Улучшение показателей тракторного дизеля на режимах перегрузки

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 621.436

УЛУЧШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ НА РЕЖИМАХ ПЕРЕГРУЗКИ

В.М. Славуцкий1, доктор технических наук, профессор А.В. Курапин1, кандидат технических наук, доцент Е.А. Салыкин1, кандидат технических наук, доцент З.Х. Харсов2, соискатель

1 Волгоградский государственный технический университет

2Северо-Кавказский филиал Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета, г. Лермонтов

В статье рассматривается метод перенастройки тракторного дизеля Д-144 до уровня двигателя постоянной мощности. При этом подача топлива в дизеле интенсифицирована путём скоростного форсирования насоса высокого давления, получена характеристика модернизированного насоса с положительной коррекцией, что исключает необходимость применения корректирующего устройства.

Ключевые слова: режимы перегрузок, подача топлива, положительная коррекция, коэффициент приспособляемости, коэффициент избытка воздуха, двигатель постоянной мощности.

Все современные тракторные дизели со свободным впуском на номинальном режиме работают при коэффициенте избытка воздуха, несколько большем того значения, при котором начинается резкое ухудшение процесса сгорания топлива (предел дымления). Такая регулировка топливной аппаратуры вызвана стремлением более полно использовать рабочий объём цилиндра для получения максимально возможной удельной мощности двигателя. Чем лучше организован рабочий процесс, тем меньше коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме работы дизеля. По этому признаку обычно оценивают совершенство рабочего процесса.

Условия нагружения тракторов оцениваются диапазоном изменения сопротивления движению. Этот показатель определяется отношением максимального силового нагружения к минимальному. Это отношение для тракторов составляет 2,0...3,5. Мо-торно-трансмиссионные установки тракторов должны обеспечивать соответствующие тяговые усилия.

Способность двигателя преодолевать возрастающее сопротивление движению характеризуется коэффициентом приспособляемости. Это отношение максимального крутящего момента на валу двигателя к моменту при номинальной частоте вращения коленчатого вала. Не менее информативным показателем, характеризующим тяговые свойства двигателя, является и коэффициент запаса крутящего момента. Это отношение разности максимального и номинального моментов к номинальному моменту. Только при равенстве коэффициента приспособляемости и диапазона изменения сопротивления движению двигатель обеспечивает автоматическое приспособление к изменяющимся условиям работы. У дизелей коэффициент приспособляемости к всего лишь равен 1,07.1,18.

На режимах перегрузки (корректорная ветвь скоростной характеристики) невозможно получить большие значения коэффициента приспосабливаемости. Поскольку на номинальном режиме работы дизеля значение коэффициента избытка воздуха, как уже было сказано выше, мало отличается от его предельного значения (предела дымления).

Поэтому незначительное увеличение цикловой подачи топлива при перегрузке дизеля приводит к резкому нарушению процесса сгорания топлива. С этим связано и то, что у дизелей частота вращения коленчатого вала, соответствующая максимальному моменту, мало отличается от номинальной частоты.

Только увеличение коэффициента избытка воздуха на номинальном режиме позволяет качественно сжигать топливо в широком диапазоне рабочих частот вращения коленчатого вала. На этом основана идея увеличения коэффициента избытка воздуха путём дефорсирования дизеля по среднему эффективному давлению на номинальном режиме (уменьшение цикловой подачи топлива). Зная характер изменения мощности дизеля на режимах перегрузки, логичным было идею дефорсирования дополнить стабилизацией мощности на определённом уровне. В настоящее время наработан определённый опыт создания двигателей постоянной мощности на базе дизелей без наддува [2].

Повышение нагрузки дизеля при работе его на режимах корректорной ветви характеристики сопровождается уменьшением частоты вращения коленчатого вала. Поэтому особая роль при этом отводится качеству организации рабочего процесса.

Сотрудниками кафедры «Автотракторные двигатели» ВолгГТУ запатентована система топливоподачи для дизелей [5]. Система позволяет значительно повышать давление впрыскивания топлива, что улучшает процесс смесеобразования. Систему отличает и то, что характеристика подачи топлива - с прямой коррекцией: при уменьшении частоты вращения коленчатого вала цикловая подача топлива увеличивается. Это свойство системы исключает использование корректирующего устройства в топливном насосе.

В статье изложены некоторые результаты расчётных и экспериментальных исследований тракторного дизеля Д-144, работающего в режиме двигателя постоянной мощности. Исследовано 3 варианта двигателей. Штатным называем вариант заводской комплектации. Два варианта опытных двигателей различаются степенью их дефорси-рования при работе в режиме постоянной мощности.

На рисунке 1 показана зависимость цикловой подачи топлива Qc от частоты вращения коленчатого вала п для штатного и 2-х вариантов опытного двигателя. Увеличение цикловой подачи топлива при снижении частоты вращения коленчатого вала, что связано с повышением нагрузки двигателя, и отличает, прежде всего, опытные варианты двигателя от штатного.

Зависимость коэффициента избытка воздуха а от частоты вращения коленчатого вала демонстрирует рисунок 2. Увеличение а от 1,33 до 1,43 (для штатного двигателя) соответствует изменению цикловой подачи топлива от 69 до 62 мм . При этом п изменяется от 2000 мин-1 до 1000 мин-1 (рис. 1). В случае дефорсирования двигателя, при таком же изменении частоты вращения коленчатого вала, цикловая подача топлива увеличивается от 52 до 69 мм (рис. 1). Это соответствует изменению а от 1,8 до 1,28 (рис. 2). Дефорсирова-ние дизеля (уменьшение мощности) составляет 25 % (рис. 3). Коэффициент приспособляемости для штатного варианта двигателя 1,03, а для опытного - 1,28 (рис. 4).

О с

мм

70

65

60

55

50

45

40

......^ >

1

\ 2

к /

3

п, мин

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100

Рисунок 1 - Зависимость цикловой подачи топлива Qc от частоты вращения коленчатого вала п: 1- штатный вариант двигателя; 2 - двигатель дефорсирован; 3 - дополнительное дефорсирование двигателя

1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1

1 1 3

N к

N

2 —

\

1

\

п, мин

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента избытка воздуха а от частоты вращения коленчатого вала п: 1 - штатный вариант двигателя; 2 - двигатель дефорсирован; 3 - дополнительное дефорсирование двигателя

а

N e кВт

70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20

240 ge, г/кВт-ч

235

230

225

220

215

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 п мин -1

Рисунок 3 - Зависимость эффективной мощности Ые и удельного эффективного расхода

топлива ge от частоты вращения коленчатого вала дизеля п:

- Ne;

ge;

1- штатный вариант двигателя; 2 - двигатель дефорсирован;

3 - дополнительное дефорсирование двигателя

Режим постоянной мощности для опытного двигателя поддерживается в диапазоне изменения n от 2000 мин-1 до 1700 мин-1 (рисунок 3). Продлить участок постоянной мощности удалось до значений n = 1500 мин-1 путем дополнительного дефорсиро-вания дизеля до мощности 45,2 кВт, с чем связано уменьшение цикловой подачи топлива до 47,8 мм (рис. 1). В этом случае коэффициент приспособляемости дизеля k составляет 1,45 (рисунок 4).

Важно отметить, что с повышением степени дефорсирования двигателя увеличивается не только коэффициент приспособляемости, но и расширяется диапазон рабочих частот вращения вала (пн - пм max).

Ме,

Н*М 330

315

300

285

270

255

240

225

< \

г 1

\

2

^^ 1 1

3

/

n, мин

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100

Рисунок 4 - Зависимость эффективного крутящего момента Ме от частоты вращения коленчатого вала п: 1 - штатный вариант двигателя; 2 - двигатель дефорсирован;

3 - дополнительное дефорсирование двигателя

Так, в двигателе штатного варианта максимальный крутящий момент при п = 1700 мин -1, в дефорсированном двигателе - при 1200 мин -1, а в случае дополнительного дефорсирования - при 1150 мин -1 (рис. 4).

Удельный расход топлива в опытных двигателях на 1,5.. .1,7 % меньше такового в штатном двигателе (диапазон рабочих частот 2000.1500 мин -1, рис. 3). При частоте вращения коленчатого вала 1300 мин -1 удельный расход топлива в опытных двигателях равен расходу в штатном двигателе. При частотах, меньших 1300 мин -1, в опытных двигателях расход топлива несколько больше, чем в штатном (рис. 3). Это легко объясняется уменьшением коэффициента избытка воздуха на режимах максимального крутящего момента, когда достигнут предел дымления (рис. 2, 4).

При исследовании опытных вариантов двигателя, для изменения степени дефор-сирования его, на номинальном режиме уменьшался лишь рабочий ход плунжера. Для получения скоростной характеристики топливоподачи с положительной коррекцией использовались свойства топливной системы с удвоенной скоростью вала ТНВД [5].

Исследование внутренних процессов в топливной системе позволило разработать методы формирования закона подачи на корректорной ветви скоростной характеристики, основанные на изменении конструктивных и регулировочных параметров топливной системы [3, 4, 6].

Ниже приводятся варианты топливной системы с изменёнными конструктивными и регулировочными параметрами:

1) опытная система (с удвоенной частотой вращения вала топливного насоса, конструктивные и регулировочные параметры системы штатные);

2) изменены объем штуцера Ун и давление открытия нагнетательного клапана Рко:

3 3

- опытная система (Ун = 2,7-10 мм , Рко=1,3 МПа);

3 3

- опытная система (дополнительное дефорсирование двигателя), (Ун=6,7-10 мм , РКо = 0,9 МПа);

3) изменен диаметр отсечного окна гильзы плунжера

- опытная система (^0 = 3,02 мм);

- опытная система (дополнительное дефорсирование двигателя), (ё0 = 5,0 мм);

4) изменен диаметр отсечного окна гильзы плунжера й0 и давление открытия нагнетательного клапана Рко:

- опытная система (ё0 = 3,02 мм, Рко = 1,3 МПа);

- опытная система (дополнительное дефорсирование двигателя), (ё0 = 5,0 мм, Рко = 0,9 МПа).

В результате серии расчётных экспериментов доказана возможность формировать закон подачи топлива путем изменения конструктивных и регулировочных параметров топливной системы. Произведен расчет эффективной мощности Ые и крутящего момента Ме при различных настройках топливной системы и работе дизеля на режимах корректорной ветви скоростной характеристики.

Наибольшее значение коэффициента приспособляемости дизеля к = 1,64 полу-

3 3

чено при объеме штуцера насоса Ун = 6,7 10 мм , и давлении открытия нагнетательного клапана Рко = 0,9 МПа. Номинальная мощность дизеля уменьшена при де-форсировании его до 36,5 кВт. Удельный эффективный расход топлива при макси-

мальном крутящем моменте не превышает 232,8 г/(кВт-ч). Минимальный удельный расход топлива - 217,86 г/(кВт-ч).

В результате проведенных исследований доказана возможность получения высоких значений коэффициента приспособляемости (к = 1,45) в дизеле, работающем в режиме двигателя постоянной мощности.

Библиографический список

1. 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 (14). - C. 130-138.

2. 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.Г. Кривов. - Волгоград, 2001.

3. Показатели тракторного дизеля при скоростном форсировании топливного насоса [Текст]/ В.М. Славуцкий, А.М. Ларцев, Н.Н. Косырева, З.Х. Харсов // Известия ВолгГТУ. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки» : межвуз. сб. науч. ст. / науч. ред. Е. А. Федянов; ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. - Вып. 1, № 6. - C. 63-68.

4. Славуцкий, В.М. Об улучшении тяговых свойств транспортных дизелей [Текст]/ В.М. Славуцкий, И.С. Смирнов, З.Х. Харсов // Материалы 14 международной конференции, г. Волгоград, 26-29 мая 2010 г. Волгоград, 2010. - С. 155-158.

5. Способ регулирования подачи топлива в цилиндры дизеля [Текст] : пат. № 2187688 Рос. Федерация, МПК7 F 02 M 63/04 /В.М. Славуцкий, В В. Славуцкий, В.А. Зубченко, А.В. Курапин, Е.А. Салыкин и др.: заявитель и патентообладатель Волгоград. гос. техн. ун-т. - № 2000128585/06; заявл. 15.11.2000; опубл. 20.08.2002. бюл № 23.

6. Способ регулирования подачи топлива в цилиндры дизеля [Текст]: пат. 2330176 РФ , МПК F 02 M 63/04. / Славуцкий В.М., Белозубов Ю.В., Каныгин З.В., Харсов З.Х.; ВолгГТУ. - 2008.

E-mail: atd@vstu.ru