автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Газовая динамика выпускной системы в рабочем процессе судовых дизелей с изобарным наддувом

РГб од

1 9 ДПРОСЭДЮрТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ им. адм. С.О. Макарова

На правах рукописи Смирнов Дмитрий Сергеевич

9ЛК 621.43:532.5.001.24

ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА ВЫПУСКНОЙ СИСТЕМЫ В РАБОЧЕМ ПРОЦЕССЕ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ С ИЗОБАРНЫМ НАДДУВОМ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические' установки

(главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербцрг 1993

Работа выполена на кафедре судовых двигаталей внутренней сгорания Государственной морской академии им. С.О. Макарова

Научный рцководитель: доктор технических надк,

профессор Камкин C.B.

Официальные оппоненты: доктор технических надк,

профессор Овсянников М.К., кандидат технических надк, старший научный сотрудник Красовский О.Г.

Ведуцее предприятие: Центральный научно-исследовательский

и проектно-конструкторский институт морского флота (ЦНИИМФ)

Защита диссертации состоится _— 1933 год!

в fff— час. мин. на заседании специализированного совет.

Д.101.02.01 в Государственной морской академии имрни С.О. Макаров, по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, д. 14-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Bai отзыв на автореферат ïb двух экземплярах, заверенный печаты дчреждения, просим направлять по указанномд адресу на имя ученоп секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан "____"_______________ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета д.т.н., профессор

Денисенко Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Важной частью задачи снижения збестоимасти перевозок морским транспортом является поиск путей эздания экономичных и надежных энергетических установок.

Современные суда оснащаются главными дизелями с изобарным аддувом. Их высокие техники-экономические показатели в значительной гепени определяются совершенством процессов прямоточно-клапанного азообмена и эффективностью агрегатов наддува.

Снижение потерь энергии газов в выпускной системе и интенсифика-ии газообмена вследствие увеличения мощности турбокомпрессора и аряда воздуха в цилиндре создают предпосылки для дальнейшего орсирования рабочего цикла.

Большинство исследований газовой динамики выпускных систем освящено изучению процессов в дизелях с импульсным наддувом, звестно больное число экспериментальных и расчетных работ по выбору птимальных конструкций выпускных трубопроводов. В этих работах вижение газов в выпускных трубопроводах рассматривалось в одно -вумерном приближении в составе замкнутых численных моделей рабочего роцесса.

В изобарных системах наддува принцип "сглаживания", заложенный

их основу, позволял не учитывать влияние динамических явлений в ыпускных трактах. Однако экспериментальные данные фирмы МАИ Б и В окалывают, что в прямоточно-клапанных дизелях с изобарным наддувом мплитуды колебания давления в выпускном коллекторе и воздушном есивере превыиают общий динамический перепад на продувку и могут ызвать ухудшение процесса очистки-наполнения цилиндров.

Известно также, что присущее этим системам интенсивное смешение отоков газа в вуп>: ,<ном коллекторе и связанные с ним дисгипативные отери снижают энергетические характеристики тракта.

Задача умгнъиения потерь энергии газа и интенсификации гтообме а становится особенно актуальной в связи с дальнейшим форсированием изелей наддувом и увеличением расхода воздуха в рабочем процессе овременных двигателей. Например, в высокофорсированных дизелях фирмы агЧзПа типа ийБА 46 с постоянным давлением наддува Р^ " 0.4 МПа ля упорядочения движения газа к турбине, снижения потерь -¡иергии и овериенствойания процесса газообмена вводится профилированный ыпускной коллектор.

Течение газа в объеме выпускного коллектора двигателя с изойар-нм наддувом носит пространственный характер и не может рассматри-аться в рамках одно - двумерной теории. Требуется углубление опыта

- г -

численного моделирования на основании описания трехмерных потоков газовыпускных трактах, их влияния на процессы в цилиндре в перио газообмена и формирование параметров газа перед турбиной.

Следовательно с позиции развития численных моделей рабочег процесса и обоснования применяемых конструктивных ремений, направлен них на улучвение технико-экономических характеристик современны высокофорсированных судовых дизелей с изобарным наддувом задач исследования газовой динамики выпускной системы и ее влияния н рабочий процесс дизеля является актуальной.

Цель работы состоит в разработке численных моделей рабочег процесса судовых малооборотных дизелей с изобарным наддувом с учето газовой динамики, выпускных трактов.

Методика исследований основывается на опыте численного моделиро вания рабочих процессов судовых дизелей и решении многомерных зада1 газовой динамики по методу С.К. Годунова.

Достоверность резцльтатов модельных исследований определяете: постановкой задачи в рамках основных законов сохранения и проверко! адекватности результатов моделирования с экспериментальными данным! фирмы HAH - БиВ и с полученными автором на стенде Брянского мамино строительного завода.

Научная новизна заключается в следующем:

- Разработана и программно реализована замкнутая модель рабочей процесса малооборотнго судового дизеля с прямоточно-клапанным газо обменом с учетом газовой динамики выпускной системы, представление! схемой трехмерного течения газа в выпускном коллекторе.

- Исследованы нестационарная структура объемного течения газа i выпускных коллекторах различной конфигурации и влияние конструктивны! элементов выпускной системы на протекание газообмена в цилиндра: дизеля.

- Разработаны рекомендации по интенсификации газообмена i повышению экономичности малооборотных дизелей выпуска Брянской машиностроительного завода.

- Обоснованы допущения и показана возможность создания упрощенных математических моделей для инженерных расчетов рабочих процессоЕ современных малооборотных дизелей с изобарным наддувом.

Практическая ценность состоит в использовании замкнутых численных моделей на стадии доводки и оптимизации рабочего процесса судовых малооборотных дизелей, а именно:

- Полученные результаты о динамике выпускной система позволили выделить конструктивные элементы дизеля, влияющие на различные стадии процесса газообмена в цилиндре.

- Разработаны рекомендации по изменении конструкции выпускной системы и настройке дизелей БМЗ, имевшие целью интенсификацию газообмена и повышение топливной экономичности.

- Замкнутая многоцилиндровая математическая модель рабочего процесса двигателя с изобарным наддувом может быть использована в' качестве базы для углубленных исследований процессов в отдельных частях дизеля.

Упрощенные модели рабочего процесса, полученные на базе полной многоцилиндровой модели дизеля ускоряют реиение инаенерных задач оптимизационной настройки двигателя на максимальнув топливную экономичность и могут быть использованы при разработке эталонных моделей цля целей диагностирования рабочего процесса дизеля.

Реализация работы.

На основании >:::::олиешшх исследований разработаны и нашли при-иенение на Брянском машиностроительном заводе следующие продукты:

- математические модели расчета ;абочего процесса дизелей;

- программный комплекс оптимизационной настройки дизеля на мак-:имальнуш топливную .экономичность в поле диаграммы выбора ппецифика-д!онной мощности, разработанный при участии автора на кафедре СДВС 'MA им.адм. С,0. Макарова под руководством д.т.н. C.B. Мамкина, (роме того, в конструкторский отдел Брянского маяиностроительного твода переданы рекомендации по' изменении конструкции выпускной ¡истемы и перерегулировке дизелей типа ДКРН-10,12.

Апробация работы. Основные половения диссертации докладывались ia Всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития ;омбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигатальй новых хек и на новых топливах" с Москва Ш7), на Всесоюзной научно-техни-юской конференции "Актуальные'проблемы развития двигателе ! ьутр»н-:его сгорания и дизельных установок" (Ленинград !Я'!0), на научно ехнических конференциях в Государственной морской Академии (1!Ш, 333).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, изложена на 149 страницах основного текста, содержит 46 рисунков, перечень литературы в 95 наименований, одно приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность работы, изложена ее цель и задачи, сформулирована научная и практическая значимость.

В первой главе дается обзор исследований и процессов в газовыпускных трактах судовых дизелей. На примере дизеля иАБА 46 показана современная тенденция объединения положительных свойств импульсного и изобарного наддува.

На основании изучения закономерностей выпуска газа из цилиндра при импульсном и изобарном наддуве показано, что в конструкциях выпускных систем судовых дизелей решаются следующие основные задачи:

- обеспечение эффективной очистки и наполнения цилиндров при минимальных энергетических затратах:

- снижение потерь энергии газа при подводе к турбине для повышения эффективности систем наддува.

Анализ экспериментальных данных для дизелей Брянского машиностроительного завода показывает, что динамика выпускной системы оказывает влияние на рабочий процесс через формирование расходной характеристики выпускного клапана, используемой в дальнейшем для оценки процесса выпуска газа из цилиндра.

Газодинамические свойства выпускной системы дизеля с изобарным наддувом формируются в условиях сложного взамодействия газа в выпускных патрубках и выпускном коллекторе. Для согласованного описания потоков и отражения их связей с конструктивными элементами системы выпуска и газообмена в цилиндрах требуется развитие методов объемного моделирования течений в выпускном коллекторе. Объем коллектора обычно выбирается из условия сглаживания динамических явлений для обеспечения постоянства параметров газа на входе в турбину и исключения неравномерного распределения воздуха по цилиндрам. В результате обзора существующих натурных и численных методов исследования газодинамических явлений в различных объемах ДВС сформулированы следующие задачи:

- разработать численную модель трехмерного течения газа е выпускной системе малооборотного дизеля;

- провести натурный эксперимент на стенде Брянского машиностроительного завода с цельи подтверждения адекватности численной модели;

- исследовать влияние газовой динамики выпускной системы на забочий процесс в цилиндре двигателя;

- разработать рекомендации по интенсификации газообмена и ювыиению эффективности рабочего процесса в целой.

Дальнейшие численные эксперименты показали, что на базе разверстой многоцилиндровой модели возможна разработка и создание упро-1енных математических моделей для инженерных расчетов рабочих провесов, используемых, например, в прикладных задачах по оптимизации ираметров судовых малооборотных дизелей с цельи снижения удельного )асхода топлива. Обоснование возможных упрощений и разработка таких «оделей для инженерных расчетов также составило одну из задач (сследования.

Вторая глава посвящена методике создания математических моделей >абочего процесса дизеля, используемых в ходе численных экспериментов ю исследованию газовой динамики выпускной системы и ее влияния на (абочий процесс.

Динамические явления, происходящие в выпускном коллекторе юрмируптся под действием циклических рабочих процессов во всех [илиндрах двигателя. Поэтому основой построения математической модели (вляется учет взаимодействия процессов в различных частях дизеля.

Движение газа в цилиндрах при продувке и выпускных патрубках осматривается в одномерной постановке. Это объясняется конструкцией овременных длинноходных дизелей, имеющих отношение длины к диаметру ,ля цилиндра 3,2 - 3,8, а для выпускных каналов - 6 За основу ;ринята модель малооборотного дизеля, разработанная на кафедре ДВС осударственной морской академии им. адм. С.О. Макарова.

При создании расчетной методики для описания пространственного ечеаия газа в выпускном коллекторе принималась по внимание допусти-ая степень приближения к реальным процессам для решения поставлен-ых задач и возможность реализации модели на ЭВМ.

При выборе системы уравнений проведен анализ имеющихся данных о роцессах в выпускной системе дизелей с изобарным наддувом. Выявлены ледующие закономерности:

- амплитуды колебания давления в выпускном коллекторе составляют

= 0,02 - 0,04 МПа и превышают средний перепад давления на

родувку цилиндра РПр = 0,01 - 0,02 МПа;

- волны давления проходят по длине коллектора за 10 - 15 град, .к.в., что определяет индивиддальнуя волновую картина на выпуске

каждого цилиндра;

- средняя скорость газа в патрубке на входе в коллектор составляет = 100 м/с и может оказывать влияние на формирование выпускного импульса и протекание процесса газообмена.

Ячесть указанные факторы позволяет методика, моделирования, основанная на реяении системы интегральных соотношений законов сохранения трехмерного движения газа.

В результате анализа современных численных методов для реиения системы уравнений выбран метод Годунова.

Выбор метода Годунова объясняется возможностью распространения ревения на гладкое и разрывное многомерное течение газа. Для сведения 3-х церной задачи к локально решаемой задаче Римана, лежащей в основе метода Годунова необходимо произвести ее расщепление по времени:

ЛР Л/2, сЬРу ¿Д. , , = —+ —¿X. + + а(р)

ЛИ АХ ЛУ ¿12 1 &Рх ¿Рг *>?г

здесь ¿х • о1У • с12 ~ слагаемые, вносящие вклад в отдельные режаемые задачи Римана, соответственно в направлении осей X, Ч и I. Функция учитывает эффекты, не представленные в локальных

задачах Римана и зависит от конкретной геометрии пространства. Для принятой расчетной области в декартовых координатах введение корректирующего члена у(р) не потребовалось ввиду присущей методу Годунова схемной вязкости.

Выбор декартовых координат обусловлен поставленной задачей исследования влияния геометрии выпускной системы на рабочий процесс в цилиндрах дизеля. Для ревения задачи необходимо было учитывать расположение выпускных патрубков цилиндров в объеме коллектора. Наиболее естественные для выпускных коллекторов цилиндрические координаты в моделях современных малооборотных дизелей не позволяют правильно описать геометрию расчетной области в узлах соединения выпускных патрубков с коллектором.

Эксперименты проводились на моделях различного уровня. Расчетная область состояла из участков выпускной системы, затем были добавлены участки рабочего цилиндра (рис. 1а), подпор»невых объемов и воздужно-го ресивера Срис. 16). Число расчетных ячеек для восьмицилиндрового дизеля составляет 325, из них 226 трехмерных. Мельчение расчетной сетки коллектора в 2 раза приводит к 16-кратноиу увеличению затрат машинного времени и делает задачу практически не разрежимой для применяемых ЭВМ типа ЕС 10-61. Проведенные на моделях расчеты и сопос-

Рис. 1. Схема расчетной области: а - замкнутой одноцилиндровой модели дизеля с участками цилиндра I; б - замкнутой многоцилиндровой модели дизеля с участками воздушного ресивера 2 и подпормневых объемов 3.

тавление с экспериментальными данными (рис. 2) доказали достаточность принятой сетки для воспроизведения газодинамической картины в коллекторе малооборотных дизелей типа ДКРН 10-12.

Серьезные трудности при моделировании трехмерного течения газа в коллекторе представляет механизм задания начальных данных и граничных условий.

Способ задания граничных условий в математической модели дизеля определяется замкнутым характером описания рабочего процесса. Замыкающим звеном на каждом цикле расчета является модель турбокомпрессора, рассчитываемого по балансу мощности и массового расхода газа. Для локальной модели течения газа в выпускном коллекторе граничные условия со стороны цилиндров задаются в форме потоков массы, импульса и энергии, полученным ранее на упрощенной одноцилиндровой модели дизеля. Задание начальных условий при моделировании предопределяет протекание процесса установления численного счета. В локальной модели коллектора в качестве начальных данных задается постоянство газодинамических параметров для всей расчетной области.

В замкнутой многоцилиндровой модели дизеля в качестве начальных данных используются результаты расчета на упрощенной одноцилиндровой модели с одним участком коллектора большого объема. В этом случае происходит перестроение расчетной области после достижения установления на модели более низкого уровня сложности. Такой подход позволяет сократить число расчетных циклов на полной многоцилиндровой модели с большим количеством многомерных участков и ведет к снижению затрат машинного «ремени.

Для подтверждения адекватности модельных исследований кривые давлений газа в различных участках коллектора сопоставлялись с данными натурного эксперимента. Выбор в качестве контрольного параметра давления газа объясняется более простой методикой измерения, чем натурные замеры поля скоростей, а также большей информативностью давления газа для описаня динамических процессов в выпускном коллекторе дизеля.

На двигателе 8ДКРН 60/195-10 два пьезоэлектрических датчика записывали кривые давления газа в пристеночных объемах коллектора напротив 1 и 8 цилиндров.

Из сравнения расчетных и экспериментальных кривых давления в коллекторе можно сделать следующие выводы (рис. 2):

- расчетные кривые давления качественно совпадают с экспериментальными данными по амплитуде и фазе:

- принятое разбиение расчетной области коллектора на участки достаточно для моделирования динамических процессов в местных его объемах.

8 цилиндр

-1 т " 1 1 -г—

у* 1

уу I ци. диндр 1 .

1 1 А

1 1 1 ч

' V*1 <Г\ 4 -ё

0,31 0^0 029

032

0.30

Ш 175 195 215 235 255 275 295 315 335 ВМТIЦЦЛ. 35 .55 75 95 115 у.'ДКЗ.

Рис. 2. Сравнение экспериментального и расчетного изменения давления в пристеночных объемах коллектора, напротив выпускных патрубков 1 и 8 цилиндров дизеля 8ДКРН 60/195-10

В третьей главе рассматриваются результаты численных и натурны? экспериментов по исследованию влияния газовой динамики выпускно( системы на рабочий процесс в цилиндрах дизеля.

Численные эксперименты проводились в несколько этапов на моделям разного уровня сложности. В качестве прототипа использовались 4, 6 I 8 цилиндровые двигатели типа ЬбОМС (ДКРН 60/195-10) Брянского машиностроительного завода.

На локальной модели выпускного коллектора отрабатывалась методика счета 3-х мерного течения газа. В работе приводятся нестационарные поля газодинамических параметров во всем объеме коллектора. Наиболее наглядно структуру потока отражают поля скоростей газа (рис. 3),

4

2 и.

А-А

■ 20% о 60 7с

Рис. 3. Результаты расчетов на замкнутой модели дизеля 6ДКРН 60/195-10 с трехмерным коллектором при радиальном подводе выпускного патрубка. Момент выпуска из 2 цилиндра, 140 п.к,в. после ВМТ:

а-поле проекций скоростей U-U в горизонтальной плоскости сечения А-А б-поле проекций скоростей U-H в вертикальной плоскости сечения В-В; в-прле проекций скоростей H-U в поперечном сечении по оси 2 цилиндра

Метод задания геометрии расчетной области модели трехмерного течения газа в коллекторе позволил провести численные эксперименты для б различных способов присоединения выпускных патрубков цилиндров к коллектору. Наиболее интересные результаты получены при тангенциальном подводе патрубков (рис. 4). В этом случае проявляются следующие преимущества в структуре движения газового потока в коллекторе дизеля по сравнению со штатным вариантом (рис. 3):

- при тангенциальном выходе газа в общий объем коллектора поток не испытывает резкого торможения о противолежащую стенку, что позволяет поддерживать высокую скорость потока и снижает противодавление при продувке цилиндра;

- плавный разворот газового потока при выпуске из цилиндров способствует организованному вращательному движению газа вдоль стенок во всем объеме коллектора.

V

■20м/с -60 7с

А-А L—I—

-у ^ ^ у /-/Г/-7-

v j w —w w- ч_ j в-в

■ -0: ir\ oL с=> t=> t=>c=>t=i>i=>i= —о—о- '1

X

Рис. 4. Результаты расчетов на замкнутой модели дизеля 6ДКРН 60/195-10 с трехмерным коллектором при тангенциальном подводе выпускного патрубка. Момент выпуска из 2 цилиндра. 140 п.к.в. после ЙМТ". а-поле проекций скоростей H-U в вертикальных плоскостях сечений А-А. B-B;

б-поле проекций скоростей H-U в поперечном сечении по оси 2 цилиндра

На второй этапе исследований при построении замкнутой модели двигателя в расчетную область были включены участки рабочего цилиндра. Форма выпускного импульса цилиндра стала формироваться в результате взаимодействия динамических течений газа в цилиндрах, выпускных патрубках и коллекторе. Структура движения газового потока в объеме коллектора качественно не изменилась. Однако при сравнении экспериментов на локальной и замкнутой модели проявились, существенные различия полученных результатов. При тангенциальном подводе выпускного патрубка на локальной модели давление в коллекторе снизилось, и на замкнутой модели - увеличилось по сравнению со штатной конструкцией. Безусловно достоверный результат получен на замкнутой модели, так как снижение сопротивления газовоздушного тракта вследствие тангенциального подвода патрубков уменьшило перепад давления на продувку цилиндра, что привело к повышению энергии газа в коллекторе. Мощность турбокомпрессора увеличилась на 3%, что при неизменном уровне давления наддува обеспечило повышенный расход воздуха на двигатель и улучжило качество очистки цилиндра. На индикаторных показателях рабочего процесса улучпение газообмена практически не отразилась.

По результатам сравнения возможности локальной и замкнутой моделей можно сделать следующие выводы:

- для исследования влияния конструктивных элементов дизеля на рабочий процесс необходимо проведение численных экспериментов на замкнутой модели;

- использование локальных моделей отдельных частей двигателя для исследования рабочего процесса в целом может привести к качественно неправильным результатам.

На замкнутой модели дизеля проводились эксперименты с различной формой диффузоров на выпускных патрубках цилиндров. Результаты показывают, что увеличение протяженности диффузорного участка сокращает фазу свободного выпуска газа и увеличивает на 1,5% заряд свежего воздуха в цилиндре. Однако, как и в случае с тангенциальным подводом выпускного патрубка к коллектору простое изменение конструкции выпускной системы не ведет к улучшению экономических показателей рабочего цикла.

В таблице 1 представлены результаты численных экспериментов, направленных на поиск путей повышения экономичности дизеля 6ДКРН 60/195-10 с модернизированной выпускной системой.

Рекомендуемое изменение конструкции выпускной системы и соответствующая перестройка дизеля ЬбОМС совпадает с существующей конструкцией двигателя КТЙ 58, что косвенно подтверждает правильность полученных результатов.

Таблица 1

Энергоэкономические показатели дизеля 6ДКРН 60/195-10 с различной регдлировкой и геометрией выпускной системы

Способ присоединение выпускного ! патрубка к коллектору !

N Наименование параметра Обозначение радиальный тангенциальный !

Заводская настройка Заводская настройка Вып. клапан открыт на 4" п.к.в. поз«е Фаза I продувки ! сокращена ! на 8"п.к.в.!

I II " Ш IV

1 Коэффициент избытка воздуха при сгорании 2,069 2.13 2,05 2,07 |

Коэффициент остаточных газов 1г 5,47 4.84 4,22 5,25 ;

3 Коэффициент избытка продувочного воздуха Р 1,437 1,46 1,50 1,44

4 Коэффициент наполнения цилиндра Ф 0,622 0,64 0.62 0,62 !

5 Продолжительность заброса газов в воздуиный ресивер, ° п.к.в. ^забр 5,9 5,9 8,1 б.. 1 ;

6 Давление конца сжатия в цилиндре МПа Рс 11,13 11,36 10,58 11.17 !

7 Максимальное давление цикла,МПа Р •"•max 13,17 13,34 12,82 13,17 :

8 Давление наддувочного воздуха, кПа Pint 342 342 335 344 ;

9 Среднее давление газов в вып. коллекторе, кПа 318 325 318 317 1

10 Индикаторный КПД цикла, 7. % 51,96 52.19 52,43 52.44 1

11 Расход воздуха через двигатель, кг/сек &air 20,94 21,46 21.22 20.55 1

12 Модность турбины, кВт Pr 1353 1395 1350 1334

По результатам исследований можно сделать следувцие выводы:

- сокращение фазы.продувки является одним из возможных путей дальнейшего повышения экономичности малооборотных дизелей, так как позволяет полнее использовать энергии газов в процессе .продолженного расширения:

- предпосылками для сокращения фазы продувки- являются повышение эффективности системы наддува и совершенствование геометрии выпускного тракта.

В 4 главе показано, что результаты, полученные в ходе исследования влияния динамики выпускной системы на рабочий процесс в цилиндре дизеля можно использовать для обоснования допущений, принимаемых при построении упрощенных моделей рабочего процесса дизеля. Такие модели находят широкое применение при инженерных расчетах параметров дизеля в период заводской настройки и эксплуатации двигателя. Необходимым требованием, предъявляемым к инженерным моделям, является малое время счета.

Сравнение различных вариантов инженерннх моделей доказало, что наиболее радикальным упрощением является переход к одноцилиндровой модели, где течение газа в выпускном патрубке цилиндра формируется в результате взаимодействия только с объемом выпускного коллектора, без учета его конструкции и влияния соседних цилиндров. Правомочность' такого допущения проверялась сравнением расходных характеристик газораспределительных органов упрощенной инженерной модели и полной многоцилиндровой с учетом динамики выпускной системы (рис. 5).

№ 12 6,0

М 3.6

гч 1.2 о

•

*

- •

\

к

1 \ 7»

1 У Л N

! Ч

[ч V N

ч

/

110

130 150 170 190 210 230 'ЯК.в.

Рис. 5. Расходные характеристики выпускных клапанов дизеля 6ДКРН 60/195-10:

--- модель с объемным коллектором;

- модель с нульмерным коллектором.

Об адекватности описания инженерной моделью процессов газообмена можно также судить по изменению давления, температуры, скоростей потока и концентрации продуктов сгорания в различных объемах цилиндра и выпускного трубопровода. Модель реально описывает процесс послойно го вытеснения продуктов сгорания и отражает высокое качество очистки-наполнения, свойственное прямоточным схемам ( уъ - У/., Фс = №/.. fl = 1,5, Та - 340 К). На упрощенной модели прослеживается формирование импульса давления в выпускном патрубке и преобразование его в скоростной поток. В работе показано, что дальнейшее упрощение газодинамической модели, связанное с исключением из расчетной области выпускного патрубка приводит существенному искажению описания процесса газообмена в цилиндре дизеля.

Сравнение расчетных и опытных индикатпрнну. диаграмм на режимах от 50% до 1Q0X мощности, доказывает, что полученная одноцилиндровая модель может быть использована в расчетах интегральных параметра!? рабочего процесса длинноходных дизелей с учетом влияния внешних условий и регулировочных факторов.

В качестве примера использования предложенной упрощенной модели рассматривалась задача оптимизации параметров газообмена, наддува и рабочего цикла судовых дизелей производства БМЗ.

Оптимизация рабочего процесса дизеля заданного типора^м^ра осуществлялась по методике П.Л. Лемещенко в рамках обобщенной диаграммы выбора специфчкационных значений мощности и частоты прлк'чич. !И:"в;'!! функцией является минимизация удельного расхода топлива при пграничо нии параметров, косвенно характеризующих уровни тепловой, мохамиое кой напряженности и эксплуатационной надежности дизеля.

Снижение удельного расхода топлива достигав reu при "дышрем-.-.чно комбинированием воздействии следующих регулировочных величин;

fHr]T - угол опережения подачи топлива;

*Р„ - угол открытия выпускного клапана;

D

FT - площадь соплового аппарата турбины;

hnp - толщина прокладки под шток поршни, вдмкщао на. гпчв.чи-сжатия и продолжительность фаза продувки цилиндра.

На примере дизеля L42MC показано, что критерием ьыбора оптимального решения из всего многообразия возможнчх вариантов являетпч »"«и шна энергии заброса газов, перетекающих из цилиндра в во ¡л.укнчй ре ;ивер. Сравнение проведенной по этому критерии настройки двигателе на максимальную топливную экономичность с рекомендациями Фирмы MP.ll ПиВ позволяет сделать вывод, что в основном достигнуто качественное и количественное соответствие значений настроечных факторов и параметров рабочего процесса:

Данные расчета Опытные данные

?тая " 129,8 Р^ = 130

Рс = 106 Рс - 107

= 0.523 = 0.525

"Рв = 112 град п.к.в. 1РВ = 112 град п.к.в.

= 256 град п.к,в. ?а = 256 град п.к.в.

ЬПр = 12 их Ьпр = 10 мм

Для проверки работоспособности инженерной методики оптимизации в рамках диаграммы выбора спецификационных параметров были проведены оптимизационные расчеты для вариантов исполнения дизеля 8 ДКРН 60/195-10 в диапазоне 50 - 100% номинальной мощности. Результаты оптимизации показали, что наибольшая экономичность достигается при настройке на режим 80% мощности при номинальной частоте вращения. Индикаторного КПД возрастает с 50.5% до 52,3%, а выигрыш в удельном индикаторном расходе топлива оценивается в 3,3 г/квт.ч, что совпадает с данными фирмы МАИ - БнВ.

Найдены общие закономерности регулирования. При снижении среднего эффективного давления и постоянной частоте вращения (нижняя часть диаграммы) снабжение двигателя воздухом обеспечивает система газообмена - требуют коррекции только фазы газораспределения. В верхней части диаграммы при снижении частоты вращения - поджимается сопловой аппарат турбины.

Использование замкнутой модели рабочего процесса позволило провести численные эксперименты с турбокомпаудным дизелем. Эксперименты проводились по оптимизационной программе. На первом этапе рассматривалась возможность использования высокого КПД системы наддува непосредственно в рабочем цикле без СТ.

По результатам расчета сделаны следующие выводы:

- использование СТ для дизелей 1.МС без ухудшения воздухоснабже-ния возможно лишь при *]тк > 64%;

- применение СТ при использовании ТК с +|тк = 72% дает прирост экономичности на 2,4%, а по сравнению с *]тк = 64% прирост 3,8%;

- оптимизационная настройка дизеля с *]тк = 72% снижает возможный прирост экономичности до 1.7%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. Разработан метод численного моделирования рабочих процессов малооборотных судовых дизелей с учетом газодинамического взаимодействия объемного течения газа в выпускной системе.

2. Для реализации математической модели применен универсальный алгоритм решения системы уравнений газовой динамики для 1,2 и 3-х мерного течения газа по методу С.И. Годунова.

3. На основании численных экспериментов получены нестационарные картины течения газа в выпускных системах различных дизелей типа ДКРН. 10-12.

4. Достоверность моделирования рабочего процесса и динамики выпускной системы подтверадается сравнением расчетных данных с опытными кривыми давления газа в выпускном коллекторе и с интегральными параметрами дизелей выпуска Брянского мавиностроительного завода.

5. Предложены рекомендации по оптимизации конструкции выпускной системы и настройке дизелей БМЗ направленные на снижение расхода топлива.

6. На основании исследований динамики выпускной системы для реиения прикладных задач по оптимизации рабочего процесса дизелей БМЗ разработана упрощенная газодинамическая модель малооборотного двигателя с изобарним наддувом.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах автора:

1. Смирнов Д.С. Инженерная газодинамическая модель рабочего процесса судового малооборотного дизеля с прямоточно-клапанной продувкой // Динамика судовых энергетических установок и их систем. Сб. научн.тр. ГМА. М. В/О Мортехинформреклама» 1991. - с. 27-32.

2. Камкин C.B., Вязьменская A.M., Смирнов Д.С. Что дает объемное численное моделирование процессов в выпускных коллекторах судовых дизелей // Двигателестроение, 1990 - N10. - с. 52-54.

3. Камкин C.B., Лемещенко А.Л., Смирнов Д.С. Оптимизация параметров судовых дизелей с прямоточно-клапанной продувкой // Научн. техн. конфер. Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок. Тезисы доклада / Научн. техн. сб. им. акад. А.Н. Крылова. - Ленинград» 1990. - с. 15.

'1. Вязьменская Л .'If., Пунда A.C., Смирнов Д.С. Моделирование рабочих процессов судового дизеля на эксплуатационных режимах // Научи, техн. конф. Перспективы развития комбинированных двигателей ¡'¡[утреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах. Тезисы доклада / МВТУ им. Н.Э. Баумана. - Москва, 1987, - с. 49.

'j. Инженерные численные модели рабочих процессов судовых дизелей I: изобарным наддувом / В кн. Камкина C.B., Леыещенко fi.Л., Пунды A.C.

Повышение экономичности судовых дизелей. С.-Петербург. Судостроение. 199?.. - с. 94-100.