подачи метанола в двигатель изменяется его доля заменяемого дизельного топлива в процентах. При подаче гомогенного раствора экономится 25%, в виде эмульсии - 40%, карбюрации метанола во впускной тракт - 50%, при непосредственном впрыске в цилиндр двигателя-90% дизельного топлива [66, 67]. Газовое топливо.
Биогаз. Это возобновляемый источник энергии. На городских свалках хранится около 500 млн. т бытовых отходов. Отходы сельскохозяйственного производства сегодня никто не учитывает, практические работы по производству из них биогаза не ведутся.
Сжиженный нефтяной, компримированный природный и сжиженный природный газ. При использовании газового топлива в качестве моторного для тракторов и автомобилей к нему предъявляются следующие требования: 1. Высокая калорийность газовоздушной смеси и антидетонационная стойкость. 2. Минимальное содержание смолистых веществ и механических примесей, способствующих образованию нагара и загрязнению системы питания двигателей. 3. Отсутствие веществ, вызывающих коррозию и износы деталей двигателя. 4. Минимальное образование токсичных и канцерогенных веществ в отработавших газах.
Одним из оценочных показателей газового топлива является понятие "критическая температура". Она представляет собой температуру, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара становятся равными и граница между ними исчезает. При температуре выше «критической» газ может находиться только в газообразном состоянии, независимо от внешнего давления. Поэтому моторные топлива для двигателя внутреннего сгорания делятся на сжиженное и сжатое газовое топливо. Критические температуры равны для пропана "+ 80...96 С", и бутана "+152 С". Они легко сжижаются, хранятся в сжиженном состоянии при относительно низком давлении и называются сжиженными газами.
Критическая температура метана равна —82,1 С. При температуре выше - 82,1 С метан при любом давлении будет находиться в газообразном состоянии. Метан сжижают путём глубокого охлаждения.
В качестве моторного топлива для тракторов и автомобилей используют сжиженный и сжатый газы. Сжиженный газ тяжелее воздуха. При утечках газа из системы питания двигателей он собирается в низких местах и образует взрывоопасную гремучую смесь. Сжиженный газ пожароопасен. Сжатый газ легче воздуха и наименее пожароопасен. Более подробно об альтернативных топливах изложено в работах [30, 42, 60, 63, 66, 105].
Методика получения математической модели газодизельного двигателя МТА
Методика получения математической модели газодизельного двигателя МТА Динамической характеристикой называется реакция двигателя на внешнее возмущение [22, 23, 25, 28, 41, 68, 77, 78, 86].
Приняты основные допущения при составлении математической модели двигателя: 1. Динамические характеристики двигателя не изменяются в течение длительного времени. 2. Динамические характеристики определяются на линейных участках нагрузочных характеристик двигателя с помощью коэффициентов дифференциальных уравнений.
Для разработки математической модели рабочих процессов двигателей используются решения дифференциальных уравнений рабочих процессов двигателей, которые подставляются в формулы для подсчёта эффективных показателей двигателей по ГОСТ 14846-95 "Двигатели автомобильные, методы стендовых испытаний", ГОСТ 18509-95 "Дизели тракторные и комбайновые, методы стендовых испытаний", Международному стандарту 1585-82 "Транспорт дорожный, методы испытаний двигателей, мощность нетто", ГОСТ 23435-79 "Двигатели внутреннего сгорания поршневые, номенклатура диагностических параметров". В этих ГОСТах определены точность измерительного оборудования и приборов, и формулы для подсчёта результатов эксперимента.
На рисунке 2.3 представлена блок - схема исследования рабочих процессов газодизеля МТА. При изменении типовой нагрузки (А) система является для частоты вращения коленчатого вала двигателя замкнутой и разомкнутой для рабочих процессов двигателя. Типовое изменение нагрузки (X) подаётся на коленчатый вал двигателя и регистрируется изменение исследуемых показателей (а, р, у, 5, є) при постоянной настройке регулятора (ф).
В данном исследовании для получения дифференциальных уравнений принят метод идентификации, разработанный учеными КГСХА. По этому методу коэффициенты дифференциальных уравнений подбираются по переходным кривым, полученным при сбросах и набросах нагрузки на линейных участках.
При исследованиях по корректорной ветви - это линейные дифференциальные уравнения первого порядка, по регуляторнои ветви характеристики - линейные дифференциальные уравнения второго порядка: где Tj - коэффициент характеризующий инерционность исследуемого показателя. Г]І - коэффициент демпфирования.
Используя принцип суперпозиции с помощью уравнений (2.15...2.25), можно проанализировать поведение двигателя и его систем при любых видах нагрузки. Для этого в уравнениях величина ДМс заменяется на требуемый закон изменения нагрузки, и решения этих уравнений определяют изменение исследуемых показателей.
Для определения эффективных показателей работы двигателя использовалось основное уравнение динамики:
Исходными данными для построения математической модели являются решения уравнений (2.15...2.18) для сброса и наброса нагрузки. Рассмотрим решение уравнений для наброса (сброса) нагрузки. Решения дифференциальных уравнений первого порядка представляют следующие выражения:
Если время задержки реакции на возмущение больше или равно времени переходного процесса (in t), то изменение исследуемого параметра не происходит.
При решении дифференциальных уравнений подбирается такой закон изменения момента сопротивления, чтобы он в полной мере описывал изменение момента сопротивления приведенного к коленчатому валу двигателя при работе МТА.
Методика экспериментальных исследований двигателей Д-243 и Д-243Г
Существуют два этапа программы исследования испытания двигателя: 1. Испытание двигателя при установившейся нагрузке; 2. Испытание двигателя при неустановившейся нагрузке в лаборатории для определения динамических характеристик рабочих процессов двигателя.
До начала динамических исследований в лабораторных условиях снимаются стационарные характеристики топливного насоса и двигателя. Назначение их состоит в следующем: - определение величины коэффициентов усиления исследуемых показателей для топливного насоса и двигателя; - определение зависимости изменения показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала двигателя; - изменение цикловой подачи топливного насоса от положения дозатора и частоты вращения вала насоса; - изменение расхода газа от частоты вращения вала двигателя и нагрузки; - выявление линейных участков исследуемых показателей стационарных характеристик.
Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах Объектом исследований был топливный насос высокого давления распределительного типа НД — 21/4. Программа исследований состоит из следующих этапов: 1. Наблюдение за стабильностью показателей топливной аппаратуры во время исследований; 2. Снятие регуляторной и скоростной характеристики топливного насоса; 3. Выявление линейных участков исследуемых показателей топливной аппа 58 ратуры; 4. Определение коэффициентов усиления по выбранным линейным участкам. Характеристики снимались по ГОСТу 8670-80 и методике, приведенной в работе [92] на стенде КИ-15711-01.
Стенд КИ-15711-01 был оборудован всем штатным оборудованием и был исправен. Частота вращения вала насоса проверялась приставным тахометром часового типа ТЧ-10Р. Проверка частоты вращения вала стенда была необходима из-за невысокой точности показаний штатного тахометра стенда. Погрешность измерения частоты вращения вала насоса тахометром ТЧ-10Р составляет ± 1%.
При испытании топливного насоса использовались штатные, форсунки с двигателя. Перед проведением испытания форсунки были отрегулированы на номинальное давление впрыска и проверено качество распыла.
Исследование двигателя на установившихся режимах
Цель исследований состоит в выявлении возможностей двигателя, стационарности его показателей по времени и определении основных направлений совершенствования процессов в двигателе и получении стационарных характеристик двигателя на разных видах топлива.
Снятие регуляторных характеристик двигателя проведено согласно ГОСТу 18509-95 и представлено на рисунках 4.3 и 4.4 и в приложение № 1. 3.2.3. Исследование двигателя Д - 243 и Д-243Г на переходных режимах
Выбор режимов для исследования двигателя
Двигатель внутреннего сгорания является нелинейной системой, поэтому при анализе динамических качеств с помощью линейных дифференциальных уравнений играет большую роль характер изменения, продолжительность и величина изменения нагрузки. При этом следует иметь в виду, для каких целей используется предлагаемая методика.
Экспериментальная установка для динамических исследований двигателя Д - 243 и Д-243Г Назначение установки.
В соответствии с разработанной методикой проведения научно — исследовательской работы требуется проведение стационарных и динамических исследований с использованием единой аппаратуры, позволяющей осуществить регистрацию быстроменяющихся параметров короткого и продолжительного промежутка времени.
Автоматизированный комплекс сбора и обработки данных
Для сбора, обработки, расчета дополнительных параметров и их записи был разработан автоматизированный комплекс, включающий в себя датчики, усилители сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ЭВМ и средство вывода информации (монитор, принтер), а также специальное программное обеспечение, позволяющее вести регистрацию, обработку и запись полученных показаний.
Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах
Результаты стендовых испытаний топливного насоса НД-21/4 показали, что его регуляторная характеристика соответствует техническим условиям для установки его на двигатель.
Снятая скоростная характеристика топливного насоса позволила определить линейные участки исследуемых показателей топливной аппаратуры, а также определить коэффициенты усиления по выбранным линейным участкам и определить зависимость изменения цикловой подачи от положения дозатора и частоты вращения вала насоса (двигателя) для определения расхода топлива двигателем при его дальнейших испытаниях.
Целью испытания двигателя при установившейся нагрузке было определение технико-экономических показателей и сравнение полученных данных с техническими характеристиками, представленными заводом - изготовителем.
Результаты полученных регуляторных характеристик представлены на рисунках 4.3, 4.4 и в приложении № 1.
При проведении экспериментов максимальный момент сопротивления тормозной установки подбирается таким образом, чтобы при набросе нагрузки обороты коленчатого вала двигателя не уменьшались ниже 2200 мин"1 при работе на регуляторной ветви.
Результаты экспериментов представлены на рисунках 4.5...4.9 и в приложении № 3.
По результатам экспериментальных исследований были определены время задержки реакции на возмущение и коэффициенты дифференциальных уравнений для проведения теоретических исследований.
Выводы:
1. Как видно из таблицы 4.4, значения коэффициентов дифференциальных уравнений при набросе и сбросе нагрузки отличаются и не имеют строгой линейной зависимости.
2. Время задержки изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя, часового расхода воздуха и цикловой подачи топлива у газодизельного двигателя меньше, чем у дизельного.
3. Переходный процесс у газодизельного двигателя протекает более интенсивно и имеет меньшую частоту колебаний в переходном процессе.
4. Как видно из графиков (рис. 4.10...4.16), результаты теоретических и лабораторных экспериментов имеют хорошую сходимость, что подтверждает адекватность математической модели и возможность заменять нагрузку, создаваемую МТА на двигатель, нагрузкой, создаваемой тормозной установкой с приведенным моментом инерции, соответствующей моменту инерции МТА
5. Оптимизация рабочих процессов и перевод двигателя на газовое топливо позволит уменьшить потери мощности двигателя на 5...7 % при работе с неустановившейся нагрузкой.
6. Экспериментальные и теоретические исследования подтвердили адекватность расчетов: частоты вращения коленчатого вала двигателя (отклонение 3...5%), часового расхода воздуха (отклонение 4...6%), цикловой подачи топлива (отклонение 4...7%) и часового расхода газа (отклонение 3...5%).
Технико-экономические показатели дизельного двигателя Д — 243Г, который устанавливается на трактора МТЗ - 80Г и МТЗ - 82Г.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований было доказано, что оптимизация рабочих процессов двигателя за счет перевода на газодизельное топливо позволит значительно улучшить характер работы двигателя при неустановившейся нагрузке. Более качественная работа двигателя позволит улучшить технико-экономические показатели.
Экономический эффект от использования оптимизации рабочих процессов двигателя за счет перевода на газодизельное топливо будет складываться из следующих составляющих: - улучшение работы двигателя при неустановившейся нагрузке, характеризуемое резким изменением момента сопротивления, позволит увеличить эффективность использования МТА в условиях эксплуатации; - на основании проведенных экспериментов и выводов, представленных в главе 4 диссертации, использование оптимальных рабочих процессов двигателя позволит уменьшить потери мощности на 5.. .7 %,(2,9.. .4 кВт).
Необходимые данные для сравнения технико-экономических показателей двигателя Д - 243 и Д - 243Г представлены в таблице 5.1. Технико-экономические показатели рассчитываются для одного двигателя [55].
