Диссертационная работа:

Медведев Алексей Николаевич. Повышение топливной экономичности автомобильных дизелей отключением части цилиндров : диссертация ... кандидата технических наук : 05.04.02 / Медведев Алексей Николаевич; [Место защиты: Юж.-Ур. гос. ун-т].- Челябинск, 2008.- 138 с.: ил. РГБ ОД, 61 08-5/1608

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 5

ВВЕДЕНИЕ 7

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12

1.1. Типы дизелей, на которых проводились исследования

отключения цилиндров. Постановка проблемы 12

1. Анализ достигнутой экономичности дизелей 17

2. Способы отключения цилиндров 20

3. Использование способа отключение топливоподачи и достигнутая

при этом эффективность 22

1.5. Теоретическое обоснование режимов отключения-включения
цилиндров 25

1.5.1. Влияние переходных процессов в топливной аппаратуре

при отключении цилиндров 25

4. Теоретические методы оценки эффективности отключения цилиндров 27

5. Определение числа работающих цилиндров 31

6. Сопутствующие явления при работе дизеля при отключении цилиндров и их изученность 33

7. Особенности работы автомобильного дизеля при включении цилиндров 37

8. Известные способы отключения подачи топлива в цилиндры

дизеля и их классификация 38

1.9. Примеры использования отключения топливоподачи

на автомобильном дизеле, их преимущества и недостатки 39

10. Обзор патентных документов 41

11. Цель исследования в данной работе 45

12. Постановка задачи исследования 45

13. Предлагаемая научная новизна 46

14. Практическая ценность работы 46

15. Выбор и обоснование объекта исследования 46

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ ВКЛЮЧЕНИЯ И
ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦИЛИНДРОВ АВТОМОБИЛЬНОГО ДИЗЕЛЯ ДЛЯ
ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА 47

1. Выбор критерия эффективности отключения цилиндров дизеля 47

2. Аналитическое представление зависимости индикаторного КПД rj_{

от среднего индикаторного давления Р,- 49

2.3. Определение улучшения топливной экономичности при отключении
цилиндров с использованием аналитической зависимости rji=f(PJ 55

2.4. Изменение скоростного режима работы автомобильного дизеля при
включении цилиндров 59

2.5. Объект теоретических исследований и его

характеристики 61

2.6. Обработка и анализ экспериментальных характеристик дизеля

без отключения цилиндров 64

2.7. Расчетно-теоретическая оценка улучшения топливной экономичности
автомобильного дизеля КАМАЗ-740.10-20 при отключении

различного количества цилиндров 71

2.8. Теоретическая оценка частоты вращения коленчатого вала

при включении цилиндров 75

2.9. Выводы и рекомендации по отключению количества цилиндров,
порядка их отключения и ожидаемый эффект от отключения 79

3. Рекомендации по отключению количества цилиндров 79

4. Ожидаемый эффект по экономии топлива от отключения цилиндров по часовому расходу топлива 83

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 88

5. Задачи экспериментальных исследований 88

6. Объект и общая методика экспериментальных исследований 89

3.2.1. Характеристика топливного насоса высокого давления мод.334 92

3.2.2. Определение формы и размеров паза на ведомой рейке

топливного насоса высокого давления для отключения цилиндров одного

блока дизеля 95

3. Режимы испытаний 97

4. Измерительная аппаратура и измеряемые величины 99

5. Оценка погрешностей при проведении эксперимента 101

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 105

ВЫВОДЫ 114

ЛИТЕРАТУРА 116

ПРИЛОЖЕНИЯ 124

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

КПД - коэффициент полезного действия;

ЛВД - линия высокого давления;

ЛНД - линия низкого давления;

ОГ - отработавшие газы;

ТА - топливная аппаратура;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

XX - холостой ход;

ЦПГ - цилиндропоршневая группа;

G_e - часовой расход воздуха;

g_e - удельный эффективный расход топлива;

gi - удельный индикаторный расход топлива;

G_m - часовой расход топлива;

g₄ - цикловая подача топлива;

і прям — передаточное число прямой передачи;

Н_и - низшая теплотворность топлива;

J крив — приведенный к коленчатому валу момент инерции

дизеля и автомобиля;

М_екр - эффективный крутящий момент дизеля;

М_к - крутящий момент дизеля;

N_e - эффективная мощность;

Ni — индикаторная мощность;

N_M — мощность механических потерь;

п - общее число цилиндров дизеля;

п_вкл - количество одновременно включаемых цилиндров;

Потк — количество отключаемых цилиндров;

п_р - количество работающих цилиндров дизеля;

n/ n_p - отношение общего количества цилиндров к

количеству работающих цилиндров дизеля;

Пдв - частота вращения коленчатого вала дизеля;

Р_е - средне эффективное давление;

Pi - среднее индикаторное давление;

Рівкл - среднее индикаторное давление при включении

цилиндров;

Ріотк - среднее индикаторное давление при отключении

цилиндров;

Ь-Рівкл - скачок среднего индикаторного давления при

включении цилиндров;

Р_ір - среднее индикаторное давление работающих

цилиндров;

Рі_П - среднее индикаторное давление при максимальном

коэффициенте полезного действия;

Р_м — среднее давление механических потерь;

Р₂ — максимальное давление;

T_z — максимальная температура;

Vh — рабочий объем дизеля;

V'h - рабочий объем одного цилиндра;

со_дв - угловая скорость коленчатого вала;

со_к - угловая скорость колеса;

а - коэффициент избытка воздуха;

rji - индикаторный коэффициент полезного действия;

fjimax - максимальный индикаторный коэффициент полезного

действия;

Цітіп - минимальный индикаторный коэффициент полезного

действия;

Уірб - индикаторный коэффициент полезного действия

работающих цилиндров;

Актуальность темы. Экономичность поршневых двигателей в значительной степени зависит от режимов их работы. Если на номинальном или близком к нему режимах экономические показатели обычно достигают оптимальных или близких к ним значений, то на частичных нагрузках и холостом ходу (XX) топливная экономичность работы дизелей может заметно ухудшаться. Вместе с тем в эксплуатационных режимах большинства транспортных средств режимы холостого хода и малых нагрузок составляют значительную долю.

Эксплуатируя силовые установки при низких температурах, а также для привода дополнительного оборудования, многие водители часто вообще не останавливают двигатель в течение рабочей смены. Это приводит к значительному расходу топлива и снижению ресурса дизеля.

В последнее время в нашей стране и за рубежом возрос интерес к такому направлению улучшения экономических показателей двигателей, в особенности автомобильных дизелей, как отключение части цилиндров (отключение подачи топлива) на режимах холостого хода и частичных нагрузках.

Метод отключения части цилиндров (отключение топливоподачи) используют на сравнительно крупных дизелях (тепловозных, судовых, дизелях строительных и дорожных машин, тракторов, большегрузных автомобилей и т. д.). В таких дизелях оказалось возможным применение сложных устройств в виде индивидуальных для каждого цилиндра топливного насоса высокого давления (ТНВД), многосекционных золотниковых ТНВД, также насос-форсунок, отключение топливоподачи в цилиндры дизеля в виде электромагнитных и пневматических клапанов. Для автомобильных дизелей с малоразмерной топливной аппаратурой такие решения неприемлемы по конструктивной сложности. Кроме того, автомобильные дизели работают в более широком диапазоне скоростных режимов и нагрузок и для этих условий вопрос отключения топливоподачи недостаточно изучен.

Таким образом, имеется необходимость проведения исследования и практического решения задачи по разработке устройства отключения топливоподачи, теоретических положений работы автомобильного дизеля с отключением части цилиндров и экспериментального подтверждения этих положений и требований.

В качестве объекта исследования взят дизель КАМАЗ-740.10.

Цель работы - научное обоснование возможности повышения топливной экономичности на режимах холостого хода и малых нагрузок отключением (включением) топливоподачи в части цилиндров многоцилиндрового автомобильного дизеля.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать теоретические положения экономии топлива при работе дизеля с отключением части цилиндров от подачи топлива.

2. Разработать математическую модель и методику количественной оценки влияния отключения цилиндров на топливную экономичность дизеля.

3. Разработать конструкцию устройства по отключению топливопо-дачи в части цилиндров.

4. Провести экспериментальное подтверждение адекватности математической модели, эффективности метода и устройства осуществления отключения цилиндров.

Научная новизна работы

5. Обосновано, что экономия топлива на холостом ходу и малых нагрузках при отключении части цилиндров определяется зависимостью индикаторного КПД от нагрузки P_t.

6. Разработана математическая модель оценки влияния отключения цилиндров на топливную экономичность дизеля, на основе аналитического представления зависимости индикаторного КПД от среднего индикаторного давления. На ее основе получены зависимости для оптимального по улучшению экономичности числа отключаемых цилиндров на различных скоростных режимах холостого хода и малых нагрузок.

7. Обоснованы режимы отключения (включения) цилиндров дизеля для достижения наибольшей топливной экономичности.

Практическая ценность работы. Разработанная методика определения режимов и эффективного количества отключаемых цилиндров позволяет решить прикладную задачу в области проектирования и создания устройств для отключения цилиндров автомобильного дизеля. Разработана новая схема отключения подачи топлива в части цилиндров, в топливном насосе высокого давления, первичные этапы апробации которой проводились на кафедре «Двигатели» и кафедре «Эксплуатация автомобильной техники» Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (военного института). Разработано устройство для отключения части цилиндров.

Реализация работы. Результаты исследований и рекомендации переданы в ведущую организацию ОАО «КАМАЗ» и приняты к использованию в дальнейших конструкциях дизелей семейства автомобилей КАМАЗ:

1. при разработке новой конструкции ТНВД для дизелей нового поколения;

2. рассматривается вопрос на внедрение в производство при выпуске дизелей КАМАЗ-7403.10, КАМАЗ-740.30, КАМАЗ-740.31, КАМАЗ-740.50, а также при создании опытных дизелей нового поколения (Евро-4,5 и т. д.).

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях в Южно-Уральском государственном университете (ЮУрГУ), Челябинском государственном агроинже-нерном университете (ЧГАУ) и Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище (военном институте) ЧВВАКИУ (ВИ). Обсуждались на заседаниях кафедр «Автомобили» и «Двигатели внутреннего сгорания» ЮУрГУ в 2005-2007 гг., на заседаниях кафедры «Тракторы и автомобили» ЧГАУ в 2002-2004 гг., на заседаниях кафедр «Двигатели» и «Эксплуатация автомобильной техники» ЧВВАКИУ (ВИ) в 2002-2008 гг., а также в межвузовских конкурсных работах и отчетах по НИР.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе одна работа в издании, рекомендованном ВАК, и один патент на изобретение.

Струїстура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, приложения и содержит 142 страницы, в том числе 129 страниц машинописного текста, 41 иллюстрацию и 25 таблиц. Список использованной литературы включает 67 наименований.