Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Для решения актуальных проблем энергосбережения и охраны окружающей среды требуется совершенствование рабочих процессов, протекающих в энергетических установках, в частности, в судовых двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Качество рабочих процессов в судовом ДВС, от которого зависят технико-экономические и экологические показатели двигателя, в значительной мере определяется согласованностью параметров топливной аппаратуры (ТА) и камеры сгорания (КС). Вместе с тем, в настоящее время отсутствуют достаточно эффективные методики, позволяющие выполнить указанное согласование при проектировании нового двигателя или создании его модификации. Такое согласование выполняется путем преимущественно трудоёмких и дорогостоящих доводочных испытаний, не всегда обеспечивающих желаемый результат. Требуется создать методику, основанную на уточнённых знаниях и локальном математическом моделировании сложнейших внутрицилиндровых процессов и топливоподачи (ТП). Указанная математическая модель должна отражать влияние основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС на показатели двигателя, а также обеспечивать возможность определения наилучшего их сочетания в ходе доводочных работ.
Таким образом, тему настоящей работы, направленной на повышение эффективности рабочих процессов в судовом дизеле согласованным выбором параметров ТА и КС, следует считать актуальной.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей судовых дизелей с объёмным смесеобразованием за счёт взаимного увязывания параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания, обеспеченного путем разработки методики, программы, а также проведения численного моделирования процессов топливоподачи и внутрицилиндровых процессов.
Задачи работы. Достижение указанной цели намечено путем решения следующих задач.
I. Разработать усовершенствованную комплексную математическую модель ТП и локальных внутрицилиндровых процессов применительно к дизелям с объёмным смесеобразованием.
II. Разработать алгоритм и программу расчёта ТП и локальных внутрицилиндровых процессов, пригодные для согласования параметров ТА и КС и оценки основных технико-экономических показателей дизеля.
III. По результатам математического моделирования уточнить физическую картину внутрицилиндровых процессов в различных областях камеры сгорания дизеля.
IV. Разработать методику расчётного согласования основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС дизеля при его доводке на заводском стенде.
V. Разработать рекомендации к выбору сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС для повышения технико-экономических показателей применительно к конкретным моделям судовых среднеоборотных дизелей.
Научная новизна. Разработана новая комплексная методика расчёта процессов топливоподачи и внутрицилиндровых процессов, позволяющая получить высокие технико-экономические показатели судового дизеля с объёмным смесеобразованием и уменьшить трудоёмкость работ по доводке дизелей на заводских стендах.
В работе получен ряд новых научных результатов.
1. Повышено качество и расширена область применения математической модели внутрицилиндровых процессов путем ее дополнения моделью процесса топливоподачи.
2. Предложены уточнённые уравнения движения топлива в трубопроводе высокого давления (ТВД), учитывающие скорости движения в сопряжённых объёмах – в штуцере топливного насоса высокого давления (ТНВД) и в надыгольной полости форсунки.
3. Уточнены уравнения движения нагнетательного клапана в ТНВД и иглы распылителя в форсунке.
4. Применен метод контрольных объёмов (КО) для локального математического моделирования предпламенных процессов, процессов тепловыделения и образования монооксида азота (NO) по уравнениям химической кинетики с учётом переноса теплоты и массы основных компонентов рабочего тела.
5. Получено расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе, хорошо согласующееся с экспериментальными данными.
6. Обнаружено существенное различие в форме характеристик испарения и горения в дизеле; указанное различие объяснено пространственно-временной неоднородностью свойств рабочего тела в камере сгорания.
Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость заключается в обосновании целесообразности комплексного подхода к математическому моделированию топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов, в уточнении представлений о пространственно-временном распределении свойств рабочего тела в КС дизеля, в определении и объяснении взаимного расположения характеристик испарения и горения. Практическую значимость представляет собой методика согласования конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС дизеля с объёмным смесеобразованием, применение которой обеспечивает получение высоких показателей вновь создаваемых и модернизируемых дизелей, а также сокращение трудоёмкости доводки их конструкции. Полученные с использованием предложенной методики результаты указанного согласования применительно к ряду моделей дизелей семейств ЧН 30/38 и ЧН 26/26 рекомендованы заводу для улучшения их показателей.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования явилась совокупность общенаучных и специальных методов научного познания. Применены теоретико-эмпирические методы, методы математического и физического моделирования, системный подход к изучению комплекса рабочих процессов, происходящих в судовом дизеле.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
1) методика выбора сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС в судовом среднеоборотном дизеле с объёмным смесеобразованием на основе математического моделирования ТП и локальных внутрицилиндровых процессов;
2) расширенная и уточнённая комплексная математическая модель ТП и локальных внутрицилидровых процессов, реализованная в авторской программе CyberDiesel;
3) уточнённые уравнения для расчёта процесса ТП – уравнения движения топлива в ТВД, движения нагнетательного клапана в ТНВД и иглы распылителя в форсунке;
4) расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе;
5) уточнённая физическая картина локальных внутрицилиндровых процессов в части влияния пространственно-временной неоднородности свойств рабочего тела в КС дизеля на характеристики испарения и горения топлива;
6) практические рекомендации для согласования конструктивных и регулировочных параметров дизелей типа ЧН 30/38 и ЧН 26/26 с целью улучшения их показателей.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных результатов обеспечена корректным использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена, химической кинетики, современных численных методов реализации математических моделей и современных средств измерений. Достоверность теоретических выводов подтверждена экспериментальными исследованиями элементарных процессов ТП и смесеобразования в модельных установках и в судовых дизельных двигателях. Экспериментально подтверждена адекватность разработанной математической модели реальным рабочим процессам.
Материалы проведенных исследований были доложены на Всероссийских, межведомственных и вузовских научно-технических конференциях: Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (2000, 2005, 2008, 2010, 2012, 2013 гг.); Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (2005 г.); Военно-морской инженерный институт (Санкт-Петербург, 2000, 2002 и 2003 гг.); Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций (2003 г.); Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (2003 и 2004 гг.); Санкт-Петербургская государственная морская академия им. адмирала С.О. Макарова (2002 г.). Часть результатов исследований были обсуждены и одобрены на заседании НТС Коломенского завода (2002 г.).
Публикации. По теме работы опубликовано 29 научных трудов, в том числе: тезисы докладов – 12, научных статей – 16 (в том числе без соавторов – 4), одно свидетельство о регистрации программы. В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 4 статьи (в том числе без соавторов – одна статья).
Личный вклад. Автор диссертации самостоятельно решил все поставленные задачи: уточнил и развил математическую модель процессов, разработал алгоритм и программу расчёта, выполнил теоретический анализ результатов и проверил их в экспериментах на дизеле.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём – 208 с., основного текста – 182 с., приложений – 26 с.; имеется 42 рисунка, 5 таблиц; список литературы включает 101 наименование.
