Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор работ по выбору рациональных схем систем воздухоснабжения 10
1.1. Пути повышения технико-экономических показателей дизелей 10
1.2. Типы и конструктивные особенности систем воздухоснабжения 12. цилиндровых V-образных дизелей 15
1.3. Элементы системы воздухоснабжения 29
1.3.1. Фазы газораспределения 30
1.3.2. Выпускной коллектор 33
1.4. Показатели для оценки эффективности систем турбонаддува 35
2. Экспериментальное исследование по изучению процесса сгорания 38
2.1. Описание экспериментальной установки 41
2.2. Измерительная аппаратура и способы измерений 47
2.3. Методика проведения эксперимента 55
2.4. Методика обработки индикаторных диаграмм 58
3. Методика расчетно-экспериментальнои оптимизации конструктивных параметров системы воздухоснабжения 83
3.1. Методика расчета замкнутого процесса комбинированного двигателя 83
3.I.I. Основные положения методики 84
3.1.2. Методика расчета процесса сжатия-сгорания расширения 89
3.1.3. Методика расчета параметров газа в цилиндре в период газообмена 97
3.1.4. Расчет параметров газа во впускном и выпускном коллекторах 103
3.1.5. Методика расчета характеристик турбины 106
3.1.6. Методика расчета процессов в преобразователе импульсов 118
3.1.7. Проверка математической модели на адекватность 125
3.2. Выбор оптимизируемых параметров и диапазонов их изменения 126
3.2.1. Выбор варьируемых параметров 129
3.2.2. Определение диапазона варьирования конструктивных параметров 130
3.3. Методика проведения расчетного исследования 132
3.3.1. Метод обработки данных расчетного эксперимента 134
3.3.2. Методика оптимизации в условиях налагаемых ограничений 136
4. Результаты расчетного эксперимента 145
4.1. Система с общим выпуском 146
4.2. Импульсная система 148
4.3. Система газотурбинного наддува (ГТН) с преобразователями импульсов 150
4.4. Анализ влияния конструктивных параметров системы ГТН с преобразователями импульсов на основные показатели работыдязеля І2ЧН 14/14 156
4.5. Результаты экспериментальной проверки эффективности разработанных рекомендаций 163
Выводы 174
Приложения
Приложение I. Оценка погрешностей измерений 176
Приложение 2. Таблица результатов планового эксперимента на отсеке 182
Приложение 3. Таблица резултатов расчета параметров дизеля 184
Литература 196
- Пути повышения технико-экономических показателей дизелей
- Описание экспериментальной установки
- Методика расчета замкнутого процесса комбинированного двигателя
- Система с общим выпуском
Пути повышения технико-экономических показателей дизелей
При этом по условиям прочности температура выпускных газов перед турбиной Тг не должна превышать 923К, а максимальное давление сгорания / - 12,5 МПа. Поскольку при форсировании дизеля рост происходит практически линейно в зависимости от среднего эффективного давления -ди пути его ограничения /7/, /20/, возможности повышения мощности за счет увеличения р существенно больше, чем за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала. Повышение ре обеспечивается одновременным увеличением цикловой подачи топлива и циклового расхода воздуха. Увеличение массового заряда достигается за счет повышения давления наддува р . При правильно выбранной системе ГЇЇЇ двигателя мощность трения растет медленнее, чем эффективная мощность, что ведет к росту механического КПД двигателя. Более медленный рост мощности трения является следствием того, что не все потери на трение являются функцией давления в цилиндре. Повышение механического КПД ведет к дополнительному относительному росту мощности и улучшению топливной экономичности.
При проведении работ по созданию двигателя І2ЧН 14/14 особое внимание было уделено системе воздухоснабжения, что обуславливалось двумя причинами:
во-первых, индикаторный процесс дизеля І2ЧН 14/14 был организован аналогично процессу, достаточно хорошо доведенному на двигателе І2ЧН 14/14 (ЯШ-840І), а степень совершенства рабочего процесса, характеризуемая величиной индикаторного КПД - п определяется, как показано в работе /12/, в основном совершенством процесса смесеобразования, зависящего от формы камеры сгорания, топливной аппаратуры и организации воздушного потока в цилиндре в процессе смесеобразования;
во-вторых, учитывалось, что для достижения необходимого уровня форсирования по среднему эффективному давлению -ре =1,39 МПа, степень повышения давления в компрессоре должна достигать значений 2,6 - 2,7.
В работе /7/ указывается "... при степени повышения давления в компрессоре- = 1,5, мощность на валу турбокомпрессора составляет ориентировочно 10$ от эффективной мощности на коленчатом валу двигателя, приД = 2 - около 20$, при Х,= 3,5 около 40$ ...". Эти ориентировочные данные показывают, что любые потери располагаемой работы воздуха, сжатого компрессором, или отработавшего в цилиндре газа в соединительном газовоздушном тракте между цилиндром и турбокомпрессором для обеспечения баланса работ турбины и компрессора должны компенсироваться,либо за счет эффективной работы, либо вводом дополнительного количества теплоты для повышения температуры отработавшего в цилиндре газа. И в этом, и в другом случае ухудшаются эффективные показатели дизеля в целом. Объясняется это тем,, что экономичность турбопоршневого двигателя определяется значениями индикаторного и механического КПД, но с повышением давления наддува на экономичность двигателя оказывает все более существленное влияние эффективность системы воздухоснабжения и, в основном, КПД компрессора и турбины.
Описание экспериментальной установки
Детали цилиндро-поршневой группы, кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения, топливной аппаратуры, а также головка цилиндра были аналогичной конструкции и изготовлены из тех же материалов, что и на двигателе І2ЧН 14/14. Схема одноцилиндровой установки приведена на рис. 2.1.
Общий вид отсека приведен на рис. 2.2.
Питание экспериментальной установки воздухом производилась от заводской магистрали сжатого воздуха. Воздух под давлением 0,4 ... 0,6 Ша поступал через влагоотделитель 10 и запорный вентиль 9 в регулятор давления типа РД-32М, обеспечивающий регулировку давления от 0 до 0,002 Ша. Поэтому для расширения предела регулирования в его конструкцию были внесены соответствующие изменения. Для этого мембранная камера была герметизирована и соединена с верхней камерой через дроссель 13, кроме того, в камере установлен регулируемый клапан 12, посредством которого производилось регулирование выходного давления.
Для возможности увеличения пропускной способности регулятора параллельно ему был установлен вентиль 8.
Воздух после регулятора давления, проходя через воздухомерное устройство 15, ресивер 2, водовоздушный тешіообменшш и электрический подогреватель 3, поступал в установку. В теплообменнике воздух подогревался водой системы охлаждения отсека, а окончательное регулирование его температуры производилось при помощи вентиля 5 и электрического подогревателя.
Для защиты системы от случайного повышения давления в ресивере был установлен предохранительный клапан.
Системы двигателя.
Экспериментальная одноцилиндровая установка была оборудована двухконтурной системой охлаждения. Охлаждающая вода внутреннего контура, выходя из двигателя, попадала в водо-водяной теплообменник. В системе внутреннего контура температура воды на выходе из двигателя поддерживалась на одном уровне с помощью терморегулятора ИП32-85. Система внутреннего контура установки приведена на рис. 2.1 и состоит из следующих элементов.
Методика расчета замкнутого процесса комбинированного двигателя
Математическое моделирование является эффективным методом исследования физических процессов, происходящих в цилиндрах двигателя и системе его воздухоснабжения. Целесообразность применения этого метода обуславливается возрастающей сложностью проблемы выбора рациональных конструктивных параметров системы ГТН дизелей при их форсировании, необходимостью системного подхода и комплексного исследования совокупности взаимосвязанных процессов в рабочих цилиндрах и смежных системах как единого целого.
Благодаря появлению ЭЦВМ третьего поколения, позволяющих
использовать универсальные языки программирования, и имеющих стандартное системное обеспечение, появилась возможность для широкого внедрения в практику проектирования и доводки двигателей математических моделей и составленных на их основе программ расчета характеристик двигателя.
Способствует внедрению программ расчета характернетик и то, что к настоящему времени разработан ряд методик и на их основе программ для ЭВМ, позволяющих расчитывать основные процессы, протекающие в двигателе.
К таким методам относятся:
1. Методы расчета рабочего процесса.
2. Методы расчета граничных условий, необходимых для моделирования процессов, протекающих в различных частях газовоздушного тракта двигателя с учетом их взаимодействия. 3. Методы расчета газообмена в импульсных, изобарных системах наддува с преобразователями импульсов.
Программы расчета характеристик двигателя обязательно включают в себя перечисленные группы методов.
Внутри каждой из основных групп расчетных методов имеется рад разновидностей, отличающихся исходными предпосылками, количеством и характером принятых допущений. При выборе программ расчета характеристик двигателя рассматривается вопрос рациональности использования того или иного метода из каждой группы на основании сопоставления требований, которые предъявляются к конечному результату расчета, и возможностей данного метода.
Рассмотрим методы расчета основных процессов турбопоршнево-го двигателя, используемые в программе расчета характеристик. Цель такого рассмотрения - показать правомерность используемых методов для решения поставленной задачи: проведения расчетного эксперимента по многофакторному плану с последующей оптимизацией конструктивных параметров систем воздухоснабжения по среднеэксп-луатационному расходу топлива.
Система с общим выпуском
Исходя из условия достижения минимального удельного средне-эксплуатационного расхода топлива важное значение приобретает объективная оценка эффективности рассматриваемых систем воздухоснабжения. В работах /2,7/ даются ориентировочные значения уровней форсирования двигателей по г и П , при которых тот или иной тип системы воздухоснабжения позволяет получить .наименьшее значение удельного расхода топлива. Однако этими рекомендациями можно воспользоваться для выбора системы при работе дизеля только на номинальном режиме.
Для того, чтобы сделать вывод о рациональности применения одного из рассматриваемых типов систем воздухоснабжения при работе двигателя в широком диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, сравнение систем необходимо производить по среднеэксплуатационному расходу топлива при обязательном условии оптимальности конструктивных параметров каждой.
Похожие диссертации на Оптимизация конструктивных параметров системы воздухоснабжения дизеля 12ЧН 14/14 по среднеэксплуатационному расходу топлива
