книги из ГПНТБ / Махалдиани, В. В. Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия

Исследованиями установлено, что при сохранении рг= cons

1ЧН36/45, представляет собой особый интерес в связи с тем, что она является первой попыткой реализации ПАРСС на дизеле столь большой размерности, где вопрос преодоления

ПАРСС является надежным средством для успешного реше­ ния этой проблемы. Приведенный график показывает, что в исследованном диапазоне изменения нагрузок поршень обес­ печивает поддержание постоянных давлений сгорания в ци­ линдре, при том максимальная механическая нагрузка на детали дизеля практически не изменяется. С другой сторо­ ны было отмечено, что ПАРСС обеспечивает уменьшение температурных параметров цикла.

Испытания дизеля 1ЧН36/45 показали, что ПАРСС прак­ тически не ограничивает возможности повышения мощности дизеля при сохранении низких уровней механической и теп­ ловой напряженности.

Анализ результатов вышеописанных испытаний различ­ ных дизелей с ПАРСС позволяет сделать следующие выводы:

1. Форсирование дизеля при помощи наддува с целью улучшения его удельных показателен ставит задачу разре­ шения ряда вопрооов, связанных с. повышением механичес­ кой и тепловой напряженности двигателя и с ухудшением условий для протекания рабочего процесса при нагрузках, превышающих среднее эффективное давление цилиндра по­ рядка 10—12 кГІсм2.

2. Автоматическое изменение степени сжатия дизеля, осуществляемое с помощью ПАРСС, обеспечивает 100%

160

увеличение мощности базового двигателя без повышения максималыных давлений цикла и, следовательно, без необхо­ димости усиления (шнетрувдии последнею. Вместе с тем вы­ сокие значения мощностей при наличии ПАРСС достигаются без ограничений юо стороны тепловых нагрузок.

3. Различие между отдельными (конструкциями ПАРСС заключается в офоромлении элементов гидравлической сис­ темы и ів принципе работы разгрузочного клапана. ПАРСС выеюшобороиного дизеля с широким диапазоном изменения числа оборотов снабжается разгрузочным .клапаном диффе­ ренциального типа для компенсации изменения максималь­ ных давлений .сгорания, имеющего место при іизменѳнии ско­ ростного режима работы дизеля. В ПАРСС стационарного Дизеля применение компенсирующего .клапана не обяза­ тельно — конструкция .разгрузочного клапана выбирается Из условия обеспечения быстрой разгрузки камер при изме­ нении нагрузочного режима двигателя.

4. Диапазон изменения степени сжатия двигателя уста­ навливается ів зависимости от типа и назначения дизеля: верхний предел выбирается из условия обеспечения холодно­ го пуска и составляет 20—22 для транспортного дизеля, а Для стационарного — 15—16; нижний предел определяется исходя из требуемой литровой мощности при максимальной нагрузке двигателя, при том, чем выше запас прочности ди­ зеля, тем выше величина давления ограничения в цилиндре, поддерживаемая регулировкой разгрузочного клапана я со­ ответственно выше значения минимальной степени сжатия, Что способствует лучшему протеканию процесса и повыше­ нию топливной экономичности.

5. Дизели с ПАРСС имеют несколько худший удельный расход топлива (5—6%) по сравнению с обычным дизелем на режимах максимальной нагрузки, при равном минималь­ ном удельном расходе, а на режимах частичной нагрузки двигатель с ПАРСС характеризуется лучшей экономич­ ностью, чем двигатель с постоянной степенью сжатия.

6. Дизели с ПАРСС характеризуются высокими экс­ плуатационными качествами и улучшают динамику транс­ портных средств.

7.ПАРСС ограничивает нагрузки на несущие детали двигателя — три двухкратном 'увеличении литровой мощ­ ности нагрузка на основные детали двигатели практически, не увеличивается.

8.Недостатками ПАРОС следует считать некоторое уве­ личение массы поршневого узла и усложнение конструкціи,и, вследствие чего стоимость дизеля с ПАРСС выше по срав­ нению со стоимостью обычного дизеля.

9.Результаты, достигнутые в ходе испытаний дизелей с ПАРСС в BJCERJ и «Континенталь», дают основание пола­ гать, что уже сейчас существуют реальные возможности для масоового выпуска двигателей со средним эффективным давлением, равным 18—22 кГ/см2 с умеренными значениями давлений сгорания в цилиндре, :контроль над 'которыми будет осуществлять поршень, автоматически регулирующий сте­ пень сжатия.

§8. Пуск двигателей с ПАРСС

Впредыдущем разделе обзора >было отмечено, что кон­ струкции дизелей е высокими мощностями и удельными по­ казателями должны отвечать противоречивым требованиям,, заіключающимся с одной стороны в потребности низкой сте­ пени сжатия для ограничения давлений и температур газов

вцилиндре, и с другой стороны в необходимости наличия достаточно высокой степени сжатия для запуска этих дви­ гателей.

Вопрос холодного пуска двигателя приобретает особо важное значение для транспортных средств, предназначен­ ных для работы в различных климатических условиях, вклю­ чая работу в условиях арктического холода. Понижение температуры окружающего воздуха затрудняет успешный пуск дизелей и после определенных значений делает запуск невозможным без дополнительных вспомогательных средств. Способность двигателя легко заводиться при низких значе­ ниях температуры окружающей среды, во многом зависит от типа двигателя, от применяемого топлива и от значения степени сжатия.

162

Исследования двигателей с воспламенением от сжатия,

не оказывает большого влияния на эти показатели. На рис. 87 представлена диаграмма, показывающая изменение низ­ шего предела температур, три котором возможен пуск дви­ гатели, для б различных типов дизелей. Как видно из диа­ граммы, качество топлива в различных двигателях оказыва­

предела для запуска. В интервале изменения цетановых чи­ сел от 36 до 52, снижение предельной температуры пуска в среднем составляет 0,37°С на каждое число цетана. Умень­ шение цетановых чисел с 35 до 20, приводит к повышению минимально потребной температуры на 1,3°С на каждое це­ тановое число. Вычисления, проведенные с целью определе­ ния влияния степени сжатия на пусковые характеристики двигателя, показали, что степень сжатия двигателя, при ко­ торой возможен пуак холодного двигателя, находится в об­

163

ратной зависимости оо значением предельно низкой темпе­ ратуры [35].

Интересные ірезультаты были получены при эксперимен­ тальном исследовании вопроса пуска двигателя с ПАРСС, проведенного фирмой «Континенталь». Результаты иссле­ дований показывают, что успешный пуск двигателя без вспо­ могательных аредств для облегчения пуска, при степени сжа­ тия рапной 15 и при работе на топливе CJTE, возможен лишь до температуры — 8°С, в то время как при доведении сте­ пени сжатия до е = 21, нижний предел температуры, позво­ ляющий запуск, снижается до —19°С. При работе на ди­ зельном топливе с цетановым числом 42 и при тех же зна­ чениях е, этот предел составляет соответственно —15 и —29°С [35].

Отсюда следует, что дизели со стандартной степенью сжатия не отличаются высокими показателями с точки зре­ ния их пусковых качеств и нуждаются в применении до­ вольно сложных и дорогостоящих устройств для обеспече­ ния пуска и то время как дизели с высокой степенью сжатия, порядка 20—22, легко разрешают вопрос пуска практически при очень низких температурах окружающего воздуха, без наличия каких-либо приспособлений для запуска. Однако высокая степень сжатия, необходимая для успешного пуска, как уже отмечалось выше, приводит к недопустимому воз­ растанию давлений сгорания и температур в цилиндре на режимах полной нагрузки. Другими словами, идеальным решением вопроса является случай, .когда пуск двигателя происходит при высоких величинах степени сжатия, а после запуска и по мере его прогрева степень сжатия уменьшается до оптимальных значений, соответствующих режиму на­ грузки.

Следует отметить, что из всех известных способов огра­ ничения максимальных давлений в двигателе, ПАРСС в наи­ более полной мере отвечает вышеизложенным требованиям. Способность ПАРСС устанавливать степень сжатия двига­ теля в зависимости от максимальных давлений в цилиндре, одновременно способствует и разрешению вопроса холодно­ го пуска двигателя при низкой температуре.

164

Давление воздуха в цилиндре при пуске всегда меньше давления, /необходимого для открытия (разгрузочного кла­ пана. По этой причине наружный стакан поршня стремится занять положение, соответствующее максимальной степени сжатия двигателя и находится ів этом положении, пока дав­ ление в цилиндре не повысится настолько, чтобы вызвать перемещение стакана вниз. Следовательно, холодный пуск двигателя происходит при высокой степени сжатия, т. е. при наиболее благоприятных условиях для воспламенения холод­ ной смеси.

Верхний предел изменений степени сжатия должен выби­ раться в зависимости от условий, при которых производится запуск двигателя. Максимальные значения е порядка 20 ~ 22 достаточны для того, чтобы двигатель легко запускался при температуре окружающей среды до —30°С. Применение допол­ нительно подогревателя воздуха при наличии ПАРСС с ешзх = 22, обеспечивает запуск двигателя при температуре — 45° С.

Подготовка ПАРСС для последующего пуска осуществ­ ляется еще при остановке двигателя. В случае выключения двигателя (путем прекращения подачи топлива при работе двигателя с нагрузкой, его коленчатый вал совершает еще несколько оборотов. При этом, за каждый никл наружный стакан поршня будет перемещаться в сторону ВМТ, осу­ ществляя тем самым повышение степени сжатия. Количест­ во таких перемещений стакана поршня до полной остановки двигателя обычно бывает достаточным для достижения максимальной степени сжатия. Следовательно, три нормаль­ ной остановке двигателя, требуемая степень сжатия для последующего пуска двигателя, .автоматически устанавлива­ ется еще в процессе его выключения.

При внезапной остановке двигателя, работающего с полной нагрузкой и, следовательно, с минимальной степенью сжатия, коленчатый вал двигателя совершает меньшее число оборотов, так что ПАРСС за это время может не успеть достичь крайнего положения. В этом случае максимальная степень сжатия двигателя устанавливается в процессе пуска, в течение неакольких первых оборотов коленчатого вала. Кроме того, движению стакана в сторону максимального положения способствует давление масла в системе смазки

165

двигателя, «которое воздействует «»а поверхность днища ео стороны верхней масляной іиамеры и также перемещает стаікан поршня в сторону ВМТ. Если принять во внимание, что при пуске пусковое -число оборотов составляет «примерно 10% от максимальных оборотов, а давление «масла во внут­ ренней полости ПАРСС уменьша«етея пропорционально ониіжѳнию сил инерции и «составляет 1% «от величины да«вления при «максимальной «скорости «поршня, то истечение «масла из кольцевой масляной камеры поршня через дросселирующее «отверстие уменьшается в 10 ра«з. Но «подобное явление не приводит ік уменьшению высоты п«одъема стакана по той причине, что и время, затрачиваемое на истечение, возраста­ ет ів 10 раз. Таким образом, общее «количество «сливаемого из камеры імасл«а не уменьшается и стакан ПАРСС «при пус­ ке -совершает такие же «относительные «перем«ещен:ия, как и на номинальных числах оборотов [ЭТО].

Опыты, проведенные фирміой «Континенталь», подтвер­ дили хорошую приспособляемость ПАРСС х холодному ■пуску, когда двигатель «и окружающий его воздух «охлажда­ лись до—34°«С. Успешным холодным «пуском в американской системе испытаний считается запуск, если дизель без посто­ ронних «вспомогательных средств зав«одитоя ют проворачива­ ния «стартерам, при пусковых оборотах 100 об/мин в течение 120 «секунд за две «попытки, каждой по 60 «секунд. При том, дизель «предварительно в течение 16 ча«со«в выдерживается на температуре, три которой следует производить запуск. При испытаниях двигателя AVCR-1100 применялось смазочное

масл.0 с вязкостью 18000 пуаз. Результаты показали, что вы­ сокая «вязкость -масла «не затрудняет «пуск двигателя и что Еязкость не сильно влияет на «работу ПАРСС [35].

В качестве топлива при «испытаниях дизеля AVCR-1100 длія «определения «пусковой ха«рактеристи«ки были использова­ ны: дизельное топливо с «цетановым -числом 40, топливо CJTE -с цетановым числом 33 и военный газолин 96—93 с октановым чистом 18. Процесс «пуска и«сследовал«ся «как без /вспомогательных «средств для облегчения пуска, так и при использовании радиатора для подогрева .поступающего в цилиндры «воздуха. У«ста«новленю, что «в «случае «наличия прос­ того радиатора двигатель заводился при температуре—34°С

156

на івсех видах топлива, ів то время как без радиатора при такой температуре пуск двигатели іне возможен гаи »а каком из этих топлив. На рис. 88 изображены пусковые характе­

ристики двигателя AVCR-1100, снятые после 24 -г- 48 часо­ вого простаивания двигателія на холоде для жаждой экспе­ риментальной точки [24]. График .показывает, что двигатель обладает (исключительно хорошими пусковыми качествами.

Взаключение можно отметить, что высокие эксплуата­ ционные качества дизелей с ПАРСС были подтверждены при испытаниях танка М-48, оборудованного поршнями автомати­ чески изменяющими степень сжатия двигателя, в ходе кото­ рых была обеспечена 99% чая (безотказность работы [24].

§9. Изменения в системе подачи топлива в дизелях с ПАРСС

Впроцессе испытаний дизелей с ПАРСС было выявле­ но, что по мере форсирования дв.игателя с помощью надду­ ва, гари одновременном понижении степени сжатия, возника­

1S7

ют некоторые ограничения в -отношении использования обыч- -оборудования для впрыска топлива.

Низкие значения степеней сжатия, требуемые при высо­ ких нагрузках дизеля, способствуют понижению температу­ ры заряда в конце такта сжатия.

В результате уменьшения температуры цикла при высо­ ких нагрузках наблюдается снижение -максимального давле­ ния <в -цилиндре, уменьшение удельного -расхода горючего,, -понижение температуры выхлопных газов, снижение темпе­ ратуры деталей, но віместе с тем имеет место заметное уве­ личение периода задержки самовоспламенения. Последнее обстоятельство, при обычном законе подачи топлива, вызы­ вает повышение скорости нарастания давления в цилиндре, что в конечном итоге приводит к неконтролируемому сгора­ нию и вызывает недопустимое увеличение жесткости работы дизеля. Регулирование скорости -роста давления в дизелях с ПАРСС возможно различными способа-ми, выбор которых зависит от типа и назначения двигателя, а также от степени его форсирования.

-С целью широкого -исследования рабочего процесса ди­ зеля, -работающего с пониженной степенью -сжатия, в BJCERJ -были проведены -специальные испытания, в .резуль­ тате которых определялись условия для организации про­ цесса -воспламенения двигателя с ПАРСС и был установлен требуемый закон -подачи топлива в зависимости от -скорост­ ного и нагрузочнаго режимов. Работа проводилась совместно -с Европейским исследовательским бюро армии США, заклю­ чившем контракт с BJCERJ. Исследования охватывают испы­ тание трех одноцилиндровых дизелей, близких друг к другу по размерам и работающих при пониженных значениях степе­ ней сжатия [29].

Первая стадия исследований -охватывает испытание дви­ гателя Танджей ѴСР-1 с Du = 114 мм, S = 146 мм, п = 1250- об/мин, работающего по циклу Аткинсона, в котором исполь­ зуется короткий ход сжатия и длинный ход расширения,

осуществленный за счет соответствующей регулировки фаз газораспределения. В данных испытаниях меньшее значение

действительной степени сжатия, по -сравнению со степенью во время такта расширения, достигалось путем -очень поздне-

168

го закрывания анусмного «лапана. Для этого двигатель был оснащен специальным кулачковым валом, который обеспе­ чивал закрытие впускного іклапаіна через М0° после нижней мертвой точки и снижение действительной степени сжатия от номинального значения 15,7 до величины 9,8. Испытания проводились піріи одновременном регулировании давления и температуры наддувочного воздуха на входе-и при измене­ нии противодавления на выхлопе;

Испытания двигателя Танджей проводились для раз­ личных значений температуры наддувочного воздуха, изме­ няющихся от 20 до 115°С и при изменении давления на вхо­ де от 1,7 до 2,2 кГ/см2. В ходе экспериментов была обеспе­ чена минимальная температура конца сжатия, равная 538°С. Соотношение топлива и воздуха в этих испытаниях поддер­ живалось в пределах 0,033 -f- 0,055, а максимальная нагруз­ ка дизеля соответствовала среднему эффективному давлению 10,5 кГ/см2.

Было отмечено значительное увеличение скорости на­ растания давлений в цилиндре, значение которой достигало величины 12,5 кГ/см2/град, в результате непрерывного роста периода задержки самовоспламенения по мере увеличения

форсунки и увеличение площади проходного сечения сопла форсунки. Однако, при дальнейшем увеличении нагрузки ди­ зеля эти меры оказались недостаточными; требовалось из­ менение саімопо закона подачи топлива.

Основная часть іраібот, проведенных с целью широкого исследования рабочего процесса дизеля, работающего при пониженных значениях степени сжатия, была выполнена на. одноцилиндровом двигателе Гарднер 1L2, с диаметром ци­ линдра 108 мм и ходом поршня 153 мм, обеспечивающего проведение экспериментов при п=1950 об/мин [29, 30]-

Снижение степени сжатия достигалось за счет подбора толщины прокладки между головкой двигателя и блоком ци­ линдра. В первоначальных испытаниях значение степени

169