Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний транспортний університет

УДК621.436

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЗМЕНШЕННЯ ДИМНОСТІ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ АВТОТРАКТоРНИХ дизелів

Спеціальність 05.05.03 - двигуни та енергетичні установки

Левчук Віталій Іванович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Полтавській державній аграрній академії Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Головчук Андрій Федорович,

Уманський державний аграрний університет,

в.о. ректора Уманського державного

аграрного університету.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Єрощенков Станіслав Аркадійович,

Українська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедри «Теплотехніка і теплові двигуни»;

кандидат технічних наук, доцент

Говорун Анатолій Григорович,

Національний транспортний університет,

професор кафедри «Двигуни і теплотехніка»

Захист відбудеться “_29_” _вересня_ 2008 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова, 1, ауд. 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий “31” жовтня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради: О.К. Грищук

Загальна характеристика роботи

паливоподача колінчастий електромеханічний дизель

Актуальність теми. Енергетичною установкою тракторів, самохідних сільськогосподарських машин і значної частини автомобілів нині залишається дизель, основною перевагою якого є краща економічність і менша сумарна токсичність викидів відпрацьованих газів (ВГ). Витрата палива дизельними установками, а особливо, з газотурбінним наддувом і проміжним охолодженням повітря, на 25…30 % менша, ніж у бензинових двигунів. Однак у дизелів є суттєвий недолік - схильність до підвищеної димності відпрацьованих газів. Підвищення димності є першою ознакою погіршення паливної економічності дизелів.

Зменшення димності ВГ дизелів здійснюється різними способами. Застосовується коректування паливоподачі пристосуваннями, які називають обмежувачами димності, або протидимними негативними коректорами.

Коректування паливоподачі пневматичними обмежувачами димлення та протидимними негативними коректорами повністю не розв'язують проблеми понаднормової димності відпрацьованих газів дизелів. Подальші пошуки шляхів раціонального негативного коректування підводять до створення систем автоматичного регулювання (САР) паливоподачі дизелів за прямим якісним параметром - за величиною оптичної густини відпрацьованих газів.

Створення ефективних і надійних систем автоматичного регулювання автотракторних дизелів за димністю ВГ - складна дослідно-конструкторська задача. Вирішення цієї задачі вимагає розробки нових пристроїв, які б стабілізували визначення оптичної густини відпрацьованих газів і забезпечували б програмне коректування паливоподачі з дотриманням стійкості роботи дизеля.

Зв'язок роботи з науковими темами. Дисертацію виконано в Полтавській державній аграрній академії. Обраний напрям дисертаційного дослідження відповідає “Державній програмі розвитку двигунобудування України на 1996-2000 рр.”, затвердженій постановою Кабінету Міністрів України від 16.01.1996 р. № 95 та Закону України «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки» від 11.07.2001 р. № 2623-ІІІ, якими керувалися на початковому етапі цієї роботи.

Розробка САР паливоподачі автотракторного дизеля та наукові дослідження виконувалися за договором про науково-технічне співробітництво між Полтавською державною аграрною академією та ВАТ “Чугуївська паливна апаратура” від 2 січня 2002 року.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є зменшення димності ВГ дизеля шляхом розробки та застосування системи автоматичного регулювання паливоподачі за величиною дійсної оптичної густини відпрацьованих газів і частотою обертання колінчастого вала.

Для досягнення мети були визначені наступні завдання:

? розробити та конструктивно виконати САР паливоподачі дизелів за оптичною густиною ВГ та частотою обертання колінчастого вала;

? розробити й дослідити повнопоточний денситометр як датчик САР паливоподачі дизеля із електромеханічною очисною системою;

? розробити та обґрунтувати конструктивні параметри електромеханічного коректора паливоподачі;

? розробити алгоритм та програмну реалізацію роботи мікроконтролерного комплекту САР паливоподачі дизеля;

? уточнити математичні моделі розрахунку швидкісних характеристик та перехідних режимів САР дизеля при застосуванні електромеханічного коректора з одночасним регулюванням паливоподачі за оптичною густиною ВГ та частотою обертання колінчастого вала;

? провести розрахункові дослідження на уточнених математичних моделях дизеля для визначення раціональних параметрів коректування паливоподачі за величиною оптичної густини ВГ при забезпеченні стійкості САРЧ дизеля;

? на режимі вільних прискорень дизеля провести експериментальні дослідження роботи окремих елементів і дослідної САР паливоподачі в цілому.

Об'єкт дослідження - процес коректування паливоподачі дизелів за оптичною густиною відпрацьованих газів.

Предмет дослідження - закономірності зменшення димності відпрацьованих газів автотракторних дизелів при коректуванні паливоподачі електромеханічними пристроями за величиною оптичної густини ВГ та частотою обертання колінчастого вала.

Методи дослідження. У роботі застосовуються аналітичні методи математичного моделювання швидкісних характеристик та перехідних режимів дизеля при застосуванні системи автоматичного регулювання паливоподачі за величиною оптичної густини ВГ; числові методи вирішення системи диференціальних рівнянь і багатоваріантні розрахунки на персональному комп'ютері адаптаційних характеристик паливоподачі за різних параметрів границі димності дизеля; методи проектування, конструювання й програмування мікропроцесорних систем електронних засобів вимірювання і регулювання; експериментальні методи визначення світлотехнічних характеристик денситометрів, динамічних навантажувальних характеристик крокових електродвигунів та дослідження паливної апаратури автотракторних дизелів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше обґрунтовано вплив інерційності сигналу димності на можливість забезпечення стійкості САР при пропорційному коректуванні паливоподачі за відхиленням величини дійсної димності відпрацьованих газів від гранично допустимого значення;

? вперше запропоновано нові закономірності формування масиву адаптаційних характеристик паливоподачі за границею димності ВГ, які дозволили обґрунтувати раціональний вплив електромеханічного коректора на роботу регулятора паливного насосу високого тиску;

? вперше встановлено, що при динамічній зміні адаптаційних характеристик паливоподачі за пропорційним відхиленням інтегрованої величини димності з постійною часовою затримкою можна зменшити димність відпрацьованих газів до встановлених норм, при збереженні стійкості роботи дизеля;

? удосконалено математичну модель дослідження перехідних режимів дизеля з газотурбінним наддувом, відмінну від уже відомих тим, що дозволяє при зменшенні димності ВГ враховувати роботу електромеханічного коректора паливоподачі й денситометричного датчика.

Новизна отриманих рішень підтверджена патентами України на винахід.

Практичне значення одержаних результатів:

? обґрунтовані раціональні параметри денситометричного датчика ВГ з електромеханічними очисними елементами та електронною схемою електроприводу, які дозволяють забезпечити тривале підтримання точності визначення димності автотракторного дизеля в умовах експлуатації;

? розроблена методика визначення інтегрального показника димності, що дозволяє забезпечити раціональне керування періодичністю спрацювання очисних елементів денситометричного датчика;

? обґрунтовані конструктивні параметри електромеханічного коректора циклової подачі палива з мікропроцесорною системою керування;

? створені алгоритм і програмна реалізація роботи мікроконтролерного комплекту в розробленій САР паливоподачі дизеля;

? сформовані швидкісні характеристики із адаптаційними значеннями циклової подачі паливного насоса високого тиску розподільного типу при взаємодії електромеханічного коректора з серійним всережимним регулятором;

? розроблений алгоритм розрахунку, що дозволяє визначати величину напруги фотоелектричного перетворювача денситометричного датчика й натуральний та лінійний показники поглинання потоку від джерела випромінювання за параметрами коефіцієнта надміру повітря дослідної САР паливоподачі дизеля.

Алгоритм програмної реалізації керування електромеханічним коректором паливоподачі прийнято для використання відділом науково-технічних розробок Кіровоградського заводу «Дельта-Крок», а конструкторська розробка електромеханічного коректора із денситометричним датчиком прийняті для використання ВАТ «Чугуївський завод паливної апаратури».

Особистий внесок автора. У наукових працях, написаних у співавторстві, автору належить:

– проведення та аналіз результатів експериментальних досліджень паливних насосів типу НД з серійним всережимним регулятором [1];

– розробка й обґрунтування ланок функціональної схеми САР з обмеженням паливоподачі за оптичною густиною відпрацьованих газів [2];

– аналіз конструктивних та принципових схем коректування паливоподачі за оптичною густиною ВГ [3], [11];

– розробка принципової схеми, алгоритму реалізації слідкуючої системи та обґрунтування параметрів електромеханічного коректора паливоподачі [5];

– обґрунтування параметрів вхідних даних для уточнення математичної моделі й реалізації коректування паливоподачі при дослідженнях дизеля на перехідних режимах зі зменшенням димності ВГ [6];

– запропоновано спосіб й уточнено роботу установки для визначення витрат палива й повітря на неусталених режимах випробування ДВЗ [7], [13], [16];

– розробка методики й проведення досліджень крокових електродвигунів як виконуючого елемента електромеханічного коректора [10];

– обґрунтування САР з фотометричним обмежувачем димності для всережимних та двохрежимних механічних регуляторів ПНВТ типу НД [12];

– розробка та реалізація експериментального денситометричного датчика димності з електромеханічною очисною системою його оптичних деталей [14].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на:

– міжнародних науково-технічних конференціях «Технічний сервіс у сільськогосподарському виробництві» (Глеваха, 2001); “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (Харків, 2001); “Проблеми та перспективи розвитку аграрної механіки” (Дніпропетровськ, 2004); „Динаміка наукових досліджень '2004” (Дніпропетровськ, 2004); „Проблеми конструювання та експлуатації сільськогосподарської техніки” (Дніпропетровськ, 2005); «Проблеми та перспективи розвитку механізації агропромислового виробництва» (Полтава, 2006); «Проблемы ресурсосбережения на транспорте» (Харків, 2006); «Сучасні аспекти землеробської механіки», (Мелітополь, 2006);

– щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу Полтавської державної аграрної академії (Полтава, 2004-2007);

– 61-й науковій конференції професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету (Київ, 2005);

– Всеукраїнській науково-практичній конференції «Сучасні методи розробки і дослідження систем автоматизації, енергозбереження в промисловості та сільському господарстві» (Кіровоград, 2007).

У повному обсязі дисертаційну роботу обговорено й схвалено на розширених засіданнях кафедр “Енергетичні засоби та сільськогосподарське обладнання” ПДАА (м. Полтава) та “Двигуни і теплотехніка” НТУ (м. Київ).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано сім наукових статей у спеціалізованих наукових виданнях, що входять до переліку ВАК України як фахові, три - у матеріалах конференцій. Отримано три патенти України на винахід №15760, №80612, №80192, один патент на корисну модель №17866, два деклараційні патенти України на корисні моделі №13962, №13233.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації - 274 сторінки, в тому числі 59 рисунків, 18 таблиць, список використаних джерел із 135 найменувань та 14 додатків на 72 сторінках. Обсяг основного тексту дисертації - 188 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі виконано обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи; сформульовані мета і завдання дослідження; відображені наукова новизна, практичне значення отриманих результатів і особистий внесок здобувача.

У першому розділі здійснено аналіз науково-технічної літератури за темою дисертації. Відзначено, що в автотракторних дизелях із газотурбінним наддувом на перехідних режимах часто виявляється порушення відповідності між постачанням палива і повітря; зменшується коефіцієнт надміру повітря б; зростає кількість неспалених часток сажі, котрі абсорбують токсичні сполуки і забарвлюють дим у чорний колір. Дослідженню закономірностей утворення і способів зменшення димності та шкідливих сполук у ВГ присвячені фундаментальні праці В.О. Звонова, Л.І. Варшавського, К.Є. Долганова, О.Е. Сімсона, Г.Б. Розенбліта, А.З. Філіппова, Ю.Ф. Гутаревича, А.Ф. Головчука, І.Д. Долгих, С.А. Єрощенкова, А.Г. Говоруна, Б.Б. Валенчиця, Л.І. Крепса, І.В. Парсаданова, В.П. Матейчика, А.М. Борисенка І.М. Блянкинштейна, та ін. Узагальнення результатів відомих досліджень дозволило встановити, що для забезпечення оптимальної експлуатаційної характеристики, поліпшення сумішоутворення та зниження димності ВГ автотракторних дизелів в систему автоматичного регулювання вводяться механічні або пневматичні негативні коректори паливоподачі. На часткових швидкісних режимах механічні коректори не повністю усувають надмірну димність, а пневматичні - на режимі вільного прискорення вимикаються із запізненням, погіршуючи динамічні характеристики дизеля. Їх спільне використання, хоча й поліпшує ефективність коректування, проте електронні САР спроможні контролювати більшу кількість експлуатаційних характеристик роботи дизеля і зокрема враховувати величину оптичної густини ВГ. Складність забезпечення стійкості електронного регулювання частоти обертання і підтримання стабільної роботи денситометричних вимірювачів димності вимагає нових технічних рішень та обґрунтування вибору параметрів корекції паливоподачі. Повідомлень, що такі САР знайшли промислове застосування не виявлено, але необхідність і перспективність подібних досліджень відзначені в багатьох літературних джерелах.

Отже, поставлені задачі зменшення димності при реалізації коректування паливоподачі за величиною оптичної густини ВГ є актуальними і спрямовані на поліпшення екологічних та енергетичних характеристик автотракторних дизелів.

У другому розділі розглянуто конструктивні особливості та наукові основи реалізації елементів дослідної системи автоматичного регулювання паливоподачі. Робота САР (рис. 1) реалізується за рахунок збору інформації про параметри дизеля на поточному експлуатаційному режимі, відповідно, аналоговим датчиком температури охолоджуючої рідини 7, денситометричним датчиком 1 ВГ, цифровим безконтактним датчиком частоти обертання колінчастого вала 14 дизеля і датчиками-ключами позиціонування виконуючих елементів 2, 17.

У мікропроцесорному блоці алгоритм коректування паливоподачі реалізується програмою мікроконтролера 11. Електронний блок обробки сигналів (ЕБОС) обробляє інформацію з датчиків, визначає задану величину граничної димності відповідно до поточної частоти обертання колінчастого вала двигуна, за програмним алгоритмом формує сигнали на дозвіл чи заборону коректування паливоподачі та через електричні силові схеми 12 й 13 керує актуаторами 22 й кроковим біполярним електродвигуном 18.

Повнопоточний денситометричний датчик 1 (ДД) складається із випромінювача 21 та фотоелектричного детектора 3, оптичні елементи яких, розташовані відповідно, в насадках, закріплених на випускній трубі глушника 20 дизеля діаметрально, навпроти один одному, на одній оптичній осі.

У приймачі 3 реалізовано монтажну плату підсилювача сигналу фотодіода HSDL-9000 фірми Agilent Technologies, що має чутливий елемент з плівковими світлофільтрами, які забезпечують його пікову характеристику л=550 нм в діапазоні видимого спектру. Випромінювач світлового потоку 21 реалізовано з використанням жовто-зеленого світлодіоду LVG13633 фірми Ligitek. Пікова спектральна характеристика випромінювання заявляється виробником на рівні л=565 нм, і забезпечується світлосила від 1000 до 1500 кандел з тілесним кутом 12^o.

Користуючись законами теорії оптичних систем та спектроскопії нашарування, які потрапляють на активну поверхню захисного скла розглядаються як плівковий світлофільтр, а його світлопропускання можна виразити залежністю:

, (2)

де ф_і - коефіцієнт внутрішнього пропускання нашарування часток ВГ і-ї поверхні оптичної деталі; k_i - коефіцієнт поглинання для прошарку часток товщиною в 1 мм; l - миттєва дійсна товщина нашарування.

Спектральна оптична густина D(л), вимірювана денситометром, зміниться на величину, яка формуватиметься за рахунок сажового шару:

. (3)

Робота дизеля на усталеному швидкісному режимі дає змогу утримувати димність ВГ Nд у пограничній зоні від допустимої за вимогами стандартів. Умова підтримання сталої гранично допустимої димності ВГ може бути описана нерівністю:

[N]-0,5 ? Nд? [N]+0,5, (4)

де [N] - гранично допустима димність ВГ для дослідного дизеля, %.

Тривалість накопичення нашарувань на поверхні очисних стекол дорівнюватиме часу від моменту t₁ - початку відліку, до моменту t₂, коли умова (4) перестає виконуватись. Знаючи тривалість роботи САР і забезпечивши умову (4) до моменту накопичення допустимої похибки вимірювання (2%), обраховують числове значення показника допустимої інтегральної димності [D] дизеля:

, (5)

де о - коефіцієнт, який враховує зміни атмосферних умов та режимів роботи дизеля.

Керуючись наведеними викладками, створено очисну систему (рис. 2), яка складається із очисників 7, притиснених до робочої поверхні скла 3 пластинчастими пружинами 5. При пересуванні шторок 7 по захисному склу скребки 6 видаляють частки сажі і аерозолеві нашарування нафтового походження. Зворотно-поступальний рух шторок здійснюється електромеханічними актуаторами 1, через тросовий привод 2 із зворотною циліндричною пружиною 4.

Організовуючи дискретне визначення димності з періодом Дt_i=0,001 с, тривалість накопичення нашарувань можна виразити кількістю циклів i_max при Nд_і?const. Періодичність спрацювання актуаторів 1 формуватиметься визначенням такого проміжку часу роботи дизеля, до якого виконуватиметься умова:

або (6)

Сумування дискретно визначених значень димності і систематична перевірка умови (6) дозволяє визначати миттєвість часу t₂, коли необхідно виконувати очистку захисних стекол денситометричного датчика.

На базі всережимного регулятора ПНВТ НД22/6Б4 (рис. 3) виконано електромеханічний коректор з кроковим електродвигуном (КЕД) 11.

На фрезеровану поверхню кришки 1 центрується перехідний диск 9, з допомогою якого досягається співвісність вала ротора 2 та осі 4 поворотного повідка дозатора 6, і тим самим забезпечується можливість контактної взаємодії стержня 10 з поворотним важелем 3 коректора. На протилежному кінці вала ротора КЕД розроблено корпус 16 кінцевих безконтактних датчиків початкової позиції 12 та граничного кутового переміщення 15. Разом із ротором КЕД відносно датчиків позиціонується втулка 13 з магнітом 14. Обертаючись проти руху стрілки годинника, поворотний важіль 3 взаємодіє зі стержнем 10 важеля повідка 6 дозатора 7.

Циліндричний виступ повідка 6 зміщений відносно осі 4, тому координата осьової висоти дозатора h_н знижується і паливоподача зменшується. Змін у конструкції регулятора не вносилось.

У третьому розділі виконано уточнення математичних моделей розрахунку швидкісних характеристик і перехідних режимів дизеля з коректуванням паливоподачі за величиною оптичної густини ВГ та частотою обертання.

Методика складання рівнянь нелінійної математичної моделі дизеля була запропонована в МВТУ імені Н.Е. Баумана і, удосконалювалася багатьма дослідниками при розв'язуванні різних прикладних задач регулювання ДВЗ.

Уточнення математичної моделі стосувалося, опису взаємодії електромеханічного коректора паливоподачі з всережимним механічним регулятором ПНВТ при формуванні паливоподачі з допустимою димністю ВГ дизеля. Базовими параметрами, від яких залежить подача палива й всі інші показники роботи дизеля, є осьова координата z муфти регулятора та осьова координата дозаторів насосних секцій. Точки RR_j та R_J (рис. 4), які характеризують величину відновлювальної сили пружин регулятора, співпадають з відповідними значеннями підтримуючої сили вкінці та на початку похилих ділянок.

Щоб побудувати розрахункові швидкісні характеристики САР дизеля, вхідним параметром для розрахунку виступає дискретно зростаюче значення частоти обертання колінчастого вала, яке формує значення підтримуючої сили регулятора і визначається ділянка швидкісної характеристики. Значення координати муфти регулятора підставляються в рівняння дозаторів і далі визначається циклова паливоподача дизеля. Експериментально визначена характеристика підтримуючої сили апроксимується поліномом другої степені:

= , (7)

де - частота обертання кулачкового вала ПНВТ; - коефіцієнти апроксимації підтримуючої сили регулятора.

Відновлювальна сила регулятора в загальному вигляді розраховується за формулою:

= , (8)

де , - приведена до муфти

Розв'язують відносно z уточнені для кожної ділянки рівняння (7) та (8). Знаходять поточну координату дозаторів. Між муфтою регулятора та дозаторами зв'язок негативний, тобто зі зростанням z величина зменшується.

На похилих ділянках безрегуляторної гілки положення дозаторів:

=-, (9)

де - початкова координата дозатора у відповідному діапазоні безрегуляторної гілки зовнішньої швидкісної характеристики; - передаточне число від переміщення муфти регулятора до зміни координати дозаторів; ? зміна координати дозаторів під дією електромеханічного коректора паливоподачі.

На поличках безрегуляторної гілки А висота дозаторів визначатиметься:

=.(10)

На зовнішній регуляторній гілці та на часткових регуляторних, які знаходяться в межах горизонтальних ділянок швидкісної характеристики:

=-, (11)

де - початкова координата дозатора на початку дії регулятора.

При формуванні часткової регуляторної характеристики, що належатиме діапазону дії позитивного коректора, на значення осьової координати дозаторів впливатимуть прирости деформацій всіх пружин регулятора:

=-, (12)

де - початкова осьова координата муфти дозатора на ділянці вступу в дію позитивного механічного коректора паливоподачі.

Статичне описання роботи крокового електродвигуна можна записати:

(13)

де f - кількість пар переключення фаз обмоток статора КЕД, ? показник подільника кутової міри повного кроку КЕД, ? елементарна кутова міра відпрацювання одного повного кроку КЕД.

У досліджуваному регуляторі зв'язок між координатою муфти дозаторів та кутовим переміщенням поворотного важеля КЕД описується рівнянням:

(14)

де - довжина радіуса ексцентрика повідка дозатора.

Формування циклової паливоподачі за відомими значеннями частоти обертання кулачкового вала і координати висоти дозатора ПНВТ описувалося квадратичним поліномом а розрахунок коефіцієнтів апроксимації здійснювався за методикою описання характеристик із двома змінними параметрами, кг/цикл:

=

(15)

де ? коефіцієнт зменшення подачі ПНВТ на дизелі; ? густина палива; … ? коефіцієнти поліноміальної апроксимації.

Димність ВГ залежить від коефіцієнта надміру повітря. Експериментально отримані числові значення для ВГ дизеля з денситометричним датчиком описувалися за методикою визначення коефіцієнтів експоненціальної регресії:

, (16)

де ? миттєва амплітуда напруги на виході фотоелектричного перетворювача денситометричного датчика, В; ? коефіцієнт надміру повітря; … ? коефіцієнти апроксимації, визначені за методикою описання експоненціальної регресії експериментальної характеристики димності ВГ.

Знаючи миттєві значення напруги фотоелемента денситометричного датчика і порівнявши їх із максимальними значеннями при прозорому оптичному каналі, можна описати роботу аналогово-цифрового перетворювача напруги.

або (17)

де ? відносний коефіцієнт пропускання спрямованого освітлення, %; ? максимальне значення напруги фотоелектричного перетворювача при заповненні оптичного каналу чистим повітрям, В; ? максимальна кількість кроків квантування сигналу по рівню; ? числова константа округлення цифрового коду АЦП до значень коефіцієнта пропускання світлового потоку.

Оптична густина відпрацьованих газів визначена денситометричним датчиком із відмінною від стандартної довжиною фотометричної бази:

(18)

На основі залежності приведення виміряної димності до значень з стандартною фотометричною базою =0,43 м та з 30 разовим усередненням напруги фотоелектричного перетворювача рівняння дійсної димності уточнено для ДД:

(19)

де ? усереднені значення димності ВГ, %; ? довжина ходу променів, м.

Після визначення циклової паливоподачі (15) розраховуються понад 40 режимних параметрів, рівняння яких загальновідомі в теорії ДВЗ.

Для перевірки динамічних властивостей дослідної САР головна структура математичної моделі дослідження перехідних режимів дизеля записується системою із п'яти диференційних рівнянь першого та одного рівняння другого порядку, приведеного до двох лінійних диференційних залежностей:

- регулятор частоти обертання =А; (20)

= /, (21)

- дизель = ; (22)

- електромеханічний коректор паливоподачі (23)

де - коефіцієнт підсилення коректувальної дії; - гранично допустиме, нормоване значення димності ВГ дизеля, %;

- повітряний ресивер: =; (24)

- випускний трубопровід =; (25)

- турбокомпресор =; (26)

В праві частини диференціальних рівнянь підставляються попередньо розраховані режимні параметри. Система інтегрується за допомогою числового методу Рунге-Кутта-Фельдберга на ПЕОМ.

В четвертому розділі розроблено програми, методики й наведено характеристики обладнання для лабораторних моторних і безмоторних випробовувань елементів дослідної САР паливоподачі дизеля.

Створена установка для дослідження характеристик денситометрів на реальних газах, дозволила виконати перевірку відповідності роботи денситометричного датчика до показів промислового вимірювача димності ДО-1.

Розроблена дослідна установка динамічного визначення витрати палива на перехідних швидкісних режимах роботи дизеля, дозволила отримати масив даних про витрату палива і повітря дизеля та розраховувати за ними коефіцієнт б.

Під час моторних досліджень вимірювалися основні параметри: витрата повітря та палива, температура, тиск і димність ВГ, температура на вході в систему подачі повітря, контролювалася температура охолоджуючої рідини та моторної оливи; здійснювалось осцилографування сигналів датчиків: частоти обертання колінчастого валу, висоти координати дозатора ПНВТ, оптичної густини ВГ, швидкості переміщення важеля керування регулятором ПНВТ.

З допомогою інформаційної шини контролера в ЕБОС здійснювалось варіювання основними константами закону коректування паливоподачі. Такий гнучкий підхід в організації випробувань САР передбачав контроль параметрів коректування паливоподачі, накопичення масиву даних і перевірку адекватності математичної моделі перехідних режимів дизеля.

В п'ятому розділі проведено порівняння результатів розрахунку динамічних прискорень на холостому ходу, й проведених випробувань на дизельній лабораторній установці згідно ДСТУ 4276:2004 із записом осцилограм.

Аналізуючи розрахункові швидкісні характеристики дизеля із серійною САР паливоподачі, відмічено надмірну димність ВГ у межах більшої частини безрегуляторної гілки зовнішньої швидкісної характеристики. При n_д=1845 хв^-1 дійсна димність досягає гранично допустимого рівня N_доп=40,3 % і полого зростає при зменшенні частоти обертання колінчастого вала дизеля. Максимальне значення димності ВГ досягає (N_д =95…100 %) при частоті обертання менше n_д=950 хв^-1; коефіцієнт надміру повітря знаходиться в межах б=1,23…1,29.

Коректовані параметри швидкісних характеристик дизеля 6ЧН13/11,5 забезпечують унормовану димність ВГ N_доп=40,3%. у всьому діапазоні експлуатаційних частот обертання n_д=800…2230 хв^-1. Враховуючи характеристики повітрозабезпечення, САР із допомогою електромеханічного коректора до 25,4% зменшує рівень циклових подач палива при частоті обертання колінчастого вала 1600 хв^-1 і до 37,3% при n_д=950 хв^-1. Коректування паливоподачі забезпечує розрахунковий коефіцієнт надміру повітря на рівні б=1,73…1,75. Падіння тиску надувного повітря із p_к =155 до 132 кПа при n_д=1600 хв^-1 та зменшення частоти обертання ротора турбокомпресора на Дn_тк=9865 хв^-1 призводить до відповідної компенсації зменшення циклової подачі і, в свою чергу, супроводжується зменшенням ефективної потужності дизеля. Мінімальна питома витрата палива зменшується із q_е=239,2 г/кВт•год при n_д=2020 хв^-1 до q_е=230,04 г/кВт год при n_д=950 хв^-1. Запас крутного моменту знизився до 8,7% від рекомендованих 12…15% для тракторних дизелів.

Проводилися розрахунки вільних прискорень дизеля 6ЧН13/11,5 спочатку з серійною САРЧ, а далі - дослідною САР паливоподачі при різних налаштуваннях електромеханічного коректора (рис. 5).

Вільне прискорення дизеля виконувалося шляхом математичного моделювання переміщення важеля керування механічним регулятором ПНВТ із початкового положення, в обмежене регулювальним гвинтом максимальної частоти обертання кулачкового вала (=7,67 мм).

Старт переміщення важеля програмується в момент часу ф₁=1,4 с від початку усталеного швидкісного режиму, а повна деформація пружин регулятора досягається через Дф=0,36 c.

В обох випадках прискорення починали з усталеного режиму без навантаження, розрахованого на математичній моделі швидкісних характеристик дизеля а значення цих характеристик стали вхідними параметрами для диференційних рівнянь ланок САР: n_д=940 хв^-1; z=3,481 мм; dА/dt=0; p_к=101,1 кПа; p_r=98,07 кПа; n_тк=17132,55 хв^-1; f=0.

Записані осцилограми (рис. 6,7,9) відображають миттєві значення: димності ВГ N_ДО-1, фіксованої денситометром ДО-1, сигналу димності денситометричного датчика N_ДД, кутової міри ц_р переміщення важеля керування механічним регулятором ПНВТ, координати дозуючої муфти h_н, частоти колінчастого вала n_д.

Осцилограма димності ВГ N_ДД з денситометричного датчика, співпадає з показами N_ДО-1 димоміра ДО-1, які фіксують пікове значення N_д=95…100 %.

Осцилограма переміщення дозаторів зростає з h_н=0,42 мм до виходу на упор h_н=2,042 мм. При прискоренні дизеля до n_д=1540 хв^-1 на кривій осцилограми переміщення дозаторів починає формуватися перегин, який характеризує вступ у роботу позитивного механічного коректора. В момент часу Дф₄ =1,140 с, на осцилограмі переміщень дозаторів фіксується регуляторна ділянка а далі - перерегулювання для стабілізації частоти обертання.

На другому етапі випробовувалася дослідна САР паливоподачі з параметрами зменшення димності ВГ, які досліджувалися на математичних моделях. Записані осцилограми миттєвої димності N_ДД та висоти координат дозаторів h_н демонструють виникнення нестійкого регулювання частоти обертання.

У ході випробувань дослідної САР із регулюванням паливоподачі за миттєвим значенням димності ВГ спостерігалися значні зміни в характері роботи дизеля. Розгін супроводжувався автоколивальним переміщенням дозаторів із затухаючою амплітудою, відзначалась поява жорсткості в роботі дизеля, значно зросла нестабільність частоти обертання колінчастого вала. Зафіксовано, що напочатку перехідного режиму амплітудне значення димності ВГ досягає N_дд =88%, але на цей момент осьова координата дозаторів вже зменшена електромеханічним коректором до мінімуму (h_н=0 мм). Димність продовжує зростати і, досягнувши піку, полого знижується до рівня N_дд=40 %. Повертаючись до осцилограми вільного прискорення дизеля із серійною САР, також виявлено факти інерційності сигналу оптичної густини ВГ. Затримка часу між початком переміщення важеля керування регулятором та зміною величини сигналу димності в денситометричному датчику склала Дф₁=0,160 c, у той час, коли осьова координата дозаторів зафіксувала їх вихід на упор. Перша реакція сигналу денситометра ДО-1 проявляється лише через Дф₂=0,270 c, хоча відстань ділянки газоходу між вимірювачами димності складає 1200 мм. Інерційність ротора турбокомпресора значно впливає на синхронність фіксування сигналу денситометричного датчика, спонукаючи САР до помилкового коректування із запізнілим змістом. Із наведеного стає очевидним, що сигнал денситометричних засобів не може сприйматись як миттєва характеристика димності.

Запропоновано наперед розраховувати величину корекції паливоподачі у прямому підпорядкуванні до зміни частоти обертання колінчастого вала дизеля. На математичній моделі розраховано 19 кривих зовнішніх швидкісних характеристик дизеля h_н=f(n_д), із послідовним зменшенням числового значення гранично допустимого рівня димності з кроком ДN_доп =1,0 % та дискретністю зміни частоти обертання Дn_д=1хв^-1. Діапазон експлуатаційних частот обертання колінчастого вала дизеля встановлено від n_д=800 хв^-1 до n_д=2300 хв^-1.

Задачею електронного блоку обробки сигналів є визначення частоти обертання колінчастого вала дизеля з точністю до 1 хв^-1 та встановлення висоти дозаторів, по масиву каліброваних значень позиціонування електромеханічного коректора, які мають визначатись алгоритмом мікроконтролера з часовою дискретністю Дф=0,001 c. Під інтегральним характером димності розуміється визначення та усереднення масиву числових значень димності за сталий проміжок часу, тому коректування паливоподачі за зміною димності відбувалося із постійною дискретою часу Дф_N=0,160 c. При прискоренні дизеля коректування паливоподачі здійснюватиметься за схемою 1-2'-2 у межах тієї калібрувальної характеристики, границя димності якої обрана один раз на Дф_N. За проміжок часу Дф_N САР паливоподачі отримає оновлену інформацію про вплив її попереднього коректування із врахуванням інерційності газового потоку.

У відповідності до вимог ДСТУ 4276:2004 на моторній установці проводилися серії вільних прискорень дизеля з параметрами, за якими випробовувалась серійна САР паливоподачі. При задаванні важелем керування механічного регулятора вільного прискорення, рух дозаторів за час Дф₃=0,350c встигає досягти координати h_н=1,41 мм, яка відповідає роботі дизеля за адаптаційною характеристикою N_доп=40%. Подальший рух дозаторів з поступовим зниженням h_н супроводжується збільшенням частоти обертання колінчастого вала дизеля.

Крива осцилограми висоти дозаторів h_н із ступінчастого зниження започатковує повільне зростання й супроводжується частими переключеннями від однієї сусідньої адаптаційної характеристики до іншої. Дизель прискорюється до максимальної частоти обертання n_д=2220 хв^-1за час Дф₇=2,460 c, що в абсолютних величинах на Дф=0,570 c довше, в порівнянні з серійною САР. Загальний час перехідного процесу димності зріс на Дф=0,210 c.

Проведені порівняльні дослідження дослідної САР паливоподачі з серійною САРЧ дизеля 6ЧН 13/11,5 підтвердили адекватність уточненої математичної моделі розрахунку перехідних режимів.

Висновки

1. Прилади для вимірювання димності без частого обслуговування не забезпечують точності в умовах експлуатації на автотракторних дизелях. Тому для дослідної САР паливоподачі дизеля розроблено повнопоточний денситометричний датчик, який з допомогою електромеханічних очисних елементів забезпечує тривале підтримування прозорості оптичних деталей. Побудова програмного лічильника показника інтегральної димності, дозволяє раціонально керувати періодичністю спрацювання електромеханічних очисних елементів денситометричного датчика.

2. Дослідження інтенсивності забруднення оптичних деталей денситометричного датчика дозволили розрахувати величину інтегрального показника димності, гранично допустиме значення якого склало [D]=120000%. Експериментально перевірено адекватність розробленої методики, при цьому граничний рівень накопиченої похибки димності не перевищує ?N=2…3 %.

3. Розроблена конструкція електромеханічного коректора паливоподачі дозволяє його застосування на ПНВТ типу НД. Крутний момент крокового електродвигуна має забезпечувати М_к=0,51 Н•м. Частота відпрацювання кроків в діапазоні 600…3600 с^-1, забезпечує необхідну швидкість переміщення повідка дозатора, як в повнокроковому, так і в мікрокроковому (1/8) режимах.

4. Уточнено математичні моделі розрахунку статичних та динамічних режимів дизеля з газотурбінним наддувом. В математичну модель введені рівняння, які описують роботу денситометричного датчика та електромеханічного коректора паливоподачі на базі крокового електродвигуна. Розрахунки на математичних моделях дозволяють формувати адаптаційні характеристики паливоподачі з унормуванням параметрів димності та здійснювати їх перевірку на режимі вільного прискорення дизеля.

5. Теоретичними дослідженнями динамічних характеристик дизеля 6ЧН13/11,5 встановлено, що раціональні параметри зменшення димності ВГ на режимі вільного прискорення досягаються при величині коефіцієнта підсилення корекції k_кдр=40…45. САР з адаптаційними характеристиками паливоподачі, при встановленні гранично допустимої димності ВГ не вище 40%, зменшує: питомі викиди сажі на 53,9 %, циклові подачі палива на 27,8%, ефективну потужність дизеля на 22,3% при роботі по зовнішній швидкісній характеристиці.

6. Гранично допустима димність N_доп=51,8 %, із врахуванням скорегованого значення на режимі вільного прискорення, забезпечується розробленою САР паливоподачі в усьому діапазоні частот обертання колінчастого вала дизеля. Перехідний режим з дослідною САР паливоподачі стає тривалішим на 11…12 %.

7. Розроблено вимірювальний комплекс на базі дослідного автотракторного дизеля 6ЧН13/11,5, який дозволяє випробовувати ПНВТ із електромеханічним коректором та провести порівняльні дослідження серійної й дослідної САР паливоподачі за значенням оптичної густини відпрацьованих газів.

8. Розроблена й досліджена система автоматичного регулювання паливоподачі автотракторного дизеля 6ЧН13/11,5 з денситометричним датчиком та електромеханічним коректором забезпечує стійкість роботи дизеля при коректуванні подачі палива за адаптаційними характеристиками. Розрахований на уточненій математичній моделі масив числових даних налічує 19 адаптаційних характеристик, які формують значення паливоподачі із димністю ВГ в діапазоні N_доп=21…40%.

Список опублікованих праць

1. Головчук А.Ф., Харак Р.Н., Левчук В.И. Разработка и исследование универсальных регуляторов топливных насосов НД-22/6 для колёсных тракторов ХТЗ // Вестник НТУ «ХПИ». Сборник научных трудов «Двигатели внутреннего сгорания». - Х.: НТУ «ХПИ», 2001. - №2. - С. 10.

2. Головчук А.Ф., Левчук В.І. Моделювання САР автотракторних дизелів з обмеженням паливоподачі за оптичною щільністю відпрацювавших газів // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. «Підвищення надійності відновлюємих деталей машин».- Х., 2001. - Т.2, № 8. - С. 265-270.

3. Головчук А.Ф., Левчук В.І. Регулювання паливоподачі дизелів //Механізація та електрифікація сільського господарства. - Глеваха, 2004. - № 88 - С.65-70.

4. Левчук В.И. Разработка денситометрического датчика для двухимпульсных САР дизелей // Сб. науч. труд. - Х.: УкрГАЖТ, 2006. - № 72. - С. 38-43.

5. Головчук А.Ф., Левчук В.І. Розробка та дослідження електронного коректора паливоподачі дизеля 6ЧН13/11,5 з повнопоточним денситометром // Вісник Дніпропетровського державного аграрного університету. - Дніпроп., 2006. - №1. - С.13-19.

6. Головчук А.Ф., Левчук В.І. Двохімпульсна САР автотракторного дизеля // Праці / Таврійська державна агротехнічна академія. - Мелітополь: ТДАТА, 2006. - № 39. - С. 216-223.

7. Головчук A.Ф. Комп'ютеризована система дослідження автотракторних двигунів / A.Ф. Головчук, В.І. Левчук, О.М. Іванов, С.О. Носик // Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету / техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. - Кіровоград: КНТУ, 2007. - № 19. - С. 3.

8. Левчук В.І. Формування адаптаційних характеристик паливоподачі дизелів за гранично допустимими значеннями оптичної густини відпрацьованих газів // Вісник Полтавської державної аграрної академії. - Полтава: ПДАА. - 2008. -№2. - С.188-192.

9. Левчук В.І. Повнопоточний денситометр для системи автоматичного регулювання автотракторних дизелів / В.І. Левчук // Динаміка наукових досліджень'2004. Транспорт: ІІІ міжнар. наук.-практ. конф.: тези доповідей. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. -Т. 62. - С. 20-22.

10. Головчук А.Ф., Левчук В.І. Дослідження САР автотракторних і комбайнових дизелів з регулятором по димленню відпрацьованих газів. / А.Ф. Головчук, В.І.Левчук // Проблеми та перспективи розвитку аграрної механіки: міжнар. наук.-практ. конф. :тези доповідей. - Дніпропетровськ, 2004. - С. 59-61.

11. Головчук А.Ф., Левчук В.І. Електронно-механічний регулятор з повнопоточним денситометром в системі паливоподачі автотракторного дизеля / А.Ф. Головчук, В.І.Левчук // 61 наукова конференція професорсько-викладацького складу і студентів Національного транспортного університету: тези доповідей. - К.: НТУ, 2005. - С. 24-26.

12. Патент № 57160 Україна, МПК F02D1/04, F02D41/00. Регулятор частоти обертання двигуна внутрішнього згорання / А.Ф. Головчук, К.Є. Долганов, В.І. Левчук (Україна). - № 2001031594; Заявл. 07.03.2001; Опубл. 16.06.2003. Бюл. № 6. - 10 с.

13. Деклараційний патент на корисну модель № 13233 Україна, МПК G01F1/00. Спосіб визначення витрати рідкоподібного палива при дослідженні роботи двигунів внутрішнього згорання / А.Ф. Головчук, В.М. Арендаренко, В.І. Левчук, О.М. Іванов (Україна). - №u200509600; Заявл. 13.10.2005; Опубл. 15.03.2006. Бюл. № 3. - 8 с.

14. Деклараційний патент на корисну модель № 13962 Україна, МПК F02D41/00. Система автоматичного регулювання димлення відпрацьованих газів автотракторного дизеля / А.Ф. Головчук, В.І. Левчук (Україна). - № u200511158; Заявл. 25.11.2005; Опубл. 17.04.2006. Бюл. № 4. - 16 с.

15. Патент на корисну модель № 17866 Україна, МПК F02B 13/00. Спосіб підтримання чистоти оптичного каналу денситометра / В.І. Левчук (Україна). - №u200604390; Заявл. 19.04.2006; Опубл. 16.10.2006. Бюл. № 10. - 16 с.

16. Патент № 80192 Україна, МПК G01F 9/00. Спосіб визначення витрати рідкоподібного палива при дослідженні роботи двигунів внутрішнього згорання / А.Ф. Головчук, В.М. Арендаренко, В.І. Левчук, О.М. Іванов (Україна). - № u200509577; Заявл. 13.10.2005; Опубл. 25.08.2007. Бюл. № 13. - 10 с.

17. Патент № 80612 Україна, МПК F02D 41/00. Система автоматичного регулювання димлення відпрацьованих газів автотракторного дизеля / В.І. Левчук (Україна). - № u200511157; Заявл. 25.11.2005; Опубл. 10.10.2007. Бюл. №16. - 16 с.

Анотації

Левчук В.І. Зменшення димності відпрацьованих газів автотракторних дизелів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 двигуни та енергетичні установки. Національний транспортний університет. Київ, 2008.

Дисертація присвячена рішенню задач зменшення димності автотракторних дизелів шляхом застосування системи автоматичного регулювання паливоподачі за величиною оптичної густини відпрацьованих газів та частотою обертання колінчастого вала. В розробленій системі автоматичного регулювання паливоподачі створено денситометричний датчик з підтриманням чистоти оптичного каналу та електромеханічний коректор на базі крокового гібридного електродвигуна. Для розв'язання задач дослідження обґрунтовано електронне регулювання паливоподачі за адаптаційними параметрами, отриманими й перевіреними на уточнених математичних моделях розрахунку швидкісних характеристик і перехідних режимів роботи дизеля. Дослідженнями встановлено, що при забезпеченні гранично допустимої димності не вище 40 % коректування паливоподачі за адаптаційними характеристиками зменшує питомі викиди сажі на 53,9%, циклову подачу палива - на 27,8%, ефективну потужність - на 22,3% й забезпечує стійкість роботи автотракторного дизеля 6ЧН13/11,5.

Ключові слова: відпрацьовані гази, дизель, димність, паливний насос високого тиску, регулятор частоти обертання, електромеханічний коректор.

Левчук В.И. Уменьшение дымности отработанных газов автотракторных дизелей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - двигатели и энергетические установки. Национальный транспортный университет. Киев, 2008.

Диссертация посвящена решению задач уменьшения дымности автотракторных дизелей путём применения системы автоматического регулирования топливоподачи по величине оптической плотности отработанных газов и частоте вращения коленчатого вала.

Для системы автоматического регулирования топливоподачи созданы денситометрический датчик с поддержанием прозрачности оптических деталей и электромеханический корректор на базе шагового гибридного электродвигателя. Программное построение счётчика показателя интегральной дымности позволяет рационально управлять периодичностью срабатывания электромеханических очистительных элементов денситометрического датчика.

Результаты лабораторных испытаний доказывают значительную инерционность фиксирования сигнала мгновенной оптической плотности отработанных газов, вызванную сложными газодинамическими процессами в импульсной газовой турбине и выпускном тракте дизеля. Проверено, что использование мгновенного значения дымности для корректирования топливоподачи приводит к рассогласованию системы автоматического регулирования частоты вращения.

Для решения задач исследования обосновано применение электронного регулирования топливоподачи с использованием калибровочных таблиц внешней скоростной характеристики и по интегральному значению дымности, полученным и проверенным на уточнённых математических моделях расчётов статических и переходных процессов работы дизеля. Предложено новую экспоненциальную зависимость напряжения фотоэлектрического преобразователя оптической плотности дыма в зависимости от расчетного коэффициента избытка воздуха б.

По результатам исследований автотракторного дизеля 6ЧН13/11,5 с опытной САР установлено, что при ограничении дымности до 40 % и сохранении устойчивости работы САРЧ, корректирование топливоподачи по адаптационным характеристикам уменьшает удельные выбросы сажи на 53,9%, цикловую подачу топлива - на 27,8%, эффективную мощность - на 22,3%.

Использование разработанной системы целесообразно на дизелях энергетических средств, работающих в условиях повышенных требований к экологии среды, например, в теплицах, животноводческих фермах, садах и др.

Ключевые слова: отработанные газы, дизель, дымность, топливный насос высокого давления, частота вращения коленчатого вала, электромеханический корректор.

Levchuk V.I. Exhaust smoking reduction of automotive-tractor diesels. - Manuscript.

Dissertation is presented on graduation of the candidate of technical sciences under the specialty 05.05.03 - Engine and power plants. The National transport university. Kyiv, 2008.

The dissertation is devoted to the tasks related to exhaust smoking reduction of automotive-tractor diesels by the ways of applying of the system of automatic fuel-feed regulation under quantity of exhaust gas and frequency of cranked axle speed. In the system of automatic fuel-feed regulation it was created the opacimeter sensor on maintenance of optical channel frequency and electromechanic corrector on the basis of stepper hybrid motor. It was given the scientific credence to electronic fuel-feed regulation under adaptive parameters obtained in accordance with the refined mathematical models of calculation of speed characteristics and transient diesel regimes. Under the results of testing of the automotive-tractor diesel 6ЧН13/11,5 it was determined that at the fixed allowable exhaust smoking level less than 40% and the work retention the fuel-feed regulation under the adaptive parameters reduces the exhaust smoking up to 53,9%, the cycle fuel feeding up to 27,8% and the engine brake horsepower up to 22,3%.