Regulation of tractor diesel engine operation modes by missing fuel distribution

Full Text

Введение На сегодняшний день из-за постоянного удорожания топлива актуальной задачей является его экономия. Дизельные двигатели, применяемые на автотракторных средствах, работают в широких диапазонах нагрузок и частот вращения. Наибольшие экономические показатели достигаются на режимах, близких к номинальным. С уменьшением нагрузки, а также при переходе на неустановившиеся нагрузки их эффективные показатели ухудшаются. Это во многом объясняется особенностью работы их топливной системы, а именно с уменьшением оборотов и нагрузок снижается давление и величина впрыскиваемого в цилиндр топлива, и, в итоге, впрыск оказывается «вялым», ухудшается качество смесеобразования и сгорания [1]. Решению этой проблемы в определенной мере может способствовать впрыск увеличенной цикловой подачи топлива на режимах малых нагрузок, например, регулируя режимы работы двигателя путем отключения цилиндров. Однако у такого способа регулирования есть ряд недостатков, в частности ступенчатое изменение удельного расхода топлива [2]. Современные дизельные двигатели оснащены различной топливной аппаратурой: аккумуляторные системы, насос-форсунки и системы непосредственного действия. Применение способа регулирования отключением цилиндров удобно в системах с электронным управлением, как это реализовано в современных системах отключения цилиндров автомобильных двигателей (Honda, Volkswagen, Ford, BMW и др.). Достаточно большая доля дизельных двигателей имеет топливную систему непосредственного действия. Они оснащены рядными, V-образными и распределительными топливными насосами высокого давления (ТНВД). Если переводить дизельные двигатели, оснащенные рядными и V-образными ТНВД, на регулирование отключением цилиндров, то дополнительно на каждую линию высокого давления необходимо устанавливать устройство отключения. Или необходимо применять специальную конструкцию ТНВД, например, как было реализовано в двигателе Д-130 трактора Т-130 [3]. Удобство распределительных насосов в том, что они имеет одну секцию высокого давления, обслуживающую все цилиндры двигателя. Цель исследования Повышение топливной экономичности тракторных дизелей при регулировании режимов работы отключением цилиндров. Материалы и методы Исследования проводились по общепринятой методике [4]. на тракторных дизельных двигателях 2Ч105х120 и 4Ч105х120, оснащенных распределительными насосами типа НД. Исследования проводились. Результаты и обсуждение Последовательное выключение цилиндров предварительно исследовалось на четырехцилиндровом дизеле 4Ч105х120 со штатным насосом распределительного типа. Результаты представлены на рис. 1. Рис. 1. Нагрузочные характеристики дизеля 4Ч105х120 при работе с насосом НД-21/4 при частоте вращения коленчатого вала 1100 мин-1: ● - работают все цилиндры; ○ - выключен один цилиндр; Δ - выключены два цилиндра; - отключены три цилиндра Результаты испытаний показали, что по мере отключения цилиндров экономичность двигателя ухудшалась даже на малых нагрузках. Дальнейшие исследования проводились на двухцилиндровом дизеле 2Ч105х120, с тем чтобы, по возможности, снизить влияние неидентичности цилиндров на результаты испытаний. Испытания двухцилиндрового дизельного двигателя 2Ч105х120 проводились на режимах малых нагрузок, обеспечиваемых работой одного цилиндра. Результаты приведены на рис. 2. Из графиков видно, что при отключении любого цилиндра, так же как и на дизеле 4Ч105х120, экономичность двигателя не повысилась, а, наоборот, ухудшилась (рис. 2, а). При дальнейших испытаниях выяснилось, что для достижения необходимого при работе с насосом распределительного типа эффекта от отключения цилиндров требуется корректировка цикловой подачи топлива в работающий цилиндр. Характерной особенностью насосов распределительного типа явилось то, что отключение подачи в один цилиндр существенно изменяло цикловую подачу в другой остающийся - работать цилиндр. В одном случае она оказывалась больше требуемого и при ее уменьшении удельный расход топлива снижался. В другом случае, когда цикловая подача была меньше, удельный расход топлива можно было снизить ее увеличением (рис. 2, б). Из рис. 2 видно, что при отключении одного цилиндра снижение удельного расхода топлива наблюдалась в диапазоне мощностей от 0,8 до 3,7 кВт. Например, при работе на первом цилиндре на режиме с мощностью 3 кВт и частотой вращения 1100 мин-1 удельный расход топлива, по сравнению с работой на двух цилиндрах, снизился на 50 г/(кВт·ч). Дальнейшее увеличение нагрузки приводило к ухудшению экономичности, и для преодоления возрастающей нагрузки требовалось включение в работу второго цилиндра. Из приведенных данных следует, что отключение одного цилиндра снижает максимальную мощность для режима с частотой вращения 1100 мин-1 с 6 до 3,7 кВт. При этом появляется нереализованная зона, отмеченная на рис. 2, б штриховкой. Одним из способов реализации этой зоны может стать переход от отключения цилиндров к отключению отдельных подач топлива [5]. Например, при снижении нагрузки на 20 % отключают ориентировочно каждую пятую подачу (рис. 3), на 10 % - десятую, на 1 % - сотую и т.д. При этом в продолжающие работать цилиндры будет впрыскиваться увеличенный объем топлива. Рис. 3. Условные осциллограммы подъема иглы распылителя hи, поясняющие число m реализованных очередных и порядковый номер к пропускаемой подачи при работе двигателя с 80%-й нагрузкой Реализовать данный метод возможно при оснащении топливной системы дизеля электронно-управляемым быстродействующим клапаном, который в зависимости от режима работы двигателя будет реализовывать необходимый пропуск подач топлива и регулировку величины цикловой подачи по отдельным цилиндрам. Особенность распределительных насосов в том, что многие модели имеют технологический канал в центре корпуса секции высокого давления. Этот канал соединен с линией высокого давления и заглушен болтом [6]. При оснащении системой пропуска подачи топлива дизельного двигателя с ТНВД распределительного типа достаточно одного электромагнитного клапана. В качестве электромагнитного клапана для отключения подачи топлива был использован клапан фирмы Denso. Этот клапан вкручивался в корпус-штуцер, который в свою очередь вворачивался в корпус ТНВД (рис. 4). Для управления работой перепускного клапана был разработан электронный регулятор, функциональная схема которого приведена на рис. 5. Электромагнитный клапан 1 получает импульсы от процессора 3 электронного блока управления II и коммутатора 2 в соответствии с сигналами, поступающими от датчиков III и IV. Получаемые сигналы предварительно преобразовываются в цифровой код аналого-цифровым преобразователем 7. Затем процессор 3 вычисляет адрес значения числа пропусков подач топлива, оптимального для данного режима работы двигателя в постоянно-запоминающем устройстве 5, и считывает значение через шину 6. При вырабатывании датчиком IV импульса процессор 3 формирует пропуск или подачу тока к обмотке электромагнита клапана 1. На рис. 6 представлен упрощенный алгоритм программы управления, прошитый в постоянно-запоминающее устройство регулятора. Отличительными особенностями алгоритма программы управления являются: - использование прерываний; - вывод на экран дисплея информаций об ошибках (при выходе из строя датчиков). Индикация данных осуществляется с помощью жидкокристаллического дисплея типа LCD, обладающего большой информативностью. В режиме передачи данных дисплей принимает и отображает знаки кода ASCII, полученные от микроконтроллера. При этом он может выполнять некоторое количество команд, обеспечивающих частичное или полное стирание отдельных символов, полное стирание всей информации, указание позиции курсора и т.д. Эти команды ускоряют управление дисплеем (повышают быстродействие). Обмен информацией между микроконтроллером и LCD осуществляется восьмибитным интерфейсом. С использованием разработанного блока управления и предложенного метода управления были проведены испытания дизельного двигателя 2Ч105х120 с экспериментальным насосом НД21/2 (рис. 7). Как видно из представленных данных, при таком способе регулирования удельный расход топлива меняется плавно и расширяется диапазон мощностей на режиме с частотой вращения коленчатого вала 1100 мин-1. Так при мощности 4 кВт удельный расход топлива снизился на 4,8 %. Выводы Для получения эффекта от отключения цилиндров при работе с насосом распределительного типа необходима корректировка цикловой подачи топлива в работающий цилиндр. При этом возникают трудности, в связи с тем что распределительные насосы не допускают регулировки величины подачи в отдельные цилиндры двигателя. В случае электронного регулирования эти трудности могут быть преодолены относительно просто. Конструктивная особенность распределительных насосов, заключающаяся в том, что они имеют технологический канал, который соединен с линией высокого давления, позволяет использовать лишь один электромагнитный клапан. При переходе от простого отключения цилиндров к регулированию режимов работы пропуском отдельных подач топлива удельный расход топлива менялся плавно и диапазон мощностей, при которых дизельный двигатель работает на данном режиме, сохраняется таким же, как и при работе со всеми цилиндрами. Рис. 2. Нагрузочные характеристики дизеля 2Ч105х120 с насосом распределительного типа НД-21/2 при частоте вращения коленчатого вала 1100 мин-1 и работе: ● - на двух цилиндрах; Δ - на первом цилиндре; × - на втором цилиндре; а) и б) - до и после корректировки цикловых подач, соответственно а б в Рис. 4. Вид корпус-штуцера с монтированным клапаном Denso (а) и экспериментальные насосы НД-21/2 (б), НД-21/4 (в) Рис. 5. Функциональная схема электронного регулятора: I - дизель; II - электронный блок управления; III и IV - датчики частоты вращения и углового положения коленчатого вала; 1 - электромагнитный клапан; 2 - коммутатор; 3 - микропроцессор; 4 - оперативно-запоминающее устройство; 5 - постоянно-запоминающее устройство; 6 - шина; 7 - аналого-цифровой преобразователь Рис. 6. Упрощенный алгоритм программы управления: а - основная программа; б и в - подпрограммы, запускаемые при наступлении прерываний Рис. 7. Нагрузочные характеристики дизеля 2Ч105х120 с экспериментальным насосом при частоте вращения коленчатого вала 1100 мин-1 и работе: ● - на двух цилиндрах; ○ - с пропуском подачи топлива

About the authors

V. I Potapov

Bashkir State Agrarian University

E. H.M Gajsin

Bashkir State Agrarian University

R. R Galiullin

Bashkir State Agrarian University

DSc in Engineering

A. S Rozhkov

Kaliningrad branch of St. Petersburg State Agrarian University

Email: gaisin@inbox.ru

References

Supplementary files