Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ публикаций, посвященных проблеме, постановка цели и задач исследования 10
1.1. Доля и значение режимов малых нагрузок и холостых ходов в общем объёме эксплуатационных режимов работы дизелей 10
1.2. Особенности рабочих процессов дизеля при работе на режимах малых нагрузок и холостых ходов 13
1.3. Особенности рабочих процессов в топливной аппаратуре дизелей при работе на режимах малых нагрузок и холостых ходов 20
1.4. Методы совершенствования показателей работы дизелей на режимах малых нагрузок холостых ходов 28
1.5. Выводы по главе 1 35
1.6. Постановка цели и задач исследования 36
ГЛАВА 2. Разработка методов и средств совершенствования показателей работы автотракторного дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов 37
2.1. Разработка методов совершенствования показателей работы автотракторного дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов 37
2.2. Разработка системы топливоподачи с регулированием начального давления топлива 46
2.3. Разработка системы регулирования дизеля методом отключения - включения цилиндров или циклов 50
2.4. Уравнения дизеля, регулируемого методом отключения цилинд ров или циклов при квазистатическом представлении 53
2.5. Уравнения дизеля, регулируемого методом отключения цилиндров или циклов с учётом переходных процессов в топливной аппаратуре 56
2.6. Уравнения дизеля, регулируемого методом отключения цилиндров или циклов при регулировании начального давления топлива 59
2.7. Выводы по главе 2 60
Глава 3. Методы и средства проведения исследований, погрешности измерений, определение достоверности результатов исследования 62
3.1. Выбор методов исследований 62
3.2. Стенд для исследований топливной аппаратуры
3.3. Стенд для исследования работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов
3.4. Анализ погрешностей измерений и регистрации параметров и показателей работы топливной аппаратуры и дизеля
3.5. Статистический метод обработки результатов многократных измерений и регистрации и оценка достоверности результатов
3.6. Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных и расчётных исследований работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов
4.1. Результаты исследований топливной аппаратуры дизеля с системой регулирования начального давления топлива
4.2. Результаты исследования топливной аппаратуры дизеля с системой отключения цилиндров или циклов
4.3. Результаты экспериментальных исследований дизеля с системами регулирования начального давления и отключения цилиндров или циклов
4.4. Результаты численного исследования работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов
4.5. Выводы по главе 4
Общие выводы и рекомендации
Список литературы
- Особенности рабочих процессов дизеля при работе на режимах малых нагрузок и холостых ходов
- Разработка системы топливоподачи с регулированием начального давления топлива
- Стенд для исследования работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов
- Результаты исследования топливной аппаратуры дизеля с системой отключения цилиндров или циклов
Введение к работе
В различных условиях эксплуатации дизели различного назначения длительное время работают на режимах малых нагрузок и холостых ходов. Нередко длительность непрерывной работы на таких режимах достигает нескольких или даже десятков часов. Чередование режимов полных и частичных нагрузок характерно для любых условий эксплуатации. Работа на таких режимах как правило характеризуется пониженным тепловым состоянием дизеля и его камеры сгорания, часто пониженными частотами вращения вала дизеля, ухудшенным распыливанием и распределением топлива, повышенными задержками воспламенения и ухудшением процессов смесеобразования - сгорания, повышенной неравномерностью вращения вала, нестабильностью режима совместной работы дизеля с потребителем, т.е. нарушением устойчивости режима и т.д. Всё это приводит к повышенному расходу топлива, повышенному угару масла, повышенным выбросам ряда токсичных компонентов и резкому запаху ОГ, повышенному нагро- и лакообразованию в цилиндрах дизеля, понижению моторесурса и надёжности работы двигателя. В связи с этим совершенствование показателей работы дизеля в условиях эксплуатации на режимах малых нагрузок и холостых ходов является одной из актуальных задач двигателестроения.
Решение этой задачи достигается разными методами, например, совершенствованием организации рабочих процессов на таких режимах, процессов топливоподачи, улучшением протекания скоростных характеристик дизеля при таких нагрузках, применением электронных систем регулирования и т.д. К числу таких методов относится метод воздействия на процессы топливоподачи регулированием начального давления топлива, метод регулирования дизеля включением - выключением цилиндров или циклов, корректирования частичных скоростных характеристик и т.д. Возможности этих методов применительно к режимам малых нагрузок и холо-
стых ходов исследованы в недостаточной степени. Всё перечисленное и определяет актуальность темы диссертации.
Целью диссертационной работы является совершенствование показателей работы автотракторного дизеля типа Д-240 (4411/12,5) на режимах малых нагрузок и холостых ходов, путём снижения расхода топлива, повышения стабильности и устойчивости режимов.
Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи.
Проанализировать возможности метода совершенствования показателей работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов путём воздействия на процессы топливоподачи регулированием начального давления топлива и путём регулирования дизеля методом отключения -включения цилиндров или циклов.
Модернизировать систему топливоподачи элементами регулирования начального давления топлива и отключения - включения цилиндров или циклов.
Разработать математические модели работы дизеля с системой регулирования начального давления и системой отключения цилиндров или циклов на режимах малых нагрузок и холостых ходов.
С использованием математических моделей исследовать влияние регулирования начального давления и отключения - включения цилиндров или циклов на показатели работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов.
Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчётно - экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование ряда эксплуатационных режимов работы дизеля.
Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью с результа-
тами опубликованных экспериментальных исследований, обработанных с применением методов математической статистики.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней разработаны и исследованы метод и средства совершенствования показателей работы автотракторного дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов, путём регулирования начального давления топлива, а также регулирования дизеля выключением - включением цилиндров или циклов. Расчётно -экспериментальными методами получены новые количественные показатели, свидетельствующие о возможности совершенствования показателей работы дизеля на таких режимах.
Практическая ценность работы заключается в том, что при реализации предложенных методов и средств достигается совершенствование показателей работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов, т.е. снижение расхода топлива на этих режимах, уменьшение минимально устойчивых частот вращения, повышение устойчивости работы дизеля с потребителем на таких режимах. Математические модели могут применяться для ускорения поиска рациональных показателей регулирования дизеля предложенными методами.
Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно - исследовательской работы кафедры комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов, применяются в учебном процессе и при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на научно - технических конференциях инженерного факультета РУДН в 2005, 2006, 2007 г.г., на международной конференции в г. Омске, СибАДИ (2007 г.).
Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы 3 работы.
Особенности рабочих процессов дизеля при работе на режимах малых нагрузок и холостых ходов
Работа на малых нагрузках и холостых ходах особенно существенно сказывается на показателях экономичности двухтактных двигателей [22, 65, 68], но и для 4-х тактных эти потери существенны. Так, для дизеля ЯАЗ-204 (ТА - насос - форсунка) при частоте вращения п=1600 мин"1 при снижении нагрузки (Ne) от 100% до 25% ge возрастает с 290 г/кВтч до 540 г/кВтч. Для 4-х тактного эти цифры составляют соответственно 240 и 300 г/кВтч. Причём, рост ge не столь велик, благодаря повышению а (например, с 1,5 до 4,5 соответственно при полной и частичной — 25% нагрузках). Существенное возрастание ge в значительной степени определяется резким уменьшением механического к.п.д. ле, который снижается от 0,8 при полной нагрузке до 0,4 при 25%. При этом, среднее давление механических потерь изменяется незначительно, несколько возрастая со снижением нагрузки. У двухтактных тепловозных дизелей при работе по тепловозной характеристике ge возрастает от 290 - 320 г/кВтч на номинале до 430 - 450 г/кВтч при 15% нагрузке [7, 22].
Очевидно, что принципиально возрастание ge со снижением Ne является теоретически обязательным. Но для двигателей разной степени совершенства оно может быть больше или меньше [22].
Для сопоставления разных двигателей и выбора характеристик трансмиссии используют многопараметровую характеристику двигателя. На ней видно, насколько ухудшается экономичность двигателя при снижении нагрузки [93].
При данном качестве рабочих процессов потеря экономичности со снижением нагрузки зависит от вида характеристики, по которой работает дизель. Правильный выбор характеристик потребителя по отношению к характеристикам дизеля позволяет снизить расход топлива на выполнение той же единицы работы. Выбор желательной рабочей характеристики удобно делать с использованием универсальных характеристик, построенных в относительных координатах (рис. 1.2.).
Индикаторный КПД (rj) четырёхтактного дизеля возрастает со снижением нагрузки (от 0,45 до 0,48), благодаря росту коэффициента избытка воздуха, но затем по мере приближения к XX несколько снижается, несмотря на продолжающийся рост а (рис. 1.З.). У двухдувом дизеля к более существенной потере экономичности. Так, в дизеле без наддува мощностью 225 кВт (п=2100 мин"1) при снижении мощности до 80 кВт удельный эффективный расход топлива увеличивается на 28%.
А у того же дизеля, форсированного наддувом до 270 кВт, при снижении мощности до тех же 80 кВт удельный эффективный расход топлива уже на 43% выше, чем на номинале. Даже если взять снижение мощности в процентном отношении то же, что и для безнаддувного, то всё равно повышение удельного расхода достигает 34%. тактных дизелеВлияние свободного газотурбинного наддува дизеля на увеличение удельного расхода топлива при пониженных нагрузках показано на рис. 1.4. эффективное давление Ре): 1 - двигатель с наддувом, 2 — двигатель без наддува.
Показано, что при абсолютной нагрузке в области 25% от номинала наддувного дизеля последний имеет удельный эффективный расход топлива на 20% превышающий аналогичный показатель дизеля без наддува при той же абсолютной нагрузке [7, 22].
Известно, что применение для наддува приводного нагнетателя (механический наддув) улучшает динамические качества дизеля (приёмистость) по сравнению с дизелем со свободным газотурбонагнетателем (ГТН) [20]. Однако такой дизель при переходе на частичные нагрузки теряет в экономичности ещё больше, чем дизель с ГТН. На рис. 1.5. показано, что мощность, затрачиваемая на привод компрессора, равна NK = f(PK) При этом, Рк = f (п) [20, 22, 49]. Мощность дизеля за вычетом его собственных механических потерь составляет (Ni NM). й это изменение более существенно. Причём, резко возрастает со снижением частоты вращения.
Разработка системы топливоподачи с регулированием начального давления топлива
Принципиальная схема система топливоподачи выбранного типа показана на рис. 2.6. Работа системы происходит следующим образом. После отсечки подачи топлива насосом 1 и посадки нагнетательного клапана в седло в ЛВД 6 формируется волновой процесс, представляющий собой чередование волн повышенного и пониженного давлений. Когда волна пониженного давления подходит к клапану РНД 4, он открывается и топливо из линии низкого давления 2 поступает через жиклёр 3 в ЛВД 5. В результате перед очередным циклом топливоподачи в ЛВД создаётся повышенное начальное давление. Жиклёр подбирается экспериментально такого проходного сечения, чтобы из - за волнового процесса в ЛНД 2 (вызванного отсечками подачи в других секциях насоса) не произошло чрезмерного повышения давления в волнах в ЛВД 5. Последнее может привести к под-впрыскиванию топлива.
Как показано на схеме рис. 2.7, волна пониженного давления в ЛВД после отсечки подачи обеспечивает открытие клапана РНД в периоды ц \, ф2 И ф3. сокого давления: Рф. - давление топлива в ЛВД перед форсункой; Рост. „ач. -остаточное и начальное давления топлива в ЛВД между циклами впрыскивания; пкл. - ход клапана РНД; (pi, (рг, фз -периоды открытого состояния клапана РНД под действием волн разрежения в ЛВД; (волновой процесс ниже нулевой линии показан условно, тонкой линией, очевидно, что разрежение в ЛВД не может быть ниже 0,1 МПа, а реально - редко достигает 0,05 МПа. Условная величина остаточного разрежения пропорциональна величине свободного объёма (V0CT.) в ЛВД в соответствии с выражением: Рост. = VOCTAOT. V .), где оц.. - сжимаемость топлива в данных условиях, лвд. - объём линии высокого давления.
Клапан РНД открывается и закрывается с некоторым запаздыванием относительно появления и пропадания разрежения в ЛВД.
В исследовании рассмотрены возможности применения клапанов РНД с одинарным и двойным запиранием. Суть таких решений заключается в следующем. Клапан с одинарным запиранием имеет один (конический) запорный узел. Т.е. расход через него под действием перепада давления происходит в течение всего времени, пока клапан открыт, т.е. смещён относительно запорного конуса. Клапан двойного запирания имеет два запорных элемента: один конусный (как указано выше), а другой плоский, размещённый с противоположной стороны. Следовательно, расход через клапан имеет место тогда, когда клапан движется от конусного элемента до посадки на седло плоского элемента или при обратном движении от плоского запорного элемента - к конусному до посадки клапана на седло. Схема «работы» таких клапанов показана на рис. 2.8.
Положительный расход через РНД образуется, когда топливо вводится в ЛВД. Отрицательный - когда топливо выбрасывается из ЛВД при появлении в ней повышенного давления и из-за инерционности клапана РНД.
Схемы осциллограмм функционирования клапана РНД под действием волн разрежения -давления в линии высокого давления: G pna. - расход через клапан РНД одинарного запирания; G"pm. — расход через клапан РНД двойного запирания; 1-2, 5-6, 9-Ю- периоды задержки начала страгивания клапана РНД от запорного седла; 2 , 6 , 10 - моменты полного открытия клапана РНД; 3 - 4, 7 - 8, 11 - 12 - периоды запаздывания закрытия клапана РНД; 4 , 8 , 12 - моменты полного закрытия клапана; знак «+» обозначает подачу добавки в ЛВД; знак «-» обозначает обратный выброс добавки из ЛВД; разница между прямым расходом и обратным выбросом составляет производительность клапана Gpmr
Величина остаточного давления может изменяться путём изменения разгружающей способности нагнетательного клапана (изменение объёма разгрузочного пояска). Начальное давление меняется в зависимости от производительности клапана Gpm,
Стенд для исследования работы дизеля на режимах малых нагрузок и холостых ходов
Задачей испытаний топливной аппаратуры на безмоторном стенде является доводка системы с РНД и подготовка её к установке и испытаниям на дизеле. В основу методики исследований топливной аппаратуры в штатном исполнении и с системами РНД и СОЦЦ положен метод сравнений. Для отладки конструкции и регулировок использованной топливной аппаратуры первый этап исследований проводился на безмоторном стенде СДТА—2. Объектом исследований являлась топливная аппаратура с насосом УТН-5 (8,5/8), связанным нагнетательным трубопроводом длиной 750 мм с форсункой закрытого типа ФД—22. Величина цикловой подачи системой с РНД (Vuрнд) определялась объёмным методом измерением расхода форсункой за установленное число циклов. Расход добавки представляет собой объёмный расход через клапан РНД (Урнд). Таким образом, принята справедливость допущения, что Vu рнл —Vu. +Урнд., где Vu. - часть расхода ДТ насосом высокого давления, оставшаяся в суммарной подаче смесевого топлива после отсечки подачи. Положение рейки регистрировалось микрометром, а частота вращения - счётчиком циклов за заданный промежуток времени. В качестве добавок использовано дизельное топливо (ДТ). Исследование проведено с установкой узла РНД у штуцера ТНВД (с целью сохранения повышенной интенсивности волновых процессов ЛВД, т.е. без отрицательного влияния на них гидродинамических потерь по длине трубопровода). Для повышения производительности системы ввода добавки, т.е. расхода через клапан РНД, последний может быть соединён с линией отсечки подачи, благодаря чему волновой процесс в ЛНД повышает расход через РНД. (Кроме того, может применяться также подкачивающий мембранный насос, имеющий привод от волн отсечки подачи насосом высоко го давления). Вблизи штуцера форсунки установлен датчик давления топлива (пьезокварцевого типа). Форсунка 4 оборудована индуктивным датчиком хода иглы. Датчик хода иглы использован для определения угла начала впрыскивания и продолжительности топливоподачи.
При испытаниях на режимах ВСХ в штатном исполнении определена номинальная цикловая подача дизельного топлива (У 70 мм ), которая является ориентиром для последующих регулировок аппаратуры в разных вариантах исполнения. 0,075
ВСХ дизеля 4411/12,5 в штатном исполнении по цикловым подачам топлива массовым (g4) и объёмным (Vu) с диапазонами погрешностей измерений.
Штатная аппаратура была оснащена клапанами РНД с одинарным запиранием и проведены испытания с подачей через РНД дизельного топлива (рис. 3.3). Показано, что в варианте подачи добавки от измерителя, т.е. без дополнительного повышения давления на входе в РНД, система обеспечивает подачу в ЛВД 12 - 20% добавки ДТ. 1,4 мм ц.ном. 700 1000 1300 1600 1900 2200 nf 1 /мин з Рис. 3.3. ВСХ по цикловым подачам (объёмным): Vu, (мм ) — цикловые подачи штатной системы без РНД; Уцрнд - с РНД и подачей ДТ к клапану РНД из мерной ёмкости; Уц.рвд - с подачей ДТ из линии отсечки подачи. (Клапаны РНД установлены у штуцеров ТНВД; hp=12,2 мм, т.е. 100% для исходной регулировки ТНВД); Уцрнд - с подачей ДТ из линии отсечки, но при hp. = 11,4 мм.
При подключении клапана РНД к линии отсечки (т.е. при использовании волнового процесса в последней) достигнута добавка в количестве порядка 15 — 35% от исходного уровня (соответственно при номинальной и минимальной частотах вращения). (Нагнетательные клапаны ТНВД выполнены с объёмами разгрузочного пояска Vpa3 =52 мм3.). Клапан РНД на всех режимах повышает производительность системы. При этом на низких оборотах производительность повышается сильнее, чем на высоких. Смещением рейки ТНВД уменьшили производительность системы до номинального значения, так что для системы с РНД номинальным является положение рейки ТНВД равное hp = 11,4 мм. В дальнейших исследованиях для системы без РНД базовым (исходным регулировочным режимом) является режим с hp. = 12,2 мм. Для системы с РНД - режим hp. = 11,4 мм.
В процессе испытаний определена неравномерность подач дизельного топлива по секциям ТНВД дизельного топлива через клапан РНД (рис. 3.4). в штатном исполнении и с системой подачи
Результаты исследования топливной аппаратуры дизеля с системой отключения цилиндров или циклов
Стенд с насосом (ТНВД) выводится на заданный режим работы по частоте и положению рейки. Во время работы стенда проводится последовательность измерений цикловой подачи топлива объёмным методом с помощью мензурок. Умножением объёмной подачи на плотность топлива получаем массовую подачу. На нескольких режимах проведено по 24 измерения. Из них 2 значения являются случайными выбросами, так как отличаются от других на значительную величину. Исключив указанные "выбросы", проводим анализ оставшихся двадцати двух значений подач. Т. е. число измерений п=22, (номера измерений і от 1 до 22). Для номинального режима получаем следующие результаты. Расчёт среднего арифметического проведённых измерений проводится по формуле
Отклонения измеренных значений от среднего арифметического определяются как их разности: а- -а. (3.2) Сумма квадратов отклонений, т. е. величина, равная ы Выборочное среднеквадратичное отклонение определено по формуле: п- п-\\ : Ї (3-4) Доверительный интервал определён по соотношению Aa=±K-Sn, (3.5) где К - коэффициент Стьюдента. Определяется из таблиц на основании заданного коэффициента надёжности ан. Рассмотрим варианты А и Б, когда коэффициенты надёжности равны соответственно 0,9 и 0,95 (то -есть 90 и 95 %). Для этих коэффициентов надёжности коэффициенты Стьюдента равны соответственно 1,65 и 2,0. Тогда доверительные интервалы (погрешности) имеют следующие значения: Аа=±1,65.2,25=±3,77 (вариант А) и Аст=±2,0.2,25=±4,5 (вариант Б). Относительные среднеквадратичные погрешности для этих случаев, определённые по соотношению8п =— -; имеют значения: ±0,054 и Погрешности среднего результата серии повторных прямых измерений Аа для вариантов А и Б соответственно равны
Проведённый анализ показывает следующее.
С достоверностью в 90% можно сказать, что единичное измерение цикловой подачи топлива на данном стенде не будет отличаться от истинного более чем на ±1,15%. Повышение достоверности результата до 95% повышает возможную ошибку до ±1,37%).
При переходе на частичные режимы, когда величины измеряемых параметров и показателей существенно уменьшаются, а измерения проводятся на том же оборудовании, возрастают погрешности измерений, так как растут как абсолютные, так и средне квадратичные отклонения, а также доверительный интервал при той же надёжности.
Определение предельной относительной ошибки измерения мощности двигателя при испытаниях на стенде на установившихся режимах работы Мощность двигателя определяется по соотношению: Ne = , (ЗЛО) е 9550 где Ме-крутящий момент, определяемый по тормозному устройству, [Н.м]; «-частота вращения коленчатого вала, [мин"1].
Предельная относительная ошибка (5) произведения двух переменных величин равна: SNrm=4sM\ + \dn\). (3.11) При использовании заданного весового устройства класса точности 0,2 (и рационально выбранных пределов измерения) 8М не будет выше ±1,2%. Частота вращения п измеряется непосредственно тахометром класса точности 0,3. Тогда, при градуировке шкалы измерения частоты вращения через 20 мин"1 и диапазоне измерения п=2200 мин"1 8П=±0,6%. Тогда: 5ппр=±(1,2%+0,6%)=±1,8%. (3.12) Но с вероятностью 90% относительная ошибка составит: 5 ппр=±д/5мрЧб р = ±д/1,22 +10,62 = ±1,34%. (3.13) 3.5. Выводы по главе 3
По главе могут быть сделаны следующие основные выводы. 1. Разработаны методики сравнительного исследования влияния разных методов повышения эффективности режимов малых нагрузок и холостых ходов. 2. Разработаны стенды и методики для исследования топливной аппаратуры дизеля и дизеля в целом с системами регулирования начального давления и отключения цилиндров или циклов. 3. Проведены расчёты погрешностей определения основных параметров и показателей работы дизеля. 4. Показана необходимость проведения многократных испытаний дизеля на одном и том же режиме. 5. В целом, применяемое оборудование и методики исследования обеспечивают получение достаточно точных и достоверных результатов.
