Міністерство освіти і науки України
Національний транспортний університет
Колесник Юрій Іванович
УДК 621.436
УДОСКОНАЛЕННЯ газодозУЮЧОЇ системИ
автомобІльного газодизеля ТА ВИЗНАЧЕННЯ
ЇЇ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ
Спеціальність 05.05.03 – “Теплові двигуни”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ – 2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” Національного
транспортного університету Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук,
професор Долганов Кінт Євгенійович,
Національний транспортний університет
Міністерства освіти і науки України,
професор кафедри “Двигуни і теплотехніка”.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук,
доцент Биков Геннадій Олександрович,
Національний авіаційний університет
Міністерства освіти і науки України,
професор кафедри “Авіаційні двигуни”;
кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник
Ковальов Сергій Олександрович,
Державний автотранспортний науково-дослідний
і проектний інститут “ДержавтотрансНДІпроект”
Міністерства транспорту України,
завідувач сектором.
Провідна установа: Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут”
Міністерства освіти і науки України,
кафедра “Двигуни внутрішнього згоряння”, м. Харків
Захист відбудеться “ 26 ” жовтня 2001 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.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01010, м.Київ, вул. Кіквідзе, 42.
Автореферат розісланий “ 25 ” вересня 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради ___________________ Матейчик В.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В даний час природні запаси рідкого палива швидко вичерпуються. Іншим видом палива, що рівноцінний нафті по масштабам можливого використання, являється природний газ. Особливо гостро стоїть питання забезпечення паливом транспорту, в тому числі автомобільного. Тому розширення використання природного газу в якості моторного палива для автомобільних двигунів являється дуже важливою проблемою.
Найбільш ефективне використання природного газу на автотранспорті можливе за використання газодизельного циклу. Газодизелі на відміну від двопаливних двигунів з іскровим запалюванням однаково ефективно працюють як по газодизельному, так і по дизельному циклах. Тому удосконаленню газодизелів потрібно приділяти особливу увагу. Одним із мало досліджених питань є вибір способу подачі газу в газоповітряний змішувач газодизеля: під дією розрідження чи під надлишковим тиском. Проведені в Національному транспортному університеті (НТУ) та в Інституті газу Національної академії наук України (ІГ НАНУ) наукові дослідження показали значні переваги і перспективність другого способу. Але газодозуюча система з подачею газу під надлишковим тиском суттєво відрізняється від системи з подачею газу під дією розрідження. Робочі процеси в ній достатньо не вивчені, немає методики визначення раціональних параметрів її елементів і системи в цілому, не вирішено питання про необхідність коригування подачі газу за зовнішньою швидкісною характеристикою газодизеля. Вирішення цих питань є актуальним завданням.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з виконанням “Державної програми розвитку двигунобудування в Україні”, затвердженої постановою №95 КМ України від 16.01.1996 р. в частині, що стосується розробки газодизелів, та держбюджетної теми №67 “Розробити метод, математичні моделі і системи живлення для ефективного використання на автомобільному транспорті альтернативних і традиційних палив” УТУ 1997-1999 років.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення раціональних параметрів газодозуючої системи автомобільного газодизеля з подачею газу до впускної труби під надлишковим тиском і розробка рекомендацій по удосконаленню такої системи.
Для досягнення мети вирішувались такі задачі:
1. Розробка динамічної математичної моделі газодозуючої системи і доопрацювання математичної моделі системи автоматичного регулювання частоти обертання (САРЧ) автомобільного газодизеля з такою системою.
2. Розробка алгоритмів і програм для проведення розрахунково-теоретичних досліджень.
3. Розробка методик експериментальних досліджень і необхідної для цього дослідної установки.
4. Проведення експериментальних досліджень для перевірки адекватності математичної моделі.
5. Аналіз впливу різноманітних конструкційних та регулювальних параметрів газодозуючої системи на її статичні і динамічні характеристики, на формування швидкісних характеристик САРЧ газодизеля і на перехідні процеси в САРЧ.
6. Розробка рекомендацій по удосконаленню системи газодозування в автомобільному газодизелі.
Об’єкт дослідження – нова газодозуюча система автомобільного газодизеля з подачею газу у впускну трубу газодизеля під надлишковим тиском.
Предмет дослідження – робочі процеси в газодозуючій системі газодизеля і їх вплив на статичні та динамічні показники газодизеля.
Методи дослідження – експериментально-розрахункові. Експериментальним методом визначалися статичні та динамічні характеристики газодозуючої системи, її елементів та отримувались вихідні дані для математичних моделей. Розрахунковим методом аналізувався вплив конструкційних і регулювальних параметрів газодозуючої системи на її статичні та динамічні показники і на показники САРЧ газодизеля.
Наукову новизну отриманих результатів становлять:
1. Динамічна математична модель системи: одноступінчастий редуктор високого тиску - двоступінчастий редуктор низького тиску з подачею газу під надлишковим тиском - дозатор газу - газове сопло - впускний трубопровід газодизеля.
2. Методики досліджень газодозуючої системи.
3. Нові дані про робочі процеси в газових редукторах високого і низького тисків.
4. Методи негативного корегування подачі газу.
Практичне значення отриманих результатів.
1. Принципові схеми і конструкції негативного коректора подачі газу.
2. Алгоритми і програми для розрахунку параметрів системи живлення газодизеля з подачею газу під надлишковим тиском.
3. Рекомендації по вибору раціональних конструктивних і регулювальних параметрів газодозуючої системи автомобільних газодизелів.
Автором особисто виконано:
Розроблено динамічну математичну модель системи “Одноступінчастий редуктор високого тиску - двоступінчастий редуктор низького тиску з подачею газу під надлишковим тиском - дозатор газу - газове сопло - впускний трубопровід газодизеля”, визначено вплив початкового тиску в камерах редукторів і жорсткості пружин на витратні характеристики газових редукторів, уточнена і доповнена математична модель газодизеля ЯМЗ-236ГД, проведено експериментальні дослідження газодозуючої системи газодизеля та САРЧ газодизеля в цілому, здійснено подальше їх опрацювання на ЕОМ, виконано розрахункові дослідження та визначено раціональні параметри газодозуючої системи автомобільного газодизеля.
Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені та схвалені на конференціях професорсько-викладацького складу НТУ в 1997-1999 роках; на III, IV і V республіканських семінарах по теплових двигунах і ресурсозбереженню в ТДАТА (м. Мелітополь, 1997, 1998, 1999 р. р.).
Публікації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень опубліковано в 7 друкованих працях, в 5-ти інформаційних листках КиївЦНТЕІ, в 4-х дайджест-бюлетенях УкрІНТЕІ, а також в наукових звітах кафедри по темі №67 за 1997-1999 роки.
Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації - 284 сторінки, з них 148 сторінок машинописного тексту, 96 рисунків, 19 таблиць і 12 додатків, список використаних джерел, який містить 93 найменування.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі розкрито стан вирішення наукової задачі, обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, зв’язок роботи з науковими програмами, визначено мету і задачі досліджень, методику предмет і об’єкт досліджень, наукову та практичну цінність роботи, реалізацію і апробацію результатів роботи та публікації матеріалів дисертаційної роботи.
В першому розділі проведено аналіз існуючих газодозуючих систем живлення газодизелів як в Україні, так і в зарубіжжі. Приведено принципові схеми систем живлення, описано принцип їх дії і наведено їх переваги та недоліки.
На основі проведеного аналізу і досвіду розробки та експлуатації газодизелів, визначено вимоги до газодозуючих систем і можливості їх реалізації. Показано, що в автомобільних газодизелях доцільно застосовувати систему живлення з вдуванням газу до впускної труби під невеликим надлишковим тиском. Така система була розроблена на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” НТУ разом з ІГ НАНУ в 1986-1993 роках і застосована на дослідних зразках газодизелів. Але під час досліджень системи автоматичного регулювання таких газодизелів газодозуючу систему розглядали як безінерційну. Порушено, але не вирішено питання негативного коригування подачі газу.
Вирішенню цих питань присвячена дана дисертація.
В другому розділі описана дослідна система живлення і регулювання автомобільного газодизеля з вдуванням газу до впускної труби під надлишковим тиском яка є об’єктом дослідження в дисертації. В цю систему додано новий елемент – негативний коректор подачі газу.
Основними особливостями такої системи живлення та регулювання є:
1. Подача газу до впускної труби газодизеля здійснюється під невеликим надлишковим тиском через дозатор газу і патрубок з соплом.
2. Можливість повноцінної роботи по дизельному та газодизельному циклам при збереженні однакової номінальної потужності.
3. Всережимне регулювання частоти обертання колінчастого вала газодизеля одним і тим же регулятором при роботі по дизельному і газодизельному циклам.
4. Автоматичне перемикання на дизельний цикл під час роботи по зовнішній і частковим регуляторним гілкам при малих навантаженнях і на холостому ході.
5. Автоматичне перемикання на дизельний цикл при частоті обертання на холостому ході менше 1000-1200 хв-1.
6. Неможливість вмикання подачі газу на непрацюючому газодизелі.
До газодозуючої системи (рис.1) входять: редуктор високого тиску (РВТ) 11, електромагнітний клапан-фільтр 12, двохступінчастий редуктор низького тиску (РНТН) 10 з подачею газу під надлишковим тиском, дозатор газу 9 з конічним затвором, сопло 7. Дозатор газу через гідропідсилювач ГП зв’язаний з регулятором частоти обертання 1, який за допомогою пересувної муфти 2 з’єднаний з рейкою 3 серійного паливного насоса високого тиску (ПНВТ) 5, яка має зворотну пружину 4.
Для роботи за газодизельним циклом за допомогою електромагніта 15 рейку 3 встановлюють в положення подачі запальної дози дизельного палива. В цьому випадку муфта 2 ковзає по рейці 3 і регулятор 1 діє тільки на дозатор газу 9. При роботі за дизельним циклом електромагніт 15 звільняє рейку і регулятор 1 регулює подачу дизельного палива. При цьому вимикач 14 вимикає електромагнітний клапан 12, який припиняє постачання газу до дозатора 9.
Під час формування регуляторних гілок спочатку закривається дозатор газу до усунення зазору “х”, а після цього рейка зміщується в бік зменшення подачі дизельного палива. Це необхідно для того, щоб повне вимкнення подачі газу настало раніше, ніж вимкнення подачі дизельного палива. При цьому незгорівший газ не потрапляє до глушника. На малих навантаженнях газодизель автоматично переходить на дизельний цикл.
Новим елементом в цій системі є вакуумний негативний коректор 8, який зменшує подачу газу при низьких частотах обертання колінчастого вала газодизеля, коли розрідження у впускній трубі зменшується.
Важіль 16 служить для зупинки газодизеля, яка здійснюється при роботі газодизеля за дизельним циклом. Вимикач 13 вимикає подачу газу, якщо газодизель не працює. Є також перемикач 6, який переводить газодизель на дизельний цикл при роботі на регуляторних вітках при частотах обертання менших, ніж 1000 – 1200 хв-1.
При описуванні конструктивної схеми системи подачі і дозування газу особливу увагу приділено конструкції окремих вузлів: одноступеневого редуктора високого тиску, двоступеневого редуктора низького тиску з подачею газу під надлишковим тиском, дозатора газу і сопла.
Двоступеневий редуктор виконано шляхом реконструкції серійного редуктора вітчизняних газобалонних автомобілів, в другому ступені якого пружина діафрагми встановлена так, щоб газ з неї виходив під надлишковим тиском.
В третьому розділі викладено розроблені динамічні математичні моделі.
Враховуючи те, що автомобільний газодизель часто працює на неусталених режимах, особливий інтерес викликає розрахунок і аналіз перехідних процесів в газодозуючій системі. Для проведення розрахунково-теоретичних досліджень таких перехідних процесів в даному розділі дисертації розроблені динамічні математичні моделі окремо редуктора високого тиску (РВТ) і редуктора низького тиску з подачею газу під надлишковим тиском (РНТН). Після перевірки обидві моделі об’єднані в одну математичну модель газодозуючої системи, що дозволяє проводити наступні розрахунково-теоретичні дослідження:
1. Імітувати перехідні процеси в газодозуючій системі “РВТ-РНТН-ДГ-сопло”.
2. Розраховувати статичні характеристики цієї системи.
3. Аналізувати вплив жорсткості пружин, коефіцієнтів витрати, гідродинамічних сил, показників політропи, температур, густини газу та інших факторів на перехідні процеси.
4. Аналізувати досконалість конструкції газового редуктора як автоматичного регулятора тиску.
Ця математична модель додана в математичну модель САРЧ газодизеля, яка раніше розроблена на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” НТУ, як її органічна частина.
За допомогою цієї допрацьованої математичної моделі можна виконувати розрахунки перехідних процесів в САРЧ газодизеля з подачею газу у впускну трубу під надлишковим тиском.
При розробці динамічних математичних моделей, РВТ і РНТН розглядались як динамічні системи. При швидкій зміні режимів роботи двигуна змінюється витрата газу, що призводить до зміни тиску в редукторах та коливання діафрагм і зв’язаних з ними деталей. Коливання тиску може відбитись на роботі всієї системи регулювання двигуна.
Математичні моделі РВТ та РНТН являють собою системи диференційних і алгебраїчних рівнянь.
РВТ. Він є автоматичним одноступеневим регулятором тиску газу, призначення якого – понизити тиск газу, що поступає з балонів, до 900…1100 кПа (тут і далі тиск абсолютний), і підтримувати його в заданих межах незалежно від зміни витрати газу з РВД і тиску газу в балонах.
Особливістю конструкції РВТ є те, що в ньому немає жорсткого зв’язку між пластинчастим клапаном 2 (рис. 2, а) і штоком 3, що прикріплений до діафрагми 7. Тому, коли клапан 2 зачинений, діафрагма 7 разом зі штоком 3 може переміщатися вгору, стискаючи пружину 6 (рис.2,б). Ця особливість врахована в математичній моделі.
Рівняння балансу витрат крізь РВТ
,
де ,- тиск газу в РВТ і атмосферний тиск; - показник політропи; - витрата газу через клапан РВТ; - витрата газу через клапан першого ступеня РНТН; - об’єм порожнини РВТ в сумі з трубопроводом, що з’єднує його з РНТН; - густина газу в порожнині РВТ.
Рівняння руху діафрагми при відкритому клапані
Сд(хпр.д.-хв) - Скл(хпр.кл+хв) = Sд(рв-ро) + Sкл(рб-рв),
при закритому клапані
Сд(хпр.д.-хв1) = Sд(рв-ро) ,
де , - маса і коефіцієнт в’язкого тертя клапана і зв’язаних з ним рухомих деталей, що приведені до центру діафрагми; - переміщення клапана; хпр.д , хпр.кл - попередні стиски пружин діафрагми і пластинчастого клапана; Сд, Скл - жорсткості пружин діафрагми і пластинчастого клапана; Sд, Sкл - активні площі діафрагми і пластини клапана.
РНТН. Це є автоматичний двоступеневий регулятор тиску газу мембранно-важільного типу (рис.3), який складається з послідовно з’єднаних першого 1 та другого 2 ступенів. Тиск газу в кожному ступені залежить від попередньої деформації пружини діафрагми. Надлишковий тиск підтримується завдяки дроселюючій дії дозатора газу 3.
Призначення РНТН – знизити тиск газу до 110-140 кПа і підтримувати його в заданих межах незалежно від витрати газу через дозатор і зміни тиску рв на вході в РНТН. В редукторі не повинно бути коливань тиску, які можуть вплинути на витрату газу з нього і на роботу газодизеля.
Рівняння балансу витрат газу крізь РНТН
; ,
де - тиски газу в першій та другій порожнині РНТН; - показники політропи; - витрата газу через клапани першого та другого ступенів РНТН; - об’єми порожнин першого та другого ступенів РНТН.
При складанні рівнянь руху діафрагм враховано, що при відкритих клапанах на їх пластинчасті затвори діє гідродинамічна сила потоку газу, а при закритих клапанах до неї додається сила пружності ущільнень сідел затворів.
Рівняння руху діафрагм при відкритих клапанах
при закритих клапанах
;
де , - маси і коефіцієнти в’язкого тертя клапанів і зв’язаних з ними рухомих деталей, що приведені до центрів діафрагм; х1, х2 – висота підйому затворів клапанів; - переміщення центрів діафрагм; y1пр., y2пр. - попередні стиски пружин діафрагм; С1, С2 - жорсткості пружин діафрагм; S1, S2 - активні площі діафрагм; w1кр, w2кр – швидкості газу в каналах клапанів; Скл1, Скл2 – жорсткості пружних ущільнень сідел затворів клапанів; U1, U2 – передаточні числа від діафрагм до затворів клапанів; dкл1, dкл2 –діаметри пластинчастих затворів клапанів.
Параметри, що входять до правих частин рівнянь, визначались за такими рівняннями
Sдр= p(D2+Dd+d2) / 12 ; Sд = ksSдр ; Sкл = p?D2кл / 4;
S1р= p(D12 +D1d1+d12 ) / 12; S2р= p(D22 +D2d2+d22 ) / 12 ;
S1 = ks1S1р ; S2 = ks2S2р ;
; ; ,
де D, D1, D2, d, d1, d2 - діаметри діафрагм та жорстких центрів в РВТ і в першому та другому ступенях РНТН відповідно; ks1, ks2, - сталі коефіцієнти;
Витрата газу крізь клапани РВТ і РНТН відбувається в надкритичній зоні перепадів тисків, тому описуються рівняннями
Gв = mв?fв y; G1 = m??f1 y?; G2 = m2?f2 y??
де mв, m1, m2 - коефіцієнти витрати; fв, f1, f2 - площі прохідних перерізів пластинчастих клапанів; y?- сталий коефіцієнт, що залежить від величини показника адіабати; rб – густина газу в балонах.
Дозатор газу. Витікання газу крізь дозатор відбувається за підкритичними перепадами тисків, тому описується рівнянням
;
G3 = Gдг ; f3 = fдг; p3 = pвп.к; m3 = mдг .
Приведені диференційні та алгебраїчні рівняння представляють динамічну математичну модель газодозуючої системи і є невід’ємною частиною САРЧ газодизеля.
Для виконання розрахункових досліджень на ЕОМ складені програми, у яких системи диференційних рівнянь вирішуються чисельним методом Рунге-Кутта.
В четвертому розділі наведено цілі, задачі і програму експериментальних досліджень. Описано об’єкт експериментальних досліджень - газодозуючу систему для подачі газового палива під надлишковим тиском у впускну трубу автомобільного газодизеля ЯМЗ-236ГД, випробувальні стенди, обладнання і прилади.
Метою експериментальних досліджень було: визначення початкових даних, що необхідні для використання в рівняннях математичної моделі; перевірка адекватності математичних моделей; підтвердження правильності результатів розрахунків на ЕОМ.
Для досягнення поставлених цілей вирішувались наступні задачі:
1. Визначення залежностей коефіцієнтів витрати клапанів РВТ, РНТН і дозатора газу від переміщення їх затворів і перепаду тисків на затворах.
2. Перевірка адекватності математичних моделей РВТ, РНТН і газодозуючої системи “Балони-РВТ-РНТН-дозатор газу-газове сопло”.
3. Визначення характеристик ПНВТ і газодизеля ЯМЗ-236ГД та апроксимація їх рівняннями.
4. Перевірка адекватності математичної моделі САРЧ газодизеля, в яку входить динамічна математична модель газодозуючої системи “Балони-РВТ-РНТН-дозатор газу-газове сопло” як підсистема.
5. Зняття контрольних характеристик РВТ, РНТН з дозатором газу і газодизеля ЯМЗ-236ГД для підтвердження правильності розрахунків на математичній моделі.
Витратні характеристики газових редукторів знімались на спеціальній компресорній установці. Для запису перехідних процесів використовувався вимірювальний комплекс, що складався з осцилографа Н071.6 і групи датчиків. Робочим тілом було повітря.
Швидкісні та навантажувальні характеристики газодизеля ЯМЗ-236ГД визначалися на гальмівному стенді КС-56-4. При зніманні характеристик регулятор частоти обертання було вимкнено, кут випередження впорскування складав 180 і при переході на газодизельний цикл не змінювався. В якості газового палива використовувався стиснутий природний газ, а початковий тиск газу в другому ступені РНТН р2поч становив 120 кПа.
В п’ятому розділі приведені результати експериментально-теоретичних досліджень.
Спочатку визначено коефіцієнти витрати пластинчастих клапанів, жорсткості пружин та сумарні жорсткості пружин і діафрагм в РНТН.
Встановлено, що коефіцієнт витрати пластинчастого клапана має параболічну залежність від переміщення його затвору. Він практично не залежить від перепадів тиску, що бувають в РНТН, і змінюється в досить широких межах від 0 до 0,8. Ця залежність добре апроксимується поліномом третього ступеня. Коефіцієнт витрати mдг дозатора газу з конічним затвором при підйомі затвору від 0 до 1,5 мм різко збільшується до значення 0,9, а далі плавно збільшується до 0,98. Тому залежність mдг від hдг апроксимована на двох ділянках: на одній поліномом першого, а на другій поліномом другого ступеня.
Для перевірки адекватності математичних моделей РВТ і РНТН порівнювалися їх дослідні статичні та динамічні характеристики з характеристиками, що розраховані на математичних моделях.
Статичні характеристики – це залежності тиску газу та інших параметрів РВТ і РНТН від витрати газу з них на усталених режимах, а динамічні – це залежності цих же параметрів від часу після примусової зміни витрати газу, тобто в перехідних (неусталених) режимах.
Підтверджено, що розроблені динамічні математичні моделі РВТ і РНТН адекватно описують усталені та неусталені процеси в них. Коефіцієнти варіації середньої квадратичної помилки при порівнянні розрахункових характеристик з дослідними не перевищують допустимого значення 0,1.
При цьому виявилося, що в результаті відсутності в РВТ жорсткого зв’язку між діафрагмою та пластинчастим клапаном, тиск в ньому при ввімкненні витрати газу різко знижується на 100-125 кПа в порівнянні з початковим тиском. При вимкненні витрати газу відбувається протилежне.
Це підтверджено експериментами і враховано в математичній моделі РВТ.
На рис.4 показана розрахована на математичній моделі статична характеристика РВТ, на якій це видно. На неї нанесені дослідні точки, що отримані при збільшенні витрати (о) і зменшенні () витрати газу. Коефіцієнт варіації складає 0,011.
В період закриття пластинчастих клапанів в першому та другому ступенях РНТН відбувається різке підвищення тиску в них, а на початку відкриття - різке падіння тиску на 10-15 кПа в першому ступені і на 0,8-1,0 кПа у другому ступені. Це пояснюється впливом пружних ущільнень на сідлах клапанів котрі в перший момент після закриття клапана пропускають газ і виконують роль жорсткої пружини.
Ця особливість врахована в математичній моделі РНТН шляхом введення жорсткості ущільнень клапанів, що починає діяти після посадки затворів клапана на їх сідла.
На рис.5 показаний приклад розрахунку статичної характеристики з нанесеними на ній дослідними точками.
З’ясовано також, що жорсткість діафрагм не впливає на статичні характеристики РВТ і РНТН.
Аналіз схем і конструкцій РВТ і РНТН показує, що на їх статичні і динамічні характеристики можуть впливати такі параметри: експлуатаційні – тиск рб, початкові тиски рв.нач., р1поч, р2поч; конструкційні – жорсткості пружин; приведені маси рухомих частин; коефіцієнти в’язкого тертя; об’єм V2 порожнини другого ступеня РНТН і з’єднаного з ним трубопроводу.
Дослідженнями виявлено, що на статичну характеристику РВТ найбільш помітний вплив має зміна тиску рб, причому в зв’язку з відсутністю жорсткого зв’язку між діафрагмою і затвором клапана РВТ тиск рв збільшується при зменшенні тиску рб.
Наприклад, при однаковій витраті газу з балонів рівній 16 кг/год, при зменшенні тиску рб від 20000 до 2500 кПа (у 8 разів) тиск рв збільшується від 830 до 970 кПа (на 17%). Однак така зміна тиску рв компенсується в РНТН, тому практичного значення не має. Зведені маси і коефіцієнти в’язкого тертя в РВТ мають такі значення mB=0,0446 кг; mB1=0,0363 кг; nB=90 Н.с/м; nB1=40 Н.с/м.
Перехідні процеси в РВТ після різкої зміни положення затвора дозатора мають монотонний характер. Зміна коефіцієнтів в’язкого тертя nB і nB1 в 20 разів і мас mB і mB1 в 4 рази не впливає на витрату газу з РВТ. Однак при nB9 Н.с/м і nB14 Н.с/м та при mB0,089 кг і mB10,073 кг виникають невеликі високочастотні коливання затвора клапана і тиску рв, які на середню витрату газу не впливають. Зміна тиску р1 в РНТН незначно впливає на тиск р2 і навпаки, що пояснюється малим перепадом тисків в першому та другому ступенях.
Зміна тиску рв на вході в перший ступінь РНТН впливає на тиск р1, але на тиск р2 практично не впливає.
Рухомі частини в РНТН мають дуже невеликі маси: m1=0,034 кг і m2=0,04 кг. Значення коефіцієнтів в’язкого тертя теж невеликі: n1=60 Н.с/м і n2=30 Н.с/м. Зміна m1 і n1 в 2 рази і m2 і n2 в 6 разів не впливає на перехідні процеси в РНТН. Однак при n220 Н.с/м виникають коливання затворів клапанів, тисків і витрат газу в РНТН, але вони на стійкість САРЧ газодизеля і перехідні процеси в ній не впливають.
Збільшення об’єму другого ступеня РНТН і зв’язаного з нею газового трубопроводу до дозатора газу від 0,0005 до 0,005 м3, тобто в 10 разів, не впливає на перехідні процеси в РНТН, тому дозатор газу можна встановлювати на значній відстані від РНТН (трубопровід діаметром 20 мм може бути довжиною до 10-15 м).
Таким чином, помітно впливають жорсткість С2 пружини, коефіцієнт в’язкого тертя і особливо суттєво – початковий тиск р2поч.
Основними характеристиками всієї газодозуючої системи є залежність витрати газу через дозатор від положення його затвора і характер зміни цієї витрати після швидких змін положення затвора. Треба, щоб перша була сталою в потоці часу, а друга аперіодичною або монотонною. З аналізу характеристик РВТ і РНТН виходить, що на характеристики всієї газодозуючої системи можуть впливати жорсткість пружини С2, коефіцієнт n2 і тиск р2.
Встановлено, що зміна С2 в 3,3 рази при hдг=10 мм спричиняє зміну витрати газу на 7,6%. Це потрібно враховувати при призначенні допусків на точність виготовлення пружини.
Найбільш суттєвий вплив має тиск р2. При такому ж положенні дозатора hдг=10 мм при зменшенні тиску р2 від 136,7 до 108,2 кПа (на 21%) витрата газу зменшується від 30,2 до 12,2 кг/год (на 59,6%). Тому в умовах експлуатації необхідно достатньо точно настроювати тиск р2 і контролювати його.
На динамічні властивості РНТН помітно впливає коефіцієнт n2. При значеннях n220 Н.с/м починаються коливання тиску р2 і витрати G3 газу через дозатор. Однак ймовірність такого зменшення n2 мала. Надійна стабільність витрати газу забезпечується при n2=60 Н.с/м.
Потрібно зауважити, що РВТ і РНТН мають великий запас стійкості. Це пояснюється тим, що затвори пластинчастих клапанів мають невеликий робочий хід, при якому деформація пружин і приріст їх сили незначні. В той же час прохідний переріз клапанів і тиск газу в робочих ступенях РВТ і РНТН змінюється суттєво. Тому підтримується стійка рівновага сил. Це позитивна якість газодозуючої системи, що досліджується.
Що стосується мас рухомих частин і коефіцієнтів в’язкого тертя РВТ і РНТН, то вони можуть впливати на перехідні процеси в них, в тому числі на коливання тиску, але ці процеси на САРЧ газодизеля не впливають, оскільки інерційність САРЧ газодизеля набагато більша, ніж інерційність РВТ і РНТН.
Підтверджена адекватність математичної моделі всієї САРЧ газодизеля, в якій враховані інерційність РВТ і РНТН. При цьому відмічено, що запізнення зміни частоти обертання після швидкого переміщення органа управління регулятором при роботі по газодизельному циклу на 0,1-0,2 с більше, ніж при роботі по дизельному циклу, однак це не має суттєвого значення для автомобільних газодизелів.
При вдуванні газу у впускну трубу газодизеля під надлишковим тиском годинна витрата газу через дозатор практично не залежить від частоти обертання, тому при зниженні частоти обертання циклова подача газу збільшується, тобто виникає позитивне самокоригування подачі газу. Це є позитивним фактором. Однак самокоригування продовжується до мінімальної частоти обертання nдmin, яка допустима при роботі по зовнішній швидкісній характеристиці, і стає надмірним. Це призводить до появи недопустимої димності відпрацьованих газів (ВГ), яка особливо проявляється під час рушання автомобіля з місця та при розгонах після перемикання передач. Дослідження, що проводились на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” НТУ, показали, що шляхом зміни тиску р2поч можна впливати на це самокоригування, але в дуже вузьких межах. Тому запропоновано удосконалити газодозуючу систему використанням негативного коригування подачі газу при низьких частотах обертання.
Таке негативне коригування можна здійснити такими способами:
а) автоматичним регулюванням початкового тиску газу в другому ступені РНТН шляхом регулювання попередньої деформації пружини діафрагми другого ступеня;
б) автоматичною зміною положення дозатора газу, що здійснюється плавно або ступінчасто;
в) за допомогою двох паралельних дроселів, один з яких керується двопозиційним або пропорційним електромагнітом.
В якості керуючого сигналу в газодизелях без наддуву можна використовувати розрідження у впускному колекторі газодизеля (див. рис.1), а в газодизелях з наддувом - тиск наддуву.
Розрахунки показують, що завдяки негативному коректору димність ВГ при низьких частотах обертання не перевищує допустиму норму за ГОСТ 17.2.2.01-84 при різних значеннях початкового тиску р2поч в другому ступені РНТН (рис.6).
Розрахунки розгонів газодизеля на математичній моделі показали, що найбільший ефект від негативного коректора отримано, якщо розгін починається від низьких частот обертання.
Так, при розгоні в режимі вільного прискорення, тобто без навантаження, від nх.хmin=600 хв-1 до nд.хmах швидким переміщенням важеля керування регулятором в сторону збільшення частоти обертання максимальна димність відпрацьованих газів без негативного коректора може перевищити допустимі норми (рис.7, а), тоді як з негативним коректором вона не перевищує 25-29% (рис.7, б), що нижче гранично допустимої димності при випробуваннях по ГОСТ 17.2.2.01-84. Саме таким способом перевіряється димність ВГ за цим ГОСТом.
При розрахунку розгонів газодизеля під навантаженням від 1000 хв-1 різниця в димності ВГ склала лише 8% тому, що при високих частотах обертання вплив негативного коректора зменшується.
За розрахунками на математичній моделі під час розгону автомобіля МАЗ-5335 з газодизелем ЯМЗ-236ГД з місця з перемиканням передач на рівній горизонтальній дорозі з асфальтобетонним покриттям до швидкості 60 км/год у випадку без негативного коректора на початку розгону на I передачі є сплески димності до 100%, а з негативним коректором вони не перевищують 30%. При цьому з коректором викиди дисперсних часток під час розгону на 10-13% менші. Витрата палива і динамічні показники практично однакові.
Таким чином, удосконалення газодозуючої системи шляхом встановлення негативного коректора, може забезпечити помітне зниження димності ВГ і викидів дисперсних частинок при збереженні динамічних і економічних характеристик автомобіля.
Для газодизелів ЯМЗ-236ГД і аналогічних їм за робочим об’ємом циліндрів і частоті обертання колінчастого вала, підходять серійні РВТ, що застосовується на вітчизняних газобалонних автомобілях.
В серійний РНТ необхідно внести зміни (див. рис.3) і встановити пружину жорсткістю близько 6 Н/мм. Рекомендується конічний затвор дозатора газу з більшим діаметром 12 мм і кутом при вершині конуса 100, діаметр сопла 20 мм. Тиск газу в другому ступені РНТН можна прийняти на рівні 0,01 – 0,03 МПа (надлишковий).
Результати досліджень використовуються в Інституті газу НАН України, в ВАТ “Головне спеціалізоване КБ по двигунах” (м. Харків), а також в учбовому процесі на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” НТУ.
ВИСНОВКИ
1. В автомобільних газодизелях доцільно застосовувати систему дозування газового палива з подачею його у впускну трубу газодизеля під невеликим постійним надлишковим тиском, що виключає необхідність встановлення дифузора в газоповітряному змішувачі. Крім того покращується процес сумішоутворення і підвищується стабільність і надійність подачі газового палива.
2. Для подачі газу під надлишковим тиском в газодизелях рекомендується газодозуюча система, що містить в собі балони із стиснутим природним газом, автоматичний одноступеневий регулятор високого тиску (РВТ), автоматичний двоступінчастий регулятор низького тиску (РНТН), дозатор газу та розпилювач з соплом. Ця газодозуюча система є складною динамічною системою автоматичного регулювання тиску і подачі газу.
3. Для розрахунково-теоретичних досліджень процесів в газодозуючій системі газодизеля розроблена математична модель, що містить в собі три ланки, які описані звичайними диференційними рівняннями другого порядку, і складена програма для розрахунків на ЕОМ. Ця програма введена в програму розрахунків динаміки системи автоматичного регулювання частоти обертання колінчастого вала газодизеля. Підтверджена адекватність математичної моделі.
4. При переміщеннях клапанів в РВТ та РНТН тиск газу змінюється значно більше, ніж сила пружин діафрагм, тому редуктори високого та низького тисків мають великі значення фактора стійкості і стабільно підтримують задані рівні тисків в РВТ, в першому та другому ступенях РНТН.
5. На статичні і динамічні характеристики РВТ і РНТН і газодозуючої системи в цілому можуть впливати: тиск газу в балонах; жорсткості пружин діафрагм; величини початкових тисків газу; маси рухомих частин; значення коефіцієнтів в’язкого тертя; величина об’єму другого ступеня РНТН. Однак вплив цей на характеристики всієї САРЧ газодизеля незначний, за винятком тиску в другому ступені РНТН.
6. Від стабільності тиску газу в другому ступені РНТН суттєво залежать витрата газу через дозатор і потужність газодизеля. При зменшенні тиску на 1 кПа витрата газу з РНТН зменшується на 0,63 кг/год. Цей тиск залежить від настройки пружини в другому ступені РНТН. Допуск на відхилення тиску газу в другому ступені РНТН повинен встановлювати завод, який виробляє газодизелі з урахуванням допуску на відхилення потужності газодизеля.
7. Маси рухомих деталей в РВТ і РНТН незначні, близько 30-80 г, тому сили інерції від них на кілька порядків менші, ніж сили від тисків газу. В зв’язку з цим перехідні процеси в РВТ і РНТН аперіодичні і не відбиваються на динамічних характеристиках значно інерційнішої САРЧ газодизеля в цілому.
8. Завдяки подачі газу до впускної труби газодизеля під постійним надлишковим тиском годинна подача газу не залежить від частоти обертання газодизеля, а циклова подача газу гіперболічно зростає по мірі зниження частоти обертання. Цим забезпечується самокоригування подачі газу. Однак при низьких частотах обертання це коректування стає надмірним, що призводить до підвищення димності ВГ.
Запропоновано удосконалити систему дозування газового палива застосуванням негативного коректора подачі газу.
Розроблені схеми негативних коректорів в яких у якості управляючого сигналу застосовано розрідження у впускному трубопроводі, а в газодизелях з наддувом – тиск наддуву.
9. Ефективність негативного коректора перевірена розрахунками на математичній моделі. Розрахунки показали:
а) в режимі вільного прискорення за ГОСТ 17.2.2.01-84 від частоти обертання 600 хв-1 до максимальної частоти обертання димність ВГ без негативного коректора може перевищити допустимі норми, а з коректором не перевищує 30% ;
б) при розгонах автомобіля МАЗ-5335 з газодизелем з місця з перемиканням передач до швидкості 60 км/год на горизонтальній дорозі з твердим покриттям димність ВГ без негативного коректора може перевищувати допустимі норми, а з негативним коректором не перевищує 29%, викиди дисперсних часток з коректором менші на 10-13%.
10. На газодизелях ЯМЗ-236ГД і аналогічним їм за робочим об’ємом циліндрів і частотою обертання можна застосовувати серійний РВТ, що встановлюється на вітчизняних газобалонних автомобілях, і переобладнаний РНТ з пружиною в другому ступені жорсткістю 6 Н/мм. Рекомендується дозатор газу з конічним затвором з діаметром в основі конуса 12 мм, кутом при вершині 100. Надлишковий тиск в другому ступені РНТН можна приймати в межах 0,01-0,03 МПа.
В цілому отримані результати свідчать про хорошу стабільність роботи системи живлення газом під надлишковим тиском і доцільність застосування негативного коректора подачі газу в газодизелях для зменшення димності ВГ.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Колесник Ю.И. Газовый редуктор для подачи газа под избыточным давлением в газодизелях / Труды ТГАТА, том 2, вып. 6. - Мелитополь, 1997. - С.14-17.
2. Долганов К.Е., Колесник Ю.И. Динамическая математическая модель одноступенчатого газового редуктора / Труды ТГАТА, т. 6, вып.2. - Мелитополь, 1998. - С. 47-53.
3. Поляков А.П., Колесник Ю.И., Мартыненко Н.М. Расчетные скоростные характеристики газодизеля ЯМЗ-236ГД / Труды ТГАТА, т.3, вып.2. - Мелитополь, 1998. - С. 48-52.
4. Долганов К.Е., Колесник Ю.И. Проверка адекватности математической модели одноступенчатого газового редуктора высокого давления / Труды ТГАТА, т. 9, вып.2. - Мелитополь, 1999. - С. 32-40.
5. Долганов К.Е., Лисовал А.А., Колесник Ю.И. Система питания и регулирования для переоборудования дизелей в газодизели // Двигателестроение. - 1999. -№1.- С.37-40.
6. Долганов К.Е., Колесник Ю.И. Динамическая математическая модель двухступенчатого газового редуктора // Двигателестроение.- 2000.- 1. - С.27-30, 42.
7. Долганов К.Є., Лісовал А.А., Колесник Ю.І., Петрук С.М. Негативне корегування подачі газу в газодизелі // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: Зб. наук. пр. - Київ, УТУ, ТАУ, вип.9 – 2000.- С.44-49.
Колесник Ю.І. Удосконалення газодозуючої системи автомобільного газодизеля і визначення її раціональних параметрів. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - Теплові двигуни. - Національний транспортний університет, Київ, 2001 р.
Дисертацію присвячено удосконаленню та вибору раціональних конструктивних та регулювальних параметрів газодозуючої системи з подачею газу до впускного колектора під надлишковим тиском з метою покращення енергетичних і економічних показників газодизеля, зменшення димності відпрацьованих газів і викидів дисперсних часток.
Газодозуюча система містить в собі балони із стиснутим природним газом, автоматичні регулятори високого і низького тисків газу, дозатор, розпилювач газу з соплом.
Розроблена динамічна математична модель газодозуючої системи газодизеля з подачею газу під надлишковим тиском. Визначено вплив різноманітних конструкційних та регулювальних параметрів газодозуючої системи на її статичні і динамічні характеристики і на характеристики САРЧ газодизеля з цією системою.
При подачі газу у впускну трубу газодизеля під надлишковим тиском годинна витрата газу не залежить від частоти обертання колінчастого вала газодизеля, тому циклова подача збільшується при зменшенні частоти обертання. Завдяки цьому виникає самокоригування подачі газу. Однак при низьких частотах обертання воно стає надмірним.
Запропоновано удосконалити систему дозування газового палива застосуванням негативного коректора подачі газу. Ефективність такого коректора перевірена розрахунками на
