CC BY
55
образования (СПО) Тарского филиала Омского государственного аграрного университета им. П. А. Столыпина, аспирант кафедры агроинже-нерии Омского государственного аграрного университета им. П. А. Столыпина.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 02.10.2015 г. © К. В. Павлюченко
УДК 629.424.1:621.436
С. В. РОСЛОВ А. П. ПРОГОВОРОВ А. Н. ЩЕРБО
Омский автобронетанковый инженерный институт
ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИЗЕЛЯ НА ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Рассмотрены причины ухудшения параметров дизелей с газотурбинным наддувом танка Т-90 на переходных режимах работы. Предложена система кратковременной подачи дополнительного воздуха на начальной стадии переходного режима и приведены результаты экспериментальных исследований по оценке ее эффективности.
Ключевые слова: дизель, переходный режим, танк, наддув, динамические свойства.
Характерными режимами работы дизеля БТВТ являются резкие изменения частоты его вращения, связанные с трансформированием внешней нагрузки при выполнении маневра. При этом из-за присущей регулятору подачи топлива инерционности он срабатывает с некоторым запаздыванием, вследствие чего количество подаваемого в цилиндры топлива часто отличается от того количества, которое соответствует оптимальному при установившейся нагрузке. Быстрое чередование положительных и отрицательных ускорений коленчатого вала может привести к эффекту «перерегулирования», когда отставание реакции регулятора станет настолько значительным, что он будет уменьшать подачу топлива при уже начавшемся возрастании нагрузки. Результатом этого является резкое снижение эффективных показателей дизеля и ухудшение эксплуатационно-технических показателей машины в целом [1].
Дополнительное отрицательное влияние оказывает рассогласование аэродинамических характеристик систем воздухоснабжения с гидродинамическими характеристиками топливоподачи. Особенно это заметно на дизелях с газотурбинным наддувом (ГТН), что связано с инерционностью его ротора и наличием между ними лишь газодинамической связи. Например, на режиме разгона объекта БТВТ требуется быстрое наращивание двигателем мощности для преодоления нагрузки.
При резком увеличении топливоподачи турбокомпрессор вследствие присущей ему инерционности не способен в соответствии с законом то-пливоподачи почти мгновенно набрать обороты
и увеличить подачу воздуха в цилиндры. Связанный с этим недостаток воздуха в цилиндрах в рассматриваемый период становится причиной ухудшения параметров рабочего процесса и условий сгорания топлива, снижения экономичности (перерасхода топлива), увеличения дымности и токсичности отработавших газов и в конечном итоге снижения его стартовой мощности [2, 3]. Это приводит к затягиванию разгона дизеля. Снижение динамических свойств дизелей с ГТН при разгоне, особенно в начальной стадии переходного процесса, становится причиной снижения производительности двигателей.
Уменьшить рассогласование режимов топливо-подачи и воздухоснабжения на переходных режимах дизелей с ГТН можно различными способами: снижением момента инерции ротора турбокомпрессора, применением импульсного наддува (целесообразно при одноступенчатом наддуве), использованием соответствующей системы топливоподачи (двухфазной или ступенчатой подачи топлива), регулированием системы охлаждения наддувочного воздуха и др. Однако эти способы не обеспечивают значительного сокращения времени рассматриваемых переходных режимов и требуют конструктивных изменений.
Наиболее приемлемым способом, не требующим коренной модернизации двигателя, является «подкрутка» турбокомпрессора в начальной стадии переходного процесса, что можно осуществить путём кратковременной подачи дополнительного воздуха в начальной стадии переходного процесса на вход компрессора или непосредственно
Таблица 1
Эффективность различных способов подачи дополнительного воздуха при мгновенном набросе нагрузки
Дизель Вид подачи воздуха Подача дополнительного воздуха
Без подачи С подачей
Т, с % Т, с %
10ДН20,7/2х25,4 В цилиндры 14,7 15,1 7,5 13,2
8ЧН26/26 Во впускной коллектор 6 12,3 3 3,4
Типа ЧН15/18 С использованием эжектирующих устройств 6 8 2,4 6
Типа ЧН27/27 Из пусковых баллонов на колесо компрессора 20 20 11 10
Тп, с — длительность переходного режима; 5п, % — заброс частоты вращения вала дизеля.
Рис. 1. Система «Ускорение» для кратковременного форсирования двигателя при набросе нагрузки: 1 — воздушный резервуар; 2 — компрессор; 3 — эжектор; 4 — турбокомпрессор; 5 — электромагнитный клапан; 6 — блок согласования; 7 — педаль управления ТНВД
к цилиндрам двигателя. Для получения сжатого воздуха необходимо наличие компрессора, воздушного ресивера или эжектирующего устройства. Такой способ легко осуществим в транспортных дизелях, оборудованных воздухопусковым комплексом или воздушными тормозными системами, которые комплектуются всеми необходимыми элементами и требуют минимальных конструктивных изменений [4].
Как показывает опыт, применение такого способа на режимах трогания и разгона транспортного средства наиболее эффективно [1, 2, 5, 6] и позволяет существенно уменьшить время разгона (на 25 — 35 %) транспортного дизеля, форсированного ГТН, а также дымность отработавших газов и расход топлива на неустановившихся режимах.
Приведённые в таблице [1] данные об эффективности различных способов подачи дополнительного воздуха при мгновенном набросе нагрузки позволяют сделать вывод о том, что наиболее эффективна подача воздуха непосредственно в цилиндры или с использованием эжектирующих устройств (табл. 1).
Реализация рассматриваемого способа может быть связана с необходимостью установки дополнительных рессиверов увеличением расхода воздуха из баллонов системы воздухопуска танка. Это
может привести к трудностям по обеспечению повторных переходных процессов (особенно при частых их повторениях в условиях эксплуатации).
Для оценки эффективности способа кратковременной подачи дополнительного воздуха в начальной стадии переходного процесса, влияющего на эксплуатационно-технические и экологические показатели, разработана система «Ускорение» (рис. 1) для кратковременного форсирования дизельного двигателя В-92 танка Т-90 мощностью 736 кВт с ГТН (рк = 0,23 МПа). Количество сжатого воздуха и номинальное давление в дополнительном резервуаре 1 определяется исходя из рабочего объёма двигателя, частоты смены режимов и их длительности. От этих же факторов зависит и производительность воздушного компрессора 2 пневмосистемы.
Система «Ускорение» работает следующим образом (см. рис. 1). В момент наброса нагрузки открывается электромагнитный клапан 5, и воздух из резервуара 1 поступает на съёмные эжекторы 3, установленные после турбокомпрессора 4. Управление электромагнитным клапаном 5 осуществляется блоком 6 согласования в зависимости от ускорения частоты вращения Дп коленчатого вала двигателя, положения и ускорения перемещения рейки Д) топливного насоса высокого
Рис. 2. Конструкция эжектора: 1 — высоконапорное сопло; 2 — сильфон; 3 — турбокомпрессор; 4 — корпус эжектора; 5 — кольцевое пространство с винтовыми направляющими элементами
Рис. 3. Зависимости параметров двигателя и турбокомпрессора при переходном процессе (набросе нагрузки) от его продолжительности т:
11, рк1, рк2, Птк2, а2 дымность отработавших
газов, давление в коллекторе, частота вращения вала
турбокомпрессора, коэффициент избытка воздуха при использовании системы соответственно штатного воздухоснабжения и кратковременного форсирования этого процесса
давления (ТНВД) педалью 7 и давления рк в коллекторе.
При набросе нагрузки механик-водитель нажимает педаль подачи топлива, перемещает рейку ТНВД, датчик измерения углового положения педали передаёт сигнал на блок согласования сигналов, в котором в зависимости от величин An и рк вырабатывается сигнал на открытие клапана 5. При n = const и рк = const клапан находится в закрытом положении.
Таким образом, количество и время подачи дополнительного воздуха будут определяться величиной ускорения вращения коленчатого вала и рабочим давлением во впускном коллекторе, которое должно находиться на уровне, обеспечивающем оптимальные условия сгорания топлива в цилиндрах двигателя независимо от режимов внешней нагрузки.
Конструкция эжектора (рис. 2), разработанная для системы «Ускорение», отличается от традиционных аналогов. При набросе нагрузки она включается, и сжатый воздух от пневмосистемы подводится к высоконапорному соплу 1 эжектора через сильфон 2. Последний позволяет перемещаться соплу относительно корпуса 4 в зависимости от подаваемого давления, тем самым меняя коэффициент эжекции. Коэффициент упругости сильфона 2 подбирается исходя из номинального давления в высоконапорном сопле 1 . Подсасываемый воздух от турбокомпрессора 3 подаётся по периметру кольцевого пространства 5 через направляющие винтовые лопатки, создавая разрежение после компрессора. Закручивание потока воздуха спиральными винтовыми направляющими лопатками увеличивает дальнобойность импульса волны давления в коллекторе и «запирает» попадание обратного (отражённого) импульса волны давления на лопатки компрессора. Расход воздуха из воздушных ре-
зервуаров контролировался по падению давления и оценивался по известному уравнению состояния газов рУ = тЯТ.
Размещение эжекторов после турбокомпрессора вызвано тем, что подача воздуха в них приведёт к понижению давления после него и связанному с этим уменьшению потребляемой мощности колеса турбины. Это значительно сократит продолжительность набора турбокомпрессором частоты вращения, соответствующей цикловой подаче топлива. Принудительная же подача воздуха непосредственно во впускной коллектор и цилиндры двигателя исключала фактор инерционности ротора турбокомпрессора в этот период.
Результаты экспериментальных исследований (рис. 3) позволили установить, что рассмотренный способ кратковременного форсирования на 25 — 30 % сокращает время разгона дизеля. При этом обеспечивается снижение дымности Бх отработавших газов.
При работе дизеля со штатной системой возду-хоснабжения на начальной стадии разгона вследствие инерционности ротора турбокомпрессора наблюдается резкое падение давления рк в коллекторе, которое длится примерно 2 — 3 с. Связанное с этим снижение коэффициента избытка воздуха (а < 1) восстанавливается до оптимальных значений лишь на седьмой секунде после наброса нагрузки. Набор частоты вращения птк турбокомпрессором затягивается. В этот период из-за ухудшения условий воздухоснабжения и сгорания резко возрастает дымность и токсичность отработавших газов. Чёрный цвет отработавших газов свидетельствует о высокой концентрации сажи. После завершения наброса нагрузки наблюдается заброс частоты вращения коленчатого вала двигателя на 8,5 %.
При подаче дополнительного воздуха во впускной коллектор через эжекторы продолжительность
переходного процесса сократилась с 7 до 3,5 с (т.е. на 50 %). Уже через 3 с после начала переходного процесса за счёт снижения перепада давления на колесе турбокомпрессора и снижения потребляемой им мощности турбины частота вращения его ротора стала вдвое больше, чем без этой системы.
Это обеспечило улучшение воздухоснабжения двигателя и качества протекания его рабочего процесса, а также уменьшило степень снижения п . В рассматриваемом случае интенсивная раскрутка ротора турбокомпрессора начиналась уже через 0,6 — 0,8 с. Стабильность коэффициента а свидетельствует о том, что недостаток воздуха в этот период компенсировался дополнительной его подачей в коллектор. Кроме того, смешение относительно холодного дополнительно подаваемого воздуха с горячим после компрессора приводит к заметному снижению температуры наддувочного воздуха и увеличению массового наполнения воздухом цилиндров. Таким образом, в период работы системы не требуется промежуточный охладитель наддувочного воздуха. В ходе экспериментальных исследований при набросе нагрузки существенной «просадки» частоты вращения двигателя не наблюдалось.
Выводы
1. Установка эжекторов после колеса турбокомпрессора между впускными коллекторами более эффективна, нежели подача дополнительного сжатого воздуха на лопатки турбины, так как в период набора частоты вращения ротора турбокомпрессора недостаток воздуха в коллекторе компенсируется воздухом, поступающим от баллонов через эжекторы.
2. Применение системы подачи дополнительного воздуха в двигателях с ГТН позволяет существенно улучшить их параметры, уменьшить дымность, токсичность отработавших газов и длительность переходного процесса.
3. Расход воздуха из баллонов системы воздухо-пуска на переходный процесс не превышает 15 % (« 2 кг), поэтому объём воздуха штатной системы и производительность её компрессора позволя-
ют использовать её для кратковременного форсирования в период переходных процессов СДМ, но не на транспортных режимах.
Библиографический список
1. Багиров, Д. Д. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин / Д. Д. Багиров, А. В. Златополь-ский. — М. : Машиностроение, 2003. — 214 с.
2. Костин, А. К. Эксплуатационные режимы транспортных дизелей / А. К. Костин, К. Б. Ермекбаев. — Алматы : Наука, 1988. - 189 с.
3. Эпштейн, А. С. Переменные режимы двигателей с газотурбинным наддувом / А. С. Эпштейн. — М. : Машгиз, 2010. — 286 с.
4. Мырзахметов, Б. А. Силовые энергетические установки / Б. А. Мырзахметов, Ж. Н. Кадыров, А. В. Кочетков // Военный вестник. — 2011. — № 3. — С. 27 — 29.
5. Шабалин, Д. В. Метод повышения приемистости комбинированного дизеля с использованием инерционных накопителей энергии / Д. В. Шабалин, Е. С. Терещенко, С. В. Рослов, А. М. Смирнов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2014. — № 2 (130). — 138 с.
6. Шабалин, Д. В. Стабилизация параметров наддувочного воздуха с целью обеспечения оптимальных значений коэффициента избытка воздуха в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля / Д. В. Шабалин, С. В. Рослов, И. Ю. Килунин, А. А. Смолин // Омский научный вестник. Сер. Машины, приборы и технологии. — 2014. — № 3 (133). — С. 102 — 106.
РОСЛОВ Сергей Валерьевич, адъюнкт кафедры двигателей.
ПРОГОВОРОВ Алексей Петрович, офицер управления филиала.
ЩЕРБО Александр Николаевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры ремонта.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 22.05.2015 г. © С. В. Рослов, А. П. Проговоров, А. Н. Щербо
Книжная полка
621.8/К93
Курсовое проектирование деталей машин на базе графических систем / Ред. П. Н. Учаев. - Старый Оскол : ТНТ, 2015. - 426 с.
В учебном пособии, состоящем из пяти частей, сформулированы цель и задачи курсового проектирования. В качестве объекта выбран механический привод технологических и транспортирующих машин (на примере приводных станций конвейеров). Рассмотрены конструкции и параметры основных частей привода редукторов, мотор-редукторов, коробок, мотор-коробок, вариаторов, электродвигателей. Особое внимание уделено компьютерным технологиям разработки проектируемых изделий и использованием современных графических и расчетных систем. Разработка технического предложения и других стадий выполнения конструкторской документации основана на базе инженерных знаний. Приведены необходимые методики расчетов, выполняемых при разработке эскизного и технического проектов, а также рабочей документации. Даны примеры расчетов и конструирования приводов и их агрегатов.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Конструкторско-техно-логическое обеспечение машиностроительных производств», и соответствует ФГОС, а также может быть использовано студентами образовательных учреждений СПО, технологами и конструкторами машиностроительных производств.
