Введение к работе
з
Актуальность работы. Успешное решение проблемы создания новых перспективных образцов транспортных машин в значительной степени определяется наличием мощных высокооборотных дизелей с высокими удельными показателями, отвечающих жестким габаритно-массовым ограничениям. При разработке этих двигателей, помимо достижения заданного уровня агрегатной мощности, должны быть обеспечены такие важные для транспортной силовой установки параметры, как рабочий диапазон частот вращения коленчатого вала, коэффициент приспособляемости и приемистость двигателя, определяющие динамические качества транспортной машины. Выполнение этих противоречивых требований связано с необходимостью проведения широкого комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по выбору и доводке параметров рабочего процесса как собственно двигателя, так и его составных частей, в том числе системы воздухоснабжения.
Решение проблемы рациональной организации систем воздухоснабжения двигателей требует ответа на ряд вопросов, определяющих технические характеристики двигателя в целом.
Следует отметить, что применительно к двигателям транспортных машин далеко не всегда может быть использован опыт, накопленный при создании двигателей общего назначения.
Исследованию процессов в системах воздухоснабжения поршневых двигателей много внимания уделяли Орлин А.С., Круглов М.Г., Гришин Ю.А., Красовский ОТ., Камкин СВ., Рудой Б.П., Драганов Б.Х., Лист Г., Бенсон Р., Пишингер А. и др.
Обоснованные выводы о целесообразности тех или иных схемных и конструктивных решений при проектировании системы воздухоснабжения могут быть сделаны лишь при наличии достоверной информации о
влиянии принятого варианта на характеристики двигателя в заданном диапазоне изменения эксплуатационных режимов. Традиционно эта информация получается в результате проведения широких экспериментов на физических моделях и натурных образцах, что неизбежно связано со значительными затратами времени и материальных ресурсов.
Таким образом, актуальной проблемой является совершенствование систем воздухоснабжеиия транспортных двигателей как в традиционном их понимании, так и с учетом перспективных схемных и конструктивных решений. Для решения этой проблемы необходима разработка на базе физически обоснованных математических моделей, адекватно описывающих процессы в составных частях турбопоршневых двигателей, комплекса расчетных методов, позволяющих на стадии проектирования и доводки новых образцов высокофорсированных двигателей для транспортных машин делать обоснованные заключения о степени совершенства систем воздухоснабжеиия и о влиянии конструктивных, режимных и эксплуатационных факторов на эффективные показатели этих двигателей в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов, апробация этих методов и их экспериментальная проверка.
Представленные в работе материалы являются результатом исследований, выполненных в СП6ТТУ в течение 1980-1992 г. по координационным планам Секции прикладных проблем АН СССР (РАН) и на основании Решений Комиссии при Президиуме Совета Министров СССР.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методологических основ совершенствования систем воздухоснабжения транспортных дизелей с газотурбинным наддувом и их применение к решению задач улучшения параметров и характеристик существующих двигателей, а также к разработке принципиально новых схем и конструкций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать методику расчета параметров турбопоршневого двигателя с учетом газодинамических процессов в коллекторах и каналах систем впуска и выпуска; разработать методіжу описания характеристик агрегатов наддува с использованием результатов экспериментальных исследований ступеней и с учетом их геометрических параметров.
Разработать методику расчета характеристик процессов во впускных и выпускных каналах крышек цилиндров на базе моделей нестационарного течения сжимаемого газа; разработать методику оценки влияния геометрии газовоздушных каналов на характеристики газовых потоков.
Создать макетный образец высокофорсированного турбопоршневого транспортного дизеля с ограничением максимальных газовых нагрузок на узлы и детали кривошипно-шатушюго механизма на базе серийно выпускаемого отечественного двигателя.
Выполнить комплексное экспериментальное исследование работы макетного образца дизеля на различных режимах; оценить целесообразность использования дополнительной камеры сгорания в системе воздухоснабжения для улучшения динамических характеристик транспортного двигателя.
Разработать рекомендации по проектированию систем воздухоснабжения высокофорсировашгых дизелей, преимущественно для установки в составе МТО транспортной машины.
Научная новизна. Сформулирован комплексный подход к разработке систем воздухоснабжения турбопоршневых двигателей (ТПД) транспортного типа, основанный на оценке эффективности схемных и конструктивных решений по параметрам, определяющим основные технические характеристики моторно-трансмиссионньгх установок транспортных машин.
Разработан комплекс взаимосвязашшх математических моделей рабочих процессов в составных частях ТПД. Получены новые данные о влиянии схемных решений и способа согласоваїгая составных частей ТПД с дополнительной камерой сгорания (ДКС) на технические характеристики моторных установок транспортных машин.
Установлены основные закономерности формирования структуры нестационарного потока в выпускных каналах быстроходных двигателей. Показана возможность целенаправленного изменения гидравлических характеристик выпускных каналов за счет соответствующего изменения ограничивающих поверхностей.
Предложены описания характеристик турбин и компрессоров, позволяющие повысить точность и скорость счета режимов совместной работы поршневого двигателя и агрегатов наддува, а также выполнять на стадии доводки ТПД количественные оценки необходимых конструктивных изменений в лопаточных аппаратах турбомашин при согласовании характеристик двигателя, компрессора и турбины.
Выявлено влияние схемных решений и конструктивных особенностей используемой системы воздухоснабжения на равномерность распределения воздуха по цилиндрам и индикаторную работу цилиндров.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов, полученных в процессе выполнения работы, определяется обоснованностью допущений, сделанных при составлении расчетных моделей, апробацией тестовыми расчетами методов решения систем уравнений, представляющих математические модели исследуемых процессов, сравнением результатов расчетных и экспериментальных исследований и результатами анализа погрешностей данных экспериментов.
Практическая ценность. Разработанная и оптимизированная с использованием предложенных методик система воздухоснабжения макетного образца высокофорсированного транспортного дизеля с
газотурбинным наддувом и дополнительной камерой сгорания позволила в два раза увеличить мощность базового двигателя практически без изменения конструкции его деталей. При этом коэффициент приспособляемости двигателя достигал 1,36, а диапазон изменения скорости вращения коленчатого вала составил 3,30.
Расчетные исследования двигателя с дополнительной камерой сгорания и байпасной магистралью в системе воздухоснабжения показали, а эксперименты подтвердили возможность работы компрессора с к.п.д., близким к максимальному, во всем диапазоне изменения режимов работы двигателя. При этом исключается возможность работы компрессора в режиме помпажа. Включение в работу дополнительной камеры сгорания обеспечивает приемистость двигателя с высоким наддувом па уровне дизеля без наддува, что имеет особое значение для динамики транспортной машины.
Разработанные методики расчета в двумерном и квазитрехмерном приближении нестационарных процессов в составных частях систем воздухоснабжения позволяют получать сравнительные оценки эффективности различных конструктивных мероприятий по совершенствованию систем воздухоспабжеіпш и их элементов.
Результаты исследования использованы в ОАО ВНИИТрансмаш, НИИД, ГСКБ "Трансдизель", СКБ "Турбина", АО "Барнаултрансмаш" при проведении совместных работ по созданию транспортного дизеля с высоким уровнем форсирования.Разработанные методики используются в НТЦ АО АвтоВАЗ при доводке систем динамического наддува.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзных научно-технических конференциях: "Проблемы создания и использования двигателей с высоким наддувом" (Харьков, 1979 г.), "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания" (Москва, 1982 г.), "Современные проблемы кинематики и динамики ДВС" (Волгоград, 1985 г.), "Перспективы развития комбинированных двигателей
внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах" (Москва, 1987 г.), "Повышение надежности и экологических показателей автомобильных двигателей" (Горький, 1990 г.), международных технических конференциях "Motoauto-97" (Русе, Болгария, 1997 г.) и "Двигатель-97" (Москва, 1997 г.), а также на IV и V Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и теплообмена и пути повышения эффективности энергетических установок".
Публикации. Основное содержание работы изложено в 32 печатных работах, в т.ч. в 2 учебниках и 3 отчетах кафедры ДВС СПбГТУ 1985-90 г.г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы. Содержание работы изложено на 153 страшщах машинописного текста, иллюстрируется 87 рисунками и двумя таблицами.