Введение к работе
Актуальность исследования. Поршневые ДВС являются одним из главных потребителей органического топлива и одним из основных источников теплового, токсического и акустического загрязнения окружающей среды. Соответственно, ужесточаются требования к эффективности использования топлива в ДВС, токсичности их отработавших газов (ОГ) и шуму. Серьезными резервами обладает газовоздушный тракт (ГВТ), во многом определяющий совершенство процессов наполнения, смесеобразования, воспламенения и сгорания, а также выпуска ОГ. В ДВС с количественным регулированием мощности смесеобразование и сгорание на режимах средних и малых нагрузок протекают неудовлетворительно. Мероприятия, обеспечивающие требуемый характер движения заряда в рабочей камере (РК), способны существенно улучшить показатели эксплуатационной экономичности и токсичности ДВС указанного класса. В дизелях сочетание высокого циклового наполнения и согласование движения воздуха с формой камеры сгорания (КС) и параметрами системы топливоподачи есть условие достижения высоких показателей по удельной мощности, экономичности и экологичности при работе по внешней скоростной характеристике (ВСХ). Создание требуемого характера течения заряда в РК для обеспечения экономичности двигателя и удовлетворения нормам токсичности при сохранении условий обеспечения максимального наполнения не должно приводить к увеличению шума выпуска двигателя. Это требует разработки новых подходов к проектированию ГВТ для использования нестационарных процессов не только для увеличения наполнения ДВС, но и подавления шума выпуска.
Актуальность исследования вытекает из необходимости углубления понимания закономерностей влияния конструкции ГВТ на параметры рабочего процесса и необходимости совершенствования матмоделей процессов в ГВТ ДВС.
Таким образом, необходимо разработать принципы организации газообмена четырехтактного ДВС, обеспечивающие:
- максимально высокие мощностные показатели двигателя посредством сохранения основных принципов построения схемы ГВТ, обеспечивающей предельный для данной степени сжатия коэффициент наполнения;
- экономичность двигателя и низкий уровень токсичности выпуска за счет формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда в РК при сохранении условий максимального наполнения;
- низкий уровень шума выпуска за счет формирования требуемого газодинамического состояния ОГ в системе выпуска двигателя при сохранении условий максимального наполнения.
Объектом исследования являются процессы в ГВТ ДВС, оказывающие определяющее влияние на цикловое наполнение, газодинамическое состояние свежего заряда и ОГ и, в конечном счете, на индикаторные показатели цикла во всем диапазоне режимов работы двигателя, токсичность ОГ и шум выпуска.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка принципов организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленных на удовлетворение требованиям высокого наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя посредством формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда и ОГ.
В соответствии с целью формулировались задачи исследования:
1. Определить влияние характера движения заряда на показатели работы двигателя. Провести анализ методов создания закрученного движения заряда для различных типов двигателей.
2. Разработать способ организации процессов в системе впуска ДВС для управления интенсивностью закрутки заряда в РК.
3. Разработать математические модели и методики расчета процессов в ГВТ и РК двигателя с учетом начальной закрутки потока на впуске.
4. Определить возможность снижения удельного эффективного расхода топлива и токсичности ОГ двигателя за счет изменения интенсивности закрученного движения заряда в РК, без ухудшения показателей двигателя по ВСХ.
5. Разработать способ организации процессов в системе выпуска ДВС для снижения шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена.
Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:
- методы теории рабочих процессов и теории газообмена ДВС;
- методы математического моделирования сложных систем, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений в частных производных;
- методы натурного моделирования (при исследовании процессов в ГВТ и РК ДВС);
- методы экспериментальных исследований полноразмерных ДВС и силовых установок (автомобилей) с ДВС.
Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Используемые математические модели процессов проверялись на достоверность, а также подвергались калибровке, в части, содержащей определяемые из опыта зависимости вида гидравлических характеристик местных сопротивлений, для чего использовались результаты безмоторных экспериментов. В части, выполненной методом исследования на полноразмерном ДВС, продемонстрирован и количественно показан эффект применения закрутки на эффективные показатели и токсичность выпуска и воздействие способа организации процессов в системе выпуска ДВС на шум выпуска. Последнее проверялось также и на силовой установке с ДВС – автомобиле.
Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются принципы организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленные на улучшение его наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы посредством формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда и ОГ:
1. Впервые показана возможность улучшения эффективных показателей и снижения токсичности ОГ двигателя за счет управления интенсивностью закрученного движения свежего заряда, без ухудшения показателей двигателя по ВСХ.
2. Впервые установлено, что организация закрученного движения свежего заряда и управление его интенсивностью в РК двигателя достигаются разделением потока воздуха, поступающего в двигатель, на два потока, один из которых пропускают через ресивер и индивидуальные патрубки, а другой подают в индивидуальные патрубки вблизи впускных клапанов. Новизна решений подтверждена авторскими свидетельствами № 1464600, № 1437552, № 1815392 и патентами РФ на изобретения № 2148178, № 2156880, № 2215894, № 2253025.
3. Разработаны математические модели и методики расчета процессов в ГВТ и РК двигателя, позволяющие, в отличие от существующих, моделировать работу ДВС с учетом закрутки потока, формируемой на впуске.
4. Впервые установлено, что при согласовании процессов, определяющих колебания расхода газа на выходе из двигателя, – генерирование волн в РК ДВС, движение волн в элементах системы выпуска, формирование струи газа на выходе в атмосферу, возможно существенное снижение шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена (ухудшения эффективных показателей ДВС). Новизна решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2255229.
5. Впервые установлено, что увеличение шума выпуска при сбросе нагрузки определяется возникновением обратных течений в глушителе. Предложены методы снижения шума выпуска при сбросе нагрузки. Новизна решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2258816, № 2293855.
Практическая ценность. Результаты исследований, разработанная схема ГВТ четырехтактного ДВС и математические модели и методики расчета процессов в ГВТ и РК двигателя с учетом начальной закрутки потока на впуске внедрены в промышленности – в ГСКБ "Трансдизель" (г. Челябинск), ОАО "Строймаш" (г. Стерлитамак), и в учебный процесс – в УГАТУ (г. Уфа),
ЮУрГУ (г. Челябинск). Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:
1. Совершенствовать характеристики двигателя при его проектировании и доводке с целью удовлетворения требованиям форсированности, экономичности, токсичности и шума выпуска.
2. Моделировать процессы в ГВТ двигателя при его проектировании и доводке с учетом влияния конструктивных параметров тракта на закрутку потока и влияния закрутки на индикаторный процесс в РК.
На защиту выносится:
1. Способ организации процессов во впускной системе ГВТ для улучшения экономичности и снижения токсичности ОГ двигателя при сохранении его мощностных показателей.
2. Способ организации процессов в выпускной системе ГВТ для снижения шума выпуска двигателя при сохранении его мощностных показателей.
3. Математические модели и методики расчета процессов в ГВТ, позволяющие моделировать работу ДВС с учетом начальной закрутки потока на впуске.
4. Методы снижения шума выпуска двигателя при сбросе нагрузки.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:
- корректном использовании фундаментальных уравнений механики жидкости и газа и теории рабочих процессов ДВС;
- использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, применении современного математического аппарата;
- сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на безмоторных установках, а также реальном ДВС в стендовых и дорожных условиях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по проблемам сгорания (Москва, СПб, 1993); Всероссийском научном семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (Владимир, ВПИ, 1993, 1994); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы энергомашиностроения" (Уфа, 1996); Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика и информация. Актуальные проблемы" (Уфа, УГАТУ, 1997); I Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород, НГТУ, 1999); Международной научной конференции по моделированию, вычислениям, проектированию в условиях неопределенности (Уфа, УГАТУ, 2000); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы современного машиностроения" (Уфа, УГАТУ, 2004); Международном симпозиуме "Образование через науку", секция "Двигатели внутреннего сгорания" (Москва, МГТУ, 2005); XLIX Научно-технической конференции ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров", секция "Поршневые и газотурбинные двигатели" (Москва, МАМИ, 2005); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Двигатели внутреннего сгорания – современные проблемы, перспективы развития" (Барнаул, 2006); Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, МГТУ, 2007); Всероссийской научно-технической конференции "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей" (Самара, СГАУ, 2007).
Личный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материал диссертации основан на исследованиях автора в период с 1987 по 2007 годы.
Некоторые положения, методики и результаты работы получены и апробированы в ходе реализации аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2006 – 2008 годы)", подраздел "Проведение фундаментальных исследований в области технических наук".
Работа соискателя "Система впуска для газодинамического наддува" награждена Дипломом президиума центрального правления научно-технического общества машиностроительной промышленности.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 37 печатных работах, в том числе в 14 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, в 1 монографии, в 1 учебном пособии с грифом УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области энергетики. Получены 4 авторских свидетельства СССР и 7 патентов РФ на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы. Содержит 290 страниц машинописного текста, включающего 120 рисунков, 8 таблиц и библиографический список из 156 наименований.
