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 | 4 | 5 |

Повышение эффективных и экологических показателей двс газодинамическими методами

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЕНИКЕЕВ Рустэм Далилович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВС ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Специальность:

05.04.02 – Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Уфа - 2009

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гришин Юрий Аркадьевич

доктор технических наук, профессор

Кукис Владимир Самойлович

доктор технических наук, профессор

Лобов Николай Владимирович

Ведущее предприятие: ОАО Уфимское моторостроительное

производственное объединение

Защита состоится «___» __________ 2009 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, К. Маркса 12, УГАТУ, актовый зал ученого совета (1 корпус).

Телефон (347) 273-77-92, факс (347) 272-29-18, e-mail: admin@ugatu.ac.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО УГАТУ.

Автореферат разослан «___» _________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Ф.Г. Бакиров

Общая характеристика работы

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.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанной с разработкой принципов организации газообмена ДВС, направленных на улучшение его наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска, формулируется цель работы, основные направления исследований, приводятся выносимые на защиту положения и краткое содержание работы.

В первой главе проведен анализ работ, связанных с темой научного исследования. Рассмотрены и проанализированы научные труды, посвященные проблемам организации газообмена в ДВС, таких ученых, как А.С. Орлин, М.Г. Круглов, Б.П. Рудой, А.С. Соколик, В.П. Карпов, Н.А. Иващенко, Ю.А. Гришин, С.Р. Березин, И.А. Черный, Dennison, Jenny E., Benson R., Wright E.H., Ricardo H.R., Hempson J.G.G., Gill K.F., Auriemma M., Blair G.P., Gatowski J.A., Heywood J.B., Deleplace C., Gosman A.D., Arcoumanis C., Bae C. S. и др. Показано, что к настоящему времени общие принципы конструирования ГВТ для обеспечения высокого наполнения достаточно хорошо изучены; в работах Б.П. Рудого сформулирована схема ГВТ для получения предельного коэффициента наполнения. Однако, многообразие требований, предъявляемых к современным ДВС наряду с требованием высокого наполнения, вызывает необходимость развития этой схемы, главным образом для обеспечения экономичности двигателя в поле режимов и удовлетворения нормам токсичности, а также снижения шума выпуска. Экономичность двигателя и нормы токсичности могут быть обеспечены созданием требуемого характера внутрицилиндрового течения воздушного заряда. Рассмотрено влияние закрутки заряда на эффективные показатели двигателя, токсичность ОГ, склонность двигателя к детонации.

На основании анализа исследований показано, что существуют оптимальные значения величин, характеризующих газодинамическое состояние свежего заряда (например, вихревого отношения ), при которых индикаторный КПД двигателей как с искровым воспламенением, так и дизелей достигает максимума. Превышение оптимального вихревого отношения приводит к бльшему снижению индикаторного КПД из-за возрастания теплоотдачи, чем выигрыш за счет интенсификации смесеобразования и сгорания. Увеличение сверх оптимального не может быть рекомендовано и ввиду повышения максимальной температуры цикла и, соответственно, склонности двигателя к детонации, максимального давления цикла и скорости нарастания давления. Также показано, что детонационная стойкость двигателя определяется организацией интенсивного горения за счет закрутки заряда, инициированной на впуске и поддержанной на такте сжатия и горения. Организация вихревого движения в КС позволяет расширить концентрационные пределы распространения пламени в сторону бедных смесей, минимизировать движение фронта пламени перпендикулярно стенке цилиндра, интенсифицировать турбулентность на малых нагрузках, что снижает токсичность ОГ ДВС. Кроме того, закрутка заряда должна свести к минимуму локальные неоднородности состава топливовоздушной смеси в КС.

Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что существует понимание механизмов влияния конструктивных факторов на показатели газообмена и на эффективность цикла, и в значительной степени – на токсичность, а также на газодинамический шум ДВС. В каждой из этих областей созданы математические модели частного вида, в которых описание динамики явлений ведется, как правило, с невысокой детализацией. C другой стороны, современный уровень развития вычислительной техники и методов численного моделирования стал предпосылкой к применению детальных моделей процессов в тепловых двигателях (ТД). Такие модели характеризуются высокой пространственно-временнй детализацией и малой ролью делаемых при их выводе допущений и поэтому могут потенциально обеспечить достоверные результаты при исследовании сложных термогазодинамических процессов. Однако для применения моделей такого класса и достижения стабильно достоверных результатов требуется высокий уровень методического и программного обеспечения и значительные вычислительны ресурсы, что делает достижение практически полезных результатов моделирования с их применением проблематичным или неоправданно затратным. Таким образом, несмотря на значительные результаты, полученные как в понимании сущности явлений в ГВТ, сопровождающих рабочий процесс ТД, так и в области их детального моделирования, слабо разработаны практичные методики «сквозного» моделирования рабочих процессов, направленные на получение достоверных результатов в ответ на запросы практики совершенствования рабочих процессов ТД. Все вышесказанное делает актуальной разработку принципов организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленных 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, а также математических моделей и методик расчета процессов в ГВТ с учетом закрутки заряда.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

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.