Метод совершенствования эксплуатационных характеристик тракторного дизеля на основе применения интегрированной стартер-генераторной установки с микропроцессорным тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Алиев Сабир Алиевич

• Алиев Сабир Алиевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Алиев Сабир Алиевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Проблема холодного пуска тракторного дизеля

1.2. Анализ условий успешного пуска тракторных дизелей

1.3. Анализ характеристик современных систем электро-стартерного пуска тракторных дизелей

1.4. Стартер - генераторы

1.5. Заключение по главе

1.6. Цель и задачи диссертационного исследования

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПУСКОВОГО РЕЖИМА СИСТЕМЫ «Дизель-СГУ»

2.1. Энергетический анализ процесса холодного пуска дизеля

2.2. Структурная схема исследования системы «Дизель-СГУ»

2.3. Математическое исследование параметров рабочего процесса дизеля в период холодного пуска

2.4. Математического исследования по изучению затратных энергетических показателей пускового режима

2.5. Моделирование показателей стартер-генераторной установки, работающей в составе дизеля

2.6. Результаты математического исследования эффективностисовмещённой системы «Дизель-СГУ»

Глава 3. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ

3.1. Система «Дизель-СГУ» как объект исследования

3.2. Программа и методика испытаний

3.3. Приборы контроля измеряемых величин

Глава 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 Задачи исследования

4.2. Исследование моментных показателей силового агрегата СГУ

4.3. Исследования показателей стартерного режима СГУ

4.4. Анализ показателей пускового режима дизеля Д-245 в условиях низких температур102

4.5. Апробация эффективности генераторного режима СГУ

4.6. Заключение по результатам исследования

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ

ОБОЗНАЧЕНИЙ

СИМВОЛЫ

с - теплоёмкость газовой среды (Дж/кгК); С - объемная концентрация газа (%); D - диаметр цилиндра (м) G - массовый расход рабочего тела (кг/с); р- давление газа (Па)

Ни— низшая теплота сгорания топлива, (МДж/кг); Ые - эффективная мощность двигателя (кВт);

ЫТ - мощность, затрачиваемая на прокручивания вала двигателя при его холодном пуске (Вт);

Мс - момент сопротивления прокручиванию вала двигателя при его пуске; п - частота вращения коленчатого вала двигателя, (мин-1); пп - пусковая частота вращения коленчатого вала двигателя, (мин -1); ро - давление окружающей среды (МПа);

рТ - среднее давление трения прокручивания вала двигателя (Па); R - универсальная газовая постоянная; Т - текущая температура рабочего тела, (К); Тг - температура остаточных газов, (К); Vh - рабочий объём цилиндра (м3);

ГРЕЧЕСКИЕ БУКВЫ

а - коэффициент избытка воздуха;

¡л- молярная масса газовой среды;

¡и^ - динамическая вязкость моторного масла (кг/м-с)

у - кинематическая вязкость моторного масла (м2/с)

р - плотность (кг/м3)

ю - угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя, (с -1); юп - пусковая угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя, (с -1); р - угловое положение коленчатого вала (° п.к.в.); е- степень сжатия;

цм - механический КПД механизма привода пускового устройства;

П - КПД вентильного двигателя;

це - эффективный КПД;

в- угол опережения воспламенения (0п.к.в.);

^т- кажущаяся (условная) молекулярная масса топлива;

¡лСр - мольная теплоёмкость рабочего тела при постоянном давлении;

¡лСУ - мольная теплоёмкость рабочего тела при постоянном объёме;

АББРЕВИАТУРЫ

ДТ - дизельное топливо;

ОГ -отработавшие газы;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ТВС -топливно-воздушная смесь;

ДУ -дифференциальное уравнение;

град ПКВ - градус поворота коленчатого вала;

КПД - коэффициент полезного действия;

КС - камера сгорания;

НМТ - нижняя мертвая точка;

ВМТ - верхняя мертвая точка;

КШМ - кривошипно-шатунный механизм;

РТ - рабочее тело;

САР - система автоматического регулирования; ТНВД - топливный насос высокого давления; СГУ - стартер - генераторная установка; ВИМ -вентильно-индукторная машина.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод совершенствования эксплуатационных характеристик тракторного дизеля на основе применения интегрированной стартер-генераторной установки с микропроцессорным»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящий период в сфере тракторного дизелестроения прослеживается тенденция к очередному технологическому подъёму, что связано с необходимостью перехода на новый технический уровень, удовлетворяющий возрастающим требованиям по повышению эксплуатационных характеристик дизельной техники.

Совершенствование пусковых процессов тракторных дизелей является одной из насущных проблем, требующих своего решения. Затрудненный, длительный пуск тракторного двигателя, особенно в условиях низких температур окружающей среды обуславливает снижение целого ряда эксплуатационных качеств тракторного средства.

Проблема организации эффективного пускового процесса тракторного дизеля, в частности, в условиях низких температур, является одной из основных в списке эксплуатационных проблем. Низкое качество низкотемпературного пуска дизеля обуславливает повышенный его износ, снижение эксплуатационных возможностей тракторного средства. Для создания новых высокоэффективных систем пуска дизелей и поиска скрытых резервов необходимы перспективные меры, обеспечивающие необходимый уровень эксплуатационных качеств. Современные зарубежные аналоги пусковых систем для транспортных средств позволяют наметить ориентиры для разработки и совершенствованию перспективных систем пуска для отечественных тракторных дизелей.

Другая проблема, требующая своего решения, - это постоянно возрастающая нагрузка на бортовую электрическую систему современного трактора. Требования по эффективному запуску дизеля в сложных климатических

условиях России обуславливают необходимость в использовании более мощных систем электрического пуска. Кроме того, постоянно возрастает необходимый уровень потребления электрической энергии на современной и перспективной тракторной технике для использования электрического привода многих узлов и агрегатов дизеля и трактора, в частности, энергоемкой аппаратуры климат-контроля, агрегатов и навесных орудий трактора, взамен механических приводов от дизеля и др.

Реализация в отечественном тракторостроении подобных технических новшеств, в свою очередь, вызывает необходимость в повышении уровня напряжения в бортовой электросети.

Принятая в России в 2011 году «Стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России до 2020 года» [1] декларирует, что при последовательной поддержке государства необходимо, не только упрочить позиции отечественного тракторостроения, но и придать им дополнительный импульс для внедрения электроники и гидравлики в агрегатах и системах тракторов.

В настоящее время для пуска дизеля и электроснабжения тракторного средства применяются две автономные, функционально независимые друг от друга электрические машины - стартер и генератор. За весь прошедший период существования тракторных технологий данные устройства не претерпели значительных изменений. В частности, в большинстве случаев привод генератора осуществляется с помощью ременной передачи, ресурс которой и передаваемый момент (мощность) ограничены. Традиционно применяемый редуктор стартера с использованием зубчатого венца маховика дизеля приводит к повышению изнашиваемости деталей привода и уровня шума.

В то же время, развитие тракторной промышленности демонстрирует, как уже отмечалось ранее, быстрый рост количества потребителей энергии в

новых моделях тракторов, что требует постоянного повышения мощностей их генераторных установок и ресурса их надёжности.

Стартер и генератор являются различными по принципу действия электрическими машинами. Противоречивые требования к организации пуска тракторного двигателя и генерации электроэнергии не позволяли в условиях ранее существующих технологий совместить эти функции в рамках единого энергетического устройства.

Одним из перспективных решений рассматриваемой проблемы является применение вентильно-индукторного привода, который позволяет совместить функции стартера и генератора в едином технологическом узле, и тем самым повысить эксплуатационную надежность и эффективность интегрированной системы пуска дизеля и генерации бортовой электроэнергии тракторного средства.

Вентильно-индукторные машины (ВИМ) на сегодняшний день находят широкое применение в различных отраслях отечественного машиностроения. Использование ВИМ в качестве интегрированного стартер-генераторной установки (СГУ) в составе дизелей тракторов с/х и промышленного назначения является перспективным направлением, поскольку ВИМ при своей конструктивной простоте обладает высокой надёжностью при работе тракторной техники в условиях высокой запыленности среды и пониженной температуры.

Интегрированная СГУ обладает функциональными возможностями совокупного совершенствования эксплуатационных характеристик дизеля и трактора:

- обеспечивает высокий пусковой момент и эффективный запуск тракторного дизеля, даже в условиях низких температур;

- генерирует электрическую энергию многоуровневого напряжения для бортовых потребителей тракторного средства мощностью до 6 кВт и более;

- обладает способностью уменьшать уровень крутильных колебаний вала дизеля (т.н. эффект электромагнитного демпфирования), снижая тем самым вибрации и динамические нагрузки на детали двигателя и трансмиссии, повышая комфорт для обслуживающего персонала, и др.

- СГУ на основе ВИМ в отличие от традиционных электромашин содержит ротор в виде простого зубчатого диска, не имеющего обычной обмотки, что способствует существенному повышению не только эксплуатационной надежности установки, но и снижает её стоимость по сравнению с другими видами электропривода. Кроме того, объединение стартера и генератора в одном конструктивном узле позволяет значительно сократить затраты на изготовление и сборку такой конструкции, что является преимуществом с точки зрения производственных издержек.

Однако до настоящего времени остаются малоисследованными комплексные (интегрированные) системы СГУ для организации эффективного пускового процесса двигателя и бортового генерирования электроэнергии, адаптированные к условиям эксплуатации дизеля трактора, а также вопросы их рационального применения в области тракторной технологии России.

При этом, с учётом сложных условий эксплуатации тракторного дизеля, подобная система должна оснащаться автоматическим управлением интенсивностью разгона путём рационального варьирования уровнем потребляемой мощности, повышая эффективность и устойчивость процесса пуска -разгона.

В связи с этим возникает необходимость в исследовании по поиску возможности по повышению уровня эксплуатационных качеств отечествен-

ных тракторных дизелей за счёт применения СГУ, как средств, реализующих эту возможность, что и определяет актуальность выбранной темы диссертационного исследования.

Диссертационная работа посвящена проблеме совершенствования эксплуатационных характеристик тракторного дизеля и средств его реализации на основе применения интегрированной системы со стартер-генераторной установкой и микропроцессорным управлением процессами пускового режима.

С учетом тематической направленности диссертационного исследования в работе методически обосновано положение по совершенствованию пусковых и ресурсных характеристик тракторного дизеля с использованием высокоэффективных средств, созданных на основе интегрированных стартер-генераторных установок с возможностью управления процессами пускового режима двигателя. Разработана методику расчета показателей пускового процесса системы «Дизель-СГУ» на базе совместного моделирования рабочих процессов дизеля и электрической машины СГУ, ориентированную на поиск решений по организации эффективного холодного пуска тракторного дизеля. На основе разработанной методики проведено расчётное исследование, по результатам которого выявлены наиболее целесообразные энергетические и динамические характеристики системы «Дизель-СГУ» применительно к условиям эксплуатации тракторов. По результатам проведённых исследований сформулирован и методически обоснован метод совершенствования эксплуатационных характеристик тракторного дизеля на базе применения интегрированных стартер - генераторных установок с автоматическим управлением интенсивностью пускового режима путём рационального варьирования уровнем потребляемой энергии. Метод, по возможностям своей практической реализации, был адаптирован к условиям эксплуатации тракторов при низких температурах и повышенной запылённости окружающей сре-

ды. Создана экспериментальная установка и разработана методика для проведения опытной апробации эффективности предложенного метода, достоверности результатов расчетного анализа и уточнения показателей пускового процесса применительно к дизелю семейства тракторов тягового класса 1,4. На основе систематизации и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований предложены практические рекомендации по разработке эффективных интегрированных систем с СГУ с микропроцессорным управлением параметрами пускового режима дизеля и генерирования бортовой электроэнергии многоуровневого напряжения для нужд бортовых потребителей.

Целью диссертационной работы является разработка метод совершенствования эксплуатационных характеристик тракторного дизеля и средств его реализации на основе применения интегрированной стартер-генераторной установки с микропроцессорным управлением процессами пускового режима.

Исходя из поставленной цели, определены задачи для её достижения:

1. С учетом тематической направленности диссертационного исследования методически обосновать положение по совершенствованию пусковых и ресурсных характеристик тракторного дизеля с использованием высокоэффективных средств, созданных на основе интегрированных стартер-генераторных установок с возможностью управления процессами пускового режима двигателя.

2. Разработать методику расчета показателей пускового режима системы «ДВС-СГУ» на основе совместного моделирования рабочих процессов ДВС и электрической машины, ориентированную на поиск решений по организации эффективного холодного пуска тракторного дизеля.

3. На основе разработанной методики осуществить численный эксперимент, по результатам которого выявить наиболее целесообразные энерге-

тические и динамические характеристики системы «ДВС-СГУ» применительно к условиям эксплуатации тракторов.

4. По результатам проведённых исследований сформулировать и методически обосновать метод совершенствования эксплуатационных характеристик тракторного дизеля на основе применения интегрированных стартер -генераторных установок с микропроцессорным управлением параметрами пускового процесса. Метод, по возможностям своей практической реализации, должен быть адаптирован к условиям эксплуатации тракторов при низких температурах и повышенной запылённости окружающей среды.

5. Создать экспериментальную установку и разработать методику для проведения опытной апробации эффективности предложенного метода, достоверности результатов расчетного анализа и уточнения показателей пускового процесса применительно к дизелю семейства тракторов тягового класса 1,4.

6. На основе систематизации и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований предложить практические рекомендации по разработке эффективных интегрированных СГУ с микропроцессорным управлением параметрами пускового режима ДВС и генерирования бортовой электроэнергии многоуровневого напряжения для дизелей отечественных тракторов.

Предметом исследования являлись процессы, протекающие в дизеле и электрической машине СГУ в условиях их совместной работы в пусковой период.

Объект исследования является тракторный двигатель типа Д-245, работающий совместно с интегрированной СГУ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- методически обосновано положение по совершенствованию пусковых и ресурсных характеристик тракторного дизеля и средств для его реа-

лизации на основе применения интегрированных СГУ с электронным управлением процессами пускового режима;

- предложена методика совместного и скоординированного моделирования рабочих процессов ДВС и электрической машины, позволяющая осуществлять поиск наиболее рациональных вариантов организации режимов холодного пуска тракторного дизеля;

- разработаны положения по наиболее целесообразному формированию энергодинамических характеристик интегрированной системы «ДВС-СГУ» для различных температурных условий эксплуатации тракторов;

- предложен метод по совершенствованию эксплуатационных характеристик тракторного дизеля путём использования опытной системы с СГУ и автоматическим управлением процессами пускового режима двигателя, разработанный на основе результатов проведённых исследований;

- разработана методика экспериментальных исследований пусковых характеристик тракторного дизеля, работающего совместно с опытной системой СГУ и с автоматическим управлением процессами пускового режима.

Достоверность и обоснованность научных положений и полученных результатов определяются:

- применением фундаментальных законов теории поршневых двигателей, теоретической механики, теплофизики, электромеханики и термодинамики, а также их соответствием выявленным особенностям изучаемым процессам;

- использованием корректных средств и методов измерений в ходе стендовых испытаний;

- экспериментальным подтверждением достоверности результатов расчетно-аналитического исследования.

Практическая значимость.

1. По результатам исследования разработана техническая документация и создан опытный образец СГУ для дизеля тракторов тягового класса 1,4. При температуре минус 30°С СГУ позволяет осуществить эффективный запуск дизеля за время менее 10с с первой попытки без применения средств предпусковой подготовки, что значительно превышает возможности существующих стартерных устройств тракторных дизелей.

2. Анализ показывает, что применение разработанной СГУ обуславливает снижение износа дизеля пропорционально уменьшению времени пускового процесса. Исключение повторных попыток пуска обеспечивает дополнительный эффект в повышение ресурсных характеристик дизеля.

3. Вентильная электрическая машина СГУ имеет простую конструкцию без коллектора (её ротор выполнен в виде обычного зубчатого диска); она обладает высокой надежностью; приспособлена для работы тракторной техники в условиях высокой запыленности среды, как при низких, так и высоких температурах окружающей среды.

4. СГУ реализует функции системы бортового генерирования электроэнергии многоуровневого напряжения для всех потребителей дизеля и трактора.

5. СГУ по своим функциональным возможностям является эффективным электромагнитным гасителем (демпфером) крутильных колебаний вала дизеля, способным полностью заменить традиционную систему демпфирования. При этом обеспечивается важное преимущество - возможность демпфирования колебаний с заданной дискретной частотой и переменными амплитудами.

6. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы при выполнении научно - исследовательских и опытно-конструкторских

работ в рамках Федеральной целевой программы «Стратегия развития сельскохозяйственного машиностроения России до 2020 года».

Методы диссертационного исследования

В ходе проведения диссертационной работы были использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на использование метода совместного математического моделирования рабочих процессов дизеля и электрической машины СГУ в период пускового процесса. Экспериментальные исследования проводились на натурном образце опытной системы «ДВС-СГУ».

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Проблема холодного пуска тракторного дизеля

1.1.1 Особенности рабочего процесса дизеля в период пуска

В отличие от нагрузочного режима протекание рабочего процесса дизеля в пусковой период характеризуется рядом особенностей. В период пуска вследствие низкой скорости потока воздуха во впускном тракте и запаздывании закрытия впускного клапана происходит обратный выброс части заряда. Доля потерянного заряда условно оценивают коэффициентом потерянного объема щ:

у = AVh/ V,,

где АУ}г - объем цилиндра, описываемый поршнем при ходе от нижней мёртвой точки (НМТ) до момента закрытия впускного клапана.

Обычно для тракторных двигателей у = 0,125...0,263. За счёт потери части заряда снижается реальная степень сжатия, ухудшаются пусковые качества дизеля.

Вследствие малой скорости поршня такт сжатия в период пуска двигателя характеризуется существенными утечками заряда через не плотности цилиндра, в основном через поршневые кольца, величина которых оценивают коэффициентом сохранения заряда

£ = тс/ та,

где тс,та - масса рабочего тела в цилиндре при положении поршня в ВМТ и в момент закрытия впускного клапана соответственно.

При низкой температуре пусковая частота прокручивания вала двигателя снижается, что приводит к уменьшению коэффициента сохранения заряда £ (рис. 1.1).

0,9 0,3 0,7

0,6

0,5

1 1

—----

1

50 ЮО 150 200 п,мин

-1

Рис.1.1. Зависимость коэффициента сохранения рабочего заряда от пусковой частоты прокручивания вала дизеля при геометрических степенях сжатия £г1 - 13; 2 - 15; 3 - 17; 4 -19.

Оценить значение коэффициента £ можно по зависимости [2]:

4 =

п

.0,32

0,65

Б

г

где п - пусковая частота прокручивания вала дизеля, мин .

Большая при холодном пуске продолжительность процесса сжатия приводит к увеличенным потерям теплоты, оцениваемым средним показателем политропы сжатия П]. Для частот вращения вала двигателя 80...100 мин-П = 1,325.1,33. В общем виде приближенная оценка сможет быть проведена по эмпирической зависимости:

п] = 1,24-п0,015.

Другой особенностью рабочего процесса дизеля при его холодном пуске является то, что показатели давления и температуры в конце такта сжатия существенно снижаются. Эти показатели для пускового режима можно оценить по формулам [2]:

Рс = Ра егп1[£ (1 - У) + у]п1; Тс = Та• ег(п1-1)№ (1 - у) + у](п1-1), где ра и Та— давление и температура в момент завершения такта сжатия.

В период холодного пуска дизеля возрастает интенсивность отвода теплоты от рабочего тела в холодные стенки деталей, образующих объём камеры сгорания, что приводит к ухудшению воспламенения топлива. Опыт эксплуатации показывает, что воспламенение дизельного топлива с цетано-вым числом 45...50 обеспечивается в условиях пуска холодного дизеля с температурой конца сжатия 350.360 °С. Построив зависимость 1с = Дп), можно определить частоту прокручивания вала двигателя, необходимую для создания условий воспламеняемости топлива в камере сгорания дизеля (рис.1.2).

t, "С

350

300 250 200

1

I I

I I i

50 100 150 200 Пу.чин1

Рис.1.2. Определение пусковой частоты вращения вала дизеля по условию обеспечения температуры воспламенения топлива: / - зависимость температуры рабочего тела в конце такта сжатия от частоты прокручивания вала дизеля; 2 - температура рабочего тела в конце такта сжатия в камере сгорания, обеспечивающая воспламенения топлива при пуске холодного дизеля.

1.1.2. Параметры пускового процесса тракторного дизеля

Минимальная пусковая частота вращения вала дизеля.

Для пуска двигателя частота вращения вала должна быть доведена пусковым устройством до некоторого уровня, при котором обеспечивается удовлетворительное протекание процессов смесеобразования, сжатия и воспламенение (появление стабильных вспышек в цилиндрах). Это является необходимым условием для организации успешного пуска дизеля. Принятый стандартный показатель, характеризующий этот фактор, - «Минимальная пусковая частота вращения» - соответствует наименьшей угловой скорости вращения коленчатого вала, при которой происходит надежный пуск двигателя. Этот показатель успешного пуска дизеля зависит от температуры, при которой производится пуск дизеля, его конструкции, вязкостных свойств моторного масла, способа пуска и т.п.

При температуре 0 °С минимальное пусковое число оборотов для тракторных дизелей составляет 100.200 мин"1. Для ряда серийных дизелей (например, ЯМЗ-236) минимальное число оборотов может оказаться даже значительно меньше (рис. 1.3). Для дизелей с разделенными камерами сгорания без пусковых свечей накаливания минимальное число оборотов порядка 200 мин -1.

об/ мин

и

\ к 1 /

V 2 /

-15 -10 -5 О

Рис. 1.3. Зависимость пусковой частоты вращения вала дизелей от их температурного состояния: 1 - дизели семейства ЯМЗ - 236; 2 - дизели семейства ЯМЗ - 238.

При сверхнизких температурах указанные на рис. 1.3 пусковые частоты вращения могут быть реализованы лишь за счёт пускового прогревания дизеля или при использовании устройств, облегчающих его пуск.

Момент сопротивления прокручиванию вала дизеля.

Другим, не менее важным показателем эффективного пуска дизеля является момент сопротивления проворачиванию вала дизеля Мс. При заданной температуре окружающего воздуха может быть определен по следующим соотношениям.

Для 4 - цилиндровых двигателей:

Мс = 0,875-Уъ(0,24 + 3,310 -4 п^и03, Нм .

Для 6-цилиндровых двигателей:

Мс = 8,58-Щ0,1 + 3,3-10 -3- п> °,41 , Н-м .

Для двигателей с числом цилиндров 8 и более:

Мс = 8,58- Кц(0,11 + 2,2- 10 -3 п> °,39 , Нм . В приведенных выше соотношениях:

- рабочий объем всех цилиндров двигателя (его литраж), л, дм3,

пп- пусковая частота вращения коленчатого вала, мин~1,

и - вязкость моторного масла, сСт.

Величина Мс во многом определяется вязкостно-температурными характеристиками моторного масла.

Мощность пускового устройства.

Пусковое устройство должно обладать такой мощностью, чтобы, преодолев сопротивление прокручиванию коленчатого вала, обеспечить его вращение на пусковой частоте. Заметим, что сопротивление трению при пуске холодного двигателя значительно выше, чем при его работе под нагрузкой.

Мощность пускового устройства ЫП оценивается с учётом минимальной пусковой частоты вращения вала и момента сопротивления его прокручиванию по зависимости:

Мп ■ п, П = 9550 -пм

Ып = П кВт,

где - механический КПД механизма передачи системы пуска; для систем с электрическими стартерами цм = 0,85.

1.1.3. Пусковые качества дизеля

Эти качества дизелей оцениваются:

- минимальной температурой пуска;

- продолжительностью пуска;

- временем до приема нагрузки.

Минимальная температура пуска соответствует минимальной температуре среды, при которой возможен успешный пуск непрогретого дизеля.

Продолжительность пуска - это время прокручивания коленчатого вала до момента отключения пускового устройства и начала работы двигателя на режиме холостого хода.

Время подготовки двигателя к приему нагрузки складывается из времени, затраченного на пуск, прогрев двигателя на холостом ходу. Из соображений надежности работа тракторного дизеля его целесообразно нагружать при температуре охлаждающей жидкости и масла не ниже 40.45 °С.

Затруднения с пуском тракторного дизеля возникают в основном при низких температурах окружающего воздуха, что обуславливает необходимость применения специальных мер.

1.1.4. Проблема пускового износа дизелей

Изучение проблемы пускового износа дизелей изложено в ряде работ [2,5,6,8]. Отмечается, что при продолжительном пуске, многократно череду-

ющихся попытках успешного запуска холодного дизеля в условиях «масляного голодания» происходит его интенсивный износ, который является важным фактором, определяющим эксплуатационную надежность и ресурс работы силового агрегата трактора. Износ деталей дизеля в пусковой период в условиях низких температур составляет более 50% от общего износа за период эксплуатации, а каждый пуск двигателя эквивалентен многим часам работы под нагрузкой [6,8].

При этом по мере износа дизеля проблема его пуска усугубляется. На динамику пускового износа дизеля наиболее существенное влияние оказывает температура. Эксплуатация трактора при низких температурах из-за повышенного изнашивания дизеля способствует возрастанию времени его запуска-прогрева, увеличиваются простои тракторов для подготовки к работе. В ряде случает, длительность этих простоев достигает более 1 часа.

Этот вопрос приобретает безусловную значимость и для Дагестана, так как трактора отечественного производства, эксплуатируемые в климатических условиях высокогорья, подвергаются частым запускам (при длительных простоях) в фермерских и сельскохозяйственных предприятиях.

Из сказанного следует, проблема уменьшения пусковых износов дизеля и повышения эксплуатационных возможностей тракторного средства напрямую связана с выбором способов и высокоэффективных средств, обеспечивающих его надёжный кратковременный запуск и отсутствие неудачных попыток пуска.

На изнашиваемость деталей двигателя большое влияние оказывает характер протекания процессов внутри цилиндров [2,6,8]. В период холодного пуска на динамику износа оказывают доминирующее влияние динамические параметры рабочего процесса: максимальное давление сгорания рz и скорость изменения давления dp/dф, которые, в свою очередь, во многом определяются длительностью задержки воспламенения т1. Более жесткая работа двигате-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алиев Сабир Алиевич, 2019 год

Источник

и

Накопитель

Ц

Коммутатор

Ц

Электродвигатель

Ц

Привод

Ц

Редуктор

Ц

Двигатель

внутреннего

сгорания

Рис. 1.8. Блок-схема электро-стартерной системы.

Схема типичного электростартера с тяговым реле показана на рис. 1.9. На рисунке 1.10 представлен общий вид серийного стартера дизеля Д-245 -объекта диссертационного исследования.

Тяговое реле

Рис.1.9. Схема типичного электростартера с тяговым реле.

Рис.1.10.Электростартер дизеля Д-245: напряжение 24В; мощность 3,5 кВт.

Энергетические возможности электро-стартерной системы пуска изменяются в зависимости от температурных условий эксплуатации. На рисунке 1.11 приведен характер изменения основных показателей системы пуска (момента М, частоты вращения якоря п и мощности Р) в зависимости от силы потребляемого тока и температуры окружающей среды.

_Г

Рис. 1.11. Характер изменения показателей электро-стартерной системы в зависимости от температуры окружающей среды: +20°С (пунктир); -20°С (сплошная линия).

Видно, что при низких температурах происходит снижение энергетических показателей электро-стартерной системы, при этом и снижается и частота вращения пускового устройства вследствие роста сопротивления источника электропитания (аккумуляторной батареи). При этом при более низких температурах вследствие высокой кинематической вязкости моторного масла увеличивается сопротивление проворачиванию вала дизеля. Например, при изменении температуры от +20 °С до - 20 °С сопротивление может возрасти в 5.10 раз. Как следствие, возрастает операционное время пускового процесса, следовательно, и пусковой износ дизеля.

Технические показатели ряда зарубежных электростартеров приведены в табл. 1.2.

Отметим, что некоторые современные электро-стартерные системы производятся для работы с повышенным напряжением, например, 24 В, что позволяет увеличить эффективную мощность пусковой системы в 1,2.1,5 раза. Отечественная стартерная система дизеля Д-245 (объекта исследования) рассчитана именно на такое напряжение.

Таблица 1.2.

Технические данные стартеров зарубежных фирм:

Фирма Тип стартера Диаметр корпуса, мм Номинальное напряжение, В Номинальная мощность, кВт Воз-бужде-ние Масса, кг

DM 0,9Ж 79 12 1,0 ПМ 3,7

DM 1,0Ж 79 12 1,1 ПМ 4,0

БОШ DM 1,4Ж 74 12 1,7 ПМ 3,6

DM 1,7Ж 79 12 2,4 ПМ 4,4

ЕУ 2,2Ш 74 12 3,2 ЭМ 6,1

D 6ЯА 64 12 1.1 ПМ 2,75

ВАЛЕО D 9Я 92 12 2.7 ЭМ 5,9

D 1Ж 24 V 115 12 7.5 ЭМ 17

M78R1,4 78 12 1,5 ПМ 3,5

ЛУКАС 80 12 1,7 ПМ 4,4

M100R2,8 105 12 2,8 ЭМ 8,5

ХИТАЧИ S114-250 80 12 1,4 ЭМ 4,5

S13-65 80 12 2,0 ЭМ 5,3

02800-7560 68 12 1.1 ЭМ 3,8

ДЕНСО 02800-8620 76 12 1.4 Эм 4,5

R2,2kW 88 12 2.2 ЭМ 5,9

МАГНЕТИ Е70R-1,4kW 70 12 1.6 ЭМ 3,7

МАРЕЛЛИ E95R-2,2kW 95 12 3.0 ЭМ 6,0

Сокращения: ПМ- возбуждение постоянными магнитами; ЭМ- электромагнитное возбуждение.

Из результатов проведённого выше краткого анализа следует, что существует ряд важных проблемных вопросов, связанных с эксплуатацией существующих электрических пусковых систем, которые остаются актуальными для своего решения.

Для производства электростартеров используются сложные технологии и дорогостоящие материалы, в том числе, и цветные. Существуют проблемы с механической прочностью и износостойкостью. В частности, низкая износостойкость коллекторов и щёток, требующая частой их замены, - является одной из характерных негативных особенностей электростартеров. Как отмечалось ранее, энергетические характеристики электро-стартерной системы пуска изменяются в зависимости от температурных условий эксплуатации,

они снижаются. При этом возрастает операционное время пускового процесса, следовательно, и пусковой износ дизеля.

1.4. Стартер - генераторы

Пусковая и генерирующая системы современного тракторного дизеля основаны на двух независимых устройствах - синхронного генератора и стартера на основе двигателя постоянного тока. За весь прошедший период существования тракторных технологий данные устройства не претерпели значительных изменений.

Однако, как было установлено выше, в мировом тракторостроении наметилась тенденция к повышению мощности бортовых потребителей, растёт и их число в составе тракторной технике, что приводит к тому, что уже сегодня требуются бортовые источники генерирования электроэнергии с мощностью более 6 кВт. При этом, повышение эффективности и надежности, снижение весогабаритных показателей и стоимости пусковых систем тракторного дизеля - это вопросы, которые по-прежнему остаются актуальными для своего решения и для сегодняшнего времени.

Для решения этих проблемных вопросов для тракторных дизелей требуется разработка и исследование комбинированных бортовых систем с повышенными энергетическими возможностями, позволяющими формировать высокие крутящие моменты в режимах пуска дизеля, а в генераторных режимах вырабатывать электроэнергию повышенного напряжения в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя. В стартерном режиме главной задачей подобной системы является ускоренная динамика разгона вала дизеля до уровня его успешного запуска.

Из сказанного выше следует, что в сфере отечественной тракторной технологии назрела необходимость создания новых перспективных электромеханических систем для дизелей с/х техники на основе интегрирования

операций пуска и генерирования. Известно, что стартер и генератор являются различными по принципу действия электрическими машинами. Противоречивые требования к организации пуска тракторного двигателя и генерации электроэнергии не позволяли в условиях ранее существующих технологий совместить эти функции в рамках единого энергетического устройства.

Одним из направлений по поиску подобного энергетического устройства стало современное развитие электромашинных комплексов, позволяющих совместить характеристики стартера и генератора в одной электрической машине, и тем самым повысить эксплуатационную надежность и эффективность интегрированной системы пуска дизеля и генерации бортовой электроэнергии.

К настоящему времени большой опыт по разработке интегрированных устройств для пуска двигателя и генерации бортовой электроэнергии накоплен в технологиях отечественного и зарубежного автомобилестроения. Все эти устройства (рис.1.12), получившие название «стартер - генераторные установки» (СГУ), имеют определенные различия в своих характеристиках, и отличаются большим разнообразием компоновочных решений.

В отечественной исследовательской практике разработка автомобильной СГУ для автомобилей класса ВАЗ-2110 началась еще в 2000 г.

Рассматривались варианты компоновочных решений СГУ, в которых в качестве электрической машины был использован коллекторный электродвигатель постоянного тока, который традиционно применяют в существующих пусковых системах автомобильных транспортных средств. Однако данный тип электродвигателя имеет ряд ограничений по эксплуатационной надёжности: повышенный износ коллектора и щёток, пониженная прочность крепления обмоток якоря на высокоскоростных режимах работы, нарушение его балансировки, сложность в организации охлаждения вращающихся обмоток и др.

Рис. 1.12. Вариант опытной конструкции автомобильной СГУ.

Результаты исследований СГУ с коллекторными электродвигателями и проблемные вопросы по их применению нашли отражение в ряде известных работ[2, 8, 9, 10, 11].

Интегрированные устройства для пуска двигателя и генерации электроэнергии находят применение и в современной военной технике РФ. Например, из открытых литературных источников известен стартер-генератор СГ-10-1 отечественного танка Т-72Б, который предназначен для запуска двигателя, питания бортовых потребителей электроэнергией и подзарядки аккумуляторных батарей при работающем двигателе. Стартер-генератор СГ-10-1С представляет собой электрическую машину постоянного тока, имеющую схему параллельного возбуждения в генераторном режиме и схему смешанного возбуждения в стартерном режиме. Он развивает мощность 10 кВт (генераторный режим) и 14,7 кВт (стартерный режим); напряжение питания в стартерном режиме 48 В. Привод СГУ в генераторном режиме осуществляется через двойную гидромуфту. Стартер-генератор вступает в работу при 80 мин -1 коленчатого вала; отдает полную мощность при 1000 мин -1 и выше.

В составе ряда вариантов автомобильных СГУ используются асинхронные трехфазные электродвигатели. В качестве примера на рис. 1.13 показан подобный тип СГУ фирмы Bosch, в котором используется двухуровневая система напряжений: на 42 В и 14 В.

Рис. 1.13. Асинхронный стартер-генератор фирмы Bosch:а - статор; б - ротор.

Уровень напряжения 42 В вырабатывается СГУ в генераторном режиме, а 14 В обеспечивается преобразователем. Это типичный асинхронный трехфазный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, электронный блок которого переводит его работу с двигательного в генераторный режим и обеспечивает стабильность напряжения в этом режиме.

В патенте [7] предлагается конструкция автомобильной стартер-генератор, содержащая автономные электродвигатель и генератор. Для поочерёдного подключения/отключения электродвигателя к ДВС и генератору применена планетарная передача, оснащённая муфтами свободного хода.

Предлагались варианты СГУ, в составе которых электродвигатель и генератор размещенные в одном корпусе. Установка может одновременно работать в стартерном и генераторном режимах, что обеспечивает возможность её использования для интенсификации разгона автомобиля, когда крутящий момент ДВС дополняется моментом от электродвигателя. Однако, подобная

комбинированная энергетическая машина имеет сложную конструкцию и технологически сложна в производстве.

В работе [8] предложен вариант СГУ, в которой электромотор и генератор с автономными обмотками возбуждения размещены по разные стороны общего якоря. Очерёдностью их работы управляет специальное коммутирующее устройство.

В работе [10] предложена СГУ, схема которой включает в себя электростартер с трехфазной обмоткой и ротор с постоянными магнитами. Последовательная работа СГУ в стартерном и генераторном режимах обеспечивается за счёт дополнительного применения двух коллекторов.

В работе [12] предложена комбинированная электромашина, в которой функции стартера выполняет электродвигатель, а функции генератора - однофазный синхронный генератор.

Фирма Siemensприступила к разработке автомобильных СГУ мощностью до 8 кВт. В её электросиловой схеме использован частотно - управляемый асинхронный электрический двигатель [18], регулирование режимами работы которого производится за счёт соответствующего ориентирования вектора магнитного поля.

Известны [20] попытки использования в составе СГУ электрических двигателей с трехфазной обмоткой статора и короткозамкнутым ротором с питанием от статического преобразователя частоты. Однако вследствие того, что питающее напряжение отличается от синусоидального, энергетические показатели и КПД такой электромашины снижаются.

В составе СГУ небольшой мощности могут применяться частотно -управляемые синхронные двигатели с постоянными магнитами [10,19]. В этих двигателях применяют высоко-эрцитивные магниты, изготавливаемые с использованием редкоземельных материалов. Двигатели имеют малую массу

и габаритные размеры. Однако, они низко технологичны, высоко трудоёмки в изготовлении и дороги.

Из приведённого выше анализа ряда опытных или предложенных в патентной литературе конструктивных вариантов СГУ можно заключить, что в большинстве случаев все эти варианты малорентабельны и далеки от совершенства. Поэтому целесообразен поиск такого варианта СГУ, который бы в большей степени соответствовал условиям эксплуатации тракторной техники, обеспечивая при этом высокую эксплуатационную надёжность, меньшие технологические затраты в производстве, высокую эффективность, возможность функционирования в условиях низких температур и запылённости среды.

Всем этим перечисленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет вариант использования вентильного электромеханического преобразователя энергии с автоматическим (микропроцессорным) регулированием. Его предпочтительность проявляются в следующем:

- более надежная конструкция электрической машины, ротор которой не имеет обмотки и магнитов;

- меньшие технологические затраты производства;

- более высокая эффективность, которая сохраняется в широком диапазоне изменения нагрузочного и скоростного режимов;

- низкая чувствительность к неполадкам в схеме управления;

- повышенная живучесть, сохранение работоспособности в случае повреждения одной из фаз электрической машины;

- способность эффективно функционировать в условиях низких и сверхнизких температур и высокой запылённости среды.

Вентильный преобразователь на основе вентильной индукторной машины (ВИМ) является на сегодняшний день одним из наиболее востребованных типов преобразователей энергии, которые совмещает в себе функции

индукторной машины, полупроводникового преобразователя частоты и микропроцессорной системы управления. Их широкому развитию в настоящее время способствовало появление мощных транзисторов типа ЮВТ, которые позволяют создавать регулируемые приводы для различного вида промышленных установок с наилучшими потребительскими свойствами.

Одним из направлений развития ВИМ становится интегрированная установка, совмещающая в себе характеристики пускового электродвигателя и генератора. Использование ВИМ в качестве интегрированной СГУ в составе тракторов с/х и промышленного назначения является наиболее предпочтительным вариантом. ВИМ, благодаря своей конструктивной простоте и надежности, наилучшим образом приспособлена к условиям работы тракторной техники в среде с высокой запыленностью, как при низких, так и высоких температурах.

К сожалению, несмотря на очевидные преимущества интегрированных электромеханических установок на основе ВИМ, реализующих функции как стартера, так и генератора, они до настоящего времени ещё не нашли массового применения в дизелях сельскохозяйственного и промышленного назначения.

Тем не менее, благодаря перечисленным преимуществам применение подобных СГУ в дизелях тракторов является наиболее перспективным, так как именно в условиях этого применения особую значимость приобретают такие показатели как эксплуатационная надежность и эффективность.

1.5. Заключение по главе

Проведенный в главе 1 анализ состояния работ по тематике диссертационной работы позволяет сделать следующее заключение.

1. Протекание рабочего процесса дизеля при пуске существенно отличается от нагрузочного режима рядом особенностей:

- возрастает обратный выброс из цилиндра части заряда;

- снижается реальная степень сжатия заряда;

- увеличиваются утечки рабочего тела через поршневые кольца;

- возрастают потери теплоты, и, как следствие, снижается средний показатель политропы сжатия п1;

- уменьшаются давление и температура конца сжатия;

- ухудшаются показатели процессов смесеобразования и воспламенения в дизеле.

2. Пусковой режим тракторного дизеля в условиях низких температур характеризуется резким возрастанием максимального давления сгоранияр и динамикой его развития dp/dф в цилиндрах двигателя.

3. Для дизеля Д-240, являющегося базовой моделью дизеля Д-245 (объект исследования), максимальное давление сгорания р2 в период пуска в 1,5 раза выше, чем при работе на номинальном режиме; период задержки воспламенения т увеличивается в 4 раза, а скорость нарастания давления dp/dф возрастает в несколько раз. Жесткая и высоко динамичная работа дизеля при пуске является одним из основных факторов интенсивного изнашивания двигателя при его пуске.

4. Повышенный износ дизеля является одной из важнейших проблем, связанной с процессом его холодного пуска. И, как следствие, - изношенный дизель плохо запускается.

5. Износ дизеля является одной из важнейших его характеристик, определяющих его эксплуатационную надежность и ресурс работы силового агрегата трактора в целом. Анализ результатов опубликованных исследований показывает, что износ дизеля в процессе холодного пускового режима достигает более 50% от общего износа за период эксплуатации, а каждый запуск дизеля в условиях отрицательных температур эквивалентен по уровню износа многим часам работы под нагрузкой.

6. В период пуска-прогрева, увеличивается число отказов двигателей, в частности, вследствие повышенной интенсивности изнашивания основных деталей цилиндропоршневой группы и подшипников, возрастают простои тракторов при подготовке к работе из-за затрудненного пуска дизеля.

7. Задача повышения эксплуатационной надёжности и ресурсных характеристик тракторного дизеля обуславливает необходимость сокращения продолжительности пускового процесса и исключения многократного повторения попыток пуска двигателя.

8. Дополнительные трудности, связанные с холодным пуском дизеля, связаны с тем, что из-за повышения кинематической вязкости моторного масла сопротивление прокручиванию коленчатого вала возрастает, что привод к уменьшению необходимой пусковой частоты вращения.

9. Повышение энергетической эффективности пусковой системы является комплексным, наиболее эффективным решением проблемных задач, перечисленных выше.

10. В сфере отечественной тракторной технологии в настоящее время наметилась тенденция к увеличению числа и мощности потребителей электроэнергии в современных тракторах, что приводит к тому, что уже сегодня требуются источники генерирования электроэнергии с мощностью более 6 кВт. То есть назрела острая потребность в разработке перспективных электромеханических систем для дизелей промышленной и сельскохозяйственной техники, способных генерировать электроэнергию повышенного напряжения в широкой области изменения скоростного режима дизеля.

Одним из возможных направлений комплексного решения перечисленных выше проблем стало современное развитие электронно-машинных комплексов, позволяющих совместить характеристики стартера и генератора в одной электрической машине, и тем самым повысить эксплуатационную

надежность и эффективность интегрированной системы пуска дизеля и генерации бортовой электроэнергии.

Указанные выше эффективные комплексы до настоящего времени не находят своего массового использования на российских тракторах. Отдельные образцы таких систем, разработанные на основе СГУ для автомобильной техники, по ряду показателей не соответствуют условиям эксплуатации тракторной техники.

С учётом возрастающих требований по повышению эксплуатационных качеств дизельной техники для нужд сельскохозяйственного производства, создание и внедрение интегрированных систем с СГУ для тракторов является одной из насущных задач тракторостроительной отрасли России.

Перспективная разработка и исследование метода совершенствования тракторного дизеля, а также средств для его реализации на основе высокоэффективных интегрированных систем с СГУ обуславливает необходимость проведения предварительных исследований, связанных с изучением комплекса вопросов теоретического и экспериментального характера.

1.6. Цель и задачи диссертационного исследования

С учетом проведенного в данной главе анализа и приведенного выше заключения, были сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является разработка метод совершенствования эксплуатационных характеристик тракторного дизеля и средств его реализации на основе применения интегрированной стартер-генераторной установки с микропроцессорным управлением процессами пускового режима.

Исходя из поставленной цели, определены задачи для её достижения:

7. С учетом тематической направленности диссертационного исследования методически обосновать положение по совершенствованию пусковых и ресурсных характеристик тракторного дизеля с использованием высокоэффективных средств, созданных на основе интегрированных стартер-генераторных установок с возможностью управления процессами пускового режима двигателя.

8. Разработать методику расчета показателей пускового режима системы «ДВС-СГУ» на основе совместного моделирования рабочих процессов ДВС и электрической машины, ориентированную на поиск решений по организации эффективного холодного пуска тракторного дизеля.

9. На основе разработанной методики осуществить численный эксперимент, по результатам которого выявить наиболее целесообразные энергетические и динамические характеристики системы «ДВС-СГУ» применительно к условиям эксплуатации тракторов.

10. По результатам проведённых исследований сформулировать и методически обосновать метод совершенствования эксплуатационных характеристик тракторного дизеля на основе применения интегрированных стартер - генераторных установок с микропроцессорным управлением параметрами пускового процесса. Метод, по возможностям своей практической реализации, должен быть адаптирован к условиям эксплуатации тракторов при низких температурах и повышенной запылённости окружающей среды.

11. Создать экспериментальную установку и разработать методику для проведения опытной апробации эффективности предложенного метода, достоверности результатов расчетного анализа и уточнения показателей пускового процесса применительно к дизелю семейства тракторов тягового класса 1,4.

12. На основе систематизации и обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований предложить практические рекомен-

дации по разработке эффективных интегрированных СГУ с микропроцессорным управлением параметрами пускового режима ДВС и генерирования бортовой электроэнергии многоуровневого напряжения для дизелей отечественных тракторов.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПУСКОВОГО РЕЖИМА

СИСТЕМЫ «Дизель-СГУ»

2.1. Энергетический анализ процесса холодного пуска дизеля

В течение пускового периода дизеля на преодоление сил сопротивления прокручиванию коленчатого вала затрачивается работа, которая включает в себя:

1) работу ^Т) на преодоление всех сил трения в подвижных элементах конструкции дизеля, с учётом потерь, обусловленных утечками через кольца и охлаждением рабочего тела (РТ); традиционно значение LТ оценивают по величине среднего давления трения рт;

2) работу(£к), затрачиваемую на первичное преодоление компрессии в цилиндрах дизеля в течение одного первого оборота коленчатого вала дизеля;

3) работу необходимую для обеспечения ускорения всех движущихся масс до уровня пусковой частоты вращения, при которой реализуется эффективный запуск дизеля.

Следовательно, суммарная работа, необходимая для успешного пуска дизеля, отыщется как:

Lпр LТ + Lк +

Работу трения определяют с использованием эмпирической зависимости, описывающей изменение момента трения как функции угла поворота коленчатого вала:

Мт М= 10-3 ^ РТ М

Тогда значение LТ при повороте вала на угол dф найдётся как:

LТ (ф) = МТф^ф.

За весь пусковой период работа трения может быть найдена интегрированием:

V

Ьт (р) = |МТ (р)^р.

р=0

где ф- текущее значение угла проворачивания вала; ф = 2пМ, N - число оборотов вала за расчётный период. Среднее давление трения рт(ф) для диапазона изменения угловой частоты вращения вала ю = (5.20) с-1 определяют по зависимости [2]:

рТ (р) = 0,2 +1,31

' п Л

V100 У

ц/ъ = 0,2 +1,31

ц

V 10жу

где и - кинематическая вязкость используемого моторного масла, определяют по справочным данным.

Известно, что при ю=о (трение покоя) для определения рТ используют зависимость [4]:

рТ (р = 0) = 0,2 +1,31

V10ж у

10"

Здесь Ума- вязкость моторного масла при температуре 100С.

Если предположить, что величина рТ в интервале ю = (0.5) с ' Изменяется пропорционально угловой скорости вала ю, его можно оценить как:

рТ (р) = 0,2 +1,31

V10жу

Ц/ + 0,022^Ц -ц13

ж

V

10°

С учётом этой зависимости для интервала ю = (0.5) с -1 формула для определения момента трения примет вид:

Мт (р) = 10-3 ^ 4ж

0,2 +1,31

3ф V 10жу

Л/4

Ц00 + 0,022

30ф(

-ц

ж

10и

а для скоростей ю > 5 с

■1.

Мт (у) = 10-3 ^ 4ж

Г Л

0,2 +1,31

3ю

V 10^у

&

Момент, затрачиваемый на организацию ускорения вращения вала ди-

йю

зеля—, находится зависимостью: йт

М, М = /я

йю dт '

где /т-полярный момент инерции всех движущихся масс деталей, приведенный к оси вала дизеля.

Тогда среднее давление процесса преодоления сил инерции определится как:

4жМ,

Р, =

1 1 А-3

Учитывая то, что

10-3IV ,

йю йю йт йю ю-

йт йу йт йу'

работа, затрачиваемая в течении всего периода пускового разгона вала дизеля, находится как:

йю

М = /т | ю

ю=0 '

В окончательном виде к моменту достижения пусковой скорости вала (ю = юп) имеем:

/ 2

^ (у = у„ ) = ^.

Работа Lк, затрачиваемая на принудительное осуществление насосных ходов в условиях холодного пуска дизеля в первом приближении может быть определена с использованием известной эмпирической зависимости [3]:

Lк = 403 V I,

где Ун- рабочий объем одного цилиндра в дм3;

I - число цилиндров дизеля.

Данная зависимость получена в предположении, что мощность затрачивается только на преодоления кратковременных затрат при такте сжатия на проворачивание вала дизеля от 0 до 180°. При этом среднестатистическое значение момента прокручивания Мк принято равным примерно 403 Нм на 1 л (1 дм3) рабочего объема одного цилиндра.

Тогда среднее давление рк находится по следующей зависимости:

4жМк Рк =—г^.

10 -3V

Понятно, что данная зависимость имеет определенные ограничения в своём применении. Принятое в зависимости значение Мк может быть признано правомерным в том случае, если оно определено на основе экспериментального исследования пускового процесса одного конкретного дизеля. При этом не учитываются дополнительные затраты, связанные с организацией процессов газообмена, которые для различных типов дизелей могут существенно отличаться. С учётом конструктивного разнообразия впускных и выпускных трактов дизелей, характер процессов, протекающих в них, может существенно различаться. В условиях низких частот вращения вала в период пуска дизеля и отсутствия устойчивого сгорания эти различия могут проявиться в значительно большем виде.

Из сказанного следует, что наиболее достоверные энергетические показатели, характеризующие затраты на преодоления усилий, возникающих в режиме пускового прокручивания вала дизеля, могут быть детально установлены на основе математического моделирования рабочих процессов дизеля с учётом отсутствия устойчивого горения топлива.

В общем виде, по результатам проведённого анализа можно констатировать, что для реализации эффективного запуска дизеля стартерное устройство должно создавать суммарный крутящий момент на его валу, равный:

Мпр(ф)= Мт(ф) + Мк(ф) + М(ф).

Этот момент соответствует среднему давлению процесса прокручивания вала:

4ям„Р Рпр 10 -3IV,

Следует заметить, что существенным фактором, определяющим условие успешного пуска дизеля при низких температурах, является кинематическая вязкость моторного масла, значение которой в подобных условиях может превышать на несколько порядков значение этого показателя при рабочих температурах дизеля. Поэтому для получения достоверных результатов при проведении исследования следует ориентироваться на использование уточненных вариантов вязкостно-температурных характеристик, установленных в условиях низких и сверхнизких температур для используемого масла.

2.2. Структурная схема исследования системы «Дизель-СГУ»

Главная задача данного исследования сводилась к поиску эффективного пускового устройства (СГУ) с энергетическими качествами, обеспечивающими эффективный пуск дизеля при низких и сверхнизких температурах без использования специальных дополнительных средств для облегчения пускового режима. Общая структура исследования системы «Дизель-СГУ» строилась с учетом комплексного подхода к изучению этой задачи, что обуславливала необходимость в проведении индивидуального рассмотрения вопросов, отражающих характер протекания рабочих процессов в дизеле и электрической машине при их функциональном взаимодействии.

Изучение этих вопросов проведено на основе совместного и скоординированного математического моделирования. С учётом целевой направленности диссертационного исследования, процедура моделирования строилась с учётом особенностей функционирования системы «Дизель-СГУ» в условиях низких температур (до - 30 °С), при этом обеспечивала возможность прогнозировать необходимый выбор показателей СГУ, обеспечивающих высокую эффективность пускового режима дизеля.

При проведении исследования для решения этих задач использовался расчетно-аналитический комплекс, включающий в себя два функционально взаимосвязанных расчетных модуля:

1) модуль расчета рабочего процесса электрической машины СГУ.

2) модуль расчета рабочего процесса дизеля, работающего в режиме холодного пуска.

Пусковой процесс, проистекающий при малых частотах вращения вала дизеля и отсутствия устойчивого сгорания, имеет ряд отличительных особенностей: возрастает обратный выброс из цилиндра части заряда; увеличиваются утечки рабочего тела через поршневые кольца и др.

Это предопределило необходимость в разработке индивидуальной математической модели рабочего процесса дизеля с учётом особенностей его пускового режима. Данная модель, с учётом отмеченных особенностей изучаемого процесса, сформирована в виде подмоделей:

1) процессов газообмена;

2) процесса «холодного» сжатия-расширения.

2.3. Математическое исследование параметров рабочего процесса дизеля

в период холодного пуска

Ранее отмечалось, что одной из составляющих энергетических затрат СГУ в пусковой период дизеля является энергия, расходуемая на реализацию

процессов сжатия-расширения. Эти затраты возрастают вследствие охлаждения рабочего тела (РТ) и его утечек через неплотности поршневых колец. Другой затратной составляющей пускового режима является энергия, расходуемая на осуществление процесса газообмена. Определить адекватный уровень этих энергетических затрат можно на основе изучения картины протекания внутрицилиндровых процессов, связанных с ними.

Показатели, характеризующие термодинамическое состояние РТ в период холодного пуска дизеля, имеют ряд отличительных свойств, обусловленных особенностями протекания «холодных» процессов газообмена и сжатия - расширения в условиях отсутствия устойчивого сгорания. Наиболее распространённым в исследовательской практике инструментарием для изучения этих процессов является математическое моделирование.

Его главное назначение - исследовать особенности термодинамического состояния РТ, спрогнозировать адекватное представление о характере протекании указанных выше процессов и корректной оценки по уровню энергетических затрат на их организацию. Отличительные особенности протекания этих процессов обусловлены тем, что в отличие от нагрузочных режимов работы дизеля, при режиме холодного пуска в условиях малой скорости вращения вала и отсутствия устойчивого горения топлива обнаруживается существенное нарушения в структуре организации газообмена.

В отличие от нагрузочного режима, в период холодного пуска дизеля вследствие низкой пусковой частоты вращения вала дизеля продолжительность исследуемых процессов возрастает в 50. 100 раз. В этих условиях существенно увеличиваются утечки РТ через неплотности поршневых колец. Возрастает доля теплоты, отводимой в холодные стенки КС от РТ, что обу-славливае трост потерь на газообмен и интенсивное охлаждение топливно-воздушной смеси, что снижает возможность её самовоспламенения.

Поэтому адекватность расчетов исследования определяется корректность описания процессов газообмена и «холодного» сжатия-расширения.

Моделирование этих процессов, организованное на использование классической методологии[20-30], основано на следующих принци-пах[21,23]:

- состояние РТ принимается как открытая термодинамическая система;

- эта система обменивается массой и энергией с остальными системами двигателя.

При этих условиях с учетом отсутствия сгорания была сформирована модель в виде автономных подмоделей процессов газообмена и сжатия-расширения:

Каждая из подмоделей основана на классических уравнениях: уравнение материального баланса:

dm dm „„ dm

Су Су Су

уравнение сохранения энергии:

(2.1)

d(т и ) Ст вх Ст вых dV dO

—-- = Ьвх-- - к _-ы + р-+ (2.2)

1 вХ 1 вых л ± л л V /

Су Су Су Су Су

уравнение состояния идеального газа:

ср т R dT тТ dR RT dm Р dV

— =--+--+----------(2.3)

V Су V СУ V СУ V Су

где т, твп, твып, общая масса РТ и его массы, подводимые и отводимые через впускные и выпускные тракты; и - внутренняя энергия РТ;

0м> - теплота, которой обменивается РТ со стенками КС; квп, квып - удельные энтальпии потоков РТ при входе и выходе цилиндра;

вЫХ

R, Т, р, V- газовая постоянная, температура, давление, объем РТ.

Моделирование процесса газообмена.

В период холодного пуска процессы газообмена сопровождаются повышенным обменом РТ между рабочим пространством дизеля и полостями впускного и выпускного тракта. С учётом этого, при моделировании было дополнительно предусмотрено:

1) заброс в цилиндр части РТ из выпускного тракта в момент открытия выпускного органа;

2) отток РТ из цилиндра во впускной канал в течении времени запаздывания закрытия впускного органа;

3) возвращение части РТ в цилиндр из впускного канала в период перекрытия клапанов.

Таким образом, достигалась возможность отслеживать текущее изменение массы РТ в цилиндре дизеля.

Расчётный процесс газообмена запускается с момента открытия выпускного органа и заканчивается моментом закрытия впускного. В качестве исходных данных принимались средние значения давления и температуры в проточных трактах газообмена.

Средние значения давления в цилиндре в период выпуска и наполнения:

Рср.вып Рт ^ ЛРвып.кл р0 ^ АРг.ш ^ АРвып.клап;

Рсрвп = Р* - = Р0 - &Ре.ф - АРвп.1л .

Здесь ЛРвп,кл и АРвЬ1П,т - гидравлические потери давления во впускных и выпускных органах;

АРг.ш, лАРв.ф. - потери давления в глушителе шума и воздушном фильтре.

Температура РТ в цилиндре ^в рассматриваемый период газообмена:

исп5

где^г.п - возрастание температуры РТ, вызванное гидравлическим сопротивлением впускного тракта;

Лtисn - снижение температуры РТ, вызванное испарением поступившего в цилиндр топлива.

Температура РТ во впускном тракте при условии отсутствия подогрева принималась равной температуре окружающего воздуха.

Как указывалось ранее, процессы газообмена традиционно описывают системой канонических уравнений: дифференциальное уравнение материального и энергетического баланса и уравнение состояния РТ.

При этом для описания процессов газообмена принимается гипотеза о мгновенном перемешивании составляющих РТ. Согласно этой гипотезе смесь воздуха и паров топлива имеет однородный состав по всему объёму цилиндра. При этом топливно-воздушная смесь рассматривается в виде однородной термодинамической системы, в которой давление и температура-распределены равномерно по объему рабочего пространства цилиндра.

Для описания выброса части РТ из полости цилиндра во впускной тракт принимается гипотеза о послойном вытеснении, согласно которой эта часть РТ, поступившая во впускной канал, имеет термодинамические параметры (температуру, энтальпию), соответствующие параметрам в цилиндре. После обратного заброса РТ в цилиндр его параметры принимают значения, соответствующие параметрам РТ впускного тракта.

Текущее изменение массы РТ в цилиндре рассчитывается с учётом ин-тенсивностями расхода РТ через впускной и выпускной органы, плотностиРТ и направления его течения.

Для описания течения газообразного РТ в клапанных щелях использовано уравнение Бернулли для одномерного изоэнтропного течения газа:

dm

dф 6п

= ) вх РвхРв

(2.4)

dm„

~ г (Ш)вых ' ^РвыхРвых (2.5)

dф 6п

Здесь:рвх и рвых - давления РТ во входных и выходных зонах проточного тракта;

¥ - функция истечения;

Ф, п - угол поворота коленчатого вала дизеля и его частота вращения; (¡/)вх , (нЛвых - эффективные площади проходные сечения впускного и выпускного клапанов.

С учетом рекомендаций в работе [20]коэффициенты расхода лвх ~ лвых-могут быть приняты равными 0,65.

Значения ¡л/ рассчитываются для участков подъема и посадки клапанов

[20]:

Ш

Ш

Ш X

2

Ш X

1 - cos

/ Л

(Р-Фп.о „ --ж

2

1 - cos

V Фп.о Г (Р-Фн

ж

Фп

V ' п.з

где фн.о, Фн.з - углы поворота коленчатого вала дизеля, соответствующие моментам открытия и закрытия клапана;

фп.о, Фп.з - углы поворота коленчатого вала дизеля, соответствующие времени открытого и закрытого состояний клапана.

(м/)тах - площадь проходного сечения клапана при максимальном его подъёме:

/т

ж(с12 - с12 )

\ г шт /

4

где dг и dшт - диаметры горловины и штока клапана. Функцию истечения ¥ определяют как:

¥

- 2 к+1

2к г \ < \ -

Рех Рех к

к -1 \ Ре ых у \ Ре ых у

а показатель адиабаты:

к = 1 +

8,314 МСи

где цС - средняя мольная изохорная теплоемкость РТ.

Согласно рекомендациям в работе [29] текущее направление течения РТ определится на основе сравнения его энтальпии во входном и выходном сечениях проточного тракта. Указывается, что течение всегда направлено в сторону меньшей энтальпии:

hex - heblx> 0

Из этого условия следует, что если при наполнении цилиндра энтальпия РТ во входном сечении тракта превышает её значение в цилиндре, то осуществляется наполнение цилиндра свежим зарядом.

При условии hex - heblx< 0 течение инвертируется, то есть наблюдается выброс заряда из цилиндра во впускной тракт.

В период пускового режима при отсутствии устойчивого сгорания и продуктов сгорания общую массу РТ формируют массы воздуха и паров топлива с учётом их текущих соотношений:

m = m + m,

m

m

r =

rf =

т т

По ходу расчётного процесса (по углу поворота вала дизеля) в зависимости от текущих значений относительного содержания воздуха и топлива в составе РТ вычисляются: энтальпия, удельные изобарная и изохорная теплоемкости [22,23,25]:

КТ ) = таНа (Т) + г/Н/ (Т ),

С, (Т ) = ГаСра (Т ) + Т^ (Т ),

С, (Т ) = Тас^а (Т ) + т^,/ (Т ).

Фундаментальные уравнения материального баланса(2.1) для воздуха и топлива в развёрнутом виде записываются как:

= ~(<алп ~ <<а.ои1X (2.5)

Оу а

Отг 1

-~Т = -«т -), (2.6) Оу а

где G аЛп = гаОвх ^ Гп = т«вх - текущие парциальные расходы поступающих

в цилиндр воздуха и топлива;

<а,ош = га<вых; </,ош = г/0вЬх-значения тех же параметров воздуха и

топлива, покидающих цилиндр;

Овх и <вых- секундные расходы РТ на впуске и выходе цилиндра. Таким образом, текущее изменение массы РТ в цилиндре дизеля для каждого расчётного периода определяется как разница расходов РТ через впускные и выпускные органы газообмена.

С учётом того, что в период холодного пуска в отсутствии сгорания изменение газовой постоянной ОЯ/Оф = 0 и скорости тепловыделения dQ/dф = 0, уравнение энергетического баланса для процессов продувки и наполнения цилиндра записывается в следующем виде:

Ои От Отвх , Отвых ^

+ = Ьвх—1--к вых г— + Р

т т ЬХ 7 ЬЫЛ. 7 ^ 7

Оу Оу Оу Оу Оу а уравнение состояния РТ как:

1 Ор ^ т Vт Отг - ОТ + - = 0

р Оу цат Оу цт Оу Т Оу V Оу

где т - общая масса рабочего тела; твх, твых - массы РТ, поступающие в цилиндр и удаляемые из него в процессе газообмена; и - внутренняя энергия РТ; hвп, hвып - удельные энтальпии РТ на входе и выходе цилиндра; Т, р, V -температура, давление, объем РТ.

Заметим, что пусковая доза цикловой подачи топлива примерно в 2 раза превышает этот показатель для номинального режима. В период пускового процесса холодного двигателя подогрев топливовоздушной смеси в цилиндре практически отсутствует. Поэтому при определении температуры РТ учитывались только её изменения, вызванные гидравлическим сопротивлением впускных каналов и испарением топлива.

В качестве исходных данных для моделирования процесса продувки используются параметры РТ, соответствующие моменту открытия впускного-органа, а для процесса впуска - параметры РТ, соответствующие моменту закрытия выпускного органа.

Моделирование процесса сжатия

Задача моделирования процесса «холодного» сжатия сводится к оценке затрат энергии, необходимой для преодоления сопротивления вращению, возникающего в ходе организации такта сжатия-расширения дизеля. В этот период из-за малой скорости вращения вала и существенного возрастания времени организации этого такта увеличиваются утечки свежего заряда через неплотности поршневых колец, что снижает реальную массу РТ, поступившей в цилиндр за период процесса газообмена, на величину тут. Вследствие этого, каноническое уравнение массового баланса (2.1) в окончательном виде запишется как:

т(ф) - тут(ф) = та(ф) + т/ф).

Здесь тут(ф) - текущая величина потери РТ вследствие утечки его части. Её можно оценить как:

йт

УТ

йф

= Ы )н

1

X ч 2/ _1

2к ( 2 ^/к 1

к +1

к +1

РР ,

(2.9)

Площадь эквивалентного сечения для утечек через уплотнительные кольца поршня диаметром В может быть условно определена как:

Ы )н

л!)1 2

10

_5

м .

В отсутствии развитого процесса сгорания в цилиндре, а, следовательно, неизменности состава РТ в его рабочем объёме величина газовой постоянной Кне изменяется в течение всего периода такта сжатия-расширения, то есть

тТ йК

= 0

V йф

Тогда исходные уравнения баланса энергии (2.2) и состояния (2.3) перепишутся в окончательном виде, как:

й(т и ) ^ dQw Т йтут

-= р--1--- + срТ——

йф йф йф йф

йР т Я йТ ЯТ йт Р йУ ■ + ■

йф V йф V йф V йф

(2.10)

(2.11)

РТ, участвующее в организации холодного пуска дизеля, содержит два компонента - воздух и топливо, поэтому уравнение изобарной теплоёмкости РТ ср(Т), которая зависит только от теплового состояния заряда, в уравнении (2.10) запишется в виде следующего выражения:

ср(Т) = гаср,а(Т) + гРрАТ).

Так же определится и изохорная теплоемкость РТсг(Т).

При интегрировании уравнений (2.10) и (2.11) в качестве начальных условий были приняты значения давления и температуры, соответствующие моменту закрытия впускного органа.