СПОСОБ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ АВТОСАМОСВАЛА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F02D17/02 F02D19/08 F02M21/02 F02B69/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к дизельным двигателям автомобильных самосвалов.

Известен способ работы дизеля, который может быть использован и для автосамосвала, заключающийся в том, что во время работы подают в цилиндры смесь дизельного топлива и горючего газа, измеряют нагрузку на двигатель и частоту вращения коленчатого вала и при частичных нагрузках и на холостом ходе регулируют двигатель включением - выключением части цилиндров.

Недостаток известного технического решения заключается в недостаточной экономичности работы.

Задачей изобретения является повышение экономичности работы и снижение токсичности и дымности.

Поставленная задача может быть решена тем, что способ работы дизеля автосамосвала заключается в том, что после пуска и начала разгона измеряют нагрузку и на режимах малых нагрузок и холостого хода, регулируют двигатель включением-выключением части цилиндров, при полных нагрузках и номинальных частотах вращения коленчатого вала дизеля впрыскивают в цилиндры сжиженный горючий газ как добавку к подаче дизельного топлива, в качестве сигнала нагрузки измеряют вес G_гр в кузове автосамосвала, при G_гр ≤ (0,3 - 0,4) • G_гр.ном, подают сигнал на регулирование дизеля отключением-включением цилиндров, впрыскивание сжиженного горючего газа производят при условии
G_гр > (0,8 - 0,9) • G_гр.ном, а n < (0,5 - 0,6)n_ном,
где
G_гр - вес груза в кузове автосамосвала;
G_гр.ном - номинальный вес груза в кузове автосамосвала.

n - значение скоростного режима дизеля по сравнению с его номинальным значением n_ном.

Поставленная задача может быть решена и тем, что способ работы дизеля автосамосвала заключается в том, что во время работы подают в цилиндры смесь дизельного топлива с горючим газом и при частичных нагрузках и на холостом ходе регулируют двигатель включением-выключением части цилиндров, в качестве нагрузки измеряют вес груза G_гр в кузове автосамосвала и регулирование отключением-включением цилиндров ведут при весе G_гр менее 0,6 - 0,8 от номинального веса G_гр.ном в кузове автосамосвала, при этом число отключаемых цилиндров из общего числа цилиндров выбирают из соотношения
i₀ = (1/3 ^oC 1/4)i,
а начинают подачу в цилиндры смеси сжиженного горючего газа с дизельным топливом при
G_гр ≥ (0,6 - 0,8) • G_гр.ном и n < (0,5 - 0,6)n_ном,
где
n - значение скоростного режима дизеля об/мин по сравнению с его номинальным значением n_ном;
i₀ - число отключенных цилиндров;
i - общее число цилиндров.

Содержание сжиженного газа в смеси с дизельным топливом принимают в количестве (20 - 30)% от подачи смеси.

Отключение цилиндров производят на несколько циклов и чередуют отключаемые цилиндры в таком порядке, чтобы периодичность K отключаемых циклов составляла
K = i(1/3 ^oC 1/4).

Отсечное количество сжиженного горючего газа в смеси с дизельным топливом сливается во всасывающий коллектор дизеля.

На фиг. 1 показана зависимость экономичности дизеля от нагрузки, приходящейся на отдельные цилиндры; на фиг. 2 - нагрузочная характеристика оптимальной периодичности отключения рабочих циклов цилиндров; на фиг. 3 - диаграмма управления рабочими цилиндрами 8-ми цилиндрового дизеля автосамосвала ЗИЛ.

Известно, что работа дизелей может управляться не только изменением цикловой подачи топлива одновременно во все цилиндры двигателя, но также и полным выключением цикловой подачи топлива в его отдельные цилиндры по мере снижения нагрузки с тем, чтобы оставшиеся в работе цилиндры продолжали воспринимать нагрузку, при которой обеспечивается наибольшая экономичность (Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление ДВС. М.: Машиностроение, 1989).

При этом необходимое количество выключаемых цилиндров из работы по мере снижения нагрузки подчиняется определенной закономерности, для выявления которой необходимо проанализировать зависимость экономичности дизеля от нагрузки, приходящейся на отдельные цилиндры (фиг. 1).

Эффективный КПД двигателя ηe , определяемый соотношением \\6 ,
где
H_u - низшая тепловая способность сгорания топлива;
g_e - удельный расход топлива дизеля.

оказывается максимальным, если g_e получает минимальное значение.

Для обеспечения этого условия необходимо соответствующим образом распределить нагрузку между цилиндрами двигателя.

Если обозначить Ne₁, Ne₂, ..., Ne_i - мощности отдельных цилиндров, то удельный суммарный расход топлива всех i цилиндров является функцией распределения мощностей между цилиндрами, то есть g_e = f(Ne₁, Ne₂,..., Ne_i).

Известно, что минимум функции нескольких переменных, какими являются нагрузки отдельных цилиндров, имеет место при условии равенства нулю полного дифференциала этой функции.

.

При управлении дизеля методом последовательного отключения цилиндров должна быть обеспечена возможность воздействия автоматического регулятора на подачу топлива в отдельные цилиндры. Чтобы выровнять моторесурс деталей отдельных цилиндров, необходимо менять между собой работающие и отключаемые цилиндры.

В связи с этим приращения мощности отдельных цилиндров являются произвольными, не равными между собой. Поэтому условие (2) минимума удельного расхода топлива может быть выполнено только при равенстве нулю всех честных производных рассматриваемой функции
.

причем
g_e = G/Ne,
где
G - часовой расход топлива дизеля.

Обозначая , как долю использования номинальной мощности дизеля отключением числа i₀ цилиндров из их общего числа i, выражение (2) приводится к виду
.

Так как развиваемая мощность дизеля определяется мощностью потребителя и, следовательно, является заданной, например, нагрузкой в кузове автосамосвала, то отключение рабочего цикла в одном из цилиндров вызывает изменения мощности других цилиндров и изменение суммарного удельного расхода топлива.

Обеспечение минимума удельного расхода топлива при снижении общей нагрузки связано с количеством отключаемых из работы цилиндров i₀ и с периодичностью их отключения K. Для выбора оптимального закона отключения рабочих циклов необходимо рассмотреть обобщенную зависимость производной удельного расхода топлива от доли использования номинальной мощности дизеля, как показано на фиг. 1
.

Для получения глобального минимума удельного расхода топлива g_e управление мощностью дизеля должно быть непрерывным и плавным.

Управление отключением рабочих циклов цилиндров, т.е. прекращение подачи топлива в цилиндр с определенным периодом, позволяет обеспечить это условие.

Причем средняя развиваемая мощность дизеля подсчитывается по формуле
.

где
K - периодичность отключения рабочих циклов, отсчитываемая по числу цилиндров.

Для того, чтобы постоянно не отключались одни и те же цилиндры из работы, число K не должно быть кратным общему числу цилиндров i₀.

То есть число отключаемых цилиндров i₀
i₀ = (i - 1) • 1/g,
где
g - целое число, g = 1, 2, 3, 4,..., - (натуральный ряд).

Таким образом, выбор периодичности отключения рабочих циклов цилиндров определяется из условий минимизации удельного расхода топлива при изменении суммарной нагрузки автосамосвала. Последняя меняется ступенчато при осуществлении рейсов с полной нагрузкой или порожних. При этом в качестве сигнала нагрузки измеряют вес груза G_гр в кузове самосвала и при (0,6 - 0,8) от номинального значения груза G_гр.ном подают сигнал на отключение рабочих циклов.

Периодичность отключения рабочих циклов K выбирается по необходимой средней мощности дизеля для обеспечения минимума удельного расхода топлива с учетом нагрузочной характеристики двигателя, которая имеет вид фиг. 2 - зависимость удельного расхода топлива дизеля от степени его загрузки.

Как показывает проведенный анализ нагрузочной характеристики (фиг. 2) оптимальной периодичности отключения рабочих циклов цилиндров K для самосвала при пороговом сигнале нагрузки G_гр/G_гр.ном = 0,6 - 0,8 составляет
K = (i - 1)1/g,
где
G_гр - вес груза в кузове самосвала;
G_гр.ном - номинальный вес груза в кузове самосвала;
i - число цилиндров дизеля, g = 1, 2, 3, 4,..., - целое число.

То есть, следует отключать число (1/3 ^oC 1/4)i работающих цилиндров дизеля автомобильного самосвала для поддержания в других цилиндрах оптимальной по экономичности нагрузки.

Для осуществления оптимального управления отключением рабочих циклов импульсы генератора-распределителя блока управления отключением цилиндров должны быть связаны с положением коленчатого вала передаточным отношением
,
где
τ - тактность рабочего процесса дизеля.

Экспериментальные исследования автомобильных дизелей с отключением рабочих циклов показали, что наряду с повышением экономичности наблюдается и некоторое снижение токсичности ОГ. Более значительный эффект по снижению токсичности ОГ дает подмешивание к дизельному топливу более легких компонентов, например сжиженного горючего газа (Андрусенко П.И., Филиппов А.З. Некоторые результаты дорожных испытаний автомобиля, оборудованного системой впрыска легкого топлива. - Технология и организация производства, 1970, N 5, с. 94 - 95). Этот эффект различен на разных режимах работы и наиболее значителен на низких скоростных режимах, где он обеспечивает также и значительное снижение дымности ОГ, высокое значение которых объясняется снижением давления впрыска топлива на низких скоростях вращения коленчатого вала дизеля.

Поэтому одновременно с управлением дизелем автосамосвала путем отключения рабочих циклов по выбранной периодичности для повышения экономичности работы предусматривается снижение токсичности и дымности выбросов с ОГ путем воздействия на рабочие циклы на нагрузках, близких к номинальным добавкам к дизельному топливу сжиженного газа, оптимальное количество которого составляет (20 - 30%) от общей цикловой подачи.

Предлагаемый способ работы дизеля автосамосвала заключается в том, что после пуска и начала разгона измеряют нагрузку и на режимах малых нагрузок и холостого хода, регулируют дизель включением-выключением части цилиндров в количестве i₀, а при полных нагрузках и номинальных частотах вращения коленчатого вала впрыскивают в цилиндры сжиженный горючий газ как добавку к подаче дизельного топлива, а в качестве сигнала нагрузки измеряют вес G_гр в кузове автомобильного самосвала, при G_гр ≤ (0,3 - 0,4) • G_гр.ном подают сигнал на регулирование дизеля отключением-включением цилиндров, впрыскивание сжиженного горючего газа производят при условии G_гр > (0,8 - 0,9) • G_гр.ном, а n < (0,5 - 0,6) • n_ном.

Целесообразность такого попеременного воздействия на отключение топлива подачи и на добавку сжиженного горючего газа предопределяется тем, что оба процесса осуществляются общим регулирующим топливоподачу органом. Таким образом, при наличии в кузове автосамосвала груза менее порогового значения происходит отключение рабочих циклов в цилиндрах дизеля, при наличии груза более порогового значения веса в кузове обеспечивается дополнительная подача сжиженного горючего газа в топливоподающую магистраль высокого давления.

Однако эффективность снижения токсичности и дымности ОГ связано с характеристиками топливной аппаратуры высокого давления и скоростным режимом дизеля. Поэтому оптимальная настройка на подачу сжиженного горючего газа в магистраль высокого давления составляет
n ≤ (0,5 ^oC 0,6)n_ном,
при нагрузке в кузове автомобильного самосвала (0,6 - 0,8) • G_гр.ном,
где
n - значение скоростного режима дизеля по сравнению с его номинальным значением n_ном.

В качестве примера на фиг. 3 показана диаграмма управления рабочими циклами 8-ми цилиндрового дизеля автосамосвала ЗИЛ,
где
K - периодичность отключения рабочих циклов (показанные заштриховано);
I - периодичность работы дизеля, соответствующая числу цилиндров i;
T - периодичность циклов управления пропусками рабочих циклов цилиндров;
,
где
N - периодичность повторения порядка отключения цилиндров, отсчитываемая в количестве оборотов коленчатого вала дизеля.

,
где
τ - тактность рабочего процесса дизеля;
g = 1, 2, 3, 4,..., (натуральный ряд).

Изобретение предназначено для применения его на транспортных дизелях грузовика преимущественно с электронным регулированием процессов топливо подачи для существенного снижения расхода топлива в эксплуатации, выбросов вредных компонентов с отработавшими газами, повышения моторесурса дизеля, его динамических и пусковых качеств. Для оптимизации по топливной экономичности дизеля производят коррекцию регулирования работы дизеля методом отключения-включения его цилиндров, используя сигнал нагрузки в виде веса G_г р в кузове автосамосвала. Если вес G_г р меньше номинального веса G_{г р . н о м},
осуществляют подачу сигнала на регулирование работы дизеля отключением-включением цилиндров, а также впрыскивание сжиженного горючего газа, при условии G_г р > (0,8 - 0,9)G_{г р . н о м} в диапазоне скоростного режима работы дизеля n < (0,5 - 0,6)n_н о м, где n - значение скоростного режима дизеля по сравнению с его номинальным значением n_н о м. В изобретении показан второй вариант способа работы дизеля автосамосвала. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы дизеля автосамосвала, заключающийся в том, что после пуска и начала разгона измеряют нагрузку и на режимах малых нагрузок и холостого хода, регулируют дизель отключением-включением части цилиндров, отличающийся тем, что при полных нагрузках и номинальных частотах вращения коленчатого вала дизеля впрыскивают в цилиндры сжиженный горючий газ как добавку к подаче дизельного топлива, в качестве сигнала нагрузки измеряют вес G_г р в кузове автосамосвала, при G_г р ≤ (0,3 - 0,4) G_{г р . н о м} подают сигнал на регулирование дизеля отключением-включением цилиндров, а впрыскивание сжиженного горючего газа производят при условии
G_г р > (0,8 - 0,9) G_{г р . н о м};
n < (0,5 - 0,6)n_н о м,
где G_г р - вес груза в кузове автосамосвала;
G_{г р . н о м} - номинальный вес груза в кузове автосамосвала;
n - значение скоростного режима дизеля относительно его номинального значения n_н о м. 2. Способ работы дизеля автосамосвала, заключающийся в том, что во время работы подают в цилиндры смесь дизельного топлива с горючим газом, измеряют нагрузку на дизель и частоту вращения коленчатого вала и при частичных нагрузках и режимах холостого хода регулируют дизель отключением-включением части цилиндров, отличающийся тем, что в качестве нагрузки измеряют вес груза G_г р в кузове автосамосвала и регулирование отключением-включением цилиндров дизеля ведут при весе G_г р < (0,6 - 0,8) G_{г р . н о м} в кузове автосамосвала, при этом число отключаемых цилиндров из общего числа цилиндров выбирают из соотношения
i₀ = (1/3 - 1/4) i,
а начинают подачу в цилиндры дизеля смеси сжиженного горючего газа с дизельным топливом при
G_г р ≥ (0,6 - 0,8) G_{г р . н о м};
n < (0,5 - 0,6) n_н о м,
где n - значение скоростного режима дизеля относительно его номинального значения n_н о м;
G_{г р . н о м} - номинальный вес груза в кузове;
G₀ - число отключенных цилиндров;
i - общее число цилиндров. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что содержание сжиженного газа в смеси с дизельным топливом принимают в количестве 20 - 30% от подачи смеси. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что отключение цилиндров производят на несколько циклов и чередуют отключаемые цилиндры в таком порядке, чтобы периодичность K отключаемых циклов составляла
K = i (1/3 - 1/4). 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что отсечное количество сжиженного горючего газа в смеси с дизельным топливом сливается во всасывающий коллектор дизеля.