Научные основы создания регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Научные основы создания регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения

Специальность:

05.02.02 -- Машиноведение, системы приводов и детали машин;

Балабин Валентин Николаевич

Москва, 2010



Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Коссов Валерий Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ковальский Виктор Федорович

доктор технических наук, профессор Ковалевский Виталий Иванович

доктор технических наук, профессор Просвиров Юрий Евгеньевич

Ведущая организация: «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится ___ июнь 2010 г. в ____ час ___мин на заседании диссертационного совета Д 218.005.08 при Московском государственном университете путей сообщения по адресу: Москва, ул. Образцова 15, МИИТ ауд. 2501.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.005.08,

доктор технических наук, доцент А.В. Саврухин



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы заключается в использовании новых видов привода клапанов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания (ЛДВС) с целью совершенствования их эксплуатационных характеристик.

Решение проблем, связанных с повышением топливной экономичности и улучшением экологических факторов, потребовало новых подходов, основанных на улучшении характеристик ЛДВС.

Новые технические решения по вспомогательным установкам локомотивов, повышение экологической безопасности, и топливной экономичности, потребовало развития микропроцессорных систем управления ЛДВС, в том числе регулирование приводов органов газораспределения и систем топливоподачи.

В практике отечественного двигателестроения стало активно развиваться новое направление: микропроцессорное управление системами приводов ЛДВС.

Цель диссертационной работы -создание и исследование регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения

Задачи исследований, которые поставлены и решены в работе по достижению цели:

· выполнен анализ перспектив развития приводов нового поколения для транспортных средств и энергетических установок, применительно к автономным локомотивам;

· сформулированы и научно обоснованы принципы адаптивности ЛДВС (прежде всего механизмов газораспределения) к эксплуатационным тяговым режимам тепловозов, путем замены традиционного привода клапанов газораспределения на альтернативный, немеханический привод;

· определены факторы взаимной корреляции и ковариации основных технико-экономических параметров ЛДВС и их влияние на выбор фаз газораспределения (ФГР);

· разработаны основные технические и конструктивные положения концепции перехода от традиционного механического на прогрессивные электромагнитный и электрогидравлический виды приводов газораспределения перспективных ЛДВС нового поколения;

· проведен комплекс стендовых и моторных испытаний электромагнитного и электрогидравлического проводов газораспределения транспортных ДВС;

· обоснование понятие концепции ЛДВС нового поколения и основные направления их развития;

· выполнена оценка технико-экономической эффективности от внедрения предложенных в работе технических решений.

Направления исследований, вытекающие из сформулированной цели и решаемые в процессе выполнения работы:

1. Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования с использованием моделирования процессов в приводе механизма газораспределения и выбор оптимальных значений конструкционных параметров при проектировании альтернативных видов привода.

2. Теоретическая и экспериментальная проработка альтернативных, немеханических видов привода клапанов и систем управления процессами газообмена ЛДВС.

3. Анализ влияния выбранных параметров газораспределения на достигнутые технико-экономические показатели основных серий транспортных дизелей. Определение конвергентности, взаимной корреляции и ковариации влияния основных технико-экономических параметров двигателей на выбор ФГР при механическом и альтернативных типах приводов.

4. Разработка технических решений по совершенствованию существующих приводов механизмов газораспределения ЛДВС с целью повышения топливной экономичности и надежности в эксплуатационных условиях.

5. Создание прогрессивных систем электрогидравлического (ЭГПК) и электромагнитного (ЭМПК) приводов клапанов газораспределения ЛДВС. Разработка конструктивных и эксплуатационных параметров ЭГПК и ЭМПК для ЛДВС нового поколения различных мощностных и скоростных градаций.

6. Анализ эксплуатационных режимов локомотивов и рассмотрение концептуальных вопросов повышения эффективности работы ЛДВС.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на данных некоторых известных теоретических положениях технологии машиностроения, термодинамики и математического моделирования. Использованы методы теорий линейных и нелинейных систем, теории оптимального управления, гидромеханики и теории сплошных сред, методы теории поля, проектирования систем управления и методы компьютерного моделирования. Применены пакеты Mathcad и Excel. Применены современные информационные технологии и интернет-ресурсы, электронные журналы и различные виды электронных публикаций.

При обработке экспериментальных данных, применялись методы наименьших квадратов.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов на стендовых установках, а также согласованностью с некоторыми результатами исследований, выполненных в разные годы ведущими научными и производственными коллективами.

Достоверность новизны технических решений подтверждается получением 23 патентов и авторских свидетельств на изобретения.

Научная новизна заключается в создании новых видов привода газораспределения, оптимизирующих эксплуатацию локомотивных ДВС. Впервые для перспективного тягового подвижного состава предложены варианты совершенствования локомотивных ДВС, связанные с введением новых объектов регулирования газообмена.

Практические рекомендации заключены в использование адаптивности ЛДВС к эксплуатационным режимам локомотива, прежде всего процессов газообмена при использовании новых видов привода механизма газораспределения. Это позволит повысить эффективный КПД, снизить удельный эффективный расход топлива на основных эксплуатационных режимах: частичных нагрузках, переходных режимах и холостом ходу.

Практическая значимость результатов исследований состоит в выборе конструктивных параметров альтернативных приводов механизмов газораспределения (ПМГР). Результаты исследования ориентированы на создание новых альтернативных типов привода органов газораспределения и систем управления, а также послужили основой для создания:

· метода оценки влияния основных технико-экономических параметров ЛДВС на выбор ФГР и закона движения клапанов ПМГР при адаптивности к изменяющимся эксплуатационным условиям;

· моделей альтернативных немеханических систем ПМГР перспективных ЛДВС;

· способов плавного и дискретного регулирования ФГР при немеханических системах ПМГР, позволяющих снизить удельный расход топлива и улучшить эксплуатационные показатели ЛДВС;

Результаты могут представлять значительный интерес для задач экологического характера, поскольку именно процессы газообмена ЛДВС являются доминирующими в улучшении этих параметров.

Практические разработки предназначены для использования в перспективных конструкция ЛДВС. Методики, алгоритмы и схемные решения могут применяться в научных, производственных и учебных целях.

Практический эффект заключается в снижении удельного эффективного расхода дизельного топлива на эксплуатационных режимах ЛДВС в среднем на 4…8%.

Реализация результатов выполнена в разное время на НПО «Тепловозпутьмаш» (ВНИКТИ), НИИ двигателей (Москва), Барнаульском заводе транспортного машиностроения, Камбарском машиностроительном заводе. Отдельные положения исследований использованы ОАО «Коломенский завод».

Предложены направления оптимизации конструктивных параметров привода механизма газораспределения с точки зрения улучшения качества переходных процессов в силовых энергетических установках локомотивов, заключающихся в сокращении длительности переходных процессов при изменении скоростных и нагрузочных режимов.

Разработаны рекомендации по использованию регулирования ФГР и закона движения клапанов для конкретных ЛДВС.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и получили положительную оценку на конференциях и научных форумах:

· конференции «Основные направления развития силовых энергетических установок тепловозов», проводимая руководством Латвийской железной дорогой (Латвия, Рига, 10-14 марта 2003 г.);

· Международном конгрессе «Mech-2003»: «Механика и трибология транспортных систем-2003» (Выставочный комплекс на Красной пресне);

· научно-практической конференции-выставки «Триботех 2003» с международным участием» (Выставочный комплекс на Красной пресне);

· научно-практической конференции «Инновации в эксплуатации и развитии инфраструктуры железнодорожного транспорта» (Москва, ВНИИЖТ, 24-25 июня 2004 г.);

· международной научно-технической конференции «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», (Москва, ГОСНИТИ, 8-9 декабря 2004 г.);

· международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения», (Челябинск, ЮУрГУ 26-28 апреля 2006 г.);

· VII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», Гомель, Белоруссия, 2006 г.;

· IV Международной научно-практической конференции «Проблемы безопасности на транспорте», Гомель, Белоруссия, 2007 г.;

· VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», МИИТ, 2007, V-4.

· III Международной научно-технической конференции: «Эффективность, надежность и безопасность энергетических установок (Энергоустановки - 2008)», Украина, Севастополь-Батилиман.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 44 научных работах, в том числе в 23 патентах и авторских свидетельствах на изобретения. ковариация конвергентность газораспределение привод

Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Локомотивы» Московского государственного университета путей сообщения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы из 180 наименований. Содержание диссертации изложено на 292 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 74 рисунка, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемых задач, научная новизна разработанных методов, показана практическая значимость полученных результатов и кратко описано содержание диссертации.

Решение проблем, связанных с повышением топливной экономичности и улучшением экологических факторов, потребовало новых подходов, основанных на улучшении характеристик ЛДВС.

Новые технические решения по вспомогательным установкам локомотивов, повышение экологической безопасности, и топливной экономичности, потребовало развития микропроцессорных систем управления ЛДВС, в том числе регулирование органов газораспределения и систем топливоподачи.

В практике отечественного двигателестроения стало активно развиваться новое направление: микропроцессорное управление системами приводов ЛДВС.

Обоснована возможность повышения экономических и экологических показателей работы ЛДВС за счет применения управляемых приводов газораспределения.

Первая глава посвящена анализу и перспективам развития приводов нового поколения для транспортных средств и энергетических установок.

Применительно к автономным локомотивам рассмотрены перспективные направления развития силового привода общего назначения.

Основные тенденции развития гидропривода, следующие:

· интенсивное сращивание гидроприводов с цифровыми электронными системами управления, применение «интеллектуальных» элементов гидропривода со встроенными микропроцессорами;

· повышение рабочего давления (шестеренные и пластинчатые насосы -- до 30 МПа, аксиально-поршневые и ролико-лопастные -- до 42 МПа, радиально-поршневые -- до 70 МПа;

· расширение номенклатуры в основном в сторону миниатюризации (например, у миниатюрной ролико-лопастной гидромашины РЛГ-1 достигнута максимальная частота вращения 30 000 мин-1).

· улучшение эксплуатационных показателей; унификация параметров и размеров (стандарты ISO); повышение качества на основе сертификации производства по ISO 9000 и стандартизации методов испытаний; повышение безопасности; широкое использование компьютерного проектирования и испытаний хорошо идентифицированных компьютерных моделей.

Широкое распространение силового гидропривода объясняется тем, что этот привод обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов машин. Говоря о преимуществах гидропривода, следует отметить простоту автоматизации работы гидрофицированных механизмов, возможность автоматического изменения их режимов работы по заданной программе.

В России при участи автора диссертации был создан унифицированный ряд гидравлических ролико-лопастных гидромашин (РЛГ) с техническими параметрами, соответствующими современному мировому уровню развития. На сегодняшний день они включают 6 базовых моделей из 20 типоразмеров с рабочими объемами от 0,5 до 2000 см3/об. РЛГ предназначены для использования в приводах вспомогательного оборудования локомотивов.

Развитие электроники и микропроцессорной техники привело к существенному росту возможностей реализуемых алгоритмов и программ, вследствие чего логические свойства бортовых устройств локомотивов мало уступают персональным и стационарным компьютерам. К тому же резко возросли показатели надежности электронных устройств и снизилась себестоимость их производства.

В главе рассмотрены некоторые особенности применения силового электромагнитного и электрогидравлического проводов.

Во второй главе рассмотрены существующие системы привода клапанов газораспределения транспортных двигателей, дан анализ особенностей применения механического привода и регулирования фаз газораспределения. Приведены результаты конкретных технических решений по совершенствованию механического привода клапанов (МПК) газораспределения современных двигателей внутреннего сгорания с целью повышения топливной экономичности и надежности.

Вопросами альтернативного привода газораспределения для ЛДВС занимались в разное время ученые и специалисты: Бородулин И.П., Васильев В.Н., Виноградов А.С., Гриценко Н.Д., Левин Г.И., Маханько М.Г., Третьяков А.П., Улановский Э.А., Фомин Ю.Я., Фроликов И.И., Хуциев А.И.

Проблему регулирования ФГР при МПК в разное время подробно исследовали ученые: Аладышкин В.Я., Афанасьев В.Г., Берман А.А., Богачев В.Г., Братченко А.В., Глаголев Н.М., Дзецин О.П., Камкин С.В., Лемещенко А.Л., Леонов Д.И., Мороз В.И., Патрахальцев Н.Н., Пыжанкин Г.В., Серафимов Д.Г., Станиславский Л.В., Строков В.Л., Суранов А.В., Тарасов А.М., Толкачев Н.А., Усачев Е.И., Хмельницкий Ю.Н., Хохлов О.И., и другие.

В главе рассмотрены положительные качества и недостатки современного МПК, являющегося основным на транспортных дизелях, в том числе и ЛДВС.

Длительная эксплуатация транспортных дизелей на частичных нагрузках и холостом ходу, то есть при работе на неоптимальных ФГР приводит к увеличению забросов газа во впускной ресивер, отложению нагара и, в результате, к перегреву деталей при переводе двигателя на номинальный режим работы.

Совершенствование МГР является эффективной мерой повышения экономичности транспортных дизелей в эксплуатации, на частичных и переходных режимах.

В случае резкого изменения нагрузки необходимо адекватное быстрое изменение «времени-сечения» клапанов газораспределения для обеспечения требуемого коэффициента избытка воздуха. В этих условиях важнейшим требованием является согласование характеристик систем топливоподачи, газообмена и наддува.

Качество переходных процессов, протекающих в двигателе, существенно зависит от настройки параметров газообмена. При неустановившихся и частичных долевых режимах работы ухудшаются все технико-экономические показатели, связанные с наполнением и очисткой цилиндров.

Перспективные конструкции приводов МГР позволят повысить уровень автоматизации дизелей. Известно, что наряду с разработкой традиционных задач автоматизации двигателей необходимо развитие работ в новых направлениях, в частности, по оптимизации управления двигателей на эксплуатируемых режимах и при изменении внешних условий.

По месту расположения регуляторов ФГР можно выделить четыре способа: расположение регулятора между коленчатым и распределительным валами (обозначение КВ>РВ); расположение между распределительным валом и толкателем (РВ>ТОЛ); расположение на участке от толкателей до клапана (ТОЛ>КЛ); расположение непосредственно в клапане (КЛ>КЛ).

Выполненные патентно-информационные исследования новых конструкций механического привода клапанов, показали, что их можно применять для ограниченных целей и задач, не решающих общих проблем повышения топливной экономичности во всем диапазоне регулирования и не обеспечивающих жесткие экологические требования.

Эти недостатки, безусловно, являются тормозом дальнейшего развития МПК газораспределения и предопределяют исследования других альтернативных типов привода.

В качестве критики традиционного механического привода рассмотрены вопросы влияния неравномерности вращения распределительного вала на ФГР клапанов. Скручивание вала на переходных режимах допускает рассогласование ФГР по крайним цилиндрам многоцилиндрового ЛДВС до 4⁰ п.к.в.

Это положение подтверждено современной системой мониторинга дизелей (СМД), созданной при участии автора диссертации.

В главе приведен анализ существующих схем механизмов с регулированием фаз газораспределения. На сегодняшний день ряд ведущих компаний проводят полномасштабные исследования систем регулирования ФГР и хода клапанов.

Чаще всего упоминаются системы: VALVETRONIC и «Vanos» (Variable Nockenwellen Steuerung) фирмы BMW; VVT (Variable Valve Timing) и VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) фирмы Honda; MIVEC фирмы Mitsubishi; VVL (Variable Valve Event & Lift System) или (VEL) фирмы Nissan Neo; VVC (Variable Valve Control) фирмы Rover; Valvematic компании Toyota и другие.

Рассмотрены некоторые особенности применения этих систем на транспортных ДВС.

Оптимальные ФГР современных двигателей, как правило, определяют экспериментальным путем при комплексной стендовой доводке модели двигателя. Однако современное развитие микропроцессорной техники позволяет применить и расчетные методы ФГР для номинального режима работы, основанные на уравнениях весового, объемного и энергетического баланса газов.

Влияние геометрии органов газообмена и ФГР на показатели транспортных ДВС подробно исследовали ученые: Аладышкин В.Я., Богачев В.Г., Хохлов О.И., Строков В.Л., Толкачев Н.А., Афанасьев В.Г., Серафимов Д.Г., Камкин С.В., Евстифеев Б.В., Лемещенко А.Л., Улановский Э.А., Дзецин О.П., Суранов А.В., Пыжанкин Г.В., Мороз В.И., Братченко А.В., Хмельницкий Ю.Н., Леонов Д.И. и другие.

Были сформулированы общие требования по выбору ФГР для транспортных двигателей любой конфигурации и назначения.

Мотивированные требования для ЛДВС:

· регулированию ФГР должна сопутствовать высокая топливная экономичность при оптимальных величинах «время-сечения» на любых скоростных и нагрузочных режимах;

· возможность плавного изменения диапазонов регулирования и быстродействия движения клапанов при соблюдении устойчивости регулирования;

· точность позиционирования и идентичность закона движения КГР по цилиндрам;

· стабильность работы и высокие значения моторесурса при различных скоростных, мощностных и температурных режимах.

Выбор ФГР является сложной технической задачей и зависит от степени форсирования дизеля по давлению наддува, частоты вращения коленчатого вала, типа применяемого привода кулачковых валов, выбранных профилей кулачков и ряда других факторов.

Выполнен анализ влияния выбранных параметров газораспределения на достигнутые технико-экономические показатели основных серий транспортных дизелей. Всего были рассмотрены данные 131 двигателя с наддувом и 67 - без наддува.

Мощностной диапазон для двигателей с наддувом: 50…4110 кВт, для безнаддувных: 45…880 кВт. Диапазон частот вращения коленчатого вала для двигателей с наддувом: 350…2100 мин-1, соответственно для двигателей без наддува: 230…2400 мин-1.

Впервые исследованы возможные комбинации из параметров: ; ; ; ; ; , с различными ФГР. Общий диапазон регулирования ФГР по двигателям с наддувом: - 29…94⁰ пкв (опережение открытия выпускного клапана); - 3…87⁰ пкв (опережение открытия впускного клапана); - 8…75⁰ пкв (запаздывание закрытия выпускного клапана): - 22..56⁰ пкв (запаздывание закрытия впускного клапана). По двигателям без наддува: - 18…60⁰ пкв; - 5…37⁰ пкв; - 5…32⁰ пкв: - 20..50⁰ пкв.

Выполнено сравнение среднеквадратичного отклонения, являющегося мерой рассеяния для двух переменных, с отклонением для одной переменной.

Использован метод наименьших квадратов, выражающий минимум расстояния в N-мерном пространстве при эвклидовой метрике . Где n-номер последнего элемента вектора данных:

(1)

полученная фигура представляет собой эллиптический конус или эллиптический параболоид.

При обработке данных, характеризующих существующие дизели, возникает проблема, связанная с наличием в массиве данных одновременно случайных отклонений от предполагаемой функциональной зависимости и отклонений, обусловленных функциональной зависимостью от некоторых известных или неизвестных параметров. Известный математический аппарат теории вероятностей, применяющийся для обработки результатов опытов или наблюдений, не позволяет отделить эти два вида отклонений друг от друга. Если бы число влияющих параметров было бы велико, а их влияние сравнимо и независимо, то обусловленные зависимостью от параметров отклонения подчинялись бы нормальному закону распределения, однако ни число параметров (например, только два - длина коллекторов и проходные сечения клапанов), ни степень их влияния неизвестны.

Если функция известна, то, применяя к массиву данных обратную функцию, можно получить данные в форме, пригодной для обработки путем вычисления коэффициентов корреляции. Если функция неизвестна (имеющийся случай), можно, задаваясь различными видами функции, искать максимум коэффициента корреляции. Однако в этом случае чаще других применяется метод наименьших квадратов.

В имеющемся случае полученные оценки параметров будут содержать некоторую ошибку. Вместе с тем, вид самой функции точно неизвестен и выбирается на основании ряда предположений, поэтому даже точные значения параметров не дадут нулевых отклонений. Приходится ввести еще одно допущение - считать ошибку в оценке параметров, обусловленную невыполнением условий, малой в сравнении с ошибкой, обусловленной незнанием точного вида функции.

Для - поверхность регулярная. Зависимость нарушается при малых , а при больших мощностях имеет форму, значительно отличающуюся от поверхности второго порядка при среднем значении рассеяния и, соответственно, сильном влиянии прочих факторов.

Зависимость фазы при больших имеет форму, отличающуюся от поверхности второго порядка. При этом рассеяние по и очень велико.

Зависимость фазы нарушается при малых . Возможно влияние на фазу других не анализируемых факторов.

У фазы рассеяние значительно меньше, чем, например, у фазы Мощность и частота вращения являются доминирующими факторами. Однако возможно сильное влияние на фазу прочих факторов.

Дальнейшие вариационные расчеты показали, что минимальное среднеквадратичное отклонение фазы в группе параметров: составляет , а фазы в группе параметров:-соответственно .

Среди выбранных параметров максимальное влияние на выбор ФГР оказывают и .

На рис.1. представлены поверхности второго порядка и сечения отдельных ФГР.

Рис.1. Поверхности второго порядка отдельных ФГР

В третьей главе рассмотрены особенности немеханических типов приводов клапанов газораспределения.

Наличие гибкого звена между органами газораспределения и коленчатым валом позволяет существенно упростить и повысить эффективность выбора оптимальных ФГР для транспортного дизеля, а также в условиях стендовых испытаний на дизелестроительных заводах точнее проводить выбор эксплуатационных фаз.

На рис.2. представлена классификация альтернативных механизмов газораспределения транспортных двигателей. Кроме этого существуют небольшие группы МПК с пневмо-, гидро- и электромагнитными элементами.

Проблемами создания систем альтернативного привода сегодня занимаются около шестидесяти двигателестроительных фирм, в том числе ведущие в этой области: Alstom Engines Ltd., Cummins Engine Co., Daimler Chrysler Ag, Detroit Diesel Co., Honda Power Equipment, Iveco SPA, MAN, B&W Diesel AG, MTU Friedrichshafen GmBH, MAK Motoren GmBH & Co KG, Farymann Diesel GmBH, Perkins Engines Co., Peugeot Citroёn Moteurs SA, Rolls-Royce PLC, Caterpillar Overseas S.A, Detroit Diesel Co., SEMT Pielstick SA, Volkswagen AG, AB Volvo Penta, IVECO SPA, Scania, Wartsila NSD Co.

Относительно ЛДВС в России известны исследования, проводимые ОАО «Коломенский завод» и ВНИКТИ (г. Коломна).

Перечисленные типы приводов, в свою очередь, отличаются конструкцией органов газораспределения, возможностью изменения моментов открытия и посадки клапанов в зависимости от эксплуатируемого режима ЛДВС.



Рис.2.. Классификация альтернативных механизмов газораспределения транспортных двигателей

В четвертой главе приведены уточненные методы расчета газообмена ЛДВС и альтернативных немеханических типов привода клапанов газораспределения газообмена ЛДВС с использованием математических моделей.

Расчет оптимальных ФГР при создании систем автоматического управления клапанами газораспределения с ЭМПК или ЭГПК должен базироваться на математической модели процессов газообмена. Однако до настоящего времени математические модели строились с использованием многочисленных допущений ввиду чрезвычайной сложности задачи. В частности, не учитывались некоторые термодинамические эффекты при продувке, локальные изменения свойств газов и т.д.

Составлена уточненная математическая модель, учитывающая все основные явления, происходящие при газообмене. Общий вид объединенной укрупненной блок-схемы математической модели расчета газообмена ЛДВС и альтернативных немеханических типов привода клапанов газораспределения представлен на рис.3.

Рис 3. Общая структура математической модели газообмена для оптимизации ФГР при различных типах привода

Содержание структуры математической модели

Входные параметры - фиксированные и управляющие

1. Блок задания параметров работы ДВС.

2. Блок расчета параметров рабочего тела в зависимости от времени и угла пкв. Используются методы Гриневецкого-Майзинга с уточнением кафедры ДВС МВТУ.

3. Блок уравнения движения клапана. Учитываются все силы, приложенные к КГР: силы давления газов по обе стороны тарелки клапана, силы инерции, силы упругости возвратных пружин, и электромагнитная сила приводного силового ЭМ. Трением в направляющих пренебрегают, а демпфирование учтено косвенно через электромагнитные процессы.

4. Блок уравнения привода. Содержание блока зависит от типа привода. Для ЭМПК используются в качестве переменных - напряжение на обмотке и сила тока в обмотке. Для ЭГПК - давление в силовом ГЦ и других точках системы, и расход жидкости в трубопроводах. Давления и расходы являются функциями не только времени, но и координат вдоль трубопроводов.

5. Блок задания закона управления приводом. Задается закон управляющего воздействия (Закон подачи напряжения на силовой ЭМ или закон перемещения ЗО ЭГК).

Выходные параметры:

6. Целевые (расчетные ФГР).

7. Дополнительные параметры процессов газообмена.

8. Дополнительные параметры - энергетические показатели привода: потребляемая приводом мощность и КПД.

Составлена математическая модель, наиболее полно учитывающая основные явления, происходящие при газообмене и регулировании внутренних ФГР.

Процесс газообмена рассматриваем как процесс перетекания газов в системе из нескольких резервуаров, связанных трубопроводами, причем начальные давления (а также некоторые другие параметры) различны.

Схема моделирования процессов продувки представлена на рис.4.

Здесь решена задача для трех резервуаров, каковыми являются впускной коллектор (индекс 3), пространство цилиндра (индекс 2) и выпускной коллектор (индекс1).



Схема моделирования процессов продувки

m03

m01

Рис.4.

Исследования показали, что если продувка начинается и заканчивается при одном и том же объеме, то суммарная энергия системы не изменится, по какому бы закону не менялся объем между начальной и конечной точками.

Вместе с тем, распределение энергии между элементами системы, и, прежде всего температура и давление в цилиндре от изменения объема будут зависеть весьма существенно.

Полученная система содержит пять дифференциальных уравнений - три уравнения сохранения энергии:

(2)

и два уравнения с шестью неизвестными функциями - температурами и массами рабочего тела:

; (3, 4)

Система замыкается шестым уравнением - законом сохранения массы:



(5)

Далее, при объединении уравнений получаем глобальную систему уравнений газообмена (6):

(6)

Необходимо отметить, что некоторые из известных к настоящему времени методик расчета процессов газообмена являются частными случаями системы глобальных уравнений (6).

Расчеты позволяют точно вычислять коэффициент наполнения и индикаторную мощность двигателя при регулировании ФГР, а также определить прямые затраты энергии на альтернативный немеханический привод клапанов газораспределения.

Расчет электромагнитного привода КГР

Предложены теоретические исследования ЭМПК газораспределения. Именно ЭМПК может решить все существующие проблемы регулирования ФГР в широком диапазоне. Кроме того, при ЭМПК реализуются оптимальные энергетические и экологические показатели дизеля при любых режимах работы.

ЭМПК включает два основных элемента - блок формирования импульсов и исполнительный узел. БФИ представляет собой электронную систему, выполненную на аналоговых или цифровых полупроводниковых элементах и предназначенную для получения импульсов определенной формы, величины и продолжительности в зависимости от параметров, по которым производится регулирование ФГР или закона движения клапанов.

Так как ЭМПК является силовым, то необходимо обеспечить требуемый закон движения якоря, определяемый законом перемещения клапанов газораспределения. Учитывая специфику работы ЭМПК, в частности, необходимость обеспечения полного выхода клапанов для большинства двигателей на 10-25 мм, проектирование силовых электромагнитов является сложной задачей.

Расчет выполнен для выпускного клапана, который работает в наиболее тяжелых условиях. В этом случае ЭМПК необходимо рассчитывать на значительное противодавление газа в начальный момент открытия. На основании этого создана математическая модель, которая учитывала все основные влияющие факторы.

Основная зависимость для рассматриваемой системы:

(7)

где - масса всех подвижных деталей системы, кг; - перемещение клапана, м; - сила, действующая на якорь электромагнита, Н; - ток в обмотке электромагнита, А; - перепад давлений по обе стороны тарелки клапана, Па; - площадь тарелки клапана, м²; - жёсткость возвратной пружины, Н/м; - предварительная затяжка пружины, мм.

Для ЭМПК наибольшее значение отводится расчету электрической части привода.

Уравнение электрического состояния цепи:

(8)

Для расчета перепада давлений внутри цилиндра и в выпускном патрубке, использовано интегральное уравнение неразрывности газового потока.

Пользуясь теоремой о дифференцируемости определённого интеграла с переменным верхним пределом и после преобразований выражение будет иметь вид: Система уравнений имеет вид:

(10)



где - перемещение клапана; - скорость движения клапан;- давление газов в цилиндре;- ток в обмотке силового электромагнита.

Для нахождения параметров движения клапана сопутствующие уравнения были решены методом Рунге-Кутта с фиксированным шагом:

Математическая модель позволяет определять влияние свыше 30 различных конструктивных и режимных параметров на мощностные и экономические показатели ЭМПК.

На рис.5 и 6. представлены результаты расчета хода клапана при изменении числа витков обмотки силового электромагнит и максимального подъема клапана .

Здесь расчетные параметры:

hкл, мм	- высота подъема клапана
dпр, мм	- диаметр обмоточного провода
1, 0п.к.в.	- фаза опережения открытия выпускного клапана
3, 0п.к.в.	- фаза запаздывания закрытия выпускного клапана
Е, Дж	- потребляемая выпускным клапаном электроэнергия
РСР, Вт	- средняя потребляемая мощность СЭ
Imax, А	- максимальный ток СЭ
Рmax, Вт	- максимальная мощность, потребляемая СЭ
ЭМ, %	- КПД СЭ привода выпускного клапана

Результаты расчета хода клапана при изменении числа витков W обмотки
Регулирование W в сторону уменьшения:
	nд=1000 мин-1; hкл=22 мм; w=300 вит; dпр=2,8 мм; 1=500 п.к.в.; 3=350 п.к.в
	Результат Е = 768,9 Дж; РСР = 6410 Вт; Imax = 199,6 А; Рmax = 21960 Вт; ЭМ= 86,1 %
Регулирование W в сторону увеличения:
	nд=1000 мин-1; hкл=22 мм; w=700 вит; dпр=2,8 мм; 1=500 п.к.в.; 3=350 п.к.в
	Результат Е = 805,9 Дж; РСР= 6720 Вт; Imax= 90,0 А; Рmax= 9904 Вт; ЭМ= 90,6 %

Регулирование hкл в сторону увеличения:
	nд=1000 мин-1; hкл=22 мм; w=500 вит; dпр=2,8 мм; 1=500 п.к.в.; 3=350 п.к.в
	Результат Е = 756,1 Дж; РСР = 6300 Вт; Imax = 123,8 А; Рmax = 13620 Вт; ЭМ = 88,7 %
Регулирование hкл в сторону уменьшения:
	nд=1000 мин-1; hкл=12 мм; w=500 вит; dпр=2,8 мм; 1=500 п.к.в.; 3=350 п.к.в
	Результат Е = 790,0 Дж; РСР = 6580 Вт; Imax = 134,8 А; Рmax = 14820 Вт; ЭМ = 85,5 %
Рис.6.. Результаты расчета хода клапана при изменении максимального подъема hкл

Разработанная модель позволяет определять оптимальные конструктивные и технологические параметры ЭМПК газораспределения для ЛДВС, различных мощностных и скоростных градаций.

Расчет электрогидравлического привода КГР

При ЭГПК обобщаются достоинства гидравлического и электромагнитного способов управления по требуемому быстродействию и возможности регулирования ФГР (или закона движения) клапанов.

ЭГПК обладает рядом преимуществ, по сравнению с рассмотренными ранее типами приводов и, в частности, быстродействием, необходимым для качественного протекания рабочего процесса двигателей (особенно быстроходных); малой массой возвратно-движущихся частей, возможностью регулирования ФГР в широком диапазоне; увеличением «времени-сечения» клапанов при неизменных ФГР.

Особую сложность представляет класс задач, в которых система ЭГПК должна функционировать в изменяющейся эксплуатационной среде. Были решены задачи управления ЭГПК в различных нестационарных условиях, а использование динамических моделей позволило не только определять фактические траектории движения, но и анализировать некоторые не типичные случаи изменения выходных параметров.

Затем выполнено аналитическое исследование влияния конструктивных параметров гидравлической части ЭГПК на характер движения клапана. Методика базируется на основе статического метода расчета с учетом сжимаемости рабочей жидкости. Расчетные схемы ЭГПК представлены на рис.7.

Расчет гидравлической части привода выполнен для участков открытия и закрытия клапана газораспределения.

В данном теоретическом исследовании оценивалось влияние на характеристики срабатывания КГР следующих параметров: [; ; ] - эффективное проходное сечение соответственно на входе, выходе ЭГК и дросселя; - внутренний диаметр соединительного трубопровода; () - диаметр плунжера СГЦ; - давление в гидравлическом аккумуляторе; - масса комплекта клапана газораспределения; - текущий ход клапана газораспределения; - жесткость клапанных пружин; - начальная затяжка клапанных пружин; ; и - период движения ЗО под действием соответственно электромагнита и пружины; - скорость распространения волн давления; - плотность рабочей жидкости и - коэффициент, учитывающий затухание волн давления вследствие гидравлического сопротивления трубопровода.

а) Схема с одним ЗО	б) Схема с двумя ЗО
в) Схема с двумя ЗО и байпасным каналом	г) Основная схема ЭГПК с двумя ЗО



Для принятой основной схемы (см. рис.8, г) получены уравнения мгновенных балансов жидкости для полостей запорного органа (ЗО) и силового гидроцилиндра (СГЦ), а также уравнения динамики для движущихся частей системы (11-13).

(11)

(12)

(13)

Уравнение (11) описывает мгновенный баланс рабочей жидкости в полости ЗО. Первый член уравнения характеризует количество жидкости, остающегося в объеме в сжатом состоянии, второй - объемную скорость перетекания жидкости через проходную площадь на входе в ЗО, третий - объемную скорость перетекания жидкости через проходную площадь дросселя из ЗО в СГЦ.

Уравнение (12) описывает мгновенный баланс рабочей жидкости в полости СГЦ. Первый член уравнения характеризует количество рабочей жидкости, остающегося в объеме в сжатом состоянии, второй - объемную скорость перетекания жидкости через проходную площадь дросселя из ЗО в ГЦ, третий - определяет скорость заполнения объема, освобождаемого плунжером ГЦ при его движении.

Уравнение (13) описывает процесс движения системы плунжер СГЦ - клапан. Первый член этого уравнения характеризует силы инерции плунжера СГЦ и движущихся с ним частей, второй - силы давления жидкости, действующие на плунжер, третий - силы начальной затяжки пружины клапана, четвертый - силы сжимающейся пружины клапана, пятый - массу движущихся частей.

Величины давлений в СГЦ и ЗО определены уравнениями:

(14)

и

(15)

На рис.8 представлены зависимости изменения времени движения КГР при открытии () и закрытия (), а также скорости его движения в конце подъема () и при посадке () от каждого из параметров гидромеханической части привода

Здесь отмечено, что при возрастании с 0,3 до 5 мм² величина уменьшается с 9,8 до 8,3 мс. Такое уменьшение времени объясняется тем, что с возрастанием период трогания КГР увеличивается с 0,76 до 4,7 мс (при неизменном периоде движения ЗО мс). В этом случае период движения клапана при увеличивается, что уменьшает время открытия. Однако, практически не влияет на величину .

Время закрытия КГР с ростом уменьшается с 30,5 до 6,1 мс, что объясняется увеличением расхода жидкости на слив из полости ЭГК.

Скорость посадки клапана возрастает с 0,32 до 4,2 м/с, причем при мм² темп роста уменьшается.

а) Влияние на характеристики срабатывания привода	б) Влияние на характеристики срабатывания привода
Рис.8.

С возрастанием с 0,4 до 10 мм² величины и снижаются, соответственно с 16,9 до 9,5 и с 22,8 до 11,1 мс. Это объясняется уменьшением гидравлического сопротивления перетеканию рабочей жидкости из полости ЭГК с СГЦ и наоборот. Отметим, что при мм² изменение времени срабатывания привода незначительно.

Величины и с возрастанием увеличиваются. При мм² изменение их также незначительно. Таким образом, регулируя величину , можно изменять как время срабатывания привода, так и скорость посадки клапана.

При возрастании с 1 до 4 мм время срабатывания привода уменьшается с 14,9 до 9,3 мс, а при мм практически постоянно. Величина возрастает с 1,1 до 2,1 м/с, причем, начиная с диаметра мм она неизменна. Это объясняется тем, что при малых диаметрах трубопровода возрастает гидравлическое сопротивление и меньшее количество рабочей жидкости поступает в полость ЭГК. Диаметр трубопровода практически не оказывает влияния на параметры и поскольку с момента закрытия ЗО ЭГК () в соединительном трубопроводе между СГЦ и ЭКГ происходят независимые от ЭГК процессы.

На реальном двигателе необходимо величину выбирать из расчета:

. (16)

Увеличение диаметра плунжера приводит к тому, что движение КГР начинается при малых значениях давления в СГЦ (). С целью снижения времени открытия и закрытия КГР диаметр плунжера СГЦ целесообразно выбирать близким к предельному значению.

С увеличением давления с 10 до 40 МПа время открытия снижается, а скорость возрастает. Такой характер изменения величин объясняется тем, что с ростом давления рабочей жидкости в аккумуляторе увеличивается сила давления на плунжер СГЦ со стороны рабочей жидкости. Причем, наиболее сильное влияние величина давления оказывает на при МПа. При МПа клапан полностью не открывается. Таким образом, целесообразным интервалом изменения давления рабочей жидкости является 10…25 МПа.

С увеличением массы с 0,1 до 16 кг время срабатывания и возрастают. Это происходит из-за инерционности системы. При малых массах процесс движения КГР заканчивается до момента достижения скоростью своего максимального значения. Ускорения движения при этом положительны, поэтому с ростом массы до 1 кг, скорости и растут. При кг из-за возросшей инерционности системы остановка КГР происходит после достижения скоростями своего максимального значения, то есть при отрицательных ускорениях, в результате чего скорости и уменьшаются.

С увеличением хода клапана величины и возрастают, причем по законам, близким к линейному, практически во всем диапазоне изменения хода клапана. Закрытие клапана определяется, в основном, воздействием сил упругости пружин, которые возрастают пропорционально величине хода клапана, поэтому растет линейно с увеличением . Скорость посадки клапана практически постоянна, так как определяется силой начальной затяжки пружин и не зависит от .

С возрастанием численных значений жесткости () и начальной затяжки комплекта пружин и увеличиваются, а и уменьшаются. Рост сил упругости клапанных пружин ускоряет закрытие клапана и замедляет его открытие. Это объясняется тем, что сила воздействует на клапан с постоянной величиной, а сила изменяется пропорционально ходу клапана.

Увеличение времени движения ЗО с 0,1 до 16 мс приводит к возрастанию соответствующего периода срабатывания привода и .

Это позволяет в определенных пределах независимо друг от друга изменять время срабатывания привода как при открытии, так и при закрытии, выбором параметров ЭГК.

Проведенные расчеты показали, что величина () не оказывает влияния на характеристики срабатывания привода. Увеличение плотности с 600 до 1000 кг/м³ приводит к возрастанию времени с 8,5 до 10,1 мс и - с 9,6 до 12,5 мс.

Это объясняется уменьшением расхода рабочей жидкости через проходные сечения ЭГК и СГЦ, обратно пропорционального квадратному корню их величины .

Этот фактор оказывает постоянное воздействие на процесс движения клапана, поэтому величины и уменьшаются с ростом плотности.

Влияние коэффициента существенно только в период открытия клапана, так как подавляющая часть времени посадки его происходит после перекрытия нагнетательной магистрали ЗО.

Падение величины с ростом происходит за счет увеличения давления , которое при будет равно .

Это приводит к возрастанию расхода рабочей жидкости через эффективное проходное сечение и величины давления . Таким образом, при проектировании систем ЭГПК необходимо стремиться к уменьшению длины нагнетательного трубопровода.

Анализ зависимостей, указывает на качественные закономерности изменения характеристик срабатывания привода, которые справедливы для различных типов двигателей. Это позволяет выбирать параметры гидромеханической части ЭГПК путем проведения расчетов по предлагаемой методике.

Правильность выбора параметров для конкретного двигателя должна быть проверена расчетом по методике, учитывающей сжимаемость рабочей жидкости. Это связано с влиянием величины объемов полостей ЭГК и СГЦ на время задержки трогания КГР. В том случае, если расчеты ведутся по методике без учета сжимаемости жидкости, погрешность в определении рассмотренных величин достигает 200…300%. Методика расчета, учитывающая сжимаемость дает возможность рассчитать конструктивные схемы, позволяющие снижать скорость посадки и регулировать ход КГР. Одновременно появляется возможность точнее выбирать характеристики этих устройств.

Разработана методика и на ее основе математическая модель влияния параметров газообмена с новым типом привода на показатели работы ЛДВС. Реализация модели выполнена в пакете Mathcad.

По результатам проведенных теоретических исследований сформулированы общие требования регулирования среднего проходного сечения клапанов газораспределения:

· регулированию ФГР должна сопутствовать высокая топливная экономичность при оптимальных величинах «времени-сечения» на любых скоростных и нагрузочных режимах;

· возможность плавного изменения диапазонов регулирования и быстродействия движения клапанов при соблюдении устойчивости регулирования;

· точность позиционирования и идентичность закона движения КГР по цилиндрам;

· стабильность работы и высокие значения моторесурса при различных скоростных, мощностных и температурных режимах.

Скоростные и нагрузочные режимы тепловозных двигателей охватывают весьма широкий нагрузочно-скоростной диапазон, что отражается на средневзвешенном эксплуатационном расходе топлива, интенсивности износа ряда деталей и, следовательно, моторесурсе работы дизеля. Неустановившиеся режимы, характеризуемые одновременным или неодновременным изменением нагрузки, частоты вращения коленчатого вала и теплового состояния, являются основными режимами ЛДВС и, поэтому эффективность именно этих режимов, в значительной степени будет определять эксплуатационную экономичность.

В МИИТе на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» в течение многих лет изучались вопросы регулирования ЛДВС изменением ФГР и отключения части цилиндров.

Теоретические исследования и проверка сходимости результатов проводились на стенде тепловозного дизеля ЧН26/26 и малоразмерном дизеле типа 2Ч10,5/12 (Д21А).

Расчетная диаграмма «время-сечение» клапанов дизеля фактически состоит из пяти участков, соответствующих следующим процессам: свободного и принудительного выпуска, продувки, наполнения цилиндра и дозарядки.

Для дизеля ЧН26/26 имеем:

- время свободного выпуска: ;

- время продувки цилиндра: ;

- время дозарядки цилиндра: .

Общее время открытия выпускного и впускного клапанов определяется по формуле: .

Для улучшения показателей газообмена дизеля целесообразно осуществлять регулирование среднего проходного сечения клапанов с выполнением условия постоянства или уменьшения при снижении частоты вращения.

Зависимость от величины параметров «время-сечение» клапанов газораспределения дизелей зависит от значения максимального проходного сечения и вычисляется по формуле:

(16)

где и - углы наклона переднего и заднего фронтов линии хода клапана;

и - фазы соответственно открытия и закрытия клапана;

- коэффициент согласования параметров.

При этом характер изменения при регулировании наклона фронтов зависит от абсолютной величины угла: при меньших абсолютных значениях изменение угла наклона в большей степени сказывается на величине среднего проходного сечения.

Таким образом, для эффективного регулирования среднего проходного сечения клапанов в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля следует на холостом ходу и малых нагрузках изменять угла наклона ветвей подъема и посадки клапанов, а на средних и номинальных режимах - переходить к регулированию проходного сечения с помощью изменения ФГР.

Особенности регулирования эффективного проходного сечения КГР рассмотрены на примере основных характеристик ЛДВС. На рис.9.показана известная зависимость .



Особенность регулирования эффективного проходного сечения клапанов газораспределения транспортного двигателя при работе на основных характеристиках
Рис.9.

Здесь изображены характеристики: 1 - холостого хода; 2 - нагрузочная; 3 - внешняя; 4 - ограничительная; 5 - генераторная (тепловозная); 6 - экономическая. -коэффициент избытка воздуха, - коэффициент пропорциональности.

Здесь же на характеристику схематично нанесены графики при возможности оперативного регулирования углов наклона линий подъема и опускания и ФГР. В соответствии с результатами расчетов минимальное проходное сечение устанавливается при минимальной частоте вращения коленчатого вала ( мм²). С увеличением величина незначительно снижается, что требует небольшого увеличения количества воздуха, поступающего в цилиндры при одинаковом проходном сечении выпускных клапанов.

...