Міністерство освіти і науки України

Національний транспортний університет

ЛЯСКОВСЬКИЙ Валерій Григорович

УДК 621. 436

РОЗРОБЛЕННЯ І ДОСЛІДЖЕННЯ ДВОРЕЖИМНОГО РЕГУЛЯТОРА

ДЛЯ ДИЗЕЛЯ СЕРЕДНЬОЇ ПОТУЖНОСТІ

З РОТОРНИМ ПАЛИВНИМ НАСОСОМ

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,

професор Головчук А.Ф.,

Уманська сільськогосподарська академія

Міністерства аграрної політики України,

завідувач кафедри “Трактори і автомобілі”.

кандидат технічних наук,

доцент Худолій М.М,

Національний транспортний університет

Міністерства освіти і науки України,

доцент кафедри “Виробничі системи

і сервіс на транспорті”.

Провідна установа: Національний технічний університет“

Харківський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України,

Кафедра “Двигуни внутрішнього згорання ”.

Захист відбудеться "_21_"_лютого__ 2001г. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 059.03 в Національному транспортному університетів (01010, м. Київ, вул. Суворова 1)..

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного транспортного університету (01010, м. Київ, вул. Кіквідзе, 42).

Автореферат розісланий "_19__"_січня____ 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ____________________ В.П. Матейчик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дедалі більшого поширення як силова установка на автомобільному транспорті набуває дизель. Він є найекономічнішим транспортним двигуном. Крім того, дизель менш токсичний, ніж бензиновий двигун і довговічніший. Одним із напрямків удосконалювання транспортних дизелів є розроблення систем автоматичного регулювання дизелів, більше пристосованих до умов роботи на транспортних засобах, зокрема, на автомобілях. Актуальним залишається питання науково-обгрунтованого вибору типу регулятора: всережимного, дворежимного чи однорежимного з положистими частковими характеристиками.

Автомобільні дизелі середньої потужності та паливна апаратура до них в Україні не випускалися, не випускаються вони й тепер. Проте постановою Кабінету Міністрів України від 16.01.1996 р. № 95 затверджено "Державну програму розвитку моторобудування України", відповідно до якої передбачено організувати виробництво вітчизняних автомобільних дизелів середньої потужності та паливної апаратури до них.

У зв'язку з цим важливим завданням є вибір найбільш перспективних схем дизельних паливних насосів високого тиску (ПНВТ) і регуляторів частоти обертання для автомобільних дизелів. Одним з таких ПНВТ для високообертових дизелів можна вважати роторний паливний насос типу НРД з дозуванням палива відсічкою, розробленим у 1970 - 80 роках на Харківському тракторному заводі (ХТЗ) на базі роторного ПНВТ типу PRS французької фірми SIGMA (рис.1). Перевагою цього ПНВТ є вдала кінематична схема, котра дає змогу підвищити максимальний тиск упорскування до 100 МПа і більше, як це і необхідно для сучасних дизелів. Але на ПНВТ типу НРД і PRS застосовано всережимний регулятор частоти обертання, а численні дослідження, проведені останніми десятиліттями, показують, що на автомобільних дизелях краще застосовувати дворежимні регулятори, завдяки яким забезпечується зниження експлуатаційної витрати палива на 5...10 %.

Рис.1 Паливний насос високого тиску типу НРД

Тому актуальним завданням є вибір принципової схеми дворежимного регулятора для роторних ПНВТ типу НРД і визначення його раціональних конструктивних параметрів з урахуванням специфічних особливостей цих ПНВТ. Слід відзначити, що за кордоном близько половини ППВТ, які випускаються для автомобільних дизелів, це ПНВТ розподільного типу.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Дослідження пов'язані з виконанням Державної науково-технічної програми "Економія палива і раціональне використання паливно-мастильних матеріалів на 1992-1995 р.", затвердженої наказом ДКНТ України від 13.10.92р. № 42 та "Державної програми розвитку моторобудування України", затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 16.01.1996 р. № 95.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є поліпшення експлуатаційної паливної економічності автомобіля з дизелем середньої потужності та роторним ПНВТ типу НРД шляхом застосування дворежимного регулятора частоти обертів з положистими частковими швидкісними характеристиками і визначення їхнього раціонального нахилу.

Завдання дослідження:

1. Розроблення схеми та конструкції дворежимного регулятора для роторної ПНВТ типу Н РД.

2. Доопрацювання нелінійної математичної моделі системи автоматичного регулювання частоти обертання (САРЧ) дизеля середньої потужності з роторною ППВТ з урахуванням особливостей дворежимного регулятора.

3. Експериментальна перевірка адекватності математичної моделі.

4. Розроблення методики розрахунку дворежимного регулятора роторної ППВТ.

5. Аналіз впливу величини нахилу часткових швидкісних характеристик дворежимного регулятора на паливну економічність і динаміку автомобіля за допомогою математичної моделі та визначення раціональної величини їхнього нахилу.

6. Розроблення рекомендацій з використання на автомобільних дизелях із ППВТ типу ПРД дворежимного регулятора замість всережимного.

Об'єкт дослідження. Дворежимний регулятор частоти обертання для роторного ПНВТ із дозуванням подачі палива відсічкою.

Предмет дослідження. Формування часткових швидкісних характеристик дворежимного регулятора роторної ПНВТ з урахуванням специфічних особливостей його швидкісних характеристик.

Методи досліджень. Експериментально-розрахункові; експериментальним методом досліджувалися швидкісні характеристики ПНВТ та дизелів із серійними і дослідними регуляторами, визначалися вихідні дані для математичної моделі, перевірялася її адекватність. За допомогою математичної моделі на ЕОМ здійснювався аналіз впливу величини нахилу часткових швидкісних характеристик 2-режимного регулятора на паливну економічність і динаміку автомобіля та визначення раціональної величини цього нахилу.

Наукову новизну отриманих результатів становлять:

1. Принципова схема дворежимного регулятора з положистими частковими швидкісними характеристиками для роторної ПНВТ типу НРД, яка має специфічні швидкісні характеристики циклової подачі.

2. Методика статичного розрахунку швидкісних характеристик роторної ПНВТ із дворежимним регулятором.

3. Доопрацьована математична модель для розрахунково-теоретичних досліджень САРЧ дизеля з роторним ПНВТ із дворежимним регулятором.

4. Методики експериментальних досліджень дворежимного регулятора.

5. Нові дані про вплив величини нахилу часткових швидкісних характеристик дворежимного регулятора на паливну економічність і динамічні властивості автомобіля.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Конструкція експериментального дворежимного регулятора для роторної ПНВТ типу НРД.

2. Алгоритми і програми для виконання розрахунково-теоретичних досліджень статики та динаміки дизеля з дворежимним регулятором й автомобіля з цим дизелем на ЕОМ.

3. Результати досліджень на математичній моделі та рекомендації з вибору раціонального нахилу часткових швидкісних характеристик дворежимного регулятора.

4. Конструктивні параметри пружин регулятора.

Автором особисто виконано:

1. Розроблено принципову схему 2-режимного регулятора та конструкцію експериментального зразка.

2. Розроблено методику розрахунку 2-режимного регулятора.

3. Складено алгоритм і програму для розрахунково-теоретичних досліджень на ЕОМ.

4. Виконано експериментальні дослідження в лабораторіях і на автомобілях.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на конференціях професорсько-викладацького складу КАДІ, УТУ у 1976-1978, 1980, 1982, 1983, 1996 та 1997 рр.; на третій тематичній науковій конференції з питань конструювання й експлуатації паливоподавальних систем автотракторних дизелів у 1977 року в м. Саратові; на Всесоюзній науково-технічній конференції "Перспективи розвитку комбінованих двигунів внутрішнього згоряння і двигунів нових схем і палив" у 1978 р. в Москві; на Всесоюзній конференції "Захист повітряного басейну від забруднення токсичними викидами транспортних засобів" у 1981 р. в Харкові; на другому республіканському науково-технічному семінарі з питань поліпшення показників теплових двигунів і ресурсозбереження у 1996 і 1999 рр. в Мелітополі, та на міжнародній конференції "Metody obliczeniowe і badawcze w rozwoju systemow pojazdow samochodowych і maszyn Roboczych samojezdnych" у 1996 і 1999рр., в м. Жешув, Польща.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи та результати досліджень опубліковано в 7 друкованих працях, двох авторських свідоцтвах, а також в 6 наукових звітах і 1 депонованому рукописі.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, який містить 129 найменувань, і додатків. Повний обсяг дисертації – 321 сторінка, з них – 139 сторінок машинописного тексту, 127 рисунків, 25 таблиць і 4 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність застосування дворежимного регулятора на дизелях середньої потужності з роторним ПНВТ типу НРД, сформульовано мету дисертаційної роботи, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі "Особливості швидкісних характеристик системи автоматичного регулювання частоти обертання (САРЧ) автомобільних дизелів. Вибір об'єкта досліджень" подано огляд досліджень режимів роботи автомобільних двигунів і їхнього впливу на систему автоматичного регулювання дизелів із всережимними, дворежимними й однорежимними регуляторами частоти обертання на паливну економічність автомобіля, димність відпрацювавших газів (ВГ) і викиди дисперсних часток.

Дослідження проф. Д.П. Великанова, А.Г. Терещука, В.Н. Архангельського та багатьох інших показали, що при умовах експлуатації автомобілів у місті і за містом на дорогах з інтенсивним рухом їхні двигуни до 70-88% часу працюють з неповним навантаженням при мінливих режимах, виконується часте переключення передач. Тому в САРЧ автомобільного дизеля з всережимним регулятором виникають перехідні процеси з "закиданнями" рейки ППВТ вбік підвищення подавання палива, що призводить до погіршення паливної економічності в умовах експлуатації. Це явище значно менше виявляється в САРЧ дизелів із дво- і однорежимними регуляторами.

За даними досліджень, проведених А.В. Златопольским, В.І. Шестухіним, Е.І. Блаженновим, Ю.Ф. Гутаревичем, А.Ф. Головчуком, А.Г. Говоруном, І.Е. Каньковським, А.С. Жерновим та іншими, із дворежимними й однорежимними регуляторами експлуатаційна витрата палива знижується на 5...10%, зменшується димність ВГ. Тому на автомобільних дизелях доцільно застосовувати дворежимні чи однорежимні регулятори з положистими частковими швидкісними характеристиками.

Проте вибір регулятора для різних типів ПНВТ (багатосекційних, розподільних з дозуванням відсічкою чи дроселюванням на впусканні) є творчим завданням, яке потребує проведення наукових досліджень. Зокрема, виявилося, що ПНВТ типу НРД з однорежимним і звичайним дворежимним регулятором не забезпечує стійкості САРЧ у зоні мінімальної частоти обертання в режимі холостого ходу.

Дисертаційну роботу присвячено вибору раціональної схеми та визначенню конструктивних параметрів дворежимного регулятора для роторних ПНВТ типу НРД. Ці ПНВТ можуть використовуватися на українських автомобільних дизелях середньої потужності: 4-циліндрових СМД-23.07, 6-циліндрових СМД-31.15 (рядних) і Д-6112 (V-подібний), розроблених на базі тракторних і комбайнових дизелів, а також на перспективних швидкохідних дизелях. ПНВТ типу НРД розроблений на основі конструкції роторного насосу PRS французької фірми SIGMA. Він у 2...2,5 рази перевершує багатосекційні ПНВТ за ваговими та габаритними показниками, більш надійний та практичний, не вимагає технічного обслуговування в процесі експлуатації завдяки проточному мащенню насоса дизельним паливом із системи живлення дизеля.

У ПНВТ типу НРД (рис.2) плунжери 4 розміщені в масивній втулці 2, де обертається дозатор-розподільник 1. Плунжери здійснюють зворотно-поступальний

Рис. 2. Роторний ПНВТ НРД-6 з всережимним регулятором

рух під дією внутрішніх кулачків обертової кулачкової шайби 3, і зворотних пружин. Тому сили, які діють на плунжери, не передаються на корпус ПНВТ. На дозатор-розподільник діє всережимний відцентровий регулятор з вантажами 6 і пружинами 7. Дозування подачі здійснюється відсічкою на ході нагнітання. Для цього на дозаторі-розподільнику виконані впускні та відсічні пази. Вони мають нахил щодо осі дозатора-розподільника, тому при його переміщенні в осьовому напрямку під дією регулятора подача палива змінюється.

У ПНВТ вбудована автоматична муфта випередження впорскування 5 залежно від частоти обертання.

У другому розділі "Розроблення дворежимного регулятора для дизеля середньої потужності та складання математичної моделі для розрахунково-теоретичних досліджень" розглядається принципова схема розробленого в дисертації дворежимного регулятора для роторного ПНВТ типу НРД, наведено вимоги до регулятора й описано динамічну математичну модель системи "Водій-автомобіль-дорога-довкілля" (ВАДД), новим елементом у якій є САРЧ дизеля з роторною ПНВТ типу НРД із 2-режимним регулятором.

Аналіз швидкісних характеристик ПНВТ типу НРД при зафіксованому в різних положеннях (координата hн) дозатора-розподільника палива показав, що при зниженні частоти обертання nн ротора ПНВТ циклова подача палива qц різко падає, що пояснюється збільшенням перетікання палива у проміжках між пазами в дозаторі розподільнику (рис.3).

Рис. 3.Формування регуляторної вітки на режимі

мінімальної частоти обертання холостого

ходу в роторній ПНВТ типу НРД

Така особливість швидкісних характеристик властива й іншим ПНВТ розподільного типу з дозуванням подачі палива відсічкою, наприклад, одноплунжерним типу НД21 і НД22, застосовуваним на тракторних дизелях. Це істотно впливає на роботу регулятора в зоні малих частот обертання. Якщо регуляторна вітка А має недостатній нахил, то при переміщенні дозатора-розподільника під дією регулятора вбік зменшення подачі, коли частота обертання зростає, подача палива не зменшується, а навпаки, збільшується (штрихова лінія 1-2-3-4-5). Це порушує роботу регулятора і САРЧ утрачає стійкість.

Якщо сформувати регуляторну вітку більш крутою (лінія Б), то цього не відбувається.

Це означає, що для роботи в зоні низьких частот обертання в регуляторі має бути спеціальна додаткова пружина.

З урахуванням сказаного вище розроблено блок пружин регулятора (рис.4), до якого входять: дві паралельно діючі пружини 5 і 6 максимальної частоти обертання, які мають постійне попереднє стиснення; пружина 4 для автоматичного збільшення подачі палива під час пуску дизеля; основна 11 і додаткова 12 коректорні пружини; пружина 17 мінімальної частоти обертання; передній упор 3 пружин; рухливий задній упор 8 пружин максимальної частоти обертання; рухливий стакан 13, у який упирається пружина 4; регулювальний гвинт 15 початку дії коректора; двуплечий важіль 16; опорне кільце 10 для основної 11 і додаткової 12 коректорних пружин і упор 18 пружини 17; регулювальний гвинт 2 номінальної частоти обертання;

Рис. 4 Блок пружин дворежимного регулятора.

втулка 7 зі штифтом 9, що входить у поздовжній паз на поверхні гвинта 2; стакан 14 пружин 11, 12 і 17; внутрішній важіль 19, установлений на одному валику із зовнішнім важелем керування, який на малюнку 4 не показаний. Рухливий стакан 13 пов'язаний із вантажами регулятора двуплечим важелем 16.

Усі деталі регулятора розміщені у верхній кришці 1, установленій на корпусі ПНВТ. Для настроювання регулятора на часткових характеристиках важіль 19 встановлюють в одне з проміжних положень у межах його ходу від крайньої лівої до крайньої правої позиції. Від положення важеля 19 залежать проміжки h2 і h3 , а отже, попередня деформація пружин 4,12,17 і частота обертання, при якій починає формуватися часткова характеристика.

На рис. 5 показано залежності осьової координати hн стакана 13 від частоти обертання при формуванні зовнішньої (товсті суцільні лінії) і часткових (тонкі суцільні лінії) характеристик дворежимного регулятора. Ці залежності кусково-лінійні. При переміщенні дозатора-розподільника убік зменшення подачі палива, пружини стискуються послідовно чи одночасно.

На ділянці I працює тільки пружина 4 збагачувача подачі палива під час пуску дизеля.

На ділянці II працюють пружина 4 і пружина 17 мінімального холостого ходу.

На ділянці III працюють пружини 4, 11 і 17.

На ділянці IV працюють пружини 4, 11, 12 і 17.

На ділянці V деформуються пружини 4, 5 і 6, а пружини 11, 12 і 17 мають постійну деформацію й у роботі участі не беруть.

Пружина пускового збагачувача працює на всіх ділянках, але оскільки жорсткість її істотно менша від жорсткості пружин 5, 6, 11, 12, її вплив на формування ділянок II, III, IV, V характеристики незначний. На рис. 5 позначені: nmin - включення в роботу пружини 11; nм - режим максимального крутильного моменту дизеля; nном - номінальний швидкісний режим; nmax - максимальна частота обертання , при якій регулятор цілком виключає подання палива. Хід дозатора-розподільника: hн1 - на ділянці пускового збагачувача; hн2 - на ділянці мінімального холостого ходу; hн3 - в інтервалі від nmin до nм при настроюванні регулятора на часткові режими; hн4 - в інтервалі від nм до nном; hн5 - в інтервалі від nном до nmax.

З рис. 5 видно, що при зміні настроювання регулятора (воно здійснюється за допомогою зовнішнього важеля керування) відбувається зсув часткових характеристик по вертикалі в межах від осі абсцис вгору до лінії з координатою hн2.

Дворежимний регулятор можна перетворити в однорежимний з положистими частковими швидкісними характеристиками вилучивши пружину 17 (дивися рис.4).

Рис.5 Зовнішня і часткові швидкісні характеристики

дослідного дворежимного регулятора

Для розрахунково-теоретичних досліджень використовувалася математична модель системи ВАДД, розроблена на кафедрі "Двигуни і теплотехніка" під керівництвом д.т.н. Долганова К.Е. і д.т.н. Гутаревича Ю.Ф. на основі положень, викладених у працях д.т.н. Крутова В.І. Здобувачем у цю модель внесено такі нові елементи: враховано значну нелінійність швидкісних характеристик циклової подачі роторного ПНВТ типу НРД; нелінійність часткових швидкісних характеристик при дворежимному і однорежимному регулюванні; отримано апроксимуючі рівняння першого і другого ступенів від одного чи двох аргументів, якими описані експериментальні нелінійні характеристики ланок САРЧ дизелів ЯМЗ-236 і ЯМЗ-238 з досліджуваним ПНВТ типу НПРД і експериментальним регулятором; враховано наявність пружного зв'язку між муфтою регулятора і дозатором подання палива.

При розробленні математичної моделі прийнято такі припущення: автомобіль рухається прямолінійно; трансмісія автомобіля жорстка; система "ПНВТ - трубопроводи високого тиску - форсунки" безінерційна; у паливі немає розчиненого в ньому повітря.

Система ВАДД є динамічною, в якій енергія, вироблювана двигуном, витрачається на подолання опору руху автомобіля. У математичній моделі розглядається рушійний момент двигуна і моменти опору, що діють на колеса автомобіля. Усі моменти приведені до колінчастого валу дизеля. До неї входять такі рівняння:

1. Автомобіль з дизелем:

а) при включеному зчепленні

( 1)

б) при виключеному зчепленні

( 2)

( 3)

в) розгін автомобіля з пробуксувальним зчепленням

( 4)

( 5)

МЗЧ (t) = AЗЧ *t , ( 6)

де - частоти обертання колінчастого валу дизеля і валу зчеплення; Мі, Мм, Мнв, Мзч – індикаторний крутильний момент, момент механічних втрат, момент навантаження дизеля, момент, що передається через зчеплення під час його пробуксовки; Ід, Іа , Ік - моменти інерції дизеля, кузова автомобіля з вантажем і колесами автомобіля, приведені до колінчастого вала дизеля; - циклове подача палива; АЗЧ - швидкість наростання моменту тертя зчеплення .

Момент навантаження, створюваний автомобілем при усталеному русі, одержуємо з рівняння тягового балансу

, ( 7)

де повна маса автомобіля, кг; 9,81 м/с2; коефіцієнт опору котіння колеса; кут підйому чи спуску дороги, град; динамічний радіус котіння колеса, м; фактор опору повітря, кг/м2; загальне передавальне число і коефіцієнт корисної дії трансмісії автомобіля.

2. Регулятор частоти обертання

( 8)

де приведені до муфти регулятора маса і коефіцієнт вўязкого тертя регулятора; приведена до муфти відновлювальна сила регулятора, (сила пружин регулятора) підтримна сила регулятора сумарна жорсткість пружин регулятора і муфти випередження впорскування попередня деформація пружин осьова координата дозатора-розподільника. На різних ділянках швидкісних характеристик працюють відповідні пружини.

3. Паливний насос високого тиску

( 9)

де а, В, с - постійні коефіцієнти, визначені дослідним шляхом; частота обертання ротора ПНВТ.

4. Рівняння зв'язків

де передавальні числа; переміщення стакана муфти випередження упорскування; кут повороту важеля керування регулятором.

Аналіз статики і динаміки САРЧ дизеля виконувався на ЕЦВМ ЄС і ПЕВМ типу IBM. Для цього використовувалися раніше розроблені на кафедрі "Двигуни і теплотехніка" програми, у які дисертантом внесені істотні зміни і доповнення, з урахуванням особливостей САРЧ дизеля з ПНВТ типу НРД, а також розроблені нові програми для аналізу швидкісних характеристик досліджуваного регулятора і дизеля з цим регулятором.

За цими програмами виконувалися такі розрахунки:

Початкових параметрів САРЧ на заданих сталих швидкісних режимах.

Швидкісних характеристик дизеля із САРЧ.

Перехідних процесів. Цю програму розроблено на основі стандартної бібліотечної програми для розрахунків звичайних диференціальних рівнянь першого порядку у формі Коші чисельним інтегруванням методом Рунге-Кута (модифікація Гілла).

Розгонів автомобіля з переключенням передач. Вони виконувалися на основі методики, розробленої д.т.н. Ю.Ф. Гутаревичем.

У третьому розділі "Мета, програма і методики експериментальних досліджень. Устаткування і прилади" приведено завдання та програму експериментальних досліджень, характеристики приладів і оснащення, котрі використовувалися під час досліджень. Дослідження проводилися на безмоторній установці і на V-подібних автомобільних дизелях: 6-циліндровому 6Ч13/14 (ЯМЗ-236) і 8-циліндровому 8Ч13/14 (ЯМЗ-238), Ярославського моторного заводу (ЯМЗ). Ці дизелі без наддуву, вони встановлюються на різні модифікації автомобілів Мінського і Кременчуцького автомобільних заводів (МАЗ і КрАЗ). Частина досліджень виконувалася на дизелі СМД-62 з газотурбінним наддувом, цей дизель установлюється на колісні трактори Т-150К.

Вимірювальні прилади забезпечували точність вимірів відповідно до чинних нормативних документів.

У четвертому розділі "Результати експериментальних досліджень" аналізуються результати досліджень на безмоторній установці та дизелях, встановлених на гальмівних стендах, а також досліджень на автомобілях в умовах експлуатації.

На початку досліджень були отримані серії навантажувальних характеристик дизеля ЯМЗ-236 з серійним рядним ПНВТ ЯЗТА-110.1111 і роторним НРД-6, а також швидкісні характеристики рядних і роторних ПНВТ, характеристики підтримуючої сили регулятора, характеристики автоматичної муфти випередження впорскування та інші. Ці характеристики використані для розрахунків постійних коефіцієнтів апроксімуючих рівнянь, котрі входять в математичну модель САРЧ дизеля. Коефіцієнти розраховувалися методами математичного планування факторних експериментів.

Визначено, що оптимальний встановлювальний кут випередження впорскування для роторних ПНВТ НРД-6 на дизелі ЯМЗ-236 дорівнює 37 град. до ВМТ при діаметрі плунжерів 8 мм і 26 град. до ВМТ із плунжерами 10 мм. Оптимальний встановлювальний кут ПНВТ НРД-8 із плунжерами діаметром 8 мм для дизеля ЯМЗ-238 дорівнює 27 град. до ВМТ, а з плунжером діаметром 9 мм - 25 град. до ВМТ. З цими значеннями кута випередження впорскування дизелі ЯМЗ-236 і ЯМЗ-238 з роторними ПНВТ за навантажувальними характеристиками мають майже таку ж паливну економічність, як і з серійними ПНВТ ЯЗТА-110.1111 і ЯЗТА- 120.1111. Це свідчить про те, що роторні ПНВТ придатні для названих дизелів навіть без додаткового доведення параметрів впорскування.

Встановлено, що в інтервалі частот обертання від 1300 до 2100 хв.-1 колінчастого вала дизеля ЯМЗ-236 з роторним ПНВТ типу НРД-6 індикаторний крутильний момент є функцією тільки циклової подачі. Характеристика цього крутильного моменту добре апроксимується поліномом третього ступеня з одним аргументом.

Дослідження показали, що димність відпрацювавших газів безнаддувних дизелів ЯМЗ-236 і ЯМЗ-238 можна подати як функцію двох параметрів: коефіцієнта надлишку повітря a і частоти обертання колінчастого вала дизеля. Залежності димності відпрацьованих газів, від a при постійних значеннях частоти обертання мають гіперболічний характер. Вони апроксимовані по ділянках експоненціальними рівняннями. Характеристики димності дизелів з роторним і серійним рядним ПНВТ близько збігаються між собою.

Муфта випередження впорскування ПНВТ типу НРД-6 забезпечує на дизелі ЯМЗ-236 автоматичне регулювання кута випередження впорскування залежно від частоти обертання колінчастого вала за оптимальним для цього дизеля, законом. Але при зменшенні навантаження кут випередження впорскування зменшується більше, ніж за оптимальною характеристикою. Проте це не є принциповим недоліком муфти, необхідний закон може бути забезпечений зміною нахилу пазів на дозаторі. В усьому діапазоні частот обертання, від холостого ходу до максимальної САРЧ дизелів ЯМЗ-236, ЯМЗ-238 і СМД-62 працювала надійно стійко.

Швидкісні характеристики циклової подачі роторних ПНВТ НРД-6 і НРД-8 при зафіксованому в різних положеннях дозаторі круто падають на ділянці частоти обертання мінімального холостого ходу автомобільного дизеля (550...650 хв-1 колінчастого вала). Підтвердилося, що у ПНВТ з всережимним регулятором на регуляторних гілках в зоні цих частот обертання утворюються "бугри" як показано на рис. 3. Ці "бугри" було усунуто підбором жорсткості пружини мінімальної частоти обертання. Визначено її бажану жорсткість, вона повинна знаходитися у межах 0,35 … 0,45 Н/мм.

Шляхом розрахунків параметрів пружин регулятора отримані швидкісні характеристики дизелів ЯМЗ-236, 238 і СМД-62 схожі з тими, що показані на рис. 5. З цими характеристиками забезпечувалася стійкість САРЧ дизеля на всіх швидкісних і навантажувальних режимах, у тому числі і на режимі холостого ходу 550..650 хв-1, як це передбачено для автомобільних дизелів середньої потужності.

Динамічні якості САРЧ дизеля перевірено при розгонах дизеля без навантаження і під навантаженням на гальмовому стенді з обома типами регуляторів (всережимним і дворежимним) перехідні процеси мають монотонний характер без закидів частоти обертання колінчастого вала дизеля.

При швидкому переміщенні важеля керування регулятором на повний хід рейка ПНВТ в обох регуляторах виходить у положення повної подачі палива і показники розгонів без навантаження і під навантаженням однакові. При переміщенні важеля на неповний хід у дворежимного регулятора рейка не виходить у положення повної подачі палива. Тому при розгоні без навантаження пік димності в 1,3 – 1,4 рази менший, але тривалість розгону досягає 4с замість 1,5 – 2,0с із всережимним регулятором. Під навантаженням пік димності менший в 2,0 – 2,3 рази, а тривалість розгону більша на 0,5 – 0,7с. Але більший час розгону практичного значення не має, оскільки в реальних умовах інтенсивність розгону задає водій, діючи на педаль керування дизелем.

При одиничних розгонах від 1100 до 1300 хв-1 під навантаженням і повторними розгонами-уповільненнями дизеля теж під навантаженням, витрата палива з дворежимним регулятором менша в першому випадку на 27,6%, а в другому – на 8,3%. Це свідчить про те, що на несталих режимах роботи при часткових навантаженнях із дворежимним регулятором витрата палива менша.

Шляхом порівняння експериментальних і розрахункових кривих перехідних процесів при розгонах дизеля на гальмівному стенді підтверджено адекватність математичної моделі САРЧ дизеля.

Для перевірки роботи регулятора в умовах експлуатації два ПНВТ НРД-8 були встановленні на дизелі ЯМЗ-238 вантажних автомобілів МАЗ-504В. Пробіг автомобілів за час іспитів склав 30733 і 4620 км. Регулятори працювали нормально. Відмічено зручне управління автомобілем з двохрежимним регулятором.

У п'ятому розділі "Результати досліджень на математичній моделі" розглянуто вплив крутості нахилу часткових характеристик на показники розгонів автомобіля з місця з переключенням передач : час розгону пройдений шлях витрата палива і викиди дисперсних часток . Для цього на математичній моделі імітувалися розгони автомобіля МАЗ-5549 з дизелем ЯМЗ-236 при повній масі на рівній горизонтальній дорозі, яка має асфальтобетонне покриття з переключенням передач від першої до п'ятої та виходом на максимальну швидкість. Порівнювалися показники розгонів при досягненні швидкості 60 км/год. Розглядалися три варіанти регулятора: із приблизно горизонтальними частковими характеристиками; з характеристиками, що мають положистий нахил; з характеристиками як у всережимного регулятора. Регулятори відповідно позначені ДР1, ДР2, і ВР. Розглядалися три способи розгонів, які умовно названі: форсований, при якому автомобіль розганяється до частот обертання nд, хв-1: на I передачі - 1900; на II – 1900; на III – 2000; на IV – 2100; на V – 2100, а педаль керування регулятором переміщається на повний хід; інтенсивний, розгін до частот обертання nд, хв-1: на I і II передачах - 1600; III – 1700; IV – 1800; на V – 2000, педаль керування регулятором переміщається на повний хід; помірний, розгін до таких самих частот обертання, як при інтенсивному розгоні, але переміщення педалі на I, II і III передачах на 0,75 ходу, а на IV і V на повний хід.

Швидкість переміщення педалі керування в усіх випадках однакова. Приклад розрахунку показаний на рис. 6. На ньому позначені:

переміщення педалі керування дизелем і зчепленням; швидкість автомобіля; частота обертання колінчастого вала дизеля і вала зчеплення.

Після вимикання зчеплення частота обертання дизеля швидко падає, а вал зчеплення приводиться в обертання через трансмісію від коліс автомобіля, тому частота його обертання зменшується пропорційно швидкості автомобіля. Із включенням чергової передачі частота обертання вала зчеплення ступенево зменшується. Після цього поступово включається зчеплення і збільшується подача палива. Частоти обертання валів зближаються до повного вирівнювання.

Розрахунки показали, що при однаковому керуванні дизелем на показники розгонів впливає наявність пружного зв'язку між педаллю керування і дозатором ППВТ у вигляді пружини регулятора, а також жорсткість цього зв'язку. Пружний зв'язок призводить до того, що на початку розгону після включення наступної передачі частина ходу педалі керування

Рис. 6. Форсований розгін автомобіля МАЗ-5549 з ПНВТ НРД-6.

Регулятор ДР2.

дизелем іде на стиск пружини регулятора при нерухомому дозаторі. За цей час частота обертання дизеля продовжує знижуватися і наступна фаза розгону дизеля й автомобіля починається з деяким запізнюванням. Це запізнювання найбільше у всережимного регулятора, а в регулятора ДР1 його немає зовсім. Тому при форсованому розгоні до 60 км/год час розгону, пройдений шлях, витрата палива і викид дисперсних часток з регулятором ДР1 менше, ніж із ВР відповідно на 5,3; 3,9; 2,2; 5,75%. При інтенсивному розгоні ці ж показники з ДР1 менше на 2,3; 1,2; 0,38; 2,3%. Показники з ДР2 перебувають між показниками з ДР1 і ВР.

При помірному розгоні ліпші показники з регулятором ДР2: час розвантажування до 60 км/год, шлях розгону, витрата палива і викид дисперсних часток менші порівняно з ВР на 1,5; 0,8; 0,44; 2,8%, а порівняно з ДР1 – на 6,2; 1,8; 0,5, викиди дисперсних часток – на 15,8%. Це пояснюється тим, що в регуляторі ДР1 дозатор при розгонах на I , II і III передачах не доходить до положення номінальної подачі, а в ДР2 і ВР доходить. Тому розгін з цими регуляторами більш інтенсивний. Але з ДР1 менші викиди дисперсних часток з відпрацювавшими газами. Усе це більшою мірою позначається при розгонах на невеликих швидкостях, що мають місце в умовах їзди містом. У регуляторі ДР2 об'єднані позитивні якості регуляторів ВР і ДР1 – це інтенсивний початок розгону , як із ВР, і невелике "просідання" частоти обертання дизеля під час переключення передач, як із ДР1.

У цілому дослідження показали, що при однаковій швидкості переміщення дозатора показники розгонів автомобіля з дворежимним регулятором кращі, ніж з всережимним, а що стосується двох варіантів дворежимних, то при форсованому й інтенсивному розгонах показники кращі в регулятора без коригувальної пружини, а при помірному розгоні – в регулятора з коригувальною пружиною, тобто з положистими частковими швидкісними характеристиками. Але слід зважати, що розгони поділяються на форсований, інтенсивний і помірний умовно. У реальних ситуаціях водій погоджує свої дії зі швидко мінливими умовами руху. Проте виконаний аналіз дає досить чітке уявлення про характер впливу типу регулятора на показники розгонів автомобіля.

З огляду на те, що форсований та інтенсивний розгони в умовах експлуатації використовуються рідше, ніж помірний, перевагу слід віддати регулятору ДР2. Проте нахил часткових регуляторних галузей треба робити мінімальним, зважаючи на умови забезпечення стійкості САРЧ на часткових швидкісних характеристиках.

Жорсткість пружин регулятора доцільно добирати варіюванням на ЕОМ розрахунків швидкісних характеристик САРЧ дизеля. Наприклад, для регуляторів ПНВТ НРД-6 і НРД-8, призначених для дизелів ЯМЗ-236 і ЯМЗ-238 рекомендовані такі жорсткості пружин, Н/мм: пускового збагачувача - 0,189; регуляторна головна - 1,93; регуляторна додаткова - 1,17; коректора основна - 4,87; коректора додаткова - 12,5.

Впровадження результатів досліджень

За результатами досліджень на ХТЗ було виготовлено два ПНВТ типу НРД-6 і два – типу НРД-8 з експериментальними дворежимними регуляторами, які проходили випробування в лабораторії й на автомобілях в умовах експлуатації. Схему дворежимного регулятора в 1990-х роках реалізовано в конструкції нових рядних ПНВТ для українських автомобільних дизелів, що розробляє ВАТ "ГСКБД" в м. Харків. Ці ПНВТ розробляє ВАТ "Чугуївська паливна апаратура" (м. Чугуїв). Розроблено і проведено випробування експериментальних зразків. За цією схемою на кафедрі "Двигуни і теплотехніка" УТУ разом з виробничим об'єднанням "Кура апаратура" (м. Вільнюс, Литва) розробляється конструкція дворежимного регулятора для ППВТ НД-21/4, призначених для автомобільних дизелів Мінського моторного заводу (ММЗ, м. Мінськ, Білорусь).

ВИСНОВКИ

1. Практика світового автомобілебудування показує, що на автомобільних дизелях середньої потужності доцільно застосовувати ПНВТ розподільного типу, які відрізняються невеликими розмірами і малою масою. В Україні таким ПНВТ може бути роторний насос типу НРД з обертовою кулачковою шайбою, розроблений на ХТЗ на базі ПНВТ типу PRS французької фірми SIGMA для тракторних і комбайнових дизелів.

2. Важливою перевагою кінематичної схеми ПНВТ типу НРД є те, що сили від тиску палива, які діють на плунжери, не передаються на корпус ППВТ, що дає змогу отримати високі значення максимального тиску впорскування, а крім того, на встановлені в нерухомій втулці плунжери зі штовхачами і пружинами не діють великі відцентрові сили.

3. На ПНВТ типу НРД встановлено всережимний регулятор частоти обертання, а на автомобільних дизелях доцільно застосовувати дворежимні регулятори, з якими експлуатаційна витрата палива знижується на 5 – 10% і більше, залежно від умов руху автомобіля.

Проте зі звичайним дворежимним регулятором роторний ПНВТ типу НРД не забезпечує стійкості системи регулювання при роботі дизеля на мінімальному холостому ході. Причиною цього є більш різке, ніж у рядних ПНВТ зменшення циклової подачі при зниженні частоти обертання колінчастого вала дизеля з роторною ПНВТ нижче 1200 хв-1.

4. Для усунення цієї вади необхідно збільшити нахил регуляторних віток у зоні низьких частот обертання 500-700 хв-1 до 10...15% замість 25...30%, у звичайних регуляторів, і водночас забезпечити невеликий положистий нахил часткових швидкісних характеристик у ділянці основних робочих частот обертання колінчастого вала дизеля.

5. Для цього розроблено дворежимний регулятор, який має: пускову пружину; дві паралельно працюючі пружини максимальної частоти обертання; пружину мінімальної частоти обертання; пружину позитивного коректора паливоподачі й одну чи дві коректорні пружини для формування положистих часткових швидкісних характеристик. Нахил часткових швидкісних характеристик можна задавати добором жорсткості коректорних пружин. Виготовлено експериментальні зразки ПНВТ НРД-6 (для 6-циліндрових дизелів) і НРД-8 (для 8-циліндрових дизелів) з таким регулятором.

6. Експериментальні дослідження довели: у дизелях ЯМЗ-236, ЯМЗ-238 (без наддуву) і СМД-62 (з наддувом) забезпечується задана форма швидкісних характеристик і стійка робота САРЧ на всіх режимах. На режимах розгонів-уповільнень закиди дозатора, витрата палива і димність ВГ із дворежимним регулятором менші, ніж із всережимним на 5...8%.

7. Для розрахунково-теоретичних досліджень на ЕОМ використовувалася математична модель ВАДД зі змінами, пов'язаними з установленням на дизель роторного ПНВТ із дворежимним регулятором, який має положистий нахил часткових швидкісних характеристик. До неї входять: одне диференційне рівняння першого й одне – другого порядку, які описують рух автомобіля з дизелем і регулятором частоти обертання як інерційних ланок, і алгебраїчні рівняння, якими апроксимовано характеристики індикаторного крутного моменту, моменту навантаження дизеля, димності ВГ, циклової подачі палива, інших показників дизеля й автомобіля в цілому. Математична модель може імітувати на ЕОМ рух автомобіля в різних умовах, зокрема, розгони автомобіля з переключенням передач до максимальної швидкості при різних способах керування регулятором частоти обертання.

8. Розрахунки розгонів автомобіля з переключенням передач на математичній моделі засвідчили, що показники розгонів залежать не тільки від закиду дозатора на початку розгону, а й від запізнювання початку його переміщення після включення наступної передачі при розгоні автомобіля. Запізнювання викликане наявністю пружного зв'язку між педаллю керування і дозатором у вигляді пружини регулятора і залежить від жорсткості цієї пружини. У дворежимному регуляторі жорсткість пружини велика, тому показники розгонів у нього кращі, ніж у всережимного на 5...10% і більше, залежно від інтенсивності розгону.

9. Для майбутніх українських високообертових автомобільних дизелів доцільно доопрацювати конструкцію роторної ПНВТ типу ХТЗ-НРД і застосувати в ній дворежимний регулятор, який має положисті часткові швидкісні характеристики циклової подачі з невеликим нахилом, достатнім для забезпечення стійкості САРЧ при роботі без навантаження, і спеціальною пружиною мінімальної частоти обертання, що забезпечує стійкість САРЧ дизеля на мінімальному холостому ході.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Долганов К.Е., Лисовал А.А., Лясковский В.Г. Роторные топливные насосы типа НРД для автотракторных дизелей // Двигатели внутреннего сгор.: Вестник ХГПУ. Вып. 60.- Харьков, ХГПУ, 1999.- С. 148-157.

2. Долганов К.Е., Лисовал А.А., Лясковский В.Г. Особенности математической модели САРЧ дизеля с роторным топливным насосом типа НРД // Труды ТГАТА.- Мелитополь, 1999. – вып. 2, том 10. – С. 48-56.

3. Долганов К.Е., Лясковский В.Г., Лисовал А.А. Роторные ТНВД для автотракторных дизелей // Двигателестроение. 2000, №1 С. 9-13. Санкт-Петербург.

4. Причини виникнення випуклостей на регуляторних гілках швидкісних характеристик насосів розподільчого типу / Долганов К.Е., Лисовал А.А., Лясковський В.Г., Щербатюк А.П. // Вісник ЦНЦ ТАУ.- 1999.- №2.-С. 97-101.

5.Долганов К.Е., Лясковский В.Г., Лисовал А.А. Двухрежимный регулятор для роторного топливного насоса // Матер. міжнар. науково-техн. конф."Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення". – Київ: УТУ-ТАУ, 1997. –

6. Долганов К., Лисовал А., Лясковский В., Монева И. Математическая модель системы автоматического регулирования частоты вращения дизеля с двухрежимным регулятором / Механика на Машините. Година 7, книга 1. – Варна, 1999. С. 85-90.

7.Долганов К., Лясковский В., Лисовал А. Двухрежимный регулятор для роторного насоса // Материалы VII междунар. конф. "Metody oblicreniowe i badawcze w rozwoju systemow samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych". – Rzeszуw: Politechnika Rzeszowska, 1996. – ?. 23-28.

8. А.с.859662 СССР. М. Кл3, F02 D1/04. Регулятор частоты