Оценка эффективности рабочего цикла дизеля на различных топливах

На рис. 7-8 изображены законы изменения боковых координат центров масс передней и задней частей трактора при смене полосы движения при задаваемых скоростях движения 0,5 и 2 м/с. Следует отметить, что скорость движения оказывает влияние как на величины боковых перемещений центров масс, так и на закон их изменений.

Большим достоинством представленной модели является то, что она позволяет определить как кинематические характеристики отдельных частей трактора, так и величины сил взаимодействия сил между ними. Это позволяет оценить нагруженности отдельных узлов трактора при различных видах работ и производить при необходимости конструктивные изменения. Выходные кинематические параметры модели позволяют проводить анализ устойчивости и управляемости трактора при движении его с различными скоростями по разным поверхностям.

Литература

1. Hahn, M. Ein Objektmodell fur den Mechatronikentwurf / M. Hahn. - Dusseldorf, 1999.

2. Павлюк, А.С. Моделирование управляемого движения автомобиля: учеб. пособие / А.С. Павлюк. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2006. - 142 с.

--------♦-----------

УДК 631.89. (631.3) Н.И. Селиванов, Д.А. Санников, А.А. Доржеев

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ НА РАЗЛИЧНЫХ ТОПЛИВАХ

В статье рассмотрены вопросы формирования индикаторных показателей рабочего цикла дизельных двигателей при использовании альтернативных топлив. Получены математические модели для их прогнозирования и оптимизации. Обоснованы принципы форсирования дизелей, обеспечивающие наиболее эффективную их адаптацию к использованию альтернативного топлива.

Рабочий процесс поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) характеризуется индикаторными показателями: давлением р, мощностью N, удельным расходом топлива gi и КПД п  При работе на

топливах с различной теплотворной способностью оценка эффективности теплоиспользования возможна только на основе индикаторного КПД, который, в отличие от термического, учитывает, наряду с отводом теплоты холодному источнику, смену рабочего тела и полноту его сгорания.

При определении индикаторных показателей рабочего цикла учитываются реальные условия и особенности протекания действительного цикла. Для двигателей, работающих на жидком топливе, индикаторный КПД определится из выражения:

а- 1о

П = 7—^-----------------------------------------------------V" ’

УН -Пу'Рк - йш

где и - индикаторная работа за цикл; ж - О2

Ун = —^— £ - рабочий объем цилиндра диаметром D и ходом поршня §

1о - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кг/кг; а - коэффициент избытка воздуха;

Пи - коэффициент наполнения;

Рк - плотность воздушного заряда на впуске в двигатель, кг/м3.

Для четырехтактных дизелей среднее индикаторное давление действительного цикла р = ЩУк с учетом скругления расчетной индикаторной диаграммы ф и насосных потерь в процессе выпуска и впуска Ар. = Р - Р выразится как [1]:

<Р-Р-Г1 Ї-1

л-(р-1)+^^. Гі —1—[] —1—Гі —1~1

п -1 I 8п2 -1У п -1 I 8*1-1

Тогда выражение индикаторного КПД с учетом (1) примет вид:

Пі =

^•Р* а

Р. Р •? €-1

л\р- 1)+Ллр. Г1

п -1 V 8

1

— -

п1 -1

-АР.

8

АР

По выражению (3) можно оценить влияние характеристики углеводородного топлива на эффективность теплоиспользования в рабочем цикле дизеля с установленными конструкционными параметрами и определить условия достижения наивысших показателей эффективности и топливной экономичности. Критериями эффективности теплоиспользования являются максимум индикаторного КПД птах и (п/а) ,

которые характеризуют режимы наивысшей экономичности и максимальной работы цикла соответственно. Они позволяют обосновать и соизмерить значения параметра оптимизации Р на режимах номинальном и максимального крутящего момента по регуляторной характеристике дизеля.

Моделирование параметров расчетного рабочего цикла производится по ГОСТ 18509-88 - для стандартных условий окружающей среды (То, Ро) и сгорания 1 кг топлива. Тогда теоретически необходимое количество воздуха зависит от его элементарного состава и определится из выражения:

и = — • — С + 8. Н - О

При сравнительной оценке показателей цикла коэффициент избытка воздуха а и давление воздуха на впуске Рк следует выбирать по результатам испытаний или использовать на основных режимах соотношения:

а

Н1

Р,

К1

а

Н 2

Р

К 2

а2

а

Коэффициент наполнения с учетом дозарядки цилиндра (/1) в начале хода сжатия в связи с запаздыванием закрытия впускного клапана, продувки камеры сгорания (/2) из-за перекрытия клапанов, разностей теплоемкости смеси и остаточных газов (ф') и подогрева воздушного заряда ДТ можно представить в следующем виде:

Р

г

1 -

к V

•р, Л •€• Р

л

Т

а У

Тк +АТ

Плотность воздушного заряда (кг/м3) на впуске характеризуется давлением Рк и температурой надувочного воздуха Тк.

Рк

Рк -106 287 • Т,

Для двигателей с наддувом температура воздуха на впуске определится из выражения:

С Р — АР ^

РК ^ ОХЛ

Рп

- АТ

где АРохл и АТохл - потери давления и снижение температуры воздуха в охладителе;

Пк - показатель политропы сжатия в нагнетателе.

Значения средних показателей политроп сжатия П1 и расширения П2, степени повышения давления / и других коэффициентов при установленной степени сжатия £ зависят от способа смесеобразования и скоростного режима двигателя, что учитывается при расчете индикаторных параметров цикла.

Параметр оптимизации на данном этапе представляет среднее индикаторное давление, которое характеризует удельную работу цикла и индикаторную мощность:

1

1

п

P=

_Уу-Рк ^Е

а L

Из уравнения (9) следует, что величина Р при n=const и , рк,

Qh

idem на различных топли-

вах определяется в основном соотношением п/а. Предельно допустимое значение апр соответствует (n/a)max и Pmax при работе дизеля на любом углеводородном топливе (рис. 1). Однако при этом

ухудшается топливная экономичность, увеличивается тепловая напряженность деталей и дымность отработавших газов. Поэтому номинальное значение Рн выбирается предварительно из условия

Рн = 0,85 ^ 0,90 • I п • П/а I между режимом минимального удельного расхода топлива g™„, соответ-

V /а) max

ствующего nmax, и режимом наибольшей возможной мощности при п/а = max.

• п

Условие максимума функции I п

V а J

(а- 2п)-П2  = 0,

а

или

(а- 2 -п)-(п2 ^а)= 0,

2П = П2 du а

Для получения наивысшей приспособляемости дизеля к перегрузкам величину Р, на режиме максимального крутящего момента следует выбирать из условия, близкого к (ц2і/а)тах.

Цикловая подача топлива, соответствующая индикаторному давлению Р, на режимах номинальном Ццн и максимального крутящего момента дц/и:

Чцн

_ Рн Vh .

QE  Пн

Р -V.

max h

цм

в виде

йв Пм

Выражение для индикаторной мощности двигателя N с учетом значения Р, в уравнении (9) запишется

йВ Пм П -Ун^-Рк

N

а  /0  30  т

Связь расхода топлива с индикаторной мощностью определится из выражения:

3,6- N

GT =

Приведенные выше зависимости сложны, поскольку параметры цикла п , Пи и а влияют друг на друга, что в формулах (9) - (12) не раскрыто. Кроме того, в формулах в неявном виде содержится частота вращения коленчатого вала, которая также влияет на ц,.

В дизелях изменение Р, при n=const происходит благодаря изменению цикловой подачи топлива Цц с одинаковым коэффициентом наполнения цилиндра воздухом. Потому изменение Р, на разных топливах будет связано практически с изменением а [1]. Оценка эффективности использования альтернативных углеводородных топлив может быть выполнена на основании анализа с использованием приведенных выше функциональных зависимостей индикаторных показателей рабочего цикла.

и

Чі

Рис. 1. Обоснование индикаторных показателей рабочего цикла дизеля

Ниже приведены модели оценки влияния изменения теплотворной способности топлива QH2 Ф Qh1 и индикаторного КПД пн2 Ф Пн1 при aH=const и п(а) = idem на параметр оптимизации Рн и цикловую подачу топлива qц2 (рис. 2).

Исследования тракторных дизелей дали возможность [2] зависимости п(а) и Р(а) в диапазоне а = 1,3—2,2 представить с достаточной точностью в виде прямых линий:

П=Пн + Кп\а{-ан);

Ip = Рн-Кр (а-ан).

Рис. 2. Обоснование рациональных параметров рабочего цикла дизеля при использовании альтернативного топлива

Коэффициенты Кр и Кп представляют тангенсы углов:

Р - Р.,

£/• iH i

Ар= (2.2 -ан) ;

jy> ЧП(&1 =2.2) ЧПН

Кп=122-ат

Соотношение параметров цикла при а„, с учетом (9) и (12) определится из выражений:

Р = Р • пн 2 ;

Рн 2 Рн1 ;

Уцн 2 Уцн1

Чн1

Qh1

Q

н2

Возможность обеспечения номинальных энергетических показателей двигателя на альтернативном топливе при nH = idem оценивается из условия Рн2 = Рн1. С учетом зависимостей (15) и (17):

Р 2 = Рн1 • — - Кр (а-ан);

Пн1

Р

п =ПнГ рН2+Кп-

Р

н1

При р2 = рн1 значение а2, при котором это условие достигается, выразится из первого уравнения системы (18) как:

-1

V Уш1 )

К

+ ан •

Цикловая подача альтернативного топлива на этом режиме определится из условия

Чц 2 - П2 - 0н2 = Чцн1 ' Пн1 - 0,1

0,1 - Пн1

или

Уц 2 Чцн1 •

Qh 2 • Пн 2

С учетом зависимости п2 (а):

q _ q ^ ________ ПН1 QH1________________^

Ц 2 ЦН1 Qh 2 •

В общем случае при Р 2 Ф Р н1 :

Уц 2 Уцн1

Qh1 Пи

н1

Qh2 • Рн1

Рн1 • — - КР \а2 -ан )

п

н1

Чш Рт + Кп'

Р н1

В большинстве случаев при оптимизации индикаторных параметров цикла на альтернативном топливе = idem. При неизменной цикловой подаче q = дцн1 (Qh2 Ф Qh1 ) происходит изменение Р,2.

Р = Р •

Р 2 = Р н1

Qh 2 • пн 2 Qh1 • П

н1

Чш 2

С учетом зависимостей системы (18):

Phi Q2 -к + К„-{а2 -ан)]

- PiH - КР ' (а2 - ан )•

Qh1 - Пн

Приняв изменение Ла = (а2 -ан) после соответствующих преобразований получим:

Ла-т—Пн' Ph

Тогда

К

P - P---------p. Ла;

i2 iH т-л 7

Kv

Vi2 -Vh +Ла

Полученные выражения позволяют оценить влияние характеристики п - /(а) и теплотворной способности топлива на индикаторные показатели цикла для принятия решений по адаптации двигателя.

Возникающая при этом проблема обеспечения энергетических показателей на альтернативном топливе до установленных технической характеристикой значений требует форсирования двигателя, которое может быть реализовано изменением номинальной цикловой подачи топлива и корректорной характеристики ТНВД с использованием полученных зависимостей. Однако форсирование по среднему индикаторному

давлению при nH - const сопровождается уменьшением а и приводит к снижению п, т.е. экономичности

цикла и весьма ограничено из-за близости ан и а„р. Поэтому при существенном ухудшении индикаторных показателей цикла (в первую очередь Р,) наиболее эффективно форсирование двигателя одновременным повышением среднего индикаторного давления и частоты вращения коленвала.

Рис. 3. Обоснование способа форсирования дизеля

По результатам многочисленных исследований [2] зависимость индикаторного КПД дизелей в рабочем диапазоне скоростей (пн - птах) можно выразить как цш = + Кп  (щ - пн).

Повышение пн при увеличении n сопровождается соответствующим возрастанием Рн, что приводит к более существенному (13) росту индикаторной мощности.

Изменение индикаторных показателей форсированием двигателя показано на рис. 3. Форсированию по индикаторному давлению от Рм2 до Рм при n2 - const (линия 2-1') соответствует уменьшение коэффициента избытка воздуха от ан до a'i и показанное стрелкой 2-2' на кривой п - /(а) снижение индикаторного КПД от ijini до Пы2. Форсирование по частоте вращения до ni, что показано горизонтальной стрелкой (1'-1) при Ры, дает возможность сохранить полученное среднее эффективное давление при ан и получить вследствие этого индикаторный КПД nnl (стрелка 2'-1), т.е. больший чем до форсирования. В случае форсирования только по частоте вращения от П2 до ni при постоянном Pin2 (стрелка 2-1'), индикаторный КПД повышается до г(т\, однако прирост эффективной мощности невелик, так как вследствие возрастания механических потерь уменьшается среднее эффективное давление.

Таким образом, при использовании альтернативных топлив наиболее эффективно комбинированное форсирование дизеля по среднему индикаторному давлению и частоте вращения, которые дают большее повышение мощности и одновременное увеличение индикаторного КПД.

Выводы

1. По результатам теоретического анализа получены математические модели для прогнозирования и оптимизации индикаторных показателей при использовании в тракторных дизелях альтернативных топлив с разной теплотворной способностью.

2. Обосновано комбинированное форсирование дизелей по среднему индикаторному давлению и частоте вращения, как наиболее эффективный способ их адаптации к использованию альтернативного топлива.

Литература

1. Николаенко, А.В. Теория, конструкция и расчет автомобильных двигателей / А.В. Николаенко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1992. - 414 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания: в 3 кн. - Кн.1. Теория рабочих процессов / В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян [и др.]; под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. - 479 с.

---------♦-----------

УДК 631.3 (075.8) Н.И. Селиванов, Н.В. Кузьмин, А.В. Кузнецов

РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРАКТОРА ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ В СОСТАВЕ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ

В статье обоснованы рациональные параметры и режимы работы трактора тягово-энергетической концепции в различных условиях эксплуатации. На основе потенциальных тяговых характеристик подтверждена эффективная целесообразность предлагаемых вариантов функционирования мобильного средства тягово-энергетической концепции в составе почвообрабатывающих агрегатов разного технологического назначения.

Современные почвообрабатывающие агрегаты относятся к разряду наиболее сложных технических систем, выполняющих технологические процессы путем перемещения по полю. При их комплектовании должны учитываться высокое качество технологического процесса, максимальная производительность при минимальных удельных топливно-энергетических и финансовых затратах, наименьшее отрицательное воздействие на окружающую среду и здоровье работающего человека.

Удовлетворение указанных требований возможно только при комплексном решении задачи комплектования агрегатов на соответствующих этапах многоуровневой системы ресурсосбережения.