Введение к работе
Актуальность работы. Проблемы экологии и экономии энергоресурсов являются сегодня актуальными во многих странах. А так как одним из основных загрязнителей окружающей среды является автомобильный транспорт, то решение экологических проблем сводится к конструктивным доработкам автомобильных двигателей внутреннего сгорания (АДВС), целью которых является уменьшение расхода топлива и уменьшение токсичности выхлопа.
С целью снижения расхода топлива разработаны электронные системы регулирования расхода. Для уменьшения токсичности двигателей работы ведутся в направлении совершенствования процессов смесеобразования топливо – воздушного заряда и его горения.
Одним из радикальных решений проблем экологии и экономии являются разработки в области гибридных силовых установок транспортных средств, в которых совмещаются электромотор и АДВС. Электромотор используется при старте и движении на малых скоростях.
Использование гибридных силовых установок позволяет существенно улучшить экологические характеристики автомобиля в городе, где актуальным является движение на малых скоростях и с частыми остановками. При загородном цикле электромотор фактически работает как генератор электроэнергии для её накопления в электрическом аккумуляторе.
Другим способом аккумулирования энергии может служить пневматический аккумулятор в виде ресивера-накопителя воздуха высокого давления (РНВВД). Однако, до сих пор систематически не разработаны схемы гибридных силовых установок с пневматическим аккумулятором энергии. В связи с этим работа является актуальной.
Цели и задачи. Целью настоящей работы является совершенствование рабочего цикла и эксплуатационных характеристик АДВС за счёт применения РНВВД в системе наддува, разработка методики теплового расчёта АДВС с использованием РНВВД в системе наддува, разработка способа эффективного наполнения РНВВД. Для реализации поставленных целей необходимо решить следующие основные задачи:
Исследовать эффективность способов подачи сжатого воздуха в РНВВД и цилиндр АДВС;
Разработать математическую модель и методику расчёта процесса наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД;
Создать экспериментальную установку для исследования процессов наполнения и опорожнения емкостей воздуха в системе наддува с РНВВД;
Провести экспериментальные исследования процесса наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД;
Провести сравнительные расчётные исследования дизельного двигателя, дизельного двигателя с турбонаддувом, дизельного двигателя с надувом из РНВВД, дизельного двигателя с надувом из РНВВД и турбонаддувом;
Обосновать параметры АДВС, в котором может быть реализован предлагаемый способ наддува.
Научная новизна:
Предложен способ наддува АДВС с использованием РНВВД в системе наддува в процессе регулярной работы двигателя, позволяющий реализовать гибридные циклы работы силовой установки автомобиля без преобразования энергии в электрическую форму;
Разработана методика расчёта процесса наддува воздуха в цилиндр АДВС из РНВВД (методом конечных разностей);
Разработан способ эффективного наполнения РНВВД с использованием многоступенчатого компрессора;
Разработан способ измерения переменных объёмов в процессах наполнения и опорожнения РНВВД с двухфазными рабочими средами (методом взвешивания).
Предмет исследования. Предметом исследования является процесс наддува АДВС с использованием РНВВД.
Объект исследования. Объектами исследования являются термодинамические параметры рабочего тела в цилиндре АДВС и РНВВД, процессы наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД, индикаторные характеристики АДВС с различными способами организации наддува.
Методы исследования. В основу исследования положена математическая модель процесса наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД, которая реализована на языке программирования высокого уровня Microsoft Visual Basic 6.36. Использованы также методы статистической обработки результатов измерений, методы теории ошибок измерения. Экспериментальные исследования термодинамических и гидравлических процессов в системе наддува и цилиндрах АДВС.
Достоверность результатов. Обусловлена использованием широко апробированных математических методов моделирования и обработки экспериментальных данных, использованием сертифицированных измерительных приборов и аттестованных экспериментальных установок.
Научная ценность работы. Заключается в разработке методики расчёта процесса наполнения цилиндра ДВС воздухом из РНВВД, учитывающей изменение теплотехнических характеристик рабочего тела – воздуха и продуктов сгорания при изменении их температуры в процессах смешения газов и термодинамических процессов.
Практическая ценность работы. Заключается в возможности повышения удельных мощностных характеристик АДВС и снижения массы основной силовой установки за счёт перевода её в режим гибридного использования АДВС совместно с РНВВД.
На защиту выносятся следующие положения:
способы наддува АДВС с использованием РНВВД в процессе регулярной работы двигателя на транспортном средстве;
методика расчёта процесса наддува воздуха в цилиндр АДВС из РНВВД;
способ эффективного наполнения РНВВД с использованием многоступенчатого компрессора;
способ измерения переменных объёмов в процессах наполнения и опорожнения РНВВД при наличии двухфазных рабочих сред (методом взвешивания);
результаты расчётных исследований математической модели процессов наддува цилиндра АДВС с использованием РНВВД;
результаты экспериментальных исследований процессов наполнения и опорожнения ёмкостей, перепуска воздуха в системе наддува двигателя с РНВВД.
Апробация. Результаты работы и её отдельные положения были обсуждены:
на кафедре ДВС Камской инженерно – экономической академии в г. Набережные Челны, 2007г.
на кафедре ТОТ Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева в г.Казань, 2007г.
на межвузовской научно – практической конференции, посвящённой 25-летию Камского государственного политехнического института «Вузовская наука – России», г. Набережные Челны, 2005г.
на международной конференции, посвящённой 10-летию образования Международного информационно – экологического парламента «Глобальные проблемы экологизации в Европейском сообществе», г. Казань, 2006г.
в ОАО КПП «Авиамотор» на совещании в отделе перспективных разработок, г.Казань, 17.11.2004г.
Реализация результатов работы. Результаты работы приняты к использованию:
в НТЦ ОАО «Камаз», г. Набережные Челны, для проектных работ по АДВС семейства «Камаз»;
в КП ОАО «Авиамотор» для исследований, связанных с созданием гибридной силовой установки автомобиля;
в учебный процесс кафедры ДВС Камской инженерно - экономической академии по специальности 05.04.02 «Тепловые двигатели»;
в учебный процесс Марийского государственного технического университета по специальности 19.06.03 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в лесном комплексе)», 15.04.05 «Машины и оборудование лесного комплекса»;
в учебный процесс КГТУ им. А.Н. Туполева по специальности 05.04.02 «Тепловые двигатели».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3-х статьях, в том числе одна публикация выполнена в журнале «Известия вузов. Проблемы энергетики», г. Казань, включённом в список ВАК для публикаций по диссертациям на соискание учёной степени доктора наук по специальности 05.04.02.
Личный вклад автора. Лично автором диссертации разработаны:
методика расчёта процесса наддува воздуха в цилиндр АДВС из РНВВД;
способ эффективного наполнения РНВВД с использованием многоступенчатого компрессора;
способ измерения переменных объёмов в процессах наполнения и опорожнения РНВВД (методом взвешивания) при наличии двух фазных рабочих сред;
экспериментальная установка для модельных исследований процессов наполнения и опорожнения ёмкостей, перепуска воздуха в системе наддува АДВС с РНВВД;
выполнены экспериментальные исследования процессов наполнения и опорожнения пневматической ёмкости и обработка их результатов.
Состав и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 104 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, список литературы из 66 наименований. Приложения представлены на 22 страницах.
