Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ публикаций, посвященных разработке и исследованию методов и средств регулирования дизеля отключе нием цилиндров и циклов 9
1.1. Исследования режимов работы транспортного двигателя 9
1.2. Исследования методов повышения экономичности холостых ходов и малых нагрузок дизеля отключением цилиндров... 13
1. 3. Разработка средств отключения цилиндров 19
1. 4. Исследования в области снижения дымности, токсичности и запаха ОГ 29
1. 5. Разработка систем автоматического регулирования двигателя отключением-включением цилиндров 34
1. 6. Особенности топливоподачи при работе на неустано вившихся режимах 38
Выводы по главе 1 43
Постановка задач исследования 44
Глава 2. Теоретический анализ возможностей повышения экономических и экологических качеств дизеля использованием метода отключения цилиндров и циклов 46
2.1. Уменьшение расхода топлива дизелем 46
2.1.1. Уменьшение расхода топлива дизелем на установив шихся режимах холостого хода и малых нагрузок 46
2.1. 2. Уменьшение расхода топлива при неустановившихся режимах 49
2. 2. Повышение эффективности переходных процессов 54
2. 3. Стабилизация частоты вращения 57
2. 3.1. Стабилизация частоты вращения при установившихся режимах 57
2. 3. 2. Повышение устойчивости установившихся режимов работы дизеля 60
2. 3. 3. Повышение динамической устойчивости режима работы дизеля с потребителем- f. 62
:-MV\v її'
2. 4. Снижение токсических параметров дизеля 65
2.5. Регулирование дизеля отключением цилиндров и циклов 72
2. 6. Разработка элементов системы отключения цилиндров и циклов 74
2. 7. Разработка систем автоматического регулирования дизеля отключением цилиндров и циклов 85
2. 7.1. Система экономайзера принудительного холостогохода дизеля (ЗПХХД) Є5
2. 7. 2, Система безреечного автоматического регулирования отключением циклов 89
2. 7. 3. Система автоматического регулирования дозиро ванием цикловых подач с помощью отключателей циклов 96
2- 7, 4. Система управления для поддержания теплового состояния дизеля 100
Глава 3- Стенда и приборы для исследования работы топливной аппаратура и дизели. Методики исследований 105
3. 1. Объект исследований 105
3. 2. Стенд для исследования топливной аппаратуры и измерительная аппаратура 107
3. 3- Стенды для исследования дизелей и измерительная аппаратура 112
3. 4. Методики проведения экспериментов 117
3. 5. Методики обработки данных и анализ погрешностей измерений 118
ГЛАВА 4. Результаты экспериментального исследования на безмоторной установке 121
4.1. Исследование характеристик элементов отключения цилиндров и циклов 121
4.2. Исследование влияния отключения цилиндров и регулирования начального давления на характеристики тошшвоподачи 124
4. 3. Исследование метода дозирования цикловых подач перепуском топлива на линии высокого давления 142
Глава 5 Результаты экспериментального исследования дизелей со средствами отключения цилиндров . 146
5.1. Снижение расхода топлива на установившихся режимах холостого хода 146
5.2. Повышение устойчивости установившихся режимов работы дизеля 156
5. 3. Исследование вибрационных характеристик дизелей при использовании метода отключения цилиндров 151
5. 4. Стабилизация частоты вращения коленвала на холостом ходу 166
5. 5. Результаты экспериментального исследования переходных процессов при использовании метода отключения цилиндров.. 171 5. 6. Исследование влияния отключения цилиндров
на токсические параметры дизеля 179
Выводы - 185
Список литературы
- Исследования режимов работы транспортного двигателя
- Уменьшение расхода топлива дизелем на установив шихся режимах холостого хода и малых нагрузок
- Стенд для исследования топливной аппаратуры и измерительная аппаратура
- Исследование характеристик элементов отключения цилиндров и циклов
Введение к работе
Актуальными проблемами современного дизелестроения являются повышение эксплуатационной топливной экономичности и снижение токсичности выбросов. Одним из известных путей решения этих проблем является использование метода отключения цилиндров дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов.
При отключении части цилиндров остальные цилиндры работают с повышенной нагрузкой,; а следовательно, с увеличенной производительностью рабртйюших секций топливного насоса, что повышает качество процессов топливоподачи и приводит к повышению индикаторного к. п. д. дизеля.
Разработки, посвященные созданию средств, реализующих этот метод, как правило основываются на результатах изучения эффекта отключения цилиндров на установившихся режимах работы двигателя. В данной работе особое внимание уделено изучению влияния переходных процессов в топливной аппаратуре и дизеле в целом на эффективность применения метода отключения цилиндров.
Средства, реализующие метод отключения цилиндров, как правило, выполняются в виде элементов управления топливоподачей на линии низкого давления топлива, разгерметизации линии высокого давления, а также с помощью специальных конструкций, отключающих группу плунжеров топливного насоса высокого давления. При этом средства, реализующие метод разгерметизации линии высокого давления, как правило конструктивно сложны, требуют значительных затрат мощности на привод, отличаются высокой инерционностью и сложностью их применения в системах регулирования.
В диссертации разработан и исследован элемент отключения циклов и цилиндров дизеля, основанный на принципе смешанного гидродинамического и электромагнитного управления обратным клапаном, связанным с линией высокого давления и открывающимся внутрь ее полости. Такое выполнение элемента позволило существенно повысить его быстродействие, упростить конструкцию,, снизить затраты мощности на его привод, уменьшить переходные процессы в системе, а также свести к минимуму высокочастотные электромагнитные помехи.
Для бензиновых двигателей транспортного назначения эффективным методом повышения эксплуатационной топливной экономичности является применение системы типа экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ). Для дизелей, топливные насосы которых имеют элементы вывода в положение выключения подачи топлива, система ЭПХХ легко реализуется. Однако, при этом сохраняются потери экономичности и эффективности, связанные с переходными процессами в ТА. В работе предложена и исследована дизельная топливная система, позволяющая реализовать принципы снижения эксплуатационного расхода топлива отключением топливоподачи на режимах принудительного холостого хода дизеля (ПЭД).
Существующие средства реализации метода отключения цилиндров применяются, преимущественно, либо со штатными системами регулирования, либо со специальными органами управления и, как правило, не реализуют метод регулирования двигателя поцикловым отключением-включением отдельных цилиндров и циклов. В то ж время, перспективность такого метода подтверждена опытом разработки бензиновых двигателей с электронными системами впрыска топлива,
В работе с использованием разработанного элемента отключения цилиндров удалось реализовать регулирование дизеля отключением-включением циклов.
Разработанное устройство позволяет осуществить дозирование - топливоподачи перепуском на линии высокого давления. Использование этого же элемента позволило реализовать систему интенсификации топливоподачи за счёт предварительного создания начальной скорости топлива в линии высокого давления.
Ранее известные средства и методы отключения цилиндров и циклов имели, как правило, сравнительно узкое назначение, например, для отключения блока цилиндров двигателя. Разработанные средства и методы позволяют объединить в единой комплексной системе средства регулирования дизеля, автоматизации его зашиты и эксплуатационного диагностирования.
Исследования режимов работы транспортного двигателя
Усиленное развитие автомобильного транспорта способствовало развитию исследований особенностей работы двигателя внутреннего сгорания в эксплуатации, правило, внимание исследователей привлекают наиболее распространенные режимы работы в условиях интенсивного городского движения и при езде по шоссе. Так в работах [ 60, 713 приводятся результаты испытаний автобуса ЛАЗ-965Н при езде в городах Киеве и Ленинграде, на основании чего было выявлено что 40,5% всего времени работы приходится на режимы холостого хода tXX) и принудительного холостого хода (ПХХ), 95 % времени двигатель работает с частотой вращения до 2000 1/мин, что значительно ниже номинальной, и 45 % времени при положении регулирующего органа до 20 % от максимального.
Для условий езды в Москве- 54,7% времени двигатель автомобиля работает на нетяговых режимах [39],
Глубокие исследования, проведенные на Ярославском моторном заводе С 63, 72 ] позволяют рассматривать работу двигателя автомобиля при эксплуатации в городских условиях в зависимости от более удобных для анализа параметров: частоты вращения коленвала двигателя и положения регулирующего органа ( рис. 1.1 и 1.2 ).
Из рис, 1.1 следует, что до 15% всего Бремени двигатель работает в диапазоне минимально устойчивых частот вращения. Максимальная относительная продолжительность работы приходится на 1000-1400 1/мин и составляет 52,7%, С повышением частоты вращения относительная продолжительность постепенно снижается и в районе максимальных частот составляет всего 0,34%, фи рассмотрении этого же экспериментального материала в зависимости от положения рейки топливного насоса (ТН) (рис, 1.2) видно, что подавляющее большинство времени, более 30%, работа происходит при положении рейки ТН до 15% от номинального- Таким образом, этот режим соответствует реботе на XX или на малых нагрузках. Относительная продолжительность работы при увеличении цикловой подачи плавно уменьшается до 2,6% и только в -диапазоне 90-100% резко увеличивается до 13,8%. Такой скачок, очевидно, связан с большим числом переключений передач в городских условиях и, как следствие этого, частым, хотя и кратковременным, перемещением рейки ТН в положение, сответствующее максимальной подаче топлива.
Отчасти подтверждение этого можно найти в работах, где рассматриваются не только установившиеся режимы (УР)} но и неустановившиеся режимы (НУР) работы двигателя. Так в [43 помимо данных по работе на УР ( XX- 17%, постоянная скорость - 16% времени ) приводятся материалы и по НУР; ускорение - 42% и замедление - 25%.
Максимальные нагрузки и частоты вращения определены при движении по международному шоссе наименьшая загруженность двигателя - при интенсивном городском движении, а наименьшая частота вращения коленчатого вала - в условиях движения по грунтовым дорогам. Соответственно значительно различаются режимы движения и по количеству переключений передач, которое достигает 580 (в зависимости от типа автомобиля) в городских условиях эксплуатации. А само по себе переключение передачи является., с точки зрения реакции двигателя, глубоким ПП сброса-наброса нагрузки.
Широкий диапазон эксплуатационных режимов характерен не только для автомобильного транспорта, но и для режимов работы тепловозного дизеля, результаты исследований которых приводятся в 122, 58, 77] И таблице 1.2.
По данным [77] и ЦНИИ ШІС за период с 1971 по 1981г. значительно изменилось . соотношение режимов работы дизеля в сторону увеличения продолжительности работы на XX, малых нагрузках и уменьшения на режимах близких к номинальному.
Уменьшение расхода топлива дизелем на установив шихся режимах холостого хода и малых нагрузок
Известны зависимости индикаторного к, п. д. от коэффициентов избытка воздуха для двухтактных и четырёхтактных двигателей (рис. 2,1 и .2 ). Известно, что при режимах работы двигателя, соответствующих малым нагрузкам и холостым ходам, при существенном увеличении коэффициента избытка воздуха зС как за счет изменения состава рабочего тела, так и за счёт ухудшения процесса топливоподачи происходит снижение индикаторного к. п. д.
При использовании метода отключения цилиндров возможно за счёт прекращения подачи топлива в часть цилиндров увеличить производительность работающих секций и следовательно поднять качество топливоподачи, за счёт чего даже при уменьшении коэффициента избытка воздуха (соц), достигается в определённой степени увеличение индикаторного к. п. д. , особенно существенное для двухтактных двигателей. Эффективность этого метода для четыре хтактных двигателей в значительной степени определяется тем предельным коэффициентом избытка воздуха на холостом ходу (охх), который на данном двигателе достигается, С увеличением числа цилиндров,повышением технологического совершенства и совершенства конструкции двигателя увеличивается и вероятность получения положительного эффекта- повышения к. и, д. при отключении части цилиндров двигателя.
Для анализа эффективности метода отключения цилиндров введём понятие сходственных режимов работы дизеля, подразумевая под ними такие когда развиваемая двигателем мощность и частота вращения одинаковы, а число работающих цилиндров различно.
Введём также понятие сходственных циклов работы двигателя, под которыми будем понимать циклы работы двигателя со всеми включенными цилиндрами или с частью отключённых цилиндров, но такие, у которых частота и положение регулирующего органа одинаковы.
Известно, что индикаторный к. п. д. является функцией степени повышения давления при сгорании А , а также состава смеси оС и нестабильности состава давления при сгорании А, есть величина постоянная (в связи с тем,что тепловое состояние является неизменным), рассматривая работу двигателя без наддува (когда можно допустить, что нестабильность коэффициента избытка воздуха является функцией нестабильности процесса топливоподачи Ору)} получим: (2.2)
Известно, что нестабильность топливоподачи и. ц становится тем выше, чем ниже производительность топливной системы . Используя метод отключения циклов или цилиндров, при котором увеличивается производительность работающих секций насоса, можно воздействовать на увеличение стабильности топливоподачи, стабильности состава смеси и следовательно на увеличение индикаторного к. п. д. Следует заметить что достижение такого эффекта возможно лишь в случае нелинейной связи индикаторного К-п. д. с составом смеси. На приведённой характеристике рис. 2. 2 это видно на участке V-2 . Таким образом, проведённый анализ показывает возможность определённого повышения индикаторного к. п. д. при УР при использованиям метода отключения части цилиндров.
Очевидно, что всякое отключение и последующее включение цилиндра, осуществляемое путем разгерметизации ЛВДЭ может вызывать те или иные переходные процессы Б ТА, Устранение их влияния на показатели дизеля - возможный резерв повышения эффективности методов отключения циклов.
На рис. 2.3 показаны схемы циклов 1,2,3 установившихся режимов и цикл 4 неустановившегося режима при переходе от скоростного режима Пп к скоростному режиму rig - При этом процесс топливоподачи протекает с возмущением дР? . Это возмущение называют "малым", если л н Зршч и "большим", еслидР УР РЦЧ где Spgg4 не-стабильность начального давления в установившихся режимах (см. рис. 2.4).
Типичная зависимость Рн«ц от частоты вращения п приведена на рис. 2.3. При отсутствии регулирования Ртг гг. начальное давление в данном цикле равно остаточному от предыдущего цикла функциональную зависимость изменения цикловой подачи и начального давления топлива при НУР работы двигателя можем представить в виде следующих зависимостей:
Соответственно два последних члена уравнения 2.11 представляют собой изменение производительности топливоподави в НУР, связанное с изменением PUQrT (рис. 2.5, а ) В проведённых ранее работах [4, 7, 21, 36, 47, 49, 553 было показано, что величина индикаторного к. п. д. зависит от величины Р t причём, для каждого скоростного и нагрузочного режима существует своё оптимальное Рнач (рис. 2.5 б). При НУР работы двигателя изменение Рнач в функции от частоты и положения рейки приводит к изменению не только производительности топливоподачи., но также и к изменению качества топливоподачи определяемого максимальным и средним давлением впрыскивания, интенсивностью топливоподачи и т. д.. Увеличение Ргтач нелинейно определяет изменение цикловой подачи, интенсивность топливолодачи, а также характеристики изменения максимального и среднего давления впрыскивания. При использовании метода отключения циклов в БУР работы двигателя необходимо учитывать поязление переходного процесса изменения PHaq и его влияние -на качество топливоподачи. При этом очевидно,что чем выше частота возмущения по Рнач, тем выше степень влияния ПП в ТА на поцессы топливоподачи.
С этой точки зрения следует отметить, что при использовании метода отключения цилиндров, т.е. при внесении редких возмущений по Р 5 получаем несущественное влияние Щ в ТА на работу двигателя.
Используя метод отключения-включения цилиндра на короткий промежуток времени ( в пределах одного цикла двигателя) необходимо учесть влияние ПП в ТА на качество топливоподачи и качество протекания рабочего процесса. Для устранения влияния этих ПП необходимо отработать сочетание метода отключения циклов с методом воздействия на нач. т, е. с методом регулирования PHaq, что может обеспечить дополнительное повышение экономичности и эффективности работы дизеля при использовании метода отключения-включения отдельных цилиндров на время отдельных циклов.
Стенд для исследования топливной аппаратуры и измерительная аппаратура
В соответствии с целью и задачами работы, сформулированными ранее, в качестве объектов исследования были выбраны топливные системы двигателей и непосредственно двигатели 124 15/18, 44 11/12,5 (Д-242), 84 13/14 (ЯМЗ-238), 124Н 14/14 (ЯМЗ-8401) И 84 12/12 (КАМАЗ-740).
Выбор данных типов двигателей объясняется их принадлежностью к различным классам дизелей, широко применяющихся в народном хозяйстве и эскплуатирующихся в большом диапазоне рабочих режимов как на УР, так и НУР.
Дизель 124 15/18 используется в составе стационарных и передвижных дизель-генераторов, судовых энергетических установок и как двигатель транспортных машин, а дизель 44 11/12,5 преимущественно устанавливается на тракторы Минского тракторного завода
Широко распростаненные двигатели 84 12/12 ( КАМАЗ-740 ) и 84 13/14 (ЯМЗ-238) применяются на ряде автотранспортных средств, поэтому для них характерна длительная работа на холостом ходу, частая смена режимов работы как по нагрузке, так и скоростному диапазону. Особенно актуальна для этих двигателей проблема снижения токсичности отработавших газов.
Все исследованные двигатели - четырехтактные и без наддува. Исключением является дизель ЯМЗ-8401, на котором установлены два -турбонагнетателя. Выбор этого двигателя объясняется перспективностью его применения.
Основные конструктивные и регулировочные параметры исследуемых двигателей приведены в таблице 1.
С целью проверки принципиальной работоспособности элемента системы отключения цилиндров и циклов и определения его характеристик, первоначальные исследования проводились на экспериментальной установке, созданной на базе стенда для испытания дизельной топливной аппаратуры КИ-22205-01. Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 3.1.
Стенд предназначен для исследования топливных насосов с числом секций до 12 и укомплектован блоком электроники 1, позволяющим измерять частоту вращения вала насоса в пределах 30-3000 об/мин с погрешностью не более 4 и число циклов испытываемого насоса до 9999 с погрешностью в один цикл.
Вращение от электродвигателя 2 через клиноременную передачу 3 передается главному валу 4, который с помощью переходников соединяется с испытываемым топливным насосом 5.
Перемещение и измерение хода рейки ТНБД осуществляется с помощью микрометрического винта 10 с ценой деления 0,01 мм, имеющего упор и фиксатор.
Для подачи топлива при различных испытаниях в стенде предусмотрена система высокого давления, включающая насос 6, развивающей давление до 5 МПа, дросселирующий вентиль 7, фильтр тонкой очистки 8 и манометр 9. Изменяя количество слива топлива в бак вентилем 7 можно плавно регулировать величину давления в системе. Величину подачи топлива испытываемого топливного насоса определяют с помощью мерных ёмкостей 11, установленных в два ряда.
Рабочий объем каждой мерной емкости первого ряда равен 135 см. Цена одного деления мерной емкости составляет 1 см. Для второго ряда соответственно: 40 см"- и 0.2 ем.
Топливо, подаваемое ТНВД, впрыскивается форсунками IS в пе-ногаситель 13, где постоянно поддерживается неизменный уровень топлива. Стекая по игле пеногасителя, топливо попадает в лоток заслонки 14 или в мерную мензурку. Включение заслонки, управляющей подачей топлива в мерные емкости, осуществляется с помощью электромагнита 15, питание на который подается блоком электроники.
Блок электроники, в свою очередь, принимает управляющие сигналы с фотодатчиков 16, расположенных у главного вала 4 и считывающих оптические сигналы прозрачного диска, жестко закрепленного на этом валу.
Причем, один фотодатчик генерирует 730 счетных импульсов за один оборот вала, что обеспечивает работу последующих систем с точностью до 0,6 градуса поворота вала насоса. Второй же фотодатчик генерирует один импульс за один оборот и таким образом осуществляет синхронизацию работы блока электроники.
Для регистрации быстропротекающих процессов установка оснащалась измерительной системой 18, позволяющей измерять и регистрировать ряд параметров. Причем, аппаратура позволяет, в зависимости от целей конкретного эксперимента и типа используемых первичных преобразователей неэлектрических величин, оснащать ее необходимыми унифицированными блоками.
Исследование характеристик элементов отключения цилиндров и циклов
Первоначальные экспериментальные исследования Э01Щ проводились на топливном стенде (безмоторная установка). Помимо изучения характеристик ЭОЦЦ исследовалось влияние дополнительного узла (ЭОЦЦ) на характеристики топливоподачи. В этом случае целью исследования являлось выявление как ухудшения характеристик ТА, так и их совершенствование путем воздействия на Рнач На рис, 4,1. приведены типичные осциллограммы давления топлива в ЛВД (Р), перемещения обратного клапана (h .„) и напряжения питания СU) электромагнита ЭОЦЦ. В данном случае была использована ТА двигателя ЯМЗ-240.
Установка ЭОЦЦ на штатную ТА не оказывает существенного влияния на процесс впрыска (рис. 4.1-а б). Несколько возрастает максимальное давление впрыска, Б пределах точности измерений (за счет создания Р„атт в ЛВД) устраняется волновой процесс после от сечки топливоподачи и увеличивается цикловая подача топлива. Причем, в значительной степени на изменение этих характеристик оказывает величина давления топлива, подводимого, к 30ІЩ, работающему в этом случае как регулятор Рнач в ЛВД.
Для приведенных на рис. 4.1. , б осциллограмм давление подпитки равнялось 0,7 МПа, что позволило увеличить цикловую подачу на 5 мм или на 8,3%. При этом открытие клапана ЭОЦЦ происходит за миллисекунды а время закрытия зависит от ряда факторов: объема магистрали высокого давления, величины давления подпитки, жесткости возвратной пружины, В данном случае время закрытия составляет 4,2 миллисекунды.
При подаче напряжения на электромагнитный привод ЭОЦЦ (рис 4,1. Б) открытие клапана осуществляется также за 2 мсек5 а время закрытия определяется конструкцией электромагнитного привода» индуктивностью обмотки, массой подвижных частей (штока, якоря), максимальным ходом клапана, -жесткостью возвратной пружины и в значительной степени зависит от протекания электромагнитных процессов в магнитопроводе.
Поскольку магнитная цепь электромагнитного привода замкнутая, то при размыкании электрической цепи наблюдалось "залипание" якоря и вследствие этого недопустимо затягивалось закрытие обратного клапана. Нанесение гальванического немагнитного покрытия толщиной ОЛ мм на поверхность якоря позволило ликвидировать это явление и сократить время закрытия в 4,5 раза.
Уменьшение хода клапана, при оптимизированной магнитной цепи, с 1,0 мм до 0,7 мм сокращает время закрытия на 30 ,
Таким образом, путем подбора необходимой жесткости обратной пружины, рационального хода клапана (0,5 мм) и технологического усовершенствования конструкции было получено время закрытия клапана ЭОЦЦ, равное 3 миллисекундам.
Толщина провода обмотки электромагнита выбиралась, исходя из требований как обеспечения малого энергопотребления при напряжении питания, равном 24 вольта, так и применения ЭОЦЦ при пониженом напряжении питания.
Диаметр обмоточного провода был выбран равным 0,18 мм, что позволило получить сопротивление обмотки 260 Ом и потребляемый ток от источника питания 24 Bs равный 90 мА. Таким образом, энергопотребление одного ЭОПД составило 2,2 Вт.
ЭОЦЦ сохранял работоспособность при снижении напряжения питания до 9 Бэ а его функционирование при 12 В не отличалось от работы при питании 24 R
Изучение влияния отключения цилиндров на неравномерность цикловой подачи по секциям проводилось на топливном насосе УТНМ-5. Неравномерность подсчитывалась как отношение разности максимальной и минимальной цикловой подачи к средней ее величине, и выражалась в процентах.
Цикловая подача топлива измерялась при всех работающих секциях ТН и при двух отключенных. Поскольку возможно несколько вариантов отключения секций, то неравномерность подачи при отключении подсчитывалась как средняя арифметическая величина неравномерности различных вариантов отключения.
Изменение неравномерности подачи в зависимости от положения рейки ТН для различных частот вращения вала насоса приведено на рис. 4. 2.
Анализ результатов при работе четырех и двух секций показывает, что во всем диапазоне перемещения рейки ТН, при частоте врашэния XX и близкой к ней, неравномерность подачи двух секций значительно меньше. Особенно ошутима эта разница с уменьшением подачи тоіиш-осі и частоты вращения.
