Содержание к диссертации
Введение
І. Роль моторно-трансмиссионных установок в формировании эффективности КГМ с ДВО. Проблемы совершенствования
1.1 .Роль моторно-трансмиссионных установок в формировании эффективноста КГМ
1.1.1 .Классификация КГМ и их эффективность 21
1.1.2. Роль двигателей и трансмиссий в совершенствовании характеристик моторно-трансмиссионных установок 29
1.1.3 .Анализ концепций совершенствования двигателей 32
1.2.3адачи совершенствования, динамика, и перспективы применения ДВО.. 36
І.З.Научная проблема, цели и задачи исследования 47
2. Концепция совершенствования характеристик МТУ для повышения эффективности КГМ на стадии проектирования 58
2.1 .Объекты и предмет исследования 58
2.2.Системный подход к исследованию и разрешению проблемы совершен ствования характеристик МТУ 66
2.3. Возможности совершенствования характеристик МТУ и повышения эффективности КГМ 72
2.3.1.Возможности совершенствования характеристик МТУ и повышения эффективности тяговых КГМ 73
2.3.2.Возможности совершенствования характеристик МТУ и повышения эффективности транспортных КГМ 83
2.4.Концепция совершенствования характеристик МТУ для повышения эффективности КГМ 90
2.5 Методы и средства совершенствования энергопреобразований в МТУ для стабилизации их характеристик 96
2.5.1.Метод обеспечения рациональной удельной мощности КГМ 96
2.5.2.Метод снижения потерь средней выходной мощности МТУ тяговых
КГМсГМТ 101
2.5.3.Метод повышения топливной экономичности транспортных КГМ 104
3. Основы анализа и синтеза стабильности характеристик МТУ и двигателей на стадии проектирования 108
3.1. Система условий работоспособности 108
3.2. Методы синтеза стабильности характеристик МТУ, двигателей и их подсистем на стадии проектирования 116
3.2.1. Принципы, сущность, классификация и последовательность применения методов стабилизации характеристик 116
3.2.2.Взаимосвязь показателей функционирования и ограничительных пара метров 125
3.2.3.Метод нормирования 128
3.2.4.Метод нагрузочного резервирования 131
3.2.5.Метод снижения чувствительности к возмущениям (метод регулирова ния) 133
3.2.6.Метод аварийной защиты 137
3.2.7.Метод уменьшения области возмущений 139
3,2.8.Эффективность методов стабилизации характеристик 141
4. Анализ стабильности характеристик дизелей воздушного охлаждения на стадии проектирования 150
4.1. Допустимые значения ограничительных параметров МТУ и ДВО 150
4.1.1 .Тепловыделение в ГМТ 150
4.1.2. Параметры тепловой нагруженности и напряженности ДВО 151
4.1.3.Параметры рабочего цикла 159
4.1 АУсловия производства и применения 161
4.2.Частные методики моделирования процессов энергопреобразований в двигателе и моторном отсеке 163
4.2.1. Особенности математического моделирования процессов энергопреобразований в двигателе и моторном отсеке 163
4.2.2. Особенности экспериментального моделирования процессов энергопреобразований в двигателе и моторном отсеке 175
4.3. Исследование стабильности характеристик ДВО при действии возмущений 177
4.3.1. Потенциальный уровень показателей и параметров ДВО 177
4.3.2.Классификация возмущений 183
4.3.3 .Влияние детерминированных возмущений 187
4.3.4.Влияние случайных возмущений, обусловленных культурой производства 191
4.3.5.Влияние случайно-детерминированных и случайных возмущений, связанных с условиями применения 196
4.3.5.1 .Влияние природно- климатических условий 196
4.3.5.2.Влияние случайных возмущений, связанных с условиями примене ния 203
4.3.6.Причины снижения стабильности характеристик двигателей при действии возмущений 205
5. Методы и средства совершенствования энергопреобразований для стабилизации характеристик ДВО при форсировании и применении в сложных условиях 210
5.1.Эффективность совершенствования энергопреобразований в форсированном ДВО 210
5.1.1.Условия работоспособности форсированного ДВО 210
5.1.2. Влияние параметров наддувочного воздуха, турбокомпрессоров и охладителей 214
5.1.3.Эффективность перераспределения тепловых потоков в охлаждающий воздух 222
5.2.0беспечение стабильности характеристик форсированных ДВО совершенствованием энергопреобразований применением метода параметриче ской избыточности 230
5.3.Обеспечение стабильности характеристик форсированных ДВО совершенствованием энергопреобразований применением методов регулирования и аварийной защиты 235
5.3.1.Эффективность регулирования угла опережения впрыска топлива 237
5.3.2.Эффективность корректирования подачи топлива 240
5.3.3.Эффективность регулирования степени охлаждения наддувочного воздуха 245
5.3.4.Эффективность терморегулирования 252
5.3.5. Эффективность системы аварийной защиты и сигнализации >... 254
6. Методы и средства совершенствования процессов энергопреобразований в рабочем цикле для стабилизации характеристик ДВО 261
6.1.Условия работоспособности и основы совершенствования рабочего цикла 261
6.2.Теоретические возможности совершенствования рабочего цикла и повышения стабильности его характеристик 262
6.2.1.Возможности совершенствования рабочего цикла при пристеночном смесеобразовании 262
6.2.2.Возможности совершенствования рабочего цикла при объемном и объемно-пленочном смесеобразовании 266
6.3.Методы и средства совершенствования и стабилизации характеристик рабочего цикла при различных способах смесеобразования 273
6.3.1.Пристеночное смесеобразование 273
6.3.2.0бъемно-пленочное смесеобразование 275
6.3.3.Объемное смесеобразование 286
6.3.4.Эффективность совершенствования рабочего цикла при различных способах смесеобразования 290
6.4.Совершенствование рабочего цикла и стабилизация его характеристик применением разделенного впрыска топлива 293
6.4.1.Организация разделенного впрыска топлива. Разработка и исследование топливной аппаратуры 293
6.4.2.Эффективность и перспективы применения разделенного впрыска топ лива 311
7. Методы и средства совершенствования и стабилизации характери стик систем воздушного охлаждения 328
7.1 .Условия работоспособности и рациональные параметры СВО 328
7.2.Влияние возмущений на стабильность характеристик СВО 336
7.3.Совершенствование и стабилизация характеристик СВО при форсирова нии двигателя 348
8. Методы и средства стабилизации характеристик ДВО при примене нии в моторных отсеках с ограниченным воздухообменом 354
8.1.Условия работоспособности ДВО при применении в моторных отсеках с ограниченным воздухообменом 354
8.2.0беспечение стабильности характеристик ДВО совершенствованием энергопреобразований в двигателе и отсеке 362
8.3.Обеспечение стабильности характеристик ДВО совершенствованием конструкции моторных отсеков 366
Заключение 372
Список литературы
- Роль двигателей и трансмиссий в совершенствовании характеристик моторно-трансмиссионных установок
- Возможности совершенствования характеристик МТУ и повышения эффективности КГМ
- Принципы, сущность, классификация и последовательность применения методов стабилизации характеристик
- Параметры тепловой нагруженности и напряженности ДВО
Роль двигателей и трансмиссий в совершенствовании характеристик моторно-трансмиссионных установок
Рассматриваемая классификация КГМ предусматривает определение целей их применения, свойств и показателей эффективности и их взаимосвязи со свойствами и показателями МТУ [32,35,37,40,114,118,150]. Также классификация обобщает конструктивные признаки КГМ, определяющие условия функционирования МТУ и двигателей. Главным классификационным признаком КГМ является назначение и определяемые им конструктивные признаки, рис.1.1, [32,37,84,114,150]. К ним относятся: количество взаимосвязей с грунтом [150] (транспортные и транспортно-тяговые КГМ имеют одну взаимосвязь с грунтом, тяговые - две и более); типы трансмиссии и двигателя; компоновочная схема (рамные КГМ, МО с свободным воздухообменом с окружающей средой; корпусные, МО с ограниченным воздухообменом). Большинство КГМ являются КГМ двойного назначения [1,37,147]. При одинаковой по виду деятельности, они имеют различные цели и условия применения.
Определение эффективности применения КГМ [35,37,40,41,84,99,129,147, 150,158,170,171] предусматривает, что в зависимости от назначения и масштабности выполняемых задач, КГМ надо рассматривать не индивидуально, а как элементы систем различного уровня. Это конкретизирует цели применения и основные требуемые свойства КГМ по степени приоритетности и весомости в формировании их эффективности, таблица 1.1. Уровень системных свойств КГМ зависит от степени реализации их потенциальных возможностей в различных условиях производства и применения [32,37,114,130,141,150], определяемых конструктивными, производственными и эксплуатационными факторами (в дальнейшем возмущениями).
С позиций теорий сложных систем и эффективности выделяется требуемый, достигнутый (потенциальный) и реализуемый эффекты применения КГМ [85,129,141,158]. Требуемый эффект определяет степень соответствия КГМ назначению. Потенциальный эффект определяет степень реализации требований, т.е. характеризует технический уровень и качество КГМ. Реализуемый эффект носит вероятностный характер и характеризует степень использования возможностей машины в реальных условиях применения. Эффективность или степень соответствия реализуемого эффекта потенциальному характеризуется показате 1 , Фчкс(аьР;) ,-. ,ч лем эффективности: Кэе0-1: Кэ = ,\ ! , (1.1), где Фп(а1),ФЭкс(а:,р;) Фп(аі) потенциальный и реализуемый эффект или показатель основного свойства КГМ ; аі - конструктивные параметры; Pj - параметры, характеризующие условия применения.
Методы оценки эффектов применения КГМ, зависят от их назначения. Например эффект применения автомобиля [40,84] оценивается годовой производительностью W, зависящей от его эксплуатационно-технических свойств, табл. 1.1, и систем применения и ремонта: w q-v-i-P-Ут-т-д-а n v ,, W = U.z), где q - грузоподъемность; у - коэффициент использо I + P-Vx tn вания грузоподъемности; I - средняя длина ездки с грузом; Р - коэффициент использования пробега; Vx" средняя техническая скорость; Т - время работы в сутки; Д - количество дней в году; а - коэффициент использования автомобиля за год; tn " время простоя под погрузкой и выгрузкой за одну ездку.
Эффект применения военных КГМ оценивается подвижностью П [141]:
Время St включает время чистого движения t№, зависящее от тягово скоростных свойств и т.д., табл. 1.1, формирующих среднюю скорость движения и время toa, необходимое для обеспечения этого движения. Время tojx зависит от эксплуатационно-технических свойств машины и уровня организации движения и работ по его обеспечению.
Аналогичным способом по производительности и другим показателям определяется эффективность тяговых КГМ [4,35, 105,150].
Также применима оценка эффектов критерием "эффективность-стоимость" [35,40,141], отражающим взаимосвязь системного свойства КГМ с уровнем затрат на создание и функционирование машины.
Современные методы определения эффективности КГМ учитывают все их определяющие свойства [41,158] и устанавливают, что в формировании реализуемого эффекта применения КГМ или их качества в конкретных условиях неразрывны потенциальный уровень их показателей и вероятность его реализации. Последняя оценивается присутствием в неявной форме показателей приспособленности КГМ к условиям производства и применения [40,158] или стабильности характеристик КГМ при действии возмущений.
Возможности совершенствования характеристик МТУ и повышения эффективности КГМ
Причинно-следственные связи между входными показателями двигателя, конструктивными параметрами трансмиссии (МТ и ГМТ), выходными показателями МТУ и эффективностью агрегатов на базе тяговых КГМ в целом определены моделированием процессов энергопреобразований и подтверждены результатами эксплуатационных испытаний трактора кл.35. Для тяговых КГМ с МТ и ГМТ методика моделирования предусматривала: - определение по известным методикам [4,80,118,150] выходных характеристик МТУ и тяговой характеристики трактора в зависимости от изменения основных входных характеристик двигателя (мощности и коэффициента приспособляемости по крутящему моменту); - оценку эффективности КГМ.
Агрегаты на базе тяговых КГМ (трактор кл.35 с МТ и ГМТ) используются для разработки грунтов (бульдозирование и рыхление) различных категорий сложности на 1 передаче, при откате на 2 передаче при различных длинах перемещения грунта в широком диапазоне атмосферных и других эксплуатационных условий. При этом снижение мощности достигает 30% и более [20,70,97,149, 167,175,197]. Эффект их применения в основном зависит от производительности Пм и долговечности. Эффективность имеет вид: Кэ =(іПМІ i)-C0/Tl3T -Т0 -ICj,(2.1), где пм.,Cj и Tj- текущие производительность, основные затраты и соответствующее время работы, пэт,С0и т0 - эталонные производительность, затраты и долговечность КГМ. Рекомендуемое значение эффективности, как отмечалось, не ниже Кэ= 0,75-0,85 [4,39,68,73,105,121,150].
Оценка производительности выполнена с помощью обобщенных коэффи Фа V циентов [121,150]: Кп = — х ,(2.2), гдеКп Vxx,(pa fa-коэффициент І ІФа +їа) vxx Nwhi-CpG-8) производительности; средняя скорость движения на холостом ходу, удельная сила тяги и коэффициент сопротивления движению агрегата; Nyfl- удельная мощность агрегата; гм - КПД трансмиссии; С« - коэффициент потери скорости движения из-за изменения скоростного режима работы двигателя; 8 - буксование движителя.
Использованы экспериментальные данные по буксованию движителя [150]. Коэффициент сцепления ф=0,9. Приняты постоянными: гм=0,9; Vxx=7,5 км/час; fa=0,l;Cp=0,91. Значение КПД трансмиссии выбиралось по (lKn. iJ-ge -Ne К п _ [4,105,118,121,150]. Тогда: K3 = vy " " = п;;с -Т1+Т2 (2.3), Kno0-2:gei.Nei еэкснеэкс где Кп - коэффициент производительности при исходном значении мощности двигателя и оптимальной тяговой характеристике трактора; Кп , ge , Ne и Т\ - относитель ЭКС экс экс ные средние коэффициент производительности, удельный расход топлива, мощность и время работы агрегата на базе КГМ при снижении мощности двигателя; Т2 - относительное время работы агрегата при исходном значении мощности двигателя; Т\ + Т2 1. Значения КПэкс и соотношения величин Ті и Ї2 являются характеристиками условий производства и эксплуатации. С ростом возмущений при снижении культуры производства и усложнении условий эксплуатации величина К п снижается, ЭКС а Ті возрастает.
Исходная мощность двигателя соответствовала приведенной к нормальным атмосферным условиям [52] мощности двигателя в объектовых условиях, равной 233 кВт (по результатам стендовых испытаний двигателя и его торможения на тракторе). При проведении моделирования допускалась неизменность часового расхода топлива GT ПО внешней характеристике при снижении мощности. Это характерно при применении двигателя с неисправностями или отклонениями от оптимальных регулировочных параметров (засорение воздухоочистителя, падение давления наддува и др.) [68,71,73] и подробно рассмотрено в главе 4.
Адекватность моделирования подтверждена сопоставлением его результатов с результатами эксплуатационных испытаний при нормальных атмосферных условиях, на высоте 1000 м над уровнем моря и при температуре окружающей среды 45 С (снижение мощности двигателя до 20% и более) [20,175].
Моделированием исследовано влияние на характеристики МТУ, тяговую характеристику трактора и эффективность КГМ снижения мощности двигателя (относительная величина Ne3KC = 0,7 - 1,0) и изменения коэффициента приспособляемости по крутящему моменту в пределах Км=1,1-1,3, рис. 2.7 - 2.10. Для исходного варианта обеспечена согласованность характеристик двигателя и трансмиссии и соответственно оптимальная расчетная тяговая характеристика трактора.
Принципы, сущность, классификация и последовательность применения методов стабилизации характеристик
При решении задачи синтеза устанавливаются пути выполнения условий работоспособности в зависимости от достигнутой стабильности характеристик и наличия ресурсов изменения параметров системы или её окружения. Согласно обоснованной концепции систематизированы и исследованы методы стабилизации характеристик МТУ, двигателей и их подсистем на стадии проектирования. Их сущность состоит в обеспечении выполнения условий работоспособности. Как отмечалось, стабилизация характеристик СТС (МТУ) в целом достигается стабильностью и согласованностью характеристик подсистем (двигателя и трансмиссии) независимо от действия возмущений. С позиций системного подхода установлен принцип обеспечения указанного, названный принцип определения «слабого звена» [36, 99]. Необходимо, в первую очередь, выявить подсистему низшего уровня, ухудшение показателей которой приводит к уси ливающемуся ухудшению показателей и эффективности подсистемы следующего уровня и обеспечить стабильность характеристик первой. Наиболее существенное улучшение выходных характеристик МТУ достигается обеспечением стабильности характеристик двигателей. Наибольшее влияние на стабильность последних оказывает ухудшение параметров рабочего цикла, энергопреобразований и т.д. В свою очередь даже небольшие отклонения в характеристиках впрыска и распыливания топлива могут существенно ухудшить качество процессов смесеобразования и сгорания и соответственно параметры рабочего цикла [15,207].Таким образом обоснованное применение методов стабилизации требует знания причинно-следственных связей между входными и выходными параметрами подсистем двигателя и степени их влияния на показатели и параметры двигателя в целом.
Так как одновременное выполнение всех требований, предъявляемым к характеристикам двигателей и МТУ, невозможно технически или нецелесообразно экономически, то необходимо решить задачу нахождения компромисса в рамках функционала "уровень показателей функционирования и ограничительных параметров - стабильность характеристик - уровень затрат на создание и функционирование двигателя".
Рассмотрение систем общих условий работоспособности позволяет определить влияние различных факторов на величины показателей и параметров и стабильность их характеристик при действии возмущений. Моделированием, на примере изменения мощности двигателя, установлено, рис. 3.3, 3.4, что её величина N3KC резко снижается с ростом чувствительности к возмущениям
К и их величин АВ. Стабильность характеристик, оцениваемая Вер ПО , возрастает при ужесточении нормирования, снижении чувствительности параметра к возмущениям и уменьшении их величин. Установлено, что для допустимого уровня стабильности характеристик величина Ne снижается с 0,95 до 0,9 при снижении жесткости нормирования ANe с 0,1 до 0,4 независимо от уровня чувствительности к возмущениям, при этом область допустимых возмущений возрастает.
Указанное определяет последовательность стабилизации характеристик. Прежде всего, необходимо ужесточить нормирование допустимого по конкретным признакам изменения уровня показателя или параметра. После этого целесообразно снизить чувствительность показателя к возмущениям, ограничить их величины и уменьшить вероятность их появления. В конкретных условиях, характеризуемых значительной областью возмущений, снижение чувствительности параметра к ним обеспечивает его приемлемые уровень и стабильность характеристик. Это позволяет выбирать конструктивные параметры, режимы работы, условия применения, при которых стабильность характеристик достаточно высока. Уровень показателей функционирования и стабильность характеристик СТС зависят от её структуры, параметров и возмущений, обусловленных производством и применением. Воздействие на эти факторы с целью управления, ограничения, регулирования, исключения и т.д. может привести к необходимому результату [15,36,47,48].
Ниже систематизированы и классифицированы методы стабилизации и рассмотрены основы их применения. Конструктивные методы стабилизируют характеристики, т.е. обеспечивают выполнение условий работоспособности изменением структуры и параметров систем. Организационно- технические связаны с ограничением возмущений повышением качества производства и изменением условий применения. Особое место занимает метод нормирования, ужесточающий допустимые изменения показателей функционирования и ограничительных параметров, относящийся к организационно-техническим, и реализуемый воздействием, как на конструктивные параметры системы, так и на величины возмущений. Рассматриваются методы, рис.3.5:-метод нагрузочного резервирования (параметрической избыточности по показателям функционирования и ограничительным параметрам) широко применяемый в практике [35,36,48,66,91,99,129,130].
Параметры тепловой нагруженности и напряженности ДВО
Тепловая нагруженность характеризуется тепловыми потоками в детали и охлаждающие среды. Соответствие между тепловыми потоками и возможностями по их теплосъему является условием обеспечения работоспособности двигателя. Тепловая напряженность характеризуется температурными напряжениями, возникающими в деталях вследствие наличия высоких температур и их неравномерного распределения. В деталях двигателя возникают также механические напряжения, однако, их величина в 2-3 раза меньше температурных напряжений [62,98,108,144,156]. Тепловая нагруженность также зависит от тепловых потоков в моторное масло и распылитель форсунки. Это может привести к коксованию, что также лимитирует работоспособность ДВО.
В наиболее тяжелых условиях работает поршень и поршневые кольца. Имеются пределы повышения температур цилиндро-поршневой группы, превышение которых приводит к ускоренному образованию смол, постепенной потере подвижности и залеганию поршневых колец. Распределение температур в поршне зависит от типа камеры сгорания. Применяемые в ДВО полуразделенные камеры сгорания характеризуются повышенной теплоотдачей в поршень за счет интенсивной турбулизации заряда и значительных скоростей тепловыделения. Вследствие высоких уровней тепловой нагруженности и напряженности наряду с залеганием поршневых колец возможно появление разнообразных по\ механизму повреждений: термоусталостных трещин зоны горловины камеры, прижогов, прихватов и задиров поршней и т. д., рис.4.1. Работы [5,98,108,144, 152,174,195] свидетельствует о необходимости охлаждения поршней маслом при более низких уровнях форсирования по сравнению с дизелями жидкостного охлаждения. Это является одним из ограничений по параметрам теплона-груженности поршней ДВО.
В тяжелых условиях работают головки цилиндров ДВО. Сложность формы головки, неравномерность ее температурного поля, большие монтажные усилия приводят к возникновению повышенных температурных и механических напряжений, а также нарушений условий работоспособности многочисленных стыков (газового, головка-седло, головка-форсунка и т. д.), рис. 4.1. Трудность охлаждения центральной части головки ведет к тому, что у ДВО, при равной температуре переферийных зон головки, температура в зоне межклапанной перемычки несколько выше и повышается с нагрузкой более интенсивно, чем в дизелях жидкостного охлаждения. Это усугубляется с ростом диаметра цилиндра [94,95,98,100,124,152,207]. В ДВО для предотвращения возникновения трещин в межклапанной перемычке, короблений и т.д., а также облегчения условий работы распылителей форсунки применяются различные методы: жаропрочные вставки, локальное масляное охлаждения перемычек и т.д. [95,120,174,207].
Цилиндры ДВО преимущественно изготавливаются из чугуна, они также характеризуются неравномерным температурным полем и возможностями возникновения различных дефектов, дополнительно обусловленных монтажными деформациями при сборке двигателя. Многочисленные исследования [66,120, 124,152, 207] указывают на неравномерность износа цилиндров в ДВО и необходимость стабилизации температурного поля.
Работоспособность ДВО ограничивает повышенная тепловая нагружен-ность распылителя форсунки, находящегося в наиболее теплонагруженной зоне головки. По этой причине возникает коксование распылителей либо их деформации, в комплексе нарушающие процесс топливоподачи и ведущие к ухудшению процессов смесеобразования и сгорания [207].
Повышенная температура моторного масла также приводит к ухудшению показателей ДВО и определяет высокие требования к качеству масел.
Имеются определенные ограничения по температуре отработавших газов tr, обусловливающей теплонагруженность головки цилиндра, выпускных клапанов, турбины (при наличии турбонаддува) [62,81,95,120,174,207].
Приведенные данные свидетельствуют о наличии определенных ограничений, связанных с повышенной тепловой нагруженностью и напряженностью деталей ДВО. Подробно эти вопросы рассмотрены для ДВО ВТЗ в работах Эфроса В.В [207]. Необходимо определить следующие температуры или другие критерии: оптимальные по конкретным признакам; безопасные - не вызывающие отказов за период эксплуатации; допустимые в течение ограниченного времени без возникновения отказов; недопустимые, вызывающие отказы. При создании ДВО стремятся поддерживать эксплуатационные температуры деталей t3KC и моторного масла t„KCB диапазоне между безопасными и допустимыми.
Увеличение безопасных температур сопровождается снижением расхода воздуха на охлаждение двигателя, а малый разрыв между назначенными безопасными и допустимыми температурами повышает вероятность параметрического отказа по ограничительному параметру. Завышение значений ограничительного параметра приводит к снижению показателя функционирования (мощности) двигателя.
