Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Состояние вопроса 9
1.2. Обзор работ, посвященных исследованию работы двигателей МТА и автомобилей при работе с неустановившейся нагрузкой 10
Выводы 27
ГЛАВА 2. Теоретические исследования 29
2.1. Основные положения разработки математической модели 29
2.2. Работа двигателя в динамических режимах 30
2.2.1. Показатели качества переходного процесса двигателя МТА 30
2.3. Методика получения математической модели рабочих процессов двигателя 32
2.4. Математическая модель рабочих процессов двигателя МТА при работе с неустановившейся нагрузкой 39
2.5. Математическая модель МТА 43
2.6. Методика определения коэффициентов дифференциального
уравнения по результатам лабораторных экспериментов 46
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментальных исследований 52
3.1. Методика экспериментальных исследований 54
3.1.1. Объект исследований — двигатель Д - 243 54
3.1.2. Методика лабораторных исследований 55
3.1.2.1. Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах 55
3.1.2.2. Исследование двигателя на установившихся режимах 56
3.1.З. Исследование двигателя Д - 243 на переходных режимах 56
3.1.3.1. Выбор режимов для исследования двигателя 56
3.2. Экспериментальная установка для динамических исследований двигателя Д - 243 60
3.2.1. Автоматизированный комплекс сбора и обработки данных 60
3.2.2. Имитационное загрузочное устройство 62
3.2.2.1. Система охлаждения тормоза 63
3.3. Экспериментальная лаборатория для динамических исследований МТА в полевых условиях 65
3.3.1. Методика определения физико-механических свойств почвы 66
3.4. Точность измерений и подбор датчиков 67
3.5. Планирование опытов, их проведение и контроль 78
3.6. Методика обработки экспериментальных данных 79
Выводы: 81
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 82
4.1. Исследование топливоподающеи аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах 82
4.2. Исследование дизельного двигателя Д-243 при установившейся нагрузке 85
4.3. Исследование дизельного двигателя Д-243 при неустановившейся нагрузке 88
4.3.1. Исследование влияния коэффициента избытка воздуха на показатели дизельного двигателя Д-243 при неустановившейся нагрузке 88
4.3.2. Исследование влияния угла опережения впрыска топлива на показатели дизельного двигателя Д-243 при неустановившейся нагрузке 95
4.4. Исследование дизельного двигателя Д-243 в составе МТА при неустановившейся нагрузке 103
ГЛАВА 5. Оценка эффективности работы дизельного двигателя мта при неустановившейся нагрузке 112
5.1. Расчет технико-экономических показателей дизельного двигателя Д —243 112
Общие выводы по работе 115
Библиографический список
- Обзор работ, посвященных исследованию работы двигателей МТА и автомобилей при работе с неустановившейся нагрузкой
- Основные положения разработки математической модели
- Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах
- Исследование топливоподающеи аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах
Введение к работе
В настоящее время, рассматривая работу двигателя машинно-тракторного агрегата (МТА) при выполнении сельскохозяйственных операций, следует отметить, что большую часть времени он работает при неустановившемся характере нагрузки, тогда как существующая теория, методика расчетов, проектирования и испытания двигателей (ГОСТы 18509-95, 14846-95) учитывает работу двигателя при установившейся нагрузке. В результате этого двигатель МТА работает с перегрузкой, увеличивается расход топлива, снижается ресурс двигателя.
Рассматривая работу двигателей тракторов, комбайнов и автомобилей при выполнении сельскохозяйственных операций, следует отметить, что большую часть времени они работают при неустановившемся характере нагрузки. В тоже время существующая теория, методика расчетов, проектирования и испытания двигателей исходит из предпосылок, что работа мобильных машин происходит при установившемся характере нагрузки. Это приводит к тому, что их двигатели, запроектированные по всем правилам современной теории двигателей, при выполнении ряда сельскохозяйственных операций имеют показатели ниже установленных заводом - изготовителем. Особенно сильно это выражено при выполнении энергоемких операций, таких как пахота, культивация, сгребание грунта, и т. д. Для обеспечения выполнения работ с заданными агротехническими требованиями двигатель МТА должен иметь значительный запас мощности, что, в свою очередь, приводит к большим ее потерям. Значительное влияние на производительность и качественное выполнение операции МТА оказывают и резкие набросы нагрузки, в результате которых режим работы двигателя переходит на корректурную ветвь регуляторной характеристики. Как следствие: снижение производительности МТА и увеличение эксплуатационных затрат.
Недоиспользование мощности в неблагоприятных условиях может достигать 15...25%, [117]. Снижается долговечность двигателей. По данным специа-
7 листов — эксплуатационников, тракторы и автомобили, работающие в сельскохозяйственном производстве, не полностью вырабатывают ресурс, оговоренный заводом - изготовителем.
В связи с этим исследования двигателя МТА при неустановившихся режимах являются актуальной задачей, направленной на повышение технико -экономических показателей двигателя МТА
Объектом исследования является дизельный двигатель Д - 243 в составе МТА.
Предметом исследования являются исследования условия функционирования двигателя при работе МТА при неустановившейся нагрузке в технологических процессах сельскохозяйственного производства.
Целью работы является исследование влияние неустановившейся нагрузки и регулировочных параметров на технико-экономические показатели двигателя МТА.
Практическая ценность работы и реализация ее результатов заключается в уменьшении расхода топлива, снижении потерь мощности при реализации результатов исследования работы МТА при неустановившемся режиме.
Научная новизна заключается: в математических зависимостях дифференциальных уравнений третьего порядка, расширяющих сведения о рабочих процессах двигателя при неустановившейся нагрузке; в математических зависимостях момента сопротивления от неустановившейся нагрузки, приведенной к коленчатому валу двигателя МТА; в моделировании переходных процессов при сбросе и набросе нагрузки, описываемых дифференциальными уравнениями третьего порядка, расширяющие и уточняющие знания о переходных процессах МТА; в установление закономерностей изменения технико-экономических показателей двигателя (мощность, крутящий момент, часовой расход воздуха, часовой и удельный расходы топлива) при работе МТА в неустановившемся режиме.
Результаты исследований были использованы в НПО "Агросервис" г. Казань.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка и приложений. Материал изложен на 210 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 51 иллюстрацию. Библиографический список включает 125 наименование.
Обзор работ, посвященных исследованию работы двигателей МТА и автомобилей при работе с неустановившейся нагрузкой
Одним из первых изучением процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) при работе с неустановившейся нагрузкой, занимался Болтинский В.Н., Юлдашев А. К., Крутов В. И., Патрахальцев Н. Н., Ос-таненк Г. И., Багиров Д. Д., Иофинов С. А., Гришин Г. Д., Иткин Б. А., Морозов Б. И., Леонов И. В., Ждановский Н. С, Агеев Л.Е. и другие ученые.
Многими учеными было отмечено неблагоприятное влияние неустановившейся нагрузки на работу двигателя.
В работе [21] рассмотрены причины и характер изменения момента сопротивления на валу двигателя. Сформулированы основные показатели, определяющие характер изменения момента сопротивления двигателя. В качестве таких показателей предложены следующие:
1. Момент сопротивления на валу тракторного двигателя. Mc=Mf+Mtqj±Ma MJ+Mmp (1.1) где Мс — момент сопротивления на валу тракторного двигателя, Нм; Mf- момент сопротивления перекатыванию трактора, Нм; Мкр - момент сопротивления на крюке трактора, Нм; М„ - момент сопротивления при подъеме (спуске) трактора, Нм; Mj - момент сопротивления от сил инерции при разгоне (торможении) трактора, Нм; Мгр - момент сопротивления от сил трения, Нм.
2. Степень неравномерности момента сопротивления на валу двигателя. g _ стах стіп п оч где б — степень неравномерности момента сопротивления на валу двигателя; Мсшах - наибольшее значение момента сопротивления на валу двигателя, Нм;
Mcmin - наименьшее значение момента сопротивления на валу двигателя, Нм; Мер - среднее значение момента сопротивления на валу двигателя, Нм. 3. Период изменения момента сопротивления - Т, в секундах. 4. Коэффициент перегрузки. =1Г (1-3) - "«max где Кпер - коэффициент перегрузки; Метах — максимальный крутящий момент на коленчатом валу двигателя, Нм.
На основании обобщения и теоретического анализа ряда исследований академик В.Н. Болтинский [21, 22] вскрыл и объяснил особенности работы тракторных двигателей на неустановившемся режиме. Из-за непрерывных колебаний оборотов двигателя будут изменяться: коэффициент наполнения inv, коэффициент избытка воздуха а, механический коэффициент полезного действия (кпд) Tjm, индикаторный кпд rji, и высказаны предположения о характере изменения их.
Изменение момента, развиваемого двигателем, им объясняется как изменение выше перечисленных коэффициентов в соответствии с выражением: У а ) (1.4) Большое влияние на динамику двигателя при работе на регуляторной ветви оказывает степень нечувствительности регулятора.
Экспериментальные исследования [53] подтвердили правильность положений, выдвинутых в работе В.Н. Болтинского. Исследованиями подтверждено ухудшение динамических и эффективных показателей двигателей при неустановившемся характере нагрузки. Резкое снижение динамических показателей и увеличение удельного расхода топлива наблюдалось при работе на регуляторе.
При выполнении ряда сельскохозяйственных работ для выполнения агротехнических требований учеными рекомендуется недозагружать двигатель МТА. Недоиспользование мощности двигателя в неблагоприятных условиях может достигать 15...20%, при этом увеличивается расход топлива на 10- 15%, [117]. Снижается долговечность двигателей, [83].
При работе двигателя с неустановившейся нагрузкой происходит рассогласование работ всех систем, так как изначально двигатель спроектирован для работы с постоянной нагрузкой, а в действительности он работает при неустановившейся нагрузке, что влечет за собой снижение технико-экономических показателей двигателя и МТА в целом.
Так, тракторные и комбайновые двигатели работают при непрерывно изменяющейся нагрузке, причем на основных рабочих операциях двигатели имеют нагрузку, близкую к максимальной (0,9...0,95Ne), [117, 118]. Автомобильные двигатели большую часть времени работают с недогрузкой (0,5...0,8Ne), [118]. А самым характерным переменным режимом для них является режим резкого увеличения или уменьшения нагрузки с относительно большой скважностью, [117]. Режим и характер работы дорожных, строительных машин и их двигателей является тоже переменным, но он отличается от режима работы тракторных и автомобильных двигателей и представляет собой циклическую нагрузку, которая меняется от нуля до величины, превышающей максимальное значение крутящего момента двигателя [13].
Очевидно, что некоторые явления, происходящие в двигателях при переменных режимах, будут общими для всех двигателей вне зависимости от их назначения. В то же время явления, характерные для двигателя данного назначения, будут не характерными для других двигателей. Так, например тепловая инерция двигателей сильно сказывается на мощности и экономичности автомобильного двигателя при разгоне [118] и меньше влияет на работу тракторного двигателя, так как в этом случае пределы изменения нагрузки и температуры деталей значительно меньше.
Основные положения разработки математической модели
Машинно-тракторный агрегат можно представить как динамическую систему с переменной массой и скоростью, находящуюся под воздействием нагрузки и положения органа управления.
Эти факторы влияют на скоростной режим, тепловое состояние двигателя, что в свою очередь оказывает влияние на протекание процессов топлива и воздухоподачи, смесеобразования, сгорания, индикаторные и эффективные показатели двигателя.
Анализируя реальные условия эксплуатации, проведем схематизацию этой модели. Рассмотрим работу двигателя при выполнении одной сельскохозяйственной операции. В этом случае масса и передача, на которой работает МТА, постоянны, а возмущающим воздействием является только изменение нагрузки.
Классическая теория двигателей внутреннего сгорания разработала целый ряд оценочных показателей совершенства термодинамических процессов и всей конструкции двигателя. Но при исследовании переходных и неустановившихся процессов целый ряд показателей становятся трудно определяемыми. Поэтому из всего их многообразия необходимо выбрать главные, с помощью которых можно было бы с минимальными затратами средств и времени определить нарушения в процессах и изменения в выходных показателях двигателя при переходных режимах.
Наряду с определением динамических характеристик двигателя необходимо проведение исследований и по изучению влияния топливо и воздухоподачи на эти характеристики. Наиболее общий показатель, характеризующий совершенство процессов газообмена, является коэффициент наполнения, так как его величина зависит от температуры и давления впускаемого воздуха.
Определение оптимального угла опережения впрыска топлива при установившейся нагрузке трудностей не представляет, но сложнее определить требуемый угол опережения впрыска при неустановившейся нагрузке. Сложность определения оптимального угла опережения впрыска топлива заключается в том, что изменение момента сопротивления и частоты вращения вала двигателя происходит за короткий промежуток времени и применяемые центробежные устройства изменения угла опережения впрыска топлива не успевают своевременно срабатывать. Это снижает технико-экономические показатели работы двигателя.
С такими же сложностями сталкиваются при определении величины коэффициента избытка воздуха. К тому же на многих двигателях отсутствуют устройства для регулирования угла опережения впрыска топлива и коэффициента избытка воздуха.
Для оценки совершенства эффективных показателей желательно определить эффективную мощность двигателя и его удельный расход топлива
Перед оценкой переходного процесса оценивается способность устойчивой системы регулирования двигателя поддерживать постоянство угловой скорости в равновесном режиме. Дело в том, что двигатель, являясь машиной циклического действия, имеет при любом равновесном режиме работы определенные установившиеся колебания угловой скорости. Для оценки этих колебаний введен специальный параметр - степень нестабильности вращения коленчатого вала, причем: где Асое - фактическое изменение угловой скорости на равновесном режиме; co„ - значение угловой скорости на равновесном режиме.
Важным показателем качества переходного процесса является время регулирования tp (рисунок 2.1.). В качестве времени регулирования (времени переходного процесса) принимается интервал времени от момента наброса до установления колебаний угловой скорости, определяемых нестабильностью вращения вала двигателя. Переходный процесс считается закончившимся, как только отклонение угловой скорости от заданного равновесного значения становится равным или меньшим чем ЛсоЁ / 2 и в последующем не выходит за пределы этой границы (jjdcoe 12).
Следующий показатель качества переходного процесса - заброс угловой скорости вала двигателя А от6 (рисунок 2.1.). Под забросом понимают разность мгновенного наибольшего отклонения угловой скорости в переходном процессе от значения угловой скорости предыдущего равновесного режима работы.
Принимается, что система автоматического регулирования двигателя обладает определенным качеством, если значения Лсозаб, Лсо и tp не превышают заданных предельных значений.
Основываясь на существующих исследованиях, рассмотрим изменение элементов функциональной схемы МТА в динамике.
Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах
До начала динамических исследований в лабораторных условиях снимаются стационарные характеристики топливного насоса и двигателя. Назначение их состоит в следующем: Определить величину коэффициентов усиления исследуемых показателей для топливного насоса и двигателя;
Определить зависимости показателей: 1. двигателя от момента сопротивления; 2. цикловой подачи топливного насоса от положения рейки дозатора и частоты вращения вала насоса; Выявить линейные участки исследуемых показателей стационарных характеристик. Исследование топливоподающей аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах.
Объектом исследований был топливный насос высокого давления распределительного типа НД - 21/4. Программа исследований состоит из следующих этапов: 1. Определить особенности испытуемой топливной аппаратуры; 2. Наблюдать за стабильностью показателей топливной аппаратуры во время исследований; 3. Снятие регуляторной и скоростной характеристики топливного насоса; 4. Выявить линейные участки исследуемых показателей топливной аппарату ры; 5. Определить коэффициенты усиления по выбранным линейным участкам.
Характеристики снимались по ГОСТ 8670-80 и методике, приведенной в работе [ 110] на стенде КИ-15711-01.
Стенд КИ-15711-01 был оборудован всем штатным оборудованием и был исправен. Частота вращения вала насоса проверялась приставным тахометром часового типа ТЧ-10Р. Проверка частоты вращения вала стенда была необходима из-за невысокой точности показаний штатного тахометра стенда. Погрешность измерения частоты вращения вала насоса тахометром ТЧ-10Р составляет ± 1%.
Форсунки при испытании топливного насоса использовались штатные с двигателя. Перед проведением испытания форсунки были отрегулированы на номинальное давление впрыска, и проверено качество распыла.
Исследование двигателя на установившихся режимах.
Цель исследований. Выявление возможностей двигателя, стационарности его показателей по времени и определение основных направлений совершенствования процессов в двигателе и получение эталонных стационарных характеристик двигателя в зависимости от изменения регулировочных параметров.
Снятие регуляторной и нагрузочной характеристик двигателя проведено согласно ГОСТ 18509-95 и представлены в таблице 4.3, на рисунке 4.3 и в приложение № 2.
Двигатель внутреннего сгорания является нелинейной системой, поэтому при анализе динамических качеств с помощью линейных дифференциальных уравнений играет большую роль характер изменения, продолжительность и величина изменения нагрузки. При этом следует иметь в виду, для каких целей используется предлагаемая методика. При использовании ее для анализа влияния конструктивных элементов на динамические качества двигателя требования к линейности менее строгие. Это объясняется тем, что все исследования проводятся на одном и том же двигателе, но в регулировку систем двигателя вводятся различные изменения.
Если при исследовании каждого варианта задавать одинаковые пределы изменения нагрузки, то ошибка в результатах определяется только идентичностью режимов нагружения, эти вариации отличаются друг от друга не более чем на 0,1...0,8% [123]. В подобных случаях теория автоматического управления допускает возможным проводить линеаризацию показателей двигателя без существенного влияния на результаты исследований.
Линейную зону исследований необходимо определить применительно к конкретно поставленной задаче в зависимости от величины допускаемой ошибки. Для определения коэффициентов усиления необходимо установить приделы линейных зон.
Исследование топливоподающеи аппаратуры дизеля Д-243 на стационарных режимах
На рисунках 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 4.10 и в приложении 7 представлены результаты экспериментальных исследований влияния коэффициента избытка воздуха на показатели двигателя при сбросе и набросе нагрузки.
Анализ результатов экспериментов, влияния коэффициента избытка воздуха на показатели двигателя Д -243.
Сброс нагрузки: 1. При сбросе нагрузки время задержки изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличивается при а =1,23 до 0,21 с, по сравнению с базовым (a =1,43)-0,18 с. 5. Мощность уменьшается интенсивнее при а =1,23, чем при а =1,43 на 0,5 с. 6. Крутящий момент коленчатого вала двигателя при а -1,23 уменьшается быстрее, чем при а =1,43 на 0,5 с. 7. Удельный расход топлива увеличивается быстрее при а =1,23 на 0,2 с, чем при а =1,43. 8. Часовой расход топлива изменяется практически одинаково, но в конце переходного процесса при а =1,23 он меньше на 0,4 кг/час по сравнению с х=1,43. 9. Изменение часового расхода воздуха интенсивнее происходит при а =1,23, чем при а =1,43 на 0,3 с.
Наброс нагрузки: 1. Время задержки изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличивается при а =1,23 и а =1,43 до 0,18 е., по с а=1,23 - 0,15 с. 2. Изменение мощности происходит интенсивнее при а =1,23, чем при а =1,43 на 0,8 с, но после завершения переходного процесса мощность становится меньше на 1,2 кВт по сравнению с базовым двигателем. 3. Крутящий момент коленчатого вала двигателя при а =1,23 увеличивается быстрее, чем при а =1,43 на 0,7 с. 4. Удельный расход топлива уменьшается интенсивнее при а =1,23 на 1 с. чем при а =1,43. 5. Процесс изменения часового расхода топлива практически одинаков, но в конце переходного процесса при а =1,23 он больше на 0,4 кг/час, чем при а=1,43. 6. Изменение часового расхода воздуха интенсивнее происходит при а =1,43, чем при а =1,23 на 0,7 с.
На рисунках 4.11, 4.12, 4.13, 4.14,4.15,4.16 и в приложении 8 представлены результаты экспериментальных исследований: влияния угла опережения впрыска топлива на показатели двигателя при сбросе и набросе нагрузки.
Анализ результатов экспериментов влияния угла опережения впрыска топлива на показатели двигателя Д -243. Сброс нагрузки: 1. При сбросе нагрузки время задержки изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя уменьшается при =24 до 0,15 с, по сравнению 18-0,21 с. 2. Мощность уменьшается интенсивнее при (р-30, чем при р=18 на 0,3 с. 3. Крутящий момент коленчатого вала двигателя при р=30 уменьшается быстрее, чем при ф=24 на 0,2 с. 4. Удельный расход топлива увеличивается быстрее при ф=30 на 0,4 с, чем при =18. 5. Процесс изменения часового расхода топлива протекает интенсивнее при Ф=30 на 0,3 с, чем при ф=24 и в конце переходного процесса при ф=30 он меньше на 0,5 кг/час, чем при ю=18. 6. Изменение часового расхода воздуха интенсивнее происходит при ф=30, чем при ф=24 на 0,4 с.
Наброс нагрузки: 1. Время задержки изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя увеличивается при ф=30 до 0,2 с, по с ф=18 - 0,18 с. 2. Изменение мощности происходит интенсивнее при ф=30 , чем при ф=18 на 0,5 с. 3. Крутящий момент коленчатого вала двигателя при ф=30 увеличивается быстрее, чем при ф=24 на 0,3 с. 4. Удельный расход топлива уменьшается интенсивнее при ф=30 на 0,8 с. чем при ф=24. 5. Часовой расход топлива изменяется практически одинаково, но в начале переходного процесса при ф=30 он меньше на 0,4 кг/час по сравнению с ф=18 . 6. Изменение часового расхода воздуха интенсивнее происходит при =24, чем при ф=30 на 0,2 с. 4.4. Исследование дизельного двигателя Д-243 в составе МТА при неустановившейся нагрузке. Испытания двигателя МТА проводились в ПСХК "Идель" Высокогорского района РТ. МТА состоит из трактора МТЗ - 82 и культиватора КПС - 4. При проведении испытаний регулировки угла опережения впрыска топлива и коэффициента избытка воздуха соответствовали параметрам завода - изготовителя. Результаты испытаний представлены в приложении № 9, [98]. На рисунках 4.17...4.19 представлены графики сходимости теоретических, лабораторных и полевых исследований.
