Обоснование эксплуатационных параметров трактора с применением двухступенчатой системы наддува при первой управляемой ступени

Во введении содержится общая характеристика работы, представлена
актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цели и задачи научного исследования, отражена научная новизна работы, а также достоверность результатов и их практическая значимость.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 8 работ, в том числе 3 статьи в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 171 странице. Состоит из введения, основной части, содержащей 36 рисунков, 19 таблиц, заключения, списка литературы (включает 141 наименование) и 5 приложений.
В первой главе проведен анализ имеющихся разновидностей регулируемых систем турбокомпрессоров. Улучшение подачи воздуха путем
гибридизации систем воздухоподачи имеет несколько концепций развития систем наддува ДВС. Представлена тенденция развития двигателестроения которая показывает, что модернизация двигателей с одноступенчатой неуправляемой системой наддува достигли своего предела и не позволяет получить максимальный эффект. Управляемый наддув может быть получен двухступенчатой системой наддува с электрическим приводом первой ступени.
На основании условий эксплуатации сельскохозяйственных тракторов достаточно хорошим решением видится создание двухступенчатой системы наддува с первой электроуправляемой ступенью, позволяющей обеспечить высокий крутящий момент и более плавную работу двигателя при выполнении технологических процессов.
Во второй главе для обеспечения управления турбонаддувом и возможности повышения коэффициента приспособляемости двигателя Д-260 может быть использован двухступенчатый наддув с управляемой первой
ступенью, имеющей электропривод. Схема такой системы наддува будет иметь вид, показанный на рисунке 1.
Воздух с давлением р0 поступает в первую ступень к1 и его давление повышается до pk1 и затем он поступает во вторую ступень к2 турбокомпрессора ТКР после которой давление повышается до давления pk и поступает в ДВС. Первая ступень к1 приводится от электромотора ЭМ, который управляется блоком управления.
Рисунок 1 – Схема Расчетные исследования показали, что
двухступенчатой системы наддува с электроприводом 1-й ступени
давления наддува при использовании штатногонеуправляемогоТКРописываетсяфункциейpk  fk(pk1,n,pe):
pk  –0,029751,286 pk1 1,282106 n–0,04353 pe 0,3158 pk1  pe  2,284109 n2 4,906105 n p 0,02533 p 2,МПа
(1) Максимальное давление сгорания pz(функция pz  fz (pk1,n, pe ) ) имеет вид:
ee
pz –3,83  50,28pk1  1,421103 n 2,502pe  0,002158npe (2)
pk1’(9,63,83–1,421103 n–2,502pe –0,002158npe)/50,28,МПа (3) 8
Для случая управления первой ступенью двухступенчатого наддува изменение давления наддува первой ступени pk1 при ограничении максимального давления сгорания pz = 9,6 МПа (как для штатного двигателя) в зоне его превышения выше 9,6 МПа может быть получено из уравнения:

Таким образом изменение давления во всей исследованной зоне описываться следующей системой уравнений:
pk1  0,125МПаприpz 9,6МПа
p  fz(p 0,125,n,p)всоответствиисуравнением 2приp 9,6МПа (4)
z k1 e z pk1’(9,63,83–1,421103n–2,502pe –0,002158npe)/50,28приpz 9,6МПа
В соответствии с системой уравнений (4) получаем графики изменения давления наддува 1-ой ступени pk1’за счет электроуправления и получаемого максимального давления сгорания pz, представленные на рисунке 2.
а); б);
Рисунок 2 – Изменение давления наддува 1-ой ступени pk1’ (а) и максимального давления
сгорания pz (б) от частоты вращения n и среднего эффективного давления pe при управлении давлением наддува первой ступенью.
Область рабочих режимов двигателя Д-260 ограничена его внешней скоростной характеристикой, поэтому представленные на рисунке 2 зависимости удобнее рассмотреть на максимальной нагрузке двигателя в виде их изменения на корректорной ветви этой характеристики. На рисунке 3 показано изменение этих показателей. Сплошными линиями показаны параметры базового двигателя с одноступенчатым турбонаддувом. При работе двигателя с 2-х ступенчатым наддувом и электроуправляемой 1-й ступенью по ограничению максимального давления сгорания изменение параметров двигателя показано пунктирными линиями и отмечено показателями с апострофом.
Уменьшение наддува в 1-й ступени pk1’ происходит при частоте вращения
выше 1500 мин-1, что приводит к прекращению роста давления наддува pk’и к
незначительному его снижению до номинальной частоты вращения. Такое поведение давления наддува pk’ позволяет ограничить максимальное давление сгорания на уровне 9,6 МПа и не допустить перегрузку деталей КШМ.
Рисунок 3 – Изменение показателей двигателя Д-260.2 по внешней скоростной характеристике при использовании 2-х ступенчатого наддува
Как следует из представленных данных, при снижении частоты вращения ниже номинальной n = 2100 мин-1, давление при 2-х ступенчатом наддуве pk’превышает давление наддува только с ТКР pk и это превышение увеличивается со снижением частоты вращения. Такое превышение давления наддува позволяет увеличить количество подаваемого воздуха которое может быть использовано для увеличения подачи топлива и, соответственно, крутящего момента двигателя.
Принимая процесс повышения давления адиабатным и сохраняя значение
коэффициента воздуха на корректорной ветви внешней скоростной
характеристики как и в базовом двигателе, получаем возможный характер
изменения крутящего момента М’ показанный пунктирной линией на рисунке 3. В результате на режиме максимального крутящего момента (n = 1400 мин-1) возможно увеличение крутящего момента с 500 Нм до 578 Нм. Такое увеличение крутящего момента позволяет увеличить коэффициент приспособляемости двигателя с 1,17 до 1,32 или на 15% и приблизить характеристику к характеристике двигателя постоянной мощности.
В третьей главе для оценки эффективности работы трактора на рабочих диапазонах скоростей проведены расчетные исследования тяговых показателей трактора в серийной и модернизированной комплектациях (рисунок 4).
а) Серийный б) Модернизированный Рисунок 4 – Тяговые характеристики тракторов
Получить количественную оценку эффекта отклонения от потенциальной тяговой характеристики (зона серого цвета) можно определив площади и значения мощности Nкр от тягового усилия Ркр на выделенном отрезке, например для работы трактора на третьей передаче (рисунок 4.) полученной тяговой характеристики. Как следует из представленного рисунка точка касания кривой крюковой мощности с потенциальной тяговой характеристикой происходит в точке соответствующей перехода корректорной ветви характеристики двигателя в регуляторную ветвь (номинальная мощность).
Обозначены изменения мощности по потенциальной тяговой характеристике NкрП, а мощность на участке от (P1) до (P2)Nкр1,2, то относительная величина потерянной мощности К будет составлять:
11

К  P1 2
P
N1,2 dx
кр P
(5)
КP P (6) PP
NП dp кр
P1
Р3
NП N1,2dxNП N1,2dx
Отсюда получим:
По изложенной методике были обработаны данные полученного тягового расчёта на третьей передаче с серийным и модернизированным двигателями, которые представлены ниже.
Значение силы тяги на крюке Pкр получили при проектировании из составных частей которые представлены на рисунках 5 и 6 по соответствующим значениям коэффициента приспособляемости двигателя Км.
а – Км=1,17 б – Км=1,32
Рисунок 5 – Характеристики рассматриваемого участка в сборе с коэффициентом приспособляемости двигателя
По результатам полученных графиков представленных на рисунке 5 сделана оценка относительных величин потерянной мощности К для двух вариантов.
По формуле (6) рассчитаем значения потенциальной характеристики (Пх), участок 1 на Nкр(У1), и участок 2 на Nкр(У2) при значениях коэффициентов приспособляемости двигателя при Км=1,17 и Км=1,32.
Коэффициент потери производительности ступенчатой трансмиссии К
для коэффициента приспособляемости двигателя Км=1,17 равен: К1,17  0,12 12
Р2
кр кр кр кр
23
NП dx NП dx кр кр
PP
Коэффициент потери производительности ступенчатой трансмиссии К для коэффициента приспособляемости двигателя Км=1,32 равен: К1,32  0, 03
В четвертой главе определены требуемые характеристики ДУЭН на «Установке для исследования характеристик дополнительного наддува с электроприводом» представленный на рисунке 6.
а – общий вид
б – схема
Рисунок 6 – Стенд для исследования характеристик дополнительного наддува Стенд представляет собой совокупность агрегатов первой управляемой
ступени наддува с электроприводом, источником питания, электронных устройств управления, измерительных устройств, средств связи и пакета программного обеспечения, которые объединены в единую систему с целью создания условий для проведения испытаний.
Важной задачей при проведении испытаний являлось получение характеристик нагнетателя с электроприводом для определения расчётных и экспериментальных характеристик. Технология испытания предполагала задание различных режимов и условий:
– изменение аэродинамического сопротивления нагнетателя (использование специальных диафрагм на выходе воздуха);
– изменение энергии электропривода и частоты вращения нагнетателя;
– создание требуемого рабочего давления в камере нагнетания.
Воздух нагнетаемый импеллером с электродвигателем 2 поступает в
технологическую трубу 1, где поток стабилизируется, затем по измерительной системе воздух подается на пьезометры 6,7 для измерения напора.
С помощью съёмных диафрагм 3, установленных на конце технологической трубы 1, выбирается режим работы электронагнетателя с помощью пульта 9 через регулятор напряжения 8 и регулируется расход сжатого воздуха, подаваемого по соединительному трубопроводу на входе 4 и выходе 5. Пьезометр позволяет измерять напор на разных участках технологической трубы 1, а давление которое получается – анализируется и определяются характеристики на заданном режиме работы нагнетателя.
Осциллографом 12 замеряется сила тока и напряжение, подаваемое от аккумуляторной батареи 10. Завершающим этапом является построение расходной характеристики нагнетателя с электродвигателем на персональном компьютере 12 и оценивается их энергетическая эффективность.
При испытании ДУЭН производилась фиксация параметров давления воздуха, скорость потока, расход воздуха, и других выше представленных параметров, значения которых регистрируются и сохраняются для последующей обработки и анализа.
По данной методике определена расходная характеристика ДУЭН, представленная на рисунке 7.
Рисунок 7 – Расходная характеристика нагнетателя с электродвигателем Полученные экспериментальные и аппроксимированные данные подтверждают правильность выбора модели ДУЭН, обеспечивающие
требуемые показатели давления наддува, расхода и скорости потока воздуха для двигателя Д-260.2
Для подтверждения расчётно–аналитических исследований и использования предлагаемой системы наддува было принято решение провести испытание непосредственно на тракторе. Экспериментальное исследование представляло собой сравнительный анализ и статистический набор показателей, которые отражают основные аспекты технологических процессов и содержат общие выводы о результатах работы внедряемого оборудования на основе нормативных документов, регламентирующих этапы проведения эксперимента.
В качестве объекта испытаний был определён трактор МТЗ Беларус 1221.2 с дизельным двигателем Д-260.2 имеющий непосредственный впрыск топлива, рабочий объем 7.12 литров.
Стендовые испытания трактора МТЗ Беларус 1221.2 в серийном исполнении и с установленным «Дополнительным управляемым электронагнетателем» были проведены по ГОСТ 30747-2001. На стендовых испытаний определялись мощностные и топливно-экономические показатели трактора. Загрузка двигателя осуществлялась через ВОМ трактора.
Скоростная характеристика двигателя с регуляторной ветвью представлена на рисунке 8.
а – Характеристика двигателя Д-260.2. по б – Характеристика двигателя Д-260.2 по
оборотам двигателя
удельному расходу топлива.
в – Характеристика двигателя Д-260.2 по крутящему моменту Рисунок – 8 Результаты стендовых испытаний
Дополнительные регулировки на топливном насосе высокого давления не проводились.
Результатами проведенных испытаний установлено:
– применение дополнительного наддува с электродвигателем мощностью 3 кВт позволяет снизить удельный расход топлива двигателя Д-260.2 трактора МТЗ Беларус 1221.2 в среднем на 3%;
– корректорный запас крутящего момента равен 15%;
– эксплуатационная мощность модернизированного двигателя повысилась на 0.7 кВт.
Таким образом, резюмируя выше изложенное, разработанная установка для исследования характеристик дополнительного наддува с электроприводом, расчеты, симулирующие работу двигателя с ТКР с использованием созданной модели «Дополнительного управляемого электронагнетателя», позволили подтвердить правильность выбранного направления исследований, установить двухступенчатую систему наддува с первой управляемой ступенью на трактор тягового класса 2 и получить положительные результаты на скоростной характеристике при проведении стендовых испытаний.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам проведенных исследований можно сделать следующее заключение:
1. На основании полученных данных, созданной схемы двухступенчатой системы наддува с электроприводом первой ступени, проведённых расчетов параметра давления с определением мощности второй ступени наддува, удельного расхода топлива можно сделать следующие выводы:
а) Использование в первой управляемой ступени с электроприводом давления наддува до 0,125 МПа позволяет управлять давлением наддува практически по всей внешней скоростной характеристике двигателя Д-260 по условию ограничения максимального давления сгорания на уровне давления при номинальном режиме в базовой комплектации.
б) Использование двухступенчатого наддува позволяет повысить коэффициент приспособляемости двигателя с 1,17 до 1,32 за счет увеличения подачи топлива для сохранения коэффициента избытка воздуха, как у базового варианта.
2. Проведенные расчётные исследования работы двигателя Д-260.2 с двухступенчатой системой наддува с первой управляемой ступенью показали: а) На режиме работы при номинальном значении крюковой силы максимальная крюковая мощность у серийного Nкр = 57,2 кВт; у модернизированного Nкр = 58,8 кВт. При этом значение удельного крюкового расхода топлива у серийного gкр = 384 г/кВтч а у модернизированного gкр = 364 г/кВтч, но при этом незначительно снижается скорость движения у серийного v = 2,7 м/с; у модернизированного v = 2,4 м/с. Следует отметить что в обоих комплектациях сохраняется значение тягового КПД ηти составляет 0,59.
б) На режиме работы при максимальной крюковой мощности, которая достигается на третьей передаче, значения крюковой силы у серийного Ркр = 20,9 кН а у модернизированного Ркр = 24,3 кН., т.е. заметно увеличивается.
в) На режиме работы при котором достигается минимальное значение
удельного крюкового расхода топлива gкр – у серийного достигается на третьей
передачи, а у модернизированного на 4. Для справедливой оценки рассмотрены показатели на 3 передаче, у серийного значение крюковой силы Ркр = 24,9 кН а у модернизированного Ркр = 29 кН, значение крюковой мощности Nкр = 45,3 кВт; у модернизированного Nкр = 49,8 кВт., Однако имеются отрицательные показатели, а именно значения тягового КПД ηт незначительно ниже – у серийного 0,59, а у модернизированного 0,577, а также значения коэффициентов буксования δ у серийного 0,14, а у модернизированного 0,18. Это связано с тем что рассматриваются показатели на 3 передаче, а не на 4. Непосредственно минимальные значения удельного крюкового расхода топлива gкр составляют у серийного gкр = 356 г/кВтч, а у модернизированного gкр = 351 г/кВтч, тем самым выигрыш перекрывает потери.
3. Разработана количественная оценка потери производительности при ступенчатой трансмиссии К, по результатам введенного коэффициента потерь производительности ступенчатой трансмиссии К. Проведенная по разработанной методике оценка показала снижение относительных потерь мощности модернизированного трактора (К=0,03) в сравнении с базовым (К=0,12), т.е. в 4 раза, что свидетельствует о целесообразности применения управляемой системой наддува электроприводом первой ступени двухступенчатой системы.
4. Спроектированы и изготовлены прототипы стенд «Установка для исследования характеристик дополнительного наддува с электроприводом» и дополнительный управляемый электронагнетатель (ДУЭН). На стенде проведены экспериментальные исследования по определению характеристик ДУЭН и проверке его эффективности работы для турбокомпрессора.
5. Результаты стендовых испытаний трактора МТЗ Беларус 1221.2 подтвердили применение дополнительного наддува с электродвигателем мощностью 3 кВт позволяющее снизить удельный расход топлива двигателя Д- 260.2 трактора МТЗ Беларус 1221.2 в среднем на 3%; сохранить корректорный запас крутящего момента равный 15%; а эксплуатационная мощность
модернизированного двигателя повысилась на 0.7 кВт.