Улучшение топливной экономичности среднеоборотных дизелей на частичных режимах методом отключения цилиндров
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯМИ МЕТОДОМ ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦИЛИНДРОВ
1.1 Отключение цилиндров как метод управления двигателями
1.2 Анализ влияния отключения цилиндров на показатели
двигателей по информационным источникам
1.3 Технические средства отключения цилиндров
1.4 Объекты исследования, цель работы и задачи исследования
ГЛАВА 2. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ЦИЛИНДРОВ
2.1 Модель сгорания и теплообмена в цилиндрах дизеля
2.1.1 Процесс распыливания и сгорания топлива
2.1.2 Теплообмен в цилиндре и охлаждение стенки цилиндра
2.2 Расчётная модель трения
2.3 Компьютерная модель отключённого цилиндра
2.4 Компьютерная модель регулятора частоты вращения
2.5 Компьютерная модель дизеля Д49
2.5.1 Описание модели дизеля Д49
2.5.2 Верификация модели дизеля Д49
2.6 Компьютерная модель дизеля Д50
2.6.1 Описание модели дизеля Д50
2.6.2 Верификация модели дизеля Д50
Выводы к главе 2
Стр. ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЕЙ ПРИ
ОТКЛЮЧЕНИИ ЦИЛИНДРОВ
3.1 Влияние различных способов отключения цилиндров на
экономичность дизелей
3.1.1 Экономичность дизелей при отключении цилиндров прекращением подачи топлива
3.1.2 Влияние работы системы газораспределения при отключении цилиндров на экономичность дизелей
3.2 Исследование индикаторного процесса дизелей при отключении цилиндров
3.3 Характеристики токсичности отработавших газов дизелей
3.4 Нестабильность частоты вращения и переходные процессы
Выводы к главе 3
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ЦИЛИНДРОВ
4.1 Потери на насосные ходы
4.2 Потери на трение
4.3 Потери на теплоотдачу в стенки цилиндра
4.4 Энергетический баланс дизелей
Выводы к главе 4
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Во введении обоснована актуальность метода отключения цилиндров для
улучшения топливной экономичности дизелей, дана общая характеристика дис-
сертационной работы.
В первой главе дан анализ информационных источников по практиче-
скому применению и теоретическим исследованиям метода отключения цилин-
дров, который показал, что при отключении цилиндров меняются параметры ра-
бочего процесса в работающих и отключённых цилиндрах, что определяет изме-
нение характеристик экономичности, токсичности отработавших газов, вибра-
цию двигателя. Эффективность метода отключения цилиндров в значительной
степени зависит от работы системы газораспределения в отключённых цилин-
драх. Современные системы газораспределения для отключения цилиндров ис-
пользуют конструкции, в которых для привода клапанов применяются гидравли-
ческие исполнительные устройства и электромагнитные элементы.
Исследованием метода отключения цилиндров занимались отечественные
и зарубежные учёные: Н.Н. Патрахальцев, В.Н. Кожанов, В.Н. Балабин, и M.F.
Muhamad Said, S. Pillai, C.M. Allen, S. Lee. Бо́ льшая часть исследований прове-
дена для автомобильных бензиновых двигателей. Технологии отключения ци-
линдров в бензиновых и дизельных двигателях имеют много общего, но суще-
ствуют различия в причинах получения экономии топлива. Особенности отклю-
чения цилиндров для среднеоборотных дизелей изучены не полностью, что опре-
делило цель и задачи данной работы. В качестве объектов исследования выбраны
среднеоборотные дизели Д49 и Д50 тепловозного назначения, которые значи-
тельное время работают на частичных режимах.
Во второй главе приведены математические модели и компьютерные про-
граммы, составленные для расчётного исследования установившихся и неуста-
новившихся режимов работы дизелей при отключении цилиндров. В математи-
ческой модели процессов газодинамики во впускной и выпускной системах ис-
пользуется одномерная модель нестационарного течения, которая описывается
дискретными дифференциальными уравнениями в частных производных. Для
моделирования процесса распыливания и сгорания топлива в программном ком-
плексе GT-POWER используется многозонная модель. Более подробное иссле-
дование рабочего процесса проведено с помощью программного комплекса FIRE
ESE Diesel. Расчёт теплообмена внутри цилиндра осуществляется по модели
Woschni. Расчёт трения в цилиндро-поршневой группе и кривошипно-шатунном
механизме выполняется с использованием программы GT-POWER, другие со-
ставляющие механических потерь – в газораспределительном механизме и вспо-
могательном оборудовании – рассчитываются по полуэмпирическим формулам.
Компьютерные модели дизелей Д49 и Д50, составленные в программном
комплексе GT-POWER (GT-SUITE), содержат поршневую часть двигателя (ци-
линдро-поршневую группу, кривошипно-шатунный механизм), впускную и вы-
пускную системы, систему газораспределительного механизма с возможностью
отдельного управления работой впускных и выпускных клапанов, топливную си-
стему (форсунки), турбокомпрессор.
Компьютерная модель отключённого цилиндра (Рисунок 1) учитывает пе-
ретекание газов между полостями цилиндра и картера. При закрытии всех кла-
панов в отключённых цилиндрах устанавливается индикаторная диаграмма, в
которой процессы изменения давления на тактах впуска – выпуска и сжатия –
расширения совпадают. Время установления диаграммы определяется геометри-
ческими размерами канала (длиной L и площадью поперечного сечения S), обра-
зованного зазорами в поршневых кольцах и связывающего внутренний объём
цилиндра с картерной полостью.
Для описания измене-
ния состояния газа в отклю-
чённых цилиндрах дизеля
Д49 при закрытых клапанах
было проведено отдельное
исследование на режиме n =
450 мин-1, Ме = 1000 Н·м. На
время установления стабиль-
нойиндикаторнойдиа-
граммы в отключённых ци-
линдрах влияют момент за-
(а)(б)крытия клапанов и геометри-
Рисунок 1. Схема отключённого цилиндра (а) и ческие размеры канала пере-
его компьютерная модель (б)текания газа. Если клапаны
закрываются после такта вы-
пуска, максимальное начальное давление газов в отключённом цилиндре p1 = 0,1
МПа, если закрытие клапанов происходит после такта впуска, то в процессе по-
следующего сжатия воздуха без сгорания максимальное давление в отключён-
ном цилиндре составляет p1 = 3,3 МПа. Как показали расчёты, длина канала в
зазорах поршневых колец не оказывает существенного влияния на время уста-
новления диаграммы. Влияние момента закрытия клапанов (начального давле-
ния в отключённом цилиндре) и площади поперечного сечения канала поршне-
вых колец показано на Рисунке 2 при начальном давлении p1 = 0,1 МПа (Рисунок
2, а) и p1 = 3,3 МПа (Рисунок 2, б) для площади поперечного сечения канала S =
8,64 мм2 при минимальном износе колец () и S = 15,09 мм2 при максималь-
ном износе колец () в виде времени установления максимального давления
рмах индикаторной диаграммы.
(а)(б)
Рисунок 2. Время установления индикаторной диаграммы в отключённом ци-
линдре
После установления стабильной индикаторной диаграммы (Рисунок 3)
максимальное давление в отключённых цилиндрах составляет 0,65 МПа, когда
поршень находится в верхней мёртвой точке, минимальное давление равно 0,02
МПа в начале сжатия. Наименьшее время установления индикаторной диа-
граммы – 1 с при закрытии клапанов после выпуска и максимальном износе
поршневых колец, при закрытии клапанов после впуска и минимальном износе
колец установление индикаторной диаграммы происходит за 8 с.
pмах, МПаПри исследовании переходных
0.8процессов модель дизеля функциони-
рует в составе системы управления, в
0.6которую входит также регулятор ча-
0.4стоты вращения, компьютерная мо-
дель которого содержит электронный
0.2
блок,спропорционально-инте-
0грально-дифференциальным (ПИД) за-
-1800180коном регулирования. Коэффициенты
φºп.к.вПИД закона регулирования подобраны
Рисунок 3. Индикаторная диаграмма в из условия обеспечения высокого ка-
отключённом цилиндре при закрытых чества переходных процессов.
клапанахХорошее совпадение результа-
тов расчёта с экспериментальными данными при верификации моделей дизелей
подтвердило возможность использования разработанных компьютерных моде-
лей для расчётного исследования.
В третьей главе проведено исследование влияния формы характеристики
впрыска топлива на показатели рабочего процесса при отключении цилиндров.
В последующих расчётах используется характеристика впрыска с большим дав-
лением как обеспечивающая лучшие процессы испарения и сгорания топлива.
Для дизеля Д49 проведён расчёт экономичности при отключении 8-и ци-
линдров из 16-и прекращением подачи топлива на частичных режимах. Получен-
ные результаты свидетельствуют о том, что при отключении цилиндров только
прекращением подачи в них топлива эффективный КПД дизеля в целом с учётом
КПД в работающих и отключённых цилиндрах снижается. Отключение цилин-
дров прекращением подачи топлива не улучшает, а ухудшает топливную эконо-
мичность рассмотренных дизелей – на всех исследованных режимах расход топ-
лива увеличивается. В связи с этим, на следующем этапе работы проведено ис-
следование влияния работы системы газораспределения в отключённых цилин-
драх на показатели рабочего процесса дизелей. На Рисунке 4 приведены зависи-
мости удельного эффективного расхода топлива от нагрузки для различных ча-
стот вращения. Рассмотрены следующие варианты функционирования системы
газораспределения в отключённых цилиндрах: 1 – все клапаны функционируют
в штатном режиме; 2 – впускные клапаны закрыты, выпускные работают в штат-
ном режиме; 3 – впускные работают в штатном режиме, выпускные клапаны за-
крыты; 4 – все клапаны закрыты (0 – работа двигателя со всеми цилиндрами).
Эффект по снижению расхода топлива получен только при закрытии впускных
и выпускных клапанов в отключённых цилиндрах.
Аналогичные результаты получены при расчёте характеристик экономич-
ности при отключении 3-х цилиндров из 6-и для дизеля Д50. Для проверки вы-
водов расчётного исследования проведён анализ данных экспериментального ис-
следования дизеля Д50 на холостом ходу и частичных режимах. В отключённых
цилиндрах все клапаны были закрыты. Результаты испытаний подтвердили вы-
воды расчётного исследования – экономия топлива зафиксирована при закрытии
всех клапанов в отключённых цилиндрах.
На Рисунке 5 даны значения часового расхода топлива при работе дизеля
Д50 на холостом ходу (частота вращения 240 мин-1 и 300мин-1) при обычной ра-
боте двигателя (вариант 0) и при отключении цилиндров и закрытии всех клапа-
нов (вариант 4). Приведены результаты расчётов (р) и экспериментов (э). Как
видно из Рисунка 5, при отключении цилиндров и закрытии в них всех клапанов
часовой расход топлива по сравнению со штатной работой всех цилиндров сни-
жается на холостом ходу на 20,4% и 23,7% при частоте вращения соответственно
240мин-1 и 300мин-1.
ge , г/(кВт·ч)ge , г/(кВт·ч)
10001000
80011
2800
60046004
400400
200200
1000 2000 3000 4000 М е, Н·м
50001000 2000 3000 4000 М е, Н·м
5000
(а)(б)
ge , г/(кВт·ч)ge , г/(кВт·ч)
12001200
1000110001
80038003
600600
400400
200200
1000 2000 3000 4000 М
5000
е, Н·м
1000 2000 3000 4000 М е, Н·м
5000
(в)(г)
Рисунок 4. Удельный эффективный расход топлива дизеля Д49 для различных
вариантов отключения цилиндров на частоте вращения: а – 450 мин-1; б – 556
мин-1; в – 630 мин-1; г – 742 мин-1
Gт, кг/чНа Рисунке 6 показано срав-
7нение удельного эффективного
0(э)расхода топлива дизеля Д50 при
0(р)штатной работе (вариант 0) и от-
64(э)
ключении цилиндров (вариант 4 –
4(р)
5все клапаны закрыты) на режимах
испытаний с частичной нагрузкой.
4При частоте вращения 300 мин -1 и
эффективной мощности двигателя
350 кВт зафиксирован положитель-
200240280 n, мин
320-1ный эффект отключения цилин-
дров: удельный расход топлива
Рисунок 5. Расход топлива дизеля Д50 на
при отключении цилиндров сни-
холостом ходу
жается на 7 % по сравнению со
штатной работой двигателя. На
остальных режимах испытаний получен обратный эффект: при частоте вращения
300 мин -1 и эффективной мощности двигателя 108 кВт удельный расход топлива
при отключении цилиндров увеличивается на 2,9%; при частоте вращения
470мин-1 и эффективной мощности двигателя 214 кВт – на 0,5%.
Эксперименты подтвердили
ge, г/кВт∙чвывод расчётного исследования о
300том, что по мере увеличения ча-
0(э)стоты вращения и нагрузки эффек-
2800(р)тивность метода отключения ци-
4(э)линдров по экономии топлива
2604(р)ослабевает и даже даёт отрица-
тельный результат.
Для объяснения полученных
результатов был проведён анализ
влияния отключения цилиндров на
индикаторный процесс дизелей и
потери энергии. Отключение ча-
режим 3 режим 4 режим 5сти цилиндров изменяет индика-
Рисунок 6. Удельный эффективный рас- торный процесс и потери энергии
ход топлива при работе дизеля Д50 на ча- в работающих и отключённых ци-
стичных режимах: 3 – n = 300 мин-1, Ne = линдрах, что в итоге влияет на эф-
50 кВт; 4 – n = 300 мин-1, Ne = 106 кВт; 5 фективный КПД двигателя в це-
– n = 470 мин-1, Ne = 214 кВтлом. На Рисунках 7 – 10 приведены
индикаторные диаграммы отклю-
чённого цилиндра при разных вариантах функционирования системы газорас-
пределения в отключённых цилиндрах.
p, МПаp, МПа
40.12
впуск
сжатие0.1
3расширение0.08
выпуск
20.06
0.04
0.02
00.20.40.61а
0.8 V/V00.20.40.61а
0.8 V/V
Рисунок 7. Индикаторная диаграмма отключённого цилиндра при штатной ра-
боте клапанов
p, МПаp, МПа
0.20.12
впуск
сжатие0.1
0.15расширение
выпуск0.08
0.10.06
0.04
0.05
0.02
00.20.40.60.8 V/V
1a00.20.40.60.8 V/V
1a
Рисунок 8. Индикаторная диаграмма отключённого цилиндра при отключении
цилиндров и закрытых впускных клапанах
p, МПаp, МПа
впуск
3сжатие0.8
расширение
выпуск0.6
0.4
10.2
00.20.40.60.8 V/V
1a00.20.40.60.8V/V
1 a
Рисунок 9. Индикаторная диаграмма отключённого цилиндра при отключении
цилиндров и закрытых выпускных клапанах
Полученные в результате моде-
p, МПа
0.7лирования индикаторные диаграммы
сжатиепредоставляют возможность оценить,
0.6
расширениепрежде всего, влияние варианта ра-
0.5боты системы газораспределения в от-
0.4ключённых цилиндрах на потери на
0.3насосные ходы и отрицательную ра-
0.2боту, затрачиваемую поршнем в про-
цессах сжатия и расширения. При
0.1
штатной работе клапанов, а также при
0закрытии либо впускных, либо вы-
0 0.20.4 0.6 0.8 V/V1a пускных клапанов работа на тактах
Рисунок 10. Индикаторная диаграмма насосных ходов возрастает по сравне-
отключённого цилиндра при закрытии нию с работой двигателя без отключе-
всех клапановния цилиндров. Наименьшая работа на
тактах, соответствующих впуску и вы-
пуску, получена при закрытии в отключённых цилиндрах всех клапанов.
На диаграмме на Рисунке 11 показаны зависимости индикаторных показа-
телей в работающих и неработающих цилиндрах в виде среднего давления от
варианта функционирования системы газораспределения в отключённых цилин-
драх (варианты 1 – 4) по сравнению со штатной работой дизеля Д49 со всеми
работающими цилиндрами (вариант 0) на режиме n = 450 мин-1, Ме = 1000 Н·м.
Красным цветом показано среднее индикаторное давление в работающем цилин-
дре pi,раб., черным цветом – среднее давление насосных потерь в работающем ци-
линдре pн,раб, жёлтым цветом – среднее индикаторное давление в отключённом
цилиндре pi,отк., зелёным цветом – среднее давление насосных потерь в отклю-
чённом цилиндре pн,отк.. Положительное значение среднего давления характери-
зует совершаемую газом полезную работу, отрицательное значение – потери.
p, МПаАнализ токсичности и дымно-
0.6сти отработавших газов при отключе-
0.45нии цилиндров проведён для дизеля
Д49 на частоте вращения 450 мин-1
0.3при нагрузках 1000 Н·м и 4000 Н·м.
0.15На Рисунках 12 и 13 приведены
удельные выбросы оксида углерода
СО, оксидов азота NOx и сажи при от-
-0.15ключении цилиндров со штатной ра-
-0.3ботой клапанов (1) и закрытием всех
01234клапанов (4) по сравнению с работой
pi,раб.двигателя со всеми цилиндрами (0).
pi, раб.раб.
pi, отк.
pн,
Расчёт показал, что при отключении
pн,отк.
pi,p
pн,н, отк.
отк.
раб.цилиндров снижаются удельные вы-
Рисунок 11. Индикаторные показатели бросы оксида углерода и сажи, но воз-
в виде среднего давлениярастают выбросы оксидов азота.
CO, г/кВт·чNOx, г/кВт·ч
5030
401241
3018
2012
106
1000Н·м4000Н·м1000Н·м4000Н·м
(а)(б)
Рисунок 12. Удельные выбросы в отработавших газах: а – оксида углерода CO;
б – оксидов азота NOx
Сажа, г/кВт·чОтключение и обратное вклю-
0.008чение цилиндров сопровождается пе-
0реходными процессами. Степень из-
1менения параметров рабочего про-
0.006
4цесса зависит от стратегии отключе-
ния или включения цилиндров. Одно-
временный вывод из работы боль-
0.004шого количества отключаемых ци-
линдров, для дизеля Д49 – это 8 ци-
0.002линдров, (или обратный ввод в работу
отключённых цилиндров) может при-
вести к значительным изменениям па-
0раметров рабочего процесса дизеля.
1000Н·м4000Н·мЕсли отключать и включать цилин-
Рисунок 13. Удельные выбросы сажидры частями, можно избежать рез-
кого отклонения параметров рабочего
процесса от установившихся значений. Для дизеля Д49 рассмотрены две страте-
гии отключения и последующей активации цилиндров на режиме n = 450 мин-1,
Ме = 1000 Н·м. Первая стратегия соответствует отключению и обратному вклю-
чению всех 8-и цилиндров одновременно. Вторая стратегия предусматривает от-
ключение цилиндров частями: сначала отключаются 4-е цилиндра, через 2-е се-
кунды – ещё 4-е, обратное включение производится также по 4-е цилиндра. Из
Рисунка 14 видно, что изменения в переходных процессах таких параметров ди-
зеля, как частота вращения n, цикловая подачи топлива gц и температура отрабо-
тавших газов tг уменьшаются при отключении (активации) цилиндров по частям.
Нестабильность частоты вращения при отключении цилиндров возрастает.
Рисунок 14. Переходные процессы
В четвёртой главе дан анализ потерь энергии в дизеле Д49 на режиме n =
450 мин-1, Ме = 1000 Н·м. При отключении цилиндров и различных вариантах
работы системы газораспределения изменяются все составляющие энергетиче-
ского баланса двигателя.
Как следует из диаграммы на Рисунке 15, где приведена мощность потерь
на насосные ходы, эта составляющая энергетического баланса двигателя оказы-
вает значительное влияние на изменение удельного эффективного расхода топ-
лива при различных вариантах работы впускных и выпускных клапанов в отклю-
чённых цилиндрах.
На Рисунке 16 приведена мощность механических потерь дизеля при раз-
личных вариантах работы системы газораспределения. Показано, что механиче-
ские потери незначительно изменяются при отключении цилиндров вследствие
того, что увеличение потерь на трение в работающих цилиндрах практически
компенсируется уменьшением механических потерь в отключённых цилиндрах.
Дан подробный анализ механических потерь дизеля при отключении цилиндров
в виде следующих составляющих: потерь на трение в поршневой группе, трение
в подшипниках коленчатого вала, потерь на привод газораспределительного ме-
ханизма, потерь на газообмен и потерь на привод вспомогательных агрегатов
(Рисунок 17).
Потери на теплоотдачу в стенки цилиндра в значительной степени зависят
от работы системы газораспределения (Рисунок 18). При закрытии всех клапанов
в отключённых цилиндрах повышение теплообмена в работающих цилиндрах
меньше, чем снижение теплообмена в отключённых цилиндрах, поэтому потери
на теплоотдачу в двигателе в целом снижаются.
Nн, кВтNм, кВт
1270
10Nн, отк
Nн,отк.
8Nн, раб
Nн,раб.
55
012340 1 234
Рисунок 15. Мощность насосных по- Рисунок 16. Мощность механических
терь: Nн,отк. – в отключённом цилиндре; потерь
Nн,раб. – в работающем цилиндре
Nт, кВт
0Nт, отк
Nт,раб.
раб
Nт,отк.
Nт,
0204060 Nм, кВт
поршневая группа8
подшипники КШМ
ГРМ
воспомогательное оборудование
01234
Рисунок 17. Составляющие механиче- Рисунок 18. Мощность потерь на
ских потерь двигателя: а – работа со теплоотдачу в стенки цилиндра: Nт,
всеми цилиндрами; б –отключение ци- отк. – в отключённом цилиндре; Nт, раб.
линдров и закрытие в них клапанов– в работающем цилиндре
Сравнительная диаграмма энергетического баланса в значениях мощности
для различных вариантов отключения цилиндров дизеля Д49 на рассматривае-
мом частичном режиме дана на Рисунке 19. Высота полного столбца представ-
ляет собой мощность, выделяемую при сгорании топлива. Отключение подачи
топлива в восемь цилиндров без изменения работы системы газораспределения
(сравнение вариантов 0 и 1) по сравнению с другими вариантами работы системы
газораспределения в меньшей степени влияет на составляющие энергетического
баланса, а значит, и на топливную экономичность двигателя. Закрытие только
впускных клапанов (вариант 2) или только выпускных клапанов (вариант 3) при-
водит к увеличению насосных потерь из-за огромной разницы давлений газов
между процессами впуска и выпуска. Закрытие впускных и выпускных клапанов
снижает потребление энергии топлива, при этом варианте механические потери,
потери на теплоотдачу, потери с отработавшими газами и насосные потери
уменьшаются по сравнению с исходным вариантом.
N, кВт
300
01234
NeNмNнNтNог
Рисунок 19. Энергетический баланс (в единицах мощности) дизеля Д49 при раз-
личных вариантах отключения цилиндров
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ
1. Расчётное исследование показало, что эффективность метода отключе-
ния цилиндров зависит от способа реализации этого метода. Прекращение по-
дачи топлива в часть цилиндров не даёт в рассматриваемых дизелях снижение
расхода топлива. Значительное влияние на результативность отключения цилин-
дров оказывает работа системы газораспределения в отключённых цилиндрах.
Эффект по снижению расхода топлива получен при закрытии впускных и вы-
пускных клапанов в отключённых цилиндрах. Результаты расчётного исследова-
ния подтверждаются данными испытаний.
2. Индикаторные диаграммы в отключённых цилиндрах значительно отли-
чаются при различных вариантах работы в них системы газораспределения. При
закрытии всех клапанов в отключённых цилиндрах устанавливается индикатор-
ная диаграмма, в которой процессы изменения давления на тактах впуска – вы-
пуска и сжатия – расширения совпадают. Вид диаграммы определяется перете-
канием газов между внутренним объёмом цилиндра и картерной полостью по
каналу, образованному зазорами в поршневых кольцах.
3. В зависимости от работы впускных и выпускных клапанов в отключён-
ных цилиндрах в значительной степени изменяется работа насосных ходов.
Наименьшая работа на тактах, соответствующих впуску и выпуску, получена
при закрытии в отключённых цилиндрах всех клапанов.
4. При отключении цилиндров изменяются показатели токсичности отра-
ботавших газов: снижаются удельные выбросы оксида углерода и сажи, выбросы
оксидов азота возрастают.
5. Отключение и последующая активация цилиндров сопровождается пе-
реходными процессами, изменения параметров рабочего процесса в которых за-
висят от стратегии изменения количества работающих цилиндров – отклонения
параметров уменьшаются при отключении (активации) цилиндров по частям.
Нестабильность частоты вращения при отключении цилиндров возрастает из-за
более значительного изменения крутящего момента в работающих цилиндрах с
меньшей периодичностью.
6. Отключение цилиндров приводит к изменению энергетического баланса
двигателей – изменяются все составляющие потерь энергии сгоревшего топлива,
которые влияют на топливную экономичность. Наиболее значительно изменя-
ются потери на насосные ходы и теплоотдачу, наиболее стабильными являются
механические потери.
7. Отключение цилиндров даёт экономию топлива при работе среднеобо-
ротных дизелей на холостом ходу и частичных режимах при закрытии всех кла-
панов в отключённых цилиндрах.
Актуальность работы. Как один из основных типов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), дизельные двигатели, благодаря высокому коэффициенту полез- ного действия (КПД) и надежности, нашли широкое применение на всех видах транспорта, дорожно-строительной и сельскохозяйственной техники, для привода генераторов [1-4]. В связи с ужесточенными нормами по выбросам в атмосферу вредных веществ производители двигателей внутреннего сгорания стремятся к не- прерывному улучшению экономических и экологических показателей двигателей. Согласно европейским экологическим стандартам для тяжелых транспортных средств Regulation (EU) 2019/1242, содержание углекислого газа CO2 должно по- стоянно снижаться – от сегодняшнего уровня на 15 % к 2025 году и на 30 % к 2030 году [1]. На сегодняшний день наиболее актуальный проблемой развития дизель- ного двигателестроения является обеспечение топливной экономичности и требуе- мых норм токсичности отработавших газов ДВС. Причём, уменьшение расхода топлива может благоприятно влиять и на экологические показатели, поскольку при этом снижаются массовые выбросы токсичных компонентов. В связи с постоянно меняющейся ситуацией в сфере энергетических ресурсов и экологической пробле- мой главным направлением исследования дизельных двигателей в настоящее время является повышение их энергоэффективности и экологической безопасности.
При работе двигателей на режимах низких частот вращения и нагрузок при малых цикловых подачах топлива обычно наблюдается ухудшение качества рабо- чего процесса с соответствующим ухудшением показателей экономичности и ток- сичности отработавших газов. В связи с этим для таких режимов был предложен метод управления двигателем, заключающийся в отключении части цилиндров, ко- гда оставшиеся активными цилиндры вырабатывают необходимую для потреби- теля мощность. Для получения требуемой мощности увеличивается подача топлива в работающие цилиндры, что улучшает в них качество рабочего процесса. Отклю- чение цилиндров (ОЦ) как метод управления поршневыми двигателями с успехом применяется на частичных по частоте вращения и нагрузке режимах работы двига- телей различного назначения для улучшения их топливной экономичности [3,5,6]. В информационных источниках отмечается, что ОЦ может быть эффективным как для бензиновых [4], так и для дизельных двигателей мощностью [7] от десятков до тысяч киловатт. Данный метод управления используется для рядных четырёхци- линдровых автомобильных двигателей [8] и для многоцилиндровых тепловозных и судовых двигателей с V-образным расположением цилиндров [9]. Таким образом, метод отключения цилиндров рассматривается как эффективная технология сниже- ния расхода топлива и выбросов токсичных компонентов отработавших газов. ОЦ заключается в прекращении подачи в них топлива, при этом возможны различные варианты функционирования системы газораспределения.
При анализе целесообразности отключения цилиндров нередко используются характеристики двигателя со всеми работающими цилиндрами [10]. Такой подход даёт только предварительные представления, так как работа двигателя с отключён- ными цилиндрами имеет свои особенности и отличается от обычной работы двига- теля. Этим объясняется часто встречающееся различие в результатах теоретиче- ских исследований и практического применения метода отключения цилиндров. Функционирование отключённых цилиндров происходит в условиях, которые не соответствуют режимам стандартных характеристик двигателя, поэтому нуждается в специальном описании. Для выяснения особенностей работы двигателей при от- ключении цилиндров необходимо более глубокое исследование рабочего процесса в работающих и отключённых цилиндрах и всего двигателя в целом.
На тепловозные дизели приходится около 16 % всей энергии, вырабатывае- мой ДВС, эксплуатируемыми в России. Они потребляют более 12 млн тонн дизель- ного топлива в год и выбрасывают в атмосферу около 2 млн тонн вредных компо- нентов отработавших газов [11]. Для тепловозных дизелей характерна работа на ча- стичных режимах: на режимы холостого хода приходится около 16 % всего времени их работы, расход топлива двигателя при низких частотах и малых нагрузках со- ставляет 38 % всего израсходованного топлива [12]. Таким образом, ОЦ является для тепловозных дизелей перспективным методом энергосбережения и обеспече- ния норм на выбросы токсичных компонентов на частичных режимах. Однако, практический опыт использования ОЦ для тепловозных дизелей даёт противоречи- вые результаты – не во всех случаях ОЦ обеспечивает улучшение топливной эконо- мичности двигателя. В связи с этим, актуальной задачей является углубленное ис- следование особенностей рабочего процесса среднеоборотных тепловозных дизе- лей при ОЦ на режимах малых частот вращения и нагрузок.
Цель работы: исследование рабочего процесса и обоснование применения метода отключения цилиндров для улучшения топливной экономичности средне- оборотных дизелей при работе на частичных режимах.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использо- ваны методы расчётного и экспериментального исследования. Для проведения рас- чётного исследования использовались математические модели и компьютерные программы, реализованные в программных комплексах GT-POWER и FIRE ESE DIESEL. Результаты расчётного исследования сравнивались с эксперименталь- ными данными, полученными при испытаниях рассматриваемых дизелей.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
– получены показатели экономичности и токсичности отработавших газов средне- оборотных дизелей для различных вариантов работы системы газораспределения при отключении цилиндров;
– получены индикаторные диаграммы в работающих и отключённых цилиндрах при различных вариантах работы системы газораспределения, включая индикатор- ный процесс в отключённых цилиндрах при закрытых клапанах с учётом перетека- ния газов между полостями цилиндра и картера двигателя;
– проведён анализ потерь энергии в дизелях при отключении цилиндров, который позволяет оценить эффективность отключения цилиндров для экономии топлива; – получены переходные процессы изменения параметров дизелей при различных способах отключения цилиндров.
Достоверность и обоснованность научных положений определяется следу- ющим: – расчётное исследование и моделирование проведены с использованием теории рабочих процессов тепловых двигателей и программных комплексов GT-POWER и FIRE ESE DIESEL, подтвердивших свою эффективность при расчёте рабочего процесса двигателей;
– результаты расчёта по разработанным моделям и компьютерным программам с высокой точностью совпадают с данными экспериментальных исследований дизе- лей.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
– разработанные модели и компьютерные программы предназначены для исследо- вания рабочего процесса и эффективности применения метода отключения цилин- дров для улучшения топливной экономичности дизелей;
– на основе полученных индикаторных диаграмм и анализа потерь энергии в рабо- тающих и отключённых цилиндрах дано обоснование наиболее эффективного спо- соба отключения цилиндров, сочетающего прекращение в них подачи топлива с закрытием всех клапанов;
– показано, что последовательное ОЦ по частям улучшает показатели возникаю- щих переходных процессов.
Реализация работы. Результаты диссертации внедрены в ОАО «Дизель ав- томатика» при проведении работ по реализации отключения цилиндров на тепло- возных дизелях.
Личный вклад автора:
– проведён анализ информационных источников по методу отключения цилиндров двигателей, на основе которого выбрана цель и поставлены задачи исследования; – составлены математические модели и компьютерные программы для расчётного исследования дизелей при отключении цилиндров;
– получены показатели экономичности и токсичности отработавших газов дизелей для различных вариантов работы системы газораспределения при отключении ци- линдров;
– проведён анализ экспериментальных данных и их сопоставление с результатами расчёта расхода топлива дизеля при отключении цилиндров; – получены индикаторные диаграммы и проведён анализ потерь энергии в работа- ющих и отключённых цилиндрах;
– получены переходные процессы изменения параметров дизеля при отключении цилиндров.
Основные положения, выносимые на защиту:
– показатели экономичности и токсичности отработавших газов среднеоборотных дизелей для различных вариантов работы системы газораспределения при отклю- чении цилиндров;
– результаты анализа индикаторных диаграмм и потерь на насосные ходы для раз- личных вариантов работы системы газораспределения при отключении цилиндров; – результаты анализа составляющих потерь энергии дизелей при отключении ци- линдров;
– результаты анализа переходных процессов и нестабильности частоты вращения при отключении цилиндров.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы на научно технических конференциях по автоматическому управлению теплоэнерге- тическими установками в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2018 – 2020 г., на 8-й между- народной конференции «Луканинские чтения» в МАДИ в 2019 г., на заседаниях Всероссийской научно-технической конференции (ВНТК) им. проф. В.И. Крутова по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок при кафедре «Теплофизика» (Э-6) МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2017 – 2020 г., на Меж- дународной конференции «International Multi-conference on Engineering and Modern Technologies» FarEastCon в 2020 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в изданиях из пе- речня ВАК РФ по специальности [4,13,14], 2 статьи, рецензируемых международ- ными системами цитирования Scopus [15,16], и 4 материалов конференций [17,18,19,20].
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы. Со- держит 147 страниц текста, в том числе 80 рисунков, 6 таблиц.
Читать «Улучшение топливной экономичности среднеоборотных дизелей на частичных режимах методом отключения цилиндров»
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (30 отзывов)
5 (188 отзывов)
4.8 (373 отзыва)
5 (428 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.9 (66 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
4.9 (826 отзывов)
