Улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники совершенствованием работы двигателей на холостом ходу

Во втором разделе «Теоретическое обоснование экспериментального режима самостоятельного холостого хода двигателей автотракторной техники» на основе анализа научной информации и литературных источников разработан новый способ работы двигателей на режиме самостоятельного холостого хода, обеспечивающий в комплексе улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники.

Сущность способа заключается в том, что при остановках и стоянках автотракторной техники при отпущенной педали акселератора (или при установке рычага управления подачей топлива в положение минимальной подачи) работа двигателя на экспериментальном режиме осуществляется периодически повторяющимися тактами полного отключения и тактами включения подачи топлива (или топливовоздушной смеси) в области пониженных частот вращения к.в. холостого хода за счет автоматического возвратно-поступательного перемещения органа управления топливоподачей (рейки или дозатора ТНВД, рычага РЧВ, скобы останова двигателя, иглы электромагнитной форсунки, клапана ЭПХХ – экономайзера принудительного холостого хода и т.п.) по определенному закону. При этом подача топлива на такте включения обеспечивается в количестве, требуемом для его полного сгорания на пониженной частоте вращения к.в.

Пониженной частотой вращения к.в. (или УСКВ – угловой скоростью) на холостом ходу является:

а) для дизельных двигателей – средняя частота вращения к.в. () из интервала ее изменения от некоторого верхнего значения в начале такта отключения подачи топлива, т.е. в начале такта выбега (например, 500…800 мин-1 или 52…84 с-1, которая характерна для типового РХХ на минимально-устойчивой частоте вращения к.в., задаваемой заводом-изготовителем) до некоторого нижнего значения в начале такта включения подачи топлива, т.е. в начале такта разгона (например, 300 мин-1 или 32с-1, которая несколько превышает пусковую частоту), тогда мин-1 или с-1;

б) для бензиновых двигателей – частота вращения к.в., соответствующая (равная или несколько меньшая) минимально-устойчивой частоте вращения, задаваемой заводом-изготовителем.

По времени такты отключения и такты включения подачи топлива у дизелей более продолжительные (0,3…1,1 с), чем у бензиновых двигателей (50…250 мс).

Пониженная частота вращения к.в. на холостом ходу приводит к уменьшению работы (), затрачиваемой на преодоление механических потерь двигателя и, как следствие, к снижению расхода топлива. Объясняется это тем, что работа на определенном скоростном РХХ пропорциональна мощности механических потерь (), а в конечном итоге – УСКВ или частоте вращения к.в. (), что следует из соотношения

, (1)

где t – время работы, ч; – момент механических потерь ; a, b – коэффициенты уравнения ; – функция от частоты вращения к.в.

Этот способ работы ДВС на пониженных скоростных режимах холостого хода получил название экспериментальный режим самостоятельного холостого хода.

К несомненным преимуществам предлагаемого способа относятся его универсальность по отношению к различным типам двигателей и простота реализации на автотракторной технике с помощью малогабаритных и недорогих устройств – систем автоматического управления (САУ).

В зависимости от типа двигателя и практической реализации предложенного способа на том или ином виде автотракторной техники математическое описание процесса управления работой двигателей в экспериментальном РХХ и теоретическое обоснование параметров управляющих воздействий на орган топливоподачи имеют свои особенности.

дизельный двигатель

На основе динамической модели системы «КШМ – маховик» (рис. 1) рассмотрены моменты, действующие в дизеле на РХХ. В результате взаимодействия индикаторного момента () и момента механических потерь () образуется их разность (), результирующая которой представляет собой эффективный крутящий момент двигателя (), равный динамическому моменту, т.е. .

Рисунок 1 – Динамическая модель системы «кривошипно-шатунный механизм – маховик»:

момент инерции поступательно движущихся масс КШМ, приведенный

к коленчатому валу; моменты инерции вращающихся масс КШМ

и маховика; индикаторный момент; – момент механических

потерь; динамический момент

На типовом РХХ дизеля среднее значение угловой скорости коленчатого вала (УСКВ) , а угловое ускорение . В этом случае уравнение равновесия, приложенных к коленчатому валу (к.в.) моментов, выражается уравнением динамики ДВС

, (2)

тогда . (3)

Следовательно, на типовом РХХ индикаторный момент двигателя затрачивается на преодоление момента механических потерь, величина которого на пониженных скоростных режимах имеет небольшое значение, в связи с чем цикловая подача топлива также будет иметь малую величину, так как .

На экспериментальном РХХ за счет последовательно чередующихся тактов отключения и включения подачи топлива (тактов выбега и разгона) уравнение динамики ДВС будет описываться выражением

, (4)

откуда . (5)

Следовательно, на экспериментальном РХХ индикаторный момент двигателя затрачивается не только на преодоление момента механических потерь, но и на составляющую , представляющую собой динамический (нагрузочный) момент (), величина и направление которого при постоянном моменте инерции (I) зависит от величины и знака углового ускорения. При этом на тактах разгона обеспечиваются, по сравнению с типовым РХХ, повышенные (более чем вдвое) цикловые подачи топлива и нулевые подачи при выбеге, что обеспечивает соответственно лучшие условия впрыскивания топлива и очистки цилиндров от отработавших газов.

Из уравнения (5) следует, что при повышенных цикловых подачах топлива индикаторный момент превышает момент механических потерь () на величину () и в пределах такта разгона появляется обратный динамический момент (), равный по величине эффективному моменту (), т.е.

. (6)

При отключении подачи топлива индикаторный момент отсутствует () и в пределах такта выбега действует прямой динамический момент (), равный по величине и обратный по направлению моменту механических потерь, т.е.

. (7)

Комплекс последовательных тактов разгона и тактов выбега инерционной системы «КШМ – маховик» в выбранном интервале УСКВ (от нижнего до верхнего пределов и наоборот от до ) образует цикл экспериментального режима (ЦЭР) холостого хода. Многократное повторение ЦЭР в области пониженных УСКВ обеспечивает работу дизеля на экспериментальном РХХ.

Появление на такте разгона экспериментального РХХ динамического момента, соответствующему нагрузке по среднему эффективному давлению 0,1-0,3 МПа, положительно сказывается на протекании рабочего процесса дизеля.

В результате анализа различных вариантов реализации ЦЭР установлено, что в наибольшей степени для холостого хода применим ЦЭР с постоянным динамическим моментом при разгоне или (рис. 2), что обеспечивается постоянством цикловой подачи топлива на протяжении всего такта разгона. При этом ускорение и время свободного выбега и .

Рисунок 2 – Теоретический цикл экспериментального режима холостого хода дизеля:

время ЦЭР ( время разгона и выбега),

h ход рейки ТНВД, угол поворота рычага РЧВ

Изменение динамического момента дизеля в пределах ЦЭР отражается нагрузочной математической моделью

(8)

Проинтегрировав составляющие выражения (8) по времени получим скоростную математическую модель дизеля в пределах ЦЭР

(9)

где – нижний и верхний пределы УСКВ, с-1; – среднее ускорение к.в. на такте разгона, с-2; a, b – коэффициенты уравнения ; – время ЦЭР (; – время разгона и выбега), с; t – текущее время, с.

Таким образом, на такте разгона УСКВ возрастает от до по линейному закону, а на такте свободного выбега от до – экспоненциальному (см. рис. 2).

Параметры ЦЭР (угловая скорость и угловое ускорение к.в.) и управляющих воздействий (ход рейки ТНВД и угол поворота рычага РЧВ) можно определить решением системы дифференциальных уравнений собственно дизеля и центробежного регулятора частоты вращения (РЧВ) относительно того или иного искомого параметра при заданных начальных условиях и ограничениях:

(10)

где Е – восстанавливающая сила РЧВ , Н; С – поддерживающая сила РЧВ , Н; – коэффициент вязкостного трения; – приведенная к муфте РЧВ масса движущихся деталей, г; – угол поворота рычага РЧВ, град; h – перемещение (ход) рейки ТНВД , мм.

При управлении ЦЭР с воздействием на рейку ТНВД линейным (электромаг-нитным) исполнительным механизмом (ИМ), закономерности ее перемещений определяются путем решения системы (10), дополненной силой ИМ, приведенной к муфте РЧВ ( а также массой подвижных деталей ИМ (), численным методом:

(11)

В результате решения системы уравнений (10) и (11) находятся искомые зависимости и в интервале изменения УСКВ от до при , которые определяют характер изменения угла поворота рычага РЧВ () и перемещения рейки ТНВД (h) в соответствии с законом теоретического ЦЭР (рис. 2).

Закономерности управляющих воздействий в ЦЭР, определенные решением систем (10) и (11), в общем виде описываются управляющими моделями:

а) с воздействием на рычаг центробежного РЧВ

(12)

б) с воздействием на рейку ТНВД

(13)

где a, b, с – коэффициенты, постоянные для каждого скоростного режима.

Результаты расчетов параметров управляющих воздействий на такте разгона в ЦЭР применительно к дизелю Д-240 (4Ч 11/12,5) приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Расчетные параметры управляющих воздействий на орган

топливоподачи тракторного дизеля Д-240 (4Ч 11/12,5)

Параметры управляющих воздействий при разгоне	Ускорение разгона в интервале изменения частоты вращения к.в.
	31,7 с-2 от 300 до 500 мин-1	77,3 с-2 от 600 до 1000 мин-1
, град	- относительное время разгона
	a=7,0 b=3,1 с=0,6	a=9,0 b=3,4 с=0,9
h, мм	6,3	6,1