Содержание к диссертации
Введение
1. Средства и методы совершенствования эксплуатационно-технических показателей транспортных дизелей 11
1.1. Требования, предъявляемые к транспортным дизелям в современных условиях 11
1.2. Средства и методы, обеспечивающие улучшение экономических показателей транспортных дизелей 25
1.3. Улучшение экономических показателей транспортных дизелей выбором рациональных законов управления топливоподачей 44
1.4. Оценка влияния конструктивных особенностей и условий эксплуатации дизеля на токсичность отработавших газов 53
1.5. Улучшение экологических показателей транспортных дизелей путем улучшения качества рабочего
процесса 72
1.6. Методы удовлетворения дополнительных требований, предъявляемых к транспортным дизелям 93
2. Определение оптимальных законов управления углом опережения впрыскивания тошшва в транспортных дизелях 100
2.1. Анализ разработанных законов управления углом опережения впрыскивания топлива 100
2.2. Методы решения многокритериальных задач оптимизации 114
2.3. Определение оптимальных законов управления углом опережения впрыскивания топлива для транспортных дизелей 120
3. Корректирование законов управления углом опережения впрыскивания топлива при изменяющихся условиях эксплуатации 140
3.1. Анализ основных закономерностей изменения рабочего процесса дизелей в зависимости от условий эксплуатации 140
3.2. Метод формирования базовых поверхностей для управления утлом опережения впрыскивания топлива при изменении его физико-химических свойств 151
3.3. Определение законов управления углом опережения впрыскивания топлива в многотопливном дизеле 170
4. Управление углом опережения впрыскивания топлива на неустановившихся режимах работы дизелей с турбонадщувом 179
4.1. Анализ законов управления углом опережения впрыскивания топлива в переходных процессах 179
4.2. Математическая модель дизеля с турбонаддувом и изменяемым углом опережения впрыскивания топлива 183
4.3. Математическая модель автоматического регулятора тошшвоподачи 194
4.4. Математическая модель системы автоматического управления топливоподачей 204
4.5. Оценка динамических качеств дизеля с турбонаддувом и изменяемым углом опережения впрыскивания топлива 218
5. Практическая реализация разработанных законов управления углом опережения впрыскивания топлива и синтез устройств управления 227
5.1. Классификация устройств управления углом опережения впрыскивания топлива 227
5.2. Муфты опережения впрыскивания топлива 229
5.3. Электронно-управляемые форсунки и насос-форсунки . 235
5.4. Устройства управления углом опережения впрыскивания топлива, встроенные в топливный насос высокого давления 238
5.5. Топливный насос высокого давления с устройством управления углом опережения впрыскивания топлива конструкции МГТУ им.Баумана 243
5.6. Синтез системы автоматического управления углом опережения впрыскивания топлива 254
6. Экспериментальные исследования топливного насоса высокого давления с комбинированным регулятором топливоподачи 300
6.1. Безмоторные испытания ТНВД с регулятором 300
6.2. Исследования ТНВД с регулятором на одноцилиндровой установке дизеля размерности 12/12 , 314
Заключение 330
Список использованной литературы
- Требования, предъявляемые к транспортным дизелям в современных условиях
- Анализ разработанных законов управления углом опережения впрыскивания топлива
- Анализ основных закономерностей изменения рабочего процесса дизелей в зависимости от условий эксплуатации
- Анализ законов управления углом опережения впрыскивания топлива в переходных процессах
Введение к работе
Рост парка автомобилей, расширение сферы их применения и увеличение мощностей двигателей внутреннего сгорания, устанавливаемых на транспортные средства, приводят к увеличению потребления нефтепродуктов и загрязнению атмосферы токсичными компонентами отработавших газов (ОТ). В связи с этим в последние годы значительно возросло производство дизельных двигателей, предназначенных для установки на грузовые» автомобили и автобусы, что объясняется их высокой топливной экономичностью и более низкой токсичностью ОГ по сравнению с бензиновыми двигателями. Более того, в США и в ряде стран Западной Европы расширено применение дизелей на легковых автомобилях для удовлетворения новых требований по экономическим и экологическим показателям. Причем требования по токсичности ОГ становятся приоритетными.
Дизели транспортного назначения работают в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов. При работе таких дизелей на режимах с пониженной частотой вращения и частичной нагрузкой их показатели как правило ухудшаются. Это обусловлено тем обстоятельством, что современные транспортные дизели представляют собой комбинированную установку, в состав которой входят несколько разнородных систем, взаимодействующих между собой в процессе работы. Среди этих систем - система топливоподачи, система воздухоснабже-гаш, система охлаждения и др. При создании такой комбинированной установки индивидуальные характеристики этих систем удается согласовать лишь на каком-то одном режиме (чаще номинальном). На других режимах эта согласованность нарушается, что приводит к ухудшению качества рабочего процесса дизеля и, как следствие, к снижению его экономических и экологических показателей. Обеспечить такую поднастройку характеристик элементов дизеля в процессе работы при емене режимов и изменений условий эксплуатации возможно с использованием различных систем управления.
Наиболее простым и эффективным средством воздействия на рабочий процесс дизеля является управление процессом топливоподачи. Причем, для обеспечения наибольшей эффективности система управления топливоподачей должна обеспечивать как управление величиной цикловой подачи, так и управление моментом впрыскивания - углом опережения впрыскивания топлива (УОВТ).
Одной из наиболее сложных задач, которую необходимо решить при разработке систем управления топливоподачей, является выбор оптимальных законов управления, и в частности - законов управления УОВТ. Известные из литературных источников законы управления УОВТ (базовые характеристики), оптимизированные по топливной экономичности и токсичности ОГ, приводятся без указания методики их построения [210, 213, 23?]. В то же время, экономические и экологические показатели транспортных дизелей находятся в сложной, часто противоречивой зависимости. Поэтому нахождение оптимальных значений УОВТ представляет определенные трудности. Положение осложняется необходимостью определения оптимальных значений УОВТ не только на установившихся режимах работы, характеризуемых частотой вращения и нагрузкой дизеля, но и при изменении условий эксплуатации ("изменении атмосферных условий, изменении вида применяемого топлива), а также на неустановившихся режимах работы дизеля. Все эти проблемы требуют проведения целого комплекса теоретических работ с целью определения оптимальных законов управления УОВТ.
Не менее важной задачей является реализация достаточно сложных законов управления УОВТ. Наиболее широко применяемая в транспортных дизелях топливная аппаратура с топливными насосами высокого давления (ТНВД) и центробежными муфтами позволяет реализовать управление УОВТ только по частоте вращения. Этого явно недостаточно для получения высоких эксплуатационно-технических по казателей транспортных дизелей. Поэтому наряду с проблемой теоретической разработки оптимальных законов управления УОВТ возникает проблема разработки нетрадиционной топливоподащеи аппаратуры для транспортных дизелей и систем управления к этой аппаратуре, позволяющих реализовать полученные законы управления УОВТ.
Таким образом, цель работы заключается в создании методологии автоматического управления УОВТ в дизелях транспортного назначения и применении ее для решения таких важных задач, стоящих перед дизелестроением, как снижение эксплуатационного расхода топлива и токсичности ОГ дизелей.
Объектом исследования являлись дизели транспортного и автотракторного назначения 8 ЧН 12/12 (КамАЗ-740), 4 Ч 11/12,5 и 4 ЧН 11/12,5 (Д-240 и Д-240 Т), 6 ЧН 15/18 (Д6Н), 1 ЧН 15/15, 6 Ч 13/14 (ЯМЗ-236).
Научная новизна работы состоит в разработке методики определения законов управления УОВТ на установившихся режимах, оптимизированных по топливной экономичности и по токсичности ОГ. Предложен метод формирования базовой характеристики для управления УОВТ при работе дизеля на топливах с различными физико - химическими свойствами. Разработана математическая модель системы автоматического управления УОВТл__дозволяющая проводить исследования с целью выбора оптимальных значений УОВТ в переходных процессах. Предложены общие принципы синтеза систем автоматического управления УОВТ с конкретными примерами созданных регуляторов, защищенных авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая ценность работы заключается в разработке методик расчета, позволяющих на основании экспериментальных данных по конкретному дизелю дать практические рекомендации по выбору оптимальных значений УОВТ во всем диапазоне эксплуатационных режимов работы дизеля, а также в переходных процессах.
Предложены защищенные авторскими свидетельствами и патентами конструкции ТНВД с двумя органами управления тошшвоподачей - дозирующей и фазирующей рейками, а также устройств управления этими рейками. Использование разработанных ТНВД и устройств управления тошшвоподачей в транспортных дизелях позволяет повысить топливную экономичность и уменьшить токсичность ОГ дизеля.
Результаты исследований внедрены в НИИ двигателей, в а/о "Ногинский завод топливной аппаратуры" и в Московском агроинженер-ном университете. Акты внедрения представлены в приложении № 1.
Актуальность работы состоит в обосновании нового направления в автоматическом управлении транспортными дизелями, заключающегося в многокритериальном управлении УОВТ и позволяющего повысить топливную экономичность дизелей, снизить токсичность их ОГ, улучшить их динамические качества.
Апробация работы. Основные положения представленной диссертации докладывались и были одобрены на заседаниях научно-технического семинара по автоматическому регулированию и управлению теплоэнергетических установок на кафедре "Теоретические основы теплотехники" МТТУ им. Н.Э.Баумана в 1991 - 1995 г.г., на заседаниях научно-технических семинаров а/о "КамАЗ" и а/о "Ногинский завод топливной аппаратуры" в 1992, 1993 г.г., на юбилейных межвузовских чтениях "Двигатели и энергетические установки для авиации, космоса и наземного транспорта", посвященных 100-летию Б.С.Стеч-кина, в Московском автомобильно-дорожном институте в 1991 г.
Результаты представленной работы использованы в техническом проекте "Унифицированная электронная система оптимального управления турбопоршневым двигателем", представленным в 1991 г. коллективом авторов для участия во Всесоюзном конкурсе "Турбо" и занявшем в конкурса 3-е место [2]. Диплом лауреата конкурса приведен в приложении № 2.
По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе одна монография и 22 авторских свидетельства и патента. На защиту выносятся следующие вопросы:
1. Методика определения законов управления УОВТ, оптимизированных по топливной экономичности и по токсичности ОГ.
2. Метод формирования базовой характеристики для управления УОВТ при изменяющихся условиях эксплуатации и, в частности, при работе дизелей на тошшвах с различными физико-химическими свойствами.
3. Математическая модель системы автоматического управления УОВТ, позволяющая проводить исследования с целью выбора оптимальных значений УОВТ в соответствие с характером неустановившегося режима.
4. Общие принципы синтеза систем автоматического управления УОВТ с конкретными примерами создания регуляторов, защищенных авторскими свидетельствами и патентами.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
В первой главе изложены требования, предъявляемые к транспортным дизелям в современных условиях. Сделан вывод о том, что основными из этих требований являются повышение топливной экономичности и снижение токсичности ОГ. Проанализированы пути улучшения экономических и экологических показателей транспортных дизелей. Отмечено, что управление УОВТ является эффективным средством улучшения названных показателей.
Во ВТОРОЙ главе проанализированы разработанные законы управления УОВТ на установившихся режимах работы дизелей. Сделан вывод о необходимости многокритериального управления УОВТ. Описаны некоторые методы решения многокритериальных задач оптимизации и обоснован выбор метода решения таких задач, основанного на составлении обобщенного критерия оптимальности. Предложена методика расчета базовых характеристик для управления УОВТ в транспортных дизелях, оптимизированных по топливной экономичности и по токсичности ОГ. С использованием разработанной методики проведен расчет базовых характеристик для управления УОВТ в дизелях КамАЗ-740 и Д-240.
В третьей главе: проведен анализ основных закономерностей корректирования УОВТ в зависимости от параметров окружающего воздуха и физико-химических свойств применяемого топлива. Показана необходимость ограничения максимального давления сгорания при таком корректировании. Проведен корреляционный анализ взаимосвязи вязкости применяемого топлива и максимального давления сгорания в дизеле 1 Ч 13/14 и сделан вывод о возможности применения вязкостных корректоров тошшвоподачи для управления УОВТ в многотошшвном дизеле.
В четвертой главе проведен обзор и анализ разработанных законов управления УОВТ в переходных процессах. Разработана математическая модель системы автоматического управления топливоподачей, включающая математическую модель дизеля с турбонаддувом и изменяемым УОВТ и математическую модель автоматического регулятора тошшвоподачи. С использованием разработанной модели проведены расчеты переходных процессов разгона и наброса нагрузки в дизеле Д6Н.
В пятой главе проведен обзор устройств управления УОВТ. Описан разработанный ТБВД с регулятором тошшвоподачи, обеспечивающие управление как величиной цикловой подачи, так и УШТ. Представлена методика статического расчета разработанного регулятора. С использованием метода D -разбиения проведено исследование устойчивости системы автоматического управления топливоподачей.
В шестой главе описаны экспериментальные установки для исследований разработанного ТНВД. Представлены результаты экспериментальных исследований ТНВД на безмоторной установке и на моторном стенде.
Требования, предъявляемые к транспортным дизелям в современных условиях
Анализ тенденций развития современного дизелестроения свидетельствует, что первоочередными задачами совершенствования дизелей являются повышение экономичности и снижение токсичности их ОГ. Актуальность повышения топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания, остающихся основными потребителями нефтяных топлив, обусловлена уменьшением запасов нефти, углублением энергетического кризиса, высокими мировыми ценами на нефть. Поэтому задача совершенствования конструкций и рабочих процессов транспортных дизелей с целью повышения их экономичности стала одной из первоочередных для двигателестроения.
Дизельные двигатели (двигатели с воспламенением от сжатия) по сравнению с бензиновыми двигателями (двигателями с принудительным воспламенением) отличаются более высоким качеством процесса сгорания топлива и, как следствие, более высокой топливной экономичностью. Достигнутый уровень минимального удельного эффективного расхода топлива для бензиновых двигателей составляет О, г = = 235 г/кВт Ч (на режиме наилучшей экономичности), что соответствует эффективному КЦЦ 1е = 36 % [241]. Анализ характеристик транспортных дизелей ведущих зарубежных двигателе строительных фирм показывает, что для них эти показатели равны соответственно ( е - 190 г/кВт -ч и &?= 45 % [214, 242]. По данным ведущих зарубежных фирм динамика снижения минимального удельного расхода топлива лучших образцов дизелей такова: в 1970-е годы он составлял 230 г/кВт-ч, в 1980-е - 200 г/кВт ч, в 1990 г. он уменьшился до 194 в серийных образцах и до 182-185 г/кВт-ч в опытных образцах,
в 2000 г. он достигнет 166...170 г/кВт-ч [53]. В то же время следует отметить, что отечественные транспортные дизели по топливной экономичности уступают зарубежным аналогам. В качестве примера на рис.1.1 представлены значения расходов топлива на режимах внешней скоростной характеристики для ряда отечественных и зарубежных дизелей [39,209,214,238,241-244,219]. Если лучшие зарубежные дизели имеют минимум расхода по внешней скоростной характеристике, равный tye = 192 ... 194 г/кВт.ч, то дизели КамАЗ-740 и СВД-62 - $е = = 210 ... 234 г/кВт-ч. Это говорит о том, что отечественные дизели имеют значительный резерв по улучшению их экономичности.
Двигатели внутреннего сгорания играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. В крупных городах они являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Так, например, доля автомобильного транспорта в выбросе вредных веществ составляет в США. 60,6 %, в Англии - 33,5 %, во Франции - 32 % [119]. Поэтому наряду с улучшением экономических показателей дизелей снижение токсичности их 0Г является важнейшей задачей.
По своей природе 0Г дизелей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Состав 0Г дизелей подобен составу 0Г других типов двигателей, использующих углеводородное топливо. Отличия связаны с особенностями рабочего процесса дизеля. При использовании углеводородных топлив нефтяного происхождения и атмосферного воздуха в качестве окислителя 0Г дизелей на 99 ... 99,9 % состоят из продуктов полного сгорания топлива (С02 и HgO) и воздуха с пониженным содержанием кислорода [71, 119].
Токсичность 0Г дизелей определяется в основном остальными 0,1 ... 1 % их объема, в который входят вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (окислы азота Юу), продукты неполного сгорания топлива (не Зависимости удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала по внешней скоростной характеристике некоторых зарубежных и отечественных дизелей транспортного назначения: 1 - дизель !Г 14-460 Е (б ЧН 14/15,2) фирмы Cummins (США): 2 - дизель 6 ЗТА (6 ЧН 10,2/12) фирмы Cummins (США); 3 - дизель 6076 Н (6 ЧН 11,6/12,1) фирш Мл Jeeze (США); 4 - дизель TL II (6 ЧН 12,7/14,6) фирмы Leytanc/ (США); о - дизель 0:Л 442LA (8 ЧН 12,3/14,2) фирмы Mexcedes-Stn (ФРГ); о - дизель F 16-470 (6 ЧН 14,4/16,5) фирш Vov0 (Швеция); 7 - отечественный дизель КамАЗ-740 (8 ЧН 12/12);
5 - отечественный дизель СДЦ-62 (6 ЧН 13/11,5). сгоревшие углеводороды СН ., окись углерода СО, сажа С), а также окислы серы, альдегиды, продукты конденсации и полимеризации. Кроме продуктов сгорания топлива в ОГ дизелей в существенно меньших количествах присутствуют также продукты сгорания смазочного масла и вещества, образующиеся из присадок к топливу и маслу, а также твердые частицы. Усредненный состав основных токсичных компонентов ОГ ряда отечественных дизелей на режиме полной нагрузки приведен в таблице 1.1 [177].
По таблице 1.1 можно констатировать, что окислы азота KL занимают первое место среди вредных выбросов дизелей, вне зависимости от их типа, класса, размерности и конструктивных особенностей. Окислы азота образуются в камере сгорания (КС) дизеля путем окисления азота, содержащегося в воздухе. Определяющее влияние на образование Ж)х оказывает температура в КС. При этом наиболее интенсивно образование Я0Х происходит в первой фазе сгорания до момента достижения максимальной температуры сгорания, и особенно - в период задержки воспламенения. Доля #0Х в суммарных выбросах составляет 30 ... 80 % по массе и 60 ... 95 % по эквивалентной токсичности [177]. По составу JfOx в ОГ дизелей 95 ... 98 % приходится на JfO, а 2 ... 5 % - на #02. Содержание других окислов азота в ОГ ничтожно мало. В атмосфере при нормальных условиях Я0 окисляется до JTOg. Окислы азота, взаимодействуя с парами воды в воздухе, образуют азотную кислоту, которая разрушает легочную ткань, вызывая хронические заболевания. Причем, токсикологический эффект воздействия ІЇ0 на человека примерно в десять раз выше, чем окиси углерода.
Анализ разработанных законов управления углом опережения впрыскивания топлива
Анализ тенденций развития современного дизелестроения свидетельствует, что первоочередными задачами совершенствования дизелей являются повышение экономичности и снижение токсичности их ОГ. Актуальность повышения топливной экономичности двигателей внутреннего сгорания, остающихся основными потребителями нефтяных топлив, обусловлена уменьшением запасов нефти, углублением энергетического кризиса, высокими мировыми ценами на нефть. Поэтому задача совершенствования конструкций и рабочих процессов транспортных дизелей с целью повышения их экономичности стала одной из первоочередных для двигателестроения.
Дизельные двигатели (двигатели с воспламенением от сжатия) по сравнению с бензиновыми двигателями (двигателями с принудительным воспламенением) отличаются более высоким качеством процесса сгорания топлива и, как следствие, более высокой топливной экономичностью. Достигнутый уровень минимального удельного эффективного расхода топлива для бензиновых двигателей составляет О, г = = 235 г/кВт Ч (на режиме наилучшей экономичности), что соответствует эффективному КЦЦ 1е = 36 % [241]. Анализ характеристик транспортных дизелей ведущих зарубежных двигателе строительных фирм показывает, что для них эти показатели равны соответственно ( е - 190 г/кВт -ч и &?= 45 % [214, 242]. По данным ведущих зарубежных фирм динамика снижения минимального удельного расхода топлива лучших образцов дизелей такова: в 1970-е годы он составлял 230 г/кВт-ч, в 1980-е - 200 г/кВт ч, в 1990 г. он уменьшился до 194 в серийных образцах и до 182-185 г/кВт-ч в опытных образцах,
в 2000 г. он достигнет 166...170 г/кВт-ч [53]. В то же время следует отметить, что отечественные транспортные дизели по топливной экономичности уступают зарубежным аналогам. В качестве примера на рис.1.1 представлены значения расходов топлива на режимах внешней скоростной характеристики для ряда отечественных и зарубежных дизелей [39,209,214,238,241-244,219]. Если лучшие зарубежные дизели имеют минимум расхода по внешней скоростной характеристике, равный tye = 192 ... 194 г/кВт.ч, то дизели КамАЗ-740 и СВД-62 - $е = = 210 ... 234 г/кВт-ч. Это говорит о том, что отечественные дизели имеют значительный резерв по улучшению их экономичности.
Двигатели внутреннего сгорания играют существенную роль в загрязнении окружающей среды. В крупных городах они являются одним из главных источников токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Так, например, доля автомобильного транспорта в выбросе вредных веществ составляет в США. 60,6 %, в Англии - 33,5 %, во Франции - 32 % [119]. Поэтому наряду с улучшением экономических показателей дизелей снижение токсичности их 0Г является важнейшей задачей.
По своей природе 0Г дизелей представляют собой сложную многокомпонентную смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц. Состав 0Г дизелей подобен составу 0Г других типов двигателей, использующих углеводородное топливо. Отличия связаны с особенностями рабочего процесса дизеля. При использовании углеводородных топлив нефтяного происхождения и атмосферного воздуха в качестве окислителя 0Г дизелей на 99 ... 99,9 % состоят из продуктов полного сгорания топлива (С02 и HgO) и воздуха с пониженным содержанием кислорода [71, 119].
Токсичность 0Г дизелей определяется в основном остальными 0,1 ... 1 % их объема, в который входят вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (окислы азота Юу), продукты неполного сгорания топлива (не Зависимости удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала по внешней скоростной характеристике некоторых зарубежных и отечественных дизелей транспортного назначения: 1 - дизель !Г 14-460 Е (б ЧН 14/15,2) фирмы Cummins (США): 2 - дизель 6 ЗТА (6 ЧН 10,2/12) фирмы Cummins (США); 3 - дизель 6076 Н (6 ЧН 11,6/12,1) фирш Мл Jeeze (США); 4 - дизель TL II (6 ЧН 12,7/14,6) фирмы Leytanc/ (США); о - дизель 0:Л 442LA (8 ЧН 12,3/14,2) фирмы Mexcedes-Stn (ФРГ); о - дизель F 16-470 (6 ЧН 14,4/16,5) фирш Vov0 (Швеция); 7 - отечественный дизель КамАЗ-740 (8 ЧН 12/12);
5 - отечественный дизель СДЦ-62 (6 ЧН 13/11,5). сгоревшие углеводороды СН ., окись углерода СО, сажа С), а также окислы серы, альдегиды, продукты конденсации и полимеризации. Кроме продуктов сгорания топлива в ОГ дизелей в существенно меньших количествах присутствуют также продукты сгорания смазочного масла и вещества, образующиеся из присадок к топливу и маслу, а также твердые частицы. Усредненный состав основных токсичных компонентов ОГ ряда отечественных дизелей на режиме полной нагрузки приведен в таблице 1.1 [177].
По таблице 1.1 можно констатировать, что окислы азота KL занимают первое место среди вредных выбросов дизелей, вне зависимости от их типа, класса, размерности и конструктивных особенностей. Окислы азота образуются в камере сгорания (КС) дизеля путем окисления азота, содержащегося в воздухе. Определяющее влияние на образование Ж)х оказывает температура в КС. При этом наиболее интенсивно образование Я0Х происходит в первой фазе сгорания до момента достижения максимальной температуры сгорания, и особенно - в период задержки воспламенения. Доля #0Х в суммарных выбросах составляет 30 ... 80 % по массе и 60 ... 95 % по эквивалентной токсичности [177]. По составу JfOx в ОГ дизелей 95 ... 98 % приходится на JfO, а 2 ... 5 % - на #02. Содержание других окислов азота в ОГ ничтожно мало. В атмосфере при нормальных условиях Я0 окисляется до JTOg. Окислы азота, взаимодействуя с парами воды в воздухе, образуют азотную кислоту, которая разрушает легочную ткань, вызывая хронические заболевания. Причем, токсикологический эффект воздействия ІЇ0 на человека примерно в десять раз выше, чем окиси углерода. , КамАЗ-740, СЩ-60, СЩ-62, Д-144, Д-160 и др. [80,81,82,120]. В качестве примера на рис.2.3 приведена конструктивная схема муфты изменения УОВТ для перспективных дизелей Владимирского тракторного завода [79]. Изменение УОВТ осуществляется муфтой путем изменения углового расположения ведомой полумуфты, связанной с кулачковым валом топливного насоса, относительно ведущей полумуфты, посаженной на приводной вал, при радиальном перемещении грузов, вызванном изменением центробежной силы. Особенностью характеристики изменения УОВТ, формируемой муфтой, является ее нелинейность (см.рис.2.2 б), что несколько снижает точность регулирования УОВТ.
Менее изученным является вопрос о регулировании УОВТ в зависимости от нагрузки. Экспериментальные исследования ряда авторов показывают, что при постоянной частоте вращения коленчатого вала для каждой нагрузки имеется свой, оптимальный по экономичности, УОВТ [5,28,37,144]. В дизелях без наддува с уменьшением нагрузки при постоянной частоте вращения величина воздушного заряда практически не изменяется. Поэтому мало изменяются давление и температура конца сжатия. В результате при подаче в цилиндры дизеля меньшей дозы топлива ПЗВ несколько сокращается, что требует соответствующего уменьшения УОВТ. В качестве примера на рис.2.4 приведены регулировочные характеристики по УОВТ дизеля 4 Ч 10,5/13 без наддува на различных нагрузочных режимах при частоте вращения ҐІ = = 1500 мин [ИЗ]. Из рис.2.4 следует, что при уменьшении нагрузки оптимум по экономичности (часовому расходу топлива G-топл) указанных характеристик смещается в область меньших УОВТ. Поэтому для повышения топливной экономичности целесообразно уменьшать УОВТ по характеристике 8 с уменьшением нагрузки (эффективной мощности Ne) .
Анализ основных закономерностей изменения рабочего процесса дизелей в зависимости от условий эксплуатации
Полученные во второй главе настоящей работы базовые характеристики для управления УОВТ в транспортных дизелях соответствуют работе при стандартных атмосферных условиях на штатном топливе. В то же время, как отмечено в разделе 1.1, транспортные дизели могут эксплуатироваться в условиях с различными температурами и давлениями окружающего воздуха и на топливах с различными физико-химическими свойствами. При этом оптимальные значения УОВТ изменяются, что требует соответствующей корректировки базовых характеристик.
Анализ закономерностей изменения характера протекания рабочего процесса дизелей при изменении условий эксплуатации показывает, что необходимость корректирования УОВТ вызвана изменениями периода задержки воспламенения (ПЗВ) при изменении параметров воздуха и топлива, поступающих в цилиндры дизеля. С увеличением ПЗВ возрастает количество топлива, впрыснутого в цилиндр в течение этого периода, и, следовательно, количество топлива, подготовленного к сгоранию в момент самовоспламенения. При этом в результате одновременного воспламенения большого количества топлива давление в цилиндре повышается весьма быстро, что вызывает жесткую работу двигателя.
Экспериментальные и расчетные исследования показывают, что ПЗВ существенно зависит от параметров окружающего воздуха. Температура воздуха двояко влияет на ПЗВ. Само по себе понижение температуры воздушного заряда в цилиндре двигателя увеличивает ПЗВ. Но, вместе с тем, понижение температуры воздуха приводит к увеличению его плотности в КС. А это вызывает уменьшение ПЗВ. Как следует из рис.3.1, в дизелях без наддува температура и обусловленная ею плотность воздуха частично компенсируют друг друга во влиянии на ПЗВ [153] . В таких двигателях управление УОВТ по температуре воздуха может быть нецелесообразным.
В дизелях с наддувом температура окружающего воздуха То влияет на ПЗВ через температуру Тк и плотность Л- наддувочного воздуха. Однако, влияние температуры То на плотность Л наддувочного воздуха не очень значительно. Основное влияние на ПЗВ оказывает температура Тк . Как и у дизеля без наддува, для двигателя с наддувом при уменьшении температуры воздушного заряда в цилиндре ПЗВ увеличивается. Увеличение ПЗВ в этом случае также влечет за собой более жесткую работу двигателя и повышение максимального давления сгорания / н. Так, например, для дизеля 1 ЧН 15/15 уменьшение Т/Ґ с 353 до 298 К на номинальном режиме при /7 = = 2600 мин при неизменном рк = 0,072 МПа (избыточное) приводит к увеличению ПЗВ с 0,8 до 1,0 мс и к увеличению pz с 10,0 до 11,0 МПа [73]. Поэтому для уменьшения ПЗВ целесообразно уменьшать УОВТ при работе с низкими Тс . Величина такой корректировки УОВТ зависит от режима работы дизеля. Анализ экспериментальных данных по ряду дизелей с турбонаддувом показывает, что на номинальном режиме для сохранения pz = const с уменьшением То на каждые 10 с С УОВТ необходимо уменьшать на 1,5...2 п.к.в. При таком изменении УОВТ топливо впрыскивается в цилиндры двигателя с более высокой температурой воздушного заряда и ПЗВ сокращается.
Понижение, температуры окружающего воздуха вызывает снижение токсичности и дымности 0Г дизелей. Причем, степень их уменьшения с уменьшением То у дизелей без наддува больше, чем у дизелей с турбонаддувом, что обусловлено меньшими значениями коэффициента избытка воздуха у дизелей без наддува. Так, например, уменьшение То с 303 до 243 К на номинальном режиме работы вызывает снижение эмиссии окислов азота Ж)х с 16,5 до 8,5 г/кВт-ч в дизеле 6 ЧН 13/11,5 и с 15,5 до 6,2 г/кВт«ч в дизеле 4 Ч 13/14 [138]. Эмиссия окиси углерода СО снизится при этом с 10,3 до 8,0 г/кВт«ч в дизеле 6 ЧН 13/11,5 и с 11,7 до 8,2 г/кВт.ч в дизеле 4 Ч 13/14, а дымность 0Г с 27 до 15 % в дизеле 6 ЧН 13/11,5 и с 45 до 37 % в дизеле 4 Ч 13/14. Анализ этих данных показывает, что уменьшение УОВТ при снижении Те с целью исключения жесткой работы двигателя не приведет к ухудшению его экологических показателей.
Регулирование УОВТ в зависимости от То применяется на некоторых зарубежных дизелях. В частности, фирма Toyota с целью такой коррекции УОВТ использует сигнал от датчика температуры охлаждающей жидкости, который косвенно учитывает температуру окружающего воздуха [213].
Давление окружающего воздуха оказывает влияние на рабочий процесс дизеля через плотность воздуха У о . Уменьшение Ро в цилиндре дизеля увеличивает ПЗВ. Так, например, в безнаддувном дизеле ЯМЗ-236 уменьшение р о с 0,1 до 0,08 МПа (перепад высот над уровнем моря - 2000 м) вызывает увеличение ПЗВ с 1,7 до 2,2 мс. На рис.3.2 представлены экспериментальные зависимости относительной величины ПЗВ Vl , максимального давления сгорания pz и максимальной скорости нарастания давления при сгорании мах от давления окружающего воздуха ро для указанного дизеля на номинальном режиме [150,158].
Анализ законов управления углом опережения впрыскивания топлива в переходных процессах
Методики определения оптимальных законов управления УОВТ в транспортных дизелях с турбонаддувом, предложенные во второй и третьей главах настоящей работы, предназначены для установившихся режимов работы. В то же время практика эксплуатации автомобильных и тракторных дизелей показывает, что большую часть времени они работают на неустановившихся режимах. Работа двигателя на таких режимах характеризуется значительными отличиями параметров теплового состояния двигателя и давления наддува от соответствующих значений на установившихся режимах [38,143,178]. Однако, практика показала, что влияние УОВТ на качество работы двигателя на неустановившихся режимах весьма заметно и не менее, чем при установившихся режимах. Поэтому требуется провести специальные исследования с целью выбора оптимальных значений УОВТ в соответствии с характером неустановившегося режима.
Работа дизеля с турбонаддувом в переходных процессах приводит к рассогласованию подач воздуха и топлива, что существенно ухудшает качество протекания рабочего процесса. В частности, при набросе нагрузки на дизель с турбонаддувом турбокомпрессор в силу своей инерционности не успевает соответственно увеличить подачу воздуха. Это вызывает снижение коэффициента избытка воздуха, неполное сгорание топлива, ухудшение экологических и динамических качеств и снижение экономичности. Для исправления этого недостатка на некоторых современных дизелях предусмотрены дополнительная подача воздуха в цилиндры двигателя в момент наброса нагрузки или задержка увеличения подачи топлива при малых подачах воздуха [88].
Однако, для подачи дополнительного воздуха в двигатель требуется установка на дизеле специального баллона со сжатым воздухом, требующего периодической подкачки, что усложняет силовую установку. Задержка увеличения подачи топлива при малых подачах воздуха приводит к улучшению экономичности, но не обеспечивает улучшения динамических показателей дизеля. Таким образом, изменение в переходном процессе количества подаваемого топлива или количества подаваемого воздуха не является достаточно эффективным средством для улучшения динамических качеств дизеля. Указанные трудности в обеспечении высокого качества работы двигателя на неустановившихся режимах усугубляются отклонением УОВТ от его оптимального значения, соответствующего текущему неустановившемуся режиму в переходном процессе. Целесообразным изменением УОВТ (его подстройкой к текущему режиму) можно обеспечить перераспределение энергий, получаемых в поршневой и в газотурбинной частях турбопоршневого двигателя, и, тем самым, сформировать требуемый характер протекания переходного процесса.
В настоящее время уже разработано несколько вариантов законов управления УОВТ при переходных процессах. Наиболее простым из них применительно к переходному процессу разгона дизеля является увеличение УОВТ по мере роста частоты вращения. Задача эта осуществляется при помощи центробежных муфт опережения впрыскивания топлива различных конструкций [80,120,203]. Однако, характеристики этих муфт выбираются таким образом, чтобы обеспечить наилучшее протекание рабочего процесса при помощи подбора значений УОВТ, соответствующих установившимся режимам работы двигателя. При переходном процессе разгона неустановившиеся режимы с пониженной частотой вращения существенно отличаются от соответствующих установившихся режимов, что не позволяет получить оптимальный закон изменения УОВТ в переходном процессе. Кроме того, эти муфты отличаются значительной инерционностью и не позволяют обеспечить высокое быстродействие при изменении УОВТ.
В работах [43,44,45,115] предлагается осуществлять регулирование турбокомпрессора дизеля 6 ЧН 15/18 на исходном режиме перед разгоном путем изменения УОВТ. С этой целью перед началом переходного процесса УОВТ уменьшается с 30 до 10 п.к.в. до ВМТ и дизель в течение 3 с работает с пониженным УОВТ (равным 10 п.к.в. до ВМТ). Это обеспечивает увеличение давления и температуры газов перед турбиной, частоты вращения ротора турбокомпрессора, рост давления наддува и подачи воздуха в двигатель. Тем самым двигатель оказывается подготовленным к приему нагрузки и разгону. Затем, после стабилизации параметров турбокомпрессора на новом установившемся режиме, перемещением рычага управления на упор максимальной подачи топлива и одновременным восстановлением УОВТ с 10 до 30 п.к.в. до ВМТ обеспечивается начало разгона дизеля.
Этот метод позволяет сократить длительность разгона дизеля примерно на 3 с. Однако, с учетом работы дизеля в течение 3 с на исходном режиме общая продолжительность переходного процесса не уменьшается. Не уменьшается продолжительность переходного процесса и при уменьшении УОВТ в процессе разгона. Кроме этого происходит снижение экономичности работы дизеля и увеличение дымности 0Г при работе на исходном режиме перед разгоном.
