авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Тепловая напряженность цилиндропоршневой группы дизельного двигателя, конвертируемого в газовый

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Богославцев Роман Викторович

тепловая напряженность цилиндропоршневой группы дизельного двигателя, конвертируемого в газовый

Специальность: 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы в нефтяной и

газовой промышленности.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий – Газпром ВНИИГАЗ» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ»).

Научный руководитель доктор технических наук Козлов Сергей Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук Засецкий Владимир Георгиевич
кандидат технических наук Коклин Иван Максимович
Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество «Автогаз» (ОАО «Автогаз»)

Защита состоится «____»____________2009 г. в ___.___ ч. на заседании диссертационного совета Д511.001.02 при ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, п. Развилка

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Автореферат разослан «___»____________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук И.Н. Курганова

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Мировой парк автомобилей, работающих на компримированном природном газе (КПГ), вырос в 2007 году на 2 млн. единиц (36%) и превысил 7,5 млн. Потребление природного газа как моторного топлива увеличилось на 30% по сравнению с показателями 2006 года.

В нашей стране газовые двигатели серийно не производятся, проблема решается за счет конвертирования, в частности, дизельных двигателей. Однако, вопросы обеспечения надежности и долговечности при конвертировании дизельных двигателей в газовые изучены недостаточно.

При конвертировании изменяется рабочий процесс двигателя, характер тепловых потоков и теплонапряженность его деталей, прежде всего цилиндропоршневой группы (ЦПГ), являющейся основным элементом, определяющим его долговечность и надежность.

Обеспечение теплонапряженности деталей ЦПГ на уровне базового двигателя требует проведения серьезных теоретических и экспериментальных исследовании для сохранения показателей надежности и долговечности двигателя. Поэтому задача расчета и прогнозирования температурных полей в ЦПГ, формирующихся под влиянием различных конструктивных, регулировочных и эксплуатационных факторов при конвертировании дизеля в газовый двигатель, является актуальной.

Цель диссертационной работы.

Разработка расчетно-экспериментальных методов оценки тепловой напряженности ЦПГ серийного дизельного двигателя, конвертируемого в газовый, и влияние на нее различных конструктивных и регулировочных факторов для определения эффективности конвертации в процессе доработки и опытной эксплуатации.



Основные задачи работы:

  • выбор и обоснование метода измерения локальных температур в деталях ЦПГ при конвертации дизельного двигателя;
  • создание экспериментальной установки для исследования теплонапряженности деталей ЦПГ конвертированных газовых двигателей;
  • проведение аналитических и экспериментальных исследований теплонапряженности цилинропоршневой группы конвертируемого газового двигателя КамАЗ-740.13Г;
  • создание математической модели и усовершенствование компьютерных программ для оценки теплонапряженности поршня газового двигателя;
  • разработка технических решений и конструкторской документации по конвертированию дизеля в газовый двигатель с сохранением его эксплутационных характеристик и их реализация на базе проведенных стендовых испытаний.

Научная новизна.

Усовершенствована разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана модель теплообмена в камере сгорания газового двигателя, применимая для исследования теплонапряженности любых дизельных двигателей с диаметром цилиндра до 150 мм, конвертируемых на природный газ.

Усовершенствован метод измерения локальных температур неподвижных и движущихся деталей двигателя с использованием кристаллических измерителей максимальной температуры.

Впервые определены термические граничные условия III рода для теплового состояния поршня двигателя с искровым зажиганием, работающего на природном газе.

Уточнены значения эмпирических величин для газовых двигателей в формуле осредненного по поверхности камеры сгорания коэффициента нестационарной теплоотдачи предложенной МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Защищаемые положения:

  • уточненный теоретически и экспериментально обоснованный метод измерения локальных температур, основанный на использовании кристаллических измерителей максимальной температуры;
  • методика и реализующая ее экспериментальная установка для исследования теплонапряженности ЦПГ газовых двигателей;
  • усовершенствованная модель рабочего процесса и теплонапряжёности основных деталей цилиндропоршневой группы газового двигателя;
  • научно обоснованные и экспериментально подтвержденные рекомендации по конструктивным изменениям дизельных двигателей размерности 12/12 при их конвертировании для работы на природном газе по циклу V=const.

Практическая ценность и реализация работы:

  • разработаны практические рекомендации по конвертированию дизеля КамАЗ-7405 (8ЧН 12/12) в газовый двигатель КамАЗ -740.13.Г;
  • сформулированы требования к конструкции поршня, обеспечивающие сохранение уровня теплонаряжённости газового двигателя на уровне базового на всех рабочих режимах;
  • разработанные технические средства и методика измерения локальных температур ЦПГ, математические модели и компьютерные программы могут быть использованы при конструировании конвертируемых на природный газ дизелей мощностью 250-350 кВт;
  • результаты работы применены в Георгиевском ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Ставрополь» при конвертировании двигателя седельного тягача КамАЗ-5410 на природный газ, используемого в настоящее время для перевозки сжиженного углеводородного газа. Они также распространены для использования в другие газотранспортные предприятия ООО «Газпром».

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы обсуждались на:

  • 4-ой российской национальной конференции по теплообмену «Радиационный и сложный теплообмен. Теплопроводность, теплоизоляция» (Москва, 2006);
  • 7-ой конференции молодых работников ООО «Газпром трансгаз Ставрополь» (Георгиевск, 2008);
  • заседании научно-технического совета ООО «Газпром трансгаз Ставрополь» (Ставрополь, март 2009);
  • заседании секции «Транспорт газа и промышленная безопасность» Ученого Совета ООО «Газпром ВНИИГАЗ».

Публикации.

Основные положения диссертационной работы изложены в 9 печатных работах, в том числе 1 в издании, включенном в «Перечень рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Минобрнауки РФ».

Объем и структура диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 133 страницах и включает в себя 9 таблиц, 53 рисунка. Библиографический список содержит 95 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, определены объект и предмет исследования.

В первой главе проведен анализ расчетно-теоретических и экспериментальных методов определения температурных полей поршня быстроходных дизелей.

По его результатам в данной работе предпочтение отдано экспериментальному методу, разработанному в ИАЭ им. И.В. Курчатова Российской академии наук, основанному на применении кристаллических измерителей максимальной температуры (ИМТК), получаемых облучением нейтронами в ядерном реакторе алмаза и карбида кремния.

Анализ различных расчетно-теоретических методов определения локальных тепловых нагрузок на основные детали двигателя позволил сделать вывод о необходимости затраты существенных временных ресурсов при моделировании влияния каждого из параметров. Поэтому в работе было решено использовать экспериментальные методы исследования тепловых нагрузок.

Анализ методов решения задач теплопроводности показал, что расчет теплового состояния поршня следует провести в трехмерной постановке с использованием численных методов. При этом выбран метод конечных элементов, как наиболее применяемый в современных программных комплексах, в таких, как, например, ANSYS.

В главе обоснован выбор метода индицирования рабочего процесса в отдельном цилиндре двигателя и требования к конструкции экспериментальной установки для его реализации.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки и методики проведения экспериментальных исследований теплового состояния поршня газового двигателя.

В главе проведено обоснование выбора объекта исследования – дизельного двигателя КамАЗ-740.13-260.

Проведенные аналитические исследования показали, что для конвертирования дизеля КамАЗ-740.13-260 в газовую модификацию необходимо обеспечить:

  • доработку отверстия под форсунки в головке цилиндров для установки свечей зажигания;
  • доработку камеры сгорания в поршне с целью снижения степени сжатия и организации рабочего процесса с внешним смесеобразованием;
  • доработку впускных коллекторов для установки электромагнитных клапанов распределенной фазированной подачи газа;
  • доработку маховика двигателя для установки датчика частоты вращения и отметки ВМТ;
  • установку датчика фазы с приводом от распределительного вала;
  • установку газового коллектора;
  • установку электроуправляемого дроссельного узла на впускном тракте;
  • применение промежуточного охлаждения наддувочного воздуха;
  • создание системы зажигания с микропроцессорным управлением;
  • установку процессора для микропроцессорной системы управления;
  • трассировку и установку жгута проводов с разъемами.

С учетом выработанных условий осуществлено конвертирование дизельного двигателя КамАЗ-740.13-260 в его газовую модификацию, получившую наименование КамАЗ-740.13Г.

Технология конвертации дизеля в газовый двигатель с искровым зажиганием предусматривала доработку камеры сгорания в поршне, производимую с учетом результатов расчетных исследований по влиянию геометрии камеры сгорания на мощностные и топливно-экономические показатели газового двигателя. В дизеле КамАЗ-740.13-260 используются поршни со смещенной от оси цилиндра камерой сгорания, имеющей выступ (рис.1).

На основании расчётных исследований были сформулированы требования к конструкции поршня газового двигателя. По результатам, которых был увеличен объем камеры сгорания с целью снижения степени сжатия с 17 до 11,53, при которой обеспечивается бездетонационное сгорание топлива на всех режимах. Доработка камеры сгорания включала срезание выступа и увеличение

Рис. 1. Поршень дизеля КамАЗ-740.13-260 со смещенной от оси цилиндра камерой сгорания. Рис. 2. Поршень газового двигателя КамАЗ-740.13Г с увеличенным объемом камеры сгорания.

ее диаметра, в результате получилась центральная цилиндрическая камера с закруглением у основания (рис.2).

Доработка впускных коллекторов предусматривала установку электромагнитных клапанов подачи газа непосредственно у впускного клапана каждого цилиндра. Газовый коллектор для питания газом был установлен в развале блока цилиндров, а соединение с клапанами производилось при помощи дюритовых шлангов.





Датчик частоты был установлен на картере маховика, что обеспечивало хорошую доступность к нему с целью диагностики и замены. Для формирования сигнала частоты и верхней мертвой точки (ВМТ) на маховике были профрезерованы 58 выступов.

Датчик фазы смонтирован в развале блока цилиндров на валу привода топливного насоса высокого давления дизеля.

Кроме того, был установлен дроссельный узел с электроприводом и датчиком положения дроссельной заслонки. Электропривод дроссельного узла позволил применить электронную педаль открытия дросселя.

Система зажигания с микропроцессорным управлением включала свечи зажигания, провода высокого напряжения, индивидуальные катушки зажигания, индуктивный датчик частоты и процессор с силовым блоком. Оптимальные характеристики угла опережения зажигания определялись в процессе отработки алгоритма микропроцессорной системы управления (МПСУ) при стендовых испытаниях.

Для снижения тепловых нагрузок деталей цилиндропоршневой группы было применено промежуточное охлаждение наддувочного воздуха по схеме воздух – воздух с алюминиевым радиатором.

Структурная схема газового двигателя КАМАЗ-740.13Г с искровой системой зажигания, наддувом и микропроцессорной системой управления на базе дизеля КАМАЗ-740.13-260 представлена в диссертационной работе.

Путем оптимизации на всех режимах подачи топлива и угла опережения зажигания были обеспечены:

  • надежный пуск двигателя при различных температурах окружающего воздуха;
  • стабильная его работа на холостом ходу и снижение расхода топлива на прогрев;
  • выбор момента зажигания с учетом границ по детонации;
  • равномерность крутящего момента;
  • минимизация расхода топлива на всех режимах с учетом состава отработавших газов;
  • снижение выбросов токсичных веществ с отработавшими газами путем использования - регулирования с последующей нейтрализацией токсичных веществ.

Индицирование двигателя проводилось с использованием высокоточного пьезокварцевого датчика давления производства фирмы AVL, обеспечивающего погрешность измерений в пределах 0,5%.

Основные характеристики газового двигателя КамАЗ-740.13Г, полученные при испытаниях, приведены в таблице1.

Таблица 1. Основные характеристики газового двигателя КамАЗ-740.13Г

Тип двигателя: газовый конвертированный из дизеля КамАЗ-740.13-260 Число и расположение цилиндров: 8V Рабочий объем, см3: 10887
1. Номинальная мощность (Ne), кВт (л.с.) 176 (239,4)
2. Номинальная частота вращения (n), мин-1 2200
3. Максимальный крутящий момент (Me), Нм 910
4. Частота вращения при максимальном крутящем моменте, мин-1 1400 – 1500
5. Степень сжатия () 11,53
6. Максимальный эффективный КПД 0,36

Испытания проводились на компримированном природном газе (состав согласно ГОСТ 27577-87).

Для проведения экспериментальных исследований теплового состояния основных нагруженных деталей быстроходного газового дизеля в работе был разработан и реализован бесконтактный метод измерения локальных температур с использованием кристаллических измерителей максимальной температуры (ИМТК), полученных при отжиге дефектов, возникших в алмазе или карбиде кремния под действием нейтронного облучения. Преимуществами этих датчиков являются простота их установки и извлечения, возможность установки в любой точке исследуемой детали. Относительная погрешность (если время их выдержки при проведении исследований одинаково) - ±3 0С

Применяемые ИМТК, изготовлены в ИАЭ им. И.В. Курчатова. Расшифровка датчиков после испытаний проводилась там же. Среднее квадратичное отклонение замеряемой температуры в температурном интервале 200-350 0С составляет 2-3 0С.

На рис. 3 приведена схема расположения датчиков температуры на головке и на поршне 1-ого цилиндра газового двигателя. Испытания проводились при номинальном режиме работы двигателя.

 Расположение датчиков температуры-2

Рис. 3. Расположение датчиков температуры на головке и на поршне 1-ого цилиндра газового двигателя с наддувом КамАЗ-740.13.Г

( –ИМТК 1,0; –хромель-копелевые термопары ХК 0,7). Глубина расположения датчиков ~1,5 мм от тепловоспринимающей поверхности.

В таблице 2 приведены результаты измерения локальных температур в указанных на рис. 3 точках головки цилиндра и поршня.

Используемые для сравнения экспериментальные значения локальных температур базового дизеля КамАЗ-7405 при идентичном режиме работы получены ранее в МГТУ им. Н.Э. Баумана с двумя различными вариантами головки цилиндра. При этом экспериментальная головка обеспечивала повышенную на ~ 20 % интенсивность закрутки потока впускного воздуха по сравнению серийной головкой за счет специального профилирования впускного канала.

Таблица 2. Результаты измерения температур

Двигатель: КамАЗ-740.13.Г(8ЧН 12/12, =11,53) конвертированный на природный газ с искровым зажиганием. Режим работы: Ne=174,3 кВт; Me=757 Нм; часовой расход воздуха – Gвозд =0,1068 г/ч и газа Gгаза=0,0046г/ч на 1 цилиндр; n=2200 мин-1; давление наддува – pk=1, 47бар; суммарный коэффициент избытка воздуха – в=1,338; максимальное давление цикла – pz=74,6 бар при угле поворота коленчатого вала – =3790; угол опережения зажигания – опережения впрыск.=23,70.
Деталь Поршень Головка
№ датчика 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ХК
Расстояние r, мм 57,8 41,7 33,8 13,1 9,0 44,7 18,0 9,0 56,0 40,0
Температура, 0С 320 327 257 243 242 322 242 257 200 188


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.