Улучшение эксплуатационных показателей автотракторной техники совершенствованием работы двигателей на холостом ходу

Таким образом, для осуществления на дизеле экспериментального РХХ необходимо в начальный момент времени на такте включения подачи топлива (на такте разгона) при установить рычаг РЧВ в положение , обеспечивающее выход рейки ТНВД в исходное положение (), а затем повернуть его по закону параболы до достижения угла . При этом рейка ТНВД переместится в положение , а УСКВ повысится до . В конце такта разгона, при достижении угла , необходимо изменить направление поворота рычага РЧВ на противоположное. При этом, вследствие уменьшения восстанавливающей силы (Е), рейка ТНВД переместиться в положение, соответствующее выключенной подачи топлива (такту выбега), а УСКВ понизится с до .

Общий характер перемещения рычага РЧВ (кривая ), рейки ТНВД (кривая h), а также протекания кривых углового ускорения () и УСКВ () в цикле экспериментального режима представлены на рисунке 2. Рассмотренные теоретические законы необходимо учитывать при проектировании и конструировании устройств для воспроизведения экспериментального РХХ на автотракторной технике.

На типовом РХХ из-за ухудшенного процесса смесеобразования при малых цикловых подачах топлива коэффициент избытка воздуха у дизеля Д-240 достигает =5,0...5,7; на экспериментальном РХХ из-за повышенных цикловых подач топлива на такте разгона качество смесеобразования улучшается, что приводит к снижению коэффициента избытка воздуха до 2,0...2,7.

Так как такт разгона дизеля на экспериментальном РХХ осуществляется с постоянной цикловой подачей топлива (рейка ТНВД стоит на «упоре»), причем с завышенной по отношению к подаче на типовом РХХ, а в такте выбега подача топлива полностью отключается (цилиндры лучше очищаются от отработавших газов), то в первую очередь это влияет на величину коэффициента избытка воздуха () и коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом (). В конечном итоге все это скажется на показателях рабочего процесса.

В качестве примера был теоретически исследован рабочий процесс безнаддувного дизеля ЯМЗ-238М2 (8Ч 13/14) автомобиля МАЗ-53366 в экспериментальном и типовом режимах холостого хода (с использованием программы Дизель-РК, переложенной на MahtCAD 2001 RUS). При этом коэффициенты и предварительно рассчитывались по известным формулам с учетом вышеуказанных особенностей работы дизеля на сравниваемых режимах.

Коэффициент избытка воздуха

, (14)

где , – действительный расход воздуха и топлива, кг/ч; – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг; – частота вращения к.в. на РХХ, мин-1; z – число цилиндров двигателя; – цикловая подача топлива, г/цикл.

Коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом

, (15)

где – теоретический расход воздуха, кг/ч; – рабочий объем двигателя, л; – плотность воздуха, кг/м3.

Расчеты показывают, что в зависимости от скоростного режима (600-800 мин-1) на типовом РХХ из-за ухудшенного процесса смесеобразования при малых цикловых подачах топлива коэффициент избытка воздуха достигает 4,4-4,8, а коэффициент наполнения 0,70-0,76; на экспериментальном РХХ из-за повышенных цикловых подач и улучшения качества смесеобразования коэффициент избытка воздуха снижается до 1,8-2,1, а коэффициент наполнения возрастает до 0,70-0,80.

Изменение коэффициента и сказывается не только на показателях рабочего процесса дизеля, но и на индикаторных и эффективных показателях, расчет которых производится по общепринятым методикам.

Важным моментом при практическом использовании экспериментального РХХ является оценка уровня виброколебаний дизеля и определение нижнего значения частоты вращения к.в. в начале такта разгона (или в конце такта выбега). В основном у дизеля, установленного на автотракторную технику, наблюдается два вида колебаний: линейные и крутильные.

Линейные колебания, вызываемые тактами выбега и разгона на экспериментальном РХХ дизеля, относятся в основном к вынужденным колебаниям, которые возникают в результате воздействия на него периодических возмущающих сил. При этом сопутствующими свободными колебаниями и свободно сопровождающими колебаниями пренебрегают в связи с практически мгновенным их затуханием.

Уравнение мгновенных (вынужденных) колебаний дизеля и его решение имеют вид: ; (16)

, (17)

где q – отклонение (перемещение) дизеля от центра инерции, 10-3 м; r – собственная частота колебаний дизеля, Гц; h – амплитуда возмущающей силы; р – число полных циклов изменения возмущающей силы за секунд; n – коэффициент сопротивления, отнесенной к единице массы дизеля; t – время, с; – угол сдвига фаз, град.

Из анализа формулы (17) следует, что линейные колебания дизеля при наличии сопротивлений происходят с частотой возмущающей силы; амплитуда вынужденных линейных колебаний от начальных условий и времени не зависит; в вынужденных колебаниях с сопротивлением всегда имеет место сдвиг фазы.

Уравнение крутильных колебаний дизеля и его решение (без связей с внешней средой) имеют вид ; (18)

; , (19)

где – амплитуда основной гармоники (максимальное значение) опрокидывающего момента, ; – угол поворота дизеля относительно центра момента инерции при отсутствии связей с внешней средой, с-2; – момент инерции дизеля, ; – круговая частота возмущения (частота вынужденных колебаний от действия опрокидывающего момента), с-1.

Из формулы (19) следует, что чем меньше амплитуда возмущающего фактора (опрокидывающего момента), выше частота возмущения и больше по массе дизель, тем меньше амплитуда колебаний.

Действительная амплитуда колебаний при резонансе, когда силы инерции уравновешивают силу упругости подвески дизеля, а возмущающему воздействию противостоит только сила трения подвески, зависит от того, насколько быстро проходит дизель через резонанс, т.е. от темпа нарастания или убывания угловой скорости к.в.

Зная частоту собственных () и вынужденных () колебаний, можно определить частоту вращения к.в. двигателя (), при которой наступает резонанс:

, отсюда , (20)

где р – порядок основной гармоники опрокидывающего момента двигателя (для четырехтактных двигателей с равномерным чередованием рабочих ходов , z – число цилиндров двигателя).

Следовательно, резонансная частота собственных и вынужденных колебаний дизеля может являться одним из критериев при выборе нижнего значения () интервала изменения частоты вращения к.в. (…) при осуществлении экспериментального РХХ.

Исследования показывают, что для комбайнового дизеля СМД-31А (6ЧН 13/14) характерны две преобладающие частоты собственных колебаний: f1 = 3,5 …4 Гц, f2 = 13,5…14,5 Гц. Тогда максимальная резонансная частота вращения к.в. дизеля будет равна мин-1. Таким образом, для экспериментального РХХ допустимое значение частоты вращения к.в. в начале такта разгона (или в конце такта выбега) должно превышать 290 мин-1.

карбюраторный бензиновый двигатель

(карбюратор оснащен электропневматическим клапаном ЭПХХ)

На малых оборотах типового РХХ ухудшается распыливание и испарение топлива в карбюраторе вследствие небольших скоростей воздушного потока в диффузоре и каналах системы холостого хода. Кроме того, с прикрытием дроссельной заслонки в цилиндрах увеличивается количество продуктов сгорания, которые остаются после предшествующего рабочего цикла. Для устойчивой работы двигателя на РХХ карбюратор, обычно, регулируют на обогащенный состав смеси с коэффициентом избытка воздуха от 0,6…0,86 (для старых моделей карбюраторов типа К-126) до 0,82…0,96 (для новых моделей карбюраторов типа К-151). Однако, это способствует увеличению эксплуатационного расхода топлива и концентрации вредных веществ в отработавших газах. Поэтому мероприятия по совершенствованию работы карбюраторных двигателей на РХХ должны быть направлены на улучшение процесса смесеобразования в карбюраторе и на изменение состава топливовоздушной смеси (ТВС) в сторону ее обеднения.

Достичь этого можно путем перевода работы двигателя на режим периодически повторяющихся кратковременных циклов, состоящих из тактов отключения и тактов включения подачи ТВС через выходной канал системы холостого хода (СХХ) карбюратора. В свою очередь, циклы осуществляются за счет закрытия и открытия канала СХХ штатным электропневматическим клапаном карбюратора при его возвратно-поступательном перемещении по определенному закону (рис.3), зависящему от временных параметров управляющих импульсов (длительности и паузы). Совершая «насосные ходы» клапан обеспечивает динамическую пульсацию и повышенную скорость потока ТВС в каналах СХХ карбюратора. При этом изменяется соотношение между расходом воздуха и топлива через соответствующие жиклеры и каналы СХХ, а динамическая пульсация потока смеси способствует более качественному смесеобразованию. Кроме того, в карбюраторе, за счет задроссельного смешивания ТВС с воздухом, поступающим через атмосферный штуцер клапана в момент начала открытия выходного канала СХХ, происходит дополнительное обеднение смеси.

Рисунок 3 – Характеристика перемещения клапана системы холостого хода

карбюратора в цикле экспериментального режима

Закономерности перемещения клапана в зависимости от времени подачи импульса управления в ЦЭР карбюраторного ДВС описываются системой уравнений:

. (21)

где – перемещение клапана в i-период времени, мм; – максимальное перемещение клапана, мм; – время подачи импульса, мс; – время, в течение которого клапан открыт (время импульса), мс; – время задержки импульса, мс; – время до полного открытия, мс; – время обратного движения клапана, мс; – время, в течение которого клапан закрыт (время паузы между импульсами), мс; О – угол наклона ветви при открытии клапана, град; З – угол наклона ветви при закрытии клапана, град.

Таким образом, перемещая клапан по определенному закону, система холостого хода карбюратора может приготовить такой состав ТВС, который обеспечит наиболее экономичное протекание рабочего процесса двигателя на РХХ.

Как известно, состав ТВС оценивается коэффициентом избытка воздуха , предварительный расчет которого выполняют с учетом расхода воздуха и топлива через соответствующие жиклеры и каналы СХХ конкретного карбюратора. Применительно к карбюратору К-151, оснащенному электропневматическим клапаном, коэффициент на типовом РХХ определяется по формуле

. (22)

Так как на экспериментальном РХХ изменяется состав ТВС в сторону ее обеднения, то формула для расчета коэффициента примет вид

. (23)

В формулах (22) и (23) , – массовый расход воздуха и топлива соответственно через воздушные и топливные жиклеры, а также каналы СХХ карбюратора, кг/с; – теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива, кг; , – разрежение в воздушном жиклере и атмосферном штуцере, Па; , – разрежение соответственно в топливном жиклёре и в эмульсионной трубке, Па; , – плотность соответственно воздуха и топлива, кг/м3; , – коэффициенты расхода соответственно воздушного жиклера и атмосферного штуцера; , , , , , – диаметры соответственно воздушного жиклера, атмосферного штуцера, эмульсионного (воздушного) жиклера, эмульсионного канала, топливного жиклера и выходного канала СХХ, м; – поправочный безразмерный коэффициент (), учитывающий длительность и паузу управляющего импульса (электрического сигнала, управляющего электропневматическим клапаном карбюратора) в зависимости от угла опережения зажигания (5,5град.12,5град.) и температур топлива в поплавковой камере карбюратора (5°С25°С), воздуха на впуске (-20°С20°С), охлаждающей жидкости (50°С90°С).

Результаты последующих моторных исследований двигателя ЗМЗ-402 на РХХ подтвердили гипотезу о том, что за счет импульсного управления клапаном карбюратора возможно изменить состав ТВС в сторону ее обеднения: если на типовом РХХ коэффициент = 0,82…0,96, то на экспериментальном РХХ = 0,82…1,1.

С учетом вышеизложенного основные показатели рабочего процесса карбюраторного двигателя в экспериментальном РХХ будут скорректированы по коэффициенту следующим образом.

Количество теплоты, потерянное вследствие неполноты сгорания топлива

, кДж/кг. (24)

Теплота сгорания рабочей смеси

, кДж/кг. (25)

Индикаторный КПД

. (26)

Удельный индикаторный расход топлива

, (27)

где – низшая теплота сгорания бензина, кДж/кг; – количество воздуха в молях, поступающего в двигатель для сгорания 1 кг топлива; – коэффициент остаточных газов; – среднее индикаторное давление, МПа.

Определение эксплуатационных показателей автотракторной техники

Одним из показателей, характеризующим топливную экономичность двигателя является часовой расход топлива, который в свою очередь, оказывают существенное влияние на эксплуатационные показатели автотракторной техники:

а) производительный расход топлива тракторного агрегата

, кг/мото-ч (28)

б) погектарный расход топлива тракторного агрегата

, кг/га (29)

в) погектарный расход топлива зерноуборочного комбайна

, кг/га (30)

г) путевой расход топлива грузового автомобиля

, л/100 км (31)

д) транспортный расход топлива грузового автомобиля

, (32)

е) относительный расход масла на угар

, %, (33)

где Q – суммарный эксплуатационный расход топлива, кг (л); W – наработка (мото-ч) или величина транспортной работы (); – расход топлива за смену, кг; – сменная производительность, га; – часовой расход топлива дизеля на i-ом режиме (под нагрузкой, на разворотах, режиме холостого хода и перегрузок), кг/ч; – время работы дизеля на i-ом режиме, ч; – часовая производительность, га/ч; – время работы тракторного агрегата или комбайна за смену, ч; S, – путь, пройденный автомобилем без груза и с грузом, км; , – норма расхода топлива соответственно на пробег автомобиля в снаряженном состоянии без груза и на транспортную работу, л/100 км и л/100; – грузоподъемность автомобиля, т; D – поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации; – число рабочих дней; – коэффициент использования грузоподъемности; – коэффициент использования пробега за ездку; – изменение массы масла в двигателе за время угарного цикла, кг; – суммарный расход топлива за время угарного цикла, кг.

В третьем разделе «Системы автоматического управления работой тракторных, комбайновых и автомобильных двигателей на экспериментальном режиме самостоятельного холостого хода» для практической реализации предлагаемого способа улучшения эксплуатационных показателей автотракторной техники при работе двигателей на холостом ходу разработаны, изготовлены и исследованы конструктивные варианты систем автоматического управления (САУ) применительно к различным типам двигателей автотракторной техники (см. рис. 4):