Реализация режима постоянной мощности в транспортных дизелях

УДК 621.436

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ В ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЯХ

IMPLEMENTATION OF THE PERMANENT POWER MODE IN TRANSPORT DIESELS

В.М. Славуцкий, доктор технических наук, профессор А.В. Курапин, кандидат технических наук, доцент А.С. Аксёнов, магистрант А.А. Карпов, магистрант

V.M. Slavutskii, A.V. Kurapin, A.S. Aksyonov, A.A. Karpov

Волгоградский государственный технический университет Volgograd State Technical University

Улучшение тягово-экономических качеств современных тракторов и повышение на их основе эффективности сельскохозяйственного производства является одной из важных задач тракторостроения. Решение этой задачи в значительной мере зависит от свойств и конструкции моторно-трансмиссионной установки (МТУ) тракторов. Высокие тяговые показатели современных сельскохозяйственных тракторов с традиционным конструкторским исполнением МТУ не всегда реализуются, из-за сложности согласования оптимального режима работы двигателя с условиями работы трактора, даже при многоступенчатой трансмиссии. Внедрение на тракторах двигателей постоянной мощности (ДПМ) способствует как улучшению тягово-экономических показателей, так и наиболее полной их реализации в сельскохозяйственном производстве. Это обусловлено тем, что от обычного дизеля ДПМ отличается значительно большим запасом крутящего момента, обеспечивающего постоянство мощности в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала. Это позволяет более полно использовать мощность двигателя практически в любых условиях работы сельскохозяйственного трактора. Кроме того, в случае установки двигателя постоянной мощности, полнее используются его экономичные режимы работы. При использовании ДПМ тяговая характеристика трактора позитивно изменяется. Из-за высокого значения запаса крутящего момента ДПМ значительно увеличиваются диапазоны непрерывного и автоматического регулирования тягового усилия и скорости движения трактора. В статье приведены результаты исследований двигателя Д-144, работающего на режиме постоянной мощности, при двух вариантах его дефорсирования (штатная настройка топливной системы и измененные конструктивные параметры её элементов [8, 5, 3].

Improving the traction and economic qualities of modern tractors and increasing the effectiveness of agricultural production on their basis is one of the important tasks of tractor construction. The solution of this problem to a significant extent depends on the properties and design of the motor-transmission installation (MTI) of tractors. High traction rates of modern agricultural tractors with traditional design of MTI are not always realized, because of the complexity of matching the optimal operating mode of the engine with the conditions of tractor operation, even with multi-stage transmission. The introduction of constant-power engines (CPIs) on tractors will improve both the traction and economic indicators and the most complete implementation of these in agricultural production. This is due to the fact that the CPI differs from the conventional diesel engine with a significantly larger torque reserve, which ensures the constant power in a wide range of engine speed. This makes it possible to use the power of the engine more fully, practically in any working conditions of the agricultural tractor. In addition, in the case of the installation of a constant-power engine, its economical operation modes are more fully utilized. With the use of CPI traction characteristic of the tractor is positive. Due to the high value of the reserve of torque of the DPM, the ranges of continuous and automatic regulation of tractive effort and tractor speed significantly increase. The article presents the results of investigations of the D-144 engine operating on a constant power mode, with two variants of its de -forcing (the regular tuning of the fuel system and the modified structural parameters of its elements [8, 5, 3].

Ключевые слова: двигатель постоянной мощности, цикловая подача топлива, коэффициент избытка воздуха.

Key words: engine of constant power, cyclic supply of fuel, coefficient of excess of air.

Введение. Идея двигателя постоянной мощности заключается в следующем. На корректорной ветви внешней скоростной характеристики двигателя (режимы перегрузок) мощность двигателя поддерживается постоянной. Используют то обстоятельство, что мощность двигателя пропорциональна произведению крутящего момента и частоты вращения коленчатого вала. При уменьшении частоты вращения коленчатого вала, что связано с повышением нагрузки двигателя, крутящий момент двигателя, соответственно, увеличивается. Для поддержания мощности двигателя постоянной при каждом увеличении нагрузки (уменьшение частоты вращения коленчатого вала) следует, соответственно, увеличивать подачу топлива. Эта задача решается непросто, поскольку корректор топливной аппаратуры двигателя на это не рассчитан.

Увеличение подачи топлива в цилиндры требует увеличения количества подаваемого воздуха. Двигатели со свободным впуском (без наддува) для этого де-форсируют путём уменьшения цикловой подачи топлива на номинальном режиме. При неизменном количестве подаваемого воздуха, уменьшение подачи топлива при дефор-сировании двигателя увеличивает коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме работы двигателя. Это и позволяет для поддержания мощности постоянной, увеличивать подачу топлива на корректорной ветви скоростной характеристики.

Для изменения цикловой подачи топлива на корректорной ветви скоростной характеристики использовались свойства топливной системы с удвоенной скоростью вращения вала насоса. В этом случае характеристика подачи топлива - с положительной коррекцией. Это означает, что при снижении частоты вращения вала насоса подача топлива на корректорной ветви скоростной характеристики увеличивается [7, 8].

Материалы и методы. На рисунке 1 показано изменение цикловой подачи топлива Qц штатной и опытной систем в функции частоты вращения коленчатого вала n. Зависимость коэффициента избытка воздуха а от частоты вращения коленчатого вала n демонстрирует рисунок 2.

Рисунок 1 - Зависимость цикловой подачи топлива Qц от частоты вращения коленчатого вала п: 1- штатная система; 2 - опытная система

ИЗВЕСТИЯ

№ 1 (49), 2018

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента избытка воздуха а от частоты вращения коленчатого вала п: 1 - штатная система; 2 - опытная система

Ме, Н м

360

1000 1200 1400 1600 1800 П, МИН

Рисунок 3 - Зависимость крутящего момента Me от частоты вращения коленчатого вала n: 1 - штатная система; 2 - опытная система

Ne, кВт

65

/ г

Ja

т » ^

2 /

60 55 50 45 40 35 30 25 20

1000 1200 1400 1600 1800 <% МИН 1

Рисунок 4 - Зависимость мощности двигателя № от частоты вращения коленчатого вала п: 1 - штатная система; 2 - опытная система

Результаты и обсуждение. Увеличение а от 1,31 до 1,53 для штатной системы соответствует изменению цикловой подачи от 68 до 62 мм3. При этом п изменяется от 2000 до 1000 мин"1. Опытная система в таком же диапазоне изменения частоты вра-

***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (49} 2018

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

щения коленчатого вала n обеспечивает увеличение цикловой подачи от 52 до 68 мм3, что соответствует изменению а от 1,75 до 1,38. Дефорсирование дизеля (уменьшение мощности) составляет 25 % (рисунок 4). Коэффициент приспособляемости для штатной системы составляет 1,07, а для опытной - 1,40, что больше на 23,6 % (рисунок 3). Постоянство мощности для опытной системы отмечено в диапазоне изменения n от 2000 до 1600 мин"1 (рисунок 4). Продлить участок постоянной мощности удалось до значений n=1400 мин"1 только путем дополнительного дефорсирования дизеля до мощности 41,9 кВт, с чем связано уменьшение цикловой подачи топлива до 47,8 мм3 (рисунки 6,7). В противном случае (без дополнительного дефорсирования) коэффициент избытка воздуха принимает значение меньшее, чем при n=2000 мин"1 (рисунки 2,8). В этом случае коэффициент приспособляемости дизеля k составляет 1,36 (рисунок 5).

Me, Н м

360

340 320 зоо 280 260 240 220 200 180

1000 1200 1400 1600 1800 п>мин

Рисунок 5 - Зависимость крутящего момента Me от частоты вращения коленчатого вала n: 1 - опытная система; 2 - опытная система

Ne, кВт

60 -----

55

45

35 -----

30

25-----

20 -----

1000 1200 1400 1600 1800 П, МИН"1

Рисунок 6 - Зависимость мощности двигателя Ne от частоты вращения коленчатого вала n: 1 - опытная система; 2 - опытная система

J- —•-

***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (49) 2018

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Рисунок 7 - Зависимость цикловой подачи Qc от частоты вращения коленчатого вала п: 1 - опытная система; 2 - опытная система

Различная степень дефорсирования дизеля достигалась путем уменьшения цикловой подачи топлива в диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала п от 2000 до 1000 мин"1. Это осуществлялось изменением конструктивных и регулировочных параметров топливной системы. Ниже приводятся способы настройки системы [4, 11, 8]:

1) опытная система (с удвоенной частотой вращения коленчатого вала насоса, регулировочные и конструктивные параметры штатные).

2) изменение объема штуцера и давления открытия нагнетательного клапана:

- опытная система Vh = 2,7 103 мм3, Рко = 1,3 МПа;

- опытная система с дополнительным дефорсированием Vh = 6,7 103 мм3,

Рко = 0,9 МПа.

3) изменение диаметра отсечного окна гильзы:

- опытная система do = 3, 2 мм;

- опытная система с дополнительным дефорсированием do = 5,0 мм.

4) изменение диаметра отсечного окна гильзы и давления открытия нагнетательного клапана:

- опытная система do = 3, 2 мм, Рко = 1,3 МПа;

- опытная система с дополнительным дефорсированием, do = 5,0 мм,

Рко = 0,9 МПа.

Коэффициент приспособляемости двигателя определялся как отношение

максимального крутящего момента двигателя (корректорная ветвь скоростной характеристики) - к крутящему моменту двигателя на номинальном режиме работы.

Считаем, уместным отметить, что для реализации режима постоянной мощности в дизеле с наддувом следует регулировать давление наддува при изменении количества подаваемого топлива, то есть - нагрузки дизеля. Применяют три способа регулирования наддува: воздействие на компрессор для непосредственного изменения давления наддува, воздействие на турбину для изменения её мощности, что приводит к соответствующему изменению давления наддува, торможение или подкрутка ротора турбокомпрессора на определённых режимах [7, 4, 9].

***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (49) 2018

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

а

1000 1200 1400 1600 1800 П, МИН 1

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента избытка воздуха а от частоты вращения коленчатого вала п: 1 - опытная система, 2 - Vh = 6,0 см3; Рко = 0,9 Н/м2; 3 - do = 5 мм; 4 - do = 5 мм; Рко = 0,9 н/м2

Рисунок 9 - Зависимость цикловой подачи Qc от частоты вращения коленчатого вала п: 1 - опытная система, 2 - = 6,0 см3, Рк = 0,9 н/м2; 3 - d = 5мм;

4 - do = 5 мм, Рко = 0,9н/м2

кВт

65 60 55 50 45

40 >

35 .

30 25 20

1000 1200 1400 1600 1800 п, мин 1

Рисунок 10 - Зависимость мощности Ne от частоты вращения коленчатого вала n: 1 - опытная система, 2 - Vh=6,0 см3, Рко = 0,9 н/м2; 3 - do= 5 мм; 4 - do= 5 мм, Рко = 0,9 н/м2

Me, Н м

360

340 320 300 280 260 240 220 200 180 160

1000 1200 1400 1600 1800 п> мин '

Рисунок 11 - Зависимость крутящего момента Me от частоты вращения коленчатого вала n: 1 - опытная система, 2 - Vh = 6,0 см3, Рко = 0,9 н/м2; 3 - do = 5 мм;

4 - do = 5 мм, Рко = 0,9 н/м2

На рисунках 2, 8, 9 показано изменение коэффициента избытка воздуха а и цикловой подачи Qc в функции частоты вращения коленчатого вала дизеля n. В результате этой серии экспериментов доказана возможность широкого диапазона изменения цикловой подачи топлива Qc путем перенастройки топливной системы (изменение конструктивных и регулировочных параметров).

Произведен расчет эффективной мощности № и крутящего момента Me при различных настройках топливной системы (рисунки 10 и 11) и работе дизеля на корректорной ветви скоростной характеристики.

Наибольшее значение коэффициента приспособляемости дизеля k=1.306 получено при объеме штуцера насоса Vh = 6000 мм3, давлении открытия нагнетательного клапана Рко = 0,9 МПа. Номинальная мощность дизеля при этом уменьшена до 36 кВт. Имеется в виду уменьшение мощности двигателя при его дефорсировании.

Заключение. Исследован метод улучшения тяговых свойств тракторного дизеля путём его дефорсирования. Для реализации постоянства мощности двигателя на корректорной ветви скоростной характеристики, использованы свойства топливной системы, форсированной по частоте вращения вала топливного насоса. Важная особенность такой системы в том, что характеристика подачи топлива - с положительной коррекцией. Это позволяет формировать закон подачи топлива при изменении нагрузки. Реализованы две степени дефорсирования двигателя: без изменений конструктивных параметров топливной системы и с изменениями. В последнем случае, когда конструктивно изменялись элементы топливной системы, коэффициент приспособляемости двигателя постоянной мощности - 1,36. Современного дизеля без наддува - 1,07.

Библиографический список

1. Влияние конструктивных и регулировочных параметров топливной системы транспортных дизелей на показатели процесса подачи топлива [Текст]/ В.М. Славуцкий, З.В. Каны-гин, И.С. Смирнов, З.Х. Харсов, О.Л. Хуранов // Современные железные дороги: достижения, проблемы, образование : межвуз. сб. науч. ст. Вып. 3 / Моск. гос. ун-т путей сообщения (МИ-ИТ), Волгогр. филиал. - Волгоград, 2010. - С. 181.

2. Двигатели внутреннего сгорания: системы поршнеых и комбинированных двигателей [Текст]/ С. И. Ефимов, [и др.]; под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.

3. Дозирование цикловой порции топлива в дизеле при интенсификации процесса подачи [Текст]/ В.М. Славуцкий, В.И. Липилин, З.Х. Харсов, О.Л. Хуранов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. -2009. - № 2. - С. 130-138.

4. Крутов, В.И., Топливная аппаратура автотракторных двигателей [Текст]/ В.И. Крутов, В.Е. Горбаневский. - М.: Машиностроение, 1985. - 234 с.

5. Кузнецов, Н.Г. Двигатель постоянной мощности со свободным впуском воздуха как энергетическое средство для сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов [Текст] : учебное пособие / Н.Г. Кузнецов, В.И. Крутов. - Волгоград, 2001.

6. Подача и распыливание топлива в дизелях [Текст]/ И.В. Астахов, В.И. Трусов, А.С. Хачиян, Л.Н. Голубков. - М.: Машиностроение, 1972. - 359 с.

7. Репников, В.И. Исследование методов восстановления цикловой подачи при интенсификации процесса впрыскивания топлива в дизеле [Текст]/ В.И. Репников, И.С. Смирнов, В.М. Славуцкий // XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - С. 90-92.

8. Славуцкий, В.М. Интенсификация процесса подачи топлива в транспортных дизелях [Текст] : монография / В.М. Славуцкий, Е.А. Салыкин, А.М. Ларцев; ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - 259 с.

9. Совершенствование топливоподающей системы автотракторных дизелей [Текст]/

A.М. Ларцев, В.М.Славуцкий, В.А. Зубченко, Е.А. Салыкин // Прогресс транспортных средств и систем: матер. Междунар. науч.-практ. конф., 7-10 сент. 1999 г. / ВолгГТУ и др.. - Волгоград, 1999. - Ч. II. -С. 84-86.

10. Топливные системы и экономичность дизелей [Текст]/ И.В. Астахов, Л.Н. Голубков,

B.И. Трусов и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

11. Топливная система с регулированием начального давления в нагнетательной магистрали [Текст] / Славуцкий В.М. [и др.] // Автомобильная промышленность. - 2007. - №6. - C. 5-8.

12. Файнлейб, Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей [Текст] : справочник Б.Н. Файнлейб. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1974. - 264 с.

Reference

1. Vliyanie konstruktivnyh i regulirovochnyh parametrov toplivnoj sistemy transportnyh dizelej na pokazateli processa podachi topliva [Tekst]/ V. M. Slavuckij, Z. V. Kanygin, I. S. Smirnov, Z. H. Harsov, O. L. Huranov // Sovremennye zheleznye dorogi: dostizheniya, problemy, obrazovanie : mezhvuz. sb. nauch. st. Vyp. 3 / Mosk. gos. un-t putej soobscheniya (MIIT), Volgogr. filial. - Volgograd, 2010. - C. 181.

2. Dvigateli vnutrennego sgoraniya: sistemy porshneyh i kombinirovannyh dvigatelej [Tekst]/ S. I. Efimov, [i dr.]; pod red. A. S. Orlina, M. G. Kruglova. - M.: Ma-shinostroenie, 1985. - 456 s.

3. Dozirovanie ciklovoj porcii topliva v dizele pri intensifikacii processa podachi [Tekst]/ V. M. Slavuckij, V. I. Lipilin, Z. H. Harsov, O. L. Huranov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversi-tetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2009. - № 2. - C. 130-138.

4. Krutov, V. I., Toplivnaya apparatura avtotraktornyh dvigatelej [Tekst]/ V. I. Krutov, V. E. Gorbanevskij. - M.: Mashinostroenie, 1985. - 234 s.

5. Kuznecov, N. G. Dvigatel' postoyannoj moschnosti so svobodnym vpuskom vozduha kak ]nergeticheskoe sredstvo dlya sel'skohozyajstvennyh mashinno-traktornyh agregatov [Tekst] : uchebnoe posobie / N. G. Kuznecov, V. I. Krutov. - Volgograd, 2001. - S.

6. Podacha i raspylivanie topliva v dizelyah [Tekst]/ I. V. Astahov, V. I. Trusov, A. S. Hachi-yan, L. N. Golubkov. - M.: Mashinostroenie, 1972. - 359 s.

7. Repnikov, V. I. Issledovanie metodov vosstanovleniya ciklovoj podachi pri intensifikacii processa vpryskivaniya topliva v dizele [Tekst]/ V. I. Repnikov, I. S. Smirnov, V. M. Slavuckij // XIV regional'naya konferenciya molodyh issledovatelej Volgogradskoj oblasti (Volgograd, 10-13 noyab. 2009 g.) : tez. dokl. / VolgGTU [i dr.]. - Volgograd, 2010. - C. 90-92.

8. Slavuckij, V. M. Intensifikaciya processa podachi topliva v transportnyh dizelyah [Tekst] : monografiya / V. M. Slavuckij, E. A. Salykin, A. M. Larcev; VolgGTU. - Volgograd, 2012. - 259 s.

9. Sovershenstvovanie toplivopodayuschej sistemy avtotraktornyh dizelej [Tekst]/ A. M. Larcev, V. M. Slavuckij, V. A. Zubchenko, E. A. Salykin // Progress transportnyh sredstv i sistem: mater. Mezhdunar. nauch. -- prakt. konf., 7-10 sent. 1999 g. / VolgGTU i dr.. - Volgograd, 1999. - Ch. II. -S. 84-86.

10. Toplivnye sistemy i jekonomichnost' dizelej [Tekst]/ I. V. Astahov, L. N. Golubkov, V. I. Trusov i dr. - M.: Mashinostroenie, 1990. - 288 s.

11. Toplivnaya sistema s regulirovaniem nachal'nogo davleniya v nagnetatel'noj magistrali [Tekst] / Slavuckij V. M. [i dr.] // Avtomobil'naya promyshlennost'. - 2007. - №6. - C. 5-8.

12. Fajnlejb, B. N. Toplivnaya apparatura avtotraktornyh dizelej [Tekst] : Spravochnik B. N. Fajnlejb. - L.: Mashinostroenie. Leningr. otd-nie, 1974. - 264 s.

E-mail: atd@ stu.ru