Basic characteristic of fuel control of a tractor diesel engine equipped with a fuel skipping system

Full Text

Введение Дизельные двигатели, применяемые в тракторах, работают на разных диапазонах нагрузок и оборотов. Выявлено, что даже на основных сельскохозяйственных операциях приблизительно 80 % времени они работают с нагрузкой, близкой к номинальной, а 20 % - на режимах холостого хода и малого газа. При переходе на режимы малых нагрузок и оборотов экономические показатели существенно ухудшаются. Объясняется это резким снижением - по мере уменьшения нагрузок - не только давления впрыскивания, но и цикловой подачи топлива, когда усиливается относительное влияние на процесс смесеобразования и сгорания более грубо распыливаемого топлива в начальном и конечном участках процесса впрыскивания, соответствующих подъему и посадке иглы распылителя форсунки [1, 2]. В соответствии с этим эффективным способом существенного повышения экономичности работы тракторных двигателей может стать недопущение уменьшения цикловой подачи топлива по мере снижения нагрузки. На практике это реализуется путем отключения части цилиндров. Отключение цилиндров в основном производится прекращением подачи топлива в часть цилиндров по мере снижения нагрузки. При этом на остающиеся работать цилиндры впрыскивается топливо с увеличенной цикловой подачей для преодоления возникшей нагрузки от выключенных цилиндров. Однако при таком способе отключения из-за ступенчатого изменения удельного расхода топлива появляются нереализованные зоны, на которых можно получить дополнительную экономию топлива. Плавного изменения удельного расхода топлива можно достичь прекращением (пропуском) отдельных подач (впрысков) топлива не в одних и тех же цилиндрах, а распределяя по всем цилиндрам. При этом величины реализованных цикловых подач будут иметь постоянное значение на всем диапазоне регулирования [5]. Для реализации такого метода регулирования топливная система должна позволять производить единичные пропуски впрысков топлива с разной периодичностью и в любых цилиндрах. Очевидно, что это возможно только в топливных системах с электронным управлением. В электронный блок должна быть заложена базовая характеристика управления пропуском подач топлива. Цель исследований Разработка базовой характеристики управления топливоподачей дизеля для регулирования режимов работы пропуском подач топлива. Материалы и методы Расчетно-экспериментальные исследования проводились с использованием программы Microsoft Excel и стенда для испытания и регулировки топливных насосов высокого давления КИ-22210-УХЛ4. Результаты и обсуждение Базовая характеристика управления пропуском подач топлива может быть получена с использованием скоростных и регуляторных характеристик топливного насоса дизеля, которые представлены на рис. 1. Рис. 1. Скоростные (1 и 2) и регуляторная характеристики топливных систем непосредственного действия: nп, nм.к, nн и nв - частоты вращений, соответственно, при пуске, максимальном крутящем моменте, номинальном режиме и при выключении подачи; gц.п, gц.м.к и gц.н - цикловые подачи, соответственно, при пуске, максимальном крутящем моменте и номинальном режиме Из рисунка видно, что при пуске nп и до режима максимального крутящего момента nм.к пропуска подач топлива не может быть. Величины цикловых подач на этих режимах можно обеспечить применяемыми на сегодняшний день способами (изменением рейки (дозатора) насоса). Пропуск подачи топлива можно реализовать от режима максимального крутящего момента nм.к до полного выключения подачи nв. При частоте вращения максимального крутящего момента nм.к рейка (дозатор) насоса фиксируется в положении, обеспечивающем цикловую подачу gц.м.к. Далее на всем диапазоне до полного выключения положение рейки (дозатора) не меняется. Рассмотрим более подробно случай при частоте вращения ni. Число реализованных подач m (до пропуска подачи) должно быть таким, чтобы каждая убавленная на величину подача позволила собрать одну пропущенную подачу: , (1) где gц.к.i - текущее значение цикловой подачи на корректорной ветви регуляторной характеристики; gц.с.i - текущее значение цикловой подачи на скоростной характеристике. Номер пропускаемой подачи за реализуемыми подачами можно определить по следующей зависимости: . (2) Число пропускаемых подач в процентах составит: . (3) У современных топливных систем скоростные и регуляторные характеристики таковы, что для участка nм.к. - nн могут быть описаны уравнениями параболы: ; , где ni - текущее значение частоты вращения; а1, а2, b1, b2, c1 и c2 - постоянные величины. На участке nн - nв они представляют почти прямые линии и могут записываться соответственно в видах: ; . Подставив полученные выражения в формулы (1)-(3), получим: для режима nм.к. - nн: ; ; ; для режима nн - nв: ; ; . Возможен и второй вариант применения метода пропуска подач топлива: от номинальных оборотов nн до полного выключения подачи nв (пропуск подач производится только на регуляторных ветвях). В этом случае величины цикловых подач от пуска до номинального режима необходимо обеспечивать также применяемыми на сегодняшний день способами (изменением рейки (дозатора) насоса), а в зоне пропуска подач величина реализуемой цикловой подачи будет равна gц.н. На основе представленной методики получения базовой характеристики были проведены расчетно-экспериментальные исследования характеристик топливного насоса дизельного двигателя 2Ч105×120. Для топливного насоса данного дизеля nм.к = 600 мин-1, nн = 900 мин-1 и nв = 1020 мин-1. Вначале были сняты скоростные и регуляторные характеристики при разных положениях рейки топливного насоса. Далее на участке 600 < n 900 экспериментальные характеристики и были аппроксимированы в среде Microsoft Excel в следующих видах: , . Подставляя их в формулы (1)-(3) получаем: ; ; . Для участка 900 < n 1020 (линеаризуя функции и ) уравнения выглядят: ; . Подставив в формулы (1)-(3) получаем: ; ; . Используя эти выражения, была получена базовая характеристика управления топливоподачей дизеля 2Ч105×120, оснащенного системой пропуска подач топлива. Базовая характеристика представляет собой матрицу данных, которая частично представлена в таблице (для случая внешней регуляторной характеристики). Как видно из таблицы, значения k не всегда являются целыми числами. Поэтому предварительно следует округлить его значения до целых и уже их использовать для введения в запоминающее устройство регулятора. Эта характеристика была записана в запоминающее устройство микроконтроллера блока управления топливным насосом. С целью проверки правильности предлагаемого способа получения базовой характеристики на стенде для испытания и регулировки топливных насосов высокого давления КИ-22210-УХЛ4 были проведены исследования экспериментального насоса (рис. 2). Экспериментальный насос был собран на базе распределительного насоса НД-21/2. В насос были вмонтированы электромагнитный клапан 2 (для реализации пропуска подач топлива) и шаговый электродвигатель 3 (для изменения положения дозатора плунжерной пары). Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 3. Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований характеристик топливного насоса дизеля 2Ч105×120 Как видно из представленных данных, все экспериментальные точки попали на расчетные. Блок управления четко обеспечивает выключение рассчитанной пропускаемой подачи. Выводы Регулирование режимов работы тракторного дизеля пропуском отдельных подач топлива позволяет получить дополнительную экономию топлива по сравнению с классическим отключением цилиндров. Для реализации такого метода регулирования топливная система должна позволять производить единичные пропуски впрысков топлива с разной периодичностью и в любых цилиндрах, что возможно реализовать только в топливных системах с электронным управлением. В электронный блок должна быть заложена базовая характеристика управления пропуском подач топлива, которая может быть получена с использованием скоростных и регуляторных характеристик топливного насоса дизеля. Результаты экспериментальных исследований характеристик топливного насоса дизельного двигателя 2Ч105×120 показали, что приведенная методика вполне пригодна для разработки базовых характеристик для дизелей с регулированием режимов работы пропуском подач топлива. Таблица Базовая характеристика n, мин-1 gц.с, мм3/цикл gц.р, мм3/цикл k е 600 69,1 69,8 - - 610 69,6 69,7 94,8 0,1 620 70,0 69,6 84,3 0,6 630 70,4 69,4 70,1 1,4 640 70,8 69,3 45,5 2,2 650 71,2 69,1 33,8 3,0 … … … … … 1000 76,4 10,0 1,2 86,9 1010 76,5 5,0 1,1 93,5 1020 76,5 0,0 1,0 100,0 Рис. 2. Экспериментальный насос: 1 - насос высокого давления НД-21/2; 2 - электромагнитный клапан, реализующий пропуск подачи топлива; 3 - шаговый электродвигатель

About the authors

E. M Gajsin

Bashkir State Agrarian University

Email: gaisin@inbox.ru
PhD in Engineering Ufa, Russia

References

Supplementary files