авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Газодинамика и теплообмен во впускном трубопроводе при наддуве поршневого двс

На правах рукописи

ШЕСТАКОВ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ГАЗОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН ВО ВПУСКНОМ

ТРУБОПРОВОДЕ ПРИ НАДДУВЕ ПОРШНЕВОГО ДВС

Специальности: 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника;

05.04.02 – Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Екатеринбург – 2012

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» на кафедрах «Теоретическая теплотехника» и «Турбины и двигатели».

Научный руководитель: доктор физико – математических наук, профессор Жил кин Борис Прокопьевич.

Научный консультант: доцент, кандидат технических наук Плотников Леонид Валерьевич.

Официальные оппоненты: Буланов Николай Владимирович, доктор физико – ма тематических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ураль ский государственный университет путей сообщения», профессор;

Шароглазов Борис Александрович, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», профессор.

Ведущая организация: ОАО «Специальное конструкторское бюро турбонагне тателей», г. Пенза.

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 года в 16.00 на заседании дис сертационного совета Д 212.285.07 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федераль ный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ) по адресу: г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5 (8-й учебный корпус УрФУ), ауд.

Т-703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрФУ.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, про сим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, ФГАОУ ВПО «УрФУ», ученому секретарю совета университета.

Тел. (343) 375-45-74, (343) 375-48-51, факс.: (343) 375-94-62.

e-mail: d21228507@gmail.com, dima-shestakov83@mail.ru.

Автореферат разослан 27 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Аронсон К. Э.

Актуальность работы Эффективность работы двигателей внутреннего сгорания с наддувом в значительной степени зависит от совершенства процессов, протекающих в их газовоздушных трактах, в частности во впускном трубопроводе. Ди намика входящего потока воздуха в поршневом ДВС с наддувом оказыва ет влияние на состав смеси и далее на весь рабочий процесс двигателя.

Имеющиеся во впускном трубопроводе колебания потока воздуха могут вызвать разность рабочего процесса по расходу воздуха в многоцилин дровом двигателе. Кроме того, экспериментальные исследования показы вают влияния колебания давления во впускном трубопроводе на умень шение КПД центробежного компрессора. Сведений о динамике протека ний процесса впуска в поршневом ДВС с наддувом чрезвычайно мало.

Целью работы является установление закономерностей изменения газодинамических и тепловых характеристик потока во впускном трубо проводе в процессе наполнения цилиндра свежим зарядом при наддуве поршневого ДВС от геометрических и режимных факторов.

Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:

- установлены зависимости мгновенных скорости, давления и ло кального коэффициента теплоотдачи потока во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от угла поворота коленчатого вала при раз ных режимах работы двигателя и турбокомпрессора, в том числе при раз ных долях сброса сжатого воздуха;

- выявлены существенные отличия газодинамических и теплообмен ных характеристик потока во впускном тракте поршневого ДВС с надду вом от такового без наддува;

- получены амплитудно-частотные характеристики пульсаций ско рости, давления и локального коэффициента теплоотдачи в потоке во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, в том числе при разных долях сброса сжатого воздуха;

- определены закономерности изменения скорости, давления и мгновенного локального коэффициента теплоотдачи на начальном участке трубопровода после компрессора свободного турбокомпрессора при раз личных продольных профилях данного участка;

- обобщены в виде эмпирических уравнений экспериментальные данные по мгновенной локальной теплоотдаче пульсирующего потока воз духа во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом;

- предложен дополнительный способ согласования характеристик двигателя и турбокомпрессора путем изменения геометрии начального участка впускного трубопровода;

- разработан и исследован эффективный способ уменьшения пульса ций давления и скорости потока воздуха во впускном трубопроводе порш невого ДВС с наддувом, а также метод снижения локального коэффициен та теплоотдачи. Показано, что дозированный сброс нагнетаемого воздуха из впускного трубопровода снижает пульсации давления в нем на 30 %.

Достоверность результатов основывается на надежности экспери ментальных данных, обусловленной тем, что они получены сочетанием не зависимых методик исследования и подтверждены воспроизводимостью результатов опытов, хорошо согласуются на уровне тестовых опытов с данными других авторов, а также применением комплекса современных методов исследования, тщательным подбором измерительной аппаратуры, ее систематической проверкой и тарировкой.

Практическая значимость. Полученные экспериментальные дан ные расширяют теоретические представления о газодинамике и локальной теплоотдаче потока воздуха в процессе впуска в поршневых ДВС с надду вом и создают основу для разработки инженерных методик расчета и про ектирования впускных систем двигателей с наддувом. Разработаны эф фективные методы повышения качества процесса впуска и их конструк тивного оформления, что может привести к улучшению технико – эконо мических показателей ДВС. Отдельные результаты работы приняты к реа лизации на ООО «Уральский дизель-моторный завод» при проектировании и модернизации двигателей 6ДМ-21Л, 8ДМ-21Л, 8ДМ-21ЭЛ, 12ДМ-21Л.



Автор защищает:

- экспериментальные данные по газодинамике и мгновенному ло кальному коэффициенту теплоотдачи во впускном трубопроводе при над дуве ДВС;

- результаты обобщения данных по мгновенному локальному коэф фициенту теплоотдачи потока воздуха во впускном трубопроводе порш невого ДВС с наддувом с учетом доли сброса;

- способ согласования расходных характеристик турбокомпрессора и двигателя;

- способ гашения пульсаций потока воздуха во впускном трубопро воде поршневого ДВС с наддувом.

Личный вклад автора состоит в том, что им на основе анализа ли тературных источников поставлены задачи исследования, разработаны методики проведения опытов, спроектированы и отлажены эксперимен тальные установки, проведены опыты, обработаны, проанализированы и обобщены полученные экспериментальные данные. Автором предложен способ уменьшения пульсаций давления и скорости потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом.

Апробация работы. Основные результаты исследований, изложен ных в диссертации, докладывались и были представлены на межрегио нальной научно-технической конференции в Челябинском высшем воен ном автомобильном командно-инженерном училище (г. Челябинск, 2010);

научных семинарах кафедр «Теоретическая теплотехника» и «Турбины и двигатели» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2009 - 2012);

научно-техническом семинаре при ООО «Уральский дизель – моторный завод» (г. Екатерин бург, 2012);

всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (г. Екатеринбург, УрФУ, 2011);

тех ническом семинаре при ООО «Газпромтранс» Астраханский филиал (г.

Астрахань, 2012);

научно-техническом семинаре (г. Челябинск, ЮУрГУ, 2012).

Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных рабо тах, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено положи тельное решение по заявке на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 113 наименований, и 4 приложений. Она изложена на 129 страницах компьютерного набора в программе MS Word и снабжена по тексту 65 рисунками и 2 таблицами.





ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и за дачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая цен ность результатов работы, дана е общая характеристика и изложено крат кое содержание.

В первой главе приведен обзор литературных источников, посвя щенных проблемам исследования газодинамики и теплообмена процессов впуска в ДВС, в том числе с наддувом. Рассматриваются известные мето ды исследования. Представлены основные результаты, полученные раз личными исследователями по закономерностям газодинамики и теплооб мена потока воздуха во впускном трубопроводе ДВС с наддувом и без него.

На основе выполненного автором анализа литературных данных сформулированы следующие основные задачи исследования:

1) установить зависимости мгновенных скорости, давления и ло кального коэффициента теплоотдачи потока во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от угла поворота коленчатого вала при раз ных режимах работы двигателя и турбокомпрессора, в том числе при раз ных долях сброса сжатого воздуха;

2) получить амплитудно-частотные характеристики пульсаций ско рости, давления и локального коэффициента теплоотдачи, возникающие в потоке во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом;

3) выявить отличия газодинамических и теплообменных характери стик потока во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от та ковых без наддува;

4) определить закономерности изменения скорости, давления и мгновенного локального коэффициента теплоотдачи на начальном участке трубопровода после компрессора свободного турбокомпрессора при раз личных продольных профилях данного участка трубопровода;

5) предложить способ согласования расходных характеристик дви гателя и турбокомпрессора;

6) разработать и исследовать способ уменьшения пульсаций потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом.

7) обобщить в виде эмпирических уравнений экспериментальные данные по мгновенной локальной теплоотдаче пульсирующего потока воз духа во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, в том числе по с учетом результатов по пункту 6.

Во второй главе приводится описание экспериментальных устано вок и методик исследований.

Для исследования газодинамики и теплообмена процессов впуска при наддуве поршневого двигателя внутреннего сгорания спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис. 1). Установка представ ляет собой натурную модель одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с наддувом размерности 8,2/7,1, коленчатый вал которой приво дится во вращение асинхронным двигателем, частота вращения которого регулируется преобразователем частоты Altivar 31 фирмы Shneider Electric в диапазоне до 3000 об/мин с точностью 0,1 %. Фазы газораспределения и подъем клапана соответствуют штатным.

Рис. 1. Поперечный разрез экспериментальной установки:

1 – агрегат маслозакачивающий;

2 – бак масляный;

3 – турбокомпрес сор;

4 – регулировочный вентиль;

5 – входной участок трубопровода;

6 – измерительный канал;

7 – поршневая часть Наддув осуществляется турбокомпрессором размерности ТКР6, турбина которого приводится во вращение сжатым воздухом из маги страли. Турбокомпрессор имеет автономную систему смазки.

Сжатый в компрессоре турбокомпрессора воздух выходит во впуск ной трубопровод 5 круглого сечения, в котором имеется регулировочный вентиль 4 для выпуска части воздуха. Далее следует измерительный канал длиной 250 мм и внутренним диаметром 32 мм. В нем имеются отверстия для установки датчиков скорости и теплоотдачи, а также бонка для мон тажа датчика давления наддува. Измерительный канал присоединяется к вспомогательной трубе того же диаметра, закрепленной на головке порш невой части.

Для проведения исследований на базе аналого-цифрового преобразо вателя (АЦП) фирмы L-Card модели E14-140 создана автоматизированная система сбора данных, передающая информацию в персональный компью тер. В ней для определения средней по сечению скорости потока воздуха w и локального коэффициента теплоотдачи х использовался термоанемо метр постоянной температуры оригинальной конструкции, содержащей блок защиты нити от перегрева. Чувствительным элементом датчиков тер моанемометра в обоих случаях была нихромовая нить диаметром 5 мкм и длиной 5 мм. Отличие состояло в том, что для измерения скорости потока воздуха использовался зонд со свободной нитью, размещенной по оси впускного канала, тогда как при определении х применялся датчик с ни тью, лежащей на фторопластовой подложке, он монтировался заподлицо со стенкой впускного трубопровода. Систематическая ошибка измерения w составляла 5,4 %, а локального коэффициента теплоотдачи – 10 Замер частоты вращения и индикация прохождения поршнем ВМТ и НМТ про изводились тахометром, состоящим из закрепленного на валу зубчатого диска и индуктивного датчика, закрепленного на опорной плите. Для из мерения частоты вращения ротора турбокомпрессора использовался циф ровой бесконтактный тахометр. Для измерения непрерывного давления наддува использовался цифровой датчик давления фирмы PROSOFT SYSTEMS модели S-10 с диапазоном показаний до 2,5 бар, погрешностью 0,5 %. Сигналы со всех датчиков поступают в АЦП, который преобразовы вает аналоговую информацию (напряжение) в цифровой код. Далее сигнал передается в компьютер, где обрабатывается в программе Lgraph 2.0.

В третьей главе рассматриваются газодинамические, теплообмен ные и расходные характеристики потока на начальном участке впускного трубопровода после компрессора турбокомпрессора и во впускном тру бопроводе в целом поршневого ДВС с наддувом.

Вначале обосновывается методическая целесообразность рассмот рения при анализе гидравлической характеристики системы впуска порш невого ДВС с наддувом в виде двух составных элементов: турбокомпрес сора и присоединенной сети, состоящей в свою очередь из впускного тру бопровода и двигателя. Тогда корректировку характеристики сети можно производить, в частности, путем изменения продольного профилирования сечения впускного трубопровода.

Одним из основных технологических показателей турбокомпрессора является массовый расход воздуха. Как известно, изменение расхода воз духа через ТК – эффективный способ согласования режимов работы двига теля и турбокомпрессора. При этом двигатель и ТК подбираются таким образом, чтобы оптимальные их технико-экономические характеристики достигались только в узком диапазоне работы энергоустановки.

Для того чтобы разработать меры корректировки расходных харак теристик двигателя и турбокомпрессора, проведено исследование газоди намики потока воздуха в коротком канале за компрессором турбокомпрес сора со свободным выпуском, то есть турбокомпрессора как такового без влияния поршневой части 7.

В результате проведенных испытаний установлено, что размещение во впускном трубопроводе за компрессором конфузора (со степенью суже ния 1,45) приводит к снижению расхода воздуха в среднем на 10 %, а при дополнительной установке диафрагмы – уже на 50 % по сравнению со сво бодным сечением на выходе из компрессора. На этом основании следует полагать, что размещение во впускном канале поршневого ДВС вставки с автоматически регулируемой конфигурацией, например, диафрагмы с из меняемым поперечным сечением (лепестковой диафрагмы) позволит рас ширить диапазон эффективной работы двигателя с наддувом и получить дополнительную возможность согласования характеристик двигателя и турбокомпрессора.

Дополнительная информация о природе турбулентных пульсаций и механизме подогрева свежего заряда во впускном трубопроводе после компрессора турбокомпрессора получена путем амплитудно-частотного анализа пульсаций скорости и локального коэффициента теплоотдачи. На рис. 2 представлены собственные спектры пульсаций давления потока воздуха в коротком впускном трубопроводе после компрессора, получен ные по программе Lgraph2 с помощью алгоритма быстрого преобразова ния Фурье. Полученные спектры свидетельствуют об образовании уже в проточной части компрессора вихревых структур.

Рис. 2. Амплитудно-частотные спектры пульсации давления Ар при раз личной частоте вращения ротора nТК свободного турбокомпрессора в ко ротком трубопроводе с конфузорным сечением Перед экспериментальным исследованием процессов в полной впускной системе в целях установления характера и диапазона изменения контрольных величин во впускном трубопроводе установки проведено численное моделирование с помощью программного комплекса ДИЗЕЛЬ РК.

Контрольные расчеты показали, что при применении наддува проис ходит увеличение скорости потока в трубопроводе w, а также смещение ее пика по углу поворота коленчатого вала. Момент достижения максималь ного значения w наступает раньше на величину до 100 градусов ПКВ.

Кроме того, на средних и высоких режимах отсутствует характерная зона перегибов на участке ускорения потока, а протяженность плато макси мальной величины скорости в 2-3 раза короче. Все это, по видимому, свя зано с газодинамическим напорным воздействием компрессора.

Проведенные эксперименты подтвердили известные закономерно сти: с увеличением частоты вращения ротора турбокомпрессора при дан ной частоте вращения поршневой части среднее давление наддува возрас тает;

с увеличением частоты вращения поршневой части при данной ча стоте вращения ротора турбокомпрессора давление и скорость потока ста новятся больше. Вместе с тем обнаружено, что пик максимума скорости при этом смещается вправо по углу поворота коленчатого вала на величи ну до 50°, а скачки давления усиливаются (рис. 3). При нарастании часто ты вращения ротора турбокомпрессора происходит уменьшение пульса ций скорости, и аналогично с увеличением частоты поршневой части пульсационные эффекты также сглаживаются, тогда как в безнаддувной установке с увеличением частоты поршневой части пульсационные эффек ты, напротив, увеличивались. Оказалось, что при низких частотах враще ния (600 об/мин) существует небольшой провал скорости в районе НМТ перед участком начала ускорения потока.

С увеличением частоты вращения ротора турбокомпрессора проис ходит усиление пульсационных эффектов по скорости и давлению, тогда как с увеличением частоты поршневой части пульсационные эффекты сглаживаются. При всех частотах вращения двигателя в период от 180 до 360 градусов ПКВ (после момента открытия впускного клапана до его за крытия) пульсации давления значительно уменьшаются по сравнению с остальным периодом работы двигателя.

а б Рис. 3. Зависимость давления р и скорости потока воздуха w во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом от угла поворота коленчатого вала при nТК=42000 об/мин при различных частотах вращения ротора:

а – n=600 об/мин;

б – n=1500 об/мин Пульсационные явления, наблюдаемые на всех режимах, особенно проявляющиеся при низких и средних частотах вращения поршневой ча сти, приводят к уменьшению наполнения цилиндра воздухом, к неиден тичному наполнению цилиндров в многоцилиндровом дизеле, увеличива ют уровень шума и уменьшают моторесурс двигателя в целом. Следова тельно, необходимо решать проблему их гашения какими-либо конструк тивными способами.

В четвертой главе представлены результаты изучения мгновенной локальной теплоотдачи во впускном трубопроводе при наддуве поршне вого двигателя внутреннего сгорания в условиях гидродинамической не стационарности (ускорение и замедление потока воздуха).

В коротком круглом трубопроводе после свободного компрессора турбокомпрессора с уменьшением сечения канала на одинаковых режимах работы ТК амплитуда колебаний локального коэффициента теплоотдачи х уменьшается (рис. 4): так, при использовании диафрагмы на высоких ре жимах она уменьшилась в 2,5 раза. В то же время при одинаковых сече ниях с увеличением частоты вращения ротора амплитуда колебаний ло кального коэффициента теплоотдачи также уменьшается (при использова нии той же диафрагмы она снижается в 2,5 раза).

Было установлено, что во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом в отличие от безнаддувного даже при низкой частоте враще ния ротора ТК (рис. 5) возрастают как максимальные значения х в пери (с 95 до 180 Вт/(м2·К) при од между открытием впускного клапана n=1500 об/мин и с 120 до 245 Вт/(м2·К) при n=3000 об/мин), так и средние до открытия (с 45 до 60 Вт/(м2·К) при n=1500 об/мин и с 50 до 100 Вт/(м2·К) при n=3000 об/мин) и после закрытия впускного клапана.

При наддуве пик максимума теплоотдачи наступает раньше на угол =100° при n=1500 об/мин и уменьшается до угла =40° при n=3000 об/мин.

Интенсивность колебаний локального коэффициента теплоотдачи уменьшается с увеличением частоты вращения ротора турбокомпрессора.

При этом с увеличением частоты вращения коленвала локальный коэф фициент теплоотдачи возрастает. Такая же тенденция наблюдается и в безнаддувных двигателях, но там х имеет меньшие значения: при nТК=42000 об/мин локальный коэффициент теплоотдачи ниже примерно на 50 Вт/(м2·К).

а б Рис. 4. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи х (расстояние от выходного патрубка lх=150 мм) и скорости потока воздуха w от време ни в трубопроводе после компрессора свободного турбокомпрессора при nТК=42000 об/мин:

а) в сечении с конфузором;

б) в сечении с конфузором и диафрагмой Было выявлено, что с увеличением частоты вращения коленвала пик максимума локального коэффициента теплоотдачи смещается вправо по углу поворота коленчатого вала.

С ростом частоты вращения ротора ТК при данной частоте враще ния коленчатого вала средний по углу локальный коэффициент теплоот дачи возрастает, но мгновенный максимум х его при этом уменьшается до 50 %.

Рис. 5. Зависимость локального коэффициента теплоотдачи х (lх =150 мм) от угла поворота коленчатого вала во впускном трубопро воде поршневого ДВС с наддувом (nТК= 35000 об/мин) и без наддува при n=1500 об/мин При этом заметное изменение х при всех n начинается во всех слу чаях с угла поворота коленчатого вала 190о, а максимального значения х достигает также в одном периоде 270о320, что значительно отлича ется от двигателя без наддува, у которого максимум х лежит в пределах 375о420о. Изменение локального коэффициента теплоотдачи становит ся менее выраженным при =400о при всех частотах вращения коленчато го вала. Таким образом, существует общая закономерность изменения х во впускном трубопроводе ДВС с наддувом при всех частотах вращения коленчатого вала.

В пятой главе рассматривается разработанный на основе результа тов исследования метод гашения пульсаций потока во впускном трубо проводе поршневого ДВС с наддувом.

Анализ результатов проведенных исследований позволил сделать вывод о том, что причиной интенсивных пульсаций потока может служить избыточная по отношению к двигателю производительность на некоторых режимах.

Стабилизация потока воздуха во впускном трубопроводе (снижения пульсаций скорости и давления) может быть достигнута сбросом опреде ленной доли воздуха из впускного трубопровода, для чего был использо ван регулировочный вентиль 4 (см. рис. 1).

Для обобщения результатов исследования количество выпускаемо го воздуха при различных режимах будем выражать не через конструк тивный параметр (относительное раскрытие клапана), а через физический – через относительный сброс:

Gвып Gвып G*, G пол G вып G двиг где G пол – расход воздуха, сжатого в компрессоре;

G вып – средний расход воздуха, выпускаемого через клапан;

G двиг – расход воздуха, попавшего в двигатель.

Было установлено, что при дозированном сбросе пульсации давле ния и скорости значительно уменьшаются (рис. 6).

Так, при определенной доле сброса на частоте вращения ротора nТК=42000 об/мин при n=600 об/мин и n=1500 об/мин (см. рис. 6 а, б) амплитуда пульсаций давления уменьшается в 3 с лишним раза, а при n=3000 об/мин до момента открытия впускного клапана – в 4 с лишним раз.

Следует отметить, что при низких частотах вращения ротора ТК nТК=35000 об/мин и n=600 об/мин имеется падение среднего давления в трубопроводе, оно невелико и составляет 2-3 кПа, то есть 1,6 %. Вместе с тем при сбросе общий расход воздуха через компрессор повышается (бу дет показано далее), а частота вращения ротора остается неизменной, по этому можно утверждать, что на характеристике компрессора рабочая точка движется по нисходящей ветви вправо, удаляясь от границы помпа жа. На средних и высоких частотах вращения ротора ТК среднее значе ние давления не изменилось (см. рис. 6), то есть на характеристике ком прессора режим прошел по прямой части ветви. Таким образом небольшое снижение давления на малых оборотах при сбросе воздуха вызвано лишь особенностями профилирования проточной части данного компрессора и не влияет на общую картину.

а б Рис. 6. Сравнение зависимостей давлений потока воздуха р от угла во впускном трубопроводе (lх =150 мм) поршневого ДВС с наддувом без сброса (G=0) и со сбросом при nТК=42000 об/мин (оси смещены):

а) – n=600 об/мин;

G=0,3;

б) – n=1500 об/мин;

G=0, При дозированном сбросе изменяются также и значения локального коэффициента теплоотдачи (рис. 7). При высоких оборотах коленчатого вала (nТК=35000 об/мин и n=3000 об/мин) и открытом клапане снижение теплоотдачи может достигать 38 %, что, по видимому, связано с резким снижением интенсивности турбулентных пульсаций в системе впуска.

Рис. 7. Сравнение зависимостей скорости потока воздуха w и локального коэффициента теплоотдачи х (lх=150 мм) от угла во впускном трубо проводе поршневого ДВС с наддувом без сброса (G*=0) и со сбросом (G*=0,12) при nТК=35000 об/мин и n=3000 об/мин Сравнивая закономерности изменения скорости потока воздуха и ло кального коэффициента теплоотдачи, можно сделать следующие выводы.

Величина скорости потока при регламентированном сбросе воздуха меня ется незначительно. Так, при nТК=35000 об/мин и n=600 об/мин макси мальная величина скорости потока снизилась примерно на 6 %, тогда как амплитуда колебаний скорости упала в 5 раз.

Следует подчеркнуть, что регламентированный выпуск сжатого воздуха после компрессора не приводит к существенному изменению мас сового расхода через двигатель. Это вызвано тем, что средняя скорость по тока воздуха во впускном тракте (после регулируемого клапана) не изме нилась. Небольшие отклонения расхода Gдвиг при подобранных долях сброса находятся в пределах погрешности датчика.

Таким образом, было установлено, что при сбросе из впускного тру бопровода определенной части сжатого в компрессоре воздуха происхо дит снижение пульсаций скорости и давления потока, а также уменьшение локального коэффициента теплоотдачи при сохранении массового расхода воздуха, поступающего в двигатель. Были составлены режимные карты, позволяющие определить оптимальную величину G в зависимости от n и nТК (рис. 8).

Рис. 8. Зависимости отклонений пульсаций скорости, давления и локально го коэффициента теплоотдачи от относительного сброса при частоте вра щения ротора ТК 46000 об/мин (области оптимальных режимов выделены штриховкой):

——— 600 об/мин;

— — — — 1500 об/мин;

— · — · — 3000 об/мин В результате аппроксимации экспериментальных данных, проведен ной методом наименьших квадратов, получены уравнения для расчета мгновенного локального коэффициента теплоотдачи и давления потока воздуха с погрешностью 8 %. Для определения распределения х по длине впускного трубопровода была использована специальная методика тепло визионной диагностики. При этом, для того, чтобы получить более про стое расчетное уравнение, зависимость х f ( ) была разбита на два участка – подъема (150о290о) и спада (290о440о). Предлагаемые уравнения размерные, поскольку режим течения определяется частотами вращения коленчатого вала n и ротора турбокомпрессора nТК, а рабочей средой является исключительно воздух как обычный окислитель для сжи гания топлива.

Расчетное уравнение для вычисления х, Вт/(м2К), во впускном тру бопроводе двигателя размерностью 8,2/7,1 с наддувом турбокомпрессором ТКР6 имеет следующий вид:

- для стадии подъема (150о290о) - для стадии спада (290о440о) где n – частота вращения коленчатого вала, об/мин (600n3000);

– частота вращения ротора турбокомпрессора, об/мин nТК (35000n50000);

– угол поворота коленчатого вала, град (150о290о);

Т – температура окружающей среды, К (233T313);

lх – расстояние от входа в канал до расчетного сечения, мм (1lх250);

К – поправочный коэффициент, зависящий от доли сброса воздуха.

Для реализации метода регулирования процесса впуска ДВС с над дувом предложено использовать электромагнитный клапан. Разработан ал горитм автоматического управления этим клапаном. Выполнена кон структивная проработка установки клапана на дизеле 8ДМ-21ЛМ.

Основные результаты работы Разработаны методики, спроектирована, изготовлена и отлажена экспериментальная установка для исследования газодинамики и теплооб мена во впускном трубопроводе в поршневом ДВС с наддувом, оснащен ная системой измерений, в состав которой входят термоанемометр, датчи ки давления, скорости, локального коэффициента теплоотдачи, частоты вращения коленвала и ротора ТК, а также система сбора данных. Прове денный на установке и дополнительных стендах комплекс исследований позволил получить нижеследующие основные результаты.

1. Установлены зависимости мгновенных скорости, давления и ло кального коэффициента теплоотдачи во впускном трубопроводе поршне вого ДВС с наддувом от угла поворота коленчатого вала при разных ре жимах работы двигателя и турбокомпрессора, в том числе при разных до лях сброса нагнетаемого воздуха.

2. Получены амплитудно-частотные характеристики пульсаций ско рости, давления и локального коэффициента теплоотдачи в потоке во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, в том числе при разных долях сброса сжатого компрессором воздуха.

3. Выявлены существенные отличия газодинамических и теплооб менных характеристик потока во впускном тракте поршневого ДВС с над дувом в сравнении с таковыми для поршневого ДВС без наддува.

4. Определены закономерности изменения скорости, давления и мгновенного локального коэффициента теплоотдачи на коротком участке трубопровода после компрессора свободного турбокомпрессора при раз личных продольных профилях данного канала.

5. Предложен способ согласования характеристик двигателя и тур бокомпрессора путем изменения геометрии участка трубопровода сразу после ТК.

6. Обобщены в виде эмпирических уравнений экспериментальные данные по мгновенной локальной теплоотдаче пульсирующего потока воз духа во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом.

7. Разработан и исследован эффективный способ уменьшения пуль саций давления и скорости потока воздуха во впускном трубопроводе поршневого ДВС с наддувом, а также способ снижения локального коэф фициента теплоотдачи, что позволит уменьшить различия в работе цилин дров многоцилиндрового дизеля, снизить уровень шума, повысить мо торесурс двигателя в целом, а также увеличить КПД компрессора.

8. Предложенные в работе решения по установке электромагнитного клапана приняты к реализации на ООО « Уральский дизель-моторный за вод» при модернизации двигателей 6ДМ-21Л, 8ДМ-21ЛМ и 8ДМ-21ЭЛМ и дизель – генераторов на их основе.

Основное содержание диссертации изложено в следующих пуб ликациях:

1. Жилкин Б. П. О необходимости исследования процессов впус ка и выпуска в ПДВС в динамике / Б. П. Жилкин, Д. С. Шестаков, Л.

В. Плотников // Вестник Академии военных наук. – 2010. – №1. – С.

54-57.

2. Жилкин Б. П. Некоторые особенности газодинамики процесса впуска при наддуве поршневых ДВС / Б. П. Жилкин, Д. С. Шестаков, Л. В. Плотников // Тяжелое машиностроение. – 2012. – №2. – С. 48-51.

3. Жилкин Б. П. Повышение энергоэффективности поршневых ДВС за счет совершенствования их рабочего процесса / Б. П. Жилкин, Д. С. Шестаков, Л. В. Плотников // Энерго- и ресурсосбережение. Энер гообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии:

сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно практической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и мо лодых ученых, 13-16 декабря 2011 г. – Екатеринбург: УрФУ, – С. 268-270.

4. Жилкин Б. П. Определение и корректировка на стенде характери стик компрессора ТК для наддува ПДВС/ Б. П. Жилкин, Д. С. Шестаков, Л. В. Плотников // Турбины и дизели. 2012. Март - апрель. – С. 32-35.

5. Пат. 81263 RU, МПК F02В29/02. Впускная система поршневого двигателя с наддувом / Жилкин Б. П., Плотников Л. В., Шестаков Д. С. – заявка № 2012105249 от 14.02.2012.

Подписано в печать Формат 60х84 1/16.

Бумага типографская Плоская печать. Усл. печ. л. 1, Уч. – изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ Ризография НИЧ УрФУ 620002, Екатеринбург, ул. Мира,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.