Повышение технико-экономических показателей быстроходного дизеля путем совершенствования процесса впуска
На правах рукописи
ДЫДЫКИН АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВПУСКА Специальность 05.04.02 - тепловые двигатели
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород - 2010 1
Работа выполнена на кафедре “Тракторы и автомобили” Нижегородс кой государственной сельскохозяйственной академии.
Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Жолобов Л.А.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Сыркин П.Э.
кандидат технических наук, доцент Девятьяров Р.Р.
Ведущая организация: Чебоксарский политехнический институт (филиал) ГОУ ВПО “МГОУ”
Защита диссертации состоится 23 апреля 2010 г. в 14 часов на заседа нии диссертационного совета Д.212.165.04 в Нижегородском государствен ном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. К.Минина, д.24, ауд. 1258.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.
Автореферат разослан 22 марта 2010 г.
Отзыв на автореферат с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.Н. Орлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение технико-экономических показате лей быстроходного дизеля путем совершенствования процесса впуска.
Основные технико-экономические показатели ДВС, в частности эф фективная мощность напрямую зависят от количество теплоты, вводимой в цилиндр за цикл, определяется массой топлива, участвовавшего в про цессе сгорания в ходе одного рабочего цикла Масса топлива, необходимое для полного и эффективного сгорания в ДВС ограничивается наличием свежего воздуха, поступившего в цилиндр во время процесса впуска.
Процесс впуска представляет собой движение свежего заряда и отра ботавших газов, синхронизированных с движением поршня, а также впус кного и выпускного клапанов. Сложность в изучении этого процесса зак лючается в том, что движения рабочего тела по органам впускной систе мам имеет явно выраженный трехмерный и нестационарный характер.
На процесс наполнения с одной стороны оказывает влияние законы движения заряда, которые учитывают колебательные процессы, происхо дящие в трубопроводах и гидросопротивления органов впуска, с другой стороны - законы движения поршня и впускного и выпускного клапанов.
В связи с этим, существует два пути совершенствования данного процес са.
Решить все эти проблемы на стадии конструирования, производства и доводки ДВС затруднительно, так как связано со значительными матери альными и трудовыми затратами. Поэтому общепризнанным и наиболее перспективным путем сокращения затрат при проектировании ДВС явля ется расчет его процесса впуска численными методами.
При этом сам вычислительный эксперимент при обеспечении долж ного уровня достоверности, может рассматриваться как численный экс перимент и относится к экспериментально-теоретическим методам ис следования.
В связи с этим актуальным становится задача по созданию простран ственной расчетной модели процесса впуска, позволяющих совершенство вать технико-экономические показатели быстроходного дизеля с учетом всех вышеизложенных взаимосвязей.
Цель исследований является повышение технико-экономических по казателей быстроходного дизеля путем совершенствования процесса впус ка.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать методику расчета процесса впуска быстроходного дизе ля с использованием совмещенных характеристик органов впуска и ГРМ;
- разработать конструкции органов впуска и ГРМ, обеспечивающие равномерность распределения заряда по объему полости цилиндра;
- разработать комплекс программных средств, позволяющих произво дить качественную и количественную оценку процесса наполнения быст роходного дизеля с визуализацией векторов физических параметров рабо чего тела по сечениям или по поверхностям области расчета;
- провести тестовые расчеты процесса впуска быстроходного дизеля, позволяющие определять термодинамические параметры состояния ра бочего тела, находящегося в области расчета;
- провести сравнительный расчет процесса впуска для различных ва риантов формы впускного канала и профилей кулачка ГРМ;
- разработать исследовательский программно-аппаратный комплекс, предназначенный для измерений и обработки основных показателей ра бочих процессов быстроходного дизеля.
Объектом исследования является быстроходный дизель семейства ВСН-7Д производства завода ОАО «Авитек» г.Киров.
Предмет исследования: газодинамические характеристики процесса впуска, а также мощностные и экономические показатели быстроходного дизеля ВСН-7Д.
Методика исследований. При проведении теоретических исследова ний использованы общие законы термодинамики, теория рабочих про цессов двигателей внутреннего сгорания. Экспериментальные исследова ния проводились на моторном стенде с двигателем ВСН-7Д.
Научная новизна работы:
- предложена методика расчета процесса впуска быстроходного дизе ля с использованием совмещенных характеристик органов впуска и ГРМ;
- разработаны конструкции органов впуска и ГРМ, обеспечивающие равномерность распределения заряда по объему полости цилиндра;
- разработан комплекс программных средств, позволяющих произво дить качественную и количественную оценку процесса наполнения быс троходного дизеля с визуализацией векторов физических параметров ра бочего тела по сечениям или по поверхностям области расчета.
Основные положения, выносимые на защиту:
в теоретической части - методика расчета процесса впуска;
в конструкторской части – сконструирован впускной винтовой канал и разработан профиль кулачков распределительного вала ГРМ, с целью мак симального приближения рабочего цикла быстроходного дизеля к рабо чему циклу теоретического поршневого двигателя;
в экспериментальной части – рабочие характеристики быстроходного дизеля, программные средства, разработанные для измерений и обработ ки основных показателей рабочих процессов.
Достоверность результатов. Обоснованность научных положений ра боты обуславливаются использованием общих уравнений гидродинами ки, теплофизики и термодинамики, известной и надежной программы “FlowVision”, применением высокоточных автоматизированных средств измерения параметров процесса впуска, сертифицированных средств ис пытаний дизелей, а также сходимостью расчетных результатов с экспери ментальными.
Практическая ценность работы:
- сконструирован и внедрен впускной винтовой канал быстроходного дизеля;
- разработан и внедрен профиль кулачков распределительного вала ГРМ;
- разработаны программные средства для снятия и обработки данных исследования рабочих процессов быстроходного дизеля.
Реализация работы. Результаты проведенных теоретических и экспе риментальных исследований приняты к внедрению на ОАО “Авитек” и использованы при разработке новых и модернизации выпускаемых заво дом быстроходных дизелей. Материалы диссертации используются в учеб ном процессе Нижегородской и Вятской государственных сельскохозяй ственных академий, Чебоксарском институте (филиале) Московского го сударственного открытого университета при чтении лекций, курсовом и дипломном проектировании для студентов, обучающихся по специально стям 11030165 и 11030465.
Апробация работы.
Основные положения диссертации обсуждались и были одобрены на:
- международных научно-практических конференциях: “Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России” (НГТУ, 1998г., г.Н.Нов город), IIIV, IX, X, XI Международных конференциях “Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей”, (ВлГУ, 2001-2008г., г.Владимир), V Международной научно-практической конференции “Автомобиль и техносфера” ICATS’2007, (КГТУ-КАИ, 2007г., г.Казань), X Международной научной школы “Гидродинамика больших скоростей” и Международной научной конференции “Гидродинамика.
Механика. Энергетические установки” (Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, 2008г., г.Чебоксары);
- всероссийских: Всероссийской научно-практической конференции, посвященной “Образование “Наука. Производство. Инновационный ас пект”, (Чебоксарский институт (филиал) МГОУ, 2005г., г.Чебоксары), I и II Всероссийской научно-практической конференции “Наука - Технология Ресурсосбережение”, (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, 2007 - 2008г., г.Киров);
- региональных: “Повышение эффективности использования энерге тики и совершенствование технологических процессов в сельскохозяйствен ном производстве”, (ФГОУ ВПО “Нижегородская ГСХА”, 2000, 2001, 2003, 2007г., г.Н.Новгород), конференции вузов Поволжья и Предуралья “Совер шенствование конструкции, теории и расчета тракторов, автомобилей и двигателей внутреннего сгорания, (ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, 2004- 2006г., г.Киров), XVI региональной научно-практической конференции вузов По волжья и Предуралья “Повышение эффективности использования авто тракторной и сельскохозяйственной техники”, (ФГОУ ВПО “Пензенская ГСХА”, 2005г., г.Пенза);
- техническом совете завода ОАО «Авитек» г.Киров.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубли кованы в 66 печатных работах, включая 2 монографии объемом 24,25 п.л., 4 статьи в центральных журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ для публикации трудов соискателей ученых степеней, 12 статей опублико вано в сборниках трудов Международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертации состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы. Диссертация со держит 146 страниц, включая 67 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 284 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложена научная новизна и практическая ценность работы, основные положения и результаты исследований, выносимых на защиту.
В первой главе проанализированы работы, выполненные по темати ке рассматриваемой проблемы. Результаты теоретических работ и экс периментальных исследований по изучению рабочего цикла ДВС и про цесса впуска, влиянию конструктивных и эксплуатационных параметров двигателей на повышения его технико-экономических показателей отра жены в работах: Абрамовича Г.Н., Адлера Ю.П., Акимова А.П., Алекси на В.А., Архангельского В.М., Балашова А.А., Березина С.Р., Боднера В.А., Брилинга Н.Р., Бутова И.А., Вахошина Л.И., Вихерта М.М., Войнова А.М., Вырубова Д.Н., Гаврилова А.А., Глаголева Н.И., Горнушкина Ю.Г., Гоца А.Н., Грановского Ю.В., Григорьева Е.А., Гришина Ю.А., Грудского Ю.Г., Гусева А.В., Драганова Б.Х., Драгомирова С.Г., Дьяченко Н.Х., Жданов ского Н.С., Жолобова Л.А., Захарова Л.А., Иващенко Н.А., Киселева Б.А., Круглова М.Г., Ларцева А.М., Лиханова В.А., Лобова Н.В., Манджгалад зе А.А., Маркова Е.В., Николаенко А.В., Орлина А.С., Панова В.В., Рудо го Б.П., Химича В.Л., Хрункова С.Н., Эфроса В.В., Яновича Ю.В.
В начале первой главы приводится анализ возможности повышения технико-экономических показателей быстроходного дизеля.
Одним из перспективных путей этого повышения является совершен ствование процесса наполнения полости цилиндра свежим зарядом, опти мизации дозарядки в конце процесса впуска, совершенствования смесе образования в цилиндре за счет создания вращательного движения свеже го заряда. Организация и протекание названных подлежащих совершен ствованию рабочих процессов в быстроходном двигателе осуществляется совместным действием кривошипно-шатунного механизма, органов впус ка и газораспределительного механизма.
Анализ работ позволил сформулировать и обосновать задачи исследо вания, необходимые для достижения поставленной цели работы.
Во второй главе рассмотрены вопросы о расчете течения газа в систе ме впуска быстроходного дизеля.
В ходе решения задачи о впуске необходимо определить термодинами ческие параметры и полей рабочего тела, находящегося в области расче та. Под областью расчета понимается объем, в котором определены урав нения математической модели, и граница объема, на которой определены граничные условия.
Область расчета являлась трехмерным объектом, т.к. характер течения в газов в области расчетов имеет ярко выраженную трехмерную структу ру. В соответствии с этим поиск решения данной задачи при расчете про цесса впуска ведется на основании наиболее полно описывающей такой вид течения физической модели полностью сжимаемой жидкости.
В выбранную математическую модель включено семь уравнений:
Три уравнения Навье-Стокса, которые, с учетом сил, действующих на заряд можно записать в следующем виде:
d V T V V P t V V S (1) dt Уравнение неразрывности, которое запишем в следующем виде:
d V 0. (2) dt Уравнение энергии, которое для полной энтальпии имеет вид:
d H d t H.
VH (3) cp dt dt Уравнение состояния идеального газа:
pR R c p T h (4) cp cp Уравнение массопереноса для концентрации C газовой фазы в смеси.
Для концентрации решается уравнение конвективно-диффузионного пе реноса d C VC t C. (5) SC SC dt t Уравнения для кинетической энергии турбулентных пульсаций k и скорости диссипации энергии турбулентности e.
В выбранной модели турбулентности (стандартная k e модель) тур булентная вязкость t выражается через величины k и e следующим образом:
k t C f.
e Таким образом, уравнение для турбулентной энергии k записывается в следующем виде:
d k Vk t k t G e, (6) k dt а уравнение для скорости диссипации энергии турбулентности e :
d e e e Ve t e C1 t G C 2 f1. (7) e dt k k Расчет течения рабочего тела по органам впуска проводится метода ми вычислительной гидродинамики. Основной задачей вычислительной гидродинамики является численное решение уравнений Навье-Стокса, опи сывающих динамику жидкости. Дополнительно учитываются различные физико-химические эффекты: горение и теплообмен.
Область расчета создается в системе САПР по размерам рабочих чер тежей завода-изготовителя быстроходного дизеля ВСН-7Д. Вначале стро ятся впускные и выпускные канала, а после этого моделируется вся про точная часть дизеля в виде 3-мерной твердотельной модели (рис. 1).
После импортирования геометрии проточной части в выбранный ва риант расчета необходимо включить подвижные детали, включенные в рассматриваемый расчет.
К подвижным деталям относятся поршень и впускной и выпускной клапана.
Геометрия подвижных деталей создается в САПР, а подключается к рас чету с помощью пункта меню Фильтры Движущегося тела. Подвижным деталям необходимо задать законы перемещения. Для поршня этот закон определяется по известному выражению, а для впускного и выпускного клапанов закон движения задается в табличной форме с учетом результа тов промеров профилей соответствующих кулачков.
Следующий шаг создания расчетного варианта - это задание гранич ных условий на границах расчетной области. Для созданной области рас чета определяем 7 граничных условий (рис. 1).
Граничные условия задаются для каждой из расчетных переменных (Температура, Давление, Скорость, Турбулентность). Чтобы облегчить вы бор и исключить постановку несовместимых граничных условий, они объе динены в “Тип границы”. Каждый Тип границы соответствует некоторому физическому процессу, происходящему на границе. Для граничных усло вий 1, 2, 3, 4, 6 - задаем Тип границ: “Стенка”;
для граничного условия 5 задаем Тип границ: “Вход/Выход”, а для граничного условия 7 - задаем тип границ: “Свободный Выход”.
Перед началом постановки на расчет созданного варианта необходимо задать параметры предложенного метода расчета. При этом задаем частоту вращения коленчатого вала, число итераций, частоту автосохранения дан ных расчета по итерациям, способ восстановления переменной внутри рас четной ячейки, задаем параметры, определяющие метод расчета и способ выбора шага по времени (для созданного варианта расчета используем рас чет неявным методом с использованием скошенной схемы).
Для проверки созданной методики расчета процесса впуска быстро ходного дизеля были проведены тестовые расчеты. Для осуществления данных расчетов требовалась разработка способа задания стартовых, или начальных условий. В результате исследований выяснилось, что более уни версальными являются следующие условия. Расчет начинался при дви жении поршня из верхней мертвой точки в процессе расширения. При этом задавались значения темпера тур и давлений рабочего тела в по лости цилиндра, полученные в ре- зультате натурных испытаний серий ного быстроходного дизеля данной модели. Скорость течения газа во всех расчетных ячейках области рас чета равны нулю. Температура и дав- Рис. 1. Область расчета проточ ление в расчетных ячейках впускно- ной части быстроходного дизеля го и выпускного тракта принимают- ВСН-7Д: 1 - воздушный фильтр;
2 – ся равными атмосферным услови- впускной канал;
3 – выпускной ка ям. нал;
4 – впускной клапан;
5 – вы После расчета двух оборотов ко- пускной клапан;
6 - глушитель;
7- ци ленчатого вала, соответствующих линдр;
8 - поршень рабочему циклу четырехтактного ДВС, было отмечено полное соответствие рас считываемого процесса впуска реально му процессу, происходящему в быстро ходном дизеле.
Вся область расчета была разбита рас четной сеткой на ячейки. Для оценки вли яния степени дискретизации области рас чета на результаты численного расчета было проведено специальное исследова ние. В первом приближении для проведе- Рис. 2 Локально измельченная ния тестовых вычислений область расче- расчетная сетка рабочей об та была разбита в прямоугольных коорди- ласти.
натах ( x, y, z ) на 11*31*25 частей соответственно. Те ячейки, которые пол ностью или частично попадали в область расчета разбивались в соответ ствии с технологией АЛИС в 8 раз. Таким образом начальная сетка образо вывала около 8525 расчетных ячеек. Кроме этого в четырех выбранных локальных объемах расчетной области проводилась локализация началь ной сетки до уровней 2 и 3, что дало дополнительно еще около 80000 рас четных ячеек (рис. 2). Общее количество расчетных ячеек составило около 120 тысяч. Дальнейшие вычисления были проведены для 400 тысяч рас четных ячеек, причем перераспределение их по области расчета осталось таким же как и для первоначального варианта. В результате анализа ре зультатов расчетов была подтверждена закономерность - повышение ко личества расчетных ячеек области расчета позволяет получать более дос товерные данные. Однако, чрезмерное увеличение количества ячеек ведет к росту общей производительности расчета.
На рис. 3 представлен фрагмент расчета, на котором приведено графи ческое представление векторного поля скоростей потока во впускном и выпускном каналах в плоскости симметрии цилиндра при перекрытии кла панов. Поле скоростей наглядно показывает характер течения, формиро вание вихрей.
При этом виден наблюдается пограничного слоя от поверхности ниж ней стенки впускного канала при входе в вихревую улитку, кроме того, видно, что в верхней части канала происходит торможение заряда из-за того, что он бьет в стенку.
Рис. 3 Поле скоростей во впускном и выпускном каналах расчетной обла сти при перекрытии клапанов.
Наряду с этим происходят образование встречных потоков течения заряда как во впус кном, так и в выпускном каналах, а также обра зование вихрей. На рис. 4 изображены линии тока по впускному каналу и цилиндру двигате ля. Основное назначение впускного канала - это впуск свежего заряда с наименьшими потеря ми во впускной системе и закрутка воздушно го заряда в цилиндре и камере сгорания.
Анализ результатов численного расчета процесса впуска показывает, что впускной ка нал дизеля ВСН-7Д недостаточно функциона- Рис. 4. Линии тока по впус лен, его профиль приводит к значительным кному каналу и цилиндру.
аэродинамическим потерям, а вихрь, образу ющийся в цилиндре распадается на два, причем они вращаются в разные стороны.
Кроме визуального представления полей скоростей и других расчетных переменных были получены их численные данные для различных сечений впускного и выпускного каналов и углов поворота коленчатого вала. Ре зультаты расчетов по изменению массового расхода воздуха и среднего дав ления через проходное сечение горизонтальной части впускного канала на частоте вращения коленчатого вала 3000 мин-1, а также результаты экспери ментальных данных, полученных для частоты вращения 3000 мин-1 пред ставлены на рис. 5. Сравнивая данные, полученные при моделировании с Q, экспериментальными, 0, кг/с 1 видим, что расчет имеет 0, хорошую сходимость.
Смещение эксперимен 0, тальных кривых с расчет ными данными можно 0, объяснить как погрешно 0, стями расчетного мето град. 720 да, обусловленными, п.к.в.
-0,01 270 360 450 540 принятыми допущения ми, так и расхождениями -0, а) в области применения, P, 10 Па рекомендуемых для соот 5 ветствующих экспери ментальных методик.
, 270 360 450 540 630 град. п.к.в.
-5 Данные, полученные в ходе численного расче -10 та показывают, что быс -15 троходные дизели се -20 мейства ВСН-7Д имеют -25 достаточно низкий уро б) Рис. 5. Изменение массового расхода воздуха вень газодинамических (а) и среднего давления (б) через проходное характеристик, так коэф сечение впускного канала: 1- теория;
2- экс- фициент наполнения v перимент.
а) в) б) Рис. 6. Варианты компоновки рабочих областей проточной части: а) стан дартный вариант;
б) вариант с тангенциальным впускным каналом;
в) ва риант с модернизированным впускным каналом.
1- впускной канал;
2 - выпускной канал;
3 - впускной клапан;
4 - выпускной клапан;
5 - поршень.
на номинальной частоте вращения равен 0,7, а на холостом ходе снижает ся до 0,5. Исходя из этого возникает необходимость в дальнейшем исследо вании процесса впуска с целью существенного улучшения воздухоснаб жения цилиндра двигателя.
В третьей главе в соответствии с изложенной методикой проведено газодинамическое исследование быстроходного дизеля ВСН-7Д.
Перед началом газодинамического исследования определяемся с воз можными вариантами компоновки органов впуска и узлов механизма га зораспределения.
Остановимся на 3-х вариантах расчетной области: 1 - стандартный ва риант проточной части области расчета (рис. 6. а). Этот вариант необхо дим нам для сравнения с ним модернизированных вариантов расчетной области;
2 - вариант проточной части области расчета с тангенциальным впускным каналом (рис. 6. б);
3 - вариант проточной части области расче та с измененным винтовым впускным каналом (рис. 6. в).
Недостаточное наполнение цилиндра свежим зарядом для стандартно го варианта заключается в несоответствие площади проходного сечения канала и площади клапанной щели.
Нами предлагает- S, мм ся канал, у которого отсутствует мини- мальное сечение, а 700 проходная площадь плавно уменьшается от входного окна до клапанной щели 400 (рис. 7). Результаты статической аэроди- намической продув- ки стандартного и мо- № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15сеч. дернизированного винтовых впускных Рис. 7. Изменение площади сечения канала по дли каналов показали, что не: 1- исходный;
2- измененный.
у предлагаемого нами канала выявлено увеличение максимального рас хода воздуха на 25%.
Для улучшения технико-экономических показателей быстроходного ди зеля была проведена модернизация механизма газораспределения, заклю чающаяся в повышении его динамических качеств. Основными путями их улучшения следует считать повышение частоты собственных колебаний привода клапанов и клапанных пружин и применение более совершенных законов движения толкателя.
В данной работе для этого была проведена замена роликового толкате ля в приводе клапанного механизма на толкатель с плоской головкой. Даль нейшее совершенствование динамических качеств механизма газорасп ределение осуществлялось изменением законов движения толкателя.
В современных быстроходных дизелях используют такие законы дви жения толкателя, у которых ускорения непрерывны и изменяются доста точно плавно. Основные возможности улучшения динамических качеств механизма газораспределения заключаются в увеличении протяженности участка его положительных ускорений (увеличение угла Ф1 ) и в примене нии несимметричных законов движения.
На быстроходном дизеле ВСН-7Д стандартно применяется профиль кулачка для впускного клапана несимметричной формы (рис. 8) с малом изменением формы и длительности отдельных участков кривой ускоре ния и максимальной высотой подъема клапана hкл =7,8 мм с фазами газо распределения отк =670 до ВМТ и зак =930 после НМТ. Нами был пред-д ложен профиль кулачка для впускного клапана несимметричной формы со значительным превышением максимальных ускорений на стороне от крытия клапана, чем на стороне закрытия с максимальной высотой подъе ма клапана hкл =9,67 мм и фазами газораспределения отк =200 до ВМТ и зак =640 после НМТ..
Газодинамические исследования быстроходного дизеля ВСН-7Д про водилось с применением двух видом проточной части со стандартным и Fклdt, hкл, мм 10 2 2с мм 9 1, 8 1, 7 1, 6 1, 5 4 0, 3 0, 2 0, 1 0, 0, 300 360 420 480 540 600 град. п.к.в.
Рис. 8. Кинематические характеристики стандартного и модернизирован ного профиля кулачка: 1, 2 - перемещение клапана для стандартного и модернизированного профиля;
3,4 - время-сечение для стандартного и модернизированного профиля.
модернизированным впускным каналом и двумя видами (стандартный и модернизированный) профилей кулачков ГРМ. Численное исследование проводилось для номинальной частоты вращения коленчатого вала мин-1.
В результате расчетов для выбранных расчетных переменных были по лучены их численные данные для различных сечений области расчета и углов поворота коленчатого вала.
Первое - соот- 140 V, ветствует сечению м/с прямолинейного горизонтального участка впускного винтового канала на входе в улитко- 1 образную камеру;
второе - соответ- ствует сечению прямолинейного 0, град. п.к.в.
в е р т и к а л ь н ог о -20 270 360 450 540 участка впускного V, а) винтового канала 180 м/с на выходе из улит- кообразной каме- ры;
третье - соот- ветствует сечению клапанной щели впускного клапа- на;
четвертое - со- ответствует сече- ние в цилиндре, 0, ра сположенное -20 270 град. п.к.в.
360 450 540 б) V, непосредственно м/с за впускным кла- паном. 1 На рис. 9 при- ведены графики изменений скоро- 120 сти движения заря- 100 да для проведен- ных четырех рас- четов. Анализ полу- 0, ченных зависимо- -20 270 град. п.к.в.
360 450 540 в) стей показывает, Рис. 9. Средние значения скоростей движения заряда что при течении для проведенных четырех расчетов: 1- модерн. канал, заряда по органам станд. профиль;
2- модерн. канал, модерн. профиль;
3 впуска характер станд. канал, 4- модерн. профиль, 4- станд. канал, станд.
его движения ме- профиль.
няется от сечения к сечению. Для I сечения (рис. 9. а) характерно достаточно плавное изменение скоростей движения заряда, так как газ движется по пря молинейному горизонтальному трубопроводу и еще не доходит до винтооб разной части впускного канала. Максимальные значения скоростей движе ния возникают для стандартной рабочей области и модернизированного про филя кулачка Vmax =127 м/с. Для варианта с стандартной рабочей областью и стандартным профилем кулачка Vmax =106 м/с, для варианта с модернизиро ванной рабочей областью и стандартным профилем кулачка скорость еще меньше ( Vmax =100 м/с). Наилучшее значение скорости движения получается при использовании варианта с модернизированной рабочей областью и мо дернизированным профилем кулачка, для которого Vmax =88м/с.
Максимальные скорости для II сечения области расчета увеличились для всех вариантов расчета (рис. 9. б). Наилучшие показатели в этом сече нии имеет вариант расчета с модернизированной рабочей областью и модернизированным профилем кулачка Для III сечения расчетной области, соответствующей клапанной щели характерны многочисленные "пики" скоростей (рис. 9. в), особенно на участках открытия и закрытия впускного клапана. Самый значительный скачек скорости наблюдается для вариантов расчета с использованием стан дартного профиля кулачков ( Vmax =206 м/с). Характерной особенностью этого профиля является очень малая скорость движения впускного клапа на в начале процесса впуска, что приводит к значительным гидросопро тивлениям движения заряда. Этого недостатка лишен модернизирован ный профиль, применяя который удается уменьшить этот "пик" скорости до V = 22 м/с, что благоприятно сказывается на наполнение полости ци линдра свежим зарядом на впуске.
Одной из целей данной работы является повышения наполнения поло сти цилиндров свежим зарядом. На рис. 10 представлены кривые измене ния массового расхода заряда в Q (кг/с) через рассматриваемые сечения области расчета для четырех вариантов расчета.
Анализ кривые изменения массового расхода через I расчетное сече ние показывает, что для вариантов расчета с применением стандартного профиля кулачков процесс впуска характеризуется значительными обрат ными выбросами свежего заряда (рис. 10. а). Возникновение встречного течения заряда через рассматриваемое расчетное сечение связано с мед ленным изменением проходного сечения клапанной щели при движении поршня к НМТ. С точки зрения массового наполнения, наилучшие пока затели достигаются для I сечения области расчета у варианта с модернизи рованными формой впускного канала и профилями кулачков.
К аналогичным выводам приводит анализ кривых массового расхода для II и III сечений (рис. 10. б, в). Проведенные расчеты и анализ получен ных закономерностей позволяют сделать следующие выводы: примене ние модернизированного профиля кулачков ГРМ позволяет оптимизиро вать процесс впуска за счет уменьшение гидросопротивлений в сечении клапанной щели в начале процесса впуска и увеличения скорости откры тия впускного клапана на участке ускоренного движения поршня к НМТ;
использование предложенного впускного винтового канала позволило улучшить газодинамические характеристики впускного тракта за счет ус Q, транения несоот- 0, кг/с ветствия минималь- 0, ной площади про- 0, ходного сечения ка- 0, нала и площади кла панной щели;
со- 0, вместное использо- 0, вание предложен- 0, ных профилей ку- 0, лачков ГРМ и фор- мы впускного кана-, -0,01 270 360 450 540 630 град. п.к.в.
ла позволило опти мизировать согласо- -0, вание характерис- а) Q, тик работы криво- 0, кг/с шипно-шатунного 0, механизма и меха- 0, низма газораспре- 0, деления с законом 0, движения заряда по 0, органам впуска на 0, базе совмещения их характеристик. 0, Применение 0, предложенной ком-, град. п.к.в.
поновки органов -0,01 270 360 450 540 впуска и узлов ме- -0, ханизма газораспре б) Q, деления привело к кг/с 0, увеличению массо- 2 0, вого наполнения 0, полости цилиндра свежим зарядом за 0, один рабочий цикл 0, на 15% по сравне- 0, нию с вариантом 0, стандартной компо- 0, новки быстроход- 0, ного дизеля ВСН-7Д. Четвертая гла-, град. п.к.в.
-0,01 270 360 450 540 ва посвящена опи санию эксперимен- -0, тальной установки в) для эксперимен- Рис. 10. Средние значения массового расхода заряда тальных исследова- для проведенных четырех расчетов: 1- модерн. ка ний быстроходного нал, станд. профиль;
2- модерн. канал, модерн. про дизеля ВСН-7Д. филь;
3- станд. канал, 4- модерн. профиль, 4- станд.
канал, станд. профиль.
Использовавшийся для проведения исследований испытательный тор мозной стенд с электробалансирной машиной был оборудован необходи мой измерительной и контрольной аппаратурой, обеспечивающей высо кую точность измерений.
Разработаны программные средства для измерения и обработки ос новных показателей рабочих процессов быстроходного дизеля.
Условия проведения испытаний, испытательные стенды и аппаратура, методы и правила проведения испытаний, обработка результатов испыта ний и комплектация быстроходного дизеля соответствовали требованиям ГОСТ-14846-81, 51998-2002, 20000-88, 18509-88, отраслевым стандартам, ру ководствам на испытания.
Примененное в ходе экспериментальных работ оборудование позво лило корректно проводить:
- моторные испытания с прокручиванием вала быстроходного дизеля от постороннего источника;
- моторные испытания быстроходного дизеля под нагрузкой.
Точность измерений показателей рабочего процесса, теплового со стояния и эффективных показателей быстроходного дизеля оценены по средней квадратичной погрешности. Результаты расчета погрешностей приведены в таблице, где показано, что относительные ошибки измерений наиболее важных показателей М 20 е Me Ne не превышают значений, огово- кBт Н*м 6 3, ренных в стандарте на испыта- 390 ние двигателей.
В пятой главе представлены 5 основные результаты опытных 370 данных в ходе эксперименталь- 2, ных исследований быстроход- 4 Ne GT ного дизеля ВСН-7Д. кг/ч Программа испытаний пре- дусматривала снятие внешних скоростных, а также нагрузоч- 330 GT 1, ных характеристик быстроход ного дизеля при частоте враще- ния коленчатого вала n = 2100, 310 ge 2300, 3000 мин-1. Порядок сня- г/кВт*ч тия скоростных и нагрузочных 1 0, характеристик соответствовал ГОСТ 14846-81 и 18509-88.
Анализ кривых скоростной 0 характеристики показывает (рис. 11), что применение мо- ge дернизированного впускного винтового канала совместно с 250 использованием нового профи- 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 n, мин- ля кулачков приводит к повыше- Рис. 11. Внешние скоростные характери нию энергетических и экономи- стики:
ческих показателей быстроход- стандартный двигатель;
ного дизеля ВСН-7Д. модернизированный двигатель.
Максимальный крутящий момент стандартного двигателя составил 18,52 Н*м при частоте n = 2100 мин-1. Максимальная мощность, достигну тая при этом – 5,46 кВт при n = 3300 мин-1. Для модернизированного двига теля максимальный крутящий момент увеличился до 19,45 Н*м, а эффек тивная мощность возросла до 5,75 кВт.
Эти величины хорошо согласуются с ожидаемыми, а именно, увеличе ние мощностных параметров модернизированного варианта примерно на 5,5%, что связано с улучшением процесса впуска.
Эффективный удельный расход топлива для варианта с модернизиро ванным двигателем уменьшил- 1,6 GT g e кг/ч ся на 5,5% по сравнению с вари- 1,4 г/кВт*ч антом для стандартного двигате- 1,2 GT ля и составил 260 г/кВт*ч. Улуч- шение топливной экономично- 1 сти быстроходного дизеля свя- 0, зано с улучшением мощностных 0,6 показателей вследствие оптими- 0,4 ge зации процесса впуска. Наилуч- 0,2 шая топливная экономичность 0 двигателя достигается в обоих 0 Ne, кВт 1 2 3 вариантах на частоте вращения а) 2300 мин-1. GT g 1,8 e кг/ч г/кВт*ч На графиках (рис. 12) пред- 1,6 ставлены нагрузочные характе- 1,4 GT ристики быстроходного дизеля 1,2 ВСН-7Д. 1 Общий обзор нагрузочных 0,8 характеристик показывает, что 0,6 ge для варианта с модернизацией 0,4 дизеля достигается улучшение 0,2 топливной экономичности на 0 Ne, кВт 0 1 2 3 4 5,5%.
б) Для частоты вращения n = 2100 мин-1 (рис. 12. а) минималь- 2, GT g e кг/ч г/кВт*ч ный удельный расход топлива 2 для стандартного варианта рав- GT на 277,1 г/кВт*ч, а для модерни- 1,5 зированного варианта - 261,5 г/ кВт*ч. Достигается это в пер- 1 вую очередь за счет улучшения ge газодинамических характерис- 0,5 тик впускного тракта двигателя, а во вторую очередь, за счет со- 0 N6, кВт 0 1 2 3 4 гласованности законов движе- e в) ния впускного и выпускного Рис. 12. Нагрузочные характеристики:
клапана с законом движения де- стандартный двигатель;
талей кривошипно-шатунного модернизированный двигатель.
механизма.
На последующих нагрузочных характеристиках для частоты вращения n = 2300, 3000 мин-1 (рис. 12. б, в) характер изменения кривых не изменяет ся, на всех скоростных режимах модернизация двигателя приводит к улуч шению его топливной экономичности. Наименьший удельный расход топ лива наблюдается на частоте вращения n = 2300 мин-1 и составляет 259,9 г/ кВт*ч.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана методика расчета процесса впуска быстроходного ди зеля с использованием совмещенных характеристик ГРМ и органов впус ка;
2. Разработан комплекс программных средств, позволяющих произво дить качественную и количественную оценку процесса наполнения быст роходного дизеля с визуализацией векторов физических параметров рабо чего тела по сечениям или по поверхностям области расчета.
3. Проведены тестовые расчеты процесса впуска быстроходного дизе ля, позволяющие определять термодинамические параметры состояния рабочего тела, находящегося в области расчета. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными позволили сделать вывод о кор ректности применения разработанной методики расчета процесса впус ка. Погрешность отклонения расчетных величин от экспериментальных составляет не более 1,5%. Результаты расчета могут быть использована для САПР быстроходного дизеля.
4. Проведен сравнительный расчет процесса впуска быстроходного дизеля для различных вариантов формы впускного канала и профилей кулачка ГРМ. Использование сконструированной формы впускного кана ла привело к уменьшению максимальной скорости движения заряда на 5%. При этом произошло увеличении массового наполнения на 8%, а ко эффициент наполнения увеличился с v =0,74 до v =0,82.
Применение разработанного профиля кулачков привело к уменьше нию максимальной скорости движения заряда на 3%. При этом произош ло увеличении массового наполнения на 7%, а коэффициент наполнения увеличился с v =0,74 до v =0,81.
Совместное использование разработанных органов впуска и профиля кулачков ГРМ привело к увеличению массового наполнения полости ци линдра свежим зарядом за один такт впуска на 15% по сравнению со стан дартным вариантом расчета быстроходного дизеля. Коэффициент напол нения составил при этом v =0,89.
5. Разработан и внедрен исследовательский программно-аппаратный комплекс, предназначенный для измерений и обработки основных показа телей рабочих процессов быстроходного дизеля, включающий в себя мо дули по тарировки применяемого шлейфа датчиков, а также модули для записи сигналов с шлейфа датчиков и обработки полученных результатов.
6. Проведены сравнительные моторные исследования, показывающие, что при совершенствовании процесса впуска быстроходного дизеля про исходит увеличение его выходных показателей: эффективная мощность N e увеличивается с 5,46 кВт до 5,75 кВт на 5,4%, эффективный крутящий момент M e - с 18,52 Н*м до 19,45 Н*м на 5,05%., при этом топливная экономичность улучшилась с 275 г/кВт*ч до 260 г/кВт*ч на 5,5%.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИи 1. Дыдыкин А.М. Расчетно-экспериментальные исследования процес сов газообмена ДВС. / Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А. //Монография, г.Н.Новгород, НГСХА, 2010г. С. 211.
2. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А. Математическое моделирование про цесса газообмена ДВС. Монография, г.Н.Новгород, НГСХА, 2007г. С. 174.
3. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А. Газодинамические исследования ДВС методами численного моделирования // Тракторы и сельскохозяйствен ные машины, 2008, №4, С. 29-31.
4. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А. Математическое моделирование про цесса газообмена дизеля ВСН-7Д // Тракторы и сельскохозяйственные машины, 2008, №7, С. 30-33.
5. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А. Моделирование процессов газообме на быстроходного дизеля // Нива Поволжье, 2009, №10, С.61-66.
6. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А. Модернизация системы впуска быст роходного дизеля // Нива Поволжье, 2009, №10, С.66-71.
7. Дыдыкин А.М., Акимов А.П., Жолобов Л.А., Селиверстов А.В. Ин дицирование процесса впуска в ДВС и методика обработки результатов испытаний // Материалы VIII Международной научно-практической кон ференции, г.Владимир, 2001, С. 145-150.
8. Дыдыкин А.М., Акимов А.П., Жолобов Л.А. Оценка расхода газа через систему впуска // Материалы международной IХ научно-практи ческой конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы совер шенствования поршневых двигателей", г.Владимир, 2003, С. 246-249.
9. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А., Шарков В.В. Построение комплекс ного измерительного стенда для ДВС // Труды научной конференции по радиофизике, ННГУ, г.Н.Новгород, 2003, С. 301-303.
10. Дыдыкин А.М., Акимов А.П., Жолобов Л.А. Применение системы LAB VIEW для стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания / / Сборник научных трудов, Выпуск 1, М:, Издательство МГОУ, 2003, С. 5-11.
11. Дыдыкин A.M., Жолобов Л.А. Теоретические предпосылки к рас чету процесса впуска // Фундаментальные и прикладные проблемы со вершенствования поршневых двигателей: Материалы X Международной научно-практической конференция, г.Владимир, 2005, С. 77-79.
12. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А. Влияние закона движения впускно го клапана на совершенствование процесса впуска малогабаритного ди зеля // Материалы ХI международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования порш невых двигателей", г.Владимир, 2008, С. 267-270.
13. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А., Шмелев В.В. Оптимизация парамет ров газообмена быстроходного дизеля методами математического моде лирования // Материалы ХI международной научно-практической конфе ренции "Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей", г.Владимир, 2008, С. 257-261.
14. Дыдыкин А.М., Жолобов Л.А. Совершенствование процесса впус ка быстроходного дизеля за счет изменения профиля кулачков распреде лительного вала // Гидродинамика больших скоростей, г. Чебоксары, 2008, С. 653-658.
Подписано в печать 20.03.2010г. Формат 60х84 1/16.
Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия 603107, г.Н.Новгород, пр. Гагарина, д.