РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

УДК 621. 436. 038. 001

На правах рукописи

КАЗАКОВ

СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ 4Ч11/12,5

ИЗМЕНЕНИЕМ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ТОПЛИВА

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

по специальности 05.04.02 – тепловые двигатели Москва,

Работа выполнена на кафедре теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов.

Научный руководитель:

Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Патрахальцев Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ерохов Виктор Иванович, Кандидат технических наук, профессор Эммиль Микель Викторович Ведущее предприятие:

Научно – производственное предприятие (ООО) “АГРОДИЗЕЛЬ”

Защита диссертации состоится “ 21 ” марта 2012 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.33 ВАК РФ при Российском университете дружбы народов по адресу:

117302, г. Москва, ул. Подольское шоссе, 8/5. ауд. 431.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу:

117198, Москва, ул. Миклухо – Маклая, д. 6.

Автореферат разослан «_» февраля 2012 г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, в адрес диссертационного совета.

Телефоны для справок: 952-67-87, 952-62-47.

E-mail: [email protected] Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.203. профессор Л. В. Виноградов

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В РАБОТЕ

ВСХ – внешняя скоростная характеристика.

ДВСХ – динамическая внешняя скоростная характеристика.

ЛВЖ – легко воспламеняющаяся жидкость.

НУР – неустановившийся режим.

РНД - регулирование начального давления.

УР – установившийся режим.

ФХР - физико-химическое регулирование.

Кg - коэффициент использования динамических свойств.

КNe - относительный показатель качества протекания НУР (по мощности).

ПNe - средний за переходный процесс относительный показатель качества протекания НУР.

В – дымность отработавших газов, ед. Бош.

п. п. – переходный процесс.

Gт,, Gт.лвж – расход топлива часовой, соответственно штатного дизельного и смесевого (с добавкой ЛВЖ и приведённого к дизельному по теплоте сгорания), кг/ч.

Iд., Iуст, – моменты инерции двигателя, установки, Нмс2.

Мс – момент сопротивления вращению вала дизеля, Нм.

Ме, Ме,лвж, – эффективный крутящий момент дизеля при работе на дизельном топливе и с добавкой ЛВЖ, Нм.

Nе. - мощность дизеля эффективная, кВт.

Рнач., Рост., - начальное и остаточное давления в ЛВД, МПа.

hp. – положение рейки топливного насоса высокого давления.

n,. – частота вращения, об/мин.

tпр – время приёмистости, с.

. – угловое ускорение разгона вала дизеля, рад./c2.

КNe - относительная степень отклонения показателя качества протекания НУР (по мощности, аналогично по моменту).

ПNe - относительное отклонение от УР показателя качества протекания НУР (по мощности, аналогично по моменту и т.д.).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Доля автомобилей с дизелями в общем количестве автомобилей в странах Европы выросла до 50 %. Анализ условий эксплуатации автотранспортных дизелей показывает, что от двигателя требуются повышенные динамические качества, способность быстро запускаться, разгоняться, в том числе с места, принимая нагрузку, длительное время работать в условиях меняющихся нагрузок и частот вращения. Т. е.

в подавляющем большинстве случаев (до 80 – 85 % всего моторесурса) дизели в условиях эксплуатации работают на неустановившихся режимах (НУР). Опыт эксплуатации показал, что работа на НУР приводит к потере эффективности (мощности, крутящего момента, а следовательно производительности машины), снижению экономичности, повышению загрязнения окружающей среды, снижению моторесурса и надёжности работы, сопровождается повышенной шумностью и т. д. по сравнению с аналогичными показателями, получаемыми при установившихся режимах (УР) работы в сходственных циклах (режимах) по положению регулирующего органа и частоты вращения вала. Повышение эффективности работы двигателя при НУР является актуальной проблемой двигателестроения. Правильная оценка возможной, достижимой степени загрузки двигателя при реализации НУР, повысит надёжность оценки эксплуатационной производительности машин с ДВС, что необходимо при планировании соответствующих работ.

Для России, где до 80 % территории находится в зоне низких температур окружающего воздуха, где автотракторная техника зачастую хранится на открытых площадках, а двигатели не оснащены средствами предпусковых прогревов, актуальным является обеспечение быстрого разгона (в том числе с места) после пуска холодного двигателя. Такие режимы важны также в случаях вынужденных экстренных пусков – разгонов двигателей специальной техники, машин обеспечения борьбы с чрезвычайными ситуациями, оборонной техники и т. д.

Существующие методы и средства повышения эффективности НУР дизелей как правило распространяются на случаи работы двигателей в области УР, т. е. скоростных режимов от минимальной до номинальной частот вращения. А в этих условиях дизель уже не является холодным, его тепловое состояние уже повысилось по сравнению с исходным даже при холодном пуске. А следовательно и применяемые в этих условиях методы и средства не рассчитаны на экстремально низкие температурные состояния двигателя. Этим ограничивается полнота решения проблемы.

Для дизелей автомобильного назначения наиболее важными эксплуатационными режимами являются режимы разгона, которые зачастую могут осуществляться от пусковой частоты, т. е. сразу после пуска, в том числе холодного.

В ряде европейских стран законодательно установлена необходимость остановки (выключения) двигателя при стоянке перед светофорами (с числовой индикацией времени стоянки до включения сигнала, разрешающего движение). Такие режимы важны при трогании с места после стоянки у тротуара и т. д. Особенно важны такие режимы для боевых машин при экстренном пуске и приёме нагрузки.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование метода повышения эффективности неустановившихся режимов разгона холодного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой, путём изменения физико – химических свойств топлива.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи.

Проанализировать возможности метода повышения эффективности протекания неустановившихся режимов разгонов в диапазоне частот вращения от пусковой частоты холодного дизеля при низких температурах окружающего воздуха путём изменения физико – химических свойств топлива добавкой к основному топливу легко воспламеняющейся жидкости или сжиженного нефтяного газа.

Разработать и оценить количественные значения показателей качества протекания неустановившихся режимов в этих условиях.

Модернизировать систему топливоподачи элементами регулирования начального давления для реализации метода.

Усовершенствовать математическую модель разгонов холодного дизеля при низких температурах окружающей среды в широком диапазоне частот вращении, начиная от пусковой, и провести необходимые численные эксперименты.

Методы исследования. В работе применены экспериментальные и расчётно – экспериментальные методы исследования, в том числе математическое моделирование неустановившихся режимов разгонов холодного дизеля при низких температурах окружающей среды в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой.

Достоверность результатов экспериментальных исследований и результатов математического моделирования определяется достаточной точностью применявшегося оборудования и стендов, сходимостью результатов с результатами опубликованных экспериментальных исследований, обработанных с применением методов математической статистики.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней разработан и исследован метод повышения эффективности режимов разгонов холодного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха в широком диапазоне частот вращения, начиная от пусковой, путём изменения физико – химических свойств топлива добавкой к основному топливу легко воспламеняющейся жидкости или сжиженного нефтяного газа через клапаны регулирования начального давления топливоподающей системы. Уточнена математическая модель разгонов дизеля, учитывающая пониженное тепловое состояние двигателя. Расчётно – экспериментальными методами получены количественные значения показателей качества протекания неустановившихся режимов в экстремальных условиях по тепловому состоянию.

Практическая ценность работы заключается в том, что при реализации предложенного метода достигается повышение эффективности неустановившихся режимов разгона в широком диапазоне скоростных режимов, начиная от пусковых, в том числе холодного дизеля при низких температурах окружающего воздуха. Математические модели могут применяться для ускорения поиска рациональных показателей регулирования дизеля предложенным методом. Полученные количественные значения показателей качества процессов дизеля в указанных режимах позволяют оценивать потери эффективности работы дизеля в указанных режимах и возможности их совершенствования.

Реализация результатов работы. Материалы исследования применяются при выполнении госбюджетной научно – исследовательской работы кафедры теплотехники и тепловых двигателей Российского университета дружбы народов, в учебном процессе, в том числе при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на научных конференциях инженерного факультета РУДН в 2006 – 2010 г.г., на 84-м и 85 –м Всероссийских научно – технических семинарах в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009 и 2010 г. г., а также на Международной конференции Двигатель – 2010, посвящённой 180 – летию МГТУ им. Н. Э. Баумана, в ноябре 2010 г.

Публикации. По результатам исследований, вошедших в диссертацию, опубликованы одиннадцать работ, из которых восемь - в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объём работы. Объём диссертации 133 страницы. Она содержит введение, 4 главы основного содержания, общие выводы, приложение и список использованной литературы, включающий 105 наименований. Основное содержание изложено на 112 страницах машинописного текста, на 57 рисунках и в 23 таблицах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы повышения эффективности неустановившихся режимов разгонов автотракторного дизеля, как прогретого, так и холодного, причём, в условиях низких температур окружающего воздуха.

В первой главе проведён обзор и анализ опубликованных работ, направленных на решение указанной проблемы. Анализ публикаций позволил сделать следующие выводы по состоянию проблемы. Для двигателей любых назначений в особый разряд неустановившихся режимов работы следует выделить экстремальные режимы пусков – разгонов холодного дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха. В опубликованных работах задачи исследования и повышения эффективности экстремальных режимов разгонов холодного дизеля, протекающих от пусковых частот вращения, ставились редко. Для оценки показателей качества протекания НУР, качества и способностей дизелей реализовывать такие режимы, предложены различные показатели. Однако применимость их для случаев разгонов холодного дизеля в области низких частот вращения, начиная от пусковой, не подтверждена, а количественные показатели качества отсутствуют. Для численного эксперимента при исследовании НУР дизелей широко применяются математические модели, однако отсутствует информация о применимости их для режимов, расположенных ниже минимально устойчивых частот вращения, а также для случаев экстремально низкого теплового состояния дизеля. Для повышения эффективности работы дизеля, в том числе при НУР, известно применение метода регулирования процессов в дизеле изменением физико – химических свойств топлива. Информация, подтверждающая эффективность такого метода для низких, от пусковых, частот вращения при экстремально низких тепловых состояниях дизеля, недостаточна.

Известно применение систем топливоподачи с клапанами регулирования начального давления (РНД) для реализации метода физико – химического регулирования (ФХР) дизеля. Однако, информация о применимости таких систем для реализации экстремальных режимов как по частоте вращения, так и по тепловому состоянию дизеля, ограничена.

По результатам анализа публикаций сформулированы цель работы и задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели.

Во второй главе проведён анализ особенностей рабочих процессов в дизеле при разгонах из холодного и горячего состояний. Показано, что в области низких частот вращения разгоны, проводимые сразу после холодного пуска, особенно с использованием легко воспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), представляют собой предельно возможные условия реализации разгонов. При более низком тепловом состоянии протекание разгонов невозможно. Метод ФХР может быть применим для повышения эффективности работы дизеля при НУР, так как при его реализации достигается существенное изменение характеристик тепловыделения и теплоиспользования. Выбраны показатели качества протекания НУР дизеля, основанные на сравнении показателей при НУР и при УР. Важным показателем, характеризующим переходный процесс (п. п.) разгона, является его длительность, время приёмистости tпр.. Эта величина исчисляется с момента изменения режима до завершения п. п. или его выбранной части. В работе использованы такие показатели, как относительный выигрыш во времени выполнения операции:

где tпр.лвж., tпр шт.- времена приёмистости двигателя (или установки с ним) соответственно при применении добавки ЛВЖ и в исходном, штатном исполнении, принятом за базу для последующих сравнений.

Коэффициент использования динамических свойств:

где t пр. min., t пр. лвж, шт. – минимальное, теоретически возможное время приёмистости при квазистатическом (кв. ст) представлении НУР, т.е. при допущении, что Меур = Менур при одинаковых положениях hp и n.

Относительный показатель качества протекания п. п. текущий и относительная степень отклонения показателя по мощности:

Аналогично - по моменту.

Средние за п. п. относительные показатели качества протекания НУР, а также их относительные отклонения от УР (по мощности, по моменту), например:

Здесь Ne — рассматриваемый показатель рабочего процесса; Neнур — среднее за НУР длительностью п (равной, в частности, времени приёмистости tпр.) значение показателя при неустановившемся режиме; Neур — свойственное статической характеристике значение показателя, соответствующее Neнур по частоте вращения n коленчатого вала и положению hp органа, регулирующего подачу топлива.

Коэффициент загрузки двигателя (по моменту или соответственно по мощности), где М ец — средний за разгон (двигателя или установки с ним) момент двигателя; М ен — номинальный крутящий момент двигателя.

В качестве базы для сравнения показателей качества протекания реального НУР разгона дизеля в штатном исполнении (шт.) выбраны аналогичные показатели теоретически возможного НУР, смоделированного с допущением квазистатического (кв. ст.) протекания п. п., т. е. без учёта особенностей рабочих процессов двигателя при НУР. Для оценки эффективности предложенного метода ФХР базой для сравнения являются показатели НУР дизеля (или установки с ним) в исходном, штатном исполнении, т. е. например, отношение мощности, развиваемой при добавке ЛВЖ (Ne. лвж.) к мощности в штатном исполнении.

Проведён выбор математической модели для численного исследования НУР разгонов дизеля в исходном состоянии и при применении разработанного метода повышения эффективности НУР. Моделирование исследованных режимов проведено на основе результатов испытаний двигателя.

В начале разгона двигателя (с моментом инерции Iд) или установки (момент инерции Iуст.) без нагрузки, вызванного мгновенным смещением рейки ТНВД в положение полной подачи топлива, создаётся НУР, который представляется уравнениями движения двигателя или установки:

Численное моделирование режимов разгонов может производиться на основании следующих положений. Для моделирования длительных НУР разгонов при допущении квазистатического протекания НУР целесообразно воспользоваться методом представления скоростных характеристик двигателя в виде аппроксимирующих зависимостей, которые используются в уравнении (1) движения системы двигатель – потребитель.

Внешние скоростные характеристики дизеля Ме = f(n) можно аппроксимировать полиномом следующего вида:

Тогда, задавая шаг расчёта t, частоту вращения вала при разгоне без нагрузки определим по соотношению:

При применении такого метода усложняется учёт п. п. в элементах, системах дизеля. Для учёта п. п можно воспользоваться экспериментально определенными динамическими внешними скоростными характеристиками (ДВСХ). Т. е. требуется определение ДВСХ на режимах разгонов. При этом разгоны должны проводиться в предельных условиях по тепловому состоянию (холодные и горячие). Имея ДВСХ дизеля, аппроксимируя их полиномиальными зависимостями, можно моделировать множество других, близких к используемым в экспериментах, разгонов. При этом также облегчается обработка результатов исследования.

Для реализации предложенного метода ФХР топливная аппаратура выполнена с подключением к ее линиям высокого давления (ЛВД) вблизи форсунок источников с добавками ЛВЖ или СПБТ через клапаны регулирования начального давления (РНД) (рис. 1).

Рис. 1. Система подачи добавок в дизельное топливо (ДТ) для реализации метода ФХР: 1 – ТНВД, 2 – нагнетательный клапан ТНВД, 3 – ЛВД, 4 – ограничитель хода клапана РНД, 5 – клапан РНД, 6 – питание электромагнитной катушки, 7 – ввод добавки, – фильтр, 9 – вентиль, 10 – линия подвода добавки, 11 – электромагнитная катушка, 12 – шток, – магнитная пластина, 14 – седло клапана РНД, 15 – направляющий хвостовик, 16 – баллоны с добавками, 17 – форсунка закрытого типа, 18 – дизель.

При отсечке подачи топлива нагнетательный клапан 2 штатного ТНВД 1 при посадке в седло своим разгрузочным пояском формирует в ЛВД 3 волну пониженного давления, клапан РНД 5 открывается, благодаря возникающему перепаду давления на нём, и добавка из ёмкости 16 поступает в ЛВД 3. Здесь она смешивается с основным ДТ, создавая смесевое топливо, которое в очередных циклах топливоподачи обычным порядком впрыскивается штатной форсункой 17 в цилиндр дизеля 18. Для прекращения подачи добавки на режимах, когда эта подача не желательна, подают электропитание на электромагнитную катушку 11. В результате магнитная пластина 13 притягивается к электромагниту и за шток 12 удерживает клапан РНД 5 в закрытом состоянии. Подача добавки прекращается. В работе приведены экспериментальные осциллограммы срабатывания системы с клапаном РНД.

Анализ энергетических свойств смесевого топлива, содержащего основное ДТ и ЛВЖ, показал, что теплота сгорания горючей смеси на базе такого топлива не зависит от содержания ЛВЖ в нём, а определяется лишь составом горючей смеси – коэффициентом избытка воздуха. Следовательно, изменением содержания ЛВЖ в смесевом топливе нельзя влиять на развиваемый крутящий момент двигателя (при прочих равных условиях).

Только обогащением горючей смеси (без превышения уровня предела дымления для штатного дизеля) можно увеличивать теплоту сгорания заряда и развиваемого крутящего момента. Целесообразное содержание ЛВЖ в смесевом топливе определяется возможностью получения надёжного самовоспламенения смеси при пусках из холодного состояния, а также приемлемым усложнением системы регулирования подачи ЛВЖ.

В третьей главе разработаны методики сравнительного исследования влияния различного исходного теплового состояния дизеля на протекание характеристик разгонов, а также влияния добавок легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) на повышение эффективности разгонов. Разработаны стенды и методики для исследования топливной аппаратуры дизеля и дизеля в целом с системой подачи ЛВЖ.

Для моделирования различных режимов разгонов, особенно в области частот вращения, на которых отсутствуют возможности поддержания УР, необходимо располагать динамической ДВСХ дизеля. Получение её возможно путём обработки характеристики разгона двигателя.

Представим ВСХ дизеля в виде аппроксимирующего её полинома, например, второй степени:

где а1,а 2,а3 постоянные коэффициенты, требующие определения, угловая скорость вращения вала. (Предварительным анализом нужно показать, что аппроксимация экспериментальной ВСХ полиномом второй степени обеспечивает достоверные результаты с достаточной точностью. В противном случае степень аппроксимирующего полинома должны быть повышена). Тогда для случая разгона дизеля без нагрузки получаем следующее уравнение динамического равновесия двигателя:

Если в период разгона определить три значения угловой скорости и три значения угловых ускорений, то получим систему уравнений:

Решение системы уравнений имеет следующий вид:

При разгоне дизеля с потребителем, но без нагрузки необходимо знать момент инерции установки. В остальном процедура расчёта та же.

Проведены расчёты погрешностей определения основных параметров и показателей работы дизеля при различных режимах. Показана необходимость проведения многократных испытаний дизеля на одном и том же режиме. Показано, что выполняя 4 – 5 повторных реализаций режимов разгонов можно с достоверностью в 95 % утверждать, что результат исследования изменения частоты вращения вала не выйдет за пределы доверительного интервала, равного 10 %. В целом, применяемое оборудование и методики исследования обеспечивают получение достаточно точных и достоверных результатов.

Четвёртая глава. Проведён выбор легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ), как вещества, обеспечивающего физико – химическое регулирование (ФХР) рабочего процесса дизеля без превышения допустимого предела дымления при установившихся режимах (УР), при сохранении экономичности и без потери эффективности пуска – разгона из холодного состояния, но при некотором (до 8 %) повышении максимальных давлений циклов (без изменения угла опережения впрыскивания топлива). Добавка ЛВЖ к основному топливу через клапан РНД при полном и постоянном положении рейки ТНВД обеспечивает форсирование дизеля по моменту при УР на 8 – 9 % во всём диапазоне частот вращения (рис. 2). Такое форсирование стало возможным благодаря снижению дымности ОГ. Т. е. при работе на смесевом топливе с добавкой ЛВЖ не достигался допустимый предел дымления штатного дизеля.

Показано, что форсирование дизеля по моменту добавкой к основному топливу около 8 % массовых ЛВЖ через клапан РНД при постоянстве положения рейки ТНВД (hp = 100%) практически не меняет показатели экономичности дизеля (даже несколько улучшает их) (рис. 3), несмотря на некоторое очевидное снижение коэффициента избытка воздуха.

Ме, Нм (рис. 4), а также зависимости, аппроксимирующие эти характеристики, что необходимо для моделирования разных видов разгонов в пределах выбранных тепловых состояний.

Gт, кг/ч, Х% ЛВЖ в подаче.

Обработкой ДВСХ получены аппроксимирующие зависимости характеристик крутящих моментов горячего или холодного двигателя в штатном исполнении и с добавками ЛВЖ, например:

Рис. 4. Динамические ВСХ дизеля Д-240 в горячем (Г), а также и холодном (Х) состояниях (при пусках с подачей последующих разгонах, и сравнение их с ВСХ штатного дизеля (Ме):

мент горячего дизеля по- 100 400 700 1000 1300 1600 сле обычного пуска и разгона, Ме.(Х) – крутящий момент дизеля в холодном пуске (после кратковременного ввода ЛВЖ на всасывании); Ме.(Г)лвж и Ме.(Х)лвж – соответственно крутящие моменты при разгонах горячего и холодного дизеля с подачей ЛВЖ через клапан РНД; (во всех случаях разгонов и ВСХ рейка ТНВД имеет положение 100%).

М е.Х.лвж. = 0,7179 (n / 300 + 2 / 3) 4 14,351 (n / 300 + 2 / 3)3 + + 93,21 (n / 300 + 2 / 3) 2 182,87 (n / 300 + 2 / 3) + 158,27.

Показано, что в начале разгонов от пусковой частоты вращения относительные показатели качества НУР дизеля в штатном исполнении для горячего состояния могут снижаться на величины до 60 %, а для холодного – до 80 %, а средние за время приёмистости установки относительные показатели качества НУР снижаются на 14 – 34 % для горячего и на 56 – % для холодного состояний.

Коэффициенты загрузки двигателя по моменту в тех же условиях для горячего двигателя составляют 0,70 – 0,85, а для холодного – 0,20 – 0,40.

Снижение коэффициента загрузки по моменту двигателя по сравнению с квазистатическим представлением составляет 30 и 80 % для горячего и холодного состояний и самого короткого разгона и 14 и 57 % для самого длительного в этих условиях.

За времена приёмистости (tпр.) двигателя в данном состоянии относительные показатели качества и коэффициенты загрузки по моменту близки между собой. Однако для холодного состояния они снижаются почти вдвое по сравнению с горячим. Показатели качества и коэффициенты загрузки по мощности отличаются друг от друга на величины до 30 %, что определяется влиянием частоты вращения. При холодном состоянии двигателя они почти вдвое снижаются по сравнению с условиями горячего двигателя. При разгонах двигателя без потребителя снижение фактического коэффициента загрузки по мощности КзNe для горячего состояния (по сравнению с теоретически возможными величинами) составляет 5 и 19 % при разгонах соответственно от минимальной и пусковой частот вращения, а для холодного - 38 и 64 %. Т. е. диапазон частот при разгонах существенно влияет на средние загрузки двигателя. Установка с холодным дизелем теряет в производительности при реализации переходных процессов разгонов в 2 – 3 раза по сравнению с квазистатическим представлением.

В целом, применение ЛВЖ заметно сократило времена приёмистости дизеля и установки (рис. 5).

Время приёмистости: t пр., с.

Для сравнительно коротких разгонов (от минимально устойчивой частоты вращения) потери эффективности НУР разгонов для двигателя и установки близки по значениям и составляют 3 – 4 % для горячего и 24 – 28 % для холодного состояний двигателя.

На эффективность развиваемых моментов при пусках – разгонах холодного дизеля с вводом ЛВЖ через РНД (Ме.(Х).лвж) влияет прежде всего низкое тепловое состояние двигателя. Ввод ЛВЖ не только устраняет переходные процессы в топливной системе, не только повышает производительность топливоподач, но и уменьшает задержки воспламенения. Повышенная эффективность приводит к более высокому ускорению разгона дизеля. В результате дизель в этом случае быстрее достигает той же частоты вращения, на что тратится меньше времени, а следовательно дизель к этому моменту прогревается в меньшей степени. Это отрицательно сказывается на развиваемом моменте (Ме.(Х).лвж), который всё же остаётся выше, чем крутящие моменты холодного дизеля в разгоне после пуска с кратковременным вводом ЛВЖ на всасывании (Ме.(Х)) (рис. 6).

Видно, что наибольшая интенсивность разгона получена при применении системы РНД для подачи ЛВЖ на «горячем» двигателе.

рышей (дел. t = t) во времени выполнения операций разгонов от 0, 100 мин-1 двигателя (Дв) или установки (Уст.) при применении метода ФХР (добавкой ЛВЖ к основному топливу).

Холодный двигатель с такой системой также разгоняется достаточно быстро, причём, у него нет режимов неустойчивого пуска.

Сравнение показателей качества (по моменту (ПМе) и по мощности (ПNe) процессов НУР с коэффициентами загрузки по моменту (КзМе.) и по мощности (Кз.Ne) по результатам разгонов двигателя (от 100 1/мин) при применении ЛВЖ.

tпр.

Сравнение эффективности применения ЛВЖ для горячего и холодного состояний двигателя видно на диаграмме рис. 7.

Применение ЛВЖ повышает средний крутящий момент Мср. на 22 и 17 % при разгонах установки от пусковой частоты вращения соответственно в горячем и холодном состояниях. Применение ЛВЖ в разгонах от пусковой частоты вращения более эффективно, чем при разгонах от минимально устойчивой частоты, как для холодного, так и для горячего состояний.

При реализации длительных разгонов из горячего состояния добавкой ЛВЖ удаётся сократить время приёмистости на 10 – 18 %, а из холодного состояния – на 10 – 14 %, вне зависимости от продолжительности разгона в выявленных пределах (двигатель или установка).

Значения Рис. 7. Изменение относительных показателей эффективности НУР разгона двигателя от 100 мин-1 при применении метода ФХР добавкой ЛВЖ: отн. t пр. = t пр. лвж./t пр. шт., отн. Ме.ср. = М е.ср.лвж. /М е.ср.шт. и т. д.

Выигрыши от применения ЛВЖ при реализации разных режимов двигателем или установкой (относительное улучшение показателей, в %%,).

1. Показаны возможности повышения эффективности работы дизеля типа 4 Ч 11/12,5 автотракторного назначения и установки с ним при реализации неустановившихся режимов (НУР) разгонов в широких диапазонах частот вращения и тепловых состояний дизеля путём изменения физико химических свойств топлива (метод «физико – химического регулирования» - ФХР).

2. Метод ФХР добавкой легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) к основному топливу реализован вводом ЛВЖ вблизи форсунок через клапаны регулирования начального давления (РНД) во время выполнения режимов разгонов.

3. В работе выбраны и оценены показатели качества протекания неустановившихся режимов работы НУР (разгонов) дизелей, степени отклонения показателей при НУР по сравнению с установившимися режимами (УР), средние за переходный процесс относительные показатели, или относительные отклонения средних за переходный процесс показателей от соответствующих их значений по статической характеристике, а также коэффициенты загрузки по моменту и мощности двигателя при реализации режимов разгонов.

4. Для определения указанных показателей разработаны методики проведения экспериментальных исследований, обработки их результатов, в том числе с использованием методов математической статистики. Показано, что для получения достоверной характеристики разгона с надёжностью 0,95 необходимо проведение не менее 5 разгонов, что обеспечивает получение доверительного интервала ±5%.

5. Для реализации математических моделей применена методика построения динамических внешних скоростных характеристик дизеля (ДВСХ) при разном тепловом состоянии и при широком диапазоне изменения скоростных режимов, в том числе от пусковых частот (при которых отсутствуют возможности поддержания установившихся режимов) до номинальных.

6. Показано, что относительные степени отклонения (от теоретически возможного уровня при сходственных установившихся режимах), например, крутящего момента, при разгонах от пусковой частоты вращения могут составлять до 60 и 80 % соответственно для горячего и холодного состояний двигателя. При этом коэффициенты загрузки по моменту могут снижаться, в зависимости от времени приёмистости, до 0,7 – 0,85 для горячего и до 0,2 – 0,4 для холодного двигателя.

7. При применении разработанного метода во время реализации разгонов двигателя или установки с ним от минимально устойчивой частоты вращения до номинальной, выигрыши во времени приёмистости, в величинах средних за режим крутящих моментов и развиваемой мощности, коэффициентах загрузки дизеля по моменту и мощности составляют порядка 12 % для горячего и 13 – 15 % для холодного состояния дизеля. Аналогичные выигрыши при реализации разгонов двигателя или установки от пусковой частоты вращения составляют 24 – 27 % для прогретого двигателя и 16 – 18 % для холодного.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах.

1. Савастенко А. А., Казаков С. А., Харитонов В. В. Особенности работы топливной аппаратуры газодизеля с внутренним смесеобразованием // ВЕСТНИК Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. - 2004. - № 2 (9). – С. 40 – 44.

2. Регулирование рабочего процесса дизеля изменением физикохимических свойств топлива. / Н. Н. Патрахальцев, Л. В. А. Санчес, О. В.

Камышников, С. А. Казаков // Двигателестроение. – 2008. - № 4 (234). С. 3. Патрахальцев Н. Н., Соболев И. А., Казаков С. А. Совершенствование пусковых и динамических характеристик дизеля в условиях низких температур окружающего воздуха // Двигателестроение. – 2009. - № 3 (237). – С.

32 – 36.

4. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумара Патабандиге И.

Д. Применение сжиженного нефтяного газа для расширения ресурсов дизельного топлива // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. – 2009. - № 3 (45). – С. 3 – 6.

5. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумар П. И. Д. Регулирование рабочего процесса дизеля изменением физико – химических свойств топлива (Тезисы доклада на 84 –м Всероссийском научно – техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова, МГТУ им. Н. Э.

Баумана) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». – 2009. - № 4 (77). С. 118 – 119.

6. Тапиа К.М., Патрахальцев Н.Н., Казаков С.А. Методика диагностирования транспортного дизеля, работающего в экстремальных условиях окружающей среды // Автомобильная промышленность. – 2009. - № 6. – С.

29 – 32.

7. Патрахальцев Н. Н., Соловьёв Д. Е., Казаков С. А. Совершенствование режимов пусков – разгонов дизеля 4Ч11/12,5 добавкой легковоспламеняющейся жидкости к топливу // Сборник науч. трудов международной конференции Двигатель 2010, посвящённой 180 – летию МГТУ им. Н. Э.

Баумана. – М. – 2010 г. – С. 243 – 247.

8. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумара П. И. Д. Показатели качества протекания неустановившихся режимов (НУР) разгонов дизеля после пусков (Тезисы доклада на 85 –м Всероссийском научно – техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова, МГТУ им. Н. Э.

Баумана) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». – 2010. - № 3 (80). С. 119.

9. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Страшнов С. А. Повышение эффективности пусков – разгонов дизеля регулированием физико - химических свойств топлива путём добавки легко воспламеняющейся жидкости (ЛВЖ) к основному топливу (Тезисы доклада на 85 –м Всероссийском научно – техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок им. проф. В. И. Крутова, МГТУ им. Н. Э. Баумана) // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». – 2010. - № 3 (80). С. 119.

10. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумара П. И. Д. Показатели качества протекания неустановившихся режимов разгонов дизеля после пусков // Автомобильная промышленность. – 2011. - № 3. - С. 35 – 38.

11. Патрахальцев Н. Н., Казаков С. А., Фернандо Кумара Патабандиге И.

Д. ЛВЖ как инструмент повышения качества разгонов дизеля после пуска // Автомобильная промышленность. – 2011. - № 4. - С. 8 - 11.

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ 4Ч11/12,5 ИЗМЕНЕНИЕМ ФИЗИКОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОПЛИВА

В диссертации представлен анализ снижения эффективности работы дизеля и установки с ним при реализации режимов разгонов из горячего и холодного состояния (в сравнении со сходственными установившимися режимами). Разработан метод и количественные показатели повышения эффективности таких разгонов регулированием состав топлива добавкой к нему легко воспламеняющейся жидкости. Показана возможность улучшения этих показателей на 15 – 20 % в сравнении с показателями при штатном исполнении двигателя.

Rising of Effectiveness of Transient Regimes of Automotive Engine 4Ч 11/12,5 by Variation of Physicochemical Properties of Fuel In thesis there are presented analyses of reduction of effectiveness of diesel and installation with it in regimes of starting and acceleration in warmed and cold conditions (in comparison with state regimes). There elaborated method for raising of effectiveness of such regimes with appliance of variation of physicochemical properties of fuel by addition of easy flammable liquids. There are demonstrated rising of efficiency of acceleration for 15 – 20 % in comparison with serial diesel.

Подписано в печать……2011 г. Формат 60х84/16. Тираж 100 экз. Усл.

-печ. л. 1,0. Уч. -изд. л. 1,0. Усл. кр. –отт. 1,0. Заказ……… Издательство Российского университета дружбы народов 117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3.

Типография ИПК РУДН. 117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникид- зе, д. 3.