Улучшение топливной экономичности и эксплуатационных характеристик транспортных двигателей путем выбора рациональных конструктивных параметров и совершенствования систем регулирования Ерощенков, Станислав Аркадьевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) вырабатывают в наотоящее время около 80% от всех видов энергии, расходуемой человечеством в хозяйственной деятельности, и являются основный потребителем жидкого топлива природного происхождения. В условиях роста потребления жидкого топлива и ограниченности его а ячасов вопросам повышения топливной экономичности двигателей уделяется весьма серьезное внимание во всем мире.

У нас в стране эта проблема также относится к требующей решения. В ряде постановлений и решений ГКНТ, Совмина СССР и ЦК КПСС, а также в проблемных документах предусматривается повышение экономичности транспортных двигателей на 10 ... 12% за счет совершенствования их конструкции и на 25 ... 30% в автотранспорте за счет его дизелезации. При этом планируется повышение в 1,5...1,8 раза производительности различных транспортных средств, а также маши», силовыми установками которых являются ДВС.

Отсюда следует, что проблема повышения технико-экономичесак/ показателей двигателей является важной научно-технической и народнохозяйственной задачей, а исследования, направленные ка ее решение, - актуальными.

Единственно объективным показателем топливной экономичности двигателей является среднеэксшгуатационный удельный расход топлива о _э Определение его может производиться экспериментальным способом в процессе длительной эксплуатации или ускоренных испытаний на стенде завода-изготовителя натурного образца, либо расчетным - о помощью математической модели. В обоих случаях определение о_с должно производиться о учетом работы двигателя по реальному эксплуатационному циклу, представляющему собой некоторую совокупность переходных и установившихся рекимов. В условиях компьютеризации производства.и научных исследований второй способ представляется предпочтительным.

Однако на пути его реализации возникают серьезные трудное"... заключающиеся в отсутствии единой методики расчета переходных и установившихся режимов ДВС. Расчет переходных и установившихся режимов осуществляется в настоящее время разными^-методами, информа-тчвность которых настолько различна, что результаты, получаемые при моделировании эксплуатационных циклов,либо противоречивы, либо не вызывают дэлжного доверия.

Поэтому назрела настоятельная необходимость в разработке

2 единого одинаково информативного метода расчета переходных и установившихся режимов ДВО. Если математическую модель рабочего процесса, полученную на основе такого метода, дополнить моделями, систем дистанционного управления, регулирования и нагружения, т.е. сиотем, с помощью которых в реальной эксплуатации осуществляется смена режимов работы двигателей, то можно- получить объединенную . матмодель, позволяющую моделировать не только отдельные режимы, но и весь эксплуатационный цикл. Эта объединенная модель позволит вести направленные проектирование и доводку новых, а также совершенствование находящихся в серийном производстве двигателей по единственно объективному критерию - среднеэксплуатационному удельному расходу топлива.

Многочисленные и длительные наблюдения за эксплуатацией транспортных двигателей показали, что, несмотря на некоторые различия в эксплуатационных циклах, имеется общая закономерность: средне-эксплуатационный расход топлива на 90...95% 'определяется расходом на неноминальных режимах/к которым относятся холостой ход, частичные и переходные режимы. Поэтому внимание большинства исследователей направлено именно на эти режимы.

Из большого количества методов снижения расхода топлива на режимах холостого хода и частичных наиболее эффективным оказался метод регулирования двигателей отключением части цилиндров. Он обеспечивает экономию топлива до 20.,.30.

Несмотря на высокую эффективность, данный способ не нашел практического внедрения на отечественных двигателях. Имеются сведения лишь о лабораторных исследованиях единичных опытных образцов. За рубежом, судя по публикациям, отдельные фирмы- выпускают небольшие опытные партии двигателей с системой отключения цилиндров.

Одной из основных причин такого положения.является отсутствие теоретических и методических разработок по проектированию и расчету таких систем, а также рабочего процесса двигателей с такими системами, особенно на переходных режимах, весьма сложных в изучении.

Настоящая работа направлена на решение проблем, предусмотренных постановлением Государственного Комитета СССР по науке и технике № 555 от 30.11.85 г., научно-технической программой на 1935-1990 г.г. 0.13.07. "Создать и освоить производство новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе",.в

частности, ее разделов 0.13.07.03.15.Н. "Провести исследования по создании системи отключения цилиндров дизелей с турбонаддувом при режимах холостого хода и до 40$ полной мощности с целью снижения эксплуатационного расхода топлива в этом диапазоне на 5...6% для колесных тракторов "и.0.13.07.01.16.Ъ. "Провести исследования по определению эффективности и надежности дизеля.6ЧНЗІ,8/33 с системой .отключения цилиндров с целью повышения эксплуатационной экономичности на 2...3%", указаниями МПС № 675 пр.Ц от 12.12.85 г.-, шифр 05.15.II. "Снижение эксплуатационного расхода топлива на тракторах и комбайнах в 1986...1990 г.г.% й 1473-У от 25.12.85 г. шифр 0.54.02.03. "Разработать и внедрить высокоэффективные'технологические и технические процессы в локомотивном хозяйстве", постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР № 328 от 02.0.4.81 г. "Об основных направлениях и мерах по повышению использования топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в 1981...1985 г.г. и на период до 1990 г.". .

Цель работы. Данная работа является научным обобщением теоретических разработок с целью создания метода моделирования эксплуатационных циклов ДВС, состоящих из переходных и установившихся режимов, и направлена на решение научно-технической проблемы выбора рациональных конструктивных параметров транспортных двигателей по среднеэксплуатационному расходу топлива с учетом реальных эксплуатационных циклов.

Для реализации указанной цели необходимо:

1. Разработать едлную методику расчета рабочего процесса 4-х тактных двигателей, пригодную для моделирования как установившихся, так и переходных режимов.

2. Разработать математические модели систем, обеспечивающих работу двигателей по эксплуатационным циклам, включая модель новой системы регулирования отключением части цилиндров.

3. Синтезировать объединенную математическую модель 4-х тантного двигателя, пригодную для моделирования его'рабом по эксплуатационным циклам.

4. Разработать методологические основы проектирования систем регулирования двигателей отключением части-цилиндров и требования к ним и двигателей, оборудованных гтими системами.

5. На основе теоретических разработок путем расчетно-зкепе-риментаяьних исследований предложить рекомендации по снижению

4 среднеэксплуатационного расхода топлива двигателями 4ЧИТ2/І4, 6ЧНІЗ/ІІ.5, І2ЧНІ4/І4, 6ЧНЗІ.8/33, 8ЧН26/26.

Научная новизна. Научную новизну работы составляют:

6. Объединенная математическая модель рабочего процесса 4-х такткого двигателя, позволяющая моделировать его работу по эксплуатационным циклам. Она включает модель рабочего процесса собственно двигателя при работа на переходных и установившихся режимах и модели систем, обеспечивающих изменение режимов работы двигателей в эксплуатации. Модель имеет блочную структуру и пригодна для Ч~х такхных двигателей любой размерности, с любым количеством и порядком работы цилиндров, любыми системами турбонаддува, нагружения и регулирования, включая систему регулирования отключением части цилиндров,при работе по любым эксплуатационным циклам. Получаемый в результате расчета сред неэксплуатационный расход топлива о зависит от конструктивных, регулировочных и режимных параметров исследуемого двигателя. Поэтому с помощью такой модели можно производить выбор указанных параметров ДВС по величине о_срэ ;

7. Единый метод расчета рабочего процесса 4-х тактных двигателей при работе как на установившихся, так и переходных режимах. Он учитывает динамику движения группы коленчатого вала и ротора турбокомпрессора и изменение параметров состояния рабочего тела при перемещении его по полостям газовоздушного тракта. Для этого используются уравнения динамического равновесия и уравнения сохранения массы, энергии я уравнение состояния;

8. Математические модели систем дистанционного управления, регулирования, включая систему регулирования отключением части цилиндров, и нагружения. О помощью этих систем в эксплуатации осуществляется изменение режимов, работы двигателей, и их свойства оказывают существенное влияние на динамические свойства и показатели всей силовой установки транспортного агрегата в целом;

4. Методологические основы проектирования систем регули
рования две отключением части цилиндров и требования к ним,
позволявшие производить их направленное проектирование и до
водку, а также учитывать их влияние на принципы кс хтруирова-
ния двигателей и систем наддува;

5. Результаты исследований влияния ряда конструктивных и
регулировочных параметров двигателей и их систем на выходные
показатели, включая среднеэксплуатационный расход топлива.

5 Практическую ценность представляют:

9. Алгоритм и программа, реализующие объединенную модель рабочего процесса 4-х тактного двигателя, позволяющие моделировать работу транспортных ДВС по эксплуатационным циклам. Они представляют собой инструмент, о помощью которого как конструкторы КБ и НИИ, так и работники эксплуатирующих организаций могут производить оценку влияния того или иного мероприятия 'конструктивного, режимного и организационного характера на среднеэнсплуатационный удельный расход топлива, закладывая наилучшие конструктивные решения в проект, а режимные и организационные - в правила эксплуатации;

10. Алгоритм и программа, реализующие на ЭВМ единый метод расчета рабочего процесса Ц~х тактных двигателей при работе как на установившихся, тан и переходных режимах. Они позволяют оценить влияние конструктивных и регулировочных параметров собственно двигателя на выходные показатели, включал удельный эффективный расход топлива о при работе на переходных и установившихся режимах, и потому могут быть использованы на стадиях конструирования ... доводки новых, а также при совершенство вании Находящихся в производстве двигателей;

11. Алгоритмы и программы для расчета переходных процессов в системах дистанционного управления, регулирования и на-гружения, включая систему регулирования отключением части цилиндров;

12. Методологические основы проектирования систем регулирования двигателей отключением части цилиндров и требования к ним. В них изложен набор основных функций и свойств, которыми должны обладать устройства и узлы этих систем, чтобы они были работоспособными, а также перечень основных правил и приемов, как обеспечить эти свойства. Указано, как изменяются конструкции отдельных механизмов и систем двигателей при применении на них отключения части цилиндров;

13. Ряд конструктивных решений устройств и узлов систем отключения части цилиндров двигателей ^ЧН12Д^, бЧИЭ/11,5, І2ЧНІ4/ІЧ и 6ЧНЗІ.8/33, защищенных авторскими свидетельствами СССР;

14. Результаты по снижению среднеэксплуатационного расхода топлива на некоторых модификациях транспортных двигателей различного назначения (ччт.2/14, 6ЧНІЗ/И.5, І2ЧШ/1Ч, 6ЧН31.8/ЗЭ).

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены в ПО "Пенз-

дизеяьмаш" (г.Пенза), ПО 'Юждиэельмаи" (г.Токмак), ПО "Серп и молот" (г.Харьков) и организациях МПС.

Общий экономический эффект составляет 600 тыс. рублей в год.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Вресоозных семинарах по автоматическому регулированию теплоэнергетических установок в МВТУ (1980...1987 г.г.), Всесоюзных семинарах по комбинированным ДВС в МВТУ (І98І...І988 г.г.). Всесоюзных конференциях "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив" (г.Москва, МВТУ, 1980 г.),. "Высокий наддув поршневых ДВС и роторные двигатели" (г.Тбилиси, ИММ АН ГССР, 1981 г.), "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания" (г.Москва, МАЛИ, 1982г.), "Современный уровень и пути совершенствования экономических и экологических показателей двигателей внутреннего сгорания" (г.Ворошиловград, ВМИ, 1983 г.), "Теория и расчет мобильных машин и двигателей внутреннего сгорания" (г.Телави, ИММ АН ГССР, 198-5 г.), "Повышение энергетической эффективности тепловозов" (г.Ростов-на-Дону, РИЙ2Т, 1986 г.), "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топлива*" (г.Москва, МВТУ, 1987 г.), "Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания" (г.Киров, КСХИ, 1988 г.), научно-технических конференциях ХЙИТа и ХПИ (1965...1988 Г.г.).

По результатам исследований опубликовано 42 печатных работы, 14 авторских свидетельств на изобретение.

Структура работы, Диссертационная работа состоит из введения, тре.х глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.