автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методика выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС, удовлетворяющего перспективным экологическим и экономическим требованиям

На правах рукописи

004617002

Епифанов Дмитрий Владимирович

МЕТОДИКА ВЫБОРА ТИПА И ХАРАКТЕРИСТИК АГРЕГАТОВ НАДДУВА АВТОМОБИЛЬНОГО ДВС УДОВЛЕТВОРЯЮЩЕГО ПЕРСПЕКТИВНЫМ ЭКОЛОГИЧЕСКИМ И ЭКОНОМИЧЕСКИМ ТРЕБОВАНИЯМ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2010

004617002

Работа выполнена на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

B.JI. Химич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

П.И. Бажан

доктор технических наук, профессор А. А. Гаврилов

Ведущее предприятие: ОАО «РУМО»

Защита диссертации состоится «15» декабря 2010 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ им. P.E. Алексеева.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.04

Автореферат разослан « /Г, // 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических е ^ук, профессор

Л.Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду от постоянно растущего парка автомобилей во всех высокоразвитых странах в законодательном порядке вводятся периодически ужесточающиеся нормы на эмиссии вредных веществ (СО, НС, ЫОх и РМ), выбрасываемых в атмосферу с выхлопными газами.

На территории Российской Федерации, начиная с 2006 г., периодически вводятся в действие Европейские экологические стандарты, регламентирующие нормы эмиссий вредных веществ, для вновь выпускаемых автомобилей.

При переходе к очередному стандарту снижение эмиссий автомобиля представляет собой сложную научно-техническую задачу, решение которой связано со снижением эксплуатационного расхода топлива при одновременном улучшении динамических качеств автомобиля за счет повышения энергетических показателей и надежности двигателя.

Одной из наиболее сложных и трудоемких задач является выбор типа агрегата наддува и согласование его расходно-напорных характеристик с гидравлической характеристикой двигателя. Начиная с норм Евро 3, для наддува дизелей наибольшее применение получили турбокомпрессоры с регулируемым сопловым аппаратом турбины.

Цель данной работы - разработка методики выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС, удовлетворяющего перспективным экологическим и экономическим требованиям.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1 - разработать методику расчета внешней скоростной характеристики (ВСХ) для двигателей автомобилей экологического класса 4 (Евро 4) и выше;

2 - выбрать тип и характеристики агрегатов наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля;

3 - разработать методику определения гидравлической характеристики двигателя (ГХД) и её согласования с расходно-напорными характеристиками (РНХ) регулируемого турбокомпрессора (ТКР) по четырем ключевым режимам работы дизеля по ВСХ;

4 - разработать методику формирования экспериментальной ВСХ, включающий построение предельно - допустимой и расчетной ВСХ по крутящему моменту;

5 - определить закон регулирования соплового аппарата турбины, обеспечивающий формирование расчетной ВСХ.

Научная новизна.

Разработана методика выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС, удовлетворяющего перспективным экологическим и экономическим требованиям.

Предложено уравнение для определения степени повышения давления 7ги в одноступенчатой системе турбонаддува дизеля без промежуточного охлаждения надувочного воздуха с использованием РНХ компрессорной ступени.

Разработана методика определения и согласования ГХД с РНХ компрессорной ступени по четырем расчетным точкам (<7„ , ггм).

Получен закон регулирования соплового аппарата турбины по ВСХ в виде кусочно-линейной функции, определяющей ход штока сервопривода от частоты вращения коленчатого вала.

Достоверность н обоснованность полученных научных результатов обусловливаются:

- применением уравнений по теории автомобиля и теории рабочих процессов ДВС, законов газовой динамики для выполнения расчетов;

- применением поверенных и аттестованных измерительных приборов, оборудования, действующих стандартов РФ, типовых методик и опыта проведения экспериментальных исследований двигателей с турбонаддувом;

- подтверждением результатов расчетов экспериментальными данными.

Практическая ценность работы.

Методики, изложенные в диссертации, рекомендуется использовать для разработки систем наддува дизельных, бензиновых и газовых двигателей, применяемых на автомобилях Евро 4 и выше.

Применение методики выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС позволяет значительно сократить затраты времени и средств при создании новых и модернизации серийно-выпускаемых автомобильных двигателей с наддувом.

Реализация результатов работы.

Материалы диссертации используются:

- при создании новых и модернизации серийных двигателей в ОАО «ЗМЗ»;

- на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева в лекционных курсах по специальности «ДВС», при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели» в НГТУ им. P.E. Алексеева 14 октября 2010 г.

По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:

на международном симпозиуме «Образование через науку», посвященном 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана, 17-19 мая 2005 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана; на V международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», 19 мая 2006 г., Нижний Новгород, НГТУ; на международной конференции «Двигатель - 2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, 19-21 сентября 2007 г., Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана; на XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», посвященной 50-летию Владимирского государственного университета, 27-29 мая 2008 г., Владимир, ВлГУ; на международной научно-технической конференции «Авто НН 08 Автомобильный транспорт в XXI веке», посвященной 45-летию кафедры

«Автомобильный транспорт» НГТУ им. P.E. Алексеева, 18-19 декабря 2008 г., Нижний Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева; на всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники НГТУ им. P.E. Алексеева, 17-20 ноября 2009 г., Нижний Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева; на XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», посвященной 50-летию Владимирского государственного университета, 27-29 мая 2008 г., Владимир, ВлГУ; на XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», 29-30 июня 2010 г., Владимир, ВлГУ;

Публикации. По результатам исследования опубликовано 11 работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Общий объем работы 155 страниц, включая 147 страниц основного текста, содержащего 85 рисунков и 24 таблицы. Список литературы включает 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены пути снижения эмиссий вредных веществ в ОГ дизелей, тестируемых в составе автомобиля, сформулированы цель диссертации и основные решаемые задачи для ее достижения, приведены научная новизна и практическая ценность выполненных исследований.

В первой главе диссертации на основании анализа опубликованной литературы сформулированы два принципа, определяющие форму ВСХ двигателей для автомобилей с максимальной массой до 3,5 т, доводка экологических параметров и сертификация которых выполняется на роликовом стенде по циклу NEDC в соответствии с Правилами ЕЭК ООН №83 (ГОСТ Р41.83-2004):

- выполнение очередного экологического законодательства (требование государства);

- обеспечение заданных динамических качеств автомобилю (требование потребителя).

В работах М.Г. Круглова, В.И. Крутова, А.Г. Рыбальченко, В.Н. Каминского рассмотрены следующие подходы для формирования ВСХ автомобильного двигателя:

- сохранение постоянного крутящего момента при снижении угловой скорости коленчатого вала в соответствии с условием со = varia, Мк = const;

- повышение крутящего момента при снижении угловой скорости коленчатого вала в соответствии с условием m = varia, Ne = const.

Выполнение этих условий позволяет улучшить динамические качества автомобиля и способствует выполнению соответствующих экологических стандартов.

Как правило, начиная с норм Евро 4, все ведущие автомобильные фирмы применяют двигатели, ВСХ которых имеют участок Мктах = const в ско-

ростном диапазоне ик/ - пк2, переходящий в участок NHOM = const в скоростном диапазоне пк2 - пИ(Ы (рис.1).

Рис.1. Внешние скоростные характеристики двигателя по крутящему моменту и мощности.

Во второй главе диссертации на основании анализа опубликованной литературы даны рекомендации по выбору типа агрегатов наддува в зависимости от требуемой формы ВСХ и уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля.

В дизелях наибольшее распространение получили системы газотурбинного наддува с регулируемыми ТКР. Для дизелей Евро 1-3 применяют ТКР с клапаном перепуска ОГ минуя турбину ^вТ), а для дизелей Евро 3-6 - ТКР с регулируемым сопловым аппаратом (РСА).

Для дизелей с литровой мощностью до 60 кВт/л экономически целесообразно применять одноступенчатые системы турбонаддува с ТКР с РСА для выполнения норм Евро 4 и выше.

Для дизелей с литровой мощностью более 60 кВт/л требуется применять двухступенчатые системы турбонаддува.

Основной задачей при выборе ТКР является согласование его характеристик с ГХД (функция представляющая собой зависимость между расходом воздуха и необходимой степенью повышения давления в компрессоре при работе дизеля по требуемой ВСХ, называется гидравлической характеристикой двигателя).

В опубликованных методах согласования ГХД с характеристиками нерегулируемых и регулируемых ТКР в качестве расчетных используются ключевые режимы М110м и Мктах как отдельно (по 1 расчетной точке - рекомендации Б.Ф. Лямцева, Л.Б. Микерова для судовых и автотракторных дизелей), так и совместно (по 2 расчетным точкам - рекомендации фирмы

Honeywell-Garrett, США для автомобильных дизелей и бензиновых двигателей). В НГТУ им. P.E. Алексеева (г. Нижний Новгород) совместно с ОАО «ЗМЗ» разработана методика расчета и согласования ГХД с характеристиками ТКР WGT для автомобильных дизелей Евро 2 и Евро 3 по трем ключевым режимам: N„OM , Mimax и па тШ (3 расчетные точки). ВСХ двигателей для автомобилей, выполняющих нормы Евро 4 и выше, имеют четыре ключевых режима, соответствующих расчетным точкам 1,2,3,4 (рис.1).

В третьей главе диссертации разработаны теоретические методики и рекомендации для решения сформулированных задач.

Методика расчета и построения ВСХ двигателя по четырем ключевым режимам работы включает рекомендации по определению координат четырех расчетных точек 1, 2, 3, 4 и построению трех участков ВСХ по крутящему моменту и мощности (рис.1).

Координаты расчетной точки 1 (N/=NmM, ni=nH0M, Mt=9550NHOJnHM) определяются по заданной потребителем максимальной скорости Vmax автомобиля.

Рекомендации по определению координат расчетной точки 2 (N2=NHm„ п2=пк2=(0,7±0,05)-пн<ш, М2=МК тах=9550N„mJnK2) и расчетной точки 3 (N3= =Мктах- пк,/9550, п3=пк1=(0,4±0,1)-пном, М3=Мктах) получены в результате обработки опубликованных экспериментальных ВСХ.

Координаты расчетной точки 4 {N4=MKmJ9,55, п4=пШп=1000мин', M4=MKmin) задаются потребителем двигателя.

Методика определения ГХД по четырем расчетным точкам включает разделы: расчет и согласование ГХД с РНХ компрессорной ступени и рекомендации по расчету площадей РСА.

В результате выполнения данных разделов определяют для конкретного двигателя требуемые геометрические характеристики компрессорной и турбинной ступеней (A/R и Trim) ТКР с РСА для заказа на фирме-изготовителе (рис.2-4).

Рис.2. Геометрические параметры корпусов компрессора и турбины: А - площадь сечения канала на выходе из улитки (Ак - для корпуса компрессора) или входе в улитку (А„ - для корпуса турбины), дюйм2; Л - расстояние от оси ротора ТКР до центра масс сечения А, дюйм; А/Я—характерный параметр, дюйм.

а) б)

Рис.3. Геометрические параметры регулируемого сотового аппарата турбины: а) Арсл.тах = (6а+ЗЬ)Ь - максимальная и б) Арсл.ты ~ 6сИ - минимальная площади проходных сечений каналов РСА на входе в колесо турбины (И - высота сопловой лопатки).

Рис.4. Геометрические параметры рабочих колес ротора ТКР: TrimK - колеса компрессора; Trimm - колеса турбины. Определение параметров для каждой расчетной точки ГХД (рис.6) и согласование её с РНХ компрессорной ступени ТКР выполняется путем решения базовой системы уравнений:

a-lQ-ge М-п

г G„ =

Р* =

3,6-106 9550

30-т п -гу,--Ч>

__Pjl.LL

Vo-Ven Po Т0

(1) (2) (3)

где:

рк - плотность воздуха во впускной трубе; т]у - коэффициент наполнения; ао = Р//Р0 - коэффициент потерь давления на впуске в компрессорную ступень; Р, - давление воздуха на впуске в компрессорную ступень;

авп = Рк ¡Р2 — коэффициент потерь давления от компрессорной ступени до впускной трубы; Р2 - давление воздуха на выходе из компрессорной ступени; Рк - давление воздуха во впускной трубе; Тк - температура воздуха во впускной трубе.

Значения температуры Т0 и давления атмосферного воздуха ра, как правило, приведены на расходно-напорных характеристиках компрессорной ступени в рекламных материалах фирм-производителей ТКР.

Базовая система уравнений может быть использована для расчета ГХД в любой комплектации двигателя.

Вычисление площадей РСА (А/, А2, А3, AJ) для каждой расчетной точки ГХД выполняется по условию равенства мощностей компрессорной и турбинной ступеней ТКР по известным формулам из теории турбомашин.

Турбинную ступень подбираем из условия обеспечения конструкцией РСА расчетного диапазона регулирования площади соплового аппарата (см. рис.3):

А РСА .min < (А4...А1) < А ГС А .max • (4)

Иллюстрация методики формирования экспериментальной ВСХ двигателя приведена в четвертой главе.

В четвертой главе диссертации выполнена иллюстрация предлагаемой методики выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного двигателя, включающей решение 5 сформулированных задач на примере дизеля ЗМЗ-5143.10 с турбонаддувом без промежуточного охлаждения надувочного воздуха для автомобиля УАЭ-315148 «ХАНТЕР» Евро 4.

1. Результаты расчета ВСХ по предлагаемой методике для дизеля 3M3-5143.10 Евро 4 приведены на рис.5.

Мк, Н-м

220

200

180

160 '

140

1000 1500 2000 2500 3000 3500 П, МИН

Рис.5. ВСХ по крутящему моменту: 1 - дизель 3м3-5143.10 Евро 3 с ТКР ШвТ (эксперимент); 2 - дизель ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с ТКР с РСА (расчет).

2. По предложенным рекомендациям для реализации расчетной ВСХ при литровой мощности дизеля ЭМЗ-5143.10 Евро 4, равной N,=30,4 кВт/л, выбран ТКР с РСА.

3. Для расчета ГХД базовая система уравнений (1-3) для дизеля с ТКР с РСА без охладителя надувочного воздуха преобразована в систему из двух уравнений:

Со =а'1°'8' М'п

° 3,6-106 9550'

( К-1

(5)

Ч

50-г-Сл,

Лг

■1

1к.ад

+ 1

(6)

Результаты расчета ГХД и ее согласования с РНХ компрессорной ступени приведены на рис.6.

15 Ок. фунт/мин

Рис.6. Гидравлические характеристики дизеля ЭМЗ-5143 для автомобиля УАЗ-315148 «Хантер» Евро 4, совмещенные с расходно-напорными характеристиками компрессорной ступени йТ1544 С^¡=44мм; А/Як=0,33дюйм; Тптк=56) ТКР ШТ]5 фирмы Нопеу^еИ-СаггеН: 1 - Расчетная (1р-2р-3р-4р); 2 - экспериментальная (1э-2э-3э~4э); 3 - расчетная (1р-2р-3р-4у) для двухступенчатой системы наддува ТКР ШТ15 + еВооу/ег м. * - граница помпажа для ТКР УЫТ15. ** — граница помпажа для двухступенчатой системы наддува ТКР ШТ 15 + еВооНег™.

По результатам вычисленных площадей РСА выбрана турбинная ступень GT15 (d/=41 мм) Trim,,, 72 (A/R)„, .65 фирмы Honeywell-Garrett, для которой выполняется условие (4):

Арсл.„in ~ 1 см7 < (А4=2,6 см2 ... Ау =5,6 см2) < Арсл.тт =7,3 см2.

Для проведения экспериментальных исследований выбран ТКР VNT15 фирмы Honeywell-Garrett (рис.7).

Вход ОГ

Рис. 7. Внешний вид ТКР VNT15: 1 — корпус турбины; 2 - корпус компрессора; 3 — вакуумный сервопривод РСА; 4 - впускной патрубок со смесителем картерных газов.

4. Иллюстрация методики формирования экспериментальной ВСХ дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с ТКР VNT 15.

Определение ключевых параметров дизеля.

Исходя из условий выполнения экологических стандартов и обеспечения надежности дизеля ЗМЗ-5143.10, выбираем следующие ключевые параметры для разработки метода экспериментального определения ВСХ:

- дымность ОГ Ктах = 4,5 FSN-согласно Правилам ЕЭК ООН (R24) для дизеля с рабочим объемом 2,235 л;

- максимальное давление сгорания рг - 145 Бар - из условий надежности основных деталей дизеля;

- температура ОГ на входе в корпус турбины 13тах = 850 °С - из условия надежности работы ТКР VNT15.

Определение нагрузочных характеристик.

Диапазон частот вращения коленчатого вала и, дизеля и ход штока hj вакуумного сервопривода ТКР VNT15 разбиваем, соответственно, на интервалы: П]... П/з и h/ ... h7.

Каждая серия нагрузочных характеристик и; ... пц определена для hj=const с шагом по крутящему моменту AM =20 Нм. Определение каждой нагрузочной характеристики прекращалось при достижении любым из 3-х ключевых параметров своего предельного значения. При этом каждому предельно-допустимому крутящему моменту присваивается собственное обозначение Му (рис.8).

1 2 .4 4 5 б 7 8 9 10 И 12 1,? ОН-1-1-<-1-1-1-1-1-I-1-1-»

1000 1500 2000 2500 3000 3500 и. мин"'

Рис. 8. Внешние скоростные характеристики дизеля ЗМЭ-5143.Ю для автомобиля УАЗ-315148 Евро 4: 1,2,3,4,5,6,7 ~ индивидуальные; 8 - предельно-допустимая: 9 - расчетная (I- 2- 3- 4р); 10 - экспериментальная (1-2-3-4э).

Построение предельно — допустимой ВСХ по крутящему моменту.

По данным полученным в ходе определения нагрузчных характеристик построены индивидуальные ВСХ (кривые 1,2,3,4,5,6,7) по крутящему моменту М,у = /(«„/»,), каждая из которых является аналогом ВСХ дизеля ЗМЗ-5143.10 с нерегулируемым ТКР при фиксированном значении площади соплового аппарата ТКР УЫТ15 {И/-=сопН, рис.8).

Предельно-допустимая ВСХ (кривая 8) по крутящему моменту для дизеля 3м3-5143.10 с ТКР УЫТ 15 построена как огибающая индивидуальные ВСХ кривая, проходящая через точки Ми - М2 7 - Мзл - Ми - М5А - М7.з -Мц.2 - М/3.1 ■

Сравнение расчетной (кривая 9) и экспериментальной ВСХ (кривая 10) по крутящему моменту для автомобиля.

Удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных данных подтверждает достоверность предлагаемой методики расчета ВСХ (рис.8). Меньшее значение экспериментального крутящего момента М4Э=142Нм по сравнению с расчетным М4р=182 Им связано с высокой дым-ностью ОГ дизеля ЗМЭ-5143.10 с ТНВД УЕ (К^5,36 Ш при Ктах = 4,5 ЕБИ для дизелей с ¡¥н=2235 см3).

Построение графиков регулирования соплового аппарата турбины ТКР ЮТ 15 в составе дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4.

По точкам пересечения индивидуальных ВСХ с экспериментальной ВСХ находим частоты вращения коленчатого вала двигателя для каждого фиксированного хода штока (рис.8). Строим график хода штока Л серво-

привода РСА в зависимости от частоты вращения и коленчатого вала двигателя для экспериментальной ВСХ. По аналогии построен график хода штока сервопривода РСА для предельно-допустимой ВСХ (рис.9).

Ь,

мм 10

8

6>

4>

2 0

750 1250 1750 2250 2750 3250 П, мин'1 Рис.9. Графики хода штока сервопривода регулируемого сотового аппарата турбины ТКР УЫТ15: 1 -для предельно-допустимой и 2 - для расчетной внешних скоростных характеристик дизеля 3м3-5143.10 Евро 4.

5. Определение закона регулирования соплового аппарата турбины, обеспечивающего работу дизеля по экспериментальной ВСХ.

Анализ графиков приведенных на рис.9, позволяет сформулировать общий закон регулирования ТКР УЫТ15: изменение хода штока сервопривода РСА турбины по частоте вращения коленчатого вала дизеля описывается кусочно-линейной функцией А = а ■ п + Ь.

В таблице приведены численные значения коэффициентов пропорциональности а и Ь при работе дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 по экспериментальной ВСХ.

Коэффициенты пропорциональности Диапазон частот вращения коленчатого вала п, мин"1

1000...1500 1500... 1700 1700...2500 2500...4000

а, мм/мин"1 0 -30-10"3 -5,6-10"' 0

Ь, мм 12 57 15,6 1,5

В пятой главе диссертации изложены результаты стендовых испытаний дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с ТКР УИТ15 и рекомендации для обеспечения расчетной ВСХ на участке 4-3 (рис.8).

На рис.6 приведено сравнение расчетной ГХДр и экспериментальной ГХДэ дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4, совмещенных с РНХ компрессорной ступени ТКР УОТ 15.

В связи с тем, что регулируемый участок 4-3 ГХДэ расположен близко к границе помпажа, а также для обеспечения расчетного крутящего момента М4Р=182 Нм разработаны рекомендации по применению двухступенчатой системы наддува «ТКР УТЧТ 15 + еВооз1ег™» (рис.10).

Впускная груба

Компрессор с электроприводом еВоо*1ег™

Запорно-нсрекл »чающая аппаратура

Воздух

Рис. 10. Двухступенчатая система наддува «ТКР УЫТ15+еВоох1ег™».

На рис.11-14 приведены нагрузочные характеристики и ВСХ по удельному эффективному расходу топлива дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с различными вариантами исполнения систем наддува.

ёе, г/(кВт-ч) 295

285

275

265

255

245

235

225

/

$ /

» / /

У /

ч * * У *

\ У

3 \ ^ "Л N 2

1000

1500 2000 2500 3000 3500 П, МИН"'

Рис.11. Внешняя скоростная характеристика по удельному эффективному расходу топлива дизелей ЗМЗ-5143.10: 1-е одноступенчатой системой турбонаддува (ТКР Евро 3), эксперимент; 2-е одноступенчатой

системой турбонаддува (ТКР УЫТ15, Евро 4), эксперимент; 3-е двухступенчатой системой наддува (ТКР ШТ15 + еВоой1ег ы, Евро 4), расчет.

\\ и\

и \\\ у

л

■ „__ . — - 1 2

га-*— __

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Мк, Н и Рис.12. Нагрузочные характеристики по удельному эффективному расходу топлива дизелей ЗМЭ-5143.10 при п = 1750 мин1: 1- ТКР ШйТ, Евро 3; 2 - А = 6 ммТКР ШТ15, Евро 4; 3-1г = 9 мм ТКР ШТ15, Евро 4.

\

1 ^ \ \ \

\\ Ч

V. - 2

60 80 100 120 140 160 180 200 220Мк,Нм Рис. 13. Нагрузочные характеристики по удельному эффективному расходу топлива дизелей 3м3-5143.10 при п = 2500 мин': 1 - ТКР ¡УСТ, Евро 3; 2 -к = Змм ТКР ШТ15, Евро 4.

ge. г/(кВтч)

goo

700

600

500

400

300'

200.

20 40 60 80 100 120 140 160 Мк.Нм

Рис. 14. Нагрузочные характеристики по удельному эффективному расходу топлива дизелей 3M3-5143.10 при п = 4000 мин': : 1 - ТКР WGT, Евро 3; 2-h = 0мм ТКР VNTI5, Евро 4.

Анализ данных характеристик показывает, что применение регулируемых систем наддува позволяет существенно повысить топливную экономичность дизеля, и, как следствие, снизить эмиссии вредных веществ в ОГ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные исследования по определению внешних скоростных характеристик дизелей в комплектации НЕТТО, направленные на улучшение энергетических, экономических и экологических показателей автомобилей с максимальной массой до 3,5 т, позволили получить новые результаты и сделать следующие выводы.

1. Разработана методика выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС для выполнения норм Евро 4 и выше, включающая:

- методику расчета ВСХ по четырем ключевым режимам 1,2,3, 4 с участком 3-2 (Мкши = const) в скоростном диапазоне от пк! до nK¡, переходящим в участок 2-1 (NH0M = const) в скоростном диапазоне от пК2 до пнам для двигателей автомобилей экологического класса 4 (Евро 4) и выше;

- выбор типа и характеристик агрегатов наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля;

- методику определения ГХД и её согласования с РНХ регулируемого ТКР по четырем ключевым режимам работы дизеля по ВСХ;

- методику формирования экспериментальной ВСХ;

- рекомендации по определению закона регулирования соплового аппарата турбины, обеспечивающего формирование расчетной ВСХ.

2. Сформулированы требования к системам наддува, которые должны обеспечивать:

ч 1

\ « \

X \ \

\ > i /

Ч. Чч» х * <

jJ — - — - . „ —■

■

- максимальное повышение давления наддува рк в скоростном диапазоне от nmi„=1000 мин' до пкг,

- постоянное максимальное давление наддува р^тах в скоростном диапазоне от n„i до пК2 ;

- обеспечивать формирование участка 2-1 (NHau - const) в скоростном диапазоне от пк2 до пнаы при уменьшении давления наддува от р^„1ах до piH0M ■

3. Предложены рекомендации по количеству ступеней сжатия воздуха в зависимости от уровня форсирования дизеля для выполнения норм Евро 4 и выше:

- с литровой мощностью до 60 кВт/л экономически целесообразно применять одноступенчатые системы турбонадцува с ТКР с РСА;

- с литровой мощностью более 60 кВт/л требуется применение двухступенчатых систем наддува.

4. Предложена базовая система уравнений для определения 4-х расчетных точек (Gei, гги) ГХД, даны рекомендации для ее построения и согласования с РНХ компрессорной ступени.

5. На примере дизеля 3M3-5143.10 для автомобиля УАЭ-315148 «Хан-тер» экологического класса 3 (Евро 3) выполнена апробация предлагаемой методики и разработаны рекомендации для выполнения норм Евро 4.

6. Материалы диссертации используются при создании новых и модернизации серийных систем турбонаддува в УГК ОАО «ЗМЗ» и на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева в лекционных курсах по специальности «ДВС», при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах

В изданиях, из перечня рекомендованного ВАК:

1. Химич В.Л., Епифанов Д.В. Применение систем наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля для выполнения требований экологических стандартов // Журнал автомобильных инженеров - 2010,- № 2 - С. 29-34.

2. Химич В.Л., Епифанов Д.В. Применение систем наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля для выполнения требований экологических стандартов // Журнал автомобильных инженеров - 2010 - № 3 - С. 24-28.

3. В.Л. Химич, Д.В. Епифанов. Выбор системы наддува в зависимости от требований экологических стандартов и уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля. // Вестник УГАТУ. 2010. т. 14, 5 (40). С. 300-307.

Прочие издания:

4. Блинов А.Д., Епифанов Д.В. О возможности применения турбокомпрессора VNT15 на дизельном двигателе 3M3-5143.10 // Материалы докладов секции «Двигатели внутреннего сгорания». Отдельный выпуск. - М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2005. - С. 32-33.

5. Епифанов Д.В., Блинов А.Д. Скоростная внешняя характеристика дизельного двигателя с турбокомпрессором VNT // Тезисы докладов международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». - Н.Новгород: НГТУ, 2006. - С.200-205.

6. Епифанов Д.В. Методика управления РСА ТКР с целью получения требуемой ВСХ автомобильного дизельного двигателя удовлетворяющей современным экологическим и экономическим требованиям // Материалы докладов международной конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. - М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2007. - С. 459-462.

7. Епифанов Д.В. Оценка систем турбонаддува дизельных двигателей легковых автомобилей /У Сборник научных статей международной научно-практической конференции «Авто НН 08 автомобильный транспорт в XXI веке». - Н.Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2008 - С. 155-156.

8. Доводка систем дизеля ЗМЗ-5143.10 в составе автомобиля УАЗ-315148 «Хантер» для выполнения экологических норм Евро 3. / М.А. Миро-нычев, A.B. Мокрышев, А.Д. Блинов, Д.В. Епифанов // материалы XI международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», повященной 50-летию Владимирского государственного университета.- Владимир: ВлГУ,

2008.-С. 154-157.

9. Химич B.JL, Епифанов Д.В. Выполнение требований экологических стандартов для быстроходных автомобильных дизелей путем совершенствования систем наддува // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники НГТУ им. P.E. Алексеева. - Н.Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009 - С. 302-314.

10. Химич B.JL, Епифанов Д.В., Блинов А.Д. Метод расчета внешней скоростной характеристики быстроходного автомобильного дизеля // Сборник докладов международной научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники НГТУ им. P.E. Алексеева - Н.Новгород: НГТУ им. P.E. Алексеева,

2009.-С. 302-314.

11. Формирование гидравлической характеристики дизеля для автомобиля ЕВРО 4 с полной массой до 3,5 т. / B.JI. Химич, А.Д. Блинов, Д.В, Епифанов // материалы XII международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей».- Владимир: ВлГУ, 2010. - С. 294-298.

Подписано в печать 08.11.10. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 683.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Список принятых обозначений и сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Принципы формирования ВСХ двигателей для автомобилей, удовлетворяющих перспективным экологическим и экономическим требованиям.

1.1 Экологическое законодательство.

1.1.1 Европейское экологическое законодательство.

1.1.2 Российское экологическое законодательство.

1.1.3 Особенности работы двигателя при движении автомобиля по циклу КЕБС.

1.1.4 Пути снижения эмиссии вредных веществ в ОГ дизелей, выполняющих требования Правил ЕЭК ООН-№83.

1.2 ВСХ дизелей, выполняющих требования Правил ЕЭК ООН №83.

1.2.1 Особые режимы работы дизеля по ВСХ.

1.2.2 Влияние режима минимально устойчивой частоты вращения коленчатого вала двигателя на показатели разгона автомобиля.

1.2.3 Влияние сопротивления дороги на развиваемый крутящий момент двигателя при движении автомобиля.

1.2.4 Влияние режима номинальной мощности «нетто» двигателя на максимальную скорость автомобиля.

1.2.5 Коэффициенты оценки ВСХ двигателя.

1.3 Выводы.

ГЛАВА 2. Выбор типа агрегата наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля.

2.1 Требования к системам наддува.

2.2 Одноступенчатые системы наддува.

2.2.1 Системы механического наддува.

2.2.2 Газотурбинный наддув (турбонаддув).

2.3 Двухступенчатые системы наддува.

2.3.1 Система турбонадцува R2S™.

2.3.2 Системы наддува с дополнительным центробежным компрессором с электроприводом.

2.4 Влияние системы наддува на уровень форсирования быстроходного автомобильного дизеля.

2.5 Качественная оценка потенциала систем наддува.

2.6 Выбор характеристик ТКР для автомобильных двигателей.

2.6.1 Выбор характеристик ТКР по одной расчетной точке ГХД.

2.6.2 Выбор характеристик регулируемого ТКР по двум расчетным точкам ГХД.

2.6.3 Выбор характеристик ТКР по трем расчетным точкам ГХД.

2.7 Выводы.

2.8 Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 3. Разработка теоретических основ для выполнения расчета и согласования ГХД с характеристиками ТКР.

3.1 Методика расчета ВСХ двигателя по четырем ключевым режимам работы.

3.1.1 Определение координат расчетных точек ВСХ.

3.1.2 Исходные данные для расчета ВСХ.

3.1.3 Расчет и построение участка постоянной номинальной мощности.

3.1.4 Расчет и построение участка постоянного максимального крутящего момента.

3.1.5 Расчет и построение участка от максимального до минимального крутящих моментов.

3.2 Методика определения ГХД по четырем расчетным точкам.

3.2.1 Согласование расходно-напорпой характеристики компрессорной ступени ТКР с ГХД.

3.2.2 Рекомендации для расчета РСА.

3.3 Методика формирования экспериментальной ВСХ двигателя.

3.3.1 Определение предельно - допустимых параметров двигателя.

3.3.2 Определение нагрузочных характеристик двигателя.

3.3.3 Построение предельно - допустимой ВСХ двигателя по крутящему моменту.

3.3.4 Построение расчетной ВСХ по крутящему моменту для автомобиля.

3.3.5 Рекомендации для определения закона регулирования соплового аппарата турбины.

ГЛАВА 4. Расчет и согласование ГХД дизеля 3M3-5143.10 для автомобиля УАЗ-Э15148 «ХАНТЕР» Евро 4 с характеристиками ТКР VNT15. Определение закона регулирования ТКР VNT15.

4.1. Расчетная ВСХ.

4.2. Расчет гидравлической характеристики дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4 и выбор ТКР с РСА.

4.3. Результаты формирования экспериментальной ВСХ дизеля

ЗМЗ-5143.10 Евро 4 с ТКР VNT 15.

4.3.1. Определение нагрузочных характеристик.

4.3.2 Построение предельно - допустимой ВСХ двигателя по крутящему моменту.

4.3.3 Построение расчетной ВСХ по крутящему моменту для автомобиля.

4.3.4. Определение закона регулирования соплового аппарата турбины для расчетной ВСХ дизеля ЗМЗ-5143.10 Евро 4.

ГЛАВА 5. Экспериментальная проверка результатов расчета и согласования ГХД дизеля 3M3-5143.10 с характеристиками ТКР VNT15.

5.1 Описание моторного стенда для определения характеристик двигателей.

5.2. Компоновка ТКР VNT15 на дизеле 3M3-5143.10.

5.3. Конструкция ТКР VNT 15.

5.4 Погрешности измерений.

5.5. Сравнение расчетных и экспериментальных данных.

5.6. Совершенствование системы турбонаддува дизеля 3M3-5143.10 для повышения экономичности и динамических качеств автомобиля

YA3-315148 «ХАНТЕР» Евро 4.

Дизель в составе силовой установки автотранспортного средства (АТС) занимает ведущее место благодаря высокой топливной экономичности' низкой-токсичности отработавших газов, (ОГ) и широким возможностям- по уровню форсирования мощности с применением турбонаддува, особенно при необходимости сохранения или,уменьшения его габаритов.

В"диссертации рассматриваются дизели, которыми оснащаются автомобили.с максимальной, массой до.3,5 т. К ним относятся .автомобили малого класса (типа Smart); класса SUV (вседорожники), LCV (легкие коммерческие автомобили типа ГАЗель, FORD Tranzit, FIAT Ducato и т.д.), бизнес класса (типа AUDI Аб, А8; VOLVO S80; SAAB 9-5) с дизелями повышенной мощности.

С 2000 года дизель начали применять в спортивных модификациях-серийных легковых автомобилей (SKODA FABIA RS, OPEL Speedster и т.д.) и гоночных автомобилей типа AUDI RIO для участия в 24-х часовых гонках в Ле Мане.

В сочетании со средствами снижения токсичности и дымности ОГ дизель удовлетворяет самым жестким современным экологическим стандартам.

В странах Западной Европы спрос на дизельные легковые автомобили резко вырос после 1997 года, когда появились дизели с новой системой топливо-подачи Common Rail и турбокомпрессорами (ТКР) с регулируемым* сопловым аппаратом турбины (РСА) (см. рис.1).

Повышенный спрос на такие автомобили'объясняется их высокими динамическими качествами и низким расходом топлива, по сравнению с бензиновыми автомобилями, при выполнении стандартов по экологии и шуму (см. рис.2).

В 2005 году доля проданных на рынке Европейского Союза новых дизельных автомобилей составила 48,9 %, а в Австрии — более 70 %. Так крупнейший европейский концерн VW выпускает 57,3 % своих автомобилей оснащенных дизельными двигателями [1].

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 годы

Рис. 1. Доля автомобилей с дизельными двигателями среди новых автомобилей, регистрируемых в западной Европе [1].

Дизельный двигатель оснащенный ТКРсРСА турбины с электронным управлением

Дизельный двигатель оснащенный ТКР с РСЛ турбины

Дизельный двигатель оснащенный ТКР с клапаном перепуска ОГ

Бензиновый двигатель

4 3 2 1

Рис.2. Сравнение топливной экономичности автомобиля, оборудованного различными двигателями [2].

Для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду от постоянно растущего парка автомобилей практически все высокоразвитые страны, в законодательном порядке вводят периодически ужесточающиеся нормы на количество эмиссий вредных веществ СО, НС, ЫОх и РМ, выбрасываемых- в атмосферу с выхлопными газами.

С этой целью на территории РФ'периодически-вводятся в действие экологические классы от 1 до 6, регламентирующие нормы эмиссий вредных веществ для всех вновь выпускаемых автомобилей.

Например, для вновь выпускаемых автомобилей с начала 2010 года введен в действие Государственный стандарт, регламентирующий нормы эмиссий «экологического класса 4», соответствующих Европейским нормам «Евро 4».

При переходе к очередному экологическому классу снижение эмиссий автомобиля* представляет собой сложную научно-техническую задачу, решение которой связано со снижением эксплуатационного расхода топлива при одновременном улучшении динамических качеств автомобиля' за счет повышения энергетических показателей и надежности двигателя.

На рис.3 приведены основные пути снижения эмиссий, применяемые в новых автомобилях с дизелями.

Первый путь снижения-эмиссий связан»с применением новых технических решений и технологий по изготовлению основных деталей двигателя, оригинальных узлов и агрегатов, позволяющих снижать механические потери, совершенствовать процессы газообмена, смесеобразования и сгорания. На первое место выходит оптимизация процессов газообмена и топливоподачи на переходных режимах работы двигателя. Решающую роль играет электронное управление процессами, протекающими в системах двигателя.

Второй путь связан, в первую очередь, со снижением эмиссий РМ в дизеле за счет применения топлив с пониженным содержанием серы и ароматических углеводородов или перехода на альтернативные виды топлив: диметилэфир, топлива на растительной основе (рапсовое масло и т.д.), «биотоплива», топлива, не содержащие углерода, например, водород.

Третий путь снижения эмиссий' связан с применением электронно-управляемой системы обработки (нейтрализации) вредных веществ.

• Для снижения-эмиссий СО и НС применяются каталитические нейтрализаторы окислительного типа, эмиссий NOx - каталитические нейтрализаторы восстановительного типа и эмиссий РМ — фильтры дисперсных частиц.

Как правило, каталитические нейтрализаторы окислительного типа и фильтры дисперсных частиц, размещаются на дизеле в непосредственной близости от корпуса турбины ТКР, каталитические нейтрализаторы восстановительного типа размещаются в системе выхлопа автомобиля.

Третий путь, в совокупности с доводкой параметров двигателя по первому и второму путям, позволяет снизить общие затраты на обеспечение регламентируемых эмиссий вредных веществ в течение первых 100 тыс. км пробега нового автомобиля экологического класса 4 и в течение первых 160 тыс. км пробега нового автомобиля экологического класса 5.

Четвертый путь снижения эмиссий связан с оптимизацией конструктивных параметров автомобиля: снижением массы, улучшением аэродинамики, снижением механических потерь в трансмиссии, применением коробок» перемены передач с увеличенным количеством ступеней со специально подобранными передаточными числами (для работы дизеля, на режимах с высокой топливной экономичностью) и автоматизированным переключением передач и т.п.

Из приведенной на рисунке 3 блок-схемы следует, что наибольшим потенциалом по снижению эмиссий вредных веществ является снижение путевого расхода топлива автомобилем за счет установки высокофорсированного двигателя с меньшим рабочим объемом, который позволяет обеспечить заданные динамические качества автомобиля.

Данное направление получило название «Downsizing» и в настоящее время широко распространено в Европе, Японии и в США («EcoBoost» фирмы» Ford

Рис.3. Пути снижения эмиссий вредных веществ в ОГ автомобильных дизелей, тестируемых по ГОСТ Р41.83-2004 (Правила ЕЖ ООН№83).

USA). Главной задачей при этом является выбор и согласование расходно-напорных характеристик агрегата наддува с гидравлической характеристикой двигателя.

Одним из перспективных направлений является применение ТКР с РСА.

Влияние ТКР с РСА на характеристики дизелей и способы регулирования ТКР с РСА опубликованы в работах ведущих отечественных ученых: М.Г. Круглова, В.И. Крутова, А.Г. Рыбальченко, H.H. Патрахальцева, ■ Б.Ф. Лямцева, А.Б. Азбеля, В.Н. Каминского и ряда других, а также в многочисленных работах зарубежных фирм: AVL, VW, BMW, MB и др.

Однако, в известных нам работах, отсутствуют методические указания и рекомендации по определению:

- внешней скоростной характеристики дизеля для обеспечения заданных динамических качеств автомобиля и выполнения перспективного экологического стандарта;

- гидравлической характеристики двигателя и её согласованию с расходно-напорными характеристиками ТКР с РСА;

- закона регулирования РСА.

Цель данной работы - разработка методики выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС, удовлетворяющего перспективным экологическим и экономическим требованиям, которая включает в себя:

- методику определения внешней скоростной характеристики дизеля в комплектации «нетто» обеспечивающей заданные динамические качества автомобилю, топливную экономичность и выполнение требований перспективного экологического стандарта;

- выбор агрегата наддува в зависимости от уровня форсирования дизеля, расчет гидравлической характеристики двигателя и её согласование с расходно-напорными характеристиками ТКР с РСА;

- определение закона регулирования ТКР с РСА, для заданной (расчетной) гидравлической характеристики дизеля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- разработать методику расчета внешней скоростной характеристики (ВСХ) для двигателей автомобилей экологического класса 4 (Евро 4) и выше;

- выбрать тип и характеристики агрегатов наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля;

- разработать методику определения! гидравлической характеристики двигателя и её согласования с расходно-напорными характеристиками регулируемого турбокомпрессора по четырем ключевым режимам работы дизеля по ВСХ;

- разработать методику формирования экспериментальной ВСХ, включающий построение предельно - допустимой и расчетной ВСХ по крутящему моменту;

- определить закон регулирования соплового аппарата турбины, обеспечивающий формирование расчетной ВСХ.

Научная новизна.

Разработана методика выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС, удовлетворяющего перспективным экологическим и экономическим требованиям.

Предложено уравнение для определения степени повышения давления пК1 в одноступенчатой системе турбонаддува дизеля без промежуточного охлаждения надувочного воздуха с использованием РНХ компрессорной ступени.

Разработан метод определения и согласования ГХД с РНХ компрессорной ступени по четырем расчетным точкам (Ов1,тгм).

Получен закон регулирования соплового аппарата турбины по ВСХ в виде кусочно-линейной функции, определяющей ход штока сервопривода от частоты вращения коленчатого вала.

- 14

Практическая ценность работы

Методики, изложенные в диссертации, рекомендуется использовать для разработки систем наддува дизельных, бензиновых и газовых двигателей, применяемых на автомобилях Евро 4 и выше.

Применение методики выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС позволяет значительно сократить затраты времени и средств при создании новых и модернизации серийно-выпускаемых автомобильных двигателей с наддувом.

За оказание помощи при проведении экспериментальных и теоретических исследований автор выражает благодарность:

- Миронычеву М.А., главному конструктору ОАО ЗМЗ,

- Серову В.А., ведущему инженеру-электронщику УГК ЗМЗ,

- Блинову А.Д., к.т.н., ведущему инженеру-конструктору УГК ЗМЗ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные исследования по определению внешних скоростных характеристик дизелей в комплектации НЕТТО, направленные на улучшение энергетических, экономических и экологических показателей автомобилей с максимальной массой до 3,5 т, позволили получить новые результаты и сделать следующие выводы.

1. Разработана методика выбора типа и характеристик агрегатов наддува автомобильного ДВС для выполнения норм Евро 4 и выше, включающая:

- методику расчета ВСХ по четырем ключевым режимам 1, 2, 3, 4 с участком 3-2 (Mh тах = const) в скоростном диапазоне от пк] до пк2, переходящим в участок 2-1 (Nnou = const) в скоростном диапазоне от пк2 до п„ом для двигателей автомобилей экологического класса 4 (Евро 4) и выше;

- выбор типа и характеристик агрегатов наддува в зависимости от уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля;

- методику определения ГХД и её согласования с РНХ регулируемого ТКР по четырем ключевым режимам работы дизеля по ВСХ;

- методику формирования экспериментальной ВСХ;

- рекомендации по определению закона регулирования соплового аппарата турбины, обеспечивающего формирование расчетной ВСХ.

2. Сформулированы требования к системам наддува, которые должны обеспечивать:

- максимальное повышение давления наддува pk в скоростном диапазоне от птт=1000мин1 до nKi;

- постоянное максимальное давление наддува рктих в скоростном диапазоне от nKi до пк2;

- обеспечивать формирование участка 2-1 (NHOU ~ const) в скоростном диапазоне от пк2 до пиоч при уменьшении давления наддува от рктах до риюм ■

- 1443. Предложены рекомендации по количеству ступеней сжатия воздуха в зависимости от уровня форсирования дизеля для выполнения норм Евро 4 и выше:

- с литровой мощностью-до 60 кВт/л экономически целесообразно применять одноступенчатые системы турбонаддува с ТКР с РСА;

- с литровой мощностью более 60 кВт/л требуется применение двухступенчатых систем наддува.

4. Предложена базовая система уравнений для определения 4-х расчетных точек (О,.,-, 7г„) ГХД, даны рекомендации для ее построения и согласования с РНХ компрессорной ступени.

5. Предложена базовая система уравнений для определения 4-х расчетных точек (Сг;, лг„,/) гидравлической характеристики двигателя и площади А] соплового аппарата турбины для проектирования турбинной ступени.

6. На примере дизеля 3м3-5143.10 для автомобиля УАЗ-315148 «Хантер» экологического класса 3 (Евро 3) выполнена апробация предлагаемой методики и разработаны рекомендации для выполнения норм Евро 4:

- экспериментально подтверждены расчетные внешняя скоростная характеристика по крутящему моменту и гидравлическая характеристика дизеля с новым турбокомпрессором ТКР Л/ТЧТ 15;

- получено снижение удельного эффективного расхода топлива в среднем на 20 г/кВт ч по всей внешней скоростной характеристике;

- получен закон регулирования соплового аппарата турбины в виде кусочно-линейной функции, определяющей ход штока сервопривода от частоты вращения коленчатого вала.

7. Совместно с ФГУП ФНПЦ «НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (г. Нижний Новгород) разработан макетный образец сервопривода на базе шагового электромагнита, позволяющий реализовать предлагаемый закон регулирования турбокомпрессора УЫТ15.

- 1458. Разработаны рекомендации по применению на дизеле 3M3-5143.10 Евро 4 двухступенчатой системы наддува на базе ТКР VNT15 и дополнительного центробежного компрессора с электроприводом eBooster™ , которая позволит повысить значения крутящего момента и топливную экономичность на регулируемом участке 3 - 4, и, соответственно, улучшит динамические качества автомобиля, работу двигателя на переходных режимах и снизит эмиссии вредных веществ в ОГ.

9. Результаты расчетно-экспериментальных исследований используются в УГК ЗМЗ для согласования гидравлических характеристик перспективных бензиновых и дизельных двигателей ОАО «ЗМЗ» с расходно-напорными характеристиками регулируемых турбокомпрессоров отечественного и зарубежного производства: ЗАО НПО «Турботехника», г. Протвино; ФГУП «ВМЗ», г.Воронеж; «CZ Strakonice, a.s.» Чехия; «Honeywell-Garrett», США; «MHI» и «IHI», Япония; «F-DIESEL POWER CO., LTD», Китай.

10. Материалы диссертации используются на кафедре «Энергетические установки и тепловые двигатели» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева в лекционных курсах по специальности «ДВС», при выполнении курсовых и дипломных проектов.

1. Western European Passenger Саг Purchases Shifted to Higher Share for Small CarSi Lower Share for Diesels in 2009. Электронный ресурс. Режим доступа к статье http://www.greencarcongress.com/2010/02/acea-20100204.html.

2. Von Arndt Peters und Walter Pütz: Die neuen Verzylinder-Dieselmotor OM611 mit Coimiion-Rail-Einspritzung. Teil 2 Verbreminmig und Moiormanegment Text. MTZ.-1997,desember.-P.760-767. -ISSN 0024-8525 1 0814

3. Richard Dorenkamp, Hermann-Josef Engler und Sven Röpke, Harald Hoffmann, Wolfhard Scheliga, Peter Fanslau und Harmut Stehr: Die Dieselmotoren desneuen VW Golf. Text. MTZ.-2007,november.-P.914-923.-ISSN 0024-8525 10814

4. Jens Hadler, Falko Rudolph, Hermann-Josef Engler und Sven Röpke- Die neue 2,0-I-4V-TDI-Motor mit Common-Rail-Einspritzung. Moderne Dieseltechnologie von Volkswagen. Text. Sonderausgabe ATZ und MTZ «VW Golf V» -P 56-65

5. Brennverfahrens-Entwicklung für die neuen Dieselmotoren in leichten Nutzfahrzeugen von Ford und PSA. Text., MTZ:-2006,September.-P.606-614.-ISSN 0024-8525 10814.

6. Гаспарянц Г.А. Конструкция, основы теории и расчета автомобиля Текст. : учебник для машиностроительных техникумов по специальности «Автомобилестроение». М.: Машиностроение, 1978. - 351 с

7. Расчет автомобильных и тракторных двигателей Текст. : Учеб пособие для вузов./ А.И. Колчин, В.П. Демидов 3-е изд. перераб. и доп.-М.: Высш. шк., 2002.-496 е.: ил.

8. Год А.Н. Построение внешней скоростной характеристики бензинового двигателя с турбонаддувом Текст.Автомобильная промышленность.-2005 moHb.-cl2-17.-ISSN 0005-2337.

9. Автомобильные и тракторные двигатели. Ч. 1. Теория двигателей и системы их топливоподачи Текст.: Учебник для вузов / И.М. Ленин, А В Костров, О.М. Малашкин, И.Я. Райков, Г.И. Самоль.-2-e изд., доп. и перераб. -.yf . Высшая школа, 1976.-368с.:ил.

10. Кругов В.И., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонаддува две Текст. : учебн. Пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1978. - 213 с ил

11. Четырёхтактные дизельные двигатели Iveco от Christy Hovercraft Электронный ресурс. Режим доступа к htíp://www.christyhovercraft.m/news/chetv^christv-hovercraft.

12. Iveco Fl Platform. Engines FIA Mam characteristics, specifications and vehicle application sheet Euro4 longitudinal version. Text. Iveco motors S.p a 2006.-26p

13. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей Текст.: Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д.Н. Вырубов, H.A. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под ред

14. A.C. Орлина, М.Г. Круглова.-4-e изд., перераб. и доп.-М.: Машиностроение 1983.-372с., ил.

15. Доленц А. Быстроходный дизельный двигатель с непосредственным впрыском через насос-форсунку, моноблочной конструкции и звукопоглощающим кожухом / Доклад №18 на симпозиуме фирмы AVL List GmbH. Москва, 1989 г.-27с., ил.

16. Симеон А.Э., Каминский В.Н., Моргулис Ю.Б., Поветкин Г.М., Азбель А.Б., Кочетов В.А. Турбонадцув высокооборотных дизелей. Текст. M.; Ма-шиностр., 1976. - 288с.

17. Dipl.-Ing. Andreas Welter, Dipl.-Ing. Thomas Bruener, Dr.-ing. Harald Unger, Uwe Hoyer, Uwe Brendel: Der neue aufgeladene ReihensechszylinderOttomotor von BMW. Text. -MTZ.-2007,februar.-P.80-89.-ISSN 0024-8525 10814

18. Dieter Neyer, Richard Dorenkamp, Pol Rottenkolber; 25 Jahre Dieselmotoren bei Volkswagen Текст.- MTZ-2001, май.

19. Патрахальцев ПЛ., Савастеыко A.A. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом Текст. :-М.:Легион-Автодата,2007.-176с.: ил.

20. Каталог ТКР Электронный ресурс. Режим доступа к статьеhttp://wwvv.turbobygarrett.com/turbobvgarrett/products/catalog.html

21. Системы управления дизельными двигателями. Пер. с нем. 1-е русское изд. Текст. -М.:ЗАО «ОСИ «Зарулем», 2004.-480 с.

22. Turbocharger aftermarket Honeywell-Garrett. Garrett variable geometry tur-bochargers Text.: -Cheshire: Honeywell U.K. LTD, 2003.-32p.

23. Adjustable Turbocharger. Design and Function Text. / Self-Study Programme №190. -Wolfsburg: Service Department VOLKSWAGEN AG, 1996.-32p.

24. How does Variable Turbine Geometry work? Электронный ресурс. Режим доступа к статье http://paultan.org/archives/2006/08/16/how-does-variah1eturbine-geometrv-work/.

25. Двигатель TDI 2,0 л с системой впрыска Common Rail. Устройство и принцип работы Текст. / Программа самообучения №403.- Service Training, 2008.-67р.

26. Engineering Spécification 8.21273.20 Text.- PIERBURG, 2008.-lp.

27. Двигатели AUDI с цепным приводом распределительных валов Текст. / Пособие по программе самообразования 327.

28. Двухступенчатые системы наддува

29. В системах двухступенчатого наддува сжатие воздуха выполняется последовательно с помощью двух компрессорных ступеней.

30. Характерной особенностью данной системы турбонаддува является применение модуля с двумя ТКР.

31. На рис. 2.17 приведена схема системы R2S™, разработанной специалистами фирмы BWTS для 4-х цилиндровых дизелей MB.2,82,62,4 кв1. В5к