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 |

Совершенствование системных технических решений в базовых дизелях при формировании модельного ряда

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мурзин Владимир Станиславович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМНЫХ

ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В БАЗОВЫХ ДИЗЕЛЯХ

ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МОДЕЛЬНОГО РЯДА

05.04.02 – Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск – 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет) и ООО «ГСКБ «Трансдизель».

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Рождественский Юрий Владимирович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Еникеев Рустэм Далилович;

доктор технических наук, профессор

Суркин Вячеслав Иванович.

Ведущая организация – ОАО «НИИД», г. Москва.

Защита состоится 30 ноября 2011 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.298.09 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд. 1001 гл. корп.

Е-mail: D212.298.09@mail.ru, тел/факс (351)267-91-23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет).

Отзывы на автореферат, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять в двух экземплярах по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «_____» октября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Е.А. Лазарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Оценка состояния развития современных двигателей внутреннего сгорания показывает, что рост удельной мощности следует рассматривать как объективную закономерность, следуя которой необходимо сосредоточить усилия на совершенствовании рабочего процесса, конструкции и эксплуатационных материалов. Повышение технического уровня дизелей включает несколько аспектов: проектирование и производство с использованием современных передовых технологий, воплощение и развитие в конкретных конструкциях новых и известных апробированных технических решений, использование эксплуатационных материалов повышенного качества.

Достигнутые уровни удельной мощности и топливной экономичности отечественных дизелей несколько уступают аналогичным показателям лучших зарубежных образцов. Это относится и к уровням надежности, ресурса, выбросов вредных веществ, шума и вибрации дизелей. В России ощущается дефицит в отечественных дизелях практически всех типов и назначений, отвечающих требованиям мирового технического уровня. Интегрирование России в мировое экономическое сообщество неминуемо приведет к обострению конкурентной ситуации для современных отечественных дизелей с позиций обеспечения высоких технико-экономических показателей во многих важнейших отраслях народного хозяйства. С учетом многообразия областей применения дизелей задача выхода отечественного дизелестроения на мировой уровень является актуальной и сложной в реализации. Однако резервы в этой области далеко не исчерпаны.



Использование современных методов проектирования, развитие известных и разработка новых системных технических решений с применением прогрессивных технологий и новых материалов при совершенствовании рабочего цикла, основных механизмов и обслуживающих систем, корпусных деталей, микропроцессорного управления – необходимые условия повышения конкурентоспособности дизелей. Важнейшей проблемой является реализация в условиях отечественного производства передового опыта фирм США, Европы и Японии.

Аналогичными задачами в России и за рубежом занимаются ведущие компании ЯМЗ, АМЗ, КамАЗ, ММЗ, СМД, Caterpillar, MAN, Deutz, AVL, Ricardo, Cammins, Mitsubishi и др.

Решающим условием решения этих задач является использование достижений отечественной науки, при создании дизелей с повышенными потребительскими свойствами. Для выполнения этого условия требуется научно-обоснованный анализ и отбор эффективных технологий, технических средств и решений на основе выполненных экспериментальных исследований и отечественного опыта по достижению следующих показателей технического уровня: удельный эффективный расход топлива не более 200 г/кВт·ч, содержание вредных компонентов в отработавших газах и дымность ОГ на уровне требований Гост Р41.96-2005 для внутреннего рынка и Tier 4 (Stage IV) для экспорта. Достижение этих показателей представляет собой актуальную теоретическую и экспериментальную задачу.

Цель работы. Повышение технического уровня базовых дизелей при создании модельного ряда с широким диапазоном мощностей за счет совершенствования системных технических решений.

Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:

  1. Разработать концепцию базового дизеля жидкостного охлаждения для модельного ряда.
  2. Обосновать параметры камеры сгорания, процессов топливоподачи, воздухоснабжения и смесеобразования в рабочем цикле при использовании их для создания модельного ряда дизелей.
  3. Оценить тепломеханическую нагруженность деталей цилиндропоршневой группы, подшипников, блок-картера и других узлов и обосновать изменение и совершенствование их конструкции в базовом дизеле.
  4. Экспериментально установить эффективность расчетно-теоретического обоснования системных технических решений в базовых дизелях.

Объект исследования. Процессы рабочего цикла и тепломеханической нагруженности узлов и деталей.

Предмет исследования. Закономерные связи процессов рабочего цикла дизеля с тепломеханической нагруженностью узлов и деталей.

Методы исследования. Математическое моделирование внутрицилиндровых процессов рабочего цикла, теплообмена и теплопередачи в цилиндре, гидродинамических процессов в трибосопряжениях, а также теплового и напряженно-деформированного состояния деталей и узлов базового дизеля с использованием методов конечных элементов. Экспериментальные исследования дизеля и элементов его систем с использованием стандартных и оригинальных образцов измерительной аппаратуры и методов испытаний.

Научная новизна

1.Теоретически обоснованы и определены показатели эффективности и экономичности базового дизеля новой размерности с открытой камерой сгорания при комплексном изменении: относительного объема, доли объемного смесеобразования, вихревого отношения воздушного заряда в камере сгорания и запальной порции при разделенном впрыскивании топлива. Выявлены закономерности влияния и предложены соотношения между этими параметрами, позволившие, в конечном итоге, существенно улучшить рабочий цикл двигателя.

2. Разработана оригинальная модель системы «корпус – головки цилиндров – поршень – систем охлаждения и газообмена» на основе использования технологии FSI (Fluid-Structure Interaction analysis), объединяющей современные методы механики жидкости и газа, теплофизики и механики деформируемого твердого тела, позволившая комплексно оценить тепломеханическую напряженность базовых узлов дизеля.

Практическая ценность

1. Для формирования модельного ряда обоснованы системные положения концепции создания базовых дизелей жидкостного охлаждения новой размерности с заданным диапазоном мощности и метод их осуществления с учетом общности схемных, функциональных и конструктивных решений.

2. Разработана методика расчета показателей эффективности и экономичности дизеля с открытой камерой сгорания с учетом влияния относительного объема, доли объемного смесеобразования, вихревого отношения воздушного заряда камеры сгорания и запальной порции при разделенном впрыскивании топлива.

3. Развита методика оценки тепломеханических параметров дизеля на основе использования конечно-элементных твердотельных и газожидкостных CFD моделей, позволившая учесть особенности течения газожидкостных потоков для оценки теплового и напряженно-деформированного состояния картера, цилиндропоршневой группы, головки цилиндров, подшипников и в конечном итоге повысить их надежность.

4. Уточнена методика расчета подшипников коленчатого вала, учитывающая отклонения форм поверхностей трения подшипника не только в окружном (некруглость), но и в осевом (нецилиндричность) направлениях, что позволило обосновать технологические отклонения опор и шеек коленчатого вала базового дизеля.

Реализация результатов. Результаты работы использованы ООО «ЧТЗ-Уралтрак» при создании конкурентоспособных базовых дизелей жидкостного охлаждения серии Т. В базовых дизелях реализованы системные технические решения по обеспечению основных показателей рабочего цикла, корпусным деталям, основным механизмам и устройствам.

На основе базовых дизелей разработан модельный ряд дизелей жидкостного охлаждения с диапазоном мощностей от 44 до 550 кВт, показатели технического уровня которого отвечают современным требованиям.

Результаты диссертационной работы использованы при проектировании основных систем новых дизелей в ОАО «Научно-исследовательский институт двигателей», при сертификационной оценке тракторных дизелей в ОАО «Научно-исследовательский институт автотракторной техники», в учебном процессе кафедр «Двигатели внутреннего сгорания» и «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей» ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждены и одобрены на региональных, межрегиональных и международных научно-технических конференциях: в Челябинском государственном агроинженерном университете (ЧГАУ, 2008 г.); Московском государственном автодорожном техническом университете (МАДИ (ГТУ), 2009 г.); МГТУ им. Баумана (2010 г.), Южно-Уральском государственном университете (Челябинск: ЮУрГУ, 2008–2011 гг.); Санкт-Петербург: ВИТУ, 2009 г., Самарском государственном аэрокосмическом университете (Самара: СГАУ, 2011 г.).

Диссертационная работа одобрена на научных семинарах кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» ЮУрГУ и кафедры «Тракторы и автомобили» ЧГАА.

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы изложены в 12 работах, в том числе 10 – в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 – в материалах международных конференций.

Личный вклад автора. Основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований получены лично и с участием автора при выполнении научно-исследовательских работ по созданию модельного ряда дизельных двигателей жидкостного охлаждения мощностью от 45 до 550 кВт в соответствии с государственным контрактом № 8411.0816900.10.002 от 18.04.2008 между ООО «ЧТЗ-Уралтрак» и министерством промышленности и энергетики РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка (129 источников) и приложения. Диссертация содержит 187 страниц, 32 таблицы, 75 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечается, что в ряд актуальных экономических и экологических проблем развития дизелей выдвигаются: снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ), расхода топлива, шумности, вибрации и повышение ресурса. Решение этих проблем достигается совершенствованием рабочего цикла, агрегатов и узлов дизеля на основе прогрессивных технических решений и современных технологий.

В первой главе выполнен анализ задач совершенствования рабочего цикла и конструктивных особенностей современных транспортных дизелей. Отмечаются основные тенденции развития процессов, составляющих рабочий цикл, требования к экологическим показателям, топливной экономичности, мощности, тепломеханической нагруженности дизелей. Рассматриваются основные направления повышения технического уровня базовых дизелей и на основе краткого обзора работ формулируются цель и задачи настоящего исследования.





Во второй главе рассматриваются базовые дизели как элементы структуры модельного ряда. Определяются основные параметры их технического уровня. Анализируются принципы организации малотоксичного рабочего цикла и особенности механизмов и систем базовых дизелей.

Приведены методы теоретического обоснования анализируемых технических решений на стадии проектирования и на этапе испытаний макетных образцов. Моделирование основных процессов и рабочего цикла дизеля в диссертационной работе осуществляется с использованием зависимостей термодинамики и химической кинетики. Свойства топлива описываются его элементарным химическим составом (содержание углерода С, водорода Н и кислорода О), определяющим количество воздуха L0, теоретически необходимое для сгорания, и низшей теплотой сгорания Hu.

При выполнении теоретических исследований использована методика синтеза рабочего цикла дизеля, разработанная на кафедре ДВС ЮУрГУ. В математическую модель рабочего цикла отдельными блоками входят математические модели следующих процессов: впуска, сжатия, сгорания и расширения, а также синтез индикаторных показателей рабочего цикла. Математическое моделирование кинетики процесса сгорания выполнялось с использованием развитого Е. А. Лазаревым уравнения выгорания И. И. Вибе для характеристик выгорания сложного типа в виде

x = 1 – exp[– 6,908( / н) mн – mo ( / z) mo + 1], при > н, mн = mo, (1)

где mн, mo – показатели характера сгорания начального и основного периода;

н, z – продолжительности начального периода и процесса сгорания.

Приведенная зависимость учитывает наличие двух максимумов скорости тепловыделения в процессе сгорания.

Для учета изменения состава рабочего тела в процессе сгорания использовано уравнение динамики (давление в конце элементарного участка) процесса сгорания, предложенное А. Н. Лавриком и развитое Д. К. Алексеевым

Pj = {[qz (kj,ср – 1) j,ср /(j –1 R T j –1)] x + 1} [( j –1) /( j)] kj,ср (P j –1 /D), (2)

где D = j j –1 /(j –1 j ); qz – общая удельная использованная теплота сгорания;
kj,cp – среднее отношение теплоемкостей рабочего тела; j,ср – молекулярная масса рабочего тела; j –1 – коэффициент изменения массы; R – универсальная газовая постоянная; (j –1) – функция изменения объема; Pj –1, T j –1 – давление и температура рабочего тела; j – коэффициент молекулярного изменения; j, j–1 – границы элементарного участка; x – доля выгоревшего топлива на элементарном участке.

Для оценки изменения коэффициента эффективности процесса сгорания в зависимости от продолжительности процесса сгорания, коэффициента избытка воздуха и частоты вращения коленчатого вала n дизеля использовалось уравнение, предложенное Е.А. Лазаревым

= 1 – 2,38 z / (n ). (3)

В целях теоретического обоснования ниже оценивалось влияние на показатели рабочего цикла базовых дизелей:

– относительного объема Vk/Vс и доли объемного смесеобразования с учетом рекомендаций М. С. Гитиса по изменению параметров процесса сгорания,

– вихревого отношения воздушного заряда в камере сгорания и относительной величины запальной порции при разделенном впрыскивании топлива по предложенных автором изменениям параметров процесса сгорания.

Математическое моделирование рабочего цикла дизеля производилось с использованием программы SYNG, составленной Д. К. Алексеевым.

Обзор литературных источников и опыт проектирования дизелей различной размерности позволил выявить определенные закономерности и сформировать соотношения между параметрами процесса сгорания, влияющими на топливную экономичность и экологию дизеля. Для принятой размерности 13/15, неизменных значений мощности (Рi = const) и частоты вращения коленчатого вала (n = const) дизеля предложены эмпирические связи и определено влияние следующих факторов на показатели рабочего цикла:

– влияние относительного объема Vk/Vс камеры сгорания определялось с учетом уравнения (3) и выражений, полученных М.С. Гитисом при условиях mн/mн0 = 1,0 и Vk/Vс = var:

/0 = 0,45 + 0,55(Vk/Vk0), /0 = 0,70 + 0,30(Vk/Vk0), (4)

mo/mo0 = 5,81 – 4,81(Vk/Vk0), /0 = 2,28 – 1,28(Vk/Vk0).

Здесь и далее индекс «0» – для исходных значений в дизеле 4Т371.

– влияние доли объемного смесеобразования в камере сгорания определялось с учетом уравнения (3) и выражений, полученных М.С. Гитисом при условии = var:

/0 = 0,93 + 0,07(/ 0), /0 = 0,98 + 0,02(/ 0), (5)

mн/mн0 = –14,0 + 15,0(/ 0), mo/mo0 = 1,50 – 0,50(/ 0), /0 = 0,70 + 0,30(/ 0).

– влияние вихревого отношения воздушного заряда в камере сгорания определялось с учетом уравнения (3) и выражений, полученных автором, при условиях /0 = 1,0 и = var:

/0 = 1 – 0,24, mн/mн0 = 1 + 140, (6)

mo/mo0 = 1 + 10, /0 = 1 + 4.

– влияние относительной величины запальной порции при управляемом (разделенном)впрыскивании топлива определялось с учетом уравнения (3) и выражений, полученных автором, при условиях /0 = 1,0 и = var):

/0 = 1 – 0,24, mн/mн0 = 1 + 140, (7)

mo/mo0 = 1 + 10, /0 = 1 + 4.

Предложенные соотношения использованы при расчете рабочего цикла и экспериментально подтверждены при совершенствовании системных технических решений: камеры сгорания, элементов систем топливоподачи и газообмена.

Тепловое состояние поршня. Характеризуется теплоотдачей от рабочих газов к его днищу, от внутренней поверхности к маслу и контактным теплообменом с поршневыми кольцами, поршневым пальцем и гильзой цилиндра.

Теплообмен рабочих газов с днищем поршня определялся с учетом граничных условий третьего рода. По текущим значениям коэффициента теплоотдачи и температуры Т газов рассчитывались эквивалентные значения э и Тэ. Определение Т выполнялось термодинамическим анализом индикаторной диаграммы давления Р, для оценки использовалась известная зависимость G. Woschni

, (8)

где – постоянный коэффициент; – скорость газов, D – диаметр цилиндра

Следуя рекомендациям А. К. Костина, Р. М. Петриченко и А. В. Николаенко, учитывалась теплоотдача по поверхности днища на диаметре D цилиндра и в зазоре между юбкой поршня и гильзой цилиндра.

Тепловое и напряженно-деформированное состояние картера. Тепловое и напряженно-деформированное состояние различных конструктивных решений картера оценивалось на установившемся тепловом режиме в сравнительной постановке на основе предположения о стационарности теплового поля. Это обусловлено незначительной долей в нагруженности картера нестационарной составляющей термодинамических процессов по причине достаточной жесткости и теплоемкости гильз и головок, воспринимающих воздействие рабочих газов непосредственно. Тепловые напряжения, связанные с градиентами стационарной составляющей температур, для основного объема картера существенно выше тепловых напряжений от ее переменной составляющей.



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.