автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование систем газотурбинного наддува четырехтактных дизелей в зависимости от среднего эффективного давления

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СИСТЕМЫ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА ЧЕТЫРЕХТАКТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ.

1.1. Характеристика современных систем газотурбинного наддува дизелей и методы оценки их эффективности.

1.2. Состояние вопроса об использовании различных систем газотурбинного наддува четырехтактных судовых дизелей.

1.2.1. Импульсная система наддува.

1.2.2. Импульсная система наддува с преобразователями импульсов.

1.2.3. Изобарная система наддува.

1.2.4. Система наддува с силовой турбиной и двухступенчатый наддув.

1.3. Тенденции развития систем газотурбинного наддува в поршневых двигателях при форсировании по среднему эффективному давлению.

ВЫВОДЫ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2. МЕТОД РАСЧЕТА ПОТЕРЬ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГАЗОВ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА ДИЗЕЛЕЙ.

2.1. Модель нестационарного потока газа в разветвленном выпускном трубопроводе импульсной системы выпуска.

2.2. Модель процесса газообмена в цилиндре двигателя.

2.3. Модель нестационарного потока газов в выпускном коллекторе изобарной системы выпуска.

2.4. Эксергетический метод определения потерь работоспособности газов в системах газотурбинного наддува дизелей.

2.4.1. Импульсная система наддува.

2.4.2. Изобарная система наддува.

2.4.3. Импульсная система наддува с преобразователями импульсов.

2.4.4. Система наддува с силовой турбиной и двухступенчатый наддув.

2.5. Оптимизация систем газотурбинного наддува дизелей.

2.5.1. Использование математической теории планирования эксперимента при оптимизации систем наддува.

2.5.2. Оптимизация систем выпуска.

2.5.2.1. Выбор параметров оптимизации.

2.5.2.2. Расчет оптимальной системы выпуска.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЕ НАДДУВА ДИЗЕЛЯ 8ЧН

18/22.

3.1. Объект исследования.

3.2. Осциллографирование колебаний давления газов в выпускном трубопроводе.

3.3. Измерение мгновенных температур выпускных газов.

3.4. Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчета для импульсной системы наддува дизеля 8ЧН 18/22.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА ДИЗЕЛЕЙ РЯДА ЧН 18/22.

4.1. Импульсная система наддува.

4.2. Изобарная система наддува.

4.3. Выбор оптимальной системы выпуска для двигателя 8ЧН 18/22.

4.3.1. Импульсная система выпуска.

4.3.2. Изобарная система выпуска.

4.3.3. Оптимальная система выпуска для двигателя 8ЧН 18/22 в зависимости от среднего эффективного давления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Представлена картина физических процессов, тенденции их изменения и оценка эффективности систем наддува в зависимости от среднего эффективного давления.

2. Предложен расчетный метод по определению областей использования импульсной и изобарной систем наддува при повышении уровня форсирования двигателя по среднему эффективному давлению.

3. В процессе проведенных исследований на дизеле 8ЧН 18/22 четко показана эффективность использования существующей в серийном производстве импульсной системы наддува при ре = 1,3 МПа, а заводом изготовителем регламентировано значение ре = 0,85 МПа.

4. Используя систему наддува дизеля 8ЧН 18/22 как "полигон" для отработки всех вопросов, связанных с методами оценки эффективности систем наддува при форсировании по ре, были зафиксированы три характерные области целесообразного использования систем газотурбинного наддува: а) ре = 0,94-1,3 МПа - импульсная система наддува; б) ре = 1,3 +1,9 МПа - импульсная система наддува с преобразователями импульсов; в) ре> 1,9 МПа - изобарная система наддува.

5. Для решения практических вопросов при проектировании дизеля отработан метод расчета потерь работоспособности газов (эксергетиче-ский метод), что позволяет, используя его, определить потери работоспособности газов на различных участках системы выпуска расчетным путем, не прибегая к дорогостоящим экспериментальным исследованиям систем газотурбинного наддува дизелей.

6. Отработанный метод оптимизации по определению оптимальных значений параметров системы выпуска (с1ТР, (ров и фзв) дизеля 8ЧН 18/22 позволяет рекомендовать их к внедрению в практике и предложить в дальнейшем использовать фундаментальную теорию управления, используя при этом для управления энергетическими потоками в системах газотурбинного наддува параметры (ро в и (рз в.

7. Разработанный программный комплекс рекомендован для практического использования на дизелестроительных заводах России (ОАО "завод Дальдизель", АО "Трансмаш", АО "Волгодизельмаш" и другие) и принят к внедрению в учебном процессе Хабаровского государственного технического университета. Отдельные разделы программного комплекса широко используются в исследовательской практике при проведении научно-исследовательских работ в МГТУ им. Баумана, НПО "НАТИ".

141

1. Адзума, Юра, Токунага. Некоторые особенности средне- и малооборотных судовых двигателей с турбонаддувом постоянного давления // Энергетические машины и установки. 1983. № 3. С. 227-229.

2. Байков Б.П. Особенности расчета турбины, работающей на газах переменного давления // Труды ЦНИДИ. 1955. Вып. 28. С. 6-12.

3. Банди Б. Методы оптимизации: Вводный курс. Радио и связь, 1988. 128с.

4. Богомолов В.Н., Липчук В.А., Фролов A.B. Системы газотурбинного наддува различного типа двигателя 8ЧН 21/21 (8 ДМ-21) // Двигателе-строение. 1988. № 16. С. 58-61.

5. Богомолов В.Н., Липчук В.А., Фролов A.B. Перспективы применения систем газотурбинного наддува различного типа на двигателе 8ЧН 21/21 (8ДМ-21)//Двигателестроение. 1983. №4. С. 16-19.

6. Бойков Н.А, Звездин Н.С., Резник Л.В. Измерение давлений при быс-тропротекающих процессах. М.: Энергия, 1970. 280 с.

7. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с.

8. Бурышкин Л.П. Техническая эксплуатация судовых двигателей внутреннего сгорания. М.: Транспорт, 1964. 180 с.

9. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1977. 392 с.

10. Ю.Васильев Л.А. Моделирование газодинамических процессов в дизелях. Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 1996. 131 с.

11. П.Васильев Л.А., Горелик Г.Б., Лашко В.А. Применение математического моделирования при проектировании двигателей внутреннего сгорания. Хабаровск: Изд-во ХПИ, 1988. 96 с.

12. Волошин Ю.П., Кельштейн Д.М. Исследование влияния конструкции выпускной системы на рабочий процесс двигателя с газотурбиннымнаддувом. // Двигатели внутреннего сгорания. Харьков, 1974. Вып. 20. С. 105-110.

13. Волошин Ю.П., Келынтейн Д.М., Поляковский Г.М. Экспериментальное исследование изобарно импульсной системы газотурбинного наддува // Двигатели внутреннего сгорания. Харьков, 1975. Вып. 22. С. 80-84.

14. Волчок Л.Я. Измерения переменной температуры в пульсирующих потоках газов // Труды ЦНИДИ. 1958. Вып. 36. С. 20-25.

15. Гаврилов B.C. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок. М.: Транспорт, 1967. 200 с.

16. Ганин Н.Б., Демидова Н.И., Сафонов В.К. Конструкции выпускных систем форсированных дизелей и направления их совершенствования // Двигателестроение. 1979. № 30. С. 54-56.

17. Гительсон Я.З. Экспериментальные исследования рабочего процесса четырехтактного реверсивного дизеля с импульсными преобразователями // Труды ЦНИДИ. 1969. Вып. 50. С. 10-14.

18. Глаголев Н.М. Рабочие процессы двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1950. 480 с.

19. Гогин А.Ф. Судовые дизели. М.: Транспорт, 1967. 450 с.

20. Голиков Т.Н., Панченко Л.А., Фридман JI.3. Каталог планов второго порядка: В 2 т. М.: Изд-во МГУ, 1974. Т. 1. 387 е.; Т. 2. 384 с.

21. Гончар Б.М., Липчук В.А., Мирошников В.В. О методе оптимизации параметров рабочего процесса дизеля // Двигателестроение. 1979. № 6. С. 5-6.

22. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. A.C. Орлина, М.Г. Круглова. 4-е изд., пере-раб. М.: Машиностроение, 1983. 372 с.

23. Дехович Д.А., Иванов Г.И., Круглов М.Г. Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1973. 296 с.

24. Дехович Д. А., Карпов А.Ф. Турбоагрегат 2ТНА двухступенчатой системы турбонаддува двигателя 20ЧН 26/26 // Двигателестроение. 1979. №5. С. 37-41.

25. Дизели / Под ред. В.А. Ваншейдта. Д.: Машиностроение, 1977. 480 с.

26. Дьяченко Н.Х., Дашков С.Н. Быстроходные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1962. 359 с.

27. Дьяченко Н.Х., Костин А.К., Мельников Г.В. Теория двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1965. 459 с.

28. Жоховский М.К. Техника измерения давления и разряжения. М.: Машгиз, 1952. 200 с.

29. Иванченко H.H. Газотурбинный наддув дизелей // Труды ЦНИДИ. 1968. Вып. 56. С. 10-16.

30. Иванченко H.H. Основные пути совершенствования экономичности и повышения мощности дизелей // Труды НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 1986. Вып. 4-67-8. С. 38-47.

31. Иванченко H.H. Повышение мощности и улучшение экономичности ДВС. М.: Машгиз, 1959. 178 с.

32. Ивин В.И., Лашко В.А. Исследование отрывного течения в преобразователе импульсов КДВС // Вопросы совершенствования работы дизелей на неустановившихся режимах и при высокой форсировке: Сб. на-учн. тр. Хабаровск: ХПИ, 1979. С. 72-77.

33. Исследования по турбонаддуву мощных двухтактных дизелей: Судовые малооборотные дизели с турбонаддувом / Под ред. H.H. Иванченко. Л.: Судостроение, 1967. 305 с.

34. Камкин C.B. Газообмен и наддув судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1972. 200 с.

35. Камкин C.B., Вязьменская Л.М., Половинкин B.C. Численный анализ потерь располагаемой энергии газа в выпускных трактах судовых дизелей // Двигателестроение. 1983. № 4. С. 5-8.

36. Каминский А.И., Конке Г.А., Мельников В.Ф., Поляков Е.И. Повышение технического уровня дизелей ряда ЧН 18/22. М.: Машиностроение, 1984. 200 с.

37. Каминский А.И., Васильев JT.A., Лашко В.А. Расчет нестационарного течения газа в выпускных трубопроводах КДВС методом уединенных волн конечной амплитуды // Двигателестроение. 1983. № 4. С. 15-17.

38. Каминский А.И., Васильев Л.А. Замкнутая модель комбинированного двигателя для оценки эффективности системы наддува // Труды 7-го Международного симпозиума МОТОР СИМПО. ЧССР. 1990. Т.1. С. 167-174.

39. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983. 416 с.

40. Кита В.Ф. Газотурбинный наддув судовых двигателей внутреннего сгорания. М.: Речной транспорт, 1960. 252 с.

41. Кита В.Ф. Эксплуатация судовых двигателей с газотурбинным наддувом. М.: Транспорт, 1969. 152 с.

42. Клокова Н.П. Тензодатчики для измерений при повышенных температурах. М.: Машиностроение, 1965. 118 с.

43. Клокова Н.П., Лукашник В.Ф., Воробьева Л.М. Тензодатчики для экспериментальных исследований. М.: Машиностроение 1972.152 с.

44. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания / Под ред. Н.Х. Дьяченко. Л.: Машиностроение, 1979. 392 с.

45. Круглов М.Г. Термодинамика и газодинамика двухтактных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1963. 272 с.

46. Лашко В.А. Профилирование каналов с переменной геометрией по времени в комбинированных двигателях внутреннего сгорания. Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 1997. 136 с.

47. Лашко В.А. Проектирование проточных частей центростремительной турбины комбинированного двигателя внутреннего сгорания. Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 2000. 135 с.

48. Мац 3.3., Герасименко И.В. Разработка и совершенствование систем и агрегатов воздухоснабжения // Вести машиностроения. 1988. Вып. 48. С. 108-115.

49. Машинно-ориентированные методы расчета комбинированных двигателей / Под ред. H.H. Иванченко. М.: Машиностроение, 1978. 168 с.

50. Миклос А.Г., Чернявская Н.Г. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1971. 400 с.

51. Молостов Н.П., Бузаев А.Н., Поляков Е.И., Каминский А.И. Совершенствование системы турбонаддува четырехтактного дизеля // Двигатели внутреннего сгорания. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ. 1974. № 16. С. 16.

52. Никитин Е.А., Быков В.Г. Повышение мощности и улучшение топливной экономичности дизелей типа ЧН 26/26 // Труды ЦНИДИ. 1983. Вып. 1.С. 50-54.

53. Петриченко P.M. Рабочие процессы поршневых машин. JL: Машиностроение, 1972. 164 с.

54. Петровский Н.В. Газотурбинный наддув мощных двухтактных судовых дизелей. Д.: Судостроение, 1970. 254 с.

55. Петровский Н.В. Судовые ДВС и их эксплуатация. М.: Транспорт, 1966. 254 с.

56. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М.: Машиностроение, 1972. 280 с.

57. Поляковский Г.М. Трансформация системы газотурбинного наддува при форсировании дизелей СМД // Двигатели внутреннего сгорания. Харьков, 1979. Вып. 30. С. 25-33.

58. Райков И.Я. Испытание двигателей внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1975. 320 с.

59. Рожанский Г.С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. JL: Судостроение, 1965. 300 с.

60. Рузга 3. Электрические тензометры сопротивления. М.: Мир, 1964. 356с.

61. Симеон А.Э. Газотурбинный наддув дизелей. 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1964. 248 с.

62. Совершенствование рабочего процесса и наддув дизелей // Труды ЦНИДИ. 1966. 117 с.

63. Соколов В. С. Газотурбинный наддув дизелей типа Д6 // Труды ЦНИДИ. 1967. Вып. 55. С. 22-30.

64. Соколов С.С. Использование в практике главных судовых дизелей (СОД) фирмы MAN со средним эффективным давлением от 1,8 МПа до 2,19 МПа // Двигателестроение. 1989. № 1. С. 2-4.

65. Соколов С.С. Силовая турбина для двигателя 16ЧН 24/27 // Двигателестроение 1987. № 4. С. 37-39.

66. Соколов С.С., Поддавашкин B.C. Об использовании преобразователя импульсов в системах наддува четырехцилиндровых дизелей // Труды АПИ. 1971. Вып. 16. С. 10-16.

67. Спиридонов A.A., Васильев Н.Г. Планирование эксперимента при исследовании и оптимизации технологических процессов. Свердловск: Изд-во УПИ им. С.М. Кирова, 1975. 140 с.

68. Стефановский Б.С. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972. 360 с.

69. Судовые малооборотные дизели с турбонаддувом / Под ред. H.H. Иванченко. JL: Судостроение, 1967. 200 с.

70. Табачников Л.Я. К вопросу исследования колебаний давления в выпускных системах двухтактных двигателей. Таллин: Изд-во ТПИ, 1953. Вып. 47. С. 20-25.

71. Танатар Б.Д. Судовые дизели. Теория рабочего процесса. М.: Морской транспорт, 1962. 369 с.

72. Темников Ф.Е. Автоматические регистрирующие приборы. М.: Машиностроение, 1968. 540 с.

73. Теория двигателей внутреннего сгорания / Под ред. Н.Х. Дьяченко. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1974. 552 с.

74. Турбопоршневые двигатели // Сборник статей. М.: Машиностроение, 1965. С. 72-77.

75. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин. М.: Энергия, 1966. 300 с.

76. Хандов З.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания (теория). М.: Транспорт, 1975. 390 с.

77. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1978. 283 с.

78. Ярышев H.A. Теоретические основы измерения нестационарных температур. М.: Энергия 1967. 210 с.

79. Andre-Talamon Th. A new hyperbar engine for ship propulsion // SAE Techn. Pap. Ser. 1983. № 830506. P. 13.

80. Benson R., Card R., Woollatt D. Numerical Solution of Unsteady Flow Problems // Int. J. Of Mech. Sei. 1964. Vol. 6. P. 117-144.

81. Benson R.S., Woollatt D., Woods W.A. Unsteady Flow in Simple Branch System // Proceedings. The Institution of Mechanical Engineers. 1963-64. Vol. 178. Part 31 (iii). P. 24-29.

82. Borila Jurij G. A Sequetial Turbocharging Method for Higly-Rated Truck Diesel Enginnes. // SAE Techn. Pap. Ser. 1986. № 860074. P. 1-10.

83. Briner M. Sulzer RTA Low speed engines - successful experience and continuing development. // HANSA. 1985. 122. № 14. p. 1467-1468. P.1471-1474.

84. Cerri Giovanni Regenerativ supercharging of four stroke internal combustion engines // SAE Techn. Pap. Ser. 1983. № 830507. P. 1-7.Jenny E., Guarmathu G. Zur Aufladung von Dieselmotoren // Brennstoff-Warmekraft. 1983. 35. № 1-2. p. 40-45.

85. Charlton S.J. A stady of highly turbocharged high speed diesel engine. // Inst. Mech. Eng. 1984. 198. № 9. P. 231-239.

86. Fwo-stage turbocharging for stork engines // Motor Ship. 1966. 46. № 548. P. 546.

87. Held G. Stand der Technik der Abgasturboauflodung bei BBC-Informationsgesprach in Baden. // MTZ. 1986. 47. № 3. P. 110-112.

88. Improved efficiency by retrofitting. // Mot. Ship. 1985. 66. № 778. P. 31-33.

89. Jenny E., Guarmathu G. Zur Aufladung von Dieselmotoren // BrennstoffWarmekraft. 1983. 35. № 1-2. P. 40-45.

90. Lashko V.A. Berechnung der instationaren Strömung im Abgassystem eines an fgeladenen Verbrennungsmotors mit Multistoss-Converter // Wissen-schoftliche Zeitschrift der Wilhelm-Universität. 1985. 8. № 34. P. 26-30.

91. Lee D.I., Herk, Chang N. An Application of a Combined Charging System on a Turbocharged Diesel Engine. // SAE Techn. Pap. Ser. 1894. № 840352. P. 8.

92. Lustgarten Geore Allan. Der Diselmotor als Schiffsantriebmaschin -Heutiger Stand und Entwicklungspotential // MTZ. 1985. 46. № 6. P. 199203.

93. Mayer Andreas. Le proced complex; nouveau systeme de suralimentation pour moteurs diesel de vehicules // Ing. Automob. 1974. № 10. P. 607-616.

94. MTU boosts to 7400 Kw // Mot. Ship. 1984. 65. № 772. P.27-28.

95. Mucklow G. Ehaust-pipe effect in a single-cylinder four stroke engine // Proceedings. The Institution of Mechanical Engineers. 1940. Vol. 143. P. 100-120.

96. Muller Rene. La suralimentation des gros moteurs // Ing. Automob. 1974. №10. P. 602-606.

97. Nekut A., Gallaway R., Kuenhl C. A Fast Respons Turbocharging System. // SAE Techn. Pap. Ser. 1983. № 830125. P. 83-89.

98. Power turbine option boots fuel economy of RTA engines. // Mot. Ship. 1984. 65. № 767. P. 27.

99. Progress with medium and slous - speed engines "Diesel Prog. N. Amer." // Special Suppl. 1985. 51. № 7. P. 62-98.

100. Renzke E., Weschal G. Rechnerische Untersuchung des Betriebsverhaltens eln-und zweistufig aufgeladerer mittelschnelianfen-der Viertakt dieselmotoren // MTZ. 1978. 39. № 3. P. 93-98.

101. Seifert H. Die Berechnung instationarer Stromungvorgange an Verbrennungskraftmaschinen//Automobil Industrie. 1962. № l.P. 67-73.

102. Seifert H. Die Berechnung instationarer Stromungvogange in der Rohrleitungs-Systemen vor Mehrzylindermotoren // MTZ : Motortechn. Z. 1972. 33. № 11. P. 421-428.

103. Skott David. Resonant inducttion boosts turbo engine perfomance // Automot. Eng. 1983. 91. № 10. 93-98.

104. Spethmann Klaus, Kohlen Horst. Turbolader fur Schwerolmotoren // Schiff und Hafen Kommandobrücke. 1986. 38. № 12. P. 26-31.

105. ЧН 26/26 1,2-1,4 0,192-0,224 0,75 0,75 207-2046ЧН 30/38 1,49 0,24 0,74 0,73 2086ЧН 13/15 1,50 0,24 0,75 0,75 210