Методика выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного двс удовлетворяющего перспективным экологическим и экономическим требованиям
На правах рукописи
Епифанов Дмитрий Владимирович МЕТОДИКА ВЫБОРА ТИПА И ХАРАКТЕРИСТИК АГРЕГАТОВ НАДДУВА АВТОМОБИЛЬНОГО ДВС УДОВЛЕТВОРЯЮЩЕГО ПЕРСПЕКТИВНЫМ ЭКОЛОГИЧЕСКИМ И ЭКОНОМИЧЕСКИМ ТРЕБОВАНИЯМ Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2010
Работа выполнена на кафедре «Энергетические установки и тепловые двига тели» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.
Алексеева
Научный консультант: доктор технических наук, профессор В.Л. Химич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор П.И. Бажан доктор технических наук, профессор А.А. Гаврилов Ведущее предприятие: ОАО «РУМО»
Защита диссертации состоится «15» декабря 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ауд. 1258.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, про сим направлять по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, уче ному секретарю диссертационного совета Д 212.165.
Автореферат разослан «_» _ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.Н. Орлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность диссертационной работы. Для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду от постоянно растущего парка автомобилей во всех высокоразвитых странах в законодательном порядке вводятся перио дически ужесточающиеся нормы на эмиссии вредных веществ (СО, НС, NOх и РМ), выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами.
На территории Российской Федерации, начиная с 2006 г., периодически вводятся в действие Европейские экологические стандарты, регламентирую щие нормы эмиссий вредных веществ, для вновь выпускаемых автомобилей.
При переходе к очередному стандарту снижение эмиссий автомобиля представляет собой сложную научно-техническую задачу, решение которой связано со снижением эксплуатационного расхода топлива при одновремен ном улучшении динамических качеств автомобиля за счет повышения энер гетических показателей и надежности двигателя.
Одной из наиболее сложных и трудоемких задач является выбор типа агрегата наддува и согласование его расходно-напорных характеристик с гидравлической характеристикой двигателя. Начиная с норм Евро 3, для над дува дизелей наибольшее применение получили турбокомпрессоры с регули руемым сопловым аппаратом турбины.
Цель данной работы – разработка методики выбора типа и характери стик агрегатов наддува автомобильного ДВС, удовлетворяющего перспек тивным экологическим и экономическим требованиям.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
1 - разработать методику расчета внешней скоростной характеристики (ВСХ) для двигателей автомобилей экологического класса 4 (Евро 4) и выше;
2 - выбрать тип и характеристики агрегатов наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля;
3 - разработать методику определения гидравлической характеристики двигателя (ГХД) и её согласования с расходно-напорными характеристиками (РНХ) регулируемого турбокомпрессора (ТКР) по четырем ключевым режи мам работы дизеля по ВСХ;
4 - разработать методику формирования экспериментальной ВСХ, вклю чающий построение предельно – допустимой и расчетной ВСХ по крутящему моменту;
5 - определить закон регулирования соплового аппарата турбины, обес печивающий формирование расчетной ВСХ.
Научная новизна.
Разработана методика выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС, удовлетворяющего перспективным экологическим и экономическим требованиям.
Предложено уравнение для определения степени повышения давления кi в одноступенчатой системе турбонаддува дизеля без промежуточного ох лаждения надувочного воздуха с использованием РНХ компрессорной сту пени.
Разработана методика определения и согласования ГХД с РНХ компрес сорной ступени по четырем расчетным точкам (Gвi, кi).
Получен закон регулирования соплового аппарата турбины по ВСХ в виде кусочно-линейной функции, определяющей ход штока сервопривода от частоты вращения коленчатого вала.
Достоверность и обоснованность полученных научных результатов обусловливаются:
- применением уравнений по теории автомобиля и теории рабочих про цессов ДВС, законов газовой динамики для выполнения расчетов;
- применением поверенных и аттестованных измерительных приборов, оборудования, действующих стандартов РФ, типовых методик и опыта про ведения экспериментальных исследований двигателей с турбонаддувом;
- подтверждением результатов расчетов экспериментальными данными.
Практическая ценность работы.
Методики, изложенные в диссертации, рекомендуется использовать для разработки систем наддува дизельных, бензиновых и газовых двигателей, применяемых на автомобилях Евро 4 и выше.
Применение методики выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС позволяет значительно сократить затраты времени и средств при создании новых и модернизации серийно-выпускаемых автомо бильных двигателей с наддувом.
Реализация результатов работы.
Материалы диссертации используются:
- при создании новых и модернизации серийных двигателей в ОАО «ЗМЗ»;
- на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» Ниже городского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева в лекционных курсах по специальности «ДВС», при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели» в НГТУ им. Р.Е. Алексеева 14 октября 2010 г.
По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:
на международном симпозиуме «Образование через науку», посвящен ном 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 17-19 мая 2005 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана;
на V международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», 19 мая 2006 г., Нижний Новго род, НГТУ;
на международной конференции «Двигатель – 2007», посвящен ной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, 19-21 сен тября 2007 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана;
на XI международной науч но-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», посвященной 50-летию Влади мирского государственного университета, 27-29 мая 2008 г., Владимир, ВлГУ;
на международной научно-технической конференции «Авто НН Автомобильный транспорт в XXI веке», посвященной 45-летию кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 18-19 декабря г., Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева;
на всероссийской научно технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 17- ноября 2009 г., Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева;
на XI междуна родной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», посвященной 50 летию Владимирского государственного университета, 27-29 мая 2008 г., Владимир, ВлГУ;
на XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», 29-30 июня 2010 г., Владимир, ВлГУ;
Публикации. По результатам исследования опубликовано 11 работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Общий объем ра боты 155 страниц, включая 147 страниц основного текста, содержащего рисунков и 24 таблицы. Список литературы включает 67 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассмотрены пути снижения эмиссий вредных веществ в ОГ дизелей, тестируемых в составе автомобиля, сформулированы цель дис сертации и основные решаемые задачи для ее достижения, приведены науч ная новизна и практическая ценность выполненных исследований.
В первой главе диссертации на основании анализа опубликованной ли тературы сформулированы два принципа, определяющие форму ВСХ двига телей для автомобилей с максимальной массой до 3,5 т, доводка экологиче ских параметров и сертификация которых выполняется на роликовом стенде по циклу NEDC в соответствии с Правилами ЕЭК ООН №83 (ГОСТ Р41.83 2004):
- выполнение очередного экологического законодательства (требование государства);
- обеспечение заданных динамических качеств автомобилю (требование потребителя).
В работах М.Г. Круглова, В.И. Крутова, А.Г. Рыбальченко, В.Н. Камин ского рассмотрены следующие подходы для формирования ВСХ автомо бильного двигателя:
- сохранение постоянного крутящего момента при снижении угловой скорости коленчатого вала в соответствии с условием = varia, Мк = const;
- повышение крутящего момента при снижении угловой скорости ко ленчатого вала в соответствии с условием = varia, Ne = const.
Выполнение этих условий позволяет улучшить динамические качества автомобиля и способствует выполнению соответствующих экологических стандартов.
Как правило, начиная с норм Евро 4, все ведущие автомобильные фир мы применяют двигатели, ВСХ которых имеют участок Мк.max = const в ско ростном диапазоне nк1 - nк2, переходящий в участок Nном = const в скорост ном диапазоне nк2 - nном (рис.1).
Рис.1. Внешние скоростные характеристики двигателя по крутящему моменту и мощности.
Во второй главе диссертации на основании анализа опубликованной литературы даны рекомендации по выбору типа агрегатов наддува в зависи мости от требуемой формы ВСХ и уровня форсирования быстроходного ав томобильного дизеля.
В дизелях наибольшее распространение получили системы газотурбин ного наддува с регулируемыми ТКР. Для дизелей Евро 1-3 применяют ТКР с клапаном перепуска ОГ минуя турбину (WGT), а для дизелей Евро 3-6 – ТКР с регулируемым сопловым аппаратом (РСА).
Для дизелей с литровой мощностью до 60 кВт/л экономически целесо образно применять одноступенчатые системы турбонаддува с ТКР с РСА для выполнения норм Евро 4 и выше.
Для дизелей с литровой мощностью более 60 кВт/л требуется применять двухступенчатые системы турбонаддува.
Основной задачей при выборе ТКР является согласование его характе ристик с ГХД (функция k=f(Gв), представляющая собой зависимость между расходом воздуха и необходимой степенью повышения давления в компрес соре при работе дизеля по требуемой ВСХ, называется гидравлической ха рактеристикой двигателя).
В опубликованных методах согласования ГХД с характеристиками нере гулируемых и регулируемых ТКР WGT в качестве расчетных используются ключевые режимы Nном и Мк.max как отдельно (по 1 расчетной точке – реко мендации Б.Ф. Лямцева, Л.Б. Микерова для судовых и автотракторных дизе лей), так и совместно (по 2 расчетным точкам – рекомендации фирмы Honeywell-Garrett, США для автомобильных дизелей и бензиновых двигате лей). В НГТУ им. Р.Е. Алексеева (г. Нижний Новгород) совместно с ОАО «ЗМЗ» разработана методика расчета и согласования ГХД с характеристика ми ТКР WGT для автомобильных дизелей Евро 2 и Евро 3 по трем ключевым режимам: Nном, Мk.max и nхх.min (3 расчетные точки). ВСХ двигателей для авто мобилей, выполняющих нормы Евро 4 и выше, имеют четыре ключевых ре жима, соответствующих расчетным точкам 1, 2, 3, 4 (рис.1).
В третьей главе диссертации разработаны теоретические методики и рекомендации для решения сформулированных задач.
Методика расчета и построения ВСХ двигателя по четырем ключевым режимам работы включает рекомендации по определению координат четы рех расчетных точек 1, 2, 3, 4 и построению трех участков ВСХ по крутяще му моменту и мощности (рис.1).
Координаты расчетной точки 1 (N1=Nном, n1=nном, М1=9550Nном/nном) оп ределяются по заданной потребителем максимальной скорости Vmax автомо биля.
Рекомендации по определению координат расчетной точки 2 (N2=Nном, n2=nк2=(0,7±0,05)·nном, М2=Мк.max=9550Nном/nк2) и расчетной точки 3 (N3= =Мк.max· nк1/9550, n3=nк1=(0,4±0,1)·nном, М3=Мк.max) получены в результате об работки опубликованных экспериментальных ВСХ.
Координаты расчетной точки 4 (N4=Мк.min/9,55, n4=nmin=1000мин-1, М4=Мк.min) задаются потребителем двигателя.
Методика определения ГХД по четырем расчетным точкам включает разделы: расчет и согласование ГХД с РНХ компрессорной ступени и реко мендации по расчету площадей РСА.
В результате выполнения данных разделов определяют для конкретного двигателя требуемые геометрические характеристики компрессорной и тур бинной ступеней (A/R и Trim) ТКР с РСА для заказа на фирме-изготовителе (рис.2-4).
Рис.2. Геометрические параметры корпусов компрессора и турбины:
А – площадь сечения канала на выходе из улитки (Ак – для корпуса ком прессора) или входе в улитку (Ат – для корпуса турбины), дюйм2;
R – расстояние от оси ротора ТКР до центра масс сечения А, дюйм;
А/R – характерный параметр, дюйм.
б) а) Рис.3. Геометрические параметры регулируемого соплового аппарата турбины: а) АРСА.max = (6a+3b)h – максимальная и б) АРСА.min = 6ch – мини мальная площади проходных сечений каналов РСА на входе в колесо турби ны (h – высота сопловой лопатки).
Рис.4. Геометрические параметры рабочих колес ротора ТКР:
Trimк - колеса компрессора;
Trimт - колеса турбины.
Определение параметров для каждой расчетной точки ГХД (рис.6) и со гласование её с РНХ компрессорной ступени ТКР выполняется путем реше ния базовой системы уравнений:
lo g e М n, (1) Gв 3,6 10 6 к G, (2) V i Vh n в Т к к.
к (3) 0 вп 0 Т где:
к – плотность воздуха во впускной трубе;
V – коэффициент наполне ния;
0 P1 P0 – коэффициент потерь давления на впуске в компрессорную ступень;
P1 – давление воздуха на впуске в компрессорную ступень;
вп Pк P2 – коэффициент потерь давления от компрессорной ступени до впускной трубы;
P2 – давление воздуха на выходе из компрессорной ступе ни;
Pк – давление воздуха во впускной трубе;
Tк – температура воздуха во впускной трубе.
Значения температуры Т о и давления атмосферного воздуха ро, как правило, приведены на расходно-напорных характеристиках компрессорной ступени в рекламных материалах фирм-производителей ТКР.
Базовая система уравнений может быть использована для расчета ГХД в любой комплектации двигателя.
Вычисление площадей РСА (А1, А2, А3, А4) для каждой расчетной точки ГХД выполняется по условию равенства мощностей компрессорной и тур бинной ступеней ТКР по известным формулам из теории турбомашин.
Турбинную ступень подбираем из условия обеспечения конструкцией РСА расчетного диапазона регулирования площади соплового аппарата (см.
рис.3):
АРСА.min (А4 … А1 ) АРСА.max. (4) Иллюстрация методики формирования экспериментальной ВСХ двига теля приведена в четвертой главе.
В четвертой главе диссертации выполнена иллюстрация предлагаемой методики выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного двигателя, включающей решение 5 сформулированных задач на примере ди зеля ЗМЗ-5143.10 с турбонаддувом без промежуточного охлаждения наду вочного воздуха для автомобиля УАЗ-315148 «ХАНТЕР» Евро 4.
1. Результаты расчета ВСХ по предлагаемой методике для дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 приведены на рис.5.
Рис.5. ВСХ по крутящему моменту: 1 - дизель ЗМЗ-5143.10 Евро 3 с ТКР WGT (эксперимент);
2 - дизель ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с ТКР с РСА (расчет).
2. По предложенным рекомендациям для реализации расчетной ВСХ при литровой мощности дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4, равной Nл=30,4 кВт/л, выбран ТКР с РСА.
3. Для расчета ГХД базовая система уравнений (1-3) для дизеля с ТКР с РСА без охладителя надувочного воздуха преобразована в систему из двух уравнений:
lo g e М n, (5) Gв 3,6 10 6 k в 1 kв 30 Gв к к 1. (6) 0 вп 0 V i Vh n к.ад Результаты расчета ГХД и ее согласования с РНХ компрессорной ступе ни приведены на рис.6.
Рис.6. Гидравлические характеристики дизеля ЗМЗ-5143 для автомобиля УАЗ-315148 «Хантер» Евро 4, совмещенные с расходно-напорными харак теристиками компрессорной ступени GT1544 (d2=44мм;
A/Rк=0,33дюйм;
Trimк=56) ТКР VNT15 фирмы Honeywell-Garrett: 1 – Расчетная (1р-2р-3р 4р);
2 – экспериментальная (1э-2э-3э-4э);
3 – расчетная (1р-2р-3р-4у) для двухступенчатой системы наддува ТКР VNT 15 + eBoosterТМ. * – граница помпажа для ТКР VNT15. ** – граница помпажа для двухступенчатой системы наддува ТКР VNT 15 + eBoosterТМ.
По результатам вычисленных площадей РСА выбрана турбинная сту пень GT15 (d1=41 мм) Trimт 72 (A/R)т.65 фирмы Honeywell-Garrett, для ко торой выполняется условие (4):
АРСА.min = 1 см2 ( А4=2,6 см2 … А1 =5,6 см2) АРСА.max =7,3 см2.
Для проведения экспериментальных исследований выбран ТКР VNT фирмы Honeywell-Garrett (рис.7).
Рис.7. Внешний вид ТКР VNT15: 1 – корпус турбины;
2 – корпус компрессо ра;
3 – вакуумный сервопривод РСА;
4 – впускной патрубок со смесителем картерных газов.
4. Иллюстрация методики формирования экспериментальной ВСХ дизе ля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с ТКР VNT 15.
Определение ключевых параметров дизеля.
Исходя из условий выполнения экологических стандартов и обеспечения надежности дизеля ЗМЗ-5143.10, выбираем следующие ключевые параметры для разработки метода экспериментального определения ВСХ:
- дымность ОГ Кmax = 4,5 FSN – согласно Правилам ЕЭК ООН (R24) для дизеля с рабочим объемом 2,235 л;
- максимальное давление сгорания pz = 145 Бар – из условий надежно сти основных деталей дизеля;
- температура ОГ на входе в корпус турбины t3.max = 850 С – из условия надежности работы ТКР VNT15.
Определение нагрузочных характеристик.
Диапазон частот вращения коленчатого вала ni дизеля и ход штока hj ва куумного сервопривода ТКР VNT15 разбиваем, соответственно, на интерва лы: n1... n13 и h1 … h7.
Каждая серия нагрузочных характеристик n1... n13 определена для hj=const с шагом по крутящему моменту М =20 Нм. Определение каждой нагрузочной характеристики прекращалось при достижении любым из 3-х ключевых параметров своего предельного значения. При этом каждому пре дельно-допустимому крутящему моменту присваивается собственное обо значение Мij (рис.8).
Рис.8. Внешние скоростные характеристики дизеля ЗМЗ-5143.10 для ав томобиля УАЗ-315148 Евро 4: 1,2,3,4,5,6,7 – индивидуальные;
8 – предель но-допустимая;
9 – расчетная (1- 2- 3- 4р);
10 – экспериментальная (1-2-3 4э).
Построение предельно – допустимой ВСХ по крутящему моменту.
По данным полученным в ходе определения нагрузчных характери стик построены индивидуальные ВСХ (кривые 1,2,3,4,5,6,7) по крутящему моменту M i. j f (ni, h j ), каждая из которых является аналогом ВСХ дизеля ЗМЗ-5143.10 с нерегулируемым ТКР при фиксированном значении площади соплового аппарата ТКР VNT15 (hj=const, рис.8).
Предельно-допустимая ВСХ (кривая 8) по крутящему моменту для дизеля ЗМЗ-5143.10 с ТКР VNT 15 построена как огибающая индивидуаль ные ВСХ кривая, проходящая через точки М1.7 - М2.7 - М3.7 - М4.6 - М5.4 - М7.3 М11.2 - М13.1.
Сравнение расчетной (кривая 9) и экспериментальной ВСХ (кривая 10) по крутящему моменту для автомобиля.
Удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных дан ных подтверждает достоверность предлагаемой методики расчета ВСХ (рис.8). Меньшее значение экспериментального крутящего момента М4Э=142Нм по сравнению с расчетным М4Р=182 Нм связано с высокой дым ностью ОГ дизеля ЗМЗ-5143.10 с ТНВД VE (К4=5,36 FSN при Кmax = 4,5 FSN для дизелей с iVh=2235 см3).
Построение графиков регулирования соплового аппарата турбины ТКР VNT 15 в составе дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4.
По точкам пересечения индивидуальных ВСХ с экспериментальной ВСХ находим частоты вращения коленчатого вала двигателя для каждого фиксированного хода штока hj (рис.8). Строим график хода штока h серво привода РСА в зависимости от частоты вращения n коленчатого вала двига теля для экспериментальной ВСХ. По аналогии построен график хода штока сервопривода РСА для предельно-допустимой ВСХ (рис.9).
Рис.9. Графики хода штока сервопривода регулируемого соплового аппа рата турбины ТКР VNT15: 1 –для предельно-допустимой и 2 – для рас четной внешних скоростных характеристик дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4.
5. Определение закона регулирования соплового аппарата турбины, обеспечивающего работу дизеля по экспериментальной ВСХ.
Анализ графиков приведенных на рис.9, позволяет сформулировать общий закон регулирования ТКР VNT15: изменение хода штока сервоприво да РСА турбины по частоте вращения коленчатого вала дизеля описывает ся кусочно-линейной функцией h = a · n + b.
В таблице приведены численные значения коэффициентов пропорцио нальности a и b при работе дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 по экспериментальной ВСХ.
Диапазон частот вращения коленчатого вала n, мин- Коэффициенты пропорциональности 1000…1500 1500…1700 1700…2500 2500… a, мм/мин-1 -3 - 0 - 30·10 - 5,6·10 b, мм 12 57 15,6 1, В пятой главе диссертации изложены результаты стендовых испытаний дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с ТКР VNT15 и рекомендации для обеспечения расчетной ВСХ на участке 4–3 (рис.8).
На рис.6 приведено сравнение расчетной ГХДр и экспериментальной ГХДэ дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4, совмещенных с РНХ компрессорной сту пени ТКР VNT 15.
В связи с тем, что регулируемый участок 4–3 ГХДэ расположен близко к границе помпажа, а также для обеспечения расчетного крутящего момента М4Р=182 Нм разработаны рекомендации по применению двухступенчатой системы наддува «ТКР VNT 15 + eBoosterТМ» (рис.10).
Рис.10. Двухступенчатая система наддува «ТКР VNT15+eBoosterTM».
На рис.11-14 приведены нагрузочные характеристики и ВСХ по удель ному эффективному расходу топлива дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с различ ными вариантами исполнения систем наддува.
Рис.11. Внешняя скоростная характеристика по удельному эффективному расходу топлива дизелей ЗМЗ-5143.10: 1 - с одноступенчатой системой турбонаддува (ТКР WGT, Евро 3), эксперимент;
2 - с одноступенчатой системой турбонаддува (ТКР VNT15, Евро 4), эксперимент;
3 - с двухсту пенчатой системой наддува (ТКР VNT15 + eBoosterTM, Евро 4), расчет.
Рис.12. Нагрузочные характеристики по удельному эффективному расходу топлива дизелей ЗМЗ-5143.10 при n = 1750 мин-1: 1- ТКР WGT, Евро 3;
2 - h = 6 мм ТКР VNT15, Евро 4;
3 – h = 9 мм ТКР VNT15, Евро 4.
Рис.13. Нагрузочные характеристики по удельному эффективному расхо ду топлива дизелей ЗМЗ-5143.10 при n = 2500 мин-1: 1 – ТКР WGT, Евро 3;
2 – h = 3 мм ТКР VNT15, Евро 4.
Рис.14. Нагрузочные характеристики по удельному эффективному расходу топлива дизелей ЗМЗ-5143.10 при n = 4000 мин-1: : 1 – ТКР WGT, Евро 3;
2 – h = 0 мм ТКР VNT15, Евро 4.
Анализ данных характеристик показывает, что применение регулируе мых систем наддува позволяет существенно повысить топливную экономич ность дизеля, и, как следствие, снизить эмиссии вредных веществ в ОГ.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Проведенные исследования по определению внешних скоростных ха рактеристик дизелей в комплектации НЕТТО, направленные на улучшение энергетических, экономических и экологических показателей автомобилей с максимальной массой до 3,5 т, позволили получить новые результаты и сде лать следующие выводы.
1. Разработана методика выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС для выполнения норм Евро 4 и выше, включающая:
- методику расчета ВСХ по четырем ключевым режимам 1, 2, 3, 4 с уча стком 3–2 (Мк.max = const) в скоростном диапазоне от nк1 до nк2, переходящим в участок 2–1 (Nном = const) в скоростном диапазоне от nк2 до nном для двига телей автомобилей экологического класса 4 (Евро 4) и выше;
- выбор типа и характеристик агрегатов наддува в зависимости от уров ня форсирования быстроходного автомобильного дизеля;
- методику определения ГХД и её согласования с РНХ регулируемого ТКР по четырем ключевым режимам работы дизеля по ВСХ;
- методику формирования экспериментальной ВСХ;
- рекомендации по определению закона регулирования соплового аппа рата турбины, обеспечивающего формирование расчетной ВСХ.
2. Сформулированы требования к системам наддува, которые должны обеспечивать:
- максимальное повышение давления наддува рk в скоростном диапазоне от nmin=1000 мин-1 до nк1;
- постоянное максимальное давление наддува рk.max в скоростном диапа зоне от nк1 до nк2 ;
- обеспечивать формирование участка 2–1 (Nном = const) в скоростном диапазоне от nк2 до nном при уменьшении давления наддува от рk.max до рk.ном.
3. Предложены рекомендации по количеству ступеней сжатия воздуха в зависимости от уровня форсирования дизеля для выполнения норм Евро 4 и выше:
- с литровой мощностью до 60 кВт/л экономически целесообразно при менять одноступенчатые системы турбонаддува с ТКР с РСА;
- с литровой мощностью более 60 кВт/л требуется применение двухсту пенчатых систем наддува.
4. Предложена базовая система уравнений для определения 4-х расчет ных точек (Gвi, кi) ГХД, даны рекомендации для ее построения и согласова ния с РНХ компрессорной ступени.
5. На примере дизеля ЗМЗ-5143.10 для автомобиля УАЗ-315148 «Хан тер» экологического класса 3 (Евро 3) выполнена апробация предлагаемой методики и разработаны рекомендации для выполнения норм Евро 4.
6. Материалы диссертации используются при создании новых и модер низации серийных систем турбонаддува в УГК ОАО «ЗМЗ» и на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» Нижегородского государ ственного технического университета им. Р.Е. Алексеева в лекционных кур сах по специальности «ДВС», при выполнении курсовых и дипломных про ектов.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах В изданиях, из перечня рекомендованного ВАК:
1. Химич В.Л., Епифанов Д.В. Применение систем наддува в зависимо сти от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля для вы полнения требований экологических стандартов // Журнал автомобильных инженеров.– 2010.– № 2.– С. 29-34.
2. Химич В.Л., Епифанов Д.В. Применение систем наддува в зависимо сти от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля для вы полнения требований экологических стандартов // Журнал автомобильных инженеров.– 2010.– № 3.– С. 24-28.
3. В.Л. Химич, Д.В. Епифанов. Выбор системы наддува в зависимости от требований экологических стандартов и уровня форсирования быстроходно го автомобильного дизеля. // Вестник УГАТУ. 2010. т. 14, 5 (40). С. 300-307.
Прочие издания:
4. Блинов А.Д., Епифанов Д.В. О возможности применения турбоком прессора VNT15 на дизельном двигателе ЗМЗ-5143.10 // Материалы докладов секции «Двигатели внутреннего сгорания». Отдельный выпуск. – М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2005. – С. 32-33.
5. Епифанов Д.В., Блинов А.Д. Скоростная внешняя характеристика ди зельного двигателя с турбокомпрессором VNT // Тезисы докладов междуна родной молодежной научно-технической конференции «Будущее техниче ской науки». – Н.Новгород: НГТУ, 2006. – С.200-205.
6. Епифанов Д.В. Методика управления РСА ТКР с целью получения требуемой ВСХ автомобильного дизельного двигателя удовлетворяющей со временным экологическим и экономическим требованиям // Материалы док ладов международной конференции «Двигатель-2007», посвященной 100 летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. – М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2007. – С. 459-462.
7. Епифанов Д.В. Оценка систем турбонаддува дизельных двигателей легковых автомобилей // Сборник научных статей международной научно практической конференции «Авто НН 08 автомобильный транспорт в ХХI веке». – Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2008.– С. 155-156.
8. Доводка систем дизеля ЗМЗ-5143.10 в составе автомобиля УАЗ 315148 «Хантер» для выполнения экологических норм Евро 3. / М.А. Миро нычев, А.В. Мокрышев, А.Д. Блинов, Д.В. Епифанов // материалы XI между народной научно-практической конференции «Фундаментальные и при кладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», повященной 50-летию Владимирского государственного университета.– Владимир: ВлГУ, 2008. – С. 154-157.
9. Химич В.Л., Епифанов Д.В. Выполнение требований экологических стандартов для быстроходных автомобильных дизелей путем совершенство вания систем наддува // Сборник докладов международной научно технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
– Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009.– С. 302-314.
10. Химич В.Л., Епифанов Д.В., Блинов А.Д. Метод расчета внешней скоростной характеристики быстроходного автомобильного дизеля // Сбор ник докладов международной научно-технической конференции «Современ ные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники НГТУ им. Р.Е. Алексеева.– Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009.– С. 302-314.
11. Формирование гидравлической характеристики дизеля для автомо биля ЕВРО 4 с полной массой до 3,5 т. / В.Л. Химич, А.Д. Блинов, Д.В. Епи фанов // материалы XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей».– Владимир: ВлГУ, 2010. – С. 294-298.
Подписано к печати 08.11.10. Заказ № 683.
Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз.
Типография НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.