Введение к работе
Актуальность исследования. Эффективность агрегатов наддува в значительной степени определяет важнейшие технико-экономические и экологические показатели современных комбинированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В связи с этим как на стадии проектирования, так и на стадии доводки большое значение имеют правильно определенные параметры агрегатов наддува. Выбор типа турбокомпрессора (ТК) производится в зависимости от типа двигателя и его назначения и на первоначальной стадии создания силовой установки его основные параметры определяются расчетом. Однако, в дальнейшем при доводке двигателя приходится пользоваться характеристиками компрессоров и турбин, снятых на стендах при практическом отсутствии колебаний давлений на входе и выходе из этих агрегатов. В тоже время двигателю внутреннего сгорания присуще, вследствие цикличности осуществления рабочего процесса, наличие колебаний в системе впуска и выпуска. Это приводит, во-первых, к изменению характеристик турбины и компрессора, и, во-вторых, к появлению эффектов, из-за которых оценка располагаемой мощности турбины по осредненным параметрам потока не совпадает с ее действительной мощностью. В результате при согласовании характеристик дизеля, компрессора и турбины, работающих совместно, возникают проблемы, которые можно устранить лишь с помощью дорогостоящих экспериментов путем перебора вариантов проточных частей турбокомпрессора. Удешевление процесса доводки вновь спроектированного или форсированного наддувом двигателя на более высокую мощность связано со значительным экономическим эффектом, а более точная настройка компрессора - с существенным улучшением технического уровня двигателя. Во многом решение этой проблемы увязывается с правильной оценкой характеристики энергетического баланса системы наддува ДВС, но для этого требуется проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований пульсирующих течений газа.
Цель исследований. Целью исследования является выявление возможности улучшения эффективных показателей быстроходных четырехтактных автотракторного типа дизелей (и важнейшего из них - топливной экономичности) путем уточнения расчетных методик определения параметров газа в выпускном коллекторе двигателя и улучшения гидравлических качеств элементов выпускной системы в условиях пульсирующего потока.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе проведены:
-
анализ существующих методик по подбору турбокомпрессора к двигателю для изобарных и импульсных систем наддува с учетом колебания газа в выпускном коллекторе;
-
оценка влияния нестационарности на располагаемую энергию газа и на потери энергии в газовом тракте двигателя с целью внесения со-
ответствующих корректировок в методики по подбору агрегатов надд ва;
-
экспериментальные исследования характеристик импульсносі пульсирующего потока при работе двигателя на различных нагрузках частотах вращения коленчатого вала и установлен характер их измен ния в зависимости от степени форсировки двигателя по наддуву и часто вращения;
-
оценка влияния сопротивления на впуске и противодавления і выпуске на характеристики импульсности газового потока перед турбі ной ТК и в этой связи - их влияние на характеристику энергетическог баланса системы наддува ДВС при работе в условиях, отличающихся с "объектовых".
В процессе выполнения работы разработаны:
-
методика определения характеристик уровня пульсаций газа п ред турбиной в зависимости от основных конаруктивных параметре выхлопного тракта двигателя и режима его работы;
-
практические рекомендации по подбору агрегатов наддува щ ДВС с импульсными системами наддува и по согласованию их характ ристик с характеристиками дизеля.
Методика и объект исследования. При решении задач, определи ных целью исследования, использовались расчетные и экспериментал ные методы. Расчетные методики получены в результате анализа опублі кованных научно-исследовательских работ и их развития применителы к конкретным задачам, возникающим при разработке новых двигатеш в конструкторской практике. Критерием выбора и развития расчетнь методик служила их простота и возможность реализации на, персонал ном компьютере, но с учетом некоторых эффектов, не учитываемых р нее. В качестве объектов экспериментальных исследований служили дв; гатели 6 ЧН15/18 (физическая модель) и форсируемые наддувом дизеї Алтайского моторного завода типа 4 ЧН13/14 (АО "Алтайдизель").
Научная новизна. Разработана.методика.согласования характер 1 стик турбины агрегата наддува и дизеля, существенной частью которс являются:
представление переменного давления перед турбиной по углу п ворота коленчатого вала (углу ПКВ) в относительных координатах и и пользование полученных экспериментальным или расчетным путем кр вых в виде разложения в ряд Фурье;
использование при анализе энергетических возможностей импул са безразмерного критерия itz, однозначно определяющего коэффициен корректирующий мощность потока, определенную по показаниям ине ционных приборов до ее действительного значения, независимо от фо мы и частоты импульса и обобщающего все ранее известные характер стики, характеризующие импульс;
- уточнение математической модели импульса, дающей возмо:
ность анализировать влияние различных конструктивных факторов ві
з пускной системы ДВС в виде безразмерных комплексов на обобщенный критерии импульсности и через него - на коэффициент импульсности пульсирующего потока;
оценка границ, в пределах которых влияние нестационарности пульсирующего потока существенно на располагаемую энергию газа перед турбиной ТК;.
оценка влияния частоты и амплитуды колебания давления на гидравлические потери в коллекторе при движении газа от выпускного клапана цилиндра к входному отверстиго турбины;
разработка методики расчета корректирующих коэффициентов, позволяющих по характеристикам турбины, полученным на стационарном потоке и нагрузочным характеристикам двигателя определять действительные параметры турбины при работе на двигателе.
Практическая значимость. Разработанный комплекс методик позволяет:
- подбирать рациональные соотношения важнейших конструк
тивных параметров, определяющих эффективность работы двигателя, и в
том числе отношения площади сечения выпускного клапана к площади
поперечного сечения выпускного трубопровода и площади поперечного
сечения выпускного трубопровода к площади соплового аппарата тур
бины;
- уменьшить объем трудоемких и дорогостоящих экспериментов по
согласованию характеристик отдельных компонентов выпускной си
стемы и поршневой части двигателя, избегая перебора вариантов про
точных частей турбин, компрессоров и выпускных коллекторов.
Методики расчетов легко реализуются на персональном компьютере и допускают замену натурного эксперимента численным на математической модели.
Реализация результатов работы. Результаты работы использовались при выборе системы наддува для двигателей типа 6 ЧШ5/18, при отработке базовой модификации дизелей типа ЧН15/15 на повышенные ре при ограничении по рг до 11-12 МПа (двигатели АО "Барнаултрансмаш") и при доводке систем наддува двигателей типа ЧН13/14 (Д-440, Д-460 и др.) Алтайского моторного завода (АО "Алтайдизель").
В результате исследования рабочего процесса, системы турбонад-дува двигателя 6 ЧН15/18 была установлена возможность дальнейшего его форсирования до мощности 320-330 л.с. при сохранении температуры газов перед турбиной не выше 550С и экономичностью не ниже 165-168 г/эл.с.ч. Этот вывод стал возможен в результате комплексной оценки качества рабочего процесса и процессов в газовоздушном тракте, в том числе и в результате общего анализа закономерностей изменения показатели импульсности потока выпускных газов при изменении нагрузки рс и частоты вращения п, сопротивления на впуске и противодавления на выпуске.
При доводке систем наддува двигателей типа ЧН13/14 использовались характеристики турбин и компрессоров агрегатов наддува, снятые на гладком потоке, которые корректировались затем с учетом условия работы их на двигателе. В результате выбирались геометрические размеры проточных частей, соответствующие оптимальным значениям параметров двигателей. Корректировки производились с учетом результатов индицирования давлений газа перед турбиной и с использованием методики анализа нмпульсности, представленной в данной работе.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены докладами и сообщениями на Всесоюзных, межотраслевых, межвузовских конференциях и семинарах, в том числе:
- в ЦНИИ Морского флота на XVII научно-технической конферен
ции аспирантов, соискателей и молодых научных сотрудников ЦНИИ
Морского флота (Владивосток, 1977);
в Омске на 40 научно-технической конференции Сиб.Автомобилыю-дорожного института (Омск, 1980);
- в МВТУ на Всесоюзной научно-технической конференции
"Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сго
рания и двигателей новых схем и топлив" (Москва, 1980);
в ЛПИ на Всесоюзном научном семинаре " Нестационарные процессы в проточной части турбомашин" (Ленинград, 1980);
в НИИВТ на 23 научно-технической конференция профессорско-преподавательского состава и Западно-Сибирского научно-технического общества водного транспорта (Новосибирск, 1982).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, отчет по НИР, включающий авторские разделы и учебное пособие для самостоятельной работы студентов, в котором изложены некоторые результаты исследований по теме диссертации.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из основной части списка литературы и приложения. Основная часть включает введение, шесть глав и выводы. Она содержит J&Q страниц основного текста страниц о?<Г иллюстраций, а также 13 страниц списка литературы включающего в себя 108 наименований и приложения на 9 страницах.