Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля оптимизацией составов смесевых топлив и совершенствованием методов и средств топливоподачи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Бузиков Шамиль Викторович

• Бузиков Шамиль Викторович
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Бузиков Шамиль Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные пути и направления улучшения эксплуатационных показателей тракторных дизелей

1.2 Перспективы применения различных видов и составов смесевых топлив в тракторных дизелях

1.3 Обзор методов оптимизации составов смесевых топлив применяемых в тракторных дизелях

1.4 Анализ систем питания тракторных дизелей, работающих на различных видах и составах смесевых топлив

1.5 Совершенствование методов и средств топливоподачи при работе тракторного дизеля на различных видах и составах смесевых топлив

1.6 Постановка цели и задач исследований

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ ОПТИМИЗАЦИЕЙ СОСТАВОВ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ТОПЛИВОПОДАЧИ

2.1 Определение области предельных составов смесевых топлив, применяемых в тракторных дизелях

2.1.1 Исходная система уравнений для определения области предельных составов смесевых топлив

2.1.2 Определение численных значений областей свойств смесевых топлив-72

2.2 Оценка оптимального состава смесевых топлив для всех режимов работы тракторных дизелей

2.2.1 Исходная система уравнений для определения оптимального состава смесевых топлив для всех режимов работы тракторных дизелей

2.2.2 Определение относительных значений эксплуатационных показателей тракторных дизелей

2.3 Определение значений показателей процесса сгорания оптимальных составов смесевых топлив в цилиндрах тракторных дизелей

2.4 Определение условий работы линии низкого давления системы питания тракторного дизеля на оптимальных составах смесевых топлив

2.5 Определение характеристик топливоподачи системы питания тракторных дизелей на оптимальных составах смесевых топлив

2.6 Определение условий впрыскивания и распыливания форсунками системы питания тракторного дизеля на оптимальных составах смесевых топлив

2.7 Определение значений установочного угла опережения начала впрыскивания при работе тракторного дизеля на оптимальных составах смесевых топлив

2.8 Разработка математической модели рабочего процесса тракторного дизеля при использовании оптимальных составов смесевых топлив

2.8.1 Разработка модели сгорания в тракторном дизеле при работе на оптимальных составах смесевых топлив

2.8.2 Разработка модели тепловыделения в тракторном дизеле при работе на оптимальных составах смесевых топлив

2.9 Выводы по 2 главе

3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

УСТАНОВКИ, ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

3.1 Объект и предмет исследования

3.2 Программа проведения исследований

3.3 Общая методика исследований работы тракторного дизеля на смесевых топливах

3.3.1 Методика исследований работы линии низкого давления системы питания тракторного дизеля на смесевых топливах

3.3.2 Методика исследований работы системы топливоподачи тракторного дизеля на смесевых топливах

3.3.3 Методика исследований работы топливной форсунки тракторного дизеля на смесевых топливах

3.3.4 Методика исследований тракторного дизеля при работе на смесевых топливах

3.3.5 Методика исследований процесса сгорания в цилиндрах тракторного дизеля при работе на смесевых топливах

3.4 Экспериментальные установки, приборы и оборудование

3.4.1 Экспериментальная установка для проведения исследований работы линии низкого давления системы питания тракторного дизеля на смесевых топливах

3.4.2 Экспериментальная установка для проведения исследований работы системы топливоподачи тракторного дизеля на смесевых топливах

3.4.3 Экспериментальная установка для проведения исследований работы топливной форсунки тракторного дизеля на смесевых топливах

3.4.4 Экспериментальная установка для проведения исследований работы тракторного дизеля на смесевых топливах

3.4.5 Экспериментальная установка для проведения исследований процесса сгорания в цилиндрах тракторного дизеля при работе на смесевых топливах

3.5 Обработка результатов исследований. Ошибки измерений

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ

СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ НА СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВАХ

4.1 Результаты экспериментальных исследований работы линии низкого давления системы питания тракторного дизеля на смесевых топливах

4.2 Результаты экспериментальных исследований работы системы топливоподачи тракторного дизеля на смесевых топливах

4.2.1 Результаты экспериментальных исследований работы топливного насоса высокого давления на смесевых топливах

4.2.2 Результаты экспериментальных исследований работы топливной форсунки тракторного дизеля на смесевых топливах

4.3 Выводы по 4 главе

5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ ДЛЯ ВСЕХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

5.1 Результаты экспериментальных исследований определения установочного угла опережения начала впрыскивания при работе тракторного дизеля на оптимальных составах смесевых топлив

5.2 Результаты экспериментальных исследований определения оптимального состава смесевых топлив для всех режимов работы тракторных дизелей

5.3 Выводы по 5 главе

6 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА СГОРАНИЯ В ЦИЛИНДРАХ ТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ

6.1 Результаты экспериментальных исследований процесса сгорания оптимальных составов смесевых топлив в цилиндрах тракторного дизеля

6.2 Верификация модели сгорания в тракторном дизеле при работе на оптимальных составах смесевых топлив

6.3 Верификация модели тепловыделения в тракторном дизеле при работе на оптимальных составах смесевых топлив

6.4 Выводы по 6 главе

7 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ, СОЗДАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ СОСТАВОВ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ТОПЛИВОПОДАЧИ

7.1 Разработка способов воздействия на процесс сгорания оптимальных составов смесевых топлив в цилиндрах тракторного дизеля

7.2 Создание оптимальных составов смесевых топлив

7.3 Совершенствование методов и средств топливоподачи тракторного дизеля для работы на оптимальных составах смесевых топлив

7.4 Выводы по 7 главе

8 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ

8.1 Энергетическая эффективность оптимизации составов смесевых топлив и совершенствования методов и средств топливоподачи

8.2 Экологическая эффективность оптимизации составов смесевых топлив и совершенствования методов и средств топливоподачи

8.3 Выводы по 8 главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Документы, подтверждающие актуальность выполнения

научно-исследовательских работ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Документы о внедрении результатов научно-

исследовательских работ

ПРИЛОЖЕНИЕ В Расчётные и экспериментальные данные показателей процесса сгорания тракторного дизеля

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение эксплуатационных показателей тракторного дизеля оптимизацией составов смесевых топлив и совершенствованием методов и средств топливоподачи»

Актуальность темы исследования.

На сегодняшний день альтернативные топлива (АТ), применяемые в тракторных дизелях (ТД), занимают особое место среди иных возобновляемых источников энергии [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]. Своим вниманием они обязаны стабильной длительной положительной общемировой ценовой динамике дизельного топлива (ДТ) и ежегодно ужесточающимся экологическим требованиям, предъявляемым к ТД. [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]. Согласно Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 года, утвержденной Распоряжением Правительства РФ № 1734-р от 22.11.2008 г., одним из приоритетов развития указано снижение доли транспорта в загрязнении окружающей среды. [13, 86]. С целью снижения негативного воздействия транспорта на окружающую среду предполагается разработка и применение механизмов государственного регулирования, мотивирующих перевод производителей и собственников транспортных средств на экологически чистые виды топлива [501]. Во многих странах мира широко применяют различные виды АТ, как в чистом виде, так и с добавкой последних к ДТ с получением так называемых смесевых топлив (СТ).

Среди названных топлив выделяют достаточно обширные укрупнённые группы, классифицирующиеся по агрегатному состоянию, преимущественно, газообразные и жидкие [2, 7, 8, 9, 10, 11, 12 К первым, в основном, относят горючие газы: водород, метан, пропан, бутан и т.д. [12]. Ко второй группе - жидкие углеводороды: бензол, спирт, масла, эфиры, глицерин и т.д. [3]. Однако, применение тех или других видов АТ в чистом виде затруднено в связи с отличием их свойств от ДТ [2, 4, 7].

Всё больший научный интерес приобретает способ применения АТ совместно с ДТ [13, 14, 15]. И здесь также выделяют несколько вариантов такого использования [16, 17]. Это - подача, как газообразного, так и жидкого АТ совместно с ДТ, подача жидкого АТ в смеси с ДТ, в виде СТ [15, 18]. Как у первого,

так и у второго способа есть свои преимущества и недостатки. Одним из основных и бесспорных преимуществ применения жидкого СТ в ТД является отсутствие необходимости в глубокой модернизации или замене СП [2, 19, 20, 21].

Основываясь на сказанном следует, что применение жидкого СТ, состоящего из ДТ и АТ в качестве топлива для ТД, является актуальным. В связи с достаточно широкой номенклатурой применяемых видов и составов СТ для различных ТД остро встаёт вопрос, связанный с определением оптимального вида и состава СТ для конкретного ТД [1, 2, 20, 21, 22].

Степень разработанности темы.

В настоящее время целый ряд исследований процессов, протекающих в ТД, проведен в отношении АТ, что позволило определить степень решения научных проблем, связанных с видами и способами применения их в ТД [21, 22].

Анализируя данные отечественных научных исследований по применению СТ, видно, что учеными нашей страны в разное время проводились исследования в области их применения. Результаты этих исследований отражены в трудах Данилова А.М., Девянина С. Н., Маркова В.А., Грехова Л.В., Захарова Л. А., Камфера Г.М., Карташевича А.Н., Картошкина А.П., Митусовой Т.Н., Николаенко А.В., Плотникова С.А., Ложкина В.Н., Галышева Ю.В., Кавтарадзе Р.З., Патрахальцева Н.Н., Лиханова В.А., Уханова А.П. и многих других [2,3,6,7,12,15,34,35,41,43,45,52,55,58,61,67,71,99,100,106, 501].

Анализ полученных результатов показал, что ведущими российскими учеными, учеными стран ближнего и дальнего зарубежья проведены разносторонние теоретические и экспериментальные исследования применения тех или иных видов и составов СТ в ТД.

В вопросе анализа свойств СТ на данный момент обоснованы перспективные виды АТ и сформирована их номенклатура [1, 5, 11]. Предложены методики оценки эксплуатационных свойств СТ [31]. Разработаны методологии обоснования фракционного состава и цетанового числа ДТ и АТ для ТД [27]. Созданы теоретические основы для исследования свойств новых СТ на основе ДТ, РМ и метанола с присадками [32]. Предложено расчетное прогнозирование свойств СТ

при заданных ограничениях элементного состава в отношении склонности к образованию сажи и теплоты сгорания топливовоздушной смеси [27, 28].

Проведенный анализ степени изученности процессов смешивания ДТ и АТ с образованием СТ показал, что в настоящее время разработаны методы расчета приготовления жидких СТ и определения их моторных свойств [23, 24]. Определены границы возможного варьирования составов СТ с учетом обеспечения воспламеняемости и недопущения аномального сгорания, а также принципы выбора рациональных составов СТ в широком диапазоне режимов работы ТД [29, 30].

Анализ изученности процессов ТП СТ позволил определить, что на сегодняшний день, разработаны теоретические основы по влиянию новых составов СТ на процессы ТП и регулирования при работе ТД [32] Получены характеристики ТП ТД при работе на СТ с содержанием РМ [36]. Выявлены физические особенности протекающих процессов и созданы способы их адекватного описания для подачи СТ [37].

Обобщение результатов исследований процессов впрыскивания СТ в КС ТД позволило определить, что на данный момент определены зависимости управления углом опережения впрыскивания топлива в ТД при работе на СТ [41]. Получены зависимости характеристик впрыска СТ, с содержанием РМ в цилиндры ТД, обеспечивающие снижения вредных выбросов [27, 36].

В изучении процессов распыливания СТ в КС выявлена зависимость показателей струи распыленного РМ от его физико-механических свойств [36] и модель управления процессом распыливания в соответствии с особенностями свойств применяемых топлив и режимов работы ТД [39].

Результаты изучения процессов испарения СТ в условиях КС ТД свидетельствуют о том что получены математическая модель испаряющейся топливной струи и уравнения для расчета двухмерного нестационарного поля температур, а также уравнения для расчета средних и локальных температур среды в цилиндре ТД в случае применения СТ [27]. Разработана теория и методы расчета равновесной и динамической испаряемости СТ различного состава [27].

Обзор исследований процессов воспламенения СТ в КС ТД показал, что в данный момент разработаны теоретические предпосылки влияния содержания метанола и РМ в СТ на процессы самовоспламенения [25, 30, 32]. Получены математические модели для расчета и моделирования задержки воспламенения, а также модель воспламенения СТ в ТД. Оценены причины жесткой работы ТД при работе на СТ [35]. Определён новый методологический подход к анализу и расчету показателей рабочего цикла ТД, учитывающий динамическую испаряемость и цетановое число применяемого СТ [27].

В вопросе степени изученности процессов сгорания СТ в КС ТД в настоящий момент разработаны теоретические основы по влиянию содержания метанола и РМ в СТ на процессы сгорания [32], практические методы организации эффективного процесса сгорания СТ с наименьшим образованием оксидов азота [25, 34], методы определения мгновенных объемных полей температур, интегральные показатели рабочего процесса, ряд конструктивных, режимных и регулировочных параметров при работе на различных видах СТ [23], методы определения оптимального соотношения РМ и ДТ в СТ по критериям эффективности и ресурсосбережения [26]. Получены зависимости физико-химических и эксплуатационных характеристик рабочего процесса ТД при работе на СТ с содержанием РМ [30]. Разработана методика оценки показателей рабочего цикла ТД при работе на СТ с содержанием РМ [36, 42, 43]. Исследовано влияние АТ на процесс сгорания и характеристики тепловыделения [25]. Рассмотрена возможность улучшения экономических и экологических характеристик ТД и снижения тепловых нагрузок в КС путем выбора её оптимальной формы, определяющей уровень турбулентности в цилиндре ТД [38]ю Оценено влияние физико-химических свойств СТ, регулировочных характеристик ТД на топливную экономичность и тепломеханическую нагруженность при работе на СТ [40, 44]. Усовершенствованы методики расчета параметров подготовительной фазы и фазы быстрого горения в цилиндре ТД при работе на СТ [32, 33, 45].

Проведенный анализ степени изученности образования токсичных веществ в цилиндрах ТД при работе на СТ показал, что в настоящее время определена

концентрации сажи, с учётом влияния на локальную температурно-концентрационную неоднородность в цилиндре и интегральные показатели рабочего процесса ряда конструктивных, режимных и регулировочных факторов при работе на различных видах СТ [23]. Получены двухзонная и многозонная математические модели кинетики образования «термических» и «быстрых» оксидов азота, а также многозонная феноменологическая модель образования и выгорания сажевых частиц в цилиндре ТД при работе на СТ [29]. Исследовано влияние СТ на токсичность и дымность ОГ [24, 25, 26].

Анализ полученных результатов показал, что в настоящее время проведены различные исследования применения разных видов СТ [501]. Разработаны теоретические предпосылки и проведены экспериментальные исследования связанные с улучшением эксплуатационных показателей ТД [501]. Важное место в этих трудах занимают вопросы применения СТ, содержащих спирты, эфиры и растительные масла [100, 501].

Стоит отметить, что большая часть проведенных исследований проводилась с целью определения зависимостей индикаторных, эффективных и экологических показателей работы ТД от тех или иных свойств СТ и конструктивно-технологических параметров самого ТД и его систем [100].

В связи с этим можно сделать вывод о недостатке работ, направленных на определение составов СТ, содержащих ДТ и АТ, применяя которые удалось бы решить компромиссную задачу, связанную с улучшением эффективных и экологических показателей работы ТД на разных режимах [100]. Проведение таких исследований позволило бы определить оптимальную номенклатуру видов и составов СТ, применение которые в ТД, в зависимости от режимов его работы, улучшало бы эксплуатационные показатели.

На основе вышеизложенного, научная проблема сформулирована как улучшение эксплуатационных показателей ТД на всех режимах работы путем оптимизации видов и составов СТ, подаваемых в цилиндры.

Цель диссертационной работы.

Целью научных исследований является разработка теоретических основ улучшения эксплуатационных показателей ТД для всех режимов работы путем оптимизации видов и составов СТ, а также методов и средств их подачи в цилиндры.

Задачи, решаемые в диссертационной работе:

1. Разработка методов и средств для решения научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - улучшение эксплуатационных показателей ТД на всех режимах работы путем оптимизации видов и составов СТ, подаваемых в цилиндры.

2. Разработка методологического подхода, определяющего области предельных составов СТ, применяемых в ТД.

3. Разработка критерия оценки оптимального состава СТ для всех режимов работы ТД.

4. Разработка методологии расчётного определения значений показателей процесса сгорания оптимальных составов СТ в цилиндрах ТД в зависимости от режимов работы, а также способов воздействия на данный процесс.

5. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение характеристик топливоподачи (ТП) и показателей работы линии низкого давления (ЛНД) СП ТД на оптимальных составах СТ.

6. Разработка математической модели рабочего процесса ТД при использовании оптимальных составов СТ на всех режимах работы.

7. Разработка конструктивно-технологических решений, обеспечивающих подачу и регулирование оптимальных составов СТ, и совершенствования методов и средств ТП.

8. Усовершенствование методик оценки энергетической и экологической эффективности оптимизации составов СТ и совершенствования методов и средств ТП.

Научная новизна заключается в следующем:

Впервые для определения области предельных составов СТ, в зависимости от их физико-химических свойств и конструктивно-технологических параметров ТД,

разработан методологический подход.

Доказана целесообразность применения нового разработанного критерия оценки оптимального состава СТ, определяющего улучшение эксплуатационных показателей ТД для всех режимов работы.

Определены оптимальные составы СТ, содержащие рапсовое масло (РМ) и этанол (Э), позволяющие улучшить эксплуатационные показатели ТД на всех режимах работы.

Предложены математические выражения, определяющие показатели процесса сгорания оптимальных составов СТ в цилиндрах ТД от режимов работы, конструктивно-технологических параметров и способов воздействия на данный процесс.

Разработаны математические выражения, определяющие технологические параметры работы ЛНД СП, характеристик ТП, условий впрыскивания и распыливания форсунками применяемых оптимальных составов СТ в зависимости от режимов работы и конструктивно-технологических параметров ТД.

6. Доказано, что разработанная математическая модель рабочего процесса ТД, при использовании оптимальных составов СТ, содержащих РМ и Э в зависимости от режимов работы и конструктивно-технологических параметров позволяет с достоверностями 97 % и 95 % прогнозировать параметры процесса сгорания и тепловыделения, соответственно.

7. Определены составы СТ, содержащие РМ и Э, применяемые в ТД, обеспечивающие наибольший энергетический эффект и наименьший уровень техногенного риска.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке научных положений, позволяющих определить зависимости оптимального состава СТ от конструктивно-технологических параметров ТД на всех режимах его работы, способов воздействия на характеристики протекания процесса сгорания, показателей работы ЛНД СП ТД, а также моделях рабочего процесса, сгорания и тепловыделения. Теоретические положения, методики расчета и результаты

исследований диссертации были использованы в 2 НИР, выполненных в течение 2011-2020 гг. в филиале ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет» в г. Кирове и ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет» (прил. А).

Практическая значимость работы состоит во внедрении способов воздействия на характеристики протекания периодов процесса сгорания при использовании оптимальных составов СТ, программ для ЭВМ, осуществляющих расчёты показателей процесса сгорания и тепловыделения, индикаторных диаграмм и диаграмм тепловыделения ТД при использовании оптимальных составов СТ. Конструктивно-технологические решения, обеспечивающие подачу и регулирование, а также совершенствование методов и средств ТП, оптимальных составов СТ внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Вятский государственный университет», УО «Белорусская государственная орденов Октябрьской революции и Трудового Красного Знамени сельскохозяйственная академия», ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого», ФГБОУ ВО «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Результаты научных исследований внедрены в работу на АО «Автотранспортное предприятие», ООО «Азимут» и ООО Транспортно-экспедиционное предприятие «Трансавто К» (прил. Б).

Методология и методы исследования.

Объект исследований: четырехцилиндровый, рядный, четырехтактный ТД жидкостного охлаждения, с газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением надувочного воздуха, с неразделенной КС (ЦНИДИ) в поршне и непосредственным впрыскиванием топлива, размерностью 4ЧН 11,0/12,5.

Предмет исследований: термодинамические, механические, тепло-химические, гидрогазодинамические процессы, протекающие в ТД и его СП.

В процессе выполнения работы применялись аналитические, расчетно-аналитические и экспериментальные методы исследований. В работе использован

системный подход. В диссертации использован опыт разработки и внедрения новых составов СТ, выполнен поиск, отбор и анализ лучших практик, примеры международных и российских успешных решений по данной тематике. Системный подход позволил одновременно увязывать взаимоисключающие требования всех элементов системы в целом, на основе целевых функций эксплуатационных показателей ТД. Достоверность разработанных методов, критериев и методик подтверждена экспериментально.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы и средства для решения научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение - улучшение эксплуатационных показателей ТД на всех режимах работы путем оптимизации видов и составов СТ, подаваемых в цилиндры.

2. Методологический подход к определению области предельных составов СТ, применяемых в ТД.

3. Критерий оценки оптимального состава СТ для всех режимов работы

ТД.

4. Методология расчётного определения значений показателей процесса сгорания оптимальных составов СТ в цилиндрах ТД в зависимости от режимов работы.

5. Характеристики ТП и показатели работы ЛНД СП ТД на оптимальных составах СТ.

6. Математическая модель рабочего процесса ТД при использовании оптимальных составов СТ.

7. Конструктивно-технологические решения, обеспечивающие подачу и регулирование оптимальных составов СТ, совершенствование методов и средств ТП, а также способов воздействия на характеристики протекания периодов процесса сгорания.

8. Методики оценки энергетической и экологической эффективности оптимизации составов СТ, а также совершенствования методов и средств ТП.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов работы подтверждена высокой степенью сходимости теоретических расчётов с экспериментальными данными, которая составила более 95 %. В процессе выполнения работы использованы современные апробированные и протестированные методики на основе накопленных экспериментальных данных. Результаты экспериментальных исследований получены на оборудовании, прошедшем государственную поверку, с применением современных измерительных средств. Обработка опытных данных проведена с использованием устойчивых методов статистического анализа.

Апробация основных результатов работы проведена на 20 семинарах и конференциях. По теме исследования опубликовано 87 работ, отражающих основные положения исследования, среди которых - 13 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России по искомой специальности, 11 -публикаций в журналах, рекомендованных ВАК по смежным специальностям, 11 -работ в рецензируемых журналах, индексируемых в базах Scopus и WoS, 2 -учебных пособия, получено 13 патентов РФ на изобретения и 8 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящее время, в соответствии с приоритетными задачами энергетической политики, уделяется внимание безопасным, экологически чистым и надежным источникам энергии по отношению к человеку и окружающей среде. Общепризнанно, что не существует единого источника энергии, который мог бы доминировать и управлять мировым энергетическим рынком и, таким образом, страны формируют модель энергетического баланса, которая наиболее выгодна и экономически обоснована от наличия пригодных для использования ресурсов в каждой стране.

Энергетика - один из основных и важных факторов, влияющих на экономическое и промышленное развитие страны. ТД относится к экономичной энергетической установке, не исчерпавшей своей потенциальной возможности. Структура тракторного парка, как в нашей стране, так и за рубежом содержит большую часть транспорта с ТД в виду повышенной топливной экономичности.

Бесспорно, что улучшение эксплуатационных показателей ТД является одной из главных задач, стоящей перед двигателестроением. Одним из направлений улучшения эксплуатационных показателей ТД является применение вместо ДТ АТ [42, 43, 44, 45, 47, 48 - 60].

1.1 Основные пути и направления улучшения эксплуатационных показателей тракторных дизелей

Интенсивность научных изысканий, направленных на оптимизацию эксплуатационных показателей ТД в последние годы несколько замедлилась [198200, 219, 220, 226, 247, 250, 270, 470]. К ТД, как наиболее распространенной энергетической установке предъявляются требования по ее надежности, экономичности и эффективности работы.

ТД часть времени работает на низких частотах вращения и в режиме частичных нагрузок, а другую часть времени - в режиме неустановившихся нагрузок. Данные условия работы ТД снижают его эффективность, производительность, повышают расход топлива из-за ухудшения качества работы ТПА и, в целом, снижают эксплуатационные показатели [61, 62, 63].

В настоящее время улучшение показателей ТД решается комплексно-системными мерами, представленными в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные пути и направления улучшения показателей ТД

Показатели ТД Метод, средство и способ

Технико- эксплуатационные - ужесточение требований к конструкции на этапе проектирования; - повышение требований к техническому обслуживанию ТД; - снижение механических потерь; - оптимизация степени сжатия; - совершенствование систем ТП; - снижение механической теплонапряжённости.

Технико-экономические - оптимизация формы и размеров КС, условий и параметров ТП, наполнения КС ТД воздушным зарядом и структуры вихревого движения, фаз газораспределения; - введение в ДТ присадок (промоторов горения); - предварительное воздействие на ДТ, АТ, СТ; - предварительное воздействие на воздушный заряд; - совершенствование системы турбонаддува; - совершенствование систем впуска и выпуска.

Технико-экологические - введение в применяемое ДТ присадок снижающих токсичность ОГ; - физическое воздействие на применяемое ДТ; - обессеривание применяемого ДТ; - применение СТ или АТ вместо ДТ; - рециркуляция ОГ; - совершенствование конструкции системы выпуска (каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры и прочие устройства); - химические поглотители вредных и токсичных компонентов ОГ; - применение комбинированных систем очистки ОГ.

Анализ данных, представленных в таблице 1.1, показал, что технико-экономические показатели ТД характеризуются сложностью и уровнем рабочего процесса, изменчивостью параметров рабочей среды на этапах смесеобразования, диффузии, тепло- и массообмена, а также процессами химических реакций в КС [303, 502].

Технические и экономические показатели ТД определяются сложностью и уровнем производственного процесса, а также вариативностью параметров рабочей среды на различных стадиях смешения, диффузии, теплообмена и массообмена, включая химические реакции в КС.

Совершенствование рабочего процесса возможно за счет организации ТП (регулирование процесса смесеобразования) при помощи:

- электронного управления, использования системы Common Rail;

- двухступенчатого (многоступенчатого) закона впрыскивания топлива;

- изменения количества (увеличение) сопловых распылителей, геометрических параметров (уменьшение диаметра соплового отверстия);

- изменения скорости течения, характера движения топлива в сопловом канале в процессе распыливания;

- организации процесса цикловой подачи топлива, движения воздушного заряда (регулирование фаз газораспределения, организация сложного вихревого движения воздушного заряда, наддув, рециркуляция ОГ).

При организации в ТД рабочего процесса и его совершенствовании имеются трудности. Необходимо при улучшении рабочего процесса по мощностным характеристикам учитывать требования надежности и эффективности силовой установки, экологические нормы эмиссии ОГ, эксплуатационные и экономические требования [64, 65, 66, 67, 68, 69, 70].

Рассмотрим ниже основные направления совершенствования рабочего процесса ТД. Конструкционно КС формируется в днище поршня и по геометрическим параметрам может иметь разные геометрические формы и размеры. При использовании КС типа ЦНИДИ, в самой КС создается вращательное движение тороидального вихря воздушного заряда, а также обеспечивается

сохранение и развитие вихревого движения в процессе сжатия, и на такте расширения (рис. 1.1).

а б

Рисунок 1.1 - Схема движения газовых потоков в КС ЦНИДИ (а- такт сжатия, вблизи ВМТ; б - такт расширения).

Вихревое движение в КС способствует завихрению воздушного заряда и топливного факела, что в итоге формирует высококачественную гомогенную смесь необходимую для качественного процесса смесеобразования и полноценного сгорания топлива. В процессе сжатия интенсивность вихревого движения и угловая скорость увеличиваются (рис. 1.1, а) [73].

Впускные каналы должны иметь минимальное гидравлическое сопротивление и обеспечивать оптимальную закрутку воздушного заряда. Предусматривается одновременная установка тангенциального и спирального впускных каналов в одном цилиндре.

При такте расширения (рис. 1.1, б) и увеличении надпоршневого объема в КС изменяется интенсивность движения вихревого заряда и «поле скоростей» вытесняется в надпоршневую область [73, 262].

При впрыскивании топлива в данную систему вихревых потоков топливовоздушная смесь образует мелкофракционный состав и стремится равномерно распределиться по объему КС. Данные условия предполагают снижение расхода моторного топлива. При сгорании гомогенной смеси обеспечивается низкая или предельно допустимая концентрация токсичных веществ в ОГ ТД.

Авторами [73] предлагается улучшение эксплуатационных показателей ТД через конструкционное усовершенствование ТПА (штатной дизельной топливной форсунки).

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Бузиков Шамиль Викторович, 2025 год

использована

max

V ¿ф;

зависимость, справедливая для случая применения различных видов и составов СТ [303] с учетом характерных особенностей их ТП:

V ¿Фу

>

6н-10-3 р2 - рс

Кстт Ф

• 5 \

( ст Л2

Яц.исп. ПЗВ Ф 100

V

%

Фвпр ЦЧс

(2.1.125)

ст у

Заменили левую часть выражения (2.1.125) согласно ранее утвержденному значению и преобразовав выразили неравенством показатель ЦЧСТ тогда,

получили:

ЦЧст ^

100

ст

Яи Фп

аст

чц.исп.ПЗВ

0,6КСТ

л3

(2.1.126)

6п -10-3 (рДт - рс)

Используя выражение (2.1.126) можно определить предельную область значений цетанового числа вида и состава СТ в зависимости от показателей впрыскивания топлива в КС и режима ТД, обеспечивающем приемлемую жёсткость процесса сгорания ГС.

Характеристический фактор СТ, определили исходя из следующего равенства [303]:

КСТ = 1,216^

ст

50

(2.1.127)

Подставляя выражение (2.1.127) в (2.1.125), преобразовав и выразив параметр

тст, определили:

Тст < 555,41-10-9П

(РД - Рс

)3 { 100%ст

Ф

дт

ц. исп. ПЗВ

(2.1.128)

ст у

Используя выражение (2.1.128) можно определить предельную область значений температуры разгонки 50 % фракции СТ в зависимости от показателей впрыскивания топлива в КС и режима ТД, обеспечивающем приемлемую жёсткость процесса сгорания ГС.

Произвели расчёт областей предельных видов и составов СТ, применяемого в ТД, марки Д-245.5Б2, размерностью 4ЧН 11,0/12,5, используя выражения (2.1.10), (2.1.18), (2.1.43), (2.1.53), (2.1.66), (2.1.69), (2.1.71), (2.1.78), (2.1.91), (2.1.101), (2.1.110), (2.1.117), (2.1.124), (2.1.126) и (2.1.128) и подставляя их в выражение (2.1.5), а далее решая систему (2.1.4). Т.к. по результатам проведенного анализа различных видов АТ, подробно проведенного в 1 главе, установлено что для ТД

2

наиболее оптимально с точки зрения оказания влияния на эксплуатационные показатели, использование основных трёх групп АТ это низшие спирты, растительные масла и эфиры.

В связи с этим расчёт областей содержания АТ в СТ были проведены для низших спиртов, растительных масел и эфиров. Результаты проведенных и проанализированных теоретических расчётов в определении областей предельных значений по видам и составам СТ приведены на рисунке 2.1 в виде столбчатой диаграммы.

70

МАЪ % 60

50

40

30

20

10

0

Рапсовое масло

Редьковое масло

Горчичное масло

Этиловый спирт

Бутиловый спирт

Метиловый эфир рапсового масла

Метиловый эфир льняного масла

Метиловый эфир сурепного масла

Сурепное масло

Льняное масло

Метиловый спирт

Пропиловый спирт

Амиловый спирт

Этиловый эфир рапсового масла

Метиловый эфир горчичного масла

Рисунок 2.1 - Диаграмма зависимостей видов и составов СТ от содержания в них АТ для ТД марки Д-245.5Б2 размерностью 4ЧН 11,0/12,5.

Так же стоит отметить, что разработанный методологический подход к определению области предельных составов СТ, можно использовать и для других ТД наддувных и атмосферных, с неразделенными КС и непосредственным впрыскиванием топлива разной размерности.

Анализ полученных расчётных данных (рис. 2.1) показал, что для ТД марки Д-245.5Б2, размерностью 4ЧН 11,0/12,5, среди растительных масел наиболее широкая предельная область концентрации РМ в СТ составила от 0 % до 65 %. Среди эфиров растительных масел наиболее широкая предельная область концентрации этилового эфира рапсового масла в СТ составила от 0 % до 42 %. Среди низших спиртов - Э от 0 % до 45 %, соответственно. Видно, что среди трёх видов АТ наиболее широкие области содержания АТ в СТ выявлены для двух видов - это низшие спирты и растительные масла. Поэтому дальнейшие исследования проведены только для этих двух видов.

Тем не менее, полученные теоретические данные нуждаются в экспериментальной проверке.

2.2 Оценка оптимального состава смесевых топлив для всех режимов

работы тракторных дизелей

2.2.1 Исходная система уравнений для определения оптимального состава смесевых топлив для всех режимов работы тракторных дизелей

Работа ТД при использовании ДТ на различных режимах сопровождается изменением N, тогда её рассматривали как функцию, где ре и п аргументы, т.е.:

N = ^т РП (2.2.1)

В зависимости от скоростного режима работы ТД, ре не может изменяться от минимального до максимального возможного своих значений.

Данное обстоятельство объяснятся:

1) конструктивно-технологическими особенностями самого ТД;

2) характеристикой работы ВРЧВ ТНВД.

Так как ВРЧВ на разных скоростных режимах работы обеспечивает разные значения максимальной q4 , тем самым определяя максимальное значение p. Таким

образом в зависимости от n определили функцию ограничения значений p, т.е. выразили неравенством pMn < p < f ( n ).

Так как значение р во многом определялось # , поэтому введение ограничений на значение pe сводилось к характеристике ВРЧВ ТНВД и её представили как кусочно-заданную функцию в виде полинома-сплайна 2 порядка. Рассмотрели систему функций:

ГР = f ( n )

I -Г мп J мп V / I Рмп < Ре < fe (n )

(2.2.2)

Отсюда видно, что равенство, как и неравенство выражалось через одну переменную п. Данная система являлась определенной на отрезке [я™11, п^ ] с

узлами п е (<1П < пндк < пкдк < пндр < п™), т.к. на каждом из °трезк°в [пГ, п„дк ], [пндк, пкдк ]

, \_пкдк, пндр ] и [пндр, пта ] , / (п) выразили алгебраическим полиномом 2 степени, тогда

каждая из точек пндк, пкдк, пндр являлась узлами сплайна [311].

В общем виде кусочно-заданную систему функций представили в следующем

виде:

p = a n2 + b n + c , nmm < n < nmax

г мп мп мп мп^ хх хх

p < p (n)< a n2 + b n + c

г мп г е \ J г г г

«mm < n < n

«нок < n < nKdK , nKdK < n < «hôp,

nHdp < n < «XT,

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

(2.2.3)

b.

мп y мп y мп y i '

a, b,., c,.

i y i

где I - текущий номер режима работы ТД; ал коэффициенты в полиномах 2 степени.

Система функций (2.2.3) определяла границы области режимов работы ТД, установленные заводом-изготовителем.

<

Тогда с учётом выражений (2.2.1), (2.2.2) и (2.2.3) в общем виде систему уравнений, определяющую границы области значений N в зависимости только лишь от одной переменной п представили:

V / 9 \

N =—— (а п + Ь п + с ) п,

МП 30Т ^ мп мп ) '

N < N < (аП + Ьп + с) п,

мп е \ г 1 г/

пГ < п < п"

птт < п < пндк , г = 1

пндк < п < пкдк , г = 2

пкдк < п < пндр , г = 3

пндр тах < п < п*х , г = 4

(2.2.4)

Выражение (2.2.4) определяло область режимов работы ТД, установленного заводом-изготовителем, зависящее от конструктивно-технологических параметров самого ТД и характеристик ТП ТНВД. В связи с этим, очень важно, изменяя какие-либо показатели ТД, обеспечивать соблюдение его режимов работы, ограниченные описанной областью значений, согласно выражению (2.2.4), графически это определялось усеченной поверхностью (рис. 2.2).

#е(шах)

ре(тт) Ре(шах)

Рисунок 2.2 - Диапазон режимов работы ТД.

Под эксплуатационными показателями ТД следует понимать две основные группы показателей:

- эффективные [312];

- экологические [312].

Группу эффективных показателей определяли индикаторные и показатели механических потерь [312].

Каждую подгруппу показателей представили, как сложную целевую функцию с двумя общими аргументами. Таким образом, для индикаторных показателей:

р = I ^ (Pi, п) , Ч ( Р, п), § (Р, п)} > где Р - целевая функция индикаторных показателей. Для показателей механических потерь:

Рмп = / Умп ( Р, п) Чм{ Р, п)} ,

где Рмп - целевая функция показателей механических потерь. Для экологических показателей:

Рэк = /{с(Ре,п),СО(Ре,п),С^2 (Ре,п),СхИу (Ре,п),NOx (Ре,п)} где Рэк - целевая функция экологических показателей.

Рассмотрели целевую функцию индикаторных показателей:

V

— Рп, i 30г

(2.2.5)

(2.2.6)

(2.2.7)

Ч =

1

в

Ни ' вТ Рк%

где —— удельная тепловая масса топлива, кг/мДж [313]; —в—

Ни втРк%

(2.2.8) (2.2.9)

удельный

объём рабочей смеси, состоящей из свежего заряда (воздуха), ОГ и топлива, м3/кг топл.;

В последнем выражении произвели замену [314]: 4 =

33,3в8 пРк

и преобразовали,

тогда удельный объём рабочей смеси, определяли как

Кп

33,3вт

Тогда окончательно выражение (2.2.9) приняло вид:

К

-РгП

33, 3Нивт (Р1, П)

Проведя аналогичные преобразования получено:

(2.2.10)

g г =

104

1,2-105 (р., п) 1

(2.2.11)

Ул рг

Тогда общая целевая функция индикаторных показателей с учётом выражений (2.2.8), (2.2.10) и (2.2.11):

Р = / <

у.

-Рг^

У,

-Ргп-

1,2• 105От (рг,п) 1

30т г '33,3ИОт (Р ,пУ г' V рп

5 и Т г? ) л Г г

Целевая функция для показателей механических потерь:

V

N = —^ р п

мп г мп

30т

п = — = 1 - р

мп

/ м

(2.2.12)

р1

р1

(2.2.13)

(2.2.14)

С учётом выражений (2.2.13) и (2.2.14) в конечном виде:

Р = /\р п 1 I

1 мп / | ОГ1 рмпп,1 |

130т рг I

(2.2.15)

Для экологических показателей целевую функцию согласно [315, 316] выразили:

Р., =

3 -104 т(Ое + От)

. VnРen

(С, СО, СО 2, Сх И у, NOx)'

(2.2.16)

Рп = /1

(2.2.17)

Исходя из условия ре = р1 - рмп и проведенного анализа целевых функций (2.2.12), (2.2.15) и (2.2.16), сформировали такую единую целевую функцию, которая заменяла в себе все три, исключив из неё коррелирующие подфункции. Тогда общее выражение целевой функции приняло следующий вид:

Грмп ( ре , п) Пм ( ре , п) , Пе (рг, п) , £ е (рг, п ) , С ( JРe , п) ,]

СО(ре,п),СО2 (ре,п),СХИУ (ре,п),NOx (ре,п)

Используя выражение (2.2.17) проводили поиск оптимальных решений, задаваясь условиями.

Применение тех или иных составов СТ в ТД при его работе на разных режимах сопровождается изменениями его эксплуатационных показателей как в большую, так и в меньшую сторону [380, 381, 382, 383, 384, 385, 386, 387]

Принято считать, что если уменьшение или увеличение показателя свидетельствует о техническом совершенстве или экономическом эффекте, то это его улучшение [317, 318, 319, 320, 321].

Однако, на это понятие накладывается два основных ограничения: p™ = const

и nmax = const [317, 318, 319, 320, 321]. В противном случае будет наблюдаться не улучшение показателей, а форсирование ТД либо по pe либо по n. Также это утверждение вытекает из анализа (2.2.3), (2.2.4) и (рис 2.2.1).

Также немаловажно стоит отметить тот факт улучшение эксплуатационных показателей может носить как абсолютный, так и относительный характер [317, 318, 319, 320, 321].

В первом случае речь идёт об улучшении эксплуатационных показателей ТД отталкиваясь от значений, практически реализуемых в современном мировом и отечественном дизелестроении.

А во втором случае от исследуемого ТД, работающего на ДТ. Как правило, при проведении исследований работы ТД на различных видах и составах СТ оценку степени улучшения эксплуатационных свойств дают на основе сравнительного анализа его работы на ДТ.

Поэтому, исходя из вышесказанного с учётом выражения (2.2.17) для целевой функции определили параметры улучшения эксплуатационных показателей, а именно увеличение или уменьшение того или иного показателя.

Видно, что практически все показатели, кроме pe,n) и ре(pe,n), должны

уменьшиться.

Поэтому, исходя из этого требуется найти минимум целевой функции для всей области режимов работы ТД, установленные заводом-изготовителем при варьировании состава СТ.

Для этого составим в общем виде систему уравнений для целевой функции, введя в неё третью независимую от двух первых, переменную, с условиями и ограничениями установленными выражениями (2.2.3) и (2.2.4):

Рп ( Pe , n MАТ min,

an2 + bn + с < p < an2 + bn + с,

мп мп мп -re г г г '

< n < nT min < Mлч, < max

mm .

n« < n < nHdK , nHÖK < n < nKdK , nKdK < n < nHÖp ,

max

nHÖp < n < n« ,

i = 1 i = 2 i = 3 : i = 4

(2.2.18)

где р - критерий оценки оптимального состава СТ для всех режимов работы

ТД.

Выразили целевую функцию от трёх переменных при условии поиска глобального минимума:

Pun ( pe , П МАТ ) , 1 ( Pe , П МАТ ) , ' (Pi, П MАТ ) ,

P„ = f j (Р,, n, MАТ ) , C ( Pe , n,MАТ ) , CO ( pe , n, MAT ) , I (2.2.19)

CO2 ( Pe , П, Mat ) , CxHy ( Pe , П, MАТ ) ,NOx ( Pe , П, MAT )_

В связи с тем, что эксплуатационные показатели имеют различные единицы измерения и степени значимости, а также речь идёт об относительном характере их улучшения, поэтому отыскание локальных минимумом целевой функции наиболее целесообразно проводить, используя относительные значения эксплуатационных показателей.

Так, как общее количество показателей, входящих в целевую функцию составляет 9, поэтому для удобства математических итераций, выразили:

Рп (Pe , n MАТ )= f

f пСТ ДТ ДТ СТ ГСТ рмп _ Чм 4e ge C__|_

0,11(1)

(2.2.20)

Выражение (2.2.20) позволяет вычислить суммарное значение относительной степени улучшения эксплуатационных показателей ТД в зависимости от состава, применяемого СТ и режимов работы.

Анализ выражения (2.2.20) показал, что при р (ре, n,MAT )< 1 обуславливает

общее суммарное относительное улучшение эксплуатационных показателей ТД для всех режимов работы при варьировании min < MAT < max.

Таким образом р (ре, п, МАТ) является критерием оценки оптимального состава

СТ для всех режимов работы ТД.

С учётом выражения (2.2.18) окончательно получили в общем виде систему уравнений для поиска оптимального состава СТ для всех режимов работы ТД:

Рп ( Pe , n МАТ ) = f

0,11(1)

í— — — — Я Л p +п +п + g + C +

-т мп ¡м le о e

K+Có+Có2 + CxHy + Щ

min,

an2 + bn + с < p < an2 + bn + с,

мп мп мп -Te г г г '

< n < 0 < MAT < 100

mm . nm < n < Пндк ,

Пндк < n < Пкдк ,

Пкдк < n < Пндр ,

Пндр < n < nmx,

=1 i = 2 i = 3 i = 4

(2.2.21)

Система уравнений (2.2.21) позволила определить оптимальный состав СТ, а именно массовую долю АТ, применяя которое в ТД, в зависимости от режимов работы, получится максимально улучшить эксплуатационные показатели ТД.

Таким образом поиск р(p,n,мл7,min при варьировании 0<Млг < 100 в СТ

для всех заданных режимах работы ТД позволил определить оптимальный состав СТ.

Полученная система уравнений (2.2.21) применяется в методах линейного и нелинейного программирования при поиске оптимума целевой функции при ряде ограничений.

С её попомню можно определить область оптимального значения исходя из множества значений p и n, а также их парного взаимодействия.

Разработанная система уравнений универсальна и может быть применена для различных конструкций ТД и ТПА с различными характеристиками работы ВРЧВ, а также для одно и двух режимных регуляторов частоты вращения КВ ТД в зависимости от моторных свойств применяемого топлива.

Однако, предложенная система уравнений нуждается в экспериментальной проверке.

2.2.2 Определение относительных значений эксплуатационных показателей тракторных дизелей

В выражении (2.2.21) определили относительное значение каждого показателя. Так для среднего давления механических потерь в общем виде имелась зависимость [317, 318]:

Р„ = ^ п, (2.2.22)

л

Общая мощность механических потерь складывалась из суммы мощностей потерь самого ТД и затраченной на навесное оборудование:

т

N =УN ,+ ..л (2.2.23)

мп / > мп ,1 мп,1 ? V /

¡=1

где I - номер объекта механических потерь; т - количество объектов механических потерь.

Т.к. при использовании СТ вместо ДТ изменения механических потерь связаны лишь только с мощностью, затрачиваемой на привод ТПА, поэтому определяли улучшение рмп только по этому показателю.

Для определения доли затрат на привод ТПА в общем количестве затрат на механические потери воспользуемся следующим выражением для определения общего среднего давления механических потерь [272]:

р = а о2 + Ь о + с , (2.2.24)

■Г мп мп п. ср мп п. ср мп ' \ '

где амп, Ьмп, смп - коэффициенты, зависящие от количества цилиндров, отношения Бп / Вп, степени форсирования, типа КС ТД.

Средняя скорость поршня определялась [272]:

о.р = (2.2.25)

Тогда общая мощность механических потерь с учётом (2.2.24) и (2.2.25) выражалась:

V (аЯ2пъ ЬЯп2 Л

N... = -

30г

мп п__|_ мп п__|_ £ ^

ч 9-108 3-104 мп

(2.2.26)

Мощность, затрачиваемая на привод ТПА, находилась, исходя из суммы затрат мощностей на ТНВД и ТННД [322, 323, 324]:

N = N + N

1 ТПА 1УТНВД + 1УТННД

Мощность, затрачиваемая на привод ТНВД:

N = 0 277

1ТНВД 0, 2//

^ТНВД ( Рвпр РТННД ) ^ТНВДТНВД I о 1м

(2.2.27)

(2.2.28)

Объёмный расход ТНВД:

V = А¥ +

' ТНВД Д ' ТНВД +

0,12nqu

р,

СТ

(2.2.29)

Дополнительный объёмный расход топлива в ТНВД:

Д V = В Р V -10-6

Д ' ТНВД ВСТр впр г ТНВД 10

(2.2.30)

Окончательно после подстановки (2.2.30) и (2.2.29) в (2.2.28), получили:

В Р V -10—б + °'12п<^ (Р - Р )

уст впр тнвд ^ „ст \ впр ±тннд)

N = 0 277-

^ТНВД 0,2//

Р,

ТНВД ТНВД Iо Iм

(2.2.31)

Мощность, затрачиваемая на привод ТННД:

N = 0 277

^ТННД 277

'^ТННД ( РТННД Ратм ) пТННДТННД /о 1м

(2.2.32)

Объёмный расход ТННД:

V

V

ТНВД

ТННД Д

1 —

(2.2.33)

100

Тогда после подстановки (2.2.33) в (2.2.32) с учётом (2.2.30) и (2.2.29), находили:

« 0,12пд В Р V -10 +——

ВСТР впр' ТНВД 10 + СТ Рт

1 -

Д„

"( РТННД - Ратм )

N = 0 277-

^ тннд 277

100

пТННД ТННД 'о 1м

(2.2.34)

Окончательно мощность, затраченную на привод ТПА при работе ТД на различных видах и составах СТ определили, подставляя выражения (2.2.31) и (2.2.34) в (2.2.27):

N =

ТПА

0,277

Рп

Рст -10-6 Рвп/тшвдРР + 0,12пдч (Рпр - РТННД )

ПТНВДТНВД Iо 1м

Ист 'Ю-6Р-УТНВДРР + 0,12пд, (Рш„д - Р,,„„ )

'1

100

ПТННДТННД Iо 1м

(2.2.35)

При работе ТД на СТ изменение механических потерь происходит только в ТПА, поэтому остальные затраты анализировать не имеет смысла [388, 389, 390, 391, 392, 393]. Отсюда выразили долю механических потерь на привод ТПА в общем объёме механических потерь ТД при работе на ДТ следующим выражением

ДТ 1 у тгг/.

ТПА

NДТ

Далее определили значение относительной величины улучшения

механических потерь умножив её на значение общей доли механических потерь. Тогда после преобразования получили:

Р мп

N

СТ ТПА

NДТ

(2.2.36)

И окончательно после подстановки (2.2.26) и (2.2.35) в (2.2.36), находили:

' Рст -10-6 РпрКнвдРрТ + 0,12щц (Рпр - Ртннд ) ^

0,277

Рп

СТ

ТНВДТНВД 'о I м

Вгт • 10-6 Р УтипРСТ + 0,12па (РТИИП - Р )

г'СТ впр ТНВД г п ' 1ц \ ТННД атм /

Р мп

'1 - Ап.к Л ТННД ТННД 100 ]/о /м

V

У

30г

а Я Ж ЪБп2

ч2„3

' мп п

9-108

(2.2.37)

I мп п „ у.

+ .4 + смпп

3 -104

Используя выражение (2.2.37) можно определить степень относительного улучшения давления механических потерь в зависимости от конструктивно-технологических параметров ТД при работе на разных видах и составах СТ, а также режимах.

Определили относительную степень улучшения эффективного удельного расхода топлива при работе ТД на СТ в зависимости от режимов работы. Для этого выразили общее значение эффективного удельного расхода топлива:

3600рЛ

реа10

(2.2.38)