Исследование динамических характеристик газодизельного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность: 05.04.02 - “Тепловые двигатели”

Исследование динамических характеристик газодизельного двигателя

Латыпов Камиль Мусалимович

Казань 2008

Работа выполнена на кафедре “Тракторы и автомобили ФГОУ ВПО “Казанский государственный аграрный университет”.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Юлдашев Алмаз Киямович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Демин Алексей Владимирович, кандидат технических наук, доцент Халиуллин Фарит Ханафиевич

Ведущее предприятие: НТЦ ОАО “КАМАЗ”, г. Набережные Челны

Защита состоится 24 декабря 2008 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева (КГТУ) по адресу:

420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева, с авторефератом - на сайте http://www.kai.ru.

Автореферат разослан “ 19 ” ноября 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент Каримова А.Г.

1. Общая характеристика работы

дизельный двигатель транспорт газовый

Актуальность.

В настоящее время дизельные двигатели имеют самый широкий спектр применения и мощностей среди всех существующих двигателей.

За последние два десятилетия наблюдается ускоренное развитие дизелей. Достигаются высокие удельные мощности, уменьшается токсичность отработавших газов, особенно это касается таких компонентов, как NOx и сажа, являющихся наиболее критичными составляющими общей токсичности рабочего процесса дизеля. Улучшаются шумовые характеристики, наряду со снижением расхода топлива и повышением надежности, долговечности и увеличением интервалов технического обслуживания. В силу перечисленного дизели завоевывают всё большую долю рынка силовых агрегатов.

Однако направления дальнейшего развития дизелей диктуются, в первую очередь, повышением требований законодательства по токсичности транспортных средств, а также необходимостью снижения расхода топлива, улучшения тяговых качеств, ездовых характеристик, акустических показателей, и снижения стоимости двигателей.

Технико-экономические показатели двигателей в значительной степени зависят от основных эксплуатационных режимов, в число которых следует включить режимы холостого хода, а также и переходные режимы. Поэтому вопросы совершенствования рабочих процессов на нагрузочных, переходных режимах и холостом ходу необходимо отнести к отдельному приоритетному направлению исследований. Данное направление имеет наибольшее практическое значение для двигателей внедорожных машин, включая двигатели сельскохозяйственной техники, так как их эксплуатация осуществляется, главным образом, на неустановившихся режимах. Кроме того, экономия топливных ресурсов и улучшение технико-экономических показателей могут достигаться переводом уже эксплуатируемых дизелей, на газовое топливо.

Цель работы. Повышение технико-экономических показателей дизельного двигателя при эксплуатации на неустановившихся режимах, и с применением газового топлива.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Исследования условий функционирования дизельного и газодизельного двигателей при работе с неустановившейся нагрузкой.

2. Определение динамических характеристик рабочих процессов газодизельного двигателя.

3. Разработка математической модели изменения основных показателей рабочего процесса газодизельного двигателя при неустановившейся нагрузке, и определение коэффициентов дифференциальных уравнений, описывающих изменение основных показателей рабочего процесса.

4. Определение путей снижения динамических потерь газодизельного двигателя при работе с неустановившейся нагрузкой.

Научная новизна заключается:

- в установлении зависимостей, на основании решений дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих динамические характеристики рабочего процесса газодизельного двигателя при работе с неустановившейся нагрузкой;

- в результатах сравнительного анализа переходных процессов при сбросе и набросе нагрузки дизельного и газодизельного двигателей, расширяющих и уточняющих знания о переходных процессах;

- в установлении закономерностей изменения технико-экономических показателей газодизельного двигателя (мощность, крутящий момент, часовой расход воздуха, часовой и удельный расходы топлива, часовой расход газа) при работе в неустановившемся режиме.

Практическая ценность.

Результаты исследований могут найти применение для повышения технико-экономических показателей как эксплуатируемых, так и вновь разрабатываемых дизельных двигателей. Оптимизация рабочих процессов и перевод двигателя на газодизельное топливо позволяет уменьшить потери мощности двигателя на 5…7 % при работе с неустановившейся нагрузкой. Наряду с этим достигается существенный экономический эффект, связанный с переводом на газодизельное топливо, при незначительных затратах на модернизацию эксплуатируемого двигателя.

Реализация работы в промышленности.

Результаты научно-исследовательской работы по исследованию динамических характеристик газодизельного двигателя, выполняемой в 2006…2007 г.г., внедрены в Научно-производственном объединении “Агросервис” г. Казань.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались: на международном научно-техническом семинаре, посвященном столетию со дня рождения вице-президента ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского (г. Казань, Академия наук РТ, 22-25 сентября 2003 года); на Научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов факультетов механизации сельского хозяйства и технического сервиса, посвященной 55-летию ФМСХ Казанского государственного аграрного университета (г. Казань, КГАУ, 2006 год); на 17-ой научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья, посвященной 50-летию кафедры “Тракторы и автомобили” Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии (г. Нижний Новгород, 2007).

В полном объеме работа докладывалась и обсуждалась на расширенном заседании кафедры “Тракторы и автомобили” КГАУ и кафедры «АДиС» КГТУ им. А.Н. Туполева.

Достоверность результатов работы.

Достоверность подтверждается удовлетворительным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, стендовых испытаний, испытаний в Научно-производственном объединении “Агросервис” г. Казань.

Личный вклад автора.

Автором лично осуществлены: реализация задач, поставленных в работе, планирование и проведение экспериментальных исследований, разработка алгоритма расчета и выполнение вычислений основных технико-экономических показателей газодизельного двигателя при работе с неустановившейся нагрузкой по регуляторной ветви, техническая реализация комплексной системы для сбора и обработки данных при испытании двигателя.

В работах [2, 3] диссертанту принадлежат основные идеи и результаты. Из совместных статей [1, 4, 5, 6] в диссертацию включены только те результаты, которые получены лично соискателем.

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 6 научных работах, в том числе статья в журнале, рекомендованном Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 136 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 44 иллюстрации. Список использованной литературы включает 109 наименований.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Теоретические зависимости рабочих процессов дизельного и газодизельного двигателей при работе с неустановившейся нагрузкой на регуляторной ветви;

2. Расчетные формулы для установления связи показателей рабочих процессов с характером нагружения двигателя в условиях эксплуатации;

3. Расчетные результаты и результаты сравнительных стендовых исследований дизельного и газодизельного двигателя;

4. Технико-экономические показатели применения газодизельного двигателя в условиях эксплуатации.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы по изучению влияния эксплуатации на неустановившихся режимах на технико-экономические показатели двигателя.

В первой главе “Обзор литературных данных” рассмотрен характер нагрузки двигателей машинно-тракторных агрегатов и других мобильных машин, пути энергосбережения в сельскохозяйственном производстве, перевод двигателей на газовое моторное топливо и использование альтернативных топлив в качестве моторных.

Одними из первых изучением процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) при работе с неустановившейся нагрузкой, занимался Болтинский В.Н., Юлдашев А. К., Крутов В. И., Лиханов В.А., Патрахальцев Н. Н., Останенк Г. И., Багиров Д. Д., Иофинов С. А., Гришин Г. Д., Иткин Б. А., Морозов Б. И., Леонов О. Б., Ждановский Н. С., Агеев Л.Е., Галлеев В.Л., Гусячкин А.М., Зимагулов А.Х., Халиулин Ф.Х. и другие ученые.

В итоге сделаны следующие выводы, обуславливающие необходимость выполнения исследований по данной теме.

Во-первых, при создании двигателей основное внимание уделяется установившимся эксплуатационным режимам. Отечественные стандарты на испытание рабочих процессов двигателей также регламентируют стационарные режимы нагружения, включая этапы сертификации двигателей на соответствие нормам токсичности отработавших газов.

Во-вторых, двигатели внедорожных машин и сельскохозяйственной техники большую часть своего ресурса работают при неустановившихся нагрузках. Это, в свою очередь, приводит к ухудшению индикаторных и эффективных показателей двигателей. Эффективная мощность снижается в среднем на 20…25%, часовой расход топлива, как правило, больше на 15…20%, чем полученный на испытательных стендах. Как следствие, увеличиваются удельные затраты топливных ресурсов на единицу сельскохозяйственной продукции.

Приведена цель исследования, сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе “Теоретические основы исследования газодизельного двигателя” разработана математическая модель изменения основных показателей рабочего процесса газодизельного двигателя Д - 243Г при работе с неустановившейся нагрузкой.

Определено, что по регуляторной ветви динамические характеристики рабочих процессов газодизельного двигателя Д-243 с приемлемой погрешностью могут быть описаны линейными неоднородными дифференциальными уравнениями второго порядка:

Изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя:

, (1)

Изменение цикловой подачи топлива:

, (2)

Изменение расхода воздуха:

, (3)

Изменение расхода газа:

, (4)

где Тij - коэффициенты дифференциальных уравнений ;

n0 - начальное значение частота вращения коленчатого вала двигателя, мин-1;

gц0 - начальное значение цикловой подачи топлива, г/цикл;

GВ0 - начальное значение часового расхода воздуха, кг/ч;

GГ0 - начальное значение часового расхода газа, м3/ч;

Кi - коэффициенты усиления;

ДМс - закон изменения момента сопротивления, действующий на коленчатый вал двигателя.

Используя принцип суперпозиции, с помощью уравнений (1…4) можно проанализировать поведение двигателя и его систем при любых видах нагрузки.

Коэффициенты дифференциальных уравнений определяются в пределах линейного участка исследуемого показателя по регуляторной характеристике.

Динамические качества двигателя оцениваются временем запаздывания изменения параметра на возмущение, продолжительностью переходного процесса. Эффективная мощность, кВт:

, (5)

где BN - коэффициент пропорциональности BN = 0,000105;

Ме0 - начальное значение крутящего момента коленчатого вала двигателя, Н*м;

Jпр - приведенный к коленчатому валу двигателя момент инерции МТА, кг*м2;

n - изменение оборотов вала двигателя, n =f(t, Mc).

Часовой расход топлива, кг/ч.

, (6)

где Bg - коэффициент пропорциональности, Bg=0,03;

gц - изменение цикловой подачи топлива, gц =f(t, n, Mc).

Часовой расход воздуха, кг/час.

, (7)

где Gв - изменение часового расхода воздуха, Gв = f(t, n,).

Часовой расход газа, м3/ч.

, (8)

где Gг - изменение часового расхода газа,

GГ = f(t, n,).

Приведенный удельный расход топлива, г/кВт*ч.

, (9)

где КПГ - коэффициент пропорциональности часового расхода газа.

В третьей главе “Программа и методика экспериментальных исследований” излагается общая методика лабораторных исследований дизельного и газодизельного двигателя. Описана разработка и создание стенда на базе индукторного тормоза для стационарных и динамических исследований двигателя. Описана методика определения основных технико-экономических показателей двигателя с описанием приборов и измерительного оборудования, используемого в опытах, методика планирования эксперимента, обработки и оценки точности полученных результатов.

Для сбора, обработки, расчета дополнительных параметров и их записи был разработан автоматизированный комплекс, включающий в себя датчики, усилители сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), ЭВМ и средство вывода информации (монитор, принтер), а также специальное программное обеспечение, позволяющее вести регистрацию, обработку и запись полученных показаний.

Рис. 1 Блок - схема автоматизированного комплекса

Автоматизированный комплекс позволяет вести непрерывное наблюдение и регистрацию следующих величин: частота вращения вала двигателя; крутящий момент двигателя; расход топлива; расход воздуха; расход газа.

Сигналы, поступающие с датчиков, усиливаются усилителями и поступают в АЦП, где они переводятся в сигналы, предназначенные для обработки на ЭВМ, и с помощью программного обеспечения происходит их дальнейшая обработка, запись и вывод результатов на монитор или принтер.

Для сбора и обработки данных использовалась программа, написанная в LabVIEW 6.0.

На рисунках 1 и 2 представлены общие виды автоматизированного комплекса сбора и обработки данных и силовой установки.

Рис. 2 Общий вид автоматизированного комплекса сбора и обработки данных

Рис. 3 Общий вид силовой установки

В четвертой главе “Результаты экспериментальных исследований и их анализ” представлены основные результаты исследования топливоподающей аппаратуры двигателя и двигателя в целом при установившейся нагрузке при работе на дизельном и газодизельном топливе.

По результатам экспериментальных исследований были определены время задержки реакции на возмущение и коэффициенты дифференциальных уравнений для проведения теоретических исследований.

Таблица 1 Значения времени задержки реакции на возмущение

Вид двигателя	Значение времени для данного параметра, с
	Частота вращения коленчатого вала двигателя	Часовой расход воздуха	Расход газа	Цикловая подача топлива
Наброс нагрузки
Д-243	0,18	0,15	-	0,14
Д-243Г	0,16	0,13	0,12	0,14
Сброс нагрузки
Д-243	0,18	0,16	-	0,2
Д-243Г	0,17	0,15	0,16	0,18

Таблица 2 Значения коэффициентов дифференциальных уравнений

Тип двигателя	Значение коэффициента для данного параметра
	Обороты вала двигателя	Часовой расход воздуха	Цикловая подача топлива	Расход газа
Наброс нагрузки
Д-243	Т1	0,58451	0,52288	0,26375	-
	Т2	0,45754	0,38152	0,17046	-
Д-243Г	Т1	0,55902	0,42770	0,29696	0,20307
	Т2	0,42672	0,30746	0,16480	0,14427
Сброс нагрузки
Д-243	Т1	0,89708	0,81013	0,38740	-
	Т2	0,72645	0,61330	0,29090	-
Д-243Г	Т1	0,83040	0,63419	1,02534	0,43769
	Т2	0,66008	0,51454	0,24925	0,33566

Как видно из таблицы 2, значения коэффициентов дифференциальных уравнений при набросе и сбросе нагрузки отличаются и не имеют строгой линейной зависимости.

Время задержки изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя, часового расхода воздуха и цикловой подачи топлива у газодизельного двигателя меньше, чем у дизельного.

Переходный процесс у газодизельного двигателя протекает более интенсивно и имеет меньшую частоту колебаний в переходном процессе.

Проведен сравнительный анализ лабораторных данных испытания дизельного и газодизельного двигателя при работе с неустановившейся нагрузкой (рисунки 4…8).

Рис. 4 Изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя

Рис. 5 Изменение мощности двигателя



Рис. 6 Изменение крутящего момента

Рис. 7 Изменение расхода топлива

Рис. 8 Изменение расхода воздуха

На рисунках 9…12 представлены графики сходимости теоретических и лабораторных исследований газодизельного двигателя.



Рис. 9 Изменение оборотов коленчатого вала (двигатель Д-243Г)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10 Изменение расхода воздуха (двигатель Д-243Г)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11 Изменение цикловой подачи топлива (двигатель Д-243Г)

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 12 Изменение расхода газа (двигатель Д-243Г)

Как видно из графиков (рисунки 8…11), результаты теоретических (штриховые кривые) и лабораторных экспериментов (сплошные кривые) имеют хорошую сходимость, что подтверждает адекватность математической модели и возможность заменять нагрузку, создаваемую МТА на двигатель, нагрузкой, создаваемой тормозной установкой с приведенным моментом инерции, соответствующей моменту инерции МТА.

В пятой главе “Оценка эффективности работы газодизельного двигателя Д - 243Г при неустановившейся нагрузке” расчетами установлено, что при годовой загрузке трактора 1300 моточасов годовая экономия составит 129,3 тыс. рублей на один трактор (в ценах на топливо 01.01.2008г.) при стоимости переоборудования трактора на газодизельное топливо 51 тыс. рублей.

Общие выводы по работе

1. Изучение исследований в области неустановившейся нагрузки показало, что наиболее целесообразным приемом повышения эффективности работы двигателя можно считать совершенствование связи работы систем двигателя с характером неустановившейся нагрузки.

2. Определены теоретические зависимости рабочих процессов газодизельного двигателя, описываемые дифференциальными уравнениями второго (при работе по регуляторной ветви) порядка, которые дают возможность установить закономерности влияния коэффициентов дифференциальных уравнений и характер нагрузки на изменение частоты вращения коленчатого вала двигателя, цикловой подачи топлива и часового расхода газа и воздуха, что позволяет оптимизировать работу газодизельного двигателя при неустановившейся нагрузке.

3. Разработанная математическая модель изменения показателей рабочего процесса газодизельного двигателя в неустановившемся режиме позволяет использовать известные теоретические положения для усовершенствования системы регулирования подачи топлива и газа в серийно выпускаемых двигателях.

4. Экспериментальные и теоретические исследования подтвердили адекватность расчетов: частоты вращения коленчатого вала двигателя (отклонение 3…5%), часового расхода воздуха (отклонение 4…6%), цикловой подачи топлива (отклонение 4…7%) и часового расхода газа (отклонение 3…5%).

5. Оптимизация рабочих процессов и перевод двигателя на газовое топливо позволит уменьшить потери мощности двигателя на 5…7 % при работе с неустановившейся нагрузкой.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Научная статья, опубликованная в издании, рекомендованном ВАК:

1. Латыпов К.М. Пути повышения эффективности использования двигателей внутреннего сгорания автомобилей и машинно-тракторных агрегатов в условиях эксплуатации. / А.К. Юлдашев, К.М. Латыпов, В.М. Медведев, С.А.Синицкий // Журн. Вестник Московского государственного агроинженерного университета им.В.П.Горячкина. М. - 2007. - № 1 (21). - с. 114-116.

Работы, опубликованные в других изданиях:

2. Латыпов К.М. Газовое моторное топливо - в сельскохозяйственное производство./ К. М. Латыпов. Использование динамических характеристик рабочих процессов тепловых двигателей для проектирования, эксплуатации, диагностики и ремонта// Материалы международного научно-технического семинара, посвященного столетию со дня рождения вице-президента ВАСХНИЛ В. Н. Болтинского 22-25 сентября 2003 года./ Академия наук РТ, Казань 2004, с. 192-195.

3. Латыпов К.М. Газовый автотранспорт - транспорт XXI столетия. / К. М. Латыпов. Использование динамических характеристик рабочих процессов тепловых двигателей для проектирования, эксплуатации, диагностики и ремонта.// Материалы международного научно- технического семинара, посвященного столетию со дня рождения вице- президента ВАСХНИЛ В.Н. Болтинского 22-25 сентября 2003 года. Академия наук РТ, Казань 2004, с. 196-197.

4. Латыпов К.М. Стенд для исследования газодизелей в стационарных и динамических режимах нагружениях. / К. М. Латыпов, А. К. Юлдашев, Р. И. Садыков, М. М. Хуснутдинов// Труды инженерных факультетов Казанского государственного аграрного университета, посвященные 55-летию ФМСХ. Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов факультетов механизации сельского хозяйства и технического сервиса. Том. 73/ Казань, 2006. с.242-245.

5. Латыпов К.М. Методы использования альтернативных топлив в качестве моторных. / К. М. Латыпов, А. К. Юлдашев// Труды инженерных факультетов Казанского государственного аграрного университета, посвященные 55-летию ФМСХ. Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов факультетов механизации сельского хозяйства и технического сервиса. Том. 73/ Казань, 2006. с. 278-281.

6. Латыпов К. М. Динамические характеристики автотракторных дизелей. / А.К. Юлдашев, К.М. Латыпов, Н.З. Хисметов // Повышение технико-экономических и экологических показателей двигателей, тракторов, автомобилей в сельскохозяйственном производстве. Материалы 17-ой научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья, посвященной 50-летию кафедры “Тракторы и автомобили” Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии. /Нижний Новгород, 2007. с. 208-209.

Размещено на Allbest.ru

...