Введение к работе
Актуальность исследования. Анализ перспектив развитая двагатеяе-роеная в СССР її за рубежом свидетельствует о том, что одним нз пу-1 улучшения тягово-динамическах, экономических характеристик а зпро-шя трансмиссии машинно-тракторных агрегатов (МТА) является примете двигателей постоянной мощности (ДШ), отличающихся увеличенным (фиициентом приспособляемости и наличием участка постоянной мощнос-на корректорной ветви внешней скоростной характеристики. Кроме то-, при работе ДЕЛ на корректорной ветви резко снижаются удельный оце— щнй расход топлива и токсичные выбросы отработавших газов, повилася производительность груда и уменьшается утомляемость оператора МТА.
К настоящему времена разработана основные положения теории регу-ювания двигателя при работо его в составе ИТА, отдельные закономзр-ти обеспечения топливоподачи и воздухоснабхения для формирования буемой внешней скоростной характеристики, вопроси тепловой и меха-еской нагругенностя и выработаны некоторые рекомендации по отработ-конструкцаи, подбору систем и режимов работы ДШ.
Однако отсутствие целостной теории создания ДШІ, заключавшей коыа-сное исслодованиа рабочего процесса, смесеобразования, тепловнделе-, анализ индикаторного и эффективного КЦЦ дизеля, расчетное постро-э внесшей скоростной характеристика, математическое моделирование и иокения по концепции организации рабочего процесса на корректор-ветви характеристики сдерживает дальнейшее развитие и широкое признав ДШ на тракторах, дорояностроптельннх машинах, автомобилях и сой технике. Требуется разработка конкретных конструкторских и тох-згическах рекомендаций по создана*) Д1Ы на базе серийных комбиниро-шх дизелей. Изучении этих вопросов а посвящена настоящая днссер-
!Я.
Цель работы. Разработка методика теоретических а расчетно-экспе-шталышх исследований закономерностей формирования корректорной ш внешней скоростной характеристика и установление на ее основе їх принципов создания и дальнейшего совершенствования технико-эко-ічєсках а экологических показателей ДВД,
Достижение поставленной цели осуществляется решением следующих 14:
-
Разработка методики расчета корректорной ветвя внешней скорост-характеристаки ДЗМ.
-
Расчетное определение характеристик расхода топлива я воздуха, ;кжа оптдгазацая регулировочных параметров дизеля.
-
Проведение математического моделирования рабочего процесса на реишах корректорной ветви ДШ и выработка предпосылок к формулировании концепции организации раоочего процесса.
-
Разработка общей методика экспериментальных исследований ДИМ для определения закономерностей протекания внесшей скоростной характеристики в факторов, определяющих индикаторный и эффективный КПД.
-
Проведение экспериментальных исследований, анализ индикаторного и эффективного КПД, дымностл и токсичности ОГ и выявление резервов улучшения технико-экономических и экологических показателей ДІМ.
-
Разработка и исследование на дизеле конкретных технических решений и практических мероприятий по созданию ДПМ на базе сорийно выпускаемых дизелей типа ЧНІЗ/І4.
і/.етодн и, объекты исследоваапй. Решение поставленных задач осуществлялось на основе критического анализа работ по применению, регулированию и настройке систем ДМ, исследованию индикаторного и эффективного КОД и организации смесеобразования и сгорания дизелей отечественных и зарубежных авторов, экспериментальных исследований базового дизеля 4ЧНІЗ/І4 с помоцьв высокоточного исследовательского оборудования, вкло-чающего систему инддипрования типа 652 фирмы АЗЛ (Австрия), расчетно-эксперлаенталъних методик исследования индикаторного КПД, чеханичесмк потерь и эффективного КПД и разработанной методика исследования двигателя по корректорной ветви внешней скоростной характеристики. Экспери-ыонталышв исследования проводились в СКБ ПО АМЗ и лаборатории кафедры ДВС АлтДй.
Научная г;рвизцд,_ Разработаны общие принципы теоретических и экспериментальных исследований ДШ, основанные на катоде расчета внешней скоростной характеристики дизеля, математическом моделировании его рабочих процессов и ыетодпк анализа индикаторного и эффективного КПД. Подучены выводы о закономерностях коррекции топлввоподачи и воздухо-спабхения. Быдолнен подробный анализ выходных характеристик базового дизеля 4ЧНІЗ/І4 и установлены факторы, определяйте условия получения требуеиых технико-экономических показателей ДШ, а также предложен и проверен комплекс конкретных конструкторских ыероприя ай для реализация на дизеле 4ЧІИЗ/І4.
Црактцчдскор значение. Углубление л расширение знаний о факторах а ыбхавааае формирования корректорного участка внешней скоростной характеристики и информация об изменении баланса использования теплоты но внешней скоростной характеристике дизеля, которые дает выполненная
работа, позволяют наметить практические пути создания ДШ о заданной характеристикой. Разработанная методика расчета внешней скоростной характеристики и структурная схема режимных, конструкторских и технологических мероприятий, формирующих эффективный 1ЩЦ дизеля, представляет возможность в короткое время создать конструкцию и выполнить доводку ДШ на базе имеющегося серийного дизеля, при этом могут быть спрогнозированы резервы дальнейшего улучшения его технико-экономических параметров.
Предложенный метод экспериментального исследования внешней скоростной характеристики ДІЛ с использоваїшем методик анализа индикаторного в эффективного КДД позволяет получить, с достаточной точностью,объективную картину протекания внутренних процессов и выходных характеристик дизеля.
Реализация, результатов. Теоретические разработки, результаты експериментальних а расчетных-исследований, разработанные методики и программы используются при проведении опытно-конструкторских работ по созданию перспективного семейства тракторных дизелей постоянной модности размерности ЧНІЗ/І4 на ПО "Алтайский моторный завод" с коэффициентом приспособляемости более 1,4, а также в учебной процессе а НИР кафедры АлтШ им. И.И.иолзунова. Настоящая работа завершает цикл работ по темо отраслевого плана НИОКР 80.57.00.84-15.1030 ШШАВТОТРАіГГОРОСЕЯЬХСХі'МШ. Результаты работ могут быть использованы на других предприятиях а научно-исследовательских организациях отрасли двагатолостроешш при разработке ДШ на базе быстроходных комбинированных дизолой.
Апробация Работы,. Результаты работы докладывались:
на Всесоюзной научно-технической конференции "Исследование и совераенствованио тракторных конструкций", г.Москва, НАТИ, 30 мая -I июня 1983г.;
на постоянно действующем научяо-технплескоц семапаро "Повшга-иие топливной экономичности и надеяности быстроходных дизелей", г.Бар-іаул, АлтІШ иа.И.Й.Ползунова, І989-І990г.г.;
на заседании кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" Ленинградского государственного технического университета;
на конференциях молодых ученых и специалистов Алтая, г.Барнаул. Ж и ГК ВДКСІ, 1982г.;
на научно-технических советах ПО АМЗ, г.Барнаул в 1987, 1968, :Э9. 1990 г. г.
Публика так. Материалы диссертация опубликованы в 4 пєч<ітинх ра-іотах, получено 5 авторских свидетельств па изобретение.
Объем и структура, работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и опаска литературы. Содержит 144 страницы основного текста, 55 страниц с иллюстрациями, 10 таблиц и 13 страниц списка литературы, включающего 118 наименований литературных источников.
Во введении, обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы основные полохання диссертационной работы, вынесенные на защиту, в их научная новизна.
В первой; главе дан анализ современного состояния и развития экспериментальных и теоретических исследовании работы дизельного двигателя ыашинно-тракторвого агрегата при непрерывно изменяющемся характере внешней нагрузка, способов обеспечения взаимосвязи характеристик топливоподачп и воздухоснабаения для требуєаого протекания внешней скоростной характеристика и изменения тепловой и механической нагрухенности дизеля при уменьшешш частоты вращения.
Изучении вопросов регулирования расчетов и согласования работы систем ДШ посвящены работы совегоких ученых: В.Н.Болгинского,А.С.Орлина, Ы.Г.Круглова. Р.А.Ланиса, А.А.Грунауэра, Л.А.Агеева, С.И.Дорда-нева, А.П.Бапника. Ю.Б.Моргулиса, А.Д.Портяова, Р.М.Петриченко, В.И. Крутова, А.К.Костина. Кромэ того, выполнен анализ состояния и развития исследований индикаторного и эффективного КПД дизелей, проведенных И.Х.Дьяченко, С.А.Батуриным, Д.Д.Ыатиевским а др.
ДШ имеют особый вид внеаней скоростной характеристики с участком постоянной мощности на корректорной ветви и достаточно высоким коэффициентом приспособляемости, значительное повышение которого может быть доотигнуго коррекцией тошшвоподачи и обеспечением требуемого коэффициента избытка воздухе путем соответствующей настройки системы газотурбинного наддува. Соответствующие методики исследований индикаторного в эффективного КПД, способы организации смесеобразования, огорания и тепловыделения, как правило, ограничиваются исследованием внутренних процессов двигателя и соответствующими рекомендациями только для режима номинальной мощности. Таким образом, проблема создания ДШ распадается на несколько самостоятельных задач - расчетное построение внешней скоростной характеристики на основе математической модели рабочего процесса в оптимизации параметров топливной аппаратуры д воздухоснабжения, определение факторов, формирующих ик~ дякаторнкВ и аффективный КЦД во всем диапазоне внешней скоростной
xapaKTejiHcjAts, разработка конкретных практических рекомендаций по оозданш ДЩ. $ вдяде глави сделаны выводы о состоянии проблеми, сформулирована цель,, основные задача и определены пути исследования.
Во второй, главе приводится разработка методики построения корректорной ветви внешней скоростной характеристики, а также метод моделирования рабочего процесса ДЩ, которые в совокупности и представляют коиплекснув мзтодаку теории исследования работы ДШ на корректорши ветви.
Методика построения корректорной ветва основана на использовании уравнения классической теории ДВС и эмпирических уравнениях для отно-пенал индикаторного КПД к коэффициенту НЗбнтка воздуха 1i/
,В результате получены уравнения изменения цикловой подачи топлива $ч и давления наддува ft , а также основных параметров цикла и двигателя 2i)2н>Pat
ростной —!:M|5^
в которых: Кл" п»/п» текущий коэффициент приспособляемости а коэффициенты A,S,ci,fl получены аппроксимацией экспериментальных зависимостей Рцв/((Ъ',л) , а коэффициенты і и&& аппроксимацией зависимости Bi/jl~/(etjfi) . показатель политропы сжатия в компрессоре ТХР Лиц определяется характеристикой турбокомпрессора.
В уравнениях (2. 3) .коэффициент «7 согласно выражении (I) представляет собой отношение эффективного КПД режима максимального крутящего момента &„ к эффективному КЗД любого другого режима 2&
Методика моделирования рабочего процесса я расчета индикаторной диаграммы основана на решении дифференциальных уравнений: первого закона термодинамика, сохранения 4цассн я состояния идеального газа применительно к условиям цилиндра дизеля.
Предложена следувдая .последрватальпость выполнения исследований по разработанной методика:
расчетное построение внешней скоростной характеристика, параметры которой являются исходными данными для моделирования рабочего процесса;
математическое моделирование рабочих процессов по корректорной ветви.
В качестве исходного ракама для проведения расчетных исследований принят режим максимального крутящего момента.
Программа расчета параметров рабочего процессе и внешней скоростной характеристики выполнена на алгоритмическом языке "Паскаль" для ПЭВМ типа ДВК.
С помощью разработанной методика и программы выполнен расчет и анализ внешней скорозтной характеристика дизеля 4ЧНІЗ/І4. На pssc.I представлена расчетная внешняя скоростная характеристика ДПМ для случаев, когда
Изменение показателей работы дШ при точном, с учетом поправочного коэффициента J (I), и приближенном, без учета J . задании характеристики изменения цикловой подача топлива я воздуха представлены ва ржо.2. Из графиков видно, что при учете поправочного коэффициента J удельный эффективный расход топлива $е незначительно улучшается ва вазках частотах вращения ва 2...3 г/кВт.ч а ухудшается ва частотах врацв-яия близких к номинальной/2« ва 2...3 г/кВт*ч. При атом, в случав,когда коэффициент .7 не учитывается, характеристика модности tle^tonst приобретает вад слабовыпуклой параболы, а увеличение мощности мохег достигать 11 в более от заданного уровня.
На рао.З представлены графика изменения доказать- эй индикаторной диаграммы, вз которых бедно, что с уменьшением частоты вращения диве-ля до Ґ1ц , резко увеличиваются максимальная температура цикла 7я<и ва ЗОййШК, давление Яп^д на 1.2*1.5 МПа в жесткость {dp/dif) *а* ва 0,06+0,8 НПа/град. Одним вз возможных мероприятий по снижению тепловой в данамжчеоков вагружвкноств ДШ может быть настройка угла опоре—
5^й
*3
3*
кения впрыскивания топлива 0 со частоте вращения коленчатого вала с использованием спецаальпой муфти привода топливного насоса, йозволяос-' щей скоррекгзровать угол в при сннхении частоты вращения. Оптимальные значения 8sVW*
Расчетно-экспериыентальное исследование настройки смесеобразования на всем корректорном участке по параметрам: продолжигельнбетй впрыскивания ifUp , дисперсности распиливания ok а динамики факелов itf>, показала что их оптимальная настройка для всех рекимов работы двигателя невозможна. Имеет смысл проводить настройку смесеобразования для рехима максимального крутящего момента ҐІ.ц. Для чего следует увеличить дсаметр сопловых отверстий etc в 1,06 раза и среднее давление впрыскивания в 1.2 раза.
С третьей, глдве приводится описание экспериментальной устаношш объекта испытаний и методов экспериментальных исследований.
D качестве объекта исследований использовался дизель Д-440-2, выпускаемый серийно ПО "АЫЗ" в соответствии с ТУ 23.3.І.Ї-87.
Испытания проводились на экспериментальном стенде, оснащенном динамометром постоянного тока типа HSII46-4K/ , штатным набором приборов а измерительных устройств и аттестованным в соответствия с ГОСТ 24555-81. Кроыэ стандартных измерений проводились специальные исследования процессов в цилиндре, впускных и выпускных системах, системе топ-хивопедачй/ для чего использовалась высокоточная система инднцирова-нвя фирмы №$. (Австрия) типа 652, укомплектованная цифровым анализатором типа 6GUI-I5, комплектом нормнрущах преобразователей и наборш датчиков и сервисных устройств.
Обзіая программа испытаний включала два этапа: исследование внеп-ней скоростной характеристики базового двигателя Д-440 - на первом этапо и исследование влияния конкретных меропрзятий на технике—экономические в экологические характеристики ДЭД - на втором этапе.
Анализ індикаторного, эффективного КПД и механических потерь ДШ по внешней скоростной характеристике осуществляется расчетне—эксперл-иеяталъшш методом решением сладупцих уравнений:
ІІІ*%+Іч*ІЇ,+&'*Ь* (6)
Уімехвт/в лоназй/лвгей /эа5оявга влияние узла начала еоргмия мт
цикла 3ujt/>ff ЬЧшМ ло хоррзх- no/casam&xJ цих/та дизе/ія УЧШМ
/парной S&nSu xqeoxmepc/amjeu /і*ШЗмин'' -~~/7'/750,w*'f
ІпагК --Ц^ Twer гкіх Tinarf
ЄІСС-
РиеЛ
ізНа /too fsaa /soo /ma niUlJM-f Рис. J
„ PaeirpeZetsHus саата/мЯ.чацих
Ш/icfSOmemj m&?/rnt/ejrew9 нвыслальзаДачуя«в>« па
4, Wi
&/МЛ8 УЧНіЗ/Й' "оксррекітр- корректорной ёетЬи dc/з»-
#6j 6p/f>u хорах/лггрис/гталги, Л Я ЧЧНІЇ/Й
tjoc tea /Sao neo пэзП^/Г' Pue.S
іЗСО Аса /SOS /іЗГйЗЛ,!**"
Phc.S
коэффициенты которых вмевт следующий смысл: I - располагаемая теплота, введенная в цилиндр с тошшвоы; йХми - неполнота вгделения теплоты, обусловленная недогораннем топлива;
Of і Оце 8c 8т Sw » So - коэффициент неиспользования тепло-. тв соответственно: в эталонном цикло, от несвоевременности сгора-^ ШШ| от увеличения содержания 3 атомных газов в составе рабочего тала (FT), от повышения температуры FT, вследствие теплообмена в остаточный член баланса.
Zli - удельные механические потери соответственно в поршневой груше, подшипниках КШ, на насосные ходи в процессе впуска и выпуска а потери на агрегаты.
Выполнена расчетная оценка погрешностей измерений а обработки опытных данных в той число и составлящио методической погрешности возможной при анализе индикаторного в аффективного КПД.
В четвертоЦ главе представлены результаты и анализ результатов обработки экспериментальных данных, полученных с дизеля Д-440-2.
Внешняя скоростная характеристика (сы.рнс.8) имеет типичный для ДШ характер изменения выходных параметров, когда с уменьшением частоты вращения кривая крутящего момента на растает и имеет максимум при П-ц = 1300 ыин , эффективная мощность сохраняется, примерно, постоянной, кооффициент приспособляемости К = 1,365, а кривая удельного расхода топлива $е имеет вид вогнутой параболы с минимумом при И = 1500 мин . Оценка вредных выбросов проводилась по нагрузочным характеристикам в по корректорной ветви внеыней скоростной характеристики (см.рнс.9). С уменьшением частоты вращения до Нн выбросы окиси углерода СО , углеводородов СИ и саки Са снижаются, ооответственно на 24#, 25% и 12^, а окислов азота tiOx увеличивается на 20.
Изменение доказателен тепловыделения при работе ДШ по корректорной ветвя (сы.рас.5) при снижении частоты вращения до Пи . вследствие увеличения диедовой подачи топлива, обогащения тонливовоздуш-яои смэсн в увеличения времена, отводимого на процесс, сопровождается уменьшением первого максимума скорости O^^f^ai j? "сдвигом" его от ШГ на лини» сжатия. Второй максимум (cCt/dtp)1^, осга-егся, примерно, постоянным, а момент его достижения приближается к ШТ. Доля теплоты Xj , выделяющаяся в первой фазе, уменьшается, а доля выделения теплоты s фазе диффузионного горения Xf , соответег-
венно. растет. Прл этом отмечается резкий рост максимального давле-ния Ртах на 1,3 МПа и максимальной температуры Тяадд на 300К.
Анализ эффективности использования теплоты по внешней скоростной характеристика ДІМ а подробные исследования, внполнешшэ по ыето-длке, излояенной в третьей главе, позволили определить величину отдельных составляющих неиспользования теплота л механических потерь, формирующих индикаторный и эффективный КПД. Результаты анализа в %
представлены в таблице I и на рис.6.
Таблица I.
0,9
29.15
Наибольиве резерви повішення эффективного КВД на корректорном пастка характористики заключены в умзяьпенпи составляющих неиспользования теплоты, формирующих индикаторныЗ КВД (&Хнл, &, $гс, С%). Зля peszua номинальной мощности целесообразна' реализация конструкторских мероприятия, направленных на сшгенав цехаяаческнх потерь Zll .
В пятой главе разработана структурная схема мероприятий (си. зис.7), формирующих эффективный Щ5 которая представляет собой набор ^exпnчecEax решений и предложений технологического н режимного характера, направленных на пошпеиие индикаторного КПД а механических потерь двигателя. Мероприятия дифференцированы по механизму воадейст-1ия на конкретные сосгавлящиэ баланса использования тепла 5і я li . Для оценка практической ценности предложенных иероприятий. проедена ах всесторонняя экспериментальная проверка па дизелях типа НІЗ/Г4. в результате которой установлено* что механизм воздействия онкретннх конструкторских иеропраятий на отдельные составлящио ба-внеа Si я t\ смеет слоеный, а порой, противоречивый, характер. При том подтверждено, что для ЩМ наиболее эффективны мероприятия, нз-равленннв на укеньпение неиспользования теплота в цикле 2.01 . ре-ервн которых составляют Ifafo) =20,4 г/кВт'ч, для реииа каксяиаль-ого крутящего момента. Дня реювга номинальной иояноста весьма вагно антенне механических потерь Iti с потеицяальшшн резервами снижения
Структурная схема мероприятий, формирующих эффективный КПД дизелей ЧНІЗ/І4
2е = /"Л Хнп-8) - $т - &nc-dw-dc-$o- t'p- trp 'Інц-la
Мероприятия пс повышению индикаторного КПД
Мероприятия по снижении механических потьрь
ІТр ' 4,45 %
10,4
и-
1,7 % 3,9
2,0 Ї 4,6
Организация цикла с мгновенным подводом тепла и ШТ
Увеличение степени скатил
Присадка газа (кпд-кости) к топл.Охлак-дение наддувочного воздуха. Церепуск-дозарядка ОГ
Увелич,коэф.избытка воздуха. Оптшиз.КС в парамзтров воздушного заряда. Сокращение продолжительности впрыска топля-ва. Присадки газа (жидкости) к тодл. Оптимиз. угол подачи топлива МОВ
Теплозащитные покрытия КС. Высокотемпературная система охлаждения. Перепуск-дозарядка ОГ
Присадки газа (падкости) к топливу* Водородное топливо. Оптимизация Ш топливного факела я воздушного заряда
Присадки газа (жидкости) к тоаяиву.Пе-репуск-дозарядка ОГ ільташатившів топлива Хводород .спирт, метанол л др.)
30,2 ,
ф = 69,4
10,1 л адг » 23.2
(5"«=. 2.7 %
6,2
6,65 % 15,4
1,35* 3,3
Уменьшении к-ьа порлн. колец. Оптимиз.профиля поршня и зазора гильза-поршень. Оптимиз, режима смазки гильзы. Антифрикционные покрытия. Антифрикционные присадки в масло. Высокотемпературная система охлаждения
Оптимиз.зазоров в под
ыши. У велич, жесткости
коренн.опор. Уменьше
ние диаметра коренных
шеек. Антифрикционные
покрытия. Антифрикцион
ные присадки в масло.
Высокотемпературная си
стема охлаждения
Снижение сопротивления газообменкнх трактов. Снижение потерь в каналах головки цилиндров, Оптимизация фаз г/распределения. Повышение КПД ТКР. Настройка системы газообмена.
Уменьшение степени сжатия
Оптимизация агрегатов по производительности. Повышение КПД агрегатов. Исключение механизма
^равновышиваная. ысокотемпературная система охлаждения
Д0 (г/кЬт«)
Ржо. 7.
удельного эффективного расхода топлива Z(aOg)= 18 г/кВт«ч.
Для вяедренля на дизеле Д-440-2 (4ЧНІЗ/І4), с целью улучшения его технико-экономических показателей рекомендован комплекс технических решений, включающий:
повышение фактической степени сжатая &рза счет уменьшения "паразитного" объема над верхним компрессионным кольцом;
сокращение продолжительности топливоподачи за счет применения , ТНДД с размерами плунжера ІОхІОмм (І0хІ2ми);
настройку системы турбонаддува с ТКР7-ИІ, оптимизацией фаз газораспределения: впуск - 3 до а 37 после ШТ. выпуск 55 до ШТ я 5 поело ЗАТ и применением головки цилиндров с улучшенными газооб-мешшмз каналами;
применение автоматической муфты опережения впрыска топлива; 0
повышение температуры охлаадавдей жидкости ^=95^ , ^=105^ С;
применение усовериенствованного 4 колечного поршневого комплекта с мзелосъемным кольцом высотой 5ыы.
Результаты проверки комплекса мероприятий на улучшенном дизеле 4ЧНІЗ/І4, изображенные на графиках рис.8 и.9, подтверждают теоретические предпосылки о возможности создания ДШ с большим коэффициентом приспособляемости на базе обычных комбинированных дизелей. Коэффициент праспособляемоста К увеличился от 1.355 до 1.46, а ыаксамальинй крутящий ыомонт на 50 я.м (9), кривая мощности имеет участок постоянной мощности /i/e =77^1^1 в диапазоне частот вращения 1750-1250аин , а удельный расход топлива ^« снизился на 8-11,5 г/кВт«ч. Достигнутые параметры соответствуют перспективным требованиям ГОСТ 20000-88 "Двигатели тракторные и комбайновые.. Общие технические требования" для ДШ.
Экологические характеристика ДШ о внедренными мероприятиями практически сохранились на прением уровне. Отмечается незначительное снижение углеводородов ОН на 44б и сажа Сп в области максимального крутящего момента. Б целом оценочные выбросы токсичных составляющих ОГ не превышают нормированных требований ГОСТ І7.2.С6-86.