автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Обоснование рациональной геометрии впускного коллектора для повышения энергетических показателей роторно-поршневых двигателей

На правах рукописи

004696235 Кузин Виктор Станиславович

Обоснование рациональной геометрии впускного коллектора для повышения энергетических показателей | ротор но-поршневых двигателей

Специальность 05.04.02. - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 мэч

Тула 2010

004606235

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный ¡руководитель: доктор технических наук, профессор

Елагин Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор техническ их наук, профессор

Поляков Евгений Павлович

кандидат технических наук Смекалин Василий Васильевич

Всдущан организация: ОАО «АК Туламашзавод»

Защита состоится "¿У" 2010 г. в 12-00 часов на заседании дис-

сертационного совета Д 21.2.271.12 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, пр. Ленина, 92, Гл. - 005)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан "3-f" Q£~ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

М. Ю. Елагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой наиболее распространенный источник механической энергии. За многие десятилетия своего развития поршневой двигатель достиг высокой степени совершенства. Однако поршневой двигатель обладает существенным недостатком - необходимостью преобразования поступательного движения во вращательное движение вала. В связи с этим по некоторым показателям (простоте конструкции, габаритам и массе, числу оборотов и вибрациям) поршневой двигатель значительно уступает двигателям, в которых осуществляется только вращательное движение, например турбинам и роторно - поршневым двигателям (РПД.

Преимущества роторного двигателя состоят в следующем: компактность, малая удельная масса, плавность и малая шумность работы, пониженная склонность к детонации, полная уравновешенность масс, пологая кривая изменения крутящего момента, отсутствие клапанного механизма, легкость в управлении.

Недостатками такого двигателя являются нерациональная форма камеры сгорания, что вызывает увеличение фронта пламени и, следовательно, сравнительно высокие уровни выбросов с отработавшими газами углеводородов; повышенный удельный расход топлива и масла, связанный с особенностями протекания процесса сгорания и условиями теплоотдачи, наполнения; сравнительно высокая стоимость изготовления; невозможность работы в режиме дизеля.

Тем не менее, отдельные недостатки возможно устранить при наличии адекватных математических моделей характеризующих работу РПД.

Из обзора доступной научно-технической литературы следует, что отсутствуют математические модели, в которых рассматриваются рабочие процессы одновременно во всех полостях РПД, не учитывается переменность граничных условий на входе и выходе двигателя. В частности, мало информации об отрицательном явлении межцикловой (межкамерной) нестабильности рабочего процесса в РПД.

Таким образом, получение высоких энергетических и эксплуатационных характеристик РПД при их создании или модернизации требует научно-технического обоснования новых эффективных методов их расчета и проектирования.

При моделировании рабочих процессов в РПД предлагается использовать методологию термодинамики открытых систем, к достоинствам которой следует отнести то, что она кроме термогазодинамики, включает динамику механизмов с их основными конструктивными параметрами. Последнее делает возможным использовать построенные математические модели как для решения прямых задач (расчет рабочих процессов), так и обратных (в целях усовершенствования отдельных конструктивных элементов двигателя или его систем).

Учитывая вышесказанное, тема исследований диссертационной работы является актуальной.

Цель работы — повысить энергетические показатели роторно - поршневого двигателя путем определения рациональных геометрических параметров впускного трубопровода (коллектора) с помощью математического моделирования протекающих в них рабочих процессов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель рабочего процесса роторно - поршневого двигателя (РПД);

- разработать математическую модель впускного трубопровода под измененные граничные условия, вследствие отсутствия впускных клапанов;

- разработать общую математическую модель РПД с впускной системой.

Объектом исследования являются автомобильные роторно - поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Предметом исследования являются тепломеханические процессы, протекающие в роторно - поршневых автомобильных двигателях и газодинамические процессы, протекающие в системах впуска.

Метод исследования, используемый в работе - комплексный, основанный на совместном применении теоретических и расчетных методов газовой динамики, термодинамики открытых систем, эксперимента, с широким использованием ЭВ М на всех этапах исследования.

Общетеоретическую базу исследований составили научные труды М.А. Мамонтова, B.C. Бениовича, И.И. Вибе, А.Н. Воинова, В.А. Звонова, Г.Н. Злотина, H.A. йващенко, В.И. Ивина, Р.З. Кавтарадзе, А.К. Костина, М.Г. Круг-лова, В .И. Кругова, A.C. Орлина, P.M. Петриченко, Н.Ф. Разлейцева, Б.П. Рудого, Федянова, Н.Д. Чайнова, В.К. Чистякова, и многих других по математическому описанию рабочих процессов в тепловых двигателях и их отдельных системах.

Автор защищает:

1. Разработанную тепломеханическую модель рабочих процессов, протекающих в роторно - поршневом двигателе внутреннего сгорания.

2. Научно-обоснованную методику расчёта системы с непрерывно меняющейся длиной впускного трубопровода, позволившую определить зависимость изменения длины впускного трубопровода для двигателя ВАЭ-311 от числа оборотов и определить основные геометрические размеры устройства реализующего принцип непрерывного изменения длины.

Научная новизна:

- разработана тепломеханическая модель, на основе термодинамики открытых систем, расчета рабочих процессов, протекающих в ро-торно — поршневом двигателе, позволившая рассмотреть одновременно работ;' всех камер двигателя, учесть перетечки рабочего тела между камерами, для определения его энергетических показателей;

- определена зависимость длины впускного трубопровода от частоты вращения вала РПД, использование которой позволяет повысить энергетическую эффективность двигателя при одновременном снижении межкам ерной нестабильности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физически обоснованными допущениями, совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составило не более 10%.

Практическая значимость работы:

• разработаны алгоритмы и программы расчета рабочих процессов в

РПД;

- разработана методика расчёта геометрических характеристик впускного трубопровода (коллектора) изменяющейся длины;

- разработана методика расчета основных геометрических характеристик

РПД.

Реализация результатов работы. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Т02-13.0-513 «Теория моделирования роторно-поршневых двигателей». Методика расчета основных геометрических характеристик впускного коллектора рекомендована к внедрению на ОАО АК «Туламашзавод». Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: "Теплотехника", "Рабочие процессы ДЕ-С", «Двигатели нетрадиционных конструкций».

Апробация результатов работы Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов в ВоГТУ, 2005г., г. Вологда; третьей Международной заочной молодежной научно-технической конференции ЗМНТК-2005 «Молодежь России - науке будущего», г. Ульяновск, 2006г.; 1-ой магистерской научно-технической конференции, в ТулГУ, 2006г., г. Тула; первой Международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» в ТулГУ 2006г., г. Тула; второй Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного транспорта» в ТулГУ, 2009г., г.Тула; XI Международной научно-практической конференции в ВлГУ, 2008г., г. Владимир; VI Всероссийской научно-технической конференции в г. Новосибирск, 2009г.; II Международной научно-производственной конференции «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса», в г. Пенза, 2009; ежегодных научно - технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2005 - 2010 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 2 в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, и которых приведены распечатки рабочих программ и результаты расчетов, содержит 121 страницу машинописного текста, 6 таблиц, 36 рисунков.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цель и основные задачи исследований, научная новизна, практическая полезность и основные положения, выносимые на защиту.

Характер задач, решаемых в диссертации, определил распределение материала по главам.

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса по математическому моделированию рабочих процессов в роторно - поршневых двигателях, ставятся цели диссертационной работы, а именно - повышение энергетических характеристик двигателей, и уменьшение межцикловой (межкамерной) нестабильности.

При построении математических моделей обычно используют концептуальный, либо формальный подход. В первом случае рабочие уравнения получают используя зависимости, отражающие основные физические законы. Второй подход реализуется построением математической модели на основе зависимостей, выведенных ранее для конкретных условий, либо полученных в результате обработки экспериментальных данных специальными математическими методами. Модели, полученные с использованием второго подхода, не имеют наглядной непосредственной связи с основными физическими законами.

Проведённый анапиз состояния вопроса показал, что существующие методики расчёта рабочих процессов, происходящих в РПД, не учитывают совместную работу камер двигателя, в результате чего не возможен комплексный анализ его работы. Поэтому возникла необходимость создания математической модели, точно отражающей работу роторно -поршневого двигателя и трубопроводов его впускной системы.

Во второй главе, посвященной математическому моделированию работы роторно - поршневого автомобильного двигателя приводится математическая модель рабочих процессов.

При построении математической модели использовалась физическая теория, в рамках которой, при описании процессов, протекающих в РПД, реализован системный подход. Подобный подход в полной мере реализует тепло-механика - одна из наиболее удачных версий технической термодинамики, ориентированная на изучение процессов преобразования энергии, происходящих в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Ее особенностью является учёт массового (материального) взаимодействия - помимо двух традиционных для классической термодинамики взаимодействий теплового и механического характера.

Исходная система уравнений математической модели роторно - поршневого двигателя, разработанной в рамках тепло механики, основывается на законах:

СШ; к 5(3-л <1\У;

- сохранения энергии: —- = ХигО;к +-+ —!--Р;—

ск ат ах ат

с1ш; £

- сохранения массы: —= .

Расчетная система состоит из трех подсистем уравнений:

а) подсистемы, описывающей изменение состояния рабочего тела, и включающей:

■уравнение скорости изменения температуры рабочего тела в ¡-ой камере

с1Т;

1

7 I и — и ; и V; т-------

(к

-уравнение скорости изменения плотности рабочего тела ¡-ой камере

Ф|

(1т ^ К1 Р[ с1т У -уравнение состояния рабочего тела в ¡-ой камере

б) подсистемы уравнений, описывающих теплообмен

<ггс= 1 ^ 5(зн)

<1т сс-т,Дс1т ёт )

ёт

= <хР;(Т;-Т(:),

^ = анРн(Тс-Тн),

в) подсистемы, описывающей движение твёрдых звеньев и включающей:

- упрощенное уравнение динамического равновесия вращающихся масс системы двигатель - потребитель в виде:

1с^ = ме~мп>

■ кинематическое соотношение

ёф

= со,

а также уравнения: объема полости РПД, скорюсти изменения объема полости РДЦ, площади теплоотдачи, эффективного момента в зависимости от угла поворота вала двигателя и т.н.

В представленных уравнениях: 6Q, /йт - приход (расход) энергии в фор-

SQtï „т dx;

ме теплоты п результате теплоотдачи; - ;" =X-gui 'Qh приход энергии

dx ат

в форме теплоты при горении.

На рис. 1-5 приведены результаты расчёта рабочего процесса в РПД ККМ -502, позволяющие судить о возможностях разработанного математического обеспечения и программы расчёта. р-10'5, Па

т-400, с

Рис. 1. Изменения давлений в камерах РПД

т-400, с

Рис. 2. Изменения температур в камерах РПД

\V-103, м3

т-400, с

—«— камера 1 —камера 2 камера 3 Рис. 3. Изменения объемов камер РПД

Мд,Нм

Рис. 4. Суммарный движущий момент

(рг,т,2;)105,

т-400, с

Рис. 5. Характер изменения: ♦ - геометрической суммы сил давления Рг, тангенциальной силы Т, - радиальной силы Ъ

В третьей главе приводятся математические модели процессов во впускной системе. Существенного снижения нестабилыюсти в работе отдельных полостей РПД, как показали расчёты, можно добиться за счет влияния на наполнение полостей и другие показатели газообмена не только особенностей впускной системы в целом, но и каждого ее элемента., в частности таких конструктивных параметров как длина и проходное сечение трубопроводов впускного тру(юпроЕОда.

Изменение коэффициента наполнения при изменении длины отдельных участков впускной системы в основном обуславливается изменением частоты собственных колебаний воздушного столба. С увеличением длины впускных трубопроводов, при низких частотах вращения коленчатого вала коэффициент наполнения увеличивается, а при высоких - уменьшается. Последнее объясняется неоднозначным влиянием скорости неустановившегося потока на характер и амплитуду колебания давления. Для изучения влияния волновых процессов, возникла необходимость использования математической модели процессов во впускном трубопроводе (коллекторе) двигателя с распределенными параметрами.

При построении математической модели течения газа были приняты следующие допущения: газ идеальный; течение считается одномерным; потери на трение потока газа принимаются квазистационарными; теплообмен между стенкой канала и газом не учитывается.

В основу математической модели течения газа в трубопроводе положена система дифференциальных уравнений, представляющих собой математическое выражение основных законов сохранения (массы, импульса, энергии) потока газа, которая замыкается уравнением состояния.

* + (а)

ел Эх

дм ди со Хри р— + ри— + —= —-—, (б)

ка ах Эх 2(1

2 0 ц2 ф(е+—) фи(е + - + —)

--2_ +-= (в)

а дх

е = —, (г)

р(к-1)

где р - плотность газа; и - скорость газа; р - давление газа; е - внутренняя энергия: единицы массы газа; £их-текущие координаты времени и перемещения газа; к - показатель адиабаты; Л- коэффициент, учитывающий потери на трение при движении газа в трубопроводе.

Для получения расчетных зависимостей уравнение (а) после преобразования и использования уравнения (б) записывается в виде

Э(ри) | Э(рч2+р) а.ри2 Э1 Эх " 2с1

Чтобы описать течение газа в трубопроводе с учетом ударных волн необходимо вместо уравнений (б), (в), (д) использовать их интегральные выражения. В данном случае вместо дифференциальной задачи ставится интегральная:, поскольку интегральные уравнения справедливы как для непрерывных решений, так и для разрывных. Это позволило построить разностную схему, позволяющую получить обобщенное решение без введения искусственной вязкости. После соответствующих преобразований уравнения (б), (в) и (д) записываются в виде:

2 * *

<^(ри2 + р)<И-<|ри<1х = -- ри Х

2ё

(

и

еч— 2

/

с1х = 0,

где 1 - интервал времени (шаг по времени); х - участок по длине трубопровода (шаг по координате).

Полученные уравнения описывают в интегральной форме законы сохранения массы, импульса и энергии потока газа.

В четвертой главе приводятся теоретические исследования работы ро-торно — поршневого двигателя с помощью разработанного математического

описания, включающего впускную систему. Проверяется адекватность (см. табл.), а также даются рекомендации по модернизации: системы впуска с описанием е$ конструкции.

Таблица

Сравнение результатов по двигателю ВАЗ-415

Характеристики Двигатель ВАЗ-415 (дву хсекционный) Двигатель ВАЗ-415 (расчет)

Степень сжатия 9,4 9,4

Эффективная мощность, кВт/(об/мин) 103/6000 104/6000

Махсимальный крутящий момент, Н-м/(об/мин) 186/4500 188/4500

Удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч) 312 303

Согласно разработанному математическому описанию, были также проведены расчёты рабочего процесса односекционного роторно-поршневого двигателя ВАЗ-11135 объёмом 386 см3 для автомобиля ВАЗ-1111 (Ока).

Результаты расчетов, которые представлены на рис. 6-7 сравнивались с данными, представленными в [Http://engine.aviaport.ru /issues/11 & 12/page 14.html].

45

40

35

30

i! 25 с;

£ 20 15 10 5 0

2000 3000 4000 5000 6000

п, об/мин

♦ Расчет —а—Эксперимент

Рис. 6. Зависимость эффективной модности РИД В A3-1185 от частоты враще ния

п,об'мин

—«—Расчёт —■—Эксперимент

Рис. 7. Зависимость расхода топлива РПД ВАЗ-1185 от частоты вращения

Расхождение результатов расчета и экспериментальных данных по эффективной мощности (Рис. 6) в среднем составило 7%, а по расходу топлива (Рис. 7) 14%, что является вполне приемлемым.

На основе построенных математических моделей была разработана методика расчета рабочего процесса роторно-поршневого двигателя, позволившая исследовать влияние основных геометрических параметров впускного трубопровода двигателя на его энергетические характеристики.

В частности, были проведены расчеты для односекционного роторно-поршневого двигателя BA3-311 объёмом 654 см3 для автомобиля ВАЗ-21019. Оценивалось влияние на индикаторную мощность длины впускного трубопровода при различных частотах вращения коленчатого вала двигателя (Рис. 8).

В итоге, на основе разработанных математических моделей рабочих процессов в роторно-поршневом двигателе и газодинамических процессов в трубопроводе впускной системы и впускной системы в целом, была получена методика проектирования впускного трубопровода с непрерывным изменением длины, использование которой позволило выработать практические рекомендации по модернизации впускной системы двигателя BA3-311, получить закон изменения его длины в зависимости от частоты вращения вала (Рис. 9) и разработать схему устройства, реализующего указанный принцип (Рис. 10).

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Длина входного трубопровода, м

—4—п=2000 об/мин —П=3000 об/мин —п=4000 об/мин

-и-п-5000 об/мин -Я— П=6000 об/мин —•— п=7000 об/мин

Рис. 8. Зависимость индикаторной мощности дпитателя ВАЗ-311 от длины впускного трубопровода и числа оборотов

п, об/мкм

Рис. 9. Закон изменения длины впускного трубопровода РПД ВАЗ-311 от числа оборотов вала двигателя

Ьт„= -0,1257•[—--11 + 0,84 ,

тр иооо )

где Ь,р - длина впускного трубопровода (м), п — частота вращения вала, об/мин.

Рис. 10. Схема устройства, реализующего принцип постоянного изменения длины впускного трубопровода (коллектора) 1 - вал; 2 - ребра; 3 - внутреннее (подвижное) кольцо ресивера;

4 - внешний корпус ресивера

В приложении приводятся распечатки программ и результаты расчетов, позволяющие судить о возможностях разработанных математических моделей и алгоритмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача по обоснованию и выбору рациональных геометрических параметров впускной системы роторно-поршневого двигателя для повышения его энергетических характеристик.

Основные выводы, тучные и практические результаты работы:

1. Разработана математическая модель рабочих процессов роторно - поршневого двигателя (РПД), позволяющее оценить одновременно работу всех камер двигателя, учесть перетечки рабочего тела между камерами.

2. Разработан: алгоритм расчета рабочих процессов роторно — поршневого двигателя. Произведено сравнение результатов расчетов рабочих процессов РПД с данными экспериментальных исследований, подтвердившее их адекватность.

3. Разработана методика расчета основных геометрических параметров РПД.

4. Проведен ы теоретические исследования рабочих процессов с целью оценки влияния геометрии впускной системы на энергетические показатели двигателя.

5. Для двигателя BA3-311 установлена зависимость изменения длины впускного трубопровода от числа оборотов вала двигателя дат достижения максимальной мощности.

6. Получены основные геометрические размеры устройства, реализующего принцип непрерывного изменения длины: диаметр внутреннего (подвижного) кольца 205 мм; расстояние между кольцами 40 мм, у гол поворота внутреннего кольца 280 диапазон изменения длины трубопровода 150-700 мм.

7. В результате для двигателя BA3-311 на частотах 2000-4000 об/мин увеличение мощности составило 11% при одновременном уменьшении нестабильности работы полостей примерно в 2,5 раза. Последнее, как следствие, приводит также и к улучшению его экологических показателей.

8. Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: "Теплотехника", "Рабочие процессы ДВС", «Двигатели нетрадиционных конструкций».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кузин B.C. Модернизация впускной системы многоцилиндрового диигатели как один из способов снижения межцилиндровой неравномерности его работы и улучшения энергетических показателей // Известия ТулГУ. Сер. Автомобильный транспорт. Вып. 10: Материалы Первой Международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 123-125.

2. Кузин B.C. Модернизация впускной системы многоцилиндрового двигателя как один из способов снижения межцилиндровой неравномерности его работы и улучшения энергетических показателей // 1-я магистерская научно-техническая конференция: Тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006.-С. 144-145.

3. Кузин B.C. Использование системы изменения длины впускного тракта для оптимизации работы многоцилиндровых ДВС // Молодые исследователи -регионам: Материалы Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. В 2-х т. - Вологда: ВоГТУ, 2005. - Т. I. •■ С. 92-93.

4. Кузин B.C. Межцилиндровая и межциклсвая нестабильность работы ДВС и способы ее уменьшения // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сб. ст. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - С. 89-90.

5. Кузин B.C. Приближенное проектирование роторно-поршневого двигателя // Политранспортные системы Сибири: Материалы VI Всероссийской научно-технической конференции (Новосибирск, 21-23 апр. 2009 г.): В 2-х ч. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009. - Ч. 1. - С. 485-488.

6. Кузин B.C., Яковлев М.Н. Использование впускной системы переменной длины для улучшения показателей двигателя внутреннего сгорания // Политранспортные системы Сибири: Материалы VI Всероссийской научно-технической конференции (Новосибирск, 21-23 апр. 2009 г.): В 2-х ч. - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009. - Ч. 1. - С. 489 - 491.

7. Кузин B.C., Яковлев М.Н. Усовершенствование впускной системы двигателя // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса: сборник статей II Международной научно-производственной конференции / Пенза, 2009. - С. 25-28.

8. Елагин М.Ю., Кузин B.C. Использование системы изменения длины впускного тракта для оптимизации работы многоцилиндровых ДВС // Труды третьей Международной заочной молодежной научно-технической конференции ЗМНТК-2005 «Молодежь России - науке будущего». -Ульяновск, 2006. - С. 68-69.

9. Елагин М.Ю, Кузин В.С. Модернизация роторно-поршневого двигателя с целью повышения его эксплуатационных характеристик // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 287-288.

10. Елагин М.Ю, Кузин B.C. Приближенное проектирование роторно-поршневого двигателя зпитрохоидных и гипотрохоидных схем. -Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей// Материалы XI Международной научно-практической конференции. - Владимир, 2008. - С. 196-200.

11. Елагин М.Ю., Кузин B.C. Геометрические параметры эпи- и гипотрохоидных роторно-поршневых двигателей // Вестник ТулГУ. Сер. Автомобильный транспорт. Вып. 2: Материалы второй Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного транспорта» - Тула: Изд-во ТулГУ, 2009 - С. 156 - 159.

12. Елагин М.Ю., Кузин B.C. Усовершенствование впускной системы роторно-поршневого двигателя// «Известия Тульского государственного университета» Сер. Технические науки. Вып. 1. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2010 - С. 258-262.

Издлиц. ЛР ЖШЗООот 12.02.97. подписано в печатьЛ?*

Формат бумага 60x84 */ц .Бумага офсетная. Усл.1:еч.л. 0. УЧ.-ИЗД.Л. Тираж/^зкз. Заказ 0!^ Тульсхий государственный университет 300600, г.Тула, пр.Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г.Тула, пр.Леннна, 95

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ конструктивных схем и математических моделей роторно-поршневых двигателей.

1.1. Анализ конструкций и условий эксплуатации роторно-поршневых двигателей

1.2. Математические модели РПД и методы их расчета.

1.3. Цель и задачи исследования.

1.4. Выводы.

2. Разработка математического обеспечения для моделирования рабочего процесса роторно-поршневого двигателя.

2.1. Разработка математической модели.

2.2. Определение геометрических параметров эпи- и гипотрохоидных роторно-поршневых двигателей.

3. Разработка одномерной математической модели течения газа в трубопроводе впускного коллектора.

3.1. Получение зависимостей, описывающих течение газа в трубопроводе.

3.2. Определение начальных и граничных условий для решения системы уравнений, описывающих течение газа.

3.3. Вычисление параметров газа в различные моменты времени.

3.4. Определение газодинамических параметров течения газа при распаде произвольного разрыва.

3.5. Определение основных соотношений.

3.6. Условия выбора шага по времени и по координате.

3.7. Определение параметров потока газа при линейном приближении.

4. Экспериментальное исследование рабочих процессов РПД.

4.1. Планирование и проведение эксперимента.

4.2. Проверка адекватности разработанного математического описания

4.3. Разработка методики расчета впускного трубопровода с непрерывным изменением длины.

4.4. Расчет перетечек.

4.5. Расчет основных геометрических параметров РПД.

Актуальность работы. В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой наиболее распространенный источник механической энергии. За многие десятилетия своего развития поршневой двигатель достиг высокой степени совершенства. Однако поршневой двигатель обладает существенным недостатком — необходимостью преобразования поступательного движения во вращательное движение вала. В связи с этим по некоторым показателям (простоте конструкции, габаритам и массе, числу оборотов и вибрациям) поршневой двигатель значительно уступает двигателям, в которых осуществляется только вращательное движение, например турбинам и роторно - поршневым двигателям (РПД).

Преимущества роторного двигателя состоят в следующем: компактность, малая удельная масса, плавность и малая шумность работы, пониженная склонность к детонации, полная уравновешенность масс, пологая кривая изменения крутящего момента, отсутствие клапанного механизма, легкость в управлении.

Недостатками такого двигателя являются нерациональная форма камеры сгорания, что вызывает увеличение фронта пламени и, следовательно, сравнительно высокие уровни выбросов с отработавшими газами углеводородов; повышенный удельный расход топлива и масла, связанный с особенностями протекания процесса сгорания и условиями теплоотдачи, наполнения; сравнительно высокая стоимость изготовления; невозможность работы в режиме дизеля.

Тем не менее, отдельные недостатки возможно устранить при наличии адекватных математических моделей характеризующих работу РПД.

Из обзора доступной научно-технической литературы следует, что отсутствуют математические модели, в которых рассматриваются рабочие процессы одновременно во всех полостях РПД, не учитывается переменность граничных условий на входе и выходе двигателя. В частности, мало информации об отрицательном явлении межцикловой (межкамерной) нестабильности рабо чего процесса в РПД.

Таким образом, получение высоких энергетических и эксплуатационных характеристик РПД при их создании или модернизации требует научно-технического обоснования новых эффективных методов их расчета и проектирования.

При моделировании рабочих процессов в РПД предлагается использовать методологию термодинамики открытых систем, к достоинствам которой следует отнести то, что она кроме термогазодинамики, включает динамику механизмов с их основными конструктивными параметрами. Последнее делает возможным использовать построенные математические модели как для решения прямых задач (расчет рабочих процессов), так и обратных (в целях усовершенствования отдельных конструктивных элементов двигателя или его систем).

Учитывая вышесказанное, тема исследований диссертационной работы является актуальной.

Цель работы - повысить энергетические показатели роторно - поршневого двигателя путем определения рациональных геометрических параметров впускного трубопровода (коллектора) с помощью математического моделирования протекающих в них рабочих процессов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель рабочего процесса роторно - поршневого двигателя (РПД);

- разработать математическую модель впускного трубопровода под измененные граничные условия, вследствие отсутствия впускных клапанов;

- разработать общую математическую модель РПД с впускной системой.

Объектом исследования являются автомобильные роторно - поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Предметом исследования являются тепломеханические процессы, протекающие в роторно - поршневых автомобильных двигателях и газодинамические процессы, протекающие в системах впуска.

Метод исследования, используемый в работе — комплексный, основанный на совместном применении теоретических и расчетных методов газовой динамики, термодинамики открытых систем, эксперимента, с широким использованием ЭВМ на всех этапах исследования.

Общетеоретическую базу исследований составили научные труды М.А. Мамонтова, B.C. Бениовича, И.И. Вибе, А.Н. Воинова, В.А. Звонова, Г.Н. Злотина, Н.А. Иващенко, В.И. Ивина, Р.З. Кавтарадзе, А.К. Костина, М.Г. Круг-лова, В.И. Крутова, А.С. Орлина, P.M. Петриченко, Н.Ф. Разлейцева, Б.П. Рудого, Федянова, Н.Д. Чайнова, В.К. Чистякова, и многих других по математическому описанию рабочих процессов в тепловых двигателях и их отдельных системах.

Автор защищает:

1. Разработанную тепломеханическую модель рабочих процессов, протекающих в роторно - поршневом двигателе внутреннего сгорания.

2. Научно-обоснованную методику расчёта системы с непрерывно меняющейся длиной впускного трубопровода, позволившую определить зависимость изменения длины впускного трубопровода для двигателя BA3-311 от числа оборотов и определить основные геометрические размеры устройства реализующего принцип непрерывного изменения длины.

Научная новизна:

- разработана тепломеханическая модель расчета рабочих процессов, протекающих в роторно — поршневом двигателе, на основе термодинамики открытых систем, позволившая рассмотреть одновременно работу всех камер двигателя, учесть перетечки рабочего тела между камерами, для определения его энергетических показателей;

- определена зависимость длины впускного трубопровода от частоты вращения вала РПД, использование которой позволяет повысить энергетическую эффективность двигателя при одновременном снижении межкамерной нестабильности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физически обоснованными допущениями, совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составило не более 10%.

Практическая значимость работы:

- разработаны алгоритмы и программы расчета рабочих процессов в

РПД;

- разработана методика расчёта геометрических характеристик впускного трубопровода (коллектора) изменяющейся длины;

- разработана методика расчета основных геометрических характеристик

РПД.

Реализация результатов работы. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Т02-13.0-513 «Теория моделирования роторно-поршневых двигателей». Методика расчета основных геометрических характеристик впускного коллектора рекомендована к внедрению на ОАО АК «Туламашзавод». Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: "Теплотехника", "Рабочие процессы ДВС", «Двигатели нетрадиционных конструкций».

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов в ВоГТУ, 2005г., г. Вологда; третьей Международной заочной молодежной научно-технической конференции ЗМНТК-2005 «Молодежь России - науке будущего», г. Ульяновск, 2006г.; 1-ой магистерской научно-технической конференции, в ТулГУ, 2006г., г. Тула; первой Международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» в ТулГУ 2006г., г. Тула; второй Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного транспорта» в ТулГУ, 2009г., г.Тула; XI Международной научно-практической конференции в ВлГУ, 2008г., г. Владимир; VI Всероссийской научно-технической конференции в г. Новосибирск, 2009г.; II Международной научно-производственной конференции «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса», в г. Пенза, 2009; ежегодных научно - технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2005 - 2010 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 2 в изданиях рекомендованных ВАК.

Основные выводы, научные и практические результаты работы:

1. Разработана тепломеханическая модель расчета рабочих процессов, протекающих в роторно - поршневом двигателе, на основе термодинамики открытых систем, позволившая рассмотреть одновременно работу всех камер двигателя, учесть перетечки рабочего тела между камерами, для определения его энергетических показателей.

2. Разработана методика расчета системы с непрерывно меняющейся длиной впускного трубопровода, позволившая определить зависимость изменения длины впускного трубопровода для двигателя ВАЗ-311 от числа оборотов и определить основные геометрические размеры устройства реализующего принцип непрерывного изменения длины.

3. Установлена зависимость изменения длины впускного трубопровода от числа оборотов вала двигателя ВАЗ-311 для достижения максимальной мощности, использование которой позволяет повысить энергетическую эффективность двигателя при одновременном снижении межкамерной нестабильности.

4. Произведено сравнение результатов расчетов рабочих процессов РПД с данными экспериментальных исследований, подтвердившее их адекватность.

5. Получены основные геометрические размеры устройства, реализующего принцип непрерывного изменения длины: диаметр внутреннего (подвижного) кольца 205 мм; расстояние между кольцами 40 мм, угол поворота внутреннего кольца 280 диапазон изменения длины трубопровода 150700 мм.

6. В результате для двигателя ВАЗ-311 на частотах 2000-4000 об/мин увеличение мощности составило 11% при одновременном уменьшении нестабильности работы полостей примерно в 2,5 раза. Последнее, как следствие, приводит также и к улучшению его экологических показателей.

7. Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: "Теплотехника", "Рабочие процессы ДВС", «Двигатели нетрадиционных конструкций».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача по обоснованию и выбору рациональных геометрических параметров впускной системы роторно-поршневого двигателя для повышения его энергетических характеристик.

1. Андерсон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Т.1: Пер. с англ./ Д. Андерсон, Д. Таннехил, Р. Плетчер. М.: Мир, 1990. - 384с.

2. Бениович В. С. Ротопоршневые двигатели/ В. С. Бениович, Г.Д. Апа-зиди, A.M. Бойко. -М.: Машиностроение, 1968. 151с.

3. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателя/ И. И. Вибе. М.: Машгиз, 1962.-271с.

4. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях/А. Н. Воинов. М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.

5. Глаговский С.А. Использование динамических явлений во впускном тракте для улучшения показателей автомобильного карбюраторного двигателя: Дисс. канд. техн. наук. М.: 1973г.- 181с.

6. Глаговский С.А. и др. К выбору математической модели процесса наполнения автомобильного двигателя с неразветвленной впускной системой / С. А. Глаговский // Изв. вузов. Машиностроение. 1971. - № 9. С. 101-106.

7. Гогричиани Г.В. Переходные процессы в пневматических системах/ Г. В. Гогричиани, А.В. Шипилин. М.: Машиностроение, 1986. - 160 е., ил.

8. Двигатели внутреннего сгорания./Хачиян А.С., Морозов К.А., Лука-нин В.Н. и др.; Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1985. - 311 с.

9. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. А.С. Орлина М.: Машиностроение, 1970.— 384с.

10. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова М.: Машиностроение, 1983. —372с.

11. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. А.С. Ор-лина, М.Г. Круглова М.: Машиностроение, 1984. - 384с.

12. Егоров Я.А. Система уравнений для описания нестационарных газодинамических явлений во впускном и выпускном трубопроводах ДВС//Изв. вузов. Машиностроение. 1974. - № 8. - С. 104-108.

13. Елагин М.Ю., Кусков С.М., Чуканова Е.М. Метрологические параметры роторно-поршневых двигателей // Известия ТулГУ. Серия автомобильный транспорт. - Вып. 3. - 1999г.

14. Елагин М.Ю., Кусков С.М., Должиков А.А. Теоретические исследования функционирования роторно-поршневых двигателей/ Известия ТулГУ. Серия автомобильный транспорт. - Вып. 4. 2000г.

15. Елагин М.Ю., Федотов С.В. Моделирование рабочих процессов роторно-поршневых двигателей/ М. Ю. Елагин // Труды Международной конференции "Прогресс транспортных средств и систем 2002". -Волгоград: ВолГУ. - 2002.

16. Елагин М.Ю. Математическое моделирование нестационарных процессов в открытых термодинамических системах/ М.Ю. Елагин. Тула: ТулГУ.-1995.-86 с.

17. Елагин М.Ю. Математическое моделирование нестационарных процессов в открытых термодинамических системах/ М. Ю. Елагин — Тула: ТулГУ. 1999.-112с. '

18. Елагин М.Ю., Смекалин В.В. Теоретические исследования неравномерной работы многоцилиндрового ДВС // Труды III Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» / Казанский гос. техн. ун-т (КАИ). Казань, 2003. - с. 344-347.

19. Елагин М.Ю., Смекалин В.В. Расчет впускной системы ДВС переменной длины// Труды международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем 2005», Волгоград, ВГТУ, 2005.

20. Елагин М.Ю., Смекалин В.В., Хмелев Р.Н. Расчет параметров впускной системы ДВС с изменяемой геометрией // Труды IV международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», Казань, КАИ-КГТУ, 2005.

21. Елагин М.Ю, Кузин B.C. Модернизация роторно-поршневого двигателя с целью повышения его эксплуатационных характеристик // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 287-288.

22. Елагин М.Ю., Кузин B.C. Усовершенствование впускной системы роторно-поршневого двигателя// «Известия Тульского государственного университета» Сер. Технические науки. Вып. 1. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2010 С. 258-262.

23. Ерохов В.И. Совершенствование систем смесеобразования и расчёт процессов двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением: Дисс. докт. техн. наук. — М.: 1968. 236с.

24. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания/ В.А. Звонов М.: Машиностроение, 1981. 160 с.

25. Злотин Г.Н. Новый подход к моделированию межцикловой нестабильности в двигателях с искровым зажиганием/ Г.Н. Злотин, Е.А. Федянов, А.Ю. Свитачев. .Всшгогр. техн. ун-т. Волгоград, 1996. - 13 с.

26. Иващенко Н.А. Многозонные модели рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания/ Н.А. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. - 57с.

27. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/И.Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1975. - 464 с.

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

29. Круглов М.Г. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания/ М.Г. Круглов, А.А. Меднов. М.: Машиностроение, 1988.-360 е.: ил.

30. Кузин B.C. Межцилиндровая и межцикловая нестабильность работы ДВС и способы ее уменьшения // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сб. ст. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - С. 89-90.

31. Кузин B.C., Яковлев М.Н. Усовершенствование впускной системы двигателя // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса: сборник статей II Международной научно-производственной конференции / Пенза, 2009. С. 25-28.

32. Куличев В. Б. Межцилиндровые различия в карбюраторном двигателе и воздействие на них через систему зажигания. Волгоград, 1991.

33. Луканин В.Н. Повышение эффективности работы автомобильных и транспортных двигателей // Сборник научных трудов / МАДИ, Москва. 1988, с. 202.

34. Малиованов М.В. Разработка математической модели течения газа в трубопроводе двигателя/ М.В. Малиованов, Г.В. Поздеев, Р.Н. Хмелев// Изв. ТулГУ. Сер. автомобильный транспорт. Тула, 1999. - С. 89-92.

35. Мамонтов М.А. Основы термодинамики тела переменной массы/ М.А. Мамонтов Тула: Приокское книжное издательство, 1970. - 88 с.

36. Милованов В.И. Повышение долговечности малых холодильных компрессоров/ В.И. Милованов. — М.: Пищевая промышленность, 1980. -200с.

37. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в ДВС/ P.M. Петриченко. Ленинград: Изд-во ленинградского университета, 1985.- 168с.

38. Петриченко P.M. Рабочие процессы поршневых машин/ P.M. Петриченко, В.В. Оносовский. Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.

39. Расчетное определение параметров конструкции впускной системы и газораспределения двигателей с индивидуальным питанием цилиндров и с впрыском бензина: Руководящие технические материалы. М.: Министерство автомобильной промышленности, 1977.

40. Рудой Б.П. Прикладная нестационарная газовая динамика/ Б.П. Рудой. Уфа: УАИ, 1988.

41. Рындин В.В. Исследование нестационарного течения газа во впускном трубопроводе и неравномерности наполнения многоцилиндрового двигателя: Дисс. канд. техн. наук. М.:, 1977г. - 163 с.

42. Самарский А.А. Разностные методы решения задач газовой динамики/ А.А. Самарский, Ю. П. Попов. М.: Наука, 1980. 352 с.

43. Смекалин В.В. Влияние геометрических характеристик впускной системы на энергетические показатели и межцилиндровую неравномерность работы автомобильного двигателя: Дисс. канд. техн. наук. Тула, 2005г. - 126с.

44. Сухомлинов P.M. Трохоидные компрессоры/ Р. М. Сухомлинов. -Харьков: Вища школа, 1975. 152с.

45. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник/ Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560с.: ил. (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).

46. Тюфяков А.С. Совершенствование процессов и конструкции бензиновых двигателей с целью улучшения энергетических и экологических показателей/ А. С. Тюфяков. Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт, 1991.

47. Федянов Е.А. Межцикловая неидентичность рабочего процесса и проблемы улучшения показателей ДВС с искровым зажиганием/ Е.А. Федянов. 1999.

48. Хачатурян С.А. Волновые процессы в компрессорных установках/ С.А. Хачатурян. М.: Машиностроение, 1983.-223 с.

49. Хмелев Р.Н. Исследование влияния газодинамических процессов на функционирование ДВС: Дисс. канд. техн. наук. Тула, 2002 - 137с.

50. Черноусов А.А. Определение гидравлических характеристик местных сопротивлений в газовоздушных трактах ДВС вычислительным экспериментом/ А.А. Черноусов. 1998. Уфимский ГАТУ.

51. Численное решение многомерных задач газовой динамики/ Годунов С. К., Забродин А. В., Иванов М. Я. и др. М.: Наука, 1976. -400 с.

52. Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания: Учебн. пособ. М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

53. Шатуны в отставку// Тюнинг автомобилей. 2002, №3, С. 92 97.

54. Элементы автоматического проектирования ДВС // P.M. Петриченко, С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков и др. JL: Машиностроение, 1990. - 328 с.

55. Элементы систем автоматизированного проектирования ДВС. Алгоритмы прикладных программ/ Под ред. P.M. Петриченко. JL: Машиностроение, 1990.- 328с.

56. Http://engine.aviaport.ru /issues/1 l&12/pagel4.html.

57. Hill Philip G. Связь межцилиндровой нестабильности сгорания со структурой турбулентности в ДВС с искровым зажиганием. Cyclic variations and turbulence structure in spark-ignition engines. "Combust and Flame" 1988, 72, №1, c. 73 69. Англ.

58. Okpenheim A.K. Поиск путей регулирования процесса сгорания в ДВС. Quest for controlled combustion engines. SAE Techs. Pap. Ser.l988. № 880572. c. 1-7. Англ.