Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние температуры свежего заряда на работу дизеля с наддувом. Возможные пути стабилизации температуры свежего заряда в комбинированных двигателях 15
1.1. Влияние температуры свежего заряда на рабочий процесс дизеля с наддувом и его надежность 15
1.1.1. Влияние температуры наддувочного воздуха на рабочий процесс дизеля и его надежность при работе на неустановившихся режимах
1.1.2. Влияние температуры наддувочного воздуха на/рабочий процесс дизеля и его надежность при длительной работе на режимах малых нагрузок и холостого хода
1.2. Возможные пути стабилизации температуры свежего заряда при работе комбинированных ДВС на различных
эксплуатационных режимах 32
1.2.1. О трактовке понятия «Тепловой аккумулятор» 32
1.2.2. Принцип действия и устройство тепловых аккумуляторов (накопителей энергии) 34
1.3. Цель и задачи исследования
Глава 2. Система стабилизации температуры наддувочного воздуха при работе дизеля на переменных режимах, режимах малых нагрузок и холостого хода
2.1. Обеспечение оптимальной температуры наддувочного воздуха при работе дизеля на переменных режимах, режимах ма лых нагрузок и холостого хода
2.2. Физическая и математическая модели процессов во впускном тракте дизеля с наддувом, оборудованном стабилизатором температуры наддувочного воздуха
Глава 3. Программа и методика исследования
3.1. Программа экспериментального исследования
3.2. Методика экспериментального исследования %
3.2.1. Методика проведения первого этапа экспериментального исследования
3.2.2. Методика проведения второго этапа экспериментального исследования
3.2.3. Методика проведения третьего этапа экспериментального исследования
3.2.4. Методика проведения четвертого этапа экспериментального исследования
Глава 4. Экспериментальная установка
4.1. Экспериментальная установка
4.1.1. Силовая установка
4.1.2. Оборудование экспериментальной установки
4.1.3. Особенности методики анализа рабочего цикла
4.2. Оценка погрешности измерений
Глава 5. Результаты экспериментального исследования
5.1. Оценка влияния температуры наддувочного воздуха на мощностные, экономические показатели дизеля ЯМЗ-8124 и на особенности протекания его рабочего процесса
5.2. Определения целесообразного уровня охлаждения наддувочного воздуха, выбор теплоаккумулирующего вещества и расчет характеристик СТНВ
5.3. Результаты испытаний дизеля ЯМЗ-8424 при работе с различными системами охлаждения наддувочного воздуха 115
5.4. Результаты испытаний дизеля ЯМЗ-8424
при работе на режиме малой нагрузки 120
123
Заключение
Использованная литература.
- Влияние температуры свежего заряда на рабочий процесс дизеля с наддувом и его надежность
- Обеспечение оптимальной температуры наддувочного воздуха при работе дизеля на переменных режимах, режимах ма лых нагрузок и холостого хода
- Методика проведения первого этапа экспериментального исследования
- Определения целесообразного уровня охлаждения наддувочного воздуха, выбор теплоаккумулирующего вещества и расчет характеристик СТНВ
Введение к работе
Акгуальность темы исследования. Непрерывно )скоряющееся развитие іехники іребуег все более быстрого росга аїреіаіной мощное і и двигателей, уменьшения их удельных габаритов и улучшения .жономичносіи без существенною увеличения массы при постоянно возрастающей надежности. Увеличение мощности поршневых двиїателей ішуїреннего сюрания (ПДВС) без изменения их размеров связано с необходимое і ыо решения задачи сжигания в цилиндрах больших порций топлива за один рабочий цикл. Решение гной задачи требует подачи в цилиндры большего количесіва воздуха (в дизелях) или горючей смеси (в двиїаіелях с внешним смесеобразованием), т. е. увеличение количества свежего заряда Увеличение количества свежего заряда при неизменном рабочем объеме двигаіеля может быть обеспечено только за счет повышения ею плотности в результате предварительного сжатия. Этот способ, предложенный в 1902 году инженером Альфредом Вюхи и известный под названием наддува, успешно применяется із современном двигателестроении. Совокупность ПДВС и системы наддува (включающей как минимум компрессионную машину) называют комбинированными двигателями.
Опыт показывает [37], что плотность заряда, подаваемою в цилиндры ПДВС (в дальнейшем - дизелей) с наддувом можно увеличить в три раза и более по сравнению с плотностью атмосферною воздуха. Однако повышение давления наддувочного воздуха сопровождается ростом ею температуры. Гак применение наддува в 0,5 бар над уровнем давления окружающей среды приводит к росту температуры на впуске примерно на 30 °С, а при наддуве 0,7-1,0 бар (избыточных), - уже на 130 °С [ 101 ].
С одной стороны, это повышение температуры заряда в цилиндре позволяет успешно применять более дешевые нетрадиционные (алыернатив-ные) топлива. Их особенностью, как правило, является пониженная воспламеняемость, повышенная вязкость и т. п. С другой стропы, указанное повышение температуры требует ограничения давления наддува в связи с ухудшением некоторых характерне!ик рабочею процесса, а также с повышением тепловой и механической нагруженности деталей двигателя 174].
Избежать указанных негативных последствий наддува позволяет охлаждение наддувочного воздуха. Надувочный воздух чаще всего охлаждают с помощью рекуперативных теплообменников, причем в качестве охлаждающего теплоносителя применяют ашосферный воздух или охлаждающую жидкость из системы охлаждения двигателя. Движение охлаждающею и промежуточного теплоносителей может бьпь осущесівлено различными способами, выбор которых производят исходя из уровня наддува, компоновочных условий, имеющихся на двигателе и транспортном средстве, технологических и производственных возможностей, условий эксплуатации и др. В результате сочетания определенного вида охлаждающего теплоносителя и способа его применения могут быть выполнены разные схемы систем охлаждения надувочного воздуха.
Однако охлаждение надувочного воздуха связано с дополнительными затратами на привод вспомогательных агрегатов, обеспечивающих требуемый тепловой режим работы двигагеля, а также с увеличением объема и массы силовой установки.
Кроме того, только охлаждение наддувочного воздуха решает только одну сторону проблемы - снижение высокой температуры. Вопросы же повышения его температуры при работе комбинированных двигателей на неустановившихся режимах в литературе практически не рассматриваются. Между тем, решение этих вопросов тем более актуально, чю достаточно широко применяемые сегодня охладители наддувочного воздуха мої у г (если не предусмотрено специальных мер для их отключения) понижаїь температуру свежего заряда и в случаях, когда в этом нет необходимости, более того, когда это вредно с точки зрения протекания рабочего процесса.
Особенно остро проявляется вредное влияние низкой іемиераіурьі наддувочного воздуха при длительной работе комбинированных двитателей (как и двигателей без наддува) на режимах малых нагрузок и холостого хода. Анализ влияния температуры наддувочного воздуха на особенности протекания рабочего процесса в комбинированных двигателях, проведенный в первой главе настоящей работы, показал очевидное существование научной проблемы, заключающейся в существенной зависимости эффективности рабочего процесса и надежности поршневых ДВС от температуры поступающего в цилиндры свежего заряда. При этом как нагрев, так и охлаждение наддувочного воздуха выше или ниже некоторых оптимальных температурных границ ведут к негативным последствиям. Существующие в современной практике двигателестроения способы нейтрализации этих последствий недостаточно эффективны.
На наш взгляд, решение проблемы поддержания температуры наддувочного воздуха в оптимальных пределах для обеспечения эффективного протекания рабочего процесса и повышения надежности комбинированных ДВС при работе на любых эксплуатационных режимах представляется принципиально возможным за счет использования аккумулятора внутренней энергии (который в рассматриваемом аспекте логично называть «стабилизатором температуры наддувочного воздуха»), установленного во впускном тракте комбинированного ДВС после компрессора. Однако подобные исследования до настоящего времени не проводились.
Цель настоящей работы - стабилизировать температуру наддувочного воздуха на уровне, обеспечивающем целесообразное сочетание мощно-стных, экономических показателей дизеля, механической и тепловой нагру-женности его деталей и узлов при работе на любых режимах
Объект исследования - энергетические процессы в стабилизаторе температуры наддувочного воздуха, содержащем теплоаккумулирующее вещество, находящееся в состоянии фазового перехода.
Предмет исследования - закономерности изменения температуры наддувочного воздуха при прохождении его через стабилизатор температуры
Гипотеза исследования. Использование стабилизатора температуры наддувочного воздуха, установленного во впускном тракте после компрессо 10 pa, обеспечит поддержание температуры заряда, поступающего в цилиндры двигателя в пределах, необходимых для обеспечения эффективного протекания рабочего процесса и приемлемых уровней механической и тепловой на-груженности при работе комбинированных ДВС на любых эксплуатационных режимах.
Для достижения указанной цели на основании выдвинутой гипотезы было необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать физическую модель и составить систему уравнений (математическую модель), описывающие энергетические процессы, происходящие в стабилизаторе температуры наддувочного воздуха, установленном во впускном тракте комбинированного ДВС после компрессора.
2. Разработать методику определения целесообразного значения температуры наддувочного воздуха с точки зрения обеспечения «компромисса» между мощностными, экономическими показателями дизеля, механической и тепловой нагруженностью его деталей и узлов.
3. Разработать и изготовить опытный образец стабилизатора температуры наддувочного воздуха. Провести экспериментальные исследования с целью проверки адекватности предложенной физико-математической модели.
4. Экспериментально исследовать изменение показателей рабочего цикла дизеля зависимости от температуры наддувочного воздуха и установить целесообразное значение его температуры с точки зрения обеспечения «компромисса» между мощностными, экономическими показателями двигателя, механической и тепловой нагруженностью его деталей и узлов.
5. Экспериментально оценить эффект использования стабилизатора температуры наддувочного воздуха при работе дизеля на различных режи-мах.
Методологической основой исследования служили: основные положения классической термодинамики, теории тепломассообмена и теории рабочих процессов поршневых ДВС. Методы исследования. Для решения перечисленных выше задач и достижения поставленной цели в работе использовались: теоретический анализ и обобщение научной и специальной литературы; теоретические и экспериментальные методы исследования, методы математического моделирования, математической и статистической обработки экспериментальных результатов.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждаются применением комплекса современных информативных и объективных методов исследования, подбором современной измерительной аппаратуры, ее систематической поверкой и тарировкой, соблюдением требований соответствующих стандартов и руководящих документов на проведение испытаний и корректной статистической обработкой экспериментальных данных с использованием ПК. Научные положения и выводы подтверждены результатами, полученными в ходе натурных экспериментов.
Научная новизна результатов работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
1. Разработана физическая модель и составлена система уравнений, описывающие энергетические процессы, происходящие в стабилизаторе температуры наддувочного воздуха нового типа, установленном во впускном тракте комбинированного ДВС после компрессора.
2. Разработан и реализован способ определения температуры наддувочного воздуха, при котором обеспечивается получение достаточно высоких эффективных показателей рабочего процесса дизеля в сочетании с умеренными механическими и тепловыми нагрузками на узлы и детали двигателя при работе на неустановившихся режимах, режимах длительных больших, малых нагрузок и холостого хода.
3. Предложено решение задачи сохранения температуры наддувочного воздуха на уровне, обеспечивающем получение достаточно высоких эффективных показателей рабочего процесса дизеля в сочетании с умеренными механическими и тепловыми нагрузками при работе двигателя на различных режимах.
4. Практическая ценность работы. Предложенная методика определения целесообразной температуры наддувочного воздуха, позволяет устанавливать ее значение для любого конкретного двигателя.
Система уравнений, описывающая процессы во впускном тракте комбинированного двигателя, оборудованного стабилизатором температуры наддувочного воздуха, позволяет определять его конструктивные параметры, при которых обеспечивается получение требуемой температуры свежего заряда во время работы двигателя на различных режимах.
Экспериментально подтверждена возможность решения задачи стабилизации температуры наддувочного воздуха на уровне, обеспечивающем целесообразное сочетание мощностных, экономических показателей дизеля, механической и тепловой нафуженности его деталей и узлов при работе на неустановившихся режимах, длительных режимах малых нафузок и холостого хода.
Представленные в диссертации материалы целесообразно использовать в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и на предприятиях, занимающихся разработкой комбинированных поршневых ДВС.
Реализация результатов работы. Получен патент на полезную модель комбинированного двигателя с предложенным способом стабилизации температуры свежего заряда. Материалы диссертации (концепция стабилизации температуры наддувочного воздуха с помощью теплового аккумулятора, математическая модель процессов, протекающих в системе стабилизации температуры наддувочного воздуха, методика определения целесообразного уровня охлаждения наддувочного воздуха) приняты к проработке в 38 НИИ МО РФ (г. Кубинка) при формировании планов НИОКР на 2007-2010 гг. В учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных проектов и чтении отдельных разделов лекций по дисциплинам «Двигатели военной авто 13 мобильной техники» и «Теплотехника» в Челябинском высшем военном автомобильном командно-инженерном училище используются: конструктивные схемы систем наддува дизеля со стабилизатором температуры наддувочного воздуха; термодинамическая и математическая модели процессов во впускном тракте комбинированного двигателя, оборудованном стабилизатором температуры наддувочного воздуха; методика определения уровня целесообразной температуры наддувочного воздуха.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и об-суждены: на научно-методических семинарах с участием сотрудников кафедр двигателей и эксплуатации военной автомобильной техники Челябинского высшего военного автомобильного командно-инженерного училища (2004-2006 гг.); международном Форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателе-строения» (Челябинск, 2006 г.), международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» (Тула, 2006); расширенном заседании кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» Южно-Уральского государственного университета (2006).
Личный вклад автора. Автору принадлежат:
- постановка задач;
- разработка физической модели и системы уравнений, описывающих процессы во впускном тракте дизеля с наддувом, оборудованном стабилизатором температуры наддувочного воздуха;
- разработан способ определения температуры наддувочного воздуха, при которой обеспечивается получение высоких эффективных показателей рабочего процесса дизеля в сочетании с умеренными механическими и тепловыми нагрузками при работе двигателя на неустановившихся режимах, длительных режимах больших, малых нагрузок и холостого хода; - разработка конструкции стабилизатора температуры наддувочного воздуха;
- результаты математического моделирования и обработки экспериментальной части исследования.
Изготовление опытного образца стабилизатора температуры наддувочного воздуха и экспериментальные исследования выполнялись при непосредственном участии автора.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ и получен патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 143 страницы машинописного текста, включающего 39 рисунков, 12 таблиц и состоит из введения, пять глав, заключения, списка основной использованной литературы (135 наименований) и приложения.
Влияние температуры свежего заряда на рабочий процесс дизеля с наддувом и его надежность
Работа двигателей мобильных машин характеризуется частыми и резкими изменениями режимов. В таких условиях крутящий момент двигателя и частота вращения коленчатого вала изменяются в широких пределах, при этом возможны любые их сочетания, допустимые для данного двигателя. Эти эксплуатационные режимы принято называть неустановившимися [35, 54, 58 и др.]. Большую часть времени поршневые ДВС работают именно на таких режимах.
Работа комбинированных двигателей на неустановившихся режимах сопровождается значительными изменениями температуры наддувочного воздуха, что, в свою очередь, существенно влияет на параметры рабочего процесса и надежность двигателей.
Наряду с этим, при эксплуатации комбинированных двигателей встречаются ситуации, когда они длительное время работают на режимах малых (частичных) нагрузок или холостого хода. В этих условиях температура свежего заряда становится ниже, чем необходимо для качественного протекания рабочего процесса, изменяются условия его организации, [7, 35, 97, 109, и др.], что также специфически отражается на параметрах цикла и надежности двигателей.
Рассмотрим эти вопросы более подробно. 1.1.1. Влияние температуры наддувочного воздуха на рабочий процесс дизеля и его надежность при работе на неустановившихся режимах
Как было отмечено во введении, увеличение мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) без изменения их размеров (т. е. повышение удельных показателей) связано с необходимостью решения задачи сжигания в цилиндрах больших порций топлива за один рабочий цикл. Решение этой задачи требует наличия в цилиндрах дизеля большего количества воздуха. Увеличение количества воздуха при неизменном рабочем объеме двигателя, может быть обеспечено только за счет повышения его плотности в результате предварительного сжатия. Этот способ, известный под на-званием наддува, успешно применяется в современном двигателестроении [3, 10,20,99, 125 и др.].
Заметим, что сжатие атмосферного воздуха в компрессоре сопровождается не только повышением давления, но и ростом температуры наддувочного воздуха. Последнее существенно отражается на характере рабочего процесса в цилиндрах дизеля и на его надежности.
Анализ работ [5, 22, 25, 32, 43, 77 и др.] по исследованию влияния температуры наддувочного воздуха на параметры дизелей с газотурбинным наддувом свидетельствует о том, что повышение этой температуры на каж-дые 10 С уменьшают массу воздушного заряда на 3,0-3,5 % и рост удельного эффективного расхода топлива на 0,8-1,2 %. На рис. 1.1 представлена зависимость параметров рабочего процесса дизеля 1 ЧВН 12/12,5 от температуры наддувочного воздуха при неизменном давлении наддува tK [87].
Из рисунка отчетливо видно, что снижение tK приводит к такому увеличению плотности воздуха, поступающего в цилиндр, что коэффициент избытка воздуха повышается с 1,64 до 2,03 (т. е. 23,8 %). Результатом этого является более полное и быстрое сгорание (коэффициент полезного тепловыделения увеличился на 4,1 %; скорость тепловыделения ъ начальный период ,Дх сгорания (—)max возросла тоже почти на 4 %; продолжительность сгорания по углу поворота коленчатого вала (ер,) уменьшилась на 22,5 %), что привело к существенному снижению расхода топлива (на 13, 9 % - часового, на 10,3 % - удельного эффективного и на 12,6 % - удельного индикаторного).
При охлаждении наддувочного воздуха, вследствие перераспределения теплового баланса удается существенно снизить затраты мощности на привод вентилятора [128].
Однако увеличение плотности воздушного заряда приводит не только к благоприятным изменениям в протекании рабочего процесса и тепловом балансе двигателя. Отмечаемое при этом на индикаторных диаграммах [87] увеличение периода задержки воспламенения, приводит к увеличению количества топлива, выгорающего в начальный период сгорания (период «взрывного» сгорания) - Х„ (практически в два раза). В результате на 42,8 % возрастают максимальная скорость нарастания давления Wp max, максимальное давление рабочего тела ртах (на 8,4 %), что существенно увеличивает ударные механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Не менее заметно, чем на параметры рабочего процесса, температура наддувочного воздуха влияет на температуру основных деталей (рис. 1.2) дизеля 1 ЧВН 12/12,5 [87].
Обеспечение оптимальной температуры наддувочного воздуха при работе дизеля на переменных режимах, режимах ма лых нагрузок и холостого хода
Совершенно очевидно, что, широко распространенный и используемый в технической литературе термин «тепловой аккумулятор» не отражает ни принципа действия, ни назначения этого устройства.
Давно ушли в историю времена, когда термин «теплота» отождествлялся с видом энергии. «Любая фраза, в которой о теплоте говориться как о виде энергии (кем бы она ни была сказана эта фраза - учеником или академиком, физиком или философом) есть проявление некоторой неграмотности в современной терминологии. Некоторые ученые путают по старинке теплоту с внутренней энергией и, желая сказать, что внутренняя энергия есть один из видов энергии, говорят неграмотно, что теплота есть вид энергии» [107]. Современное толкование термина «теплота» ассоциируется только с представлением о процессе, сущность которого заключается в передаче энергии, причем в процессе специфическом, происходящем невидимо для человеческого глаза (на микроскопическом уровне, без видимого, направленного перемещения тел, участвующих в этом процессе). Таким образом «теплота» -это форма передачи, но не вид энергии. Подвод «теплоты» к телу может увеличить количество энергии, которой обладает тело, отвод «теплоты» может этот запас уменьшить. Тот же вид энергии (ошибочно называемый «теплотой») увеличение запасов которой в теле вызывает повышение, а уменьшение - понижение температуры тела, представляет собой внутреннюю энергию (энергию движения и взаимодействия частиц, составляющих тело).
К сожалению, в термодинамике до сегодняшнего дня сохранились термины, введенные со времен существования теории теплорода: «теплоемкость» (хотя ни о какой «емкости» теплоты речи идти не может и, исходя из определения этого понятия, в действительности и не идет), «теплосодержание», «теплотворная способность», «теплота парообразования» и т. п. В одном ряду с этими, не отражающими сути предмета терминами, стоит и термин «тепловой аккумулятор». Совершенно очевидно, что ни о каком аккумулиро-вании «теплоты» речи быть не может. То, что аккумулируется неким веществом в «тепловом» аккумуляторе - есть внутренняя энергия. Вещество, о котором идет речь («теплоаккумулирующее вещество» по принятой терминологии) способно получать (в форме теплоты), накапливать, или отдавать (в форме теплоты) именно внутреннюю энергию. Поэтому корректнее вместо термина «тепловой аккумулятор» использовать термин «накопитель энергии» (НЭ). Однако учитывая то, что в литературе используется исключительно термин «тепловой аккумулятор», в настоящей работе он тоже будет применен, однако, в рассмотренном выше новом смысловом содержании.
Несколько слов следует сказать в этом плане и о понятии «теплота фазового перехода» - его, естественно, не следует понимать в прямом смысле -это есть «энергия фазового перехода». При изменении агрегатного состояния некоторое количество энергии либо затрачивается (в случае перехода из твердого в жидкое состояние), либо высвобождается (в случае перехода из жидкого в твердое состояние). Как правило, подвод необходимой энергии осущест-вляется в форме теплоты, в форме теплоты происходит и отвод высвобожденной энергии.
Любой материал, который быстро воспринимает энергию, подведенную в форме теплоты, и затем сохраняет ее в течение достаточно долгого времени, может быть использован в качестве энергоаккумулирующей среды. Существуем много таких веществ [33, 34, 72, 98, 133 и др.], но для практических целей важно, чтобы аккумулирующее энергию вещество [которое в литературе принято называть «теплоаккумулирующим материалом» (ТАМ) или «теплоаккумулирующим веществом» (TAB)] обладало определенным комплексом свойств [80,94, 129,132]: 1) высокой удельной теплоемкостью; 2) большой плотностью; 3) химической стабильностью; 5) нерастворимостью в избыточной воде; 6) совместимостью с материалами, из которых изготовлена емкость для ЭАВ; 7) малой токсичностью; 8) безопасностью в противопожарном отношении; 9) низкой стоимостью; 10) доступностью (возможностью его получения). На рис. 1.6 приведена классификация накопителей энергии.
Методика проведения первого этапа экспериментального исследования
Как отмечалось в первой главе, при работе поршневых ДВС с наддувом на переменных нагрузках имеют место значительные колебания температуры поступающего в цилиндр свежего заряда, что приводит к ухудшению показателей рабочего процесса и снижению работоспособность двигателей.
На рис. 2.1 приведен вариант схемы организации газотурбинного наддува со стабилизатором температуры наддувочного воздуха (СТНВ), ко-торый позволяет практически исключить колебания температуры наддувочного воздуха перед поступлением его в цилиндры комбинированного двигателя при работе на неустановившихся режимах [66].
Принципиальная схема комбинированного двигателя с газотурбинным наддувом и стабилизатором температуры наддувочного воздуха: / - выпускной коллектор; 2 - компрессор; 3 - газовая турбина -; 4 - стабилизатор температуры наддувочного воздуха, содержащий теплоаккумули-рующее вещество фазового перехода; 5 - впускной коллектор; 6 - поршневой двигатель внутреннего сгорания Комбинированный двигатель работает следующим образом.
Отработавшие газы поршневого ДВС по выпускному коллектору поступают в газовую турбину, приводящую в действие компрессор. Из него воздух вначале поступает в СТНВ. Здесь высокая температура воздуха, сжатого в компрессоре на режимах больших нагрузок, снижается за счет нагрева им TAB с фазовым переходом, а относительно невысокая температура воздуха, сжатого в компрессоре на режимах малых нагрузок, повышается за счет подогрева от нагревшегося ранее TAB.
Существенным недостатком показанного варианта стабилизации тем-пературы наддувочного воздуха является невозможность повышения температуры свежего заряда при длительной работе комбинированного двигателя на режимах малых нагрузок или холостого хода. Этот недостаток может быть устранен в случае применения другой схема системы стабилизации температуры наддувочного воздуха на оптимальном уровне при работе дизеля на переменных режимах, режимах малых нагрузок и холостого хода, предложенная автором [62, 64] (рис. 2.2).
Система функционирует следующим образом. Когда дизель работает на больших нагрузка, температура наддувочного воздуха после компрессора достигает 100 С и более. Проходя через устройство, объединяющее емкость с теплоаккумулирующим веществом 10 и полость для прохода отработавших газов 11 (СТНВ), воздух нагревает TAB, охлаждается и по впускному коллектору направляется в цилиндры дизеля.
При этом управляющее устройство 7, связанное с температурным датчиком 12, установленным на выходе наддувочного воздуха из СТНВ, обеспечивает такое положение регулирующей заслонки 4, которое исключает попадание ОГ в полость для прохода отработавших газов
Если нагрузка уменьшается, то соответственно снижаются обороты рабочего колеса компрессора и температура наддувочного воздуха понижается. Если она станет ниже температуры разогретого ранее ТАВ, то от по следнего начнется подвод теплоты к надувочному воздуху, проходящему че рез СТНВ, и во впускной коллектор будет поступать подогретый воздух.
Если описанные процессы увеличения и уменьшения нагрузки будут периодически чередоваться с относительно высокой частотой (3-5 с, что характерно для работы двигателей транспортных машин в городских условиях, строительно-дорожных машин и т. п. [11, 12, 54 и др.]), то процессы периодического охлаждения горячего и подогрев относительно холодного наддувочного воздуха будут обеспечивать уменьшение размаха колебаний его температуры практически вплоть до ее стабилизации.
Заметим, что в рассматриваемой ситуации управляющее устройство обеспечивает такое положение регулирующей заслонки, которое исключает попадание ОГ в СТНВ, и все они из газовой турбины направляются в атмосферу.
Если же двигатель работает при малых нагрузках или на режиме холостого хода продолжительное время и температура наддувочного воздуха опуститься ниже требуемой, то управляющее устройство 7 (см. рис. 2.2), начнет воздействовать на регулирующую заслонку 4, и часть ОГ будет поступать в полость 11 СТНВ и нагревать TAB, которое, в свою очередь, будет подогревать надувочный воздух.
Если двигатель работает длительное время на больших нагрузках, то управляющее устройство 15, начнет открывать клапан 14, часть охлаждающей жидкости будет поступать в полость 11 СТНВ и охлаждать TAB, что, в свою очередь, вызовет понижение температуры НВ.
Для того чтобы обеспечить оптимальную температуру наддувочного воздуха независимо от режима работы дизеля, температура плавления TAB должна быть равна этой оптимальной температуре (точнее, с учетом потерь -незначительно превышала ее), а количество теплоаккумулирующего вещества должно быть таким, чтобы при работе ДВС на любом режиме TAB находилось в состоянии фазового перехода либо из твердого в жидкое, либо из жидкого в твердое состояние. Рассмотрим более подробно описанные процессы, дав им математическое описание.
Определения целесообразного уровня охлаждения наддувочного воздуха, выбор теплоаккумулирующего вещества и расчет характеристик СТНВ
В соответствии с методикой проведения третьего этапа экспериментального исследований, прежде всего, была проведена сравнительная оценка показателей дизеля ЯМЗ-8424 при работе на различных режимах со штатным ОНВ и СТНВ
Как отмечалось ранее, режимные условия соответствовали эксплуатации грузового автомобиля в городе. Испытания представляли собой две серии из трех последовательно повторяющихся циклов, каждый из которых характеризовался своей частотой вращения коленчатого вала, своей нагрузкой и своей продолжительностью (табл. 5.3).
В перовой серии проводились испытания двигателя в штатной ком-плектации. Дизель был укомплектован ОНВ типа «вода-воздух» со 186 ореб-ренными накаткой медными трубками с внутренним диаметром 5 мм. Максимальное гидравлическое сопротивление воздушной магистрали составляло 1,3 кПа (отметим, что потеря давления воздуха для трубчатых ОНВ по ГОСТу 10598-83 не должна превышать 4,903 кПа), жидкостной магистрали - 0,8 кПа.
Установочный угол начала впрыскивания топлива составлял 18 град ГГКВ до ВМТ, давление начала впрыскивания - 22 МПа.
Температура охлаждающей жидкости на входе в двигатель составляла 75-80 С, на выходе 80-85 С.
Рис. 5.7 иллюстрирует полученные результаты. Как видно, штатный ОНВ значительно снижает температуру наддувочного воздуха на режимах, где она после компрессора достигает 150 и более градусов Цельсия. Однако при этом наблюдаются значительные колебания температуры на различных режимах и существенное превышение уровня целесообразной температуры, которое в некоторых случаях достигает 29 С.
Штатный ОНВ обеспечивает некоторое (до 3 С) повышение темпера-туры наддувочного воздуха в тех случаях, когда ее величина после компрессора ниже 80 С.
Максимальный размах колебания температуры наддувочного воздуха на входе в штатный ОНВ составил 88 С, после него - 31 С.
Среднее значение коэффициента стабилизации температуры наддувочного воздуха составило практически 6 % (5,99 %).
Гидравлический КПД штатного ОВН на режиме максимальной мощности составил 0,88, а степень повышения плотности - 1, 307. Замена штатного ОНВ на опытный СТНВ существенно изменила картину.
Максимальное снижение температуры наддувочного воздуха на режимах больших нагрузок доходит до 73 С. Колебания его температуры составляют только 3-4 С, а отклонения от уровня целесообразной температуры не превышает 2 С.
Максимальный размах колебания температуры наддувочного воздуха после СТНВ в процессе проведенных испытаний не превышал 5 С.
Среднее значение коэффициента стабилизации температуры наддувочного воздуха оказалось равным 1,48 %, т. е. в четыре раза меньше, чем при использовании штатного ОВН. Гидравлический КПД СТНВ на режиме максимальной мощности составил 0,91, а степень повышения плотности в нем -1,683.
В соответствии с методикой проведения экспериментов после завершения сравнительных стендовых испытаний дизеля ЯМЗ-8424 со штатным ОНВ и СТНВ при работе на различных режимах, для каждого из режимов первого цикла с помощью разработанной математической модели был выполнен расчет температуры наддувочного воздуха после прохождения им через СТНВ и проведена оценка адекватности модели. На рис. 5.8 показаны значения температуры наддувочного воздуха, полученные опытным и расчетным путем в первые 20 секунд первой серии экспериментов.
