CC BY
39
УДК 621. 436.038.001
ПОВЫШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ДИЗЕЛЯ 6ЧН 15/18 РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАЧАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ТОПЛИВА
М. В. Эммиль, С. С. Бисенбаев
Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
Приведены результаты моделирования разгонов дизеля с учётом и без учёта переходных процессов в топливной аппаратуре. Повышение динамических качеств достигнуто управлением величиной начального давления топлива в линиях высокого давления.
Повышение динамических качеств дизелей транспортного назначения - актуальная проблема двигателестроения, так как время приёмистости (tnp) двигателя существенно сказывается на его производительности, эффективности его эксплуатации, а также на решении проблемы транспортных “пробок” на городских автомагистралях. Одним из путей сокращения времени приёмистости в неустановившихся режимах разгона дизеля является совершенствование процессов топливоподачи. Известно, что при неустановившихся режимах работы (НУР) дизеля в его системах протекают различные переходные процессы (п.п.), снижающие эффективность таких режимов. Одним из таких п. п. является процесс изменения начального давления топлива в линиях высокого давления (ЛВД) топливной аппаратуры разделённого типа [1]. Снижение начального давления приводит к уменьшению угла опережения впрыскивания топлива, снижению максимального и среднего давления впрыскивания, уменьшению цикловой подачи топлива и в конечном итоге уменьшению развиваемого двигателем крутящего момента (Ме).
Каждому типу топливной аппаратуры при установившемся режиме работы (УР) свойственна определённая характеристика изменения начального давления (Р^ач. )> Равного остаточному давлению (Рост ) в ЛВД после предыдущего цикла топливоподачи, причём, с некоторой, свойственной данному двигателю, нестабильностью (5Рост. )•
«.=^=/f".V±6pSi- <»
где пк hp- соответственно частота вращения вала и положение рейки топливного насоса. Во время НУР, когда происходит изменение п и/или hp, меняется и величина Рнт., причём,
Рнач і ~ Рост і-] > где ' и ~ данный и предыдущий циклы. Если указанная характеристика возрастает с ростом частоты вращения, то при разгоне часть топлива, подаваемого насосом, затрачивается на “зарядку” ЛВД, а производительность насоса соответственно снижается. Снижается и развиваемый двигателем момент (МеИур ) по сравнению с моментом в установившихся режимах (УР). В этом случае имеем:
Мн/Р' -Муер - КМР ■ ЬР*^Ч , (2)
_ _ дМе
где Кмр =-------— - фактор влияния изменения начального давления на крутящии мо-
хнач.
мент, = Рнач ~ Рнач ' отклонение начального давления в цикле п. п. по сравне-
нию со сходственным циклом УР (т. е. циклом с такими же параметрами п и hp).
Разработка систем топливоподачи с регулированием начального давления (РНД) [2] направлена на повышение эффективности, экономичности УР и НУР дизелей как путём устра-
нения указанного п. п. в топливной аппаратуре, так и путём форсирования процесса топли-воподачи, а следовательно и рабочего процесса дизеля. Действительно, повышение Р„т. перед очередным циклом топливоподачи при неизменном или даже пониженном Рост, предыдущего цикла приводит к интенсификации топливоподачи, благодаря уменьшению сжимаемости топлива (ат) и увеличению скорости распространения звука в топливе (ат). При этом происходит рост производительности системы ориентировочно на величину
ЛУЦ = Улв$ -ат • АРнач , где Улв0. - объём линии высокого давления топливной системы.
При форсировании дизеля с помощью системы топливоподачи с РНД дополнительная “зарядка” ЛВД перед очередным циклом топливоподачи происходит от внешнего источника по выбранному закону. Выбор этого закона целесообразно проводить на основе результатов математического моделирования исследуемого режима разгона и с использованием ограничений, полученных в экспериментальном исследовании. В качестве ограничений принято, что при форсировании дизеля нельзя превышать уровень максимального давления Рг и уровень максимальной “жёсткости” сгорания ((дРг / дц>)тах), а также уровень температуры
отработавших газов (Тог) более, чем на 15%.
Моделирование режимов разгона основано на решении уравнения движения системы двигатель - потребитель, которое имеет вид:
■(*' 30)-вуы = МУГ’(п)-КМРАРХ:гр- - Мс(п), (3)
где 1устм - моменты инерции установки дизель - потребитель мощности или дизеля без потребителя (равные в данном исследовании соответственно 65 Нмс2 и 23,5 Нмс2), приведённые к оси вращения коленчатого вала; АРнач"ур ур - изменение начального давления топлива в ЛВД из - за п.п. в ТА (НУР) или приращение начального давления (УР), задаваемое при управлении величиной Рит.. Факторы влияния определялись экспериментальным путём на стенде с дизелем заданием различных начальных давлений. В результате получены зависимости Ме=/(Р„ач) при различных «=сош-г и Ьр=сот1. Их обработкой получены зависимости Кш>=ЯРнт\ которые могут быть приведены к одной характеристике для разных частот вращения. Для удобства дальнейшего использования полученной информации при моделировании режимов разгона последняя аппроксимирована полиномом второй степени вида
КМР = 1,8007 ■ Р2ач - 35,836 • Рнт +198,27, (4)
(При этом регрессия, величина Я2 превышает 0,99). Величина крутящего момента в установившихся режимах, то есть внешняя скоростная характеристика (ВСХ) дизеля в штатном исполнении - без системы топливоподачи с РНД, также представляется в виде полиномиальной аппроксимации:
Ме1 =-0,2508-(п/100-4)3 + 2,1632-(п/100-4)2 +
+ 22,217 -(п/100-4)+ 1010,
(при 1^=0,995). Свойственная данному двигателю характеристика изменения начального давления при работе по ВСХ имеет вид:
Рнач. = 0,0432 -(п/100- 5)2 + 0,1802 -(п/100 -5) +1,3767 (6)
и достаточно точно отражает экспериментально полученную характеристику (регрессия
Я2=0,9911).
В процессе исследования величины начальных давлений задавались либо с целью стабилизации Рнач. на уровне сходственного установившегося режима, либо с целью повышения Рнт. до номинального значения, равного 7,5 МПа, либо величины начальных давлений регулировались, с целью получения максимально возможного крутящего момента. В последнем случае РИич достигали 11 - 11,5 МПа. В результате получены внешние скоростные характеристики дизеля в штатном исполнении (Ме|), при форсировании дизеля без изменения номинального крутящего момента (М^) и при форсировании до максимально возможного
уровня при условии не превышения заградительных значений максимальных давлений Ря, максимальной жёсткости сгорания, а также максимальной температуры отработавших газов. Полученные характеристики приведены на рис.1, где они совмещены с характеристиками нагрузочного устройства стенда.
1600 1400 - 1200 х. 1000 ^ 800 ф 600
2 400
200 0
<5^ ^ ^ ^п, 1\мин.
Рис. 1. ВСХ дизеля Д-6 в разных комплектациях и характеристики тормоза при различных регулировках
о 2 4 6 8 10 12 14
Рис. 2. Сравнение характеристик разгона дизеля Д-6 в квазистатическом представлении и экспериментальной
Г Пе< 1
А V
т ■4 т
Ъ Не’ IV е2 Г-»
■ ■
- . - . - . * т
в * . * т т
Мс1
МсЗ/4
Мс2/4
Мс1/4
При реализации экспериментальных разгонов двигатель нагружался электрическим тормозом при исходной регулировке последнего на номинальный момент (Мс/), момент, равный 3/4 номинала (Мс3 4), 2/4 и 1/4 номинала (Мс2;4 и МсШ). Реализованы также разгоны дизеля без нагрузки, но с тормозом, а также дизеля без тормозного устройства. Проведённые разгоны также моделировались с использованием предложенной математической модели.
Исследование показало, что пренебрежение п.п. в топливной аппаратуре дизеля может привести к погрешностям определения динамических качеств двигателя порядка 10 и более процентов (рис. 2).
Хотя при этом текущие отклонения частоты вращения составляют порядка 3%.
С учётом п.п. в ТА сравнение результатов моделирования и эксперимента показало хорошую сходимость (отклонения частоты вращения не более 2%, а времени приёмистости -около 5%).
Сравнение динамических качеств дизеля в штатном исполнении и в случаях оснащения его системой регулирования начального давления показало возможности существенного улучшения динамических качеств двигателя (рис. 3).
Рис. 3. Сравнение эффективностей разгонов дизеля Д-6 с полной нагрузкой при штатной комплектации (п1), с системой стабилизации Р нач (п1') и с управлением величиной Р нач (п1")
Так, форсированием двигателя по начальному давлению удалось получить выигрыш во времени выполнения операции порядка 44%. Следует отметить, что в данном исследовании не учитывался показатель дымности отработавших газов. То есть предельные значения повышения эффективности применимы реально для машин, не имеющих такого ограничения. Например, двигателей боевых машин, машин, оснащённых системой фильтрации или иной нейтрализации выбросов с отработавшими газами. Даже при сохранении номинальной мощности неизменённой, регулированием начального давления удаётся снизить время разгона на 30%.
Относительный выигрыш во времени выполнения операции разгона зависит конечно и от нагруженности двигателя при разгоне. Чем меньше внешняя нагрузка на двигатель, тем меньше относительный выигрыш во времени выполнения разгона (рис. 4) при использовании системы топливоподачи с управлением начальным давлением топлива в ЛВД.
Проведённое исследование показало, что переходные процессы в системе топливоподачи дизеля с разделённой системой топливоподачи (насос - трубопровод - форсунка) может оказывать заметное влияние на выходные показатели динамического качества двигателя.
х
Рис. 4. Изменение относительного выигрыша во времени выполнения операции разгона (%) при применении системы стабилизации начального давления (нач. ст.) и системы управления начальным давлением (нач. упр.)
ЛИТЕРАТУРА
1. Патрахальцев Н.Н. Влияние переходных процессов в топливной аппаратуре на динамические свойства дизеля //Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1978, № 4. - С. 65 - 70.
2. Патрахальцев Н.Н. Системы топливоподачи с регулируемым начальным давлением. //Двигателестроение. - 1980, № 8. - С. 32 - 35.
UDC 621.436.038.001.
AUMENTATION OF DINAMICAL INDICES OF DIESEL 6ЧН 15/18 BY VARIATION OF INITIAL PRESSION IN FUEL SYSTEM
M.V. Emmil, S. S. Bisenbaev
Department of Internal Combustion Engines Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya st., 6, 117198 Moscow, Russia
There is advisable a method of alimentation of effectiveness of acceleration of diesel engine by means of regulation of initial pressure in fuel system.
