авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Научные основы создания регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БАЛАБИН Валентин Николаевич НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРИВОДОВ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКОМОТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Специальность:

05.02.02 — Машиноведение, системы приводов и детали машин;

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва, 2010 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высше го профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Коссов Валерий Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ковальский Виктор Федорович доктор технических наук, профессор Ковалевский Виталий Иванович доктор технических наук, профессор Просвиров Юрий Евгеньевич

Ведущая организация: «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится _ июнь 2010 г. в час _мин на засе дании диссертационного совета Д 218.005.08 при Московском государственном университете путей сообщения по адресу: Москва, ул. Образцова 15, МИИТ ауд.

2501.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.08, доктор технических наук, доцент А.В.Саврухин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы заключается в использовании новых видов при вода клапанов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгора ния (ЛДВС) с целью совершенствования их эксплуатационных характеристик.

Решение проблем, связанных с повышением топливной экономичности и улучшением экологических факторов, потребовало новых подходов, основан ных на улучшении характеристик ЛДВС.

Новые технические решения по вспомогательным установкам локомотивов, повышение экологической безопасности, и топливной экономичности, потребо вало развития микропроцессорных систем управления ЛДВС, в том числе регу лирование приводов органов газораспределения и систем топливоподачи.

В практике отечественного двигателестроения стало активно развиваться новое направление: микропроцессорное управление системами приводов ЛДВС.

Цель диссертационной работы -создание и исследование регулируемых приводов газораспределения локомотивных двигателей внутреннего сгорания нового поколения Задачи исследований, которые поставлены и решены в работе по дости жению цели:

выполнен анализ перспектив развития приводов нового поколения для транспортных средств и энергетических установок, применительно к автоном ным локомотивам;

сформулированы и научно обоснованы принципы адаптивности ЛДВС (прежде всего механизмов газораспределения) к эксплуатационным тяговым режимам тепловозов, путем замены традиционного привода клапанов газорас пределения на альтернативный, немеханический привод;

определены факторы взаимной корреляции и ковариации основных техни ко-экономических параметров ЛДВС и их влияние на выбор фаз газораспреде ления (ФГР);

разработаны основные технические и конструктивные положения концеп ции перехода от традиционного механического на прогрессивные электромаг нитный и электрогидравлический виды приводов газораспределения перспек тивных ЛДВС нового поколения;

проведен комплекс стендовых и моторных испытаний электромагнитного и электрогидравлического проводов газораспределения транспортных ДВС;

обоснование понятие концепции ЛДВС нового поколения и основные на правления их развития;

выполнена оценка технико-экономической эффективности от внедрения предложенных в работе технических решений.

Направления исследований, вытекающие из сформулированной цели и решаемые в процессе выполнения работы:

1. Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования с использова нием моделирования процессов в приводе механизма газораспределения и вы бор оптимальных значений конструкционных параметров при проектировании альтернативных видов привода.

2. Теоретическая и экспериментальная проработка альтернативных, немеха нических видов привода клапанов и систем управления процессами газообмена ЛДВС.

3. Анализ влияния выбранных параметров газораспределения на достигну тые технико-экономические показатели основных серий транспортных дизелей.

Определение конвергентности, взаимной корреляции и ковариации влияния ос новных технико-экономических параметров двигателей на выбор ФГР при ме ханическом и альтернативных типах приводов.

4. Разработка технических решений по совершенствованию существующих приводов механизмов газораспределения ЛДВС с целью повышения топливной экономичности и надежности в эксплуатационных условиях.

5. Создание прогрессивных систем электрогидравлического (ЭГПК) и элек тромагнитного (ЭМПК) приводов клапанов газораспределения ЛДВС. Разработ ка конструктивных и эксплуатационных параметров ЭГПК и ЭМПК для ЛДВС нового поколения различных мощностных и скоростных градаций.

6. Анализ эксплуатационных режимов локомотивов и рассмотрение концеп туальных вопросов повышения эффективности работы ЛДВС.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы теорети ческие и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на данных некоторых известных теоретических положениях технологии машиностроения, термодинамики и математического моделирования. Использованы методы тео рий линейных и нелинейных систем, теории оптимального управления, гидро механики и теории сплошных сред, методы теории поля, проектирования систем управления и методы компьютерного моделирования. Применены пакеты Math cad и Excel. Применены современные информационные технологии и интернет ресурсы, электронные журналы и различные виды электронных публикаций.



При обработке экспериментальных данных, применялись методы наимень ших квадратов.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью разработанных математических моделей, сходимостью полученных теоретиче ских результатов с данными экспериментов на стендовых установках, а также согласованностью с некоторыми результатами исследований, выполненных в разные годы ведущими научными и производственными коллективами.

Достоверность новизны технических решений подтверждается получением 23 патентов и авторских свидетельств на изобретения.

Научная новизна заключается в создании новых видов привода газорас пределения, оптимизирующих эксплуатацию локомотивных ДВС. Впервые для перспективного тягового подвижного состава предложены варианты совершен ствования локомотивных ДВС, связанные с введением новых объектов регули рования газообмена.

Практические рекомендации заключены в использование адаптивности ЛДВС к эксплуатационным режимам локомотива, прежде всего процессов газо обмена при использовании новых видов привода механизма газораспределения.

Это позволит повысить эффективный КПД, снизить удельный эффективный расход топлива на основных эксплуатационных режимах: частичных нагрузках, переходных режимах и холостом ходу.

Практическая значимость результатов исследований состоит в выборе конструктивных параметров альтернативных приводов механизмов газораспре деления (ПМГР). Результаты исследования ориентированы на создание новых альтернативных типов привода органов газораспределения и систем управления, а также послужили основой для создания:

метода оценки влияния основных технико-экономических параметров ЛДВС на выбор ФГР и закона движения клапанов ПМГР при адаптивности к изменяющимся эксплуатационным условиям;

моделей альтернативных немеханических систем ПМГР перспективных ЛДВС;

способов плавного и дискретного регулирования ФГР при немеханиче ских системах ПМГР, позволяющих снизить удельный расход топлива и улуч шить эксплуатационные показатели ЛДВС;

Результаты могут представлять значительный интерес для задач экологиче ского характера, поскольку именно процессы газообмена ЛДВС являются доми нирующими в улучшении этих параметров.

Практические разработки предназначены для использования в перспек тивных конструкция ЛДВС. Методики, алгоритмы и схемные решения могут применяться в научных, производственных и учебных целях.

Практический эффект заключается в снижении удельного эффективного расхода дизельного топлива на эксплуатационных режимах ЛДВС в среднем на 4…8%.

Реализация результатов выполнена в разное время на НПО «Тепловоз путьмаш» (ВНИКТИ), НИИ двигателей (Москва), Барнаульском заводе транс портного машиностроения, Камбарском машиностроительном заводе. Отдель ные положения исследований использованы ОАО «Коломенский завод».

Предложены направления оптимизации конструктивных параметров при вода механизма газораспределения с точки зрения улучшения качества переход ных процессов в силовых энергетических установках локомотивов, заключаю щихся в сокращении длительности переходных процессов при изменении скоро стных и нагрузочных режимов.

Разработаны рекомендации по использованию регулирования ФГР и закона движения клапанов для конкретных ЛДВС.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации док ладывались и получили положительную оценку на конференциях и научных фо румах:

конференции «Основные направления развития силовых энергетических установок тепловозов», проводимая руководством Латвийской железной доро гой (Латвия, Рига, 10-14 марта 2003 г.);

Международном конгрессе «Mech-2003»: «Механика и трибология транс портных систем-2003» (Выставочный комплекс на Красной пресне);

научно-практической конференции-выставки «Триботех 2003» с междуна родным участием» (Выставочный комплекс на Красной пресне);

научно-практической конференции «Инновации в эксплуатации и разви тии инфраструктуры железнодорожного транспорта» (Москва, ВНИИЖТ, 24- июня 2004 г.);

международной научно-технической конференции «Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин, восстановления и упроч нения деталей», (Москва, ГОСНИТИ, 8-9 декабря 2004 г.);

международной научно-технической конференции «Актуальные пробле мы теории и практики современного двигателестроения», (Челябинск, ЮУрГУ 26-28 апреля 2006 г.);

VII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», Гомель, Белоруссия, 2006 г.;

IV Международной научно-практической конференции «Проблемы безо пасности на транспорте», Гомель, Белоруссия, 2007 г.;

VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поез дов», МИИТ, 2007, V-4.

III Международной научно-технической конференции: «Эффективность, надежность и безопасность энергетических установок (Энергоустановки – 2008)», Украина, Севастополь-Батилиман.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 44 научных работах, в том числе в 23 патентах и авторских свидетельствах на изобретения.

Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготов ке студентов по специальности «Локомотивы» Московского государственного университета путей сообщения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы из 180 наименований. Содер жание диссертации изложено на 292 страницах машинописного текста, содер жит 18 таблиц, 74 рисунка, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемых задач, научная но визна разработанных методов, показана практическая значимость полученных результатов и кратко описано содержание диссертации.

Решение проблем, связанных с повышением топливной экономичности и улучшением экологических факторов, потребовало новых подходов, основан ных на улучшении характеристик ЛДВС.

Новые технические решения по вспомогательным установкам локомотивов, повышение экологической безопасности, и топливной экономичности, потребо вало развития микропроцессорных систем управления ЛДВС, в том числе регу лирование органов газораспределения и систем топливоподачи.

В практике отечественного двигателестроения стало активно развиваться новое направление: микропроцессорное управление системами приводов ЛДВС.

Обоснована возможность повышения экономических и экологических по казателей работы ЛДВС за счет применения управляемых приводов газораспре деления.

Первая глава посвящена анализу и перспективам развития приводов ново го поколения для транспортных средств и энергетических установок.

Применительно к автономным локомотивам рассмотрены перспективные направления развития силового привода общего назначения.

Основные тенденции развития гидропривода, следующие:

интенсивное сращивание гидроприводов с цифровыми электронными сис темами управления, применение «интеллектуальных» элементов гидропривода со встроенными микропроцессорами;

повышение рабочего давления (шестеренные и пластинчатые насосы — до 30 МПа, аксиально-поршневые и ролико-лопастные — до 42 МПа, радиально поршневые — до 70 МПа;

расширение номенклатуры в основном в сторону миниатюризации (на пример, у миниатюрной ролико-лопастной гидромашины РЛГ-1 достигнута максимальная частота вращения 30 000 мин-1).

улучшение эксплуатационных показателей;

унификация параметров и размеров (стандарты ISO);

повышение качества на основе сертификации произ водства по ISO 9000 и стандартизации методов испытаний;

повышение безопас ности;

широкое использование компьютерного проектирования и испытаний хорошо идентифицированных компьютерных моделей.

Широкое распространение силового гидропривода объясняется тем, что этот привод обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов ма шин. Говоря о преимуществах гидропривода, следует отметить простоту авто матизации работы гидрофицированных механизмов, возможность автоматиче ского изменения их режимов работы по заданной программе.

В России при участи автора диссертации был создан унифицированный ряд гидравлических ролико-лопастных гидромашин (РЛГ) с техническими парамет рами, соответствующими современному мировому уровню развития. На сего дняшний день они включают 6 базовых моделей из 20 типоразмеров с рабочими объемами от 0,5 до 2000 см3/об. РЛГ предназначены для использования в при водах вспомогательного оборудования локомотивов.

Развитие электроники и микропроцессорной техники привело к существен ному росту возможностей реализуемых алгоритмов и программ, вследствие чего логические свойства бортовых устройств локомотивов мало уступают персо нальным и стационарным компьютерам. К тому же резко возросли показатели надежности электронных устройств и снизилась себестоимость их производства.

В главе рассмотрены некоторые особенности применения силового элек тромагнитного и электрогидравлического проводов.

Во второй главе рассмотрены существующие системы привода клапанов газораспределения транспортных двигателей, дан анализ особенностей приме нения механического привода и регулирования фаз газораспределения. Приве дены результаты конкретных технических решений по совершенствованию ме ханического привода клапанов (МПК) газораспределения современных двигате лей внутреннего сгорания с целью повышения топливной экономичности и на дежности.

Вопросами альтернативного привода газораспределения для ЛДВС занима лись в разное время ученые и специалисты: Бородулин И.П., Васильев В.Н., Ви ноградов А.С., Гриценко Н.Д., Левин Г.И., Маханько М.Г., Третьяков А.П., Ула новский Э.А., Фомин Ю.Я., Фроликов И.И., Хуциев А.И.

Проблему регулирования ФГР при МПК в разное время подробно исследо вали ученые: Аладышкин В.Я., Афанасьев В.Г., Берман А.А., Богачев В.Г., Брат ченко А.В., Глаголев Н.М., Дзецин О.П., Камкин С.В., Лемещенко А.Л., Леонов Д.И., Мороз В.И., Патрахальцев Н.Н., Пыжанкин Г.В., Серафимов Д.Г., Стани славский Л.В., Строков В.Л., Суранов А.В., Тарасов А.М., Толкачев Н.А., Усачев Е.И., Хмельницкий Ю.Н., Хохлов О.И., и другие.

В главе рассмотрены положительные качества и недостатки современного МПК, являющегося основным на транспортных дизелях, в том числе и ЛДВС.

Длительная эксплуатация транспортных дизелей на частичных нагрузках и холостом ходу, то есть при работе на неоптимальных ФГР приводит к увеличе нию забросов газа во впускной ресивер, отложению нагара и, в результате, к пе регреву деталей при переводе двигателя на номинальный режим работы.

Совершенствование МГР является эффективной мерой повышения эконо мичности транспортных дизелей в эксплуатации, на частичных и переходных режимах.

В случае резкого изменения нагрузки необходимо адекватное быстрое из менение «времени-сечения» клапанов газораспределения для обеспечения тре буемого коэффициента избытка воздуха. В этих условиях важнейшим требова нием является согласование характеристик систем топливоподачи, газообмена и наддува.

Качество переходных процессов, протекающих в двигателе, существенно зависит от настройки параметров газообмена. При неустановившихся и частич ных долевых режимах работы ухудшаются все технико-экономические показа тели, связанные с наполнением и очисткой цилиндров.

Перспективные конструкции приводов МГР позволят повысить уровень ав томатизации дизелей. Известно, что наряду с разработкой традиционных задач автоматизации двигателей необходимо развитие работ в новых направлениях, в частности, по оптимизации управления двигателей на эксплуатируемых режи мах и при изменении внешних условий.

По месту расположения регуляторов ФГР можно выделить четыре способа:

расположение регулятора между коленчатым и распределительным валами (обо значение КВРВ);

расположение между распределительным валом и толкателем (РВТОЛ);

расположение на участке от толкателей до клапана (ТОЛКЛ);

рас положение непосредственно в клапане (КЛКЛ).

Выполненные патентно-информационные исследования новых конструк ций механического привода клапанов, показали, что их можно применять для ограниченных целей и задач, не решающих общих проблем повышения топлив ной экономичности во всем диапазоне регулирования и не обеспечивающих же сткие экологические требования.

Эти недостатки, безусловно, являются тормозом дальнейшего развития МПК газораспределения и предопределяют исследования других альтернатив ных типов привода.

В качестве критики традиционного механического привода рассмотрены вопросы влияния неравномерности вращения распределительного вала на ФГР клапанов. Скручивание вала на переходных режимах допускает рассогласование ФГР по крайним цилиндрам многоцилиндрового ЛДВС до 40 п.к.в.

Это положение подтверждено современной системой мониторинга дизелей (СМД), созданной при участии автора диссертации.

В главе приведен анализ существующих схем механизмов с регулировани ем фаз газораспределения. На сегодняшний день ряд ведущих компаний прово дят полномасштабные исследования систем регулирования ФГР и хода клапа нов.

Чаще всего упоминаются системы: VALVETRONIC и «Vanos» (Variable Nockenwellen Steuerung) фирмы BMW;

VVT (Variable Valve Timing) и VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) фирмы Honda;

MIVEC фирмы Mitsubishi;

VVL (Variable Valve Event & Lift System) или (VEL) фирмы Nissan Neo;

VVC (Variable Valve Control) фирмы Rover;

Valvematic компании Toyota и другие.

Рассмотрены некоторые особенности применения этих систем на транс портных ДВС.





Оптимальные ФГР современных двигателей, как правило, определяют экс периментальным путем при комплексной стендовой доводке модели двигателя.

Однако современное развитие микропроцессорной техники позволяет приме нить и расчетные методы ФГР для номинального режима работы, основанные на уравнениях весового, объемного и энергетического баланса газов.

Влияние геометрии органов газообмена и ФГР на показатели транспортных ДВС подробно исследовали ученые: Аладышкин В.Я., Богачев В.Г., Хохлов О.И., Строков В.Л., Толкачев Н.А., Афанасьев В.Г., Серафимов Д.Г., Камкин С.В., Евстифеев Б.В., Лемещенко А.Л., Улановский Э.А., Дзецин О.П., Суранов А.В., Пыжанкин Г.В., Мороз В.И., Братченко А.В., Хмельницкий Ю.Н., Леонов Д.И. и другие.

Были сформулированы общие требования по выбору ФГР для транспортных двигателей любой конфигурации и назначения.

Мотивированные требования для ЛДВС:

регулированию ФГР должна сопутствовать высокая топливная экономич ность при оптимальных величинах «время-сечения» на любых скоростных и на грузочных режимах;

возможность плавного изменения диапазонов регулирования и быстродей ствия движения клапанов при соблюдении устойчивости регулирования;

точность позиционирования и идентичность закона движения КГР по ци линдрам;

стабильность работы и высокие значения моторесурса при различных ско ростных, мощностных и температурных режимах.

Выбор ФГР является сложной технической задачей и зависит от степени форсирования дизеля по давлению наддува, частоты вращения коленчатого ва ла, типа применяемого привода кулачковых валов, выбранных профилей кулач ков и ряда других факторов.

Выполнен анализ влияния выбранных параметров газораспределения на достигнутые технико-экономические показатели основных серий транспортных дизелей. Всего были рассмотрены данные 131 двигателя с наддувом и 67 – без наддува.

Мощностной диапазон для двигателей с наддувом: 50…4110 кВт, для без наддувных: 45…880 кВт. Диапазон частот вращения коленчатого вала для дви гателей с наддувом: 350…2100 мин-1, соответственно для двигателей без надду ва: 230…2400 мин-1.

N e ;

nд ;

Впервые исследованы возможные комбинации из параметров:

g e ;

РS ;

Z ;

Vh, с различными ФГР. Общий диапазон регулирования ФГР по 1 – 29…940 пкв (опережение открытия выпускного двигателям с наддувом:

клапана);

2 – 3…870 пкв (опережение открытия впускного клапана);

3 – 4 – 22..560 пкв (за 8…750 пкв (запаздывание закрытия выпускного клапана):

1 – паздывание закрытия впускного клапана). По двигателям без наддува:

18…600 пкв;

2 – 5…370 пкв;

3 – 5…320 пкв: 1 – 20..500 пкв.

Выполнено сравнение среднеквадратичного отклонения, являющегося ме рой рассеяния для двух переменных, с отклонением для одной переменной.

Использован метод наименьших квадратов, выражающий минимум рас стояния в N-мерном пространстве при эвклидовой метрике N n 1. Где n номер последнего элемента вектора данных:

f Vx Vz n, Vy (1) j j j j полученная фигура представляет собой эллиптический конус или эллиптиче ский параболоид.

При обработке данных, характеризующих существующие дизели, возника ет проблема, связанная с наличием в массиве данных одновременно случайных отклонений от предполагаемой функциональной зависимости и отклонений, обусловленных функциональной зависимостью от некоторых известных или не известных параметров. Известный математический аппарат теории вероятно стей, применяющийся для обработки результатов опытов или наблюдений, не позволяет отделить эти два вида отклонений друг от друга. Если бы число влияющих параметров было бы велико, а их влияние сравнимо и независимо, то обусловленные зависимостью от параметров отклонения подчинялись бы нор мальному закону распределения, однако ни число параметров (например, только два - длина коллекторов и проходные сечения клапанов), ни степень их влияния неизвестны.

Если функция известна, то, применяя к массиву данных обратную функ цию, можно получить данные в форме, пригодной для обработки путем вычис ления коэффициентов корреляции. Если функция неизвестна (имеющийся слу чай), можно, задаваясь различными видами функции, искать максимум коэффи циента корреляции. Однако в этом случае чаще других применяется метод наи меньших квадратов.

В имеющемся случае полученные оценки параметров будут содержать не которую ошибку. Вместе с тем, вид самой функции точно неизвестен и выбира ется на основании ряда предположений, поэтому даже точные значения пара метров не дадут нулевых отклонений. Приходится ввести еще одно допущение – считать ошибку в оценке параметров, обусловленную невыполнением условий, малой в сравнении с ошибкой, обусловленной незнанием точного вида функции.

На рис.1. представлены поверхности второго порядка N e ;

nд и сечения отдельных ФГР.

Поверхности второго порядка N e ;

nд отдельных ФГР Рис.1.

Для 1 - поверхность регулярная. Зависимость нарушается при малых N e, а при больших мощностях имеет форму, значительно отличающуюся от поверх ности второго порядка при среднем значении рассеяния и, соответственно, сильном влиянии прочих факторов.

2 при больших N e имеет форму, отличающуюся от по Зависимость фазы верхности второго порядка. При этом рассеяние по N e и n д очень велико.

Зависимость фазы 3 нарушается при малых N e. Возможно влияние на фазу других не анализируемых факторов.

У фазы 4 рассеяние значительно меньше, чем, например, у фазы 3 Мощ ность и частота вращения являются доминирующими факторами. Однако воз можно сильное влияние на фазу прочих факторов.

Дальнейшие вариационные расчеты показали, что минимальное средне квадратичное отклонение фазы 3 в группе параметров: n д Р Н 0, V h0, 25 со 0, ставляет 6,616, а фазы 4 в группе параметров: nд Р Н 0, 25 0, Vh соответственно 6,717.

Среди выбранных параметров максимальное влияние на выбор ФГР оказы вают n д ;

Р Н и V h.

В третьей главе рассмотрены особенности немеханических типов приво дов клапанов газораспределения.

Наличие гибкого звена между органами газораспределения и коленчатым валом позволяет существенно упростить и повысить эффективность выбора оп тимальных ФГР для транспортного дизеля, а также в условиях стендовых испы таний на дизелестроительных заводах точнее проводить выбор эксплуатацион ных фаз.

На рис.2. представлена классификация альтернативных механизмов газо распределения транспортных двигателей. Кроме этого существуют небольшие группы МПК с пневмо-, гидро- и электромагнитными элементами.

Проблемами создания систем альтернативного привода сегодня занимают ся около шестидесяти двигателестроительных фирм, в том числе ведущие в этой области: Alstom Engines Ltd., Cummins Engine Co., Daimler Chrysler Ag, Detroit Diesel Co., Honda Power Equipment, Iveco SPA, MAN, B&W Diesel AG, MTU Friedrichshafen GmBH, MAK Motoren GmBH & Co KG, Farymann Diesel GmBH, Perkins Engines Co., Peugeot Citroёn Moteurs SA, Rolls-Royce PLC, Caterpillar Overseas S.A, Detroit Diesel Co., SEMT Pielstick SA, Volkswagen AG, AB Volvo Penta, IVECO SPA, Scania, Wartsila NSD Co.

Относительно ЛДВС в России известны исследования, проводимые ОАО «Коломенский завод» и ВНИКТИ (г. Коломна).

Перечисленные типы приводов, в свою очередь, отличаются конструкцией органов газораспределения, возможностью изменения моментов открытия и по садки клапанов в зависимости от эксплуатируемого режима ЛДВС.

Классификация альтернативных механизмов газораспределения транспортных двигателей Рис.2.

В четвертой главе приведены уточненные методы расчета газообмена ЛДВС и альтернативных немеханических типов привода клапанов газораспреде ления газообмена ЛДВС с использованием математических моделей.

Расчет оптимальных ФГР при создании систем автоматического управления клапанами газораспределения с ЭМПК или ЭГПК должен базироваться на ма тематической модели процессов газообмена. Однако до настоящего времени ма тематические модели строились с использованием многочисленных допущений ввиду чрезвычайной сложности задачи. В частности, не учитывались некоторые термодинамические эффекты при продувке, локальные изменения свойств газов и т.д.

Составлена уточненная математическая модель, учитывающая все основ ные явления, происходящие при газообмене. Общий вид объединенной укруп ненной блок-схемы математической модели расчета газообмена ЛДВС и аль тернативных немеханических типов привода клапанов газораспределения пред ставлен на рис.3.

Общая структура математической модели газообмена для оптимизации ФГР при различных типах привода рр р д 2 P, nд, Параметры Параметры V, N e, рабочего тела в работы T, P S, цилиндре двигателя m BЧ Параметры процесса газообмена 1, x, Уравнение Расчетные фазы 2, Коэф. наполнения, v v, движения газораспределения 3, Коэф. остат. газов, r F клапана Текущие Р и Т 4, ЭМПК ЭГПК Уравнение U, P, привода i Q Энергетические Рпотр показатели 5 привода Закон tвкл управления tвыкл приводом Рис.3.

Содержание структуры математической модели Входные параметры – фиксированные и управляющие 1. Блок задания параметров работы ДВС.

2. Блок расчета параметров рабочего тела в зависимости от времени и угла пкв. Используются методы Гриневецкого-Майзинга с уточнением кафедры ДВС МВТУ.

3. Блок уравнения движения клапана. Учитываются все силы, приложенные к КГР: силы давления газов по обе стороны тарелки клапана, силы инерции, си лы упругости возвратных пружин, и электромагнитная сила приводного силово го ЭМ. Трением в направляющих пренебрегают, а демпфирование учтено кос венно через электромагнитные процессы.

4. Блок уравнения привода. Содержание блока зависит от типа привода. Для ЭМПК используются в качестве переменных – напряжение на обмотке и сила тока в обмотке. Для ЭГПК – давление в силовом ГЦ и других точках системы, и расход жидкости в трубопроводах. Давления и расходы являются функциями не только времени, но и координат вдоль трубопроводов.

5. Блок задания закона управления приводом. Задается закон управляющего воздействия (Закон подачи напряжения на силовой ЭМ или закон перемещения ЗО ЭГК).

Выходные параметры:

6. Целевые (расчетные ФГР).

7. Дополнительные параметры процессов газообмена.

8. Дополнительные параметры - энергетические показатели привода: по требляемая приводом мощность и КПД.

Составлена математическая модель, наиболее полно учитывающая основ ные явления, происходящие при газообмене и регулировании внутренних ФГР.

Процесс газообмена рассматриваем как процесс перетекания газов в систе ме из нескольких резервуаров, связанных трубопроводами, причем начальные давления (а также некоторые другие параметры) различны.

Схема моделирования процессов продувки представлена на рис.4.

Схема моделирования процессов продувки m2 m02 m32 m m03 m m3 m03 m32 m1 m01 m Рис.4.

Здесь решена задача для трех резервуаров, каковыми являются впускной коллектор (индекс 3), пространство цилиндра (индекс 2) и выпускной коллектор (индекс1).

Исследования показали, что если продувка начинается и заканчивается при одном и том же объеме, то суммарная энергия системы не изменится, по какому бы закону не менялся объем между начальной и конечной точками.

Вместе с тем, распределение энергии между элементами системы, и, преж де всего температура и давление в цилиндре от изменения объема будут зави сеть весьма существенно.

Полученная система содержит пять дифференциальных уравнений – три уравнения сохранения энергии:

c p T2 dm 21 d ( m1 cV T1 ) c p T3 dm 32 c p T2 dm 21 d ( m 2 cV T2 ) (2) c p T3 dm 32 d ( m 3 cV T3 ) и два уравнения с шестью неизвестными функциями – температурами и массами рабочего тела:

dm21 G21 t, p2, p1, m2,V2 dt (3, 4) dm32 G32 (t, p3, p2, m3,V3 ) dt ;

Система замыкается шестым уравнением – законом сохранения массы:

m01 m02 m03 m1 m2 m3 (5) Далее, при объединении уравнений получаем глобальную систему уравне ний газообмена (6):

dT T S (t ) m 2 m T V (t ) 2 k Rг 1 T2 3 2 k 1 21 1 1 k 1 m 2 T2 V dt T 2 V 2 ( t ) m T 2 m 3 S 32 ( t ) m 2 T2 V dT 2 2 k Rг dt T3 k T m V k 1 m 3 T3 V 2 ( t ) 2 T 3 2 k 1 S 21 ( t ) 2 k R г m1 T1 V 2 ( t ) T R d (ln V ( t )) г 2 2 k 1 m 2 T 2 V V 2 (t ) (6) dT m 2 T2 V 2 k Rг S (t ) 3 T3 3 2 ( k 1) 32 k 1 m 3 T3 V 2 ( t ) dt V dm1 m T V (t ) 2 k R г T m 1 1 S 21 ( t ) k 1 m 2 T 2 V dt V2 (t ) dm 2 S ( t ) m 3 2 k R г T3 m 2 T2 V dt k 1 m 3 T3 V 2 ( t ) V m T V (t ) 2 k R г T m S 21 ( t ) 1 1 k 1 m 2 T2 V V2 (t ) dm 3 m 2 T2 V 2 k R г T m S 32 ( t ) 3 k 1 m 3 T3 V 2 ( t ) dt V Необходимо отметить, что некоторые из известных к настоящему времени методик расчета процессов газообмена являются частными случаями системы глобальных уравнений (6).

Расчеты позволяют точно вычислять коэффициент наполнения и индика торную мощность двигателя при регулировании ФГР, а также определить пря мые затраты энергии на альтернативный немеханический привод клапанов газо распределения.

Расчет электромагнитного привода КГР Предложены теоретические исследования ЭМПК газораспределения. Имен но ЭМПК может решить все существующие проблемы регулирования ФГР в ши роком диапазоне. Кроме того, при ЭМПК реализуются оптимальные энергетиче ские и экологические показатели дизеля при любых режимах работы.

ЭМПК включает два основных элемента - блок формирования импульсов и исполнительный узел. БФИ представляет собой электронную систему, выпол ненную на аналоговых или цифровых полупроводниковых элементах и предна значенную для получения импульсов определенной формы, величины и продол жительности в зависимости от параметров, по которым производится регулиро вание ФГР или закона движения клапанов.

Так как ЭМПК является силовым, то необходимо обеспечить требуемый за кон движения якоря, определяемый законом перемещения клапанов газораспре деления. Учитывая специфику работы ЭМПК, в частности, необходимость обес печения полного выхода клапанов для большинства двигателей на 10-25 мм, проектирование силовых электромагнитов является сложной задачей.

Расчет выполнен для выпускного клапана, который работает в наиболее тя желых условиях. В этом случае ЭМПК необходимо рассчитывать на значитель ное противодавление газа в начальный момент открытия. На основании этого создана математическая модель, которая учитывала все основные влияющие факторы.

Основная зависимость для рассматриваемой системы:

d m 2 x t F ЭМ х t,i p t S 0 k ПР х t x 0 (7) dt - масса всех подвижных деталей системы, кг;

x t - перемещение m где i - ток в об клапана, м;

F ЭМ - сила, действующая на якорь электромагнита, Н;

мотке электромагнита, А;

p - перепад давлений по обе стороны тарелки кла пана, Па;

S 0 - площадь тарелки клапана, м2;

k ПР - жёсткость возвратной пру x 0 - предварительная затяжка пружины, мм.

жины, Н/м;

Для ЭМПК наибольшее значение отводится расчету электрической части привода.

Уравнение электрического состояния цепи:

d d d L x x t i t L x t i t u i t r (8) dt dt dt Для расчета перепада давлений внутри цилиндра и в выпускном патрубке, использовано интегральное уравнение неразрывности газового потока.

k p 1 t M V Ц 2 k p M р К pК k t 2 k m 0 - S КЛ х p t dt (9) k 1 R T1 р 1 t R T Пользуясь теоремой о дифференцируемости определённого интеграла с пе ременным верхним пределом и после преобразований выражение будет иметь вид:

Для нахождения параметров движения клапана сопутствующие уравнения были решены методом Рунге-Кутта с фиксированным шагом:

Система уравнений имеет вид:

dx dt v 1 wi dv ( x) p pк s0 Fсопр v, s dt m 2 dp sкл x p R T1 pк р Vц t dt (10) M di dt w2 x u iw x v r 1 x v – скорость движения клапан;

p – давле где – перемещение клапана;

ние газов в цилиндре;

I – ток в обмотке силового электромагнита.

Математическая модель позволяет определять влияние свыше 30 различных конструктивных и режимных параметров на мощностные и экономические пока затели ЭМПК.

На рис.5 и 6. представлены результаты расчета хода клапана при изменении W обмотки силового электромагнит и максимального подъема числа витков клапана h кл.

Здесь расчетные параметры:

hкл, мм - высота подъема клапана dпр, мм - диаметр обмоточного провода 1, п.к.в. - фаза опережения открытия выпускного клапана 3, 0п.к.в. - фаза запаздывания закрытия выпускного клапана Е, Дж - потребляемая выпускным клапаном электроэнергия РСР, Вт - средняя потребляемая мощность СЭ Imax, А - максимальный ток СЭ Рmax, Вт - максимальная мощность, потребляемая СЭ ЭМ, % - КПД СЭ привода выпускного клапана Результаты расчета хода клапана при изменении числа витков W обмотки Регулирование W в сторону уменьшения:

nд=1000 мин-1;

hкл=22 мм;

0.025 X. w=300 вит;

dпр=2,8 мм;

tп t 0. 1=500 п.к.в.;

3=350 п.к.в 0. 2 ( t) 0. Результат '' ( t) Е = 768,9 Дж;

РСР = 6410 Вт;

0. Imax = 199,6 А;

Рmax = 21960 Вт;

ЭМ= 86,1 %.005 0. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0. 0 t Регулирование W в сторону увеличения:

nд=1000 мин-1;

hкл=22 мм;

0.025 X. w=700 вит;

dпр=2,8 мм;

tп t 0. 1=500 п.к.в.;

3=350 п.к.в 0. x2 ( t) 0. Результат x'' ( t) Е = 805,9 Дж;

РСР= 6720 Вт;

0. Imax= 90,0 А;

Рmax= 9904 Вт;

ЭМ= 90,6 %.005 0. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0. 0 t Рис.5.

Результаты расчета хода клапана при изменении максимального подъема hкл Регулирование hкл в сторону увеличения:

nд=1000 мин-1;

hкл=22 мм;

0.025 X 0. w=500 вит;

dпр=2,8 мм;

tп t 0. 1=500 п.к.в.;

3=350 п.к.в 0. x2 ( t ) 0. Результат x'' ( t ) Е = 756,1 Дж;

РСР = 6300 Вт;

0. Imax = 123,8 А;

Рmax = 13620 Вт;

ЭМ = 88,7 % 0.005 0. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0. 0 t Регулирование hкл в сторону уменьшения:

nд=1000 мин-1;

hкл=12 мм;

0. 0. w=500 вит;

dпр=2,8 мм;

tп t 0. 1=500 п.к.в.;

3=350 п.к.в 0. x2 ( t) 0. Результат x'' ( t) Е = 790,0 Дж;

РСР = 6580 Вт;

0. Imax = 134,8 А;

Рmax = 14820 Вт;

ЭМ = 85,5 % 0.005 0. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.

0 t Рис.6.

Разработанная модель позволяет определять оптимальные конструктивные и технологические параметры ЭМПК газораспределения для ЛДВС, различных мощностных и скоростных градаций.

Расчет электрогидравлического привода КГР При ЭГПК обобщаются достоинства гидравлического и электромагнитного способов управления по требуемому быстродействию и возможности регулиро вания ФГР (или закона движения) клапанов.

ЭГПК обладает рядом преимуществ, по сравнению с рассмотренными ра нее типами приводов и, в частности, быстродействием, необходимым для каче ственного протекания рабочего процесса двигателей (особенно быстроходных);

малой массой возвратно-движущихся частей, возможностью регулирования ФГР в широком диапазоне;

увеличением «времени-сечения» клапанов при не изменных ФГР.

Особую сложность представляет класс задач, в которых система ЭГПК должна функционировать в изменяющейся эксплуатационной среде. Были ре шены задачи управления ЭГПК в различных нестационарных условиях, а ис пользование динамических моделей позволило не только определять фактиче ские траектории движения, но и анализировать некоторые не типичные случаи изменения выходных параметров.

Затем выполнено аналитическое исследование влияния конструктивных параметров гидравлической части ЭГПК на характер движения клапана. Мето дика базируется на основе статического метода расчета с учетом сжимаемости рабочей жидкости. Расчетные схемы ЭГПК представлены на рис.7.

Расчет гидравлической части привода выполнен для участков открытия и закрытия клапана газораспределения.

В данном теоретическом исследовании оценивалось влияние на характери f 2 ;

f др ] - эффектив стики срабатывания КГР следующих параметров: [ f 1 ;

ное проходное сечение соответственно на входе, выходе ЭГК и дросселя;

d Тр внутренний диаметр соединительного трубопровода;

( d п ) - диаметр плунжера СГЦ;

р ак - давление в гидравлическом аккумуляторе;

m - масса комплекта кла пана газораспределения;

y кл - текущий ход клапана газораспределения;

к - же сткость клапанных пружин;

ку 0 - начальная затяжка клапанных пружин;

t э ;

и t п - период движения ЗО под действием соответственно электромагнита и пружины;

а - скорость распространения волн давления;

- плотность рабочей k l жидкости и е a - коэффициент, учитывающий затухание волн давления вслед ствие гидравлического сопротивления трубопровода.

Для принятой основной схемы (см. рис.8, г) получены уравнения мгновен ных балансов жидкости для полостей запорного органа (ЗО) и силового гидро цилиндра (СГЦ), а также уравнения динамики для движущихся частей системы (11-13).

Расчетные схемы и реальные конструкции ЭГПК двигателя а) Схема с одним ЗО б) Схема с двумя ЗО в) Схема с двумя ЗО и байпасным ка- г) Основная схема ЭГПК с двумя ЗО налом Рис.7.

dР зо 2 f 1 Р ак Р зо f др (11) V зо Р зо Р ц dt dРц 2 dх f др Vц Рзо Рц f п (12) dt dt d 2х mкл 2 Рц f п к1 х0 к1 х mкл g (13) dt Уравнение (11) описывает мгновенный баланс рабочей жидкости в полости ЗО. Первый член уравнения характеризует количество жидкости, остающегося в объеме Vзо в сжатом состоянии, второй - объемную скорость перетекания жид кости через проходную площадь на входе в ЗО, третий – объемную скорость перетекания жидкости через проходную площадь дросселя из ЗО в СГЦ.

Уравнение (12) описывает мгновенный баланс рабочей жидкости в полости СГЦ. Первый член уравнения характеризует количество рабочей жидкости, ос тающегося в объеме Vц в сжатом состоянии, второй - объемную скорость пере текания жидкости через проходную площадь дросселя из ЗО в ГЦ, третий - оп ределяет скорость заполнения объема, освобождаемого плунжером ГЦ при его движении.

Уравнение (13) описывает процесс движения системы плунжер СГЦ – кла пан. Первый член этого уравнения характеризует силы инерции плунжера СГЦ и движущихся с ним частей, второй - силы давления жидкости, действующие на плунжер, третий - силы начальной затяжки пружины клапана, четвертый - силы сжимающейся пружины клапана, пятый - массу движущихся частей.

Величины давлений в СГЦ и ЗО определены уравнениями:

f 1 2 ср ср Vзо 2Ра Рзо Рзо Рзо Рзо Рц Рзо Рзо Рц f др f др t 2 2 (14) 2 f 1 ср Vзо Рзо Рзо Рср 2Ра Рзо Рзо f др t и 2 fп2 ср ср Vц.ср ср Рц Рц х х Рзо Рц Рц Р зо f f 2 2 др t др t (15) 2 ср Vц.ср fп ср Рц Рц х х f 2 др t На рис.8 представлены зависимости изменения времени движения КГР при открытии ( t o ) и закрытия ( t з ), а также скорости его движения в конце подъема ( сo ) и при посадке ( с з ) от каждого из параметров гидромеханической части привода.

а) Влияние f 2 на характеристики б) Влияние f др на характеристики срабатывания привода срабатывания привода Рис.8.

Здесь отмечено, что при возрастании f 2 с 0,3 до 5 мм2 величина t o уменьшается с 9,8 до 8,3 мс. Такое уменьшение времени объясняется тем, что с f 2 период трогания КГР увеличивается с 0,76 до 4,7 мс (при не возрастанием изменном периоде движения ЗО t э 6 мс). В этом случае период движения f 2 0 увеличивается, что уменьшает время открытия. Однако, клапана при f 2 практически не влияет на величину со.

Время закрытия КГР t З с ростом f 2 уменьшается с 30,5 до 6,1 мс, что объясняется увеличением расхода жидкости на слив из полости ЭГК.

Скорость посадки клапана с З возрастает с 0,32 до 4,2 м/с, причем при f 2 1,5... 2 мм2 темп роста с З уменьшается.

С возрастанием f др с 0,4 до 10 мм2 величины t о и t З снижаются, соответ ственно с 16,9 до 9,5 и с 22,8 до 11,1 мс. Это объясняется уменьшением гидрав лического сопротивления перетеканию рабочей жидкости из полости ЭГК с f др 2...2,5 мм2 изменение времени сра СГЦ и наоборот. Отметим, что при батывания привода незначительно.

f др cо cЗ Величины и с возрастанием увеличиваются. При f др 2...2,5 мм2 изменение их также незначительно. Таким образом, регули руя величину f др, можно изменять как время срабатывания привода, так и скорость посадки клапана.

При возрастании d Тр с 1 до 4 мм время срабатывания привода t о уменьша ется с 14,9 до 9,3 мс, а при d Тр 4 мм практически постоянно. Величина cо возрастает с 1,1 до 2,1 м/с, причем, начиная с диаметра d Тр 3,5 мм она неиз менна. Это объясняется тем, что при малых диаметрах трубопровода возрастает гидравлическое сопротивление и меньшее количество рабочей жидкости посту пает в полость ЭГК. Диаметр трубопровода практически не оказывает влияния на параметры t З и c З поскольку с момента закрытия ЗО ЭГК ( f1 0 ) в со единительном трубопроводе между СГЦ и ЭКГ происходят независимые от ЭГК процессы.

На реальном двигателе необходимо величину d Тр выбирать из расчета:

d Тр 10... 15 f1.

f Тр (16) Увеличение диаметра плунжера приводит к тому, что движение КГР начи нается при малых значениях давления в СГЦ ( рц ). С целью снижения времени открытия и закрытия КГР диаметр плунжера СГЦ целесообразно выбирать близким к предельному значению.

С увеличением давления рак с 10 до 40 МПа время открытия t о снижается, а скорость со возрастает. Такой характер изменения величин объясняется тем, что с ростом давления рабочей жидкости в аккумуляторе увеличивается сила давления на плунжер СГЦ со стороны рабочей жидкости. Причем, наиболее сильное влияние величина давления оказывает на t о при р ак 20... 25 МПа.

4 k y0 k y кл m g При р ак 6,35 МПа клапан полностью не откры d п вается. Таким образом, целесообразным интервалом изменения давления рабо чей жидкости является 10…25 МПа.

С увеличением массы m с 0,1 до 16 кг время срабатывания t о и t З возрас тают. Это происходит из-за инерционности системы. При малых массах процесс движения КГР заканчивается до момента достижения скоростью своего макси мального значения. Ускорения движения при этом положительны, поэтому с ростом массы до 1 кг, скорости со и с З растут. При m 1 кг из-за возросшей инерционности системы остановка КГР происходит после достижения скоро стями своего максимального значения, то есть при отрицательных ускорениях, в результате чего скорости со и с З уменьшаются.

С увеличением хода клапана y кл величины t о и t З возрастают, причем по законам, близким к линейному, практически во всем диапазоне изменения хода клапана. Закрытие клапана определяется, в основном, воздействием сил упруго сти пружин, которые возрастают пропорционально величине хода клапана, по этому t З растет линейно с увеличением y кл. Скорость посадки клапана практи чески постоянна, так как определяется силой начальной затяжки пружин и не зависит от y кл.

С возрастанием численных значений жесткости ( к ) и начальной затяжки ку 0 комплекта пружин t о и c з увеличиваются, а t з и c0 уменьшаются. Рост сил упругости клапанных пружин ускоряет закрытие клапана и замедляет его открытие. Это объясняется тем, что сила ку 0 воздействует на клапан с посто янной величиной, а сила ку изменяется пропорционально ходу клапана.

Увеличение времени движения ЗО с 0,1 до 16 мс приводит к возрастанию соответствующего периода срабатывания привода t з и t п.

Это позволяет в определенных пределах независимо друг от друга изменять время срабатывания привода как при открытии, так и при закрытии, выбором параметров ЭГК.

Проведенные расчеты показали, что величина ( а ) не оказывает влияния на характеристики срабатывания привода. Увеличение плотности с 600 до кг/м3 приводит к возрастанию времени t о с 8,5 до 10,1 мс и t з - с 9,6 до 12,5 мс.

Это объясняется уменьшением расхода рабочей жидкости через проходные сечения ЭГК и СГЦ, обратно пропорционального квадратному корню их вели чины.

Этот фактор оказывает постоянное воздействие на процесс движения кла пана, поэтому величины со и с З уменьшаются с ростом плотности.

k l Влияние коэффициента е a существенно только в период открытия кла пана, так как подавляющая часть времени посадки его происходит после пере крытия нагнетательной магистрали ЗО.

k l Падение величины t о с ростом е a происходит за счет увеличения давле k l ния р t,0, которое при е 1 будет равно р ак.

a Это приводит к возрастанию расхода рабочей жидкости через эффективное проходное сечение f1 и величины давления рц. Таким образом, при проекти ровании систем ЭГПК необходимо стремиться к уменьшению длины нагнета тельного трубопровода.

Анализ зависимостей, указывает на качественные закономерности измене ния характеристик срабатывания привода, которые справедливы для различных типов двигателей. Это позволяет выбирать параметры гидромеханической части ЭГПК путем проведения расчетов по предлагаемой методике.

Правильность выбора параметров для конкретного двигателя должна быть проверена расчетом по методике, учитывающей сжимаемость рабочей жидко сти. Это связано с влиянием величины объемов полостей ЭГК и СГЦ на время задержки трогания КГР. В том случае, если расчеты ведутся по методике без учета сжимаемости жидкости, погрешность в определении рассмотренных ве личин достигает 200…300%. Методика расчета, учитывающая сжимаемость да ет возможность рассчитать конструктивные схемы, позволяющие снижать ско рость посадки и регулировать ход КГР. Одновременно появляется возможность точнее выбирать характеристики этих устройств.

Разработана методика и на ее основе математическая модель влияния па раметров газообмена с новым типом привода на показатели работы ЛДВС. Реа лизация модели выполнена в пакете Mathcad.

По результатам проведенных теоретических исследований сформулирова ны общие требования регулирования среднего проходного сечения клапанов га зораспределения:

регулированию ФГР должна сопутствовать высокая топливная экономич ность при оптимальных величинах «времени-сечения» на любых скоростных и нагрузочных режимах;

возможность плавного изменения диапазонов регулирования и быстро действия движения клапанов при соблюдении устойчивости регулирования;

точность позиционирования и идентичность закона движения КГР по ци линдрам;

стабильность работы и высокие значения моторесурса при различных ско ростных, мощностных и температурных режимах.

Скоростные и нагрузочные режимы тепловозных двигателей охватывают весьма широкий нагрузочно-скоростной диапазон, что отражается на средне взвешенном эксплуатационном расходе топлива, интенсивности износа ряда де талей и, следовательно, моторесурсе работы дизеля. Неустановившиеся режимы, характеризуемые одновременным или неодновременным изменением нагрузки, частоты вращения коленчатого вала и теплового состояния, являются основны ми режимами ЛДВС и, поэтому эффективность именно этих режимов, в значи тельной степени будет определять эксплуатационную экономичность.

В МИИТе на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» в течение многих лет изучались вопросы регулирования ЛДВС изменением ФГР и отклю чения части цилиндров.

Теоретические исследования и проверка сходимости результатов проводи лись на стенде тепловозного дизеля ЧН26/26 и малоразмерном дизеле типа 2Ч10,5/12 (Д21А).

Расчетная диаграмма «время-сечение» клапанов дизеля фактически состоит из пяти участков, соответствующих следующим процессам: свободного и при нудительного выпуска, продувки, наполнения цилиндра и дозарядки.

Для дизеля ЧН26/26 имеем:

- время свободного выпуска: св.вып 9,16 nд ;

- время продувки цилиндра: пр 14,67 nд 1 ;

- время дозарядки цилиндра: доз 4,5 nд 1.

Общее время открытия выпускного и впускного клапанов определяется по формуле: вып вп 44,1 nд 1.

Для улучшения показателей газообмена дизеля целесообразно осуществ лять регулирование среднего проходного сечения клапанов с выполнением ус ловия постоянства f ср d или уменьшения при снижении частоты враще ния.

Зависимость f ср от величины параметров «время-сечение» клапанов газо распределения дизелей зависит от значения максимального проходного сечения f max и вычисляется по формуле:

1 f f max f o з 180 max max f ср 2 k tg k tg (16) 180 и – углы наклона переднего и заднего фронтов линии хода кла где пана;

0 и з – фазы соответственно открытия и закрытия клапана;

k – коэффициент согласования параметров.

При этом характер изменения f ср при регулировании наклона фронтов за висит от абсолютной величины угла: при меньших абсолютных значениях изме нение угла наклона в большей степени сказывается на величине среднего про ходного сечения.

Таким образом, для эффективного регулирования среднего проходного се чения клапанов в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля следует на холостом ходу и малых нагрузках изменять угла наклона вет вей подъема и посадки клапанов, а на средних и номинальных режимах - пере ходить к регулированию проходного сечения с помощью изменения ФГР.

Особенности регулирования эффективного проходного сечения КГР рас смотрены на примере основных характеристик ЛДВС. На рис.9.показана из вестная зависимость N e f nд.

Особенность регулирования эффективного проходного сечения клапанов газораспределения транспортного двигателя при работе на основных характеристиках Рис.9.

Здесь изображены характеристики: 1 - холостого хода;

2 – нагрузочная;

3 – внешняя;

4 – ограничительная;

5 – генераторная (тепловозная);

6 - экономиче ская. -коэффициент избытка воздуха, m - коэффициент пропорционально сти.

Здесь же на характеристику N e f nд схематично нанесены графики hкл f 0 п.к.в. при возможности оперативного регулирования углов наклона линий подъема и опускания и ФГР. В соответствии с результатами расчетов ми нимальное проходное сечение устанавливается при минимальной частоте вра щения коленчатого вала ( f кл 360 m мм2). С увеличением nд величина min незначительно снижается, что требует небольшого увеличения количества воз духа, поступающего в цилиндры при одинаковом проходном сечении выпуск ных клапанов.

На линии холостого хода проходное сечение постепенно увеличивается до величины ( f кл. хх 1980 m ), путем увеличения углов наклона ветвей подъема и max опускания клапанов при неизменных ФГР. Сами фазы на линии холостого хода не развиты, целесообразно держать их в районе мертвых точек, без опережения и запаздывания.

При нагружении двигателя по нагрузочной характеристике и на начальном этапе резко с 10 до 4 уменьшается коэффициент, что требует адекватного увеличения средних проходных сечений). На начальном этапе ход клапанов достигает максимального значения в 22 мм. Дальнейшее увеличение мощности приводит к переходу от треугольной формы зависимости hкл f п.к.в. к тра пецеидальной при увеличении углов наклона ветвей подъема и опускания кла панов. Начиная с 2,7 впервые происходит увеличение ФГР. Одновременное увеличение углов наклона ветвей подъема и опускания клапанов и ФГР продол жается до точки номинального режима. В этой точке углы достигают предель ных значений (для данного примера для выпускного клапана f кл 2750 m и вып для впускного - f кл 2585 m ) вп Следует учитывать влияние температуры надувочного воздуха и контроли и i. В зоне малых коэффициентов избытка возду ровать связь параметров ха, где наблюдается его нехватка, повышение улучшает рабочий процесс.

Переход на работу по ограничительной характеристике требует использо вания предельных величин проходных сечений КГР с дополнительным контро лем газодинамической характеристики дизеля, плотности воздуха в ресивере и nд. На ограничительной линии углы по-прежнему предельные, ФГР макси мальные (в данном примере для обоих клапанов f кл f кл 2915 m ).

вып вп Пользуясь полученными выражениями, оценивалось влияние изменения среднего проходного сечения при использовании ЭГПК на мощностные показа тели дизеля. Оптимальными эксплуатационными ФГР являются такие, при ко торых реализуется минимальный среднеэксплуатационный расход топлива.

Алгоритм регулирования f ср зависит от характеристик ДВС, его назначе ния, быстроходности и относительного времени работы по диапазонам, в том числе на холостом ходу при минимальной частоте вращения коленчатого вала и на номинальном режиме.

Одновременное изменение величины f ср регулированием хода клапанов и ФГР обеспечивает интенсивную турбулизацию заряда, что особенно важно на номинальном режиме работы ДВС.

На рис.10 дана зависимость ge f nд дизеля 1А-5Д49. Анализ показыва ет, что с увеличением частоты вращения коленчатого вала, наибольший эффект можно получить при плавном увеличении фазы с 300 до 56,5 п.к.в.

Применение регулирования ФГР позволяет увеличить величину крутящего момента на 25…30 %, а при номинальной частоте вращения - до 5 %.

Зависимость ge f nд дизеля 1А-5Д49.

Рис.10.

При регулировании других ФГР необходимо учитывать их взаимное дейст вие. Особенно фаз 2 и 3, прямо влияющих на качество продувки. Явление за броса газов в этот момент характерно для двигателей Д49 при малых частотах вращения коленчатого вала и развитых внутренних ФГР.

Непрерывное регулирование всех ФГР дизелей типа ЧН 26/26 обеспечит снижение среднеэксплуатационного расхода топлива тепловозами не менее чем на 6…12%.

В пятой главе приведены результаты исследований и эксплуатационных испытания экспериментальных и опытных образцов альтернативных механизмов газораспределения на безмоторных и моторных стендах.

Экспериментальные исследования электромагнитного привода КГР Экспериментальные исследования ЭМПК на транспортных двигателях про водили специалисты кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТа.

Привод длительное время испытывался на безмоторных стендах ЧН12/14 и ЧН26/26. На рис.11. приведены некоторые осциллограммы ЭМПК безмоторного стенда дизеля ЧН 26/26.

Для дизелей типа ЧН 26/26 ЭМПК должен удовлетворять следующим тре бованиям:

подъем (посадка) впускного клапана не более 1160 п.к.в. или при номи нальной частоте вращения коленчатого вала, время подъема (посадки) не более 19,3 мс;

подъем (посадка) выпускного клапана не более 1340 п.к.в., соответственно время подъема (посадки) не более 22,3 мс;

скорость в момент посадки клапана должна быть не выше 0,5…0,6 м/с.

Осциллограммы ЭМПК безмоторного стенда дизеля ЧН 26/ Влияние изменения емкости форсирующего конденсатора Влияние числа витков обмотки электромагнита Рис.11.

Испытаниям подвергались конструкции с одним и двумя силовыми элек тромагнитами. При испытаниях ЭМПК исследовалось влияние на диаграмму движения клапана: длительности управляющего импульса, уровня форсирую щего напряжения и величины емкости форсирующего конденсатора, числа вит ков обмоток электромагнитов, наличие дополнительного импульса тока через обмотку электромагнита перед посадкой клапана, длительности интервала меж ду импульсами, подаваемыми на обмотку верхнего и нижнего электромагнитов, величины зазоров в магнитопроводе системы, характеристик пружин и других параметров.

Практическое сравнение двух типов ЭМПК с одним и двумя электромагни тами показало, что привод с двумя электромагнитами в целом имеет несколько лучшие характеристики, чем вариант с одним электромагнитом.

Хотя ЭМПК в традиционном виде является привлекательным техническим решением, его широкое применение представляется проблематичным. Необхо димость охлаждения электромагнитов, а главное - высокая стоимость, вызывают сомнения в практической ценности идеи традиционного ЭМПК.

Эффективным направлением можно считать создание электромагнитного привода на основе импульсного линейного двигателя (ИЛД) в различных его модификациях. ИЛД улучшает энергетические и экологические показатели ЛДВС при любых режимах работы, позволяет без малейших затруднений ревер сировать двигатель, осуществлять декомпрессию при пуске, конвертировать ЛДВС в поршневой компрессор и др. Обладает рядом преимуществ, заключаю щихся в повышенном быстродействии и высоких до 87% КПД на всех режимах работы ЛДВС.

Линейный двигатель рассчитывается на питающее напряжение 110 В посто янного тока, так как такое напряжение вырабатывает стартер-генератор тепло воза. Мгновенное значение силы тока для приведения клапана в движение со ставляет 1000 А, однако среднее значение тока в процессе работы ИЛД состав ляет только 20 А. Следовательно средняя потребляемая мощность составляет 2, кВт.

Разработана схема подключения IGBT-транзисторов, которая составлена с учетом порядка срабатывания клапанов ЛДВС с числом цилиндров 8…16.

Макет ИЛД для ЭМПК показан на рис.12. Конструкция позволяет исследо вать характеристики ИЛД постоянного тока и предложить способы управления.

Схема макета ИЛД для привода клапанов газораспределения Рис.12.

Здесь: 1 – основание;

2 – опоры;

3- якорь;

4 – обмотки якоря;

5 – распорная пластина;

6 – статоры;

7 – шток.

Габаритные размеры макета ИЛД соответствуют габаритным размерам при вода ЛДВС типа ЧН 26/26.

Экспериментальные исследования электрогидравлического привода КГР Приведены схемные решения и результаты экспериментальных исследова ний ЭГПК применительно к транспортным дизелям.

На рис.13. представлена зависимость давления сжатия РС от фазы 4, при различной частоте вращения коленчатого вала nд дизеля 2Ч10,5/12 (Д21А).

Заштрихована зона возможного регулирования фазы 4, а линия 1 – эко номичное регулирование этой фазы. Выделена базовая фаза 4 для этого двига теля – 400 п.к.в.

Интерес представляет район фазы 4 = – 80 п.к.в. при которой на любой частоте n д от 600 до 1600 мин-1 давление постоянно PC =2,15 МПа.

На малой частоте вращения коленчатого вала доминируют потери на такте сжатия после закрытия клапана, а при больших частотах – появляется эффект обратного выброса заряда до закрытия клапана.

Зависимость давления сжатия PC от фазы 4 запаздывания закрытия впускного клапана и частоты вращения коленчатого вала n д дизеля Д21А Рис.13.

Регулирование фазы осуществлялось дискретно в диапазоне (–15…+ n д давление сжатия увеличивается на всех фазах, кро п.к.в.). При увеличении ме участка в диапазоне 4 = –15…00 п.к.в., когда наблюдается ухудшение на полнения цилиндра воздухом.

Увеличение фазы более 400 п.к.в. при n д =1450…1800 мин-1 повышает дав ление сжатия на 4,3%. В свою очередь, уменьшение этой фазы, при n д =1000…500 мин-1 повышает PC на 8%, что приводит к увеличению коэф фициента избытка воздуха и повышению среднего индикаторного давления.

Анализ этой зависимости позволяет косвенно оценить степень наполнения цилиндра воздухом на различных n д при изменении фазы 4.

4 в процессе работы дизеля реализовывает количест Изменение фазы венное регулирование подачи воздуха в цилиндр, что улучшает процессы на полнения и смесеобразования на характерных эксплуатационных режимах.

Внешняя характеристика дизеля снималась при постоянном положении рейки топливного насоса на упоре, определенном для номинальной мощности и частоты вращения коленчатого вала.

Наличие на одном двигателе двух цилиндров с различным приводом кла панов позволило выполнить ряд сравнительных испытаний. Однако в этом слу чае использование типовых характеристик дизеля оказалось невозможным, так как существовал разброс по расходу топлива и мощности для каждого цилинд ра.

Полученные характеристики показали возможность работы развернутого дизеля с переменными ФГР. Изменение ФГР клапанов производилось без оста новки дизеля.

Изменение хода, скорости и ускорения свидетельствует, что подъем и по садка клапанов с ЭГПК происходят быстрее, чем с механическим приводом, что увеличивает «время-сечение» на 10…15%. Скорость посадки изменяется в диа пазоне 0,5…1,0 м/с, а к моменту окончания подъема составляет 0,7…1,2 м/с, что несколько выше, чем требуется при механическом приводе, но допустимо при ЭГПК. Максимальные ускорения (менее 500 м/с2) не превышают значений для базового двигателя (по данным испытаний на модельной установке).

Практические работы по ЭГПК, выполненные на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТа, стали возможными при их поддержке веду щими компаниями и организациями, прежде всего, ВНИТИ и НИИ двигателей.

Проведены исследования влияния основных параметров таких, как: диа метры плунжера и соединительных трубопроводов, проходные сечения на входе в ЗО, СГЦ и дроссель, массы движущихся элементов, давления жидкости в гид равлическом аккумуляторе, жесткости возвратных пружин и др.

Экспериментальные исследования проводились на модельных безмотор ных одноклапанной и двухклапанной установках (ЧН12/14), на моторном стенде дизеля 2Ч 10,5/12 (Д21А) и стендах тепловозных дизелей 12ЧН 26/26 (2-2Д49) и 6ЧН 21/21 (211-Д2).

При разработке ЭГПК ЛДВС типов ЧН 26/26 и ЧН 21/21 учитывался суще ствовавший на кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» МИИТа опыт комплексных исследований немеханического привода клапанов.

Схема установки СГЦ КГР дизеля ЧН 26/26 представлена на рис.14.

На рис.15 представлены зависимости влияния диаметра плунжера СГЦ d п и давления жидкости в аккумуляторе р ак на периоды открытия о и закрытия З КГР при частоте вращения коленчатого вала n д =1000 мин-1. Для дизеля ЧН 26/26 можно применить рак =15 МПа и d п =19 мм.

Схема установки силовых гидроцилиндров и форсунки на цилиндровой крышке дизеля ЧН 26/ Рис.14.

Влияние d п и рак на о и з клапана дизеля ЧН 26/26 при nд =1000 мин- Рис.15.

Исследования показали, что при работе ЭГПК на дизелях типа ЧН 26/ нет необходимости в установке клапанных пружин такой же жесткости, как при МПК, так как в этом случае нет опасности разрыва кинематической цепи приво да при закрытии клапана.

Скорость посадки клапана с ЭГПК без дросселирования на сливе превыша ют допустимую.

Для оценки возможности уменьшения скорости посадки и регулирования хода КГР выполнены расчеты функционирования привода впускного клапана дизеля ЧН 26/26, ЭГК которого имел дроссель. Максимальная величина хода клапана составила 24 мм, скорость посадки – 0,31 м/с.

Анализ показал, что без устройств снижения скорости посадки и регулиро вания хода КГР, увеличивается коэффициент наполнения на 4% и снижается среднее давление насосных ходов на 4,7%.

Это ведет с одной стороны к увеличению индикаторного КПД на 2%, при неизменных частоте вращения коленчатого вала, давлении и температуре наду вочного воздуха.

С другой стороны, уменьшение среднего давления насосных ходов приво дит к возрастанию механического КПД на 0,26%, что в целом позволяет повы сить эффективный КПД дизеля на 3,3% и снизить средний эффективный расход топлива номинального режима на 5,2 г/кВтч.

Использование устройств снижения скорости посадки и регулирования хода клапанов приводит к уменьшению выигрыша от использования ЭГПК. Так уве личение среднего эффективного КПД при этих условиях составляет всего 1,6 %.

В шестой главе дан анализ концептуальных вопросов развития локомо тивных ДВС нового поколения.

Если в прошлые годы препятствием развития автономных локомотивов яв лялось отставание отечественного дизелестроения, то в последние несколько лет накоплен необходимый опыт создания ЛДВС с высокими технико экономическими показателями. Здесь ведущим является ХК «Коломенский за вод».

Требования к характеристикам ЛДВС постоянно меняются. В течение мно гих лет на первом плане были повышение цилиндровой мощности и КПД, с од новременным снижением удельных показателей расхода топлива и масла. Затем добавились требования другой группы, а именно снижение вредных выбросов и уровня шума. Именно экологические показатели с середины 90-х годов в России стали приоритетными, особенно для существующих и перспективных ЛДВС.

Регламентация понятия «Перспективные ЛДВС» может быть осуществлена по следующим критериям:

экономическим (отношение факторов затраты/эффективность);

ресурсным (необходимость в дополнительных модификациях более высо кого уровня);

экологическим (точная регулировка параметров рабочего процесса, при менение нейтрализаторов, улучшение химического состава топлива).

Эти критерии объединены более общим критерием, на который ориенти руются в своих НИР ведущие двигателестроительные компании – конструкци онным критерием, позволяющим реализовывать идеи в новых конструкциях.

При этом показатели экономической эффективности новой продукции всегда ориентируются на общемировой уровень, который всегда более жесткий, чем эксплуатационный.

Применительно к перспективным ЛДВС следует предъявить следующие требования:

соответствие рекомендациям по эксплуатации автономного тягового под вижного состава на сети ОАО «РЖД»;

конкурентоспособность с зарубежными аналогами, предлагаемыми для применения на внутреннем рынке;

возможность широкой унификации с ЛДВС, находящимися в эксплуата ции.

адаптация с современными системами передачи мощности и оптимизация по всем параметрам тяговых приводов;

согласованные порядок и периодичность обслуживания и ремонта ЛДВС на всех этапах эксплуатации.

К приоритетному направлению исследований относятся также вопросы со вершенствования привода механизмов газораспределения.

На рис.16. показаны приоритетные направления исследований в области создания перспективных ЛДВС с выделением рассмотренного в диссертации направления создания альтернативного привода механизма газораспределения.

Приоритетные направления исследований в области создания перспективных локомотивных двигателей внутреннего сгорания Рис.16.

Специалисты по созданию ЛДВС с одной стороны и конструкторы тепло возов с другой едины в том, что создание новых двигателей является сложной технической проблемой.

Основные причины этого заключаются в том, что решения должны быть максимально адаптированы к уже имеющемуся парку тепловозов и сопутст вующей инфраструктуре.

Кроме того, появление нового поколения двигателей транспортного назна чения и последующее успешное продвижение на весьма насыщенном рынке, требуют дополнительных денежных вложений в проведение соответствующих НИР и обучение персонала. Одним из важнейших направлений создания пер спективных ЛДВС и соответствующих им локомотивов, которое в нашей стране никогда серьезно не рассматривалось - это региональные требования. Здесь не только климатические отличия (которые занимают сегодня ведущие позиции), но и местные эксплуатационные несоответствия требований к необходимому тя говому подвижному составу и строящимся стандартным, унифицированно типажированным тепловозам.

Актуальность предлагаемых направления подтверждается практикой отече ственного и зарубежного двигателестроения, с активно развивающимся направ лением электронного управления системами. Актуально решение группы про блем, связанных со снижением вредных выбросов и уровня шума. Именно эко логические показатели с середины 90-х годов в России стали приоритетными, особенно для перспективных двигателей.

Развитие электроники и микропроцессорной техники привело к существен ному росту возможностей реализуемых алгоритмов и программ, вследствие чего логические свойства бортовых устройств локомотивов мало уступают персо нальным и стационарным компьютерам. Резко возросли показатели надежности электронных устройств и снизилась себестоимость их производства.

Технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения альтер нативных видов привода клапанов газораспределения на ЛДВС велось в не скольких направлениях. Оценивались перспективы регулирования ФГР и закона движения клапанов на эксплуатационных режимах и холостом ходу, снижение минимальной частоты вращения коленчатого вала, упрощение конструкции привода в блоке дизеля и цилиндров, центрального расположения форсунки, сравнение мощности затраченной на привод при штатном и экспериментальном приводах.

Имея экспериментальную зависимость g e f ( nд ), можно определить э среднеэксплуатационные величины g e для дизеля с ЭГПК и штатным приво дом клапанов.

Например, расчеты экономичности ЛДВС в эксплуатации при регулирова нии только одной фазы 3 выше экономичности двигателя при нерегулируемых ФГР и механическом приводе клапанов газораспределения на 4,9%.

В дальнейшем более углубленная оценка эксплуатационной экономичности ЛДВС выполнена на основании распределения режимов эксплуатации и харак теристик удельных расходов топлива на соответствующих режимах в интервале рабочих характеристик. При этом учитывалось изменение расхода топлива во время переходных процессов, так как неустановившиеся режимы занимают су щественную долю времени эксплуатации ЛДВС. Разница расходов топлива, по лученных расчетным путем и замеренная в эксплуатации, составляет для раз личных конкретных полигонов эксплуатации 10…22%, что объясняется приня тым допущением о мгновенном переходе с одного режима на другой, то есть от сутствием переходных режимов.

Выполненные в тепловозной НИЛ МИИТа исследования с участием автора, э показали, что удельный среднеэксплуатационный расход ( g е ) при установив шихся режимах на 8…15% превышает расход на номинальном режиме. Величи э ну g е определили по упрощенной методике с использованием генераторной и универсальных характеристик, а также вероятностных законов распределения режимов эксплуатации по частоте вращения и нагрузке дизеля.

На основании разработанных расчетных методик можно определить вели э чину g е, зная примерный характер распределения режимов работы, расположе ние генераторной и универсальных характеристик, а также закон изменения среднего проходного сечения клапанов газораспределения f ср транспортного двигателя. Сделана попытка оценки влияния переходных процессов на величину э gе, используя коэффициент переходных режимов ( кп ), представляющий от ношение расходов топлива, полученных расчетным методом и фактического значения на том же полигоне пути на основании опытных поездов с транспорт ной установкой. Здесь же устанавливается влияние изменения f ср на динамику изменения кп.

g еэ могут быть уточнены с учетом среднестатисти Приведенные значения ср ческих значений к п и, следовательно, получена величина среднеэксплуатаци онной экономичности транспортного дизеля с поправкой на дополнительный э расход при переходных режимах ( g е ).

Использование плавного регулирования проходного сечения на переходных режимах, обеспечит дополнительное снижение расхода дизельного топлива на 6…11%.

Технико-экономическое сравнение типов привода свидетельствует о пер спективности применения ЭГПК на ЛДВС нового поколения и других транс портных дизелях. Ориентировочная годовая экономия топлива на секцию теп ловоза с дизелем типа 16ЧН26/26 составит 230…350 т дизельного топлива.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполненной диссертационной работы были получены сле дующие главные результаты:

1. Выполнен анализ развития приводов для транспортных двигателей внут реннего сгорания. Применительно к ЛДВС нового поколения рассмотрены пер спективные направления регулируемых приводов: модульный принцип конст руирования с автономным регулированием приводов вспомогательных систем и современный силовой гидрообъемный привод оборудования локомотивов.

2. Исследованы теоретические принципы и проведены натурные экспери менты вариантов элементов конструкции альтернативных приводов клапанов газораспределения транспортных двигателей. Показаны, какие типы приводов наиболее перспективны для локомотивных ДВС. Сделана оценка вариантов кон струкций электромагнитного и электрогидравлического типов приводов меха низмов газораспределения и их технико-экономических характеристик.

3. Выполнен анализ отечественного и мирового опыта в конструировании приводов газораспределения ЛДВС. Исследовано влияние технико экономических параметров основных серий ЛДВС и некоторых модификаций транспортных двигателей на выбор ФГР. На основании подробного анализа мас сива данных по 198 двигателям установлено, что среди выбранных параметров максимальное влияние на выбор ФГР оказывает группа: частота вращения ко ленчатого вала, давление наддува и рабочий объем цилиндров двигателя.

4. Впервые сформулированы принципы оптимизации газообмена путем ре гулирования эффективного среднего проходного сечения клапанов газораспре деления в зависимости от типа привода и режима работы ЛДВС. Установлено, что при регулируемом что на первом этапе регулирования проходного сечения необходимо изменять углы наклона ветвей подъема и посадки клапанов, а затем переходить к изменению ФГР.

5. Выполненные теоретические исследования установили, что применение альтернативных видов привода с комплексным регулированием «времени сечения» клапанов газораспределения двигателей типа ЧН26/26 обеспечит сни жение среднеэксплуатационного расхода топлива локомотивами на 6…12%.

6. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований по созданию альтернативных приводов механизма газораспреде ления транспортных двигателей, сформулированы общие требования для неме ханических систем газораспределения ЛДВС. Это позволит автоматизировать управление процессами газообмена на эксплуатационных режимах, упростить компоновку привода в цилиндровых крышках и блоке.

7. Приведены результаты теоретических исследований систем электромаг нитного привода клапанов газораспределения ЛДВС. Использована качествен ная теория дифференциальных уравнений и математическая теория устойчиво сти при исследовании закона движения клапана.

8. При расчете электромагнитной системы ЭМПК для определения предель но достижимых характеристик силовых электромагнитов, использованы методы теории поля и теории подобия. Средний расчетный КПД ЭМПК 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 об мотка имеют примерно равный вес. Средняя потребляемая мощность на привод составляет приблизительно 1 кВт/кл. при частоте вращения коленчатого вала в 1000 мин-1.

9. Доказано, что несмотря на возможность создания ЭМПК для ЛДВС с при емлемыми характеристиками, его применение в традиционном виде (силовой электромагнит и подвижный якорь) представляется нецелесообразным. Основ ные недостатки ЭМПК заключаются в необходимости охлаждения электромаг нитов и высокой первоначальной стоимости системы, что согласуется с иссле дованиями ведущих мировых фирм.

10. Эффективным направлением считаем создание ЭМПК на основе импульсного линейного двигателя в различных его модификациях. Такой при вод обладает рядом преимуществ, заключающихся в повышенном быстродейст вии и высоких до 87% КПД на всех режимах работы.

11. Выполнены исследования ЭГПК в разных его вариациях. Отмечены высокое быстродействие, необходимое для качественного протекания рабочего процесса ДВС, малая масса возвратно-движущихся частей, увеличение «време ни-сечения» при неизменных ФГР и возможность регулирования ФГР в расши ренном диапазоне.

12. Разработана математическая модель функционирования и взаимо действия основных элементов ЭГПК. Выполнено аналитическое исследование влияния некоторых конструктивных параметров гидромеханической части ЭГПК на характер открытия и закрытия клапана газораспределения.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.