Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тешовое состояние двигателя и способы его регулирования. обзор и анализ существующих исследований и конструкций 7
1.1. Влияние теплового состояния двигателя на различные параметры его работы 7
1.1.1. Тепловое состояние ДВС и его показатели экономичности 7
1.1.2. Влияние теплового состояния ДВС на износ ЩІГ 10
1.1.3. Система охлаждения и проблемы холодного пуска двигателя 12
1.2. Способы регулирования теплового состояния ДВС 14
1.2.1. Системы с ручным управлением теплового состояния 14
1.2.2. Системы автоматического управления теплового состояния 15
1.2.2.1. Системы и устройства, регулирующие поток охлаждающего воздуха 17
1.2.2.2. Системы и устройства, регулирующие поток охлаждающей жидкости. Комплексные автоматические системы управления охлаждением ДВС...27
1.2.3. Выбор параметров и способов регулирования автоматических систем управления охлаждением ДВС 30
1.3. Выводы, цели и задачи исследования 31
Глава 2. Методика расчета тепловых процессов в жидкостной системе охлаждения ДВС 34
2.1 .Расчет тепловых потоков в цилиндре ДВС 35
2.2. Алгоритм управления для автоматической системы охлаждения 44
Глава 3. исследование влияния теплового состояния ЦПГ дизеля зил-645 на его топливо-экономические показатели 49
3.1. Методика исследования 49
3.1.1. Объект испытаний 49
3.1.2. Описание испытательного стенда 49
3.1.3. Метрологическое обеспечение 51
3.1.4. Методика проведения испытания 53
3.2. Результаты исследования 55
3.2.1. Влияние теплового состояния ЦПГ на экономичность дизеля в стандартных условиях 55
3.2.2. Влияние теплового состояния ЦПГ на экономичность дизеля при различных температурах окружающей среды, углах опережения впрыска топлива и температурах масла 59
3.2.3. Влияние теплового состояния ЦПГ на токсичность и дымность дизеля 64
3.2.4. Влияние теплового состояния ПЦГ на индикаторные показатели дизеля 74
3.2.5. Оценка роли факторов в снижении расхода топлива дизеля при повышении температуры гильзы 77
Глава 4. Исследование теплового состояния дизеяя зил-645 и характеристик его системы охлаждения на авто мобиле зил-4331 в дорожных условиях 84
4.1. Условия испытания 84
4.2. Метрологическое обеспечение 86
4.3. Методика испытаний 89
4.4. Результаты исследований 89
Глава 5. Рекомендации по разработке системы автомати ческого регулирования температуры стенки ци линдра 100
Заключение 108
Список литературы 111
Приложение
- Способы регулирования теплового состояния ДВС
- Алгоритм управления для автоматической системы охлаждения
- Влияние теплового состояния ЦПГ на токсичность и дымность дизеля
- Рекомендации по разработке системы автомати ческого регулирования температуры стенки ци линдра
Введение к работе
Важнейшим направлением развития современного двигателе строения является уменьшение расхода топлива.
Значительную роль в разработке этого вопроса может выполнить система охлаждения.
Так.например уменьшение потерь тепла в систему охлаждения в ряде случаев улучшает экономические показатели ДВС.Обычно это достигается применением термостойких материалов (жаростойкие чугуны, керамика) и одновременной локализацией зон охлаждения деталей двигателя /19,56,115/. Это направление, вследствие технической сложности и неразрешенности ряда технических проблем, пока не получило широкого распространения в двигателестроении (за исключением газотурбинных двигателей).
Более перспективным и реальным, в настоящее время, направлением в развитии систем охлаждения современных ДВС поршневого типа является совершенствование управления процессами в этих системах с целью получения наилучшего с точки зрения экономичности теплового состояния двигателя на номинальной и частичных нагрузках.
Большинство современных двигателей имеют тепловое состояние близкое к наилучшему только на номинальных режимах работы . Даже на этих режимах часто температуры деталей цилиндропоршневой группы ЦПГ остаются ниже оптимальных с точки зрения экономичности. Это связано со стремлением получить запас по температурам деталей ЦПГ на случай высоких температур окружающего воздуха, образования отложений в полостях охлаждения и других случаев, приводящих к повышению температур выше допустимых значений.
В случае частичных нагрузок, на которых в основном и работают автомобильные двигатели .температуры деталей ЦПГ еще ниже, вследствие несовершенства системы управления охлаждением двигателя.
Из вышеизложенного можно сделать вывод о перспективности работ по созданию автоматически управляемых систем охлаждения.
Настоящая работа посвящается исследованию оптимального теплового состояния дизельного двигателя 8411/11,5 (ЗМЛ-645) в широком диапазоне нагрузок и возможности автоматического поддержания этого состояния в реальных условия эксплуатации. Ниже излагаются методика и результаты этого исследования. Полученные результаты используются для создания перспективных систем охлаждения двигателей ЗИЛ и ЗМЗ.
Автором выносятся на защиту следующие положения:
1) Результаты исследования зависимости экономических показателей дизеля ЗМЛ-645 от температур деталей ЦПГ.
2) Результаты исследования работы системы охлаждения дизеля ЗИЛ-645 в дорожных условиях на автомобиле ЗШГ 43-31.
3) Методика расчета тепловых процессов в жидкостной системе охлаждения ДВС.
4) Алгоритм управления системой охлаждения.
5) Рекомендации по созданию автоматизированной системы охлаждения.
Автор надеется что использование полученных материалов позволит существенно улучшить экономические показатели отечественных автомобильных дизелей.
Способы регулирования теплового состояния ДВС
Устройства этой группы используются достаточно давно,практически с появлением транспортных ДВС,и до сих пор находят широкое применение.Это прежде всего различные жалюзи и шторки с ручным приводом,а также отключаемые на холодное время года масляные радиаторы,уменьшение количества лопастей или полное снятие с двигателя вентилятора,применение различных утеплителей радиатора и подкапотного пространства.Эти устройства при всей своей простоте и надежности обладают следующими недостатками: - слишком велико влияние субъективных факторов (опыт водителя или оператора,его утомленность и т.д.),способное ухудшить работу двигателя; - системы охлаждения транспортных ДВС со шторками и жалюзи с ручным приводом требуют периодического отвлечения водителя для контроля теплового состояния двигателя во время движения,что ухудшает безопасность транспортных работ.
Недостатков, характерных для систем с ручным управлением,-лишены автоматические сиситемы регулирования теплового состояния ДВС.Таких систем создано большое количество.Они отличаются как по принципу действия,так и по конструктивному исполнению.По этой причине проведем классификацию подобных систем рис. 1.2.-Первоначально все системы можно разделить по уровню автоматизации. Низшим уровнем можно считать устройства,имеющие только один из ниже перечисленных параметров регулирования:температура охлаждающей жидкости,температура стенки цилиндра,температура масла,температура окружающего воздуха.Этот параметр регистрируется датчиком и сигнал с него поступает непосредственно на исполнительный механизм.Более высоким уровнем являются системы с микропроцессорным управлением.Здесь сигнал посылается в микропроцессор,причем могут регистрироваться несколько параметров, характеризующих работу системы охлаждения.Сигнал или сигналы, поступив в микропроцессор,обрабатываются согласно программе, заложенной в память,а затем выдается управляющая команда на исполнительное устройство.Микропроцессорное устройство,в зависимости от программы,может увязывать тепловое состояние двигателя с другими параметрами его работы такими,например.как показатели рабочего процесса или токсичности.
Следующим классификационным признаком является тип регулируемого потока: охлаждающей жидкости или охлаждающего воздуха.-Сюда,к этому разделу,можно отнести и системы с регулируемой подачей масла к масляному радиатору для поддержания его оптимальной температуры.
Регулировка воздушого потока возможна двумя основными методами.Первый - полное или частичное перекрытие воздушного потока.Чаще всего для этого используются шторки с ручным приводом или жалюзи,имеющие как ручной.так и автоматический привод.В холодное время используются различные утеплители,уменьшающие поступление холодного воздуха к радиатору,а в случае двигателей воздушного охлаждения, непосредственно к оребренным гильзам и головкам.Методы эти достаточно просты и надежны,но обладают одним главным недостатком - не позволяют экономить мощность ,а,следовательно,и топливо,расходуемые на привод вентилятора.-Этот недостаток полностью или частично устраняется в системах, отключающих вентилятор или регулирующих его частоту вращения.
Существует большое количество подобных устройств,которые можно классифицировать прежде всего по физическому принципу,-положенному в основу их работы:механические, гидравлические,-вязкостные,электрические.газотурбинные.
Механические системы привода включают в себя вариаторы,-фрикционные муфты,вентиляторы с поворотными лопастями.Все эти виды приводов разрабатывались и проверялись на действующих двигателях,а вентиляторы с изменяемым углом установки лопастей даже выпускались фирмой Дженерал-Моторс для автомобильных двигателей с жидкостным охлаждением,эксплуатация которых подтвердила целесообразность применения таких вентиляторов /91/. Но, в целом, механические системы не нашли широкого применения из-за их большой сложности и,как следствие,высокой стоимости,а также низкой надежности. широкое применение для привода вентиляторов нашли различ ные гидравлические системы и,прежде всего,гидродинамические муфты скольжения,а также гидростатические системы /15,18,22,-52,56/.
Гидродинамические муфты скольжения (гидромуфты)одни из наиболее распространенных устройств,используемых на ДВС для регулирования частоты вращения вентилятора (рис.1.3) .Этому способствует их относительная простота и надежность.Опыт их использования показывает,что производственные издержки гидромуфт в 1,5 - 1,7 раза меньше ,по сравнению с механическими и электрическими системами привода вентилятора,при близких результатах в эксплуатации /15,18,22,91/.Гидромуфты достаточно давно и успешно эксплуатируются на отечественных двигателях Камаз и ЯМЗ, обеспечивая значительную экономию топлива при эксплуатации.К достоинствам гидромуфты можно отнести и сравнительно простую их адаптацию к системам с микропроцессорным управлением.
Алгоритм управления для автоматической системы охлаждения
Используя разработанную методику расчета , можно решить и обратную задачу - по требуемым значениям tw и задан ным tj определить необходимые значения W , а следовательно и G (расход жидкости). Порядок решения этой задачи является алгортмом для микропроцессорной системы управления. Из формулы (2.2) находим af: (2.24) Затем подставим в это выражение формулу (2.22) и получим : 0,26 w I Формула (2.26) подходит для случая конвективного теплообмена, но как следует из литературных данных /23/ , для верхней части гильзы автомобильного дизеля при 1;ж 75С на большинстве режимов имеет место поверхностное кипение. В этом случае из формулы (2.23): q в формулах (2.26) и 2.27) рассчитывается по формуле (2.21).
Этим выражением можно воспользоваться для расчета требуемых характеристик нового насоса или режима управления существующего насоса в системах автоматического регулирования охлаждения. В последнем случае мы определим скорость жидкости W как функцию частоты вращения насоса: Эта функция практически идентична функции снас acJ т 8 зависимость расхода от частоты вращения коленчатого вала, которая хорошо известна для всех жидкостных насосов, используемых в системах охлаждения ДВС. Подводя итог вышеизложенному, можно сделать следующие выводы: - Разработана методика расчета .адекватно отражающая взаимосвязь между режимом работы ДВС и параметрами, значения которых необходимо учитьюать при создании автоматически управляемой системы жидкостного охлаждения, а именно, теплового состояния стенки цилиндра и режим работы жидкостного насоса. Эта методика может использоваться при проектировании и исследовании жидкостных систем охлаждения ДВС - На основании методики расчета разработан алгоритм для работы микропроцессорной системы управления жидкостным насосом системы охлаждения.
Влияние теплового состояния ЦПГ на токсичность и дымность дизеля
Анализ результатов показал,что при снижении температуры окружающей среды повышение температуры гильзы приводит к большому снижению расхода топлива AGT (на режиме Лб в среднем на 2 г/С, на режиме Лб в среднем на 4 г/С). В абсолютных величинах при снижении температуры окружающей среды от +50С до -40С,повышение температуры гильзы от 100 до 150С приводит к экономии расхода топлива на ре жиме Лб на 189 г/час,на режиме Лб - 380 г/час. Исследования влияния теплового состояния на экономичность дизеля при различных углах опережения впрыска проведены на четырех режимах (5,7,8,9). Результаты исследований на двух режимах (5,8) представлены на рис.3.14-3.15. Анализ результатов показывает,что при повышении температуры гильзы на всех исследованных режимах оптимальный угол опережения впрыска топлива не изменяется. Исследования влияния теплового состояния на экономичность дизеля при различной температуре масла проведены на режимах Лб,Л8.Результаты приведены на рис.3.16-3.17. Анализ результатов показывает,что с повышением температуры масла от 70С до 100С повышение температуры гильз от 100 до 150С приводит к меньшему снижению расхода топлива ( на 30%). Определение величин удельных выбросов проводилось по 13-ступенчатому циклу,принятому в СССР /71/ и по аналогичному циклу,принятому в болыпинсте европейских стран /83/. Сопоставление 13-ступенчатых циклов, предусмотренных /71/ и /83/ показывает,что в обоих циклах используются,практически, те же самые характерные режимы.Однако,вес (значимость) в испытательном цикле одних и тех же режимов несколько отличается; также отличаются максимально допустимые значения удельных выбросов окиси углерода. Для определения концентрации токсичных компононентов отработанных газов использовался газоанализатор EIPG-I088 японской Зирмы "Янагимото". Анализ результатов , приведенных в табл. 3.3-3.4, показывает,что повышение температуры гильзы от 100 до 150С приводит к снижению удельных выбросов окиси углерода на 18% к повышению удельных выбросов углеводородов на 12% и окиси азота на лШлш Однако,удельные выбросы значительно меньше допустимых как по отечественному,так и по международному стандартам. На рис.3.18-3.21 приведены зависимости концентрации токсичных компонентов от температуры гильзы на режимах 3,7,8,9. С повышением температуры гильзы от 100 до 150С содержание окиси углерода снижается по трем режимам (5,8,9) на 20-25%,на режиме 7 увеличивается на 17%. Содержание углеводородов на трех режимах(7,8,9) увеличивается на 10-32%,на режиме 5 уменьшаеся на 7%. Содержание окислов азота на всех режимах увеличивается на 16-30%. Дымность определялась с помощью дымометра фирмы "Хартридж"(Англия) - HR-I58.0I. Результаты испытаний (рис.3.22) показывают, что дымность увеличивается с повышением среднего эффективного давления на всех режимах работы двигателя и составляет
Рекомендации по разработке системы автомати ческого регулирования температуры стенки ци линдра
Вопросы автоматического регулирования систем ДВС довольно широко освещались в специальной литературе. Наибольшее внимание уделялось регулированию тошшвоподачи / 2,5,9,15,17,20, 42,56,78, 85,109/. Довольно широко освещен и вопрос автоматического регулирования теплового состояния двигателя / 1,23,32, 36,37,40,41, 42,46,47,51,56,58,65,69,75,76,81,90,91,92,93,105, 107,108,110,111,116,119 /. Большинство систем автоматического регулирования температур ( САРТ ) основано на поддержании температуры охлаждающей жидкости на оптимальном уровне / 23,32,36, 37,40,41,42,46,47,51,56,75,81,105.106,107,108,111,116,119/. Однако, как было показано в главе 1, более перспективными представляются системы, в которых за основной параметр регулирования принята температура стенки цилиндра. САРТ подобного типа могут регулировать как расход воздуха через радиатор, так и расход жидкости через полости охлаждения.
Существуют и другие способы регулирования деталей ЦПГ. В качестве примера можно привести испарительную систему охлаждения с регулируемой температурой кипения охлаждающей жидкости /96 /. Температура кипения регулируется компрессором, изменяющим давление в испарительной системе охлаждения с помощью электронного регулятора. Применение испарительных систем, несмотря на их высокую эффективность, представляется маловероятным, поскольку требует существенного изменения конструкции двигателя. Более вероятным представляется использование обычных жидкостных систем охлаждения, адаптированных под микропроцессорное управление, что требует минимальных изменений конструкции двигателя.
Как уже отмечалось в главе 1, регулировать температуру стенки можно как изменением температуры жидкости, так и изменением расхода жидкости через полость охлаждения. Первый способ нецелесообразен, так как в этом случае САРТ будет обладать большой инерцией. Поэтому в городском режиме движения автомобиля, когда смена режимов происходит через 1-3 минуты использование системы регулирования температурой охлаждающей жидкости бессмысленно, а при движении автомобиля по магистрально-холмистой дороге - малоэффективно.
Учитывая сложности проектирования, испытаний и производства в качестве первого этапа, предлагается более простое решение по оптимизации теплового состояния деталей ОДГ дизеля ЗИЛ-645.
Суть этого решения заключается в том, что для регулирования температуры деталей ЦПГ, используется вязкостная муфта, у которой на одном валу закреплены вентилятор и крыльчатка жидкостного насоса. Таким образом, вязкостная муфта изменяет не только частоту вращения вентилятора, неодновременно, и частоту вращения крыльчатки жидкостного насоса, тем самым регулирует температуру деталей ЦПГ дизеля.
Эскиз предлагаемой муфты приведен на рис.5.1. Вязкостная муфта содержит корпус 1, из двух неподвижно соединенных частей. В левой части корпуса закреплена перегородка 2, отделяющая рабочую камеру 3 от резервной камеры 4. В рабочей камере 3 размещен ведущий диск 5, жестко соединенный с полым ведущим валом 6, установленным в подшипнике Т. С перегородкой 2 жестко соединен дополнительный ведомый вал 8 для привода крыльчатки насоса, установленный в подшил нике 9 внутри ведущего вала. 6. Между валами 6 и 8 встроено уплотнение 10. Резервная камера 4 сообщается с рабочей камерой 3 через отверстия 11 в перегородке 2, перекрываемые термоклапаном 12. Вязкостная муфта работает следующим образом. При повышении температуры воздуха за радиатором (т.е. перед муфтой ) до определенной величины термоклапан 12 начинает открывать отверстия и тем самым дает возможность вязкой жидкости из резервной камеры 4 поступить в рабочую камеру 3. Жидкость заполняет зазоры между ведущим диском 5 и корпусом муфты 1 и позволяет передавать крутящий момент от ведущего вала к корпусу 1, на котором установлен вентилятор , и к ведомому валу 8, на котором установлена крыльчатка жидкостного насоса. Таким образом осуществляется одновременное регулирование частоты вращения вентилятора и крыльчатки жидкостного насоса. От этого устройства можно ожидать значительной экономии ( до 50-70 % от максимально возможной при использовании процессорной системы с раздельным регулированием вентилятора и насоса). Достоинствами использования подобной муфты являются: - практически не требуется доработок двигателя в случае ее установки; - сравнительно низкая стоимость производства, позволяющая быстро окупить установку муфты за счет экономии топлива. Однако, подобного рода муфты имеют и существенные недостатки: - значительная инерционность муфты, вследствие использования в качестве определяющего фактора температуру воздуха за радиатором, который является вторичным по отношению к температуре воды и третичным по отношениюк температуре стенок гильзы цилиндров. В значительной мере этот недостаток можно уменьшить ( за счет некоторого усложнения конструкции муфты), выбрав за определяющий фактор температуру охлаждающей жидкости; - неоптимальное соотношение на ряде режимов частоты вращения вентилятора и жидкостного насоса, что уменьшает эффект от ис пользования муфты. В наибольшей мере приблизить тепловое состояние двигателя к наилучшим значениям, а следовательно получить от этого максимальную экономию топлива, можно при использовании процессорного управления жидкостной системой охлаждения, организованного на следующих рекомендациях: - использование в качестве определяющего фактора температуру гильзы цилиндра; - раздельное регулирование вентилятора и жидкостного насоса; - использование для регулирования жидкостного насоса алгоритма, приведенного в главе 2; - поддержание оптимального теплового состояния двигателя на большинстве режимов работ.
