Презентація на тему:
Національний університет біоресурсів

Кабінет Міністрів України Національний університет біоресурсів і природокористування України Кафедра автотракторного, сільсько- і лісогосподарського машинобудування ІЛЮСТРАЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ до магістерської роботи Волянської Людмили Михайлівни на тему: ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ДВИГУНА, ОБЛАДНАНОГО ВДОСКОНАЛЕНИМИ СИСТЕМАМИ ГАЗОРОЗПОДІЛУ І РЕГУЛЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ Науковий керівник – Бешун Олексій Анатолійович, кандидат технічних наук, доцент Київ - 2010

АКТУАЛЬНІСТЬ ТЕМИ Відомо, що в умовах міського руху найуживанішими режимами роботи автомобільних двигунів є часткові навантаження і холостий хід. Робота тракторів і комбайнів також характеризується тривалою експлуатацією на цих режимах під час транспортних та інших операцій, при виконанні яких двигун неможливо завантажити до номінальної потужності. При цьому значно погіршується робочий процес. Малі циклові подачі палива обумовлюють надмірне збіднення горючої суміші, що викликає підвищення втрат теплоти в систему охолодження. Збільшується нерівномірність подачі палива по циліндрах і погіршується якість його розпилювання. Це приводить до зниження коефіцієнта корисної дії, закоксовування розпилювачів форсунок та нагаровідкладення при тривалій роботі двигуна на таких режимах. Одним з ефективних способів усунення вказаних недоліків є застосування методу регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів, який має відомі суттєві переваги перед відключенням циліндрів. Проте цей метод недостатньо вивчений у відношенні його поєднання з синхронним припиненням процесів газообміну, який можна здійснити за рахунок сучасного ГРМ. Саме цим питанням і присвячена дана робота. 2

Мета магістерської роботи – покращення паливної економічності і зменшення шкідливих викидів двигунів на режимах часткових навантажень і холостого ходу шляхом регулювання їх потужності відключенням окремих робочих циклів з синхронним припиненням процесів газообміну. 3 Об‘єкт дослідження – робочий процес автотракторного дизеля ЯМЗ-238М2, регулювання потужності якого здійснюється відключенням окремих робочих циклів шляхом припинення подачі палива з синхронним припиненням процесів газообміну (залишенням клапанів ГРМ у закритому стані). Предмет дослідження – вплив відключення робочих циклів на економічні та динамічні показники дизельного 4-тактного безнаддувного автотракторного 8-циліндрового двигуна з V-подібним розміщенням циліндрів.

ЗАДАЧІ ДОСЛІДЖЕНЬ Виконати аналіз літературних джерел, присвячених вдосконаленню робочого процесу багатоциліндрових автотракторних двигунів. Обґрунтувати можливості застосування синхронного припинення процесів газообміну у поєднанні з методом регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів. Розробити методику досліджень та програму експериментальних моторних випробувань. Вдосконалити лабораторну установку для дослідження робочого процесу двигуна, обладнаного вдосконаленими системами газорозподілу. Виконати дослідження впливу відключення робочих циклів на економічні та динамічні показники дизельного 4-тактного безнаддувного автотракторного 8-циліндрового двигуна з V-подібним розміщенням циліндрів. Обґрунтувати очікуваний економічний ефект від застосування синхронного припинення процесів газообміну у поєднанні з методом регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів. 4

Наукова новизна. Набули розвитку теоретичні основи і концепція ДВЗ, регулювання потужності яких здійснюється відключенням окремих робочих циклів. Вперше визначено економічні показники, параметри робочого процесу, та динаміки 4-тактного 8-циліндрового безнаддувного дизеля ЯМЗ-238М2. Прикладна значущість отриманих результатів полягає у можливості використання отриманих результатів при подальшому більш поглибленому дослідженні методу відключення окремих робочих циклів. 5

ЗАВАНТАЖЕННЯ АВТОТРАКТОРНИХ ДВИГУНІВ В ПРОЦЕСІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ Двигун вантажного автомобіля Тракторний дизель СМД-62 Комбайновий дизель СМД-31А Полігони імовірнісних режимів роботи автотракторних двигунів 6

Поле розподілення режимів роботи дизеля КамАЗ-740 вантажного автомобіля КамАЗ-5320, який експлуатується в місті Поле розподілення режимів роботи дизеля КамАЗ-740 вантажного автомобіля КамАЗ-740 вантажного автомобіля КамАЗ-5320, який експлуатується при русі по магістралі 7 Відносний час роботи дизеля автомобіля МАЗ в умовах міського руху при різних частотах обертання Відносний час роботи дизеля автомобіля МАЗ в умовах міського руху при різних положеннях рейки паливного насоса

Показники завантаження двигунів вантажних автомобілів 8 Середньостатистичне навантаження (за моментом), частотою обертання колінчастого валу і кількістю перемикань передач на 100 км пробігу за різних дорожніх умов Зміна співвідношення режимів роботи дизеля у бік збільшення тривалості роботи на XX, малих навантаженнях і зменшення на режимах близьких до номінального Умови руху Коефіцієнти завантаження двигуна ηN ηm ηп Асфальтовані дороги 0,42 0,50 0,72 Кам’яно-щебневі дороги 0,53 0,57 0,79 Ґрунтові дороги 0,38 0,49 0,66 Їзда в міських умовах 0,20 0,35 0,50 Дорожні умови Меср ncp z Міжнародне шосе 0,61…0,84 0,68…0,75 38…66 Інтенсивний міський рух 0,32…0,51 0,53…0,72 400…580 Ґрунтові дороги 0,39…0,56 0,32…0,55 290…460 Режим роботи 1971 р. 1981 р. Холостий хід 42,0  % 40,0  % 82,5  % Холостий хід – мале навантаження – 46,1  % 70,9  % Номінальний режим 17,0  % 34,2  % 8,9  % Неусталений режим 16,5  % – –

ТЕХНІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДОСЛІДЖУВАНОГО ДВИГУНА 9 ЗАГАЛЬНИЙ ВИГЛЯД, ДІАГРАМА ФАЗ ГАЗОРОЗПОДІЛУ І ФОРМА КАМЕРИ ЗГОРЯННЯ ДВИГУНА 8Ч13/14 (ЯМЗ-238М2)

КЛАСИФІКАЦІЯ СПОСОБІВ РЕГУЛЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ ДВЗ 10

11 Алгоритм відключення робочих циклів для 8-циліндрового ДРЦ із ступенем регулювання (1/16) Nі * В таблиці позначено: ”1” – відключені цикли; ”0” – робочі цикли. Відключена частина індикаторної потужності * Номера циліндрів в порядку їх роботи 1 5 4 2 6 3 7 8 1 5 4 2 6 3 7 8 Номери відключених циклів 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 (0/16) Nі 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (1/16) Nі 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (2/16) Nі 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 (3/16) Nі 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 (4/16) Nі 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 (5/16) Nі 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 (6/16) Nі 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 (7/16) Nі 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 (8/16) Nі 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 (9/16) Nі 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 (10/16) Nі 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 (11/16) Nі 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 (12/16) Nі 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 (13/16) Nі 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 (14/16) Nі 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 (15/16) Nі 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 (16/16) Nі 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

12 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ДИЗЕЛЬНОГО ДРЦ (ЯМЗ-236М2) В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД КІЛЬКОСТІ ПІДРЯД ПРОПУЩЕНИХ ЦИКЛІВ

13 ІНДИКАТОРНІ ДІАГРАМИ ДВИГУНА ЯМЗ-238М2 У ФУНКЦІЇ КУТА П.К.В.

ВИКОНАННЯ РОЗРАХУНКІВ З ВИКОРИСТАННЯ ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ, РОЗРОБЛЕНОГО СПІВРОБІТНИКАМИ КАФЕДРИ ТА ПЕРЕВІРКА РОЗРАХУНКІВ З ДОПОМОГОЮ ПРОГРАМИ “ДИЗЕЛЬ-РК” 14

15 ПОРІВНЯЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА УМОВНИХ МЕХАНІЧНИХ ВТРАТ ДИЗЕЛЯ 4Ч12/14 Для того щоб зменшити переохолодження непрацюючих циліндрів, поряд із припиненням подачі палива в них необхідно припинити і газообмін (тобто закрити клапани). У цьому випадку холодне повітря не подається у відключені циліндри і не охолоджує їх. При переміщенні поршнів у цих циліндрах у зв’язку з втратами в картер через зазори між кільцями тиск стиску різко знижується, а розширення відбувається до вакууму, і в такий спосіб усуваються насосні втрати при значному зменшенні протитиску при стиску. Поршні в таких циліндрах працюють як потужні пневматичні амортизатори, забезпечуючи плавність переходу з непрацюючого стану в робоче, і навпаки.

16 ІНДИКАТОРНІ ДІАГРАМИ ПРИ ВІДКЛЮЧЕННІ ЦИЛІНДРА ШЛЯХОМ ПРИПИНЕННЯ ПОДАЧІ ПАЛИВА З СИНХРОННИМ ПРИПИНЕННЯМ ПРОЦЕСІВ ГАЗООБМІНУ (КЛАПАНИ ГРМ ЗАКРИТІ)

ЗАГАЛЬНИЙ ВИГЛЯД ГАЛЬМІВНОЇ УСТАНОВКИ ЛК-670 З ПУЛЬТОМ КЕРУВАННЯ 17 ЗАГАЛЬНИЙ ВИГЛЯД ТА СХЕМА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ МОТОРНОЇ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ДРЦ СХЕМА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОРШНЕВОГО ДРЦ 1 – досліджуваний 4-тактний 8-циліндровий дизельний двигун 8Ч13/14 (ЯМЗ-238М2), укомплектований відповідно до вимог стандартів та додатково мембранним тензометричним датчиком тиску в циліндрі (індикатором), датчиками кутових імпульсів (частоти обертання), ВМТ 1-го циліндра та початку відліку; 2 – гальмівний стенд САК N670-250-3000 (потужність Ne = 250 кВт); 3 – пульт керування гальмівною установкою з електронно-лічильним частотоміром Ф5035 та пристроєм для вимірювання витрати палива; 4 – електрична шафа живлення гальмівного стенда; 5 – паливний бак; 6 – автоматичні ваги Д1 0,00000 ЕД з комплектом тарирувальних гир; 7 – ротаційний лічильник газу РГ600-1 з забірним рукавом та ресивером; 8 – газоаналізатори 344ХЛ 01 (для визначення NO/NOx, млн-1), 123 ФА 01 (для визначення CnHm, млн-1) та 121 ФА 01 (для визначення CO, %); 9 – балони з повірочними газами та газовим редуктором; 10 –вимірювач димності (непрозорості) ВГ ИНА-109 з оптичним блоком, блоком живлення та блоком перетворення інформації димоміра; 11 – 8-ми канальний USB‑осцилограф з комплектом датчиків, додаткового обладнання та з’єднувальних провідників; 12 – персональний комп’ютер з монітором, клавіатурою та мишкою; 13 – лабораторний термометр, барометр та психрометр; 14 – акумуляторна батарея 6СТ-55; 15 – пристрій відключення робочих циклів з електронним блоком управління подачею палива та процесів газообміну.

Електромагнітний клапан з пневматичною амортизацією Магнітоелектричний клапан із електроннокеруючим вентилем зовні гідроамортизатора Електромагнітний клапан без поворотної запірної пружини Електромагнітний клапан з пружинною амортизацією 18 Зовнішній вигляд і компоновка електромагнітного приводу газорозподільних клапанів Конструктивне виконання дослідного зразка головки блоку ДВЗ з електромагнітними клапанами фірми BMW

19 Система управління процесом газорозподілу повинна забезпечувати: – здатність надійної роботи приводу клапанів при високих частотах обертання колінчастого валу двигуна; – високий ККД приводу клапанів; – м’яку посадку клапанів під час їх закриття; – мінімальні габарити приводів газорозподільних клапанів; – надійну синхронну роботу газорозподільних клапанів з колінчастим валом ДВЗ; – унеможливлення зіткнення поршня і клапана у нештатних ситуаціях (при порушенні цілісності або виключенні електричного ланцюга управління клапаном); – виключення передачі вібрацій на головку блоку циліндрів від клапанів.

20 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ДИЗЕЛЬНОГО ДРЦ (ЯМЗ-236М2) В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД КІЛЬКОСТІ ПІДРЯД ПРОПУЩЕНИХ ЦИКЛІВ З СИНХРОННИМ ПРИПИНЕННЯМ ПРОЦЕСІВ ГАЗООБМІНУ

21 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ДИНАМІКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДРЦ (ЯМЗ-236М2) В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД КІЛЬКОСТІ ПІДРЯД ПРОПУЩЕНИХ ЦИКЛІВ

22 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ДИНАМІКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДРЦ (ЯМЗ-236М2) В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД КІЛЬКОСТІ ПІДРЯД ПРОПУЩЕНИХ ЦИКЛІВ

23 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ДИНАМІКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДРЦ (ЯМЗ-236М2) В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД КІЛЬКОСТІ ПІДРЯД ПРОПУЩЕНИХ ЦИКЛІВ І ЧАСТОТИ ОБЕРТАННЯ КОЛІНЧАСТОГО ВАЛУ

24 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ДИНАМІКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДРЦ (ЯМЗ-236М2) В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД КІЛЬКОСТІ ПІДРЯД ПРОПУЩЕНИХ ЦИКЛІВ І ЧАСТОТИ ОБЕРТАННЯ КОЛІНЧАСТОГО ВАЛУ

25 СТРУКТУРА СЕРЕДНЬОРІЧНОЇ ТРИВАЛОСТІ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ДВИГУНА ЯМЗ-238М2 АВТОМОБІЛЯ КрАЗ-65101 НА РІЗНИХ НАВАНТАЖУВАЛЬНИХ РЕЖИМАХ

26 ПОРІВНЯННЯ ПАЛИВНОЇ ЕКОНОМІЧНОСТІ ДИЗЕЛЯ ЯМЗ-238М2, ОБЛАДНАНОГО ЕЛЕКТРО-ГІДРАВЛІЧНИМ ГРМ ТА ЗАПРОПОНОВАНОЮ СИСТЕМОЮ РЕГУЛЮВАННЯ ПОТУЖНОСТІ

РІЧНИЙ ЕКОНОМІЧНИЙ ЕФЕКТ ВІД ВПРОВАДЖЕННЯ СИСТЕМИ ДРЦ З ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНИМ ПРИВОДОМ КЛАПАНІВ ГРМ НА ДИЗЕЛІ ЯМЗ-238М2 АВТОМОБІЛЯ КрАЗ-65101 27

28 ОРІЄНТОВНА ВАРТІСТЬ ВИГОТОВЛЕННЯ, МОНТАЖУ, ТО І РЕМОНТУ СИСТЕМИ ДРЦ З ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНИМ ПРИВОДОМ КЛАПАНІВ ГРМ НА ДИЗЕЛІ ЯМЗ-238М2 АВТОМОБІЛЯ КрАЗ-65101 Назва вузлів, складальних одиниць та виконуваних робіт Орієнтовна вартість, грн. Виготовлення елементів системи паливоподачі, що забезпечує регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів 8800 Виготовлення механічнічних і гідравлічних елементів системи газорозподілення 13600 Придбання необхідних датчиків, виконавчих пристроїв та виготовлення електричної і електронної складової системи 9200 Вартість монтажу системи на двигун автомобіля 1300 Додаткові витрати на ТО та ремонт за амортизаційний період 1500 Накладні та інші витрати 500 Всього капіталовкладень, грн. 34900

29 ОРІЄНТОВНИЙ РІЧНИЙ ЕКОНОМІЧНИЙ ЕФЕКТ ВІД ВПРОВАДЖЕННЯ СИСТЕМИ ДРЦ З ЕЛЕКТРОГІДРАВЛІЧНИМ ПРИВОДОМ КЛАПАНІВ ГРМ НА ДИЗЕЛІ ЯМЗ-238М2 АВТОМОБІЛЯ КрАЗ-65101 ТА ТЕРМІН ЇЇ ОКУПНОСТІ Показники і одиниці їх вимірювання Значення Річна економія дизельного палива, кг 2535 Густина дизельного палива, т/м3 0,83 Річна економія дизельного палива, л 3055 Оптово-закупівельна ціна дизельного палива, грн./л. 6,50 Річна економія, грн. 19856 Капіталовкладення, грн. 34900 Термін окупності капіталовкладень, місяців 21

30 В И С Н О В К И 1. Основний недолік механічних клапанів з приводом від розподільного валу – їх жорсткий кінематичний зв’язок з колінчатим валом. Це не дозволяє створювати поршневі двигуни з гнучким (адаптивним) програмним управлінням процесами газорозподілу від електронної автоматики, що перешкоджає подальшому вдосконаленню двигунів. За період з кінця 50-х років XX століття по теперішнього часу зареєстровано більше ста патентів на винаходи газорозподільних клапанів з прямим приводом від силових тягових електромагнітів. Найбільш активно в цьому напрямі працюють німецькі автомобілебудівні фірми.  2. Загальною конструктивною особливістю абсолютної більшості відомих електромагнітних клапанів є застосування в них тягових силових електромагнітів, які змикаються, основні недоліки яких – громіздкість, інерційність і значні акустичні шуми. Всі відомі винаходи спрямовані на усунення цих недоліків, проте, як випливає з аналітичного огляду відомих конструкцій електромагнітних клапанів, їх описів в патентній, рекламній та іншій науково-технічній літературі, до цього часу немає практично реалізованих в широкій серії надійних розробок, тому в даній роботі обрано не “чистий” електромагнітний привод, а електрогідравлічний. 3. Визначено мету, задачі та об’єкт експериментальних досліджень. В якості об’єкта досліджень обрано один з багатоциліндрових автотракторних дизельних двигунів ЯМЗ‑238М2 виробництва ВАТ «Ярославські мотори», який застосовується на бортовому автомобілі КрАЗ-65101 українського виробництва, зокрема, холдингової компанії «АвтоКрАЗ». Розроблено програму, методику експериментальних досліджень, схему експериментальної моторної установки для дослідження дизеля ЯМЗ-238М2 з регулюванням потужності відключенням окремих робочих циклів з синхронним припиненням процесів газообміну. 4. Одним з ефективних способів покращення експлуатаційної паливної економічності автотракторних багатоциліндрових дизелів є заміна штатного газорозподільного механізму системою гідравлічного приводу газорозподільних клапанів з електронним керуванням. Найбільший ефект у відношенні економії палива досягається при поєднанні запропонованої системи з системою відключення окремих робочих циклів. На номінальному режимі роботи економія по питомій витраті палива становить 3,6 %. Досягається вона в першу чергу за рахунок підвищення механічного ККД. На режимі холостого ходу вона найбільша, і становить 44,5 %. Така різниця пояснюється додатковим підвищенням індикаторного ККД. 5. Застосування методу регулювання потужності відключенням окремих робочих циклів з синхронним припиненням процесів газообміну найбільш доцільне на автомобілях і тракторах, задіяних значну частину часу на виконанні транспортних операцій, і в режимах часткових навантажень та холостого ходу. На 8-циліндрових V-подібних двигунах доцільно відключати половину циліндрів. В такому разі динамічні показники в порівнянні з штатним виконанням погіршуються не значно і знаходяться в допустимих межах. 6. За рахунок застосування розробленої в даному проекті системи при річному навантаженні двигуна автомобіля КрАЗ-65101 1900 годин можливо покращити експлуатаційну паливну економічність дизеля ЯМЗ-238М2 на 6,28 %. При цьому річна економія дизельного палива становить 3055 л, що при оптово-закупівельній ціні 6,50 грн/л в грошовому еквіваленті відповідає 19856 грн. 7. Збільшення вартості двигуна при мілкосерійному виробництві за орієнтовними розрахунками становить 39,8 % (з 82650 до 115550 грн.). Проте термін окупності капіталовкладень, обсяг яких для переобладнання дизеля ЯМЗ-238М2 автомобіля КрАЗ-65101 дорівнює 34900 грн., становить 21 місяць, що може бути достатньо привабливим для потенційних інвесторів.

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !

Автомобіль КрАЗ-6130С4 Автомобіль КрАЗ-65101