CC BY
68
«Промышленная безопасность», 2003. - С. 218228.
6. РД СМА-001-03 «Рекомендации по применению РД 10-399-01. Требования к регистраторам параметров грузоподъемных кранов». - Сб. «Промышленная безопасность при эксплуатации стреловых кранов», Сер.10, Вып.31. - М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2003г. - С. 229250.
7. Котельников, В.С. Комментарий к правилам устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов (ПБ 10-382-00) / В.С. Котельников, Н.А. Шишков. - М.: МЦФЭР, 2007. - 720 с.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF WORKING PROCESS OF THE HYDRAULIC TRUCK CRANE
V.S Sherbakov, M.S. Korytov, S.V. Kotkin
The article talks about experimental researches of working process of the hydraulic crane equipped with the device of safety 0НК-160С.
Щербаков Виталий Сергеевич - доктор технических наук, профессор, декан факультета «Нефтегазовая и строительная техника» СибАДИ. Основное направление научных исследований - совершенствование систем управления строительных и дорожных машин, общее количество публикаций - более 200.
Корытов Михаил Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, докторант СибАДИ. Основное направление научных исследований - автоматизация рабочих процессов мобильных грузоподъемных машин, общее количество публикаций - более 90.
Котькин Станислав Вячеславович - аспирант кафедры «Автоматизация производственных процессов и электротехника» СибАДИ. Область научных интересов - автоматизация рабочих процессов мобильных грузоподъемных машин. Имеет 8 публикаций.
УДК 621.43.068.2
УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДИЗЕЛЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРОМ
Е.С.Терещенко, Д. В. Шабалин
Аннотация. Статья посвящена описанию устройства и принципа работы системы управления работой турбокомпрессора дизеля, способной обеспечить на режиме торможения накопление энергии в виде сжатых отработавших газов, и последующее применение этой энергии на режиме разгона, и как следствие, повышение эффективности силовых установок на транспорте.
Ключевые слова: Дизель, наддув, турбокомпрессор, эффективность, система управления.
Рабочий процесс дизеля претерпевает изменения в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя, давления надувочного воздуха, подачи топлива, нагрузки.
Наиболее характерным переходным режимом автомобильного дизеля является разгон, который характеризуется резким возрастанием нагрузки на двигатель и соответственно увеличением подачи топлива в цилиндры двигателя.
В двигателях с газотурбинным наддувом газовая связь между турбокомпрессором и двигателем создает особые условия при работе на переходных или неустановившихся режимах. Чем выше давление наддува, тем больше разница в работе двигателя с газотурбинным наддувом и без него. При работе двигателя на режиме разгона давление наддува повышается медленнее, чем частота вращения коленчатого вала двигателя, что приводит к
уменьшению коэффициента избытка воздуха ниже допустимого значения. Способность турбокомпрессора быстро изменять давление наддува в соответствии с режимом работы двигателя зависит главным образом от момента инерции ротора.
Время разгона ротора турбокомпрессора можно определить по следующей зависимости:(1)
t =
J рЮном
Мтном (К +1)
ln-
К
(1)
где
J г
момент инерции ротора;
Мт„„„ - номинальный момент, развиваемый
Тном
турбиной;
со
Ыном -V
с
сора;
угловая скорость ротора турбокомпрес-
СОт^, - угловая скорость ротора при
ном
М
Тном
К =
м
Т тах
м
(2)
Тном
Одним из важнейших показателей, определяющих качество протекания рабочего процесса двигателя как в установившемся режиме, так и в переходном процессе является коэффициент избытка воздуха О . Другие параметры, например, скорость вращения коленчатого вала и тепловое состояние двигателя также оказывают большое влияние на протекание рабочего процесса, однако в большинстве случаев на неустановившихся режимах работы они не выходят значительно за пределы, определяемые полем статических характеристик.
В отличие то них величина коэффициента избытка воздуха на неустановившихся режимах работы может далеко выходить за пределы изменений коэффициента по статическим характеристикам за счет инерции системы наддува. Чрезмерное снижение коэффициента избытка воздуха на неустановившихся режимах может привести к неполному сгоранию топлива, снижению мощности, ухудшению экономичности и повышению дымности выпуска.
Естественно предположить, что коэффициент избытка воздуха является важным показателем как критерий качества протекания рабочего процесса в неустановившемся режиме работы двигателя.
Текущее значение коэффициента избытка воздуха зависит от начального его значения перед переходным процессом и законом изменения подачи топлива и воздуха во время переходного процесса:
О Кв +1
(3)
О
кт +1
где О и Оо - текущее и начальное значения коэффициента избытка воздуха;
Кв - относительное изменение подачи воздуха;
Кт - относительное изменение подачи топлива;
На рисунке 1 приведена зависимость изменения коэффициента избытка воздуха дизеля по внешней характеристики без нагрузки. Как показывают исследования [4], увеличение нагрузки при разгоне уменьшает значения О . Здесь Тт - постоянная времени турбокомпрессора, Тд - постоянная времени дизеля. На рисунке 2 показана зависимость минимального значения О при разгоне двигателя по внешней характеристике от соотношения Тт/Тд. Здесь видно, что к снижению о ■
приводит как увеличение постоянной времени турбокомпрессора Тт, так и уменьшение постоянной времени двигателя Тд.
Следует иметь в виду, что при разгоне двигателя перемещением рычага управления, выход рейки на упор максимальной подачи топлива происходит практически мгновенно и можно считать, что параметры регулятора не сказываются на изменение коэффициента избытка воздуха. Отсюда следует вывод, что для качественного протекания рабочего процесса в переходном режиме необходимо обеспечить условие:
О = О
+ Ао
(4)
а/ао
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
/
\ / /
1, / / /
/ / /
2/ / / /
/
4 /
0,4
0,8
1,2
1,6
1,8 ТД
Рис. 1. Зависимость изменения коэффициента избытка воздуха при разгоне двигателя с турбо-наддувом по внешней характеристике без нагрузки
Рис. 2. Зависимость минимального значения коэффициента избытка воздуха при разгоне двигателя без нагрузки от постоянной времени турбокомпрессора (Тд = 3 с)
При этом, если принять начало переходного процесса Т = 0 как момент выхода рейки на упор,
то Кт = max, Кв = 0, тогда минимальное значение О в начале переходного процесса можно представить как:
1
°min = °о~---(5)
Кт + 1
Начальное значение Оо определяется по известной зависимости:
О =
LG
(6)
о то
Изменение можно выразить через изменения расхода топлива и воздуха для данного момента времени переходного процесса:
Ао = — L,
+ G Gr
(7)
°то + °то
В качестве возможных воздействий на двигатель, ограничивающих снижение О , могут быть использованы разные способы. Но если стоит задача сохранения мощности и динамических качеств двигателя в переходном процессе, то, как следует из формулы (7), обеспечение необходимого значения Ао в каждый момент времени переходного процесса возможно только за счет изменения расхода воздуха при переходном процессе. Ограничение подачи топлива необходимо осуществлять при выходе за пределы таких показателей, как тепловое состояние двигателя, частоты вращения коленчатого вала некоторых других.
Использование двигателя будет эффективным в том случае, если его номинальная мощность реализуется во всем диапазоне скоростей движения транспортного средства, то есть если крутящий момент двигателя будет изменяться по гиперболической зависимости:
Мкпдв = const
(8)
Для двигателя с газотурбинным наддувом характерно резкое падение мощности турбины турбокомпрессора с уменьшением расхода газа. Это означает, что на режимах малых и средних нагрузок воздухоснабжение дизеля ухудшается.
Анализ приведенных исследований дает основание полагать, что обеспечение качественного протекания переходного процесса работы дизеля с сохранением высоких энергетических и динамических показателей возможно путем регулирования давления наддува перепуском рабочего тела. При этом целесообразно обеспечить комбинированный способ регулирования - уменьшение сечения проточной части турбины и перепуск части воздуха из области нагнетания компрессора на вход в турбину на средних нагрузках и одновременное ограничение давления наддува перепуском газа на номинальных режимах работы дизеля.
Такое регулирование способствует сокращению области ограничения давления наддува на
режимах полной мощности и позволяет уменьшить диапазон изменения сечения проточной части турбины. Это приводит к уменьшению выпускаемого количества воздуха и газа и, следовательно, снижению энергетических потерь двигателя.
Известна система управления работой турбокомпрессора транспортного дизеля. Задачей предложения системы является повышение эффективности работы турбокомпрессора на переходных режимах работы двигателя (на разгоне транспортного средства) [6].
Решение поставленной задачи достигается тем, что после цилиндров двигателя в выпускном тракте установлен ресивер отработавших газов, в котором на режимах торможения двигателем накапливаются отработавшие газы, а на режимах разгона эти газы подаются дополнительно на турбину.
На рисунке 3 представлена система управления работой турбокомпрессора с ресивером транспортного дизеля. При ускорении транспортного средства система работает следующим образом: водитель воздействует на педаль подачи топлива (увеличивает подачу топлива), от датчиков поступает сигнал на блок управления 12, который открывает перепускной клапан ресивера 9 (перепускной клапан 6 канала отработавших газов 7 закрыт). Ранее аккумулированные отработавшие газы поступают под давлением из ресивера отработавших газов 8 через перепускной клапан ресивера 9, через односторонний клапан 10 по перепускному каналу сжатых газов 11 на турбину 2. Таким образом, на турбину 2 поступает большее количество отработавших газов (отработавшие газы из цилиндров двигателя 1 и аккумулированные отработавшие газы из ресивера 8), следовательно турбина 3 раскручивается быстрее и тем самым в цилиндры поступает большее количество свежего заряда воздуха, которое необходимо для сгорания увеличенного количества топлива, подаваемого водителем при трогание и ускорении транспортного средства.
Рис. 3. Система управления работой турбокомпрессора с ресивером транспортного дизеля
Система управления работой турбокомпрессора с ресивером транспортного дизеля обеспечивает повышение эффективности работы транспортного дизеля на переходных режимах, то есть улучшает согласованность работы поршневой части двигателя и системы воздухоснабжения, улучшает приемистость двигателя (ускоряет отклик двигателя на увеличение подачи топлива), улучшает топливную экономичность, уменьшает количество выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами (возникающих при неполном сгорании топлива).
Библиографический список
1. Портнов, Д.А. Быстроходные турбопоршне-вые двигатели с воспламенением от сжатия / Д.А. Портнов. — М.: Машгиз, 1983. — 639 с.
2. Симсон, А.З. Турбонаддув высокооборотных дизелей / А.З. Симсон. - М.: Машиностроение, 1986. - 288 с.
3. Циннер, К.В. Наддув двигателей внутреннего сгорания / К.В. Цинер. - М.: Машиностроение, 1978. - 284 с.
4. Леонов И.В. Анализ изменения коэффициента избытка воздуха дизеля с турбонаддувом на неустановившихся режимах / И.В. Леонов // Двига-телестроение. - 1981. - № 7. - С. 10-12.
5. Дехович Д.А. Исследование регулирования параметров наддува методом перепуска рабочего тела / Д.А. Дехович // Известия вузов. - 1988. - № 11. - С. 72-77.
6. Пат. на полезную модель № 101093 «Система управления турбокомпрессором с ресивером транспортного дизеля» / Е.С. Терещенко, В.В. Руднев, Д.Ю. Фадеев, Н.Е. Александров - Приоритет 05.04.2010, опубл. 10.01.2010. - Бюл. № 1.
IMPROVEMENT OF QUALITY OF TRANSIENTS OF A DIESEL ENGINE WITH GAS TURBINE PRES-SURIZATION BY APPLICATION OF A CONTROL SYSTEM OF A TURBO BY THE COMPRESSOR
E.S.Tereshchenko, D.V. Shabalin
Article is devoted the description of the device and a principle of work of a control system by work турбокомпрессора a diesel engine, capable to provide on a mode of braking accumulation of energy in the form of the compressed fulfilled gases, and the subsequent application of this energy on a dispersal mode, and as consequence, increase of efficiency of power-plants on transport
Терещенко Евгений Сергеевич - аспирант кафедры Двигателей. Омский танковый инженерный институт имени Маршала Советского Союза П.К. Кошевого филиал Военного учебно-научного центра Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ», г. Омск. Основное направление научных исследований: автоматизация процессов и системы управления двигателей внутреннего сгорания. Общее количество опубликованных работ: 5.
Шабалин Денис Викторович - аспирант кафедры Двигателей. Омский танковый инженерный институт имени Маршала Советского Союза П.К. Кошевого филиал Военного учебно-научного центра Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ», г. Омск. Основное направление научных исследований: тепловые машины, двигатели ВАТ.. Общее количество опубликованных работ: 15.
