Научные основы создания регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.02, доктор технических наук Балабин, Валентин Николаевич

• Балабин, Валентин Николаевич
• доктор технических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор технических наук Балабин, Валентин Николаевич

Список применяемых сокращений и аббревиатур.

Список основных условных обозначений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы создания регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. 19

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ПРИВОДОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. 36

1.1. Развитие силового привода общего назначения. 36

1.2. Перспективные электромеханические преобразователи для локомотивных ДВС. 40

1.3. Перспективные направления развития регулируемых приводов оборудования локомотивов. 43

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА КЛАПАНОВ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ. 51

2.1. Варианты регуляторов фаз газораспределения при механическом приводе клапанов. 51

2.2. Анализ существующих схем механизмов с регулированием фаз газораспределения. 59

2.3. Оптимизация фаз газораспределения основных типов транспортных двигателей. 70

2.4. Оптимизация фаз газораспределения по параметрам техникоэкономических показателей транспортных ДВС. 75

ГЛАВА 3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ НЕМЕХАНИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРИВОДА КЛАПАНОВ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ФАЗ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ . 89

3.1. Особенности гидравлического привода клапанов газораспределения. 96

3.2. Особенности электромагнитного привода клапанов газораспределения. 102

3.3. Особенности электрогидравлического привода клапанов газораспределения. 114

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ПРИВОДА КЛАПАНОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ. 117

4.1. Расчет электромагнитного привода клапанов газораспределения. 117

4.2. Расчет электрогидравлического привода клапанов газораспределения. 131

4.3. Разработка методики оценки влияния изменения ФГР, «времени-сечения» и закона движения клапанов на показатели работы

ЛДВС. 148

ГЛАВА 5. СТЕНДОВЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ. 170

5.1 .Исследование электромагнитного привода клапанов газораспределения .170

5.2. Исследование электрогидравлического привода клапанов газораспределения . 194

5.3. Выбор параметров электрогидравлического привода клапанов перспективных локомотивных ДВС нового поколения. 232

5.4. Анализ применяемых схем электронных блоков управления. 242

5.5. Предварительная оценка надежности электрогидравлического привода клапанов. 245

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ ВОПРОСОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛОКОМОТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. 251

6.1. Перспективы развития локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения. 251

6.2. Модульный принцип конструирования ЛДВС нового поколения . 262

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 266

ЛИТЕРАТУРА. 270

ПРИЛОЖЕНИЕ. 282

Список применяемых сокращений и аббревиатур

БВО Блоки вспомогательного оборудования

БФИ Блок формирования импульсов п.к.в. Градус поворота коленчатого вала

ВМТ Верхняя мертвая точка вниигпэ Всероссийский (всесоюзный) научно-исследовательский институт государственной патентной экспертизы вниижт (ФГУП) Всесоюзный (Всероссийский) научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (Федеральное государственное унитарное предприятие) внити (ФГУП ВНИКТИ) Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт»

ГА Гидравлический аккумулятор гмпк Гидромеханический привод клапанов

ГПК Гидравлический привод клапанов гтн Газотурбинный наддув

ГЦ Гидроцилиндр две Двигатель внутреннего сгорания дгпк Дроссельный гидравлический привод клапанов дип Дискретный исполнительный привод

ЕСЕ Европейская экономическая комиссия зо Запорный орган илд Импульсный линейный двигатель ио Исполнительный орган ицм Интеллектуальные цифровые модули

КГР Клапан газораспределения кпд Коэффициент полезного действия кшм Кривошипно-шатунный механизм лдвс Локомотивный двигатель внутреннего сгорания лдвс-нп ЛДВС нового поколения миит Московский институт инженеров железнодорожного транспорта мки Международный классификатор патентной документации мпк Механический привод клапанов

НАМИ Научно-исследовательский автомоторный институт ниид Научно-исследовательский институт двигателей нмт Нижняя мертвая точка ог Отработавшие газы огпк Объемный гидравлический привод клапанов пгтн Полигазотурбинный наддув пкм Позиция контроллера машиниста

ПМГР Привод механизма газораспределения ппк Пневматический привод клапанов

РЛГ Ролико-лопастная гидромашина сгц Силовой гидроцилиндр тк Турбокомпрессор тнвд Топливный насос высокого давления то Техническое обслуживание

ТР Текущий ремонт

ФГР Фаза(ы) газораспределения

ХГУ Харьковский государственный университет хиит Харьковский институт инженеров железнодорожного транспорта хпи Харьковский политехнический институт цниди Центральный научно-исследовательский дизельный институт цниимэ Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт механизации и энергетики лесной промышленности цпг Цилиндро-поршневая группа эгк Электрогидравлический клапан эггтк Электрогидравлический привод клапанов

ЭГУ Электрогидравлическое управление эммп Электромагнитный привод клапанов с механическим звеном эмпк Электромагнитный привод клапанов эс Электрическая схема

Список основных условных обозначений

Заключение диссертации по теме «Машиноведение, системы приводов и детали машин», Балабин, Валентин Николаевич

Результаты работы использованы НПО «Тепловозпутьмаш», НИИ двигателей, Барнаульским заводом транспортного машиностроения, Камбарским машиностроительным заводом. Отдельные положения исследования использованы ХК «Коломенский завод».

В ходе исследований получены изобретения СССР и России, представленные в табл.:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной диссертационной работы были получены следующие главные результаты:

1. Выполнен анализ отечественного и мирового опыта в конструировании приводов газораспределения ДВС. Исследовано влияние технико-экономических параметров основных серий транспортных ДВС на выбор фаз газораспределения. На основании подробного анализа массива данных по 198 двигателям установлено, что среди выбранных параметров максимальное влияние на выбор фаз оказывает группа: частота вращения коленчатого вала, давление наддува и рабочий объём цилиндров двигателя. Применительно к локомотивным ДВС нового поколения также рассмотрены перспективные направления регулируемых приводов: модульный принцип конструирования с автономным регулированием приводов вспомогательных систем и современный силовой гидрообъёмный привод оборудования локомотивов.

2. Приведены результаты теоретических исследований систем электромагнитного и электрогидравлического приводов клапанов газораспределения локомотивных ДВС. Использована качественная теория дифференциальных уравнений и математическая теория устойчивости при исследовании закона движения клапана. При электрогидравлическом приводе клапанов отмечены высокое быстродействие, необходимое для качественного протекания рабочего процесса ДВС, малая масса возвратно-движущихся частей, увеличение «времени-сечения» при неизменных фазах газораспределения и возможность регулирования фаз в расширенном диапазоне.

3. Впервые сформулированы принципы оптимизации газообмена путём регулирования эффективного среднего проходного сечения клапанов газораспределения в зависимости от типа привода и режима работы локомотивного ДВС. Установлено, что на первом этапе регулирования проходного сечения необходимо изменять углы наклона ветвей подъёма и посадки клапанов, а затем переходить к изменению фаз газораспределения.

4. При расчёте электромагнитного привода клапанов для определения предельно достижимых характеристик силовых электромагнитов использованы методы теории поля и теории подобия. Средний расчётный КПД привода клапанов двигателя типа ЧН 26/26 выше 50%. На отдельных режимах работы в оптимальном варианте КПД может достигнуть величины 89%. Масса силового электромагнита для привода одного выпускного клапана составляет свыше 16 кг, сердечник и обмотка имеют примерно равную массу, а средняя потребляемая мощность на привод клапанов одного цилиндра составляет приблизительно 2,1 % при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин-1.

5. Доказано, что несмотря на возможность создания электромагнитного привода клапанов локомотивных ДВС с приемлемыми характеристиками, его применение в традиционном виде (силовой электромагнит и подвижный якорь) представляется нецелесообразным. Основные недостатки заключаются в необходимости охлаждения электромагнитов и высокой первоначальной стоимости системы. Эффективным направлением считаю создание привода на основе импульсного линейного двигателя в различных его модификациях. Такой привод обладает рядом преимуществ, заключающихся в повышенном быстродействии и высоких — до 87% КПД на всех режимах работы.

6. Разработана математическая модель функционирования и взаимодействия основных элементов электрогидравлического привода клапанов. Выполнено аналитическое исследование влияния некоторых конструктивных параметров гидромеханической части привода на характер открытия и закрытия клапана газораспределения. Исследовано влияние конструктивных параметров системы на работу электрогидравлического привода клапанов.

7. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований по созданию альтернативных приводов механизма газораспределения транспортных двигателей сформулированы общие требования для немеханических систем газораспределения локомотивных ДВС, что позволит автоматизировать управление процессами газообмена на эксплуатационных режимах, упростить компоновку привода в цилиндровых крышках и блоке. Сделана оценка вариантов конструкций электромагнитного и электрогидравлического типов приводов механизмов газораспределения и их технико-экономических характеристик.

8. Экспериментальные исследования электрогидравлического привода клапанов проведены на модельных безмоторных и моторных, одно- и двух-клапанных установках 2410,5/12, ЧН12/14, 6ЧН21/21 и 12ЧН26/26. Установлено, что для локомотивных ДВС типа ЧН26/26 при регулировании «времени-сечения» на номинальном режиме эффективная мощность возрастает на -2%, а удельный эффективный расход топлива снижается на ~ 2,1%. Это, в основном, объясняется увеличением механического КПД при одновременном снижении мощности насосных потерь на -18%. Мощность, затраченная на привод клапанов при штатном приводе двигателя 16ЧН 26/26, подсчитанная по кинематической схеме, составляет 18.22 кВт.

9. Применение электрогидравлического привода клапанов позволяет уменьшить среднеэксплуатационный расход топлива на 5.6% за счет регулирования фаз газораспределения и «времени-сечения» клапанов. На переходных режимах снижение расхода дизельного топлива составит 6. 11%. Для высокооборотных ДВС уменьшение среднеэксплуатационного расхода топлива может достигать 8. 12%. Технико-экономическое сравнение типов привода свидетельствует о перспективности применения электрогидравлического привода клапанов газораспределения на локомотивных ДВС нового поколения.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Балабин, Валентин Николаевич, 2010 год

1.Я. Исследование и выбор оптимальных параметров газораспределения судового четырехтактного дизеля с импульсным газотурбинным наддувом. // Канд. дисс., Горький. - 1970.

2. Афанасьев В.Г. Исследование механизма газораспределения быстроходного автомобильного двигателя с верхним расположением распределительных валов. // Канд. дисс. 1976.

3. Балабин В.Н. Альтернативные немеханические системы газораспределения для дизелей. // Мир транспорта. — 2004. -№2. С.52-57.

4. Балабин В.Н. Важное направление повышения топливной экономичности тепловозных дизелей. // Локомотив-информ. Украина. -2007. - №6. С. 2-5.

5. Балабин В.Н. Исследование и разработка электрогидравлического привода механизма газораспределения транспортного двигателя. // Канд. дисс. 1980. - 24 с.

6. Балабин В.Н. Конвертация тепловозного дизеля в пневматический компрессор. // Актуальные проблемы развития ж.д. транспорта. Тез. докл. 11 международной научно-технической конференции, т.1,- 1996.- 101 с.

7. Балабин В.Н. Корректирование работы блока управления клапанов газораспределения в зависимости от скоростного режима работы дизеля при электрогидравлическом управлении. // Труды МИИТа.- 1979.-№654.-С. 13-18.

8. Балабин В.Н. О приводе клапанов газораспределения тепловозных дизелей. // Железнодорожный транспорт. 2007. -№2. - С. 4748.

9. Балабин В.Н. Перспективы развития локомотивных энергетических установок. // Железнодорожный транспорт. — 2007. -№4. С. 52-56.

10. Балабин В.Н. Перспективы развития локомотивных энергетических установок нового поколения. // Вестник машиностроения. — 2008.-№8.-С. 75-79.

11. Балабин В.Н. Перспективы развития тепловозных дизелей нового поколения. // Двигатель. 2007. - №4. С.44-47.

12. Балабин В.Н. Повышение топливной экономичности тепловозных дизелей. // Технология машиностроения. 2008. - №7. С. 47-48.

13. Балабин В.Н. Перспективы развития локомотивных энергетических установок нового поколения. // Вестник машиностроения. -2008. №8. С. 75-79.

14. Балабин В.Н. Современные системы газораспределения транспортных двигателей. // Железнодорожное Дело. 2004. — 108 с.

15. Балабин В.Н. Способы регулирования дизелей отключением цилиндров. // Электрическая и тепловозная тяга. 1988. - №11. С. 2829.

16. Балабин В.Н. Регулирование транспортных двигателей отключением части цилиндров. Монография. // ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.д. транспорте. М.: -2007. - 143 с.

17. Балабин В.Н. Электромагнитный привод клапанов газораспределения транспортных дизелей нового поколения. // Тяжелое машиностроение. 2007. - № 7. - С. 35-37.

18. Балабин В.Н. Экспериментальные исследования электрогидравлического привода клапанов газораспределения транспортных двигателей. // Наука и техника транспорта. 2008. - №4. - С. 94-97.

19. Балабин В.Н., Васильев В.Н. Инженерная методика оценки влияния фаз газораспределения и закона движения клапанов на показатели работы тепловозного дизеля. // Труды МИИТа. 1980. -№663.-С. 78-87.

20. Балабин В.Н., Васильев В.Н. Особенность запуска и работы на холостом ходу дизеля с электрогидравлическим приводом клапанов газораспределения. // Двиг. внутр. crop. ЦНИИТЭИтяжмаш. -1981. - №20. - С. 10-13.

21. Балабин В.Н., Васильев В.Н. Принципы компоновки электрогидравлического привода клапанов и сравнительный анализ их проходных сечений с механическим приводом на транспортных дизелях. // Двиг. внутр. crop. ЦНИИТЭИтяжмаш. - 1979. - №15. - С. 6-9.

22. Балабин В.Н., Евстифеев Б.В., Соин Ю.В. Повышение топливной27