CC BY
71
УДК 621.436.12
В. В. КОЛЬБ
Омский автобронетанковый инженерный институт
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
СПОСОБА СОКРАЩЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДИЗЕЛЯ
Статья посвящена экспериментальному исследованию возможности улучшения эксплуатационных показателей форсированных дизелей путем применения впрыска воды за турбиной.
Ключевые слова: поршневой двигатель, способы регулирования, воздухоснабжение, турбокомпрессор, наддув, дизель.
Введение. Несмотря на широкое распространение дизелей с газотурбинным наддувом (ГТН) им присущ ряд существенных недостатков. Основные из них являются следствием того, что турбокомпрессор (ТКР), применяемый для наддува, может работать с максимальными значениями коэффициента полезного действия (КПД) и наилучшими показателями силовой установки (СУ) лишь на определенном режиме работы, называемом расчетным, в качестве которого для большинства двигателей принимается режим номинальной мощности. Поэтому при работе таких двигателей на нерасчетных режимах эффективность применения ТКР заметно снижается.
Несогласованность расходных характеристик двигателя и компрессора, а также снижение КПД последнего на нерасчетных режимах приводит к тому, что работа двигателя с ГТН на пониженных нагрузочных режимах сопровождается повышением удельного расхода топлива по отношению к значениям, которые характерны для безнаддувного дизеля [1].
Отрицательной особенностью двигателей с ГТН является пологое протекание характеристики крутящего момента при невысоком коэффициенте приспособляемости и сравнительно небольшим рабочим диапазоном изменения частот вращения, которой численно равен интервалу от частоты вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту, до номинальной частоты вращения КВ двигателя.
При работе дизеля с ГТН на переменных режимах невозможно эффективно использовать избыточную энергию выпускных газов и, как следствие, своевременно создать необходимое давление наддува. Поэтому динамические качества машин, оснащенных дизелями с ГТН, могут ухудшаться по сравнению с безнаддувными двигателями. Несмотря на снижение размеров, момент инерции роторов ТКР таков, что не позволяет получить такую же приемистость, как у двигателей без наддува или с приводными нагнетателями.
Для устранения данных недостатков необходимо применение систем регулирования воздухоснабже-ния, в частности, систем, способных значительно уменьшить время переходного режима.
Результаты исследования. Улучшение динамических характеристик, в частности, переходного процесса на режимах разгона дизеля с ГТН воз-
можно за счет применения различных схем регулирования воздухоснабжения и увеличения количества подаваемого топлива.
Увеличение количества подаваемого топлива дает повышение мощности и крутящего момента двигателя, но при этом существенно уменьшается коэффициент избытка воздуха, нарушается процесс сгорания и значительно увеличивается тепловая и механическая напряженность деталей цилиндро-порш-невой группы (ЦПГ), повышается температура отработавших газов (ОГ) и противодавление на выпуске, что существенно снижает показатели надежности дизеля и повышает токсичность отработавших газов.
Регулирование воздухоснабжения улучшает процессы рабочего цикла дизеля за счет увеличения количества воздуха, подаваемого в цилиндры, но при этом необходимо снижение противодавления на выпуске, особенно в период переходного процесса, когда системы воздухо- и топливоподачи находятся в неравновесном состоянии.
Так при решении задачи по сокращению времени переходного процесса дизеля на режиме разгона возникают противоречия. С увеличением цикловой подачи топлива повышается температура отработавших газов и противодавление на выпуске, что ведет к снижению эксплуатационных показателей, с одной стороны. С другой — при снижении температуры отработавших газов позволяет снизить противодавление на выпускном коллекторе и, как следствие, увеличить мощность дизеля на режиме разгона.
Устранение данного противоречия возможно путём охлаждения отработавших газов за счёт впрыска воды в выпускной трубопровод за турбиной, что позволит увеличить цикловую подачу топлива на режиме разгона.
Такое регулирование воздухоснабжения будет оказывать влияние на параметры рабочего процесса двигателя.
В связи с этим необходимо исследовать изменение давления и температуры отработавших газов при впрыске порций воды в выпускной коллектор и получение таких параметров рабочего процесса, которые обеспечили бы требуемые мощностные и динамические показатели двигателя. Для этого необходимо провести экспериментальные исследования и провести оценку эксплуатационных характеристик
Рис. 1. Принципиальная схема установки: 1 — котел предпускового подогревателя; 2 — водяной бак; 3 — топливный бак; 4 — электромагнитный топливный клапан; 5 — насосный агрегат (электродвигатель, воздушный, топливный и водяной насосы); 6 — форсунка; 7 — заборник воздуха; 8 — выхлопная труба подогревателя; 9 — заслонка; 10 — термопара; 11 — устройство для впрыскивания воды; 12 — штуцер для подключения жидкостного пьезометра
двигателя без регулирования и с регулированием воз-духоснабжения дизеля со свободным турбокомпрессором.
Для проверки решения задачи по сокращению времени переходного процесса, уменьшения стоимости и затрат на проведение моторных испытаний, связанных с исследованием влияния впрыскивания воды в выпускной трубопровод за турбину, создана установка на базе комплекта предпускового подогревателя ПЖД-30 [2]. Она включает в себя штатив, устройство для пуска предпускового подогревателя ПЖД-30 и приборов, контролирующих его работу (рис. 1).
Данная установка позволяет проследить изменение давления и температуры отработавших газов (ОГ) при изменении количества впрыснутой воды.
Перед выполнением испытаний проведена регулировка системы подачи топлива, установки в соответствии с техническими условиями (ТУ).
В качестве основных измеряемых и контролирующих показателей при проведении испытаний: температура ОГ, давление в выпускном коллекторе до
и после впрыскивания воды; температура впрыскиваемой воды.
Для измерения температуры внутри коллектора установлена хромель-алюмелевая термопара, подключённая к электрическому автоматическому потенциометру (мод. ЭПП-09М3). Создаваемое избыточное давление измерено жидкостным пьезометром (мод. КЛП).
Для моделирования режима работы дизеля запустили предпусковой подогреватель и вывели его на рабочий режим.
Температуру ОГ зафиксировали в пределе от 200 до 350 °С, установили перепад давления в выпускном коллекторе с помощью заслонки 100 мм вод. ст., тем самым имитировали сопротивление выпускной системы и осуществляли последовательно подачу воды от 1 до 10 г. Время впрыскивания 1—2 с. После каждого впрыскивания замерили температуру и давление ОГ.
Обработка полученных результатов проводилась в соответствии с ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний.
Результаты исследования подтвердили, что при впрыскивании воды происходит снижение температуры и давления отработавших газов (рис. 2).
Анализ результатов показал, что оптимальным, с точки зрения расхода воды и понижения давления, может быть расход от 5 до 7 граммов в секунду. При этом давление в системе снизится примерно на 0,018 — 0,021 МПа, а температура примерно в два раза.
Вывод. Таким образом, данный эффект можно использовать для увеличения срабатывания тепло-перепада на турбине в момент разгона, когда происходит разбалансировка в процессах воздухо-топ-ливоподачи. Увеличение положительной работы будет достаточно для подкрутки турбины и сокращения времени выхода на частоту, соответствующую установившемуся режиму, кроме того, можно ожидать
улучшение очистки цилиндра от ОГ из-за снижения противодавления на выпуске.
Библиографический список
1. Прокопенко, Н. И. Экспериментальные исследования двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Н. И. Прокопенко. — СПб., М., Краснодар : Лань, 2010. - 707 с.
2. Осыко, В. В. Устройство и эксплуатация автомобиля КамАЗ-4310 [Текст] / В. В. Осыко, И. Я. Петриченко, Ю. А. Ал-ленов. — М. : Патриот, 1991. — 351 с.
КОЛЬБ Валерий Викторович, преподаватель кафедры двигателей.
Адрес для переписки: irinakolb_@yandex.ru Статья поступила в редакцию 20.03.2015 г. © В. В. Кольб
УДК 621.7:519.711.3 В. Г. МАРТЫНОВ
Омский государственный технический университет
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИ ПОМОЩИ СЕТЕЙ ПЕТРИ_
Управление современным механосборочным производством — непростая задача. Ввиду важности принимаемых решений весьма актуальным представляется применение методов математического и компьютерного моделирования. Цель исследования — создание усовершенствованной математической модели сборочного участка для оперативного управления рабочим временем при поточной сборке изделий. Научная новизна заключается в обеспечении моделирования сборки нескольких узлов одновременно или поточной сборки.
Ключевые слова: сборка деталей, технологический процесс, производственный участок.
Организация современного механосборочного производства — весьма трудоемкий процесс. Широкое разнообразие номенклатуры изделий, производящихся на современном предприятии (зачастую производственный план дискретный, разорванный — задание на производство изделий размещают сразу же после получения технического задания от заказчика). Поэтому разноплановость и разнородность приводят к увеличению затрат на изделие в целом — доля именно механосборочных работ может достигать 30 % от стоимости изделия в целом [1]. Поэтому весьма важной задачей для технолога и начальника сборочного участка современного машиностроительного предприятия является не только составление оптимального технологического процесса, но и наиболее рациональное размещение выполнения технологических процессов всех изделий с учетом специфики условий — срочности заказа, загрузки оборудования и многих других.
Разработке маршрутного технологического процесса сборки предшествует изучение конструкции изделия, которое завершается составлением технологических схем общей и узловой сборки. Технологическая схема сборки содержит информацию о струк-
туре и порядке присоединения элементов изделия, комплектности сборочных единиц и соединений. При разработке маршрутного технологического процесса сборки на основе схемы сборки устанавливается содержание сборочных операций с таким расчетом, чтобы на каждом рабочем месте выполнялась по возможности однородная по своему характеру и технологически законченная работа. В дальнейшем построенная схема сборки служит для выявления и подробной разработки операций, определения видов работ, средств сборки и других параметров, образующих описание сборочных операций.
Поскольку творческий процесс анализа конструкции сборочной единицы, разработки схемы сборки и маршрутного технологического процесса сборки является трудоемким, многовариантным и трудно-формализуемым и при этом влияет на последующую эффективность функционирования технологического процесса сборки, то для его выполнения желательно использовать математическое и компьютерное моделирование для обоснования рациональности и оптимальности принятого варианта [2].
Для создания математической модели функционирования производственного участка необходимо
