автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Оптимизация рабочих процессов дизелей и нетрадиционных ДВС

г| о од

ММШНГШЧГГШ) НАУКИ, имсшкП ШКОЛЫ II технической ПОЛИТИКИ ('ОССИЙС.КОЙ ФКДКГАЦИИ

нокосикшчжий шшкп'откхннчгхжий институт

УДК 821.436.013 На праямх рукописи

ЖМУДИ и Леонид Моисеевич

оптимизации рлвочих процессов дизелей и нетрадиционных две

(Онцмаликк-ти 05.14.04 - промышленная теи.1<юиерг«ггика, 05.04.02 - тспкмис двигатели )

Акт»ре|)№рат дитртшцм ид 1Ч|М:кш11№ учений степени д»кг»|м> технических наук

11(1Н(К-НЛ|<|И'К - 1993

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете имени И.И. Ползунова.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Ы.Г. МАХАНЬКО

- доктор технических наук, профессор В.К. БАЕВ

- академик Академии гран-спорта, доктор технических наук, профессор О.Н. Лебедев

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский авто-

мобильный и автомоторный институт (НАШ).

Автореферат разослан "'¿£ " сентября 1993 г.

Защита диссертации состоится " 10 " ноября Х993 г. в ff.SC часов на заседании специализированного совета Д 063.34.04 при Новосибирском электротехническом институте по адресу: 630092, Г.Новоснбирск-92, пр.К.Маркса, 20, НЭТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы на автореферат просим направлять на имя ученого секретаря.

!Ученый секретарь специализированного совета профессор, д.т.н. Г.В.Доздзёнко

У . рГ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В лроласамнноя теплоэнергетике задачи оптимизации решались Л.С.Псш:-;::. ..'/ и другие учеными. Компьютерная оптимизация геплоэнергетачзскях устэнопок и ЛВС на их моделях длительна, а ери числе параметров о:шо 10 а Со.:оо оптимум часто но отыскивается. Поэтому нужно шястать з£фзктивность различных алгоритмов нахождения экстремума к модернизировать их. Время проектирования и доводки ЛЕС для получения юс заданиях показателей (в том числе и для использования ЛВС в промните иной теплоэнергетике, например, для комплексной шработка энергии и теплоты) зависит от умения опреда- \ лять оптаыальные параметры двигателя в начале проектирования. В 70-х годах появились качественные лрограмуырасчета ДВС на ЭВМ и для определения параметров двигателей использовались многовариаятные расчеты. Чтобы избавиться от этих трудоемких расчетов, повысить точность, надежность и скорость нахоадеиия олтимума, б,-то необходимо разработать методику компьютерной оптимизации параметров двигателей на их математических моделях.

Одной из основных задач теории ЛВС является исследование влияния отдельных факторов на показатели цикла, выяснение перспективности негразшиокшх ДБС и нетрадиционна агрегт;эь ДВС.

Цели рзгкзта. Модернизация алгоритмов и программ для более надежного и быстрого нахождения экстремума различных функций. Создание программ гарантированно, бистро и надежно находящих оптимальные значения конструктивно-регулировочных параметров двигателя. Определение оптимальных величин параметров вновь -¡оздававкых и се^.йных дизелей. Исследование основных свойств рабочего цикла. Выяснение перспективности двигателей с нетрадиционными схемами газообмена. Разработка в исследование новых схем ЛВС и их агрегатов.

Методика исследований. Били разработаны математические модели и программы ЭВМ для расчета дизелей и нетрадиционных ДВС, а также алгоритмы и программы ЭВМ, автоматически находящие оптимальные ветчины параметров ЛВС. С помощью созданного комплекса программ исследовались основные свойства рабочего цикла я определялись оптимальные параметры вновь проектируемых 1 модернизируемых дизелей. Результаты испытанШ этих, дизелей использовались для подтверждения правильности моделирования и оптимизации.

Оптимизация позволила также объективно определить эффективность нетрадиционных ЛВС» так как они и традиционные, базовые двигатели сравнивались в строго одинаковых условиях: сравнивались оптимальные варианты каждого двигателя при одинаковых ограничениях на мехагапес-

кув к тепловую напряженность (одинаковые максимальные давления сгорания » т.п.).

Научная новизна. Вместо традиционного в ЛЕС списания горения кок внешнего подвода низшей теплоты сгорания выписано уравнение первого начала термодинамики для процесса сгорания, происходи» го внутри цилиндра 17,29,31).

Исслодоадш причины влияния охлаждения поступатего в двигатель воздуха «а показатели цикла. В частности, показано, что одноа из причин роста максимального давления сгорания с охлаждением воздуха является возраста!ше массы воздуха в цилиндре, а не только рост задержки воспламенения 1151. Повышение индикаторного КИЕ при охлажде-. юш воздуха, в основном, связано с уменьшением теплоотдачи 117).

Впервые ЦЭга год) отраОотшш методика и программы пораы-этричес кой оптимизации ЛВС при ограничениях на выходные показатели (1-4,

• 6-8,13,14,16,20,21,29 и др.). Предложена новые варианта алгоритма оптимизации, что повысило скорость оптимизации в среднем на -50%.

Рассмотрен и найден оптимальная уровень форсирования дизелей пс среднему рФФзктие :ому давлению (рв) 113,16). Выявлено, что у дизелеа использование схемы Миллера (дои-атель с внутренним охлаждением) рациочвльно тогда, когда наддувочный воздух охлаждается и отыозенае давления после компрессора к давлению перед турбиной турСокомпрес-сора (ТКГ) выше 1,1 120).

При исследовании применения схемы touuepa у бензиновых ЛВС (кардинального пути vx разаатия, открыватеего возможность Сездетонационного форсирования до большого повышения давления в компрессоре -х^ я вшэ) предложена концепция низкотемпературного цикла. По это£ концепции с повышением х^. впускной клпан закрывает еще раньзе, чем это Необходимо для предотврадения детонации. В предельном случае ere закрывают так рано, что с ростом Vg мощность не повышается, а обе ста чивается снижение максимальной температуры цикла в оксидов

взота, т.е. экологический эффект. Расход тошива снижается на S-8J. Уменыаение TmaI позволяет рассмотреть возможность работы на неэтили-

• рованном бензине, т.е. прекращения выброса токсичного тетраэтилсвин-ца 129)..

Впервые,разраоотаны математические модели двухтактных ДЕС с разделенным выпуском и двигателя с разделенным впуском; выполнены исследования этих двигателей. Проведенные впервые кг шъютерные оптимизационны«) расчета четырехтактных двигателе? с разделенным выпуском в вариантах со свободным ТК~ и с силовой турбиной н ТКР позволили разграничить области их эффективности и неэффективности .CI4.2I.29I.

Предложена и исследована расчетами конструкция четырехтактного ЛВС, в котором без сгапвюш экономичности продувку иежко довес-гя до 15-421- Это позволяет очень существенно снизить теплонапряквк-юсть или повысить моинос:ь. Предложенный двигатель имеет лучшие исковые качества; при очень высоких ерг ~тх скоростях портам эконо-ючность нового двигателя на 10Х вше, чем у традиционных ДВС (29).

Предложена ноше типа волновых ооменникоп дввлени« 19,18,19,26, 17) и однопоренвЕих своводнопоршневых ДВС. (ОСГШ) (22,23). Впервые шолненн газодинамические расчеты ОСГШ 112,30).

Практическая ценность. Комплекс программ расчета и оптимизации ¡изелей и нетрадиционных две обеспечивает высокие: скорость расчета, ■очность и надежность нахождения оптимума при любых исходим данных, лгоритмы и програлмы оптимизации могут использоваться для оптимиза-ш любых объектов. Практически ценны и найденные величины оптималь-ых параметров дизелей, в частности, оптимальные по КПП уровни рв изелэй с ТКР, с силовой турбиной, данные о зависимости показателей оптимальных параметров от ралх и других ограничений. Для развития ВС вчхны данные об эффективности нетрадиционных двигателей, в частости, о предложенном двигателе с высокой продувкой. Особенно ценны анные о схеме Миллера как основном пути совершенствования бензино-ЯХ ДВС.

Реализация. Внедрена методики и программы расчета и оптимизации абочего цикла дизелей, причем на заводах они внедрялись неоднократно з мере соверсенствования. При разработке новых и модернизации вылус-зэмых двигателей сироко использовались рассчитанные диссертантом оп-«мальные величины конструктивно-регулировочных параметров дизелей, роме того, завода«« использовались результаты газодинамических рас-)Тов многоцилиндровых деигателей с коллекторами (выбор рациональных тусклых коллекторов в совокупности с фазами газораспределения и т. ,), расчеты охладителей наддувочного воздуха и т.п.

Экономический эффект внедрения 925 тис. руб. (цены до 1986 го-I). В числе 8 предприятий, использовавших оезультаты исследований гтаЯский моторный завод, Барнаульский завод транспортного маши-югроения, ИПМАШ АН УССР, МАДИДутаевский моторный завод, ЩАМ.

Апробация. Основное содержьние работы доложено на 27 конферен-1Ях и семинарах, в том числе на 9 всесоюзных конференциях и одном »союзном семинаре. По решению ГКНГ и АН ССС? два представленных • всертантом проекта включены в число победителей конкурса техничес-I идей и проектов "Экологически чистый автомобиль 2000 года".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 печатных работ, том числе 43 в центральных изданиях, включая 17 изобретений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОЩЬ РАЕО'иОХ) ЦЩА КОШИЦ'ОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Оптимизация всех осношц ппрауетров рабочего цикла проводится на квозирагаювосной модели рабочего шжло. и на моделях, учитывающих одномерное нестационарное движение газа. Модели такого класса исполь зовали^ь Н.Ы.Глаголевым, Б.М.Гончаром, И.И.Биое, О.Г.КрзсоЕским, М.Г.Кругловим, Р.Ы.Петриченко, А.Э.Симсонсм. Н.К.Шокотсеым, Н.С. Хвшным, В.Г.Дьяченко, В.Д.Сахаревичем, С.А.Ероцонковыы, Е.А..Лаза-ровым, А.Г.Ставровым, Г.Д.Драгунов™, А.К.Зайцевым, Н.Ф.Разлейиевым, Д.А.Деховичем. Д.А.Мукптуковым. Н.Ы.Зацеркляриым, Б.П.Рудам, С.В.Каы киным, Я,А.Егоровым, Н.А.Иваценхо, Б.Р.Ибрагимовым и многими другими отечественными и зарубехшми учеными.

Автором также написаны, реализованы в виде программ ЭВМ и с 1972 года эксплуатируются модели указанного класса. Модели и реализующие .а програуш, как и все программа, основанные на диэдерен-чивлышх уравнениях, учитывают в какдыл момент времени скорости: течения газа через хлапаны. изменения объема цилиндра, теплоотдачи, выделения энергии при сгорании и т.п.

Сравнение результатов моделирования с экспериментальными индикаторными диаграммами и показателями различных дизелей говорит об адекватности моделей.

Модели, алгоритма и программы расчета рабочего цикла довольно сложны. Естественно, желательно иметь критерия, позволяйся выявить наличие овмбок р°счета. Оскзки могут быть грех типов. Первая - описки в записи формул, в алгоритме, в программе и т.п. Второй - озкбкн интегрирования, возкикавдие из-за недостаточной точности интегрирования систем дифференциальных уравнений. Третий - ошибки, обусловленные округлением чисел в ЗБЧ и "сбоем" ЭВМ. Предложен [53 критерий, выявлявшей указанные ошибки. Это сократило время отладки программ в оказывает неоценимую помощь в выявлении решений, у которых интегрирование выполнено с недостаточной точностью.

2.. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ РАБОЧЕГО ШЛА НА ЕГО МАИИАГИЧЕСКОЙ ПОДЕЛИ

Расчеты при и а=1йет показали, чго с охлаждением надду

вочиого воздуха максимальное давление сгорания (р^^ и максимальна скорость нарастания деления ^рах возрастают. Причем это возрастание значительно и сравнимо с возрас.аяием указанных параметров в эксперименте.

Для объяснения возрастания р^ и g^nax вследствие понижения температуры поступвтаого в двигатель воздуха рассмотрено уравнение шрвого заксна термодинамики. Период быстрого сгорания - от угла на-[ала тепловыделения до угла, соответствующего р^^- протекает вбли-1И ВМТ. Изменение объема цилиндра (V) в тот период мало, поэтому шен уравнения, отражающий подвод энергии при сгорании много боль-ie остальных членов и для анализа изменения давления м^кно считать

^cl^T2! •

■де К - показатель адиабата, п.0 - масса сгорающего топлива. Данное «отношение показывает, что Щ пропорционально абсолютному количест-Ч выделисейся в цилиндре энергии.

При охлаждении наддувочного воздуха возрастает масса рабочего ела в цилиндре. В условиях a-ldem это обуславливает пропорциональ-ое повышение цикловой подачи топлива, т.е. кассы сгорающего топли-а, следовательно, увеличение абсолютного количества выдел-шейся еплоты. Последнее повшает Щрах, что приводит и к росту величины

пах' tin

такое объяснение возрастания ggmax и вследствие охлаждения •

оздуха на впуске при неизменной характеристике тепловыделения допо-

яяет известное объяснение возрастания и ^яз* в эксперименте

остом задерней воспламенения (15].

Исследование причин повышения КШ ЛВС при уменьшении температу-

i на впуске привело к следующим выводам. При уменьшении температуры

эздуха, поступающего в поршневой ДВС, индикаторный КПД повышается.

роисходит это, в основном, вследствие умены._ния теплоотдачи от

збочего тела [17].

. 3. МЕТОДИКА ОГГГИШЗАЩИ РАБОЧИХ ЦИКЛОВ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ИХ WТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ

Первые программы ЭВМ, находящие оптимальные параметры рабочего осла автоматически (быстро и гарантированно) с помощью методов оп-тизации (нелинейного программирования) были отлажены автором в Л2 году и опубликованы в отчетах, разработан системный подход к гталзадии, включающий: взаимосвязь оптимизации подсистемы с опти-!зацией системы, выделение оптимизируемой подсистемы, формирование гнкция цели и ограничений, выбор рациональней последовательности пимизации (оптимизация с нарасгапцим объемом системы и т.п.), об-то схему оптимизации - от сбора информации до связи между оптими-щией на модели и экспериментом [6, 7].

При отработке алгоритма формирование функции цели вызвало труд-

ности. поэтому стоит соясгать, что использована стрО'.ая функция барьерного типа; когда-ограничения но нарушаются. фунхциел цели является в случае нарушения ограничений, например, когда р;г_а1лре-выаает заданный уровень, к величине по определенным правилам добавляется штраф. Достаточная эф>жтишость процесса оптимизации наблюдалась при поиске оптимума по,алгоритму Нелдера-Ккда ¡7], е^в болов эффективно сочетание алгоритмов Нелдера-Кида и пауэллл

Алгоритм Иелдора-Мздз и другие модификации метода нилуклзго (деформируемого) многогранника является развитием симплексного поиска. Как в в симплексном поиске в эти методах используется одно направление движения к оптимуму: от "худзей" точки комплекса через центр тяжести остальных точек. Вместе с тем. суиэствуст более десяти аналогичных направлений, например, от центра тяжести к "яучзей" точке (к точке с кпниюльыым значением функции цели) или от центра тяжести 10-251 "худай" точек к центру тяжести 10-25$ "лучших" точек. ¿десь под "худаооГ точками понимаются точки с наибольшими зне чениями функции цели, в под "лучинка" - с наименьшими значениями фу нкщы цели. Клас.ическое направление поиска и люОоо из веера осталь ных направления в среднем примерно эквивалентны по эффективности пс искр. На каждой конкретном шаге одно из направлений часто оказываем ся неудачным. Поэтому при неудаче рационально сменить направление г любое другое из указанного веера или на альтернативное, т.е. на направление, наиболее отличащееся от неудачного. Такой алгоритм был разработал и назван "лгоритмом скеш направлений.

• В методах чшуклого (деформируемого) многогранника и других мз тодад используется три оценки "удачности" иага: по соотношению фук ции цели в новой точке с полученным р нее максимальном значением функции цели ("худшая* точка комплекса) и с полученным ранее минимальным значением ("лучшая* точка комплекса). Возмэхна и более дифференцированная оценка удачности вага. Четыре оценка получается, ее да сравнивать еще в со средним значением функции цели в точках комплекса. Метод, учигывавдий ори выборе шага четыре оценки "удачности*. был назвав алгоритмом с дифференцированной оценкой сага. После получения в процессе поиска экстремума достаточного для аппроксимации числа точек проводится аппроксимация. В случае адекватной аппро симации следущэй точкой на пути к оптимуму выбирается экстремум ал просимацвд.

Использование мегодов смены направления, дифференцированной оценки шага и аппроксимации сократ.ию время оптимизации, в среднем, на 40*.

Задача оптимизации сформулирована так: на?-"и рабочий цикл с ми

в

шмалышм удельным расходом топлива, при среднем (индикаторном pi ira эффективном рв) давлении но менее его заданного значения и при допустимых теплоии и механических нагрузках.

Исходя из задачи, цель оптимизация:

min g0 или min gj (3.1)

для двигателя с силовой тур'иной - микчум удельного расхода тошш-ia комбинированного ЛВС с силовой турбиной - min КееЬ

Ограничения на показатели:

ре г р'е или р1 > p*j

Рглх « Рг^е г

®ГОЛ * ^ол * Т, < Ту :

ик . ит < и*.

Здесь заданная велгоэта ограничештя на параметр обоз^чена зве-дочкой, рглх и ддгг-ах - максимальное давление сгорания (МПа) и ско-ость нарастания давления (МПа/грзд); Тт - температура перед турби-эй; 0ГОЛ - тепловой поток в головку цилиндра, Дх/цикл; UK и UT -лубка выточек в порсяе или "утопаяия" в головке цилиндров впускно-э и выпускного клапанов. В программе рассчитываются расстояния меж/ порснем и соответственно впускным и выпускным клапанами. Выточки пи утопания обеспечивают отсутствие удэроа поршня о клапаны при ра-зирекии фазы перекрытая. Величина U ограничивает суммарный объем почек и утопаний, а следовательно, и фазы перекрытия.

При оптимизации варьировались следуише параметры: а -зэфвициент избытка воздуха; е - степень сжатия; 9 - угол начала гпловцделения; «р^ и - углы открытия и закрытия выпускного клапана; з и фа - углы открытая и закрытия впускного клапана; к^ - степень катая воздуха в компрессоре турбокомпрессора: *т0 - степень асширения газа в силовой турбине, если она имеёется, и т.п.

Нихе приводятся результаты оптимизации только по этой программе, юсте с тем имеется положительный опыт оптимизации по ее расширен-м вариантам, в которых варьируется соотношение диаметров впускно-I и выпускного клапанов в пределах конструктивных ограничений их 13можных изменений и др. В варианте "аЭДективная мощность" вместо •раничения Ре>Р* используется ограничение н_ минимальную э^фектив-и мощность Ne?Ng. а в число варьируемых параметров входит частота шщения коленчатого вала (п). В другом варианте могоостное ограни-ние накладывается на литровую мощность и среднюю скорость периня,

а в число варьируемых параметров в дополнение к выае перечисленным включается диаметр цилиндра (0), что позволяет находить оптимальные размеры последнего.

В связи с изменением 0 отлажены варианты программ, в которых вместо ограничения на р^^ используется ограничение на порпневув силу (произведение рвах на площадь пораня) и т.п.

В зависимости от конкретных величин допустимых (со звездочкой) значетш ограничений на выходные параметры они (ограничения 3.2) подразделяются на лиммтирушие и нелимитируиадо. Лэдикрувгае - это ограничения, ишолюнке которых препятствует достижении меныгих зна чений функций, (истинной функции цели Го есть набор оптимал

них значений параметров выбирается программой, исходя из требований как выполнения данного огршшчения, так и минимума Не лимита

рухвще ограничения - это ограничения, которые автоматически выполня ются в точке оптимума и, следовательно, не влияет на величины оптимальных значений параметров.

В найденных оптимумах заданные ограничения всегда выполняются, если они совместгч. Отклонение выходных параметров от заданных значений ограничений обычно не вше 2%. Точность выполнения ограничена легко повысить ужесточением задаваемого допуска на нарушение ограни чешш.

Эффективность используемого алгоритма оптимизации оценивается по числу разовых расчетов рабочего цикла, выполняемых в процессе нахождения оптимума, - по числу "точек". В среднем, для нахождения оптимума нвобхопмо около ста расчетов.

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ 0ППЭЫЗА1ВШ

' В таблице 4.1 приведены промеры результатов оптимизации дизеля ЧШ6,5/17 с турбенаддувом и охлаждением наддувочного воздуха при п= »сопзг=1800 мин"1. Квадая строка таблица - результаты одной оптимизации. Над таблицей вод заголовком "ограничения" помеаены часть величин ограничений на выходные параметры, при которых выполнялась оп тимизация. В оптимизациях табл. 4.1 согласно методике выдерживалось рв не менее 1,32 Ша, раах<13,3 Ша. В результате оптимизации получены оптимальные значения варьируемых параметров. В частности, в оп тимизацни и (первая строка таблицы) получены: а=2,17, е-12,9, и^» =2,76, 6—8 и величины всех фаз газораспределения ("/брика "Оптимальные величины варьгруешх параметров"). При атом оптимальном наборе значений варьируемых параметр'в, как видно по рубрике "Показатели цикла"., достигается заданное рв=1,32 Ша, соответствувдее необ ходимой мощности 552 кВт(750 л.с.), р^ не пре*юсход^г 13,3 Ш1а, а

расход топлива - минимален. Таким образом программа точно выполняет все заданные ограничения и находит цикл с минимальным расходом "сплина.

Приведенные в рассматриваемой первой строка результаты показывают. что оптимум наблюдается при степени сжатия, нежелательной с позиция пуска. В таких случаях оптимизация повторялась с ограничением на минимальное эначзнле степени сжатая. В данном случае • с OI4. Результаты этой оптимизации приведены в строке 2 таблицы 4.1. Они показывают, что и при е=14 существует сочетание параметров, обеспечи-вашее выполнение всех ограничений и столь жо низкий удельный расход топлива.

Однако, такое "безболезненное" увеличение е возможно только при небольшом повышении е: ¿е-14-12,9-1,1 и р^-13,3 ЫПа. Аналогичная пара оптимизаций при р_ *П,2 мПа показывает, что при таком р за

гтилх г »max

увеличение е от оптимального значения е>11,4 до £-14 приходиться "расплачиваться" увеличением ^ на 5 г/кВг-ч.

Под *3 и JM приведены результаты оптимизации "термостойкого" и "адиабатного" двигателя. Здесь "адиабатным" считается теоретический эталонный (для сравнения) двигатель, в котором нет теплообмена деталей с рабочим телом. Под "термостойким" (или неохлаждаемым) двигателем подразумевается теоретический эталонный двигатель,в котором имейся теплообмен между рабочим телом и тепловоспринимавдими поверхностями цилкндро-поршевой группы, однако, температура этих поверхностей столь высока, что рвзультируювий за цикл теплообмен равен нулю.

Таблг '.а 4.1

Ограничения

Р: Ртах <

МПа МПа/град °С

1,зг| 13,3 1,02 700

Результаты оптимизации

1 Оптимальные значения варьир уемых параметров

* от „ , в

го ад геи ПКВ от ВМТ сгорания

(до НМТ) (после ВМТ) (после НМТ) (до ВМТ) _

I 2,17 12,9 -8,2 115(65) 395(35) 5d2(52) 323(37) 2,76

2 2,13 14,0 -6,2 117(63) 378(18) 577(37) 333(27) 2,63

3 2,17 13,7 -7,4 109(71) 392(32) 582(42) 327(33) 2,60

4 2,24 15,7 -6,8 109(71) 394(34) 601(61) 324(36) 2,32

*- "Термостойкая" ЛВС,

Ag/g^lOá.

"-"Адиабатный" ДВС. Agj/g^U*. bg,/g^-ISS.

Примечание: "термостойкий" и "адиабатный" ДЭС не имеют вентилятора.

Модность двигателя без вентилятора - 589 кВт(800 л.с.),

модность с вентилятором - 652 кВт1760 д.с.)

Результаты оптимизаций показали, что среда наборов величин параметров; обеспечивапюх одинаковые р^ и pj , существует одна, о иногда несколько областей сочетаний параметров, при которых К1Щ цикла практически одинаков. Например, результаты оптимизаций I и 2 в табл. 4.1 принадлежат такой области. "Ширина" области зависит от сравнительно слабо влиявшх факторов. Так без учета зависимости ..олноты и продолжительности сгорания от а область эквивалентных по КПД сочетаний а и е увеличивается до размеров слабо согласущихся с практикой.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИИ ДИЗЕЛЕЙ ТРАДИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

5.1. Оптимальное форсирование дизеля

При проектировани:: нового двигателя остро встает вопрос Еыбора номинальных среднего эффективного давления и чаете гы врааения. В практике выбор рв и и проводится с ориентировкой на прототипы. Пред ставдяется, что вместо ориентировки на 1фототип нужно теоретически определять оптимальное форсирование.

Для этого выполнены серии оптнмизащЛ о различным уровнем форсирования по рв (или p¿) в условиях n=const, «Idem для различных величин п и р^. Каждая точка графиков результатов оптимизации - рис. 5.1, 5.2 - это рчсход топлива нового оптимального двигателя, который имеет свои, оптимально подобранные параметры: а, е. 8, Фазы газораспределения. Оптимальные величины параметров и обеспечивают двигателю минимальный расход топлива.

Рис. 5.1 указывает на "неприятное свойство" рабочего цикла: в условиях p^^ldem (n=const) при форсировании по средрему индикаторному давлению удельный'индикаторный расход топлива увеличивается даже при доведенном процессе (ори оптимально выбранных параметрах).

Данные о возрастании g¿ позволяют обосновать вид зависимости от р.. Для этого запишем

* опт Показатели " цикла

«1 е* «в Ре Ртах ч

г/(кВт-ч) кВт «Па °с

I IÉJ2 223 552 1,32 13,3 598

2 162 223 552 1,32 13,3 602

3 173 200 552* 1,32 13,3 690

4 156 181 552" 1,32 13,3 660

Ffcc. 5.1. Оптимальные значения gi при различных р^ и п.

--КПД ТКР - 0.42S;-----КДД ТКР - 0,603.

рм - среднее давление механических потерь, которое при возрастании рв в заданных условиях сравнокия (п-сопзи р^^-сопзг) постоянно или возрастает очень слабо (много слабев роста рв). Поэтому вырахение в скобках с ростом рв убывает; согласно рис. 5.1 с увеличением рв

возрастает. Следовательно, произведение т.е. ^ согласно

выражению 5.1. обязано иметь минимум. ®

Количественная зависимость удельного эффективного расхода топлива от рв при низком и высоком КГЦ ТКР приведена на рис. 5.2. Как видно, зависимость ев(рв) имеет четко выраженный юсимум. с ростом

р^ темп возрастания 81(рв), т.е. ^ снижается (рис. 5.1). Из анализа выражения (6.1) следует, что уменьшение ^ сдвигает экстремум

вправо, в сторону болышх рв. Действительно, при Сольшх р^ (рис. 5.2) оптимум (минимум расхода топлива) лежит правее. Таким образом -¡а больших р,,^ не только снижается расход топлива, но и выгодно форсирование до ос.длин рв. Указанные зависимости е8(рв) похожи на нагрузочные характеристика, но, как ухе отмечалось выае, это расход топлигч серии оптимальных двигателей.

Приведашшэ графики могут быть использованы для выбора оптимального форсирования дизеля. Например, если у гроехтируемого дизеля допустимо Р^.13 МПа, а пнои-Х800 кин*1, при низком КПД ТКР минимум расхода топлива наблюдается (рис. 5.2) при 1,2 МПа. При всех исследованных частота: вращения в р,^ экстремум очень пологий: в районе экстремума (в диапазона 0.2 МПа) изменение величины ^ составляет менее 2 г/(кВт>ч). Такой диапазон создь-т определенную свободу выбора форсирования: левая граница района минимума может быть использована для снижения тепловой напряженности, правая - для снижения мас-согабаритных показателей без ухудшения расхода топлива. Про рассматриваемых рдят»13 МПа, п-1600 мин-1 и низком КПД ТКР минимальные расходы топлива находятся приблизительно в диапазоне 0,95-1.4 МПа. При недостаточном форсировании (рв<0,95 МПа) также как в при перефорсированном рв>1,6 Ша удельный аффективный расход топлива возрастает.

Основное значение приведенных данных - в доказательстве существования оптимального уровня форсирования по ре. Однако, они показывают также количественно большое влияние р!ай1 н КЦД 1.чР ва расход топлива (например, сравнение кривых с Рта2=П и 13 Ша показывает величину примерно 1.БЖ повышения К1Щ ва хаждый 1 МПа повышения р№). Эти данные говорят о том, что наиболее показательно сравнение влия-'ния различных факторов при оптимальных параметрах, в том числе и

при оптимальном форсирования.

При проектировании двигателя иногда имеется свобода в выб. ре номинальной частоты врак лая коленчатого вала. В этом случае можно оптимальным образом выбрать не только р,, но и литровую мощность -Явл. При оптимальной или заданной литровой модности отработана методика набора оптимального соотношения рв и п.

Таким образом, приведенные методика и графики позволяют выбирать объективно рациональные Ивл, рв, п на основании оптимизационны* расчетов с минимальным привлечением информации о прототипе. Величины а. е, в, фаз газораспределения и других варьируемых параметров, обеспечиваяцих оптимальные рв, 1»вл, ртаах. содержатся в результатах оптимизаций.

5.2. Оптимальные параметры двигателя,работающего по схеме Киллера (двигатель с внутренним охлаждением) (20 и др.]

| В конце сороковые годов Киллер предложил у дизелей с. турбокомпрессором устанавливать окончание впуске до НОТ, компенсируя "недобор" воздуха поЕызением наддува.

С тех пор в исследовательских организациях и на заводах периодически Еозвразасгся к проверка схемы Миллера, называя ее также "двигатель с отсечкой (впуска или наполнения)", "схема внутреннего охлаждения" и т.п. В ряде исследовательских работ сообщается о снижении расхода топлива при регулировании по схеме Миллера, имеются и отрицательные оценки этой схемы (например, К.Цаннер). Большинство заводских испытаний не подтвердили преимуществ указанной схе"ч и в широкую практику она не вошла, вместе с тем периодически серийно выпускаются дизели, работающие по схеме Киллера. В последнее время это двигатели фирмы

В двигателе, работавшем по схеме Киллера, давление наддува повышено. После происходящего до НОТ закрытия впускного клапана воздух расширяется и в НОТ его параметры соответствуют давлению в цилиндре обычного дизеля. Температура же воздухе нгже вследствие расширения, т.е. охлаждение произошло внутри цилиндра, что допустимо трактовать как условное внутреннее охлаждение; чем значительнее повышение наддува, тег' сильнее внутреннее охлаждение. Исходя из этой трактовки, двигатель, реализувдий схему Миллера, называют двигателем с внутренним охлаждением (ДВО). это название и употребляется ниже.

Выяснение вопроса эффективности ДВО проводилось с помощью оптимизационных расчетов на ЭВМ. Температура воздуха, выходящего из охладителя наддувочного воздуха, принималась постоянной и равной 85°с.

Предыдущий опыт показывает, что в результате оптимизации может

Сыть найден и оптимум, соответствующий величинах параметров обычного дизеля, и оптимум с величинами параметров, характерными для ДВО (раннее - до НЫТ такта впуска - закрытие впускного клапана, большое т^ и 1 другое) (2-4 и др.]. Поэтому оптимальные параметры отыскивались в двух районвх: в районе обычных величин параметров и в районе величин Параметров, характерных для Ж), При начале поиска в первом районе оптимум оказывался в атом районе, и величины параметров соответствовали их традиционным значениям. При комплексе, "разбросанном" во втором районе, нойдеюше оптимальные параметры всегда соответствовали ДВО. Го есть обнаруживалось существование двух экстремумов - двух ноборов оптимальных параметров, отклонение от величин которых ухудшает индикаторный расход топлива. Один из этих экстремумов \минимумов) - глобальный, а другой - локальный.

. Пример таких оптимизаций, выполненных для одинаковых ограничений одного и того же двигателя при начальных "точках" поиска, расположенных в резных районах, приведен в таблице 5.1.

Тволица 6.1

Вариант двигателя Лимитирушие ограничения

Т^-0,603. 1х-85с.:, п«1800 мин-' Рвах*15 КПа' Р^1420 ХЛ3

Л опт Оптимальные значения ворьир) ;емых параметров

а е в <Рь <?Ь «к «1 «е

°тв Г/ (кВт »4)

I 2,3 17,5 -2,0 108 400 609 311 2.50 166,5 192,6

2 2.1 18,2 -4,Г 114 335 509 329 2.85 164,0 189,9

Показатели цикла

Р1 Ч Р«х Рх Рт Тт «г V102

' МПа К кг/цикл

1,425 1.232 15,08 0,2631 0.248 1,063 756 1,205 0,4557

1.418 1,225 15.05 0.319! 0.299 1.065 774 1.082 0,4260

Под Л I в таблице даны результаты оптимизации в районе традиционных величин параметров. Под *2 - в районе величин с ранним закрытием впускного клапана и повышенным наддувом (ДВО). В таблице приня- ' ты следующие обозначения: т)^ - КПП турбокомпрессора; рх - давление перед впускным клапаном, кПа; рт - давление за выпускным клапаном. кПа; Т? - температур« газа перед турбиной, °К; х=(р^ рт) - отношение давлений перед вдусквш. я за выпускным клапаном; отнооение

теплового потока в головку дизеля к тепловому штоку в'головку базового двигателя.

Как видно по приведенным в таблице показателям цикла, парамет-

ры, найденные при оптимизациях »1 и Ж, обеспечивают заданные значения ограничений (р^^, р1> и минимальный в каадом района расход топлива. Обратим внимание, что оптимальные параметры, найденные программой при оптимизации *2, соответствуют ДВО: оптимальный угол закрытия впускного клапана - 31° поворота коленчатого вала до 1МГ впуска (в таблице углы поворота коленчатого вала - ПКВ отсчитываются от ВОТ сгорания).

Согласно данным таблица, в районе регулировок, характерных для ДВО (оптимизация м 2), получен более глубокий экстремум - и ниже. Т.е. экстремум, соответствущий ДВО, является глобальным (оптимум), а экстремум в районе обычных сочетаний параметров (оптимизация М I) является локальным. Следует отметить, что при раннем окончании впуска и повышенном наддуве уменьпается тепловой шток в поверхности цилиндра, но возрастает температура перед турбиной. Тепловой поток снижается на 1015, а температура увеличивается на 18°.

Оптимизации, аналогичные приведенным в те.^лице, выполнялись сериями. В кашей серии, кроме п^сшзг, одинаковое ограничение р^» «1с1еь-, а "точки* оптимизации отличаются значением ограничения на р1-г.е. величиной Серии оптимизаций выполнялись при двух вариантах исходных денных, отличавдихся КЛД ТКР. В первом варианте КПД ТКР соответствовал КЕД серийных малоразмерных ТКР в условиях пульсирувдего ютока - 0,425. Во втором варианте КПД соответствовал КПД лучших ТКР современных автотракторных дизелей - 0,603.

Результаты оптимизации при низком КПД ТКР - 'ПТКр*С.425, показывают. что в районе обычных параметров (и невысокого форсирования по ре) экстремум Солее глубокий - расход топлива ниже, т.е..имеет место оптимум, оптимизация "в районе ДВО" приводит к локальному экстремуму, расход топлива в котором выше, чем в оптимуме. При высоком КПД ТКР (^=0,603) картина обратная: "в районе ДВО" расход топлива ниже, т.е. экстремум более глубокий - истинный оптимум; а в районе обычных параметров оптимизация приводит к локальному экстремуму.

Схематически эти вывода изображены на рис. 5.3, поясняв, ¡м, что при невысоких КЩ старых турбокомпрессоров (и невысоком форсировании) "в районе ДВО" ^оть локальный экстремум. При новых ТКР о высоким КПД параметры, выбранные "в районе ДВО" обеспечивают меньший расход топлива, т.к. экстремум "в районе ДВО" из локального становится глобальным.

Критерием, по которому можно судить о целесообразности использования ДВО (критерием глобальности экстремума "в районе ДВО") является отношение ¡(»(р^/р,). При глобальным является экстремум, в

районе ооичюк величин параметров, а при х>1,05-1,10 глобальным является экстремум в районе величин пврметров £¿0. Для новых дизелей с охлаждением наддувочного воздуха, с большими КГШ ТКР и высоким форсированием, у которых х>1,1. можно рекомендовать выбор парметров, реализующих ДВО: раннее окончание впуска я повышенная степень сжатия в компрессора ТКР,

район ДВО район обычных величин

\ I I I I I I / 'и. и

НМТ Уа

Рис.5.3. I - при "низком* КПД ТКР (низкое рх/рт);

2 - при "высоком* КЦД ТКР (высокое рх^рт). У дизеля без охлаждения наддувочного воздуха схема внутреннего охлаждения оказалась неэффективной в исследованном диапазоне нагрузок (до р1»1,9 ИПа) и при КПД ТКР до 0.603. При очень высоком КПД ТКР ^^-0.782 двигатель с внутренним охлаждением имеет невольное преимущество. Например, при р^>1,8 КПа удельный расход топлива в ДЬО на I г/кВт'4 ниже» чем в обычном дизеле. Таким образом, причина эф-Сактивности ДВО, в основном, в более глубоком охлаждении наддувочного (и сжимаемого в цилиндре) воздуха. (Поскольку охлаждение постулате го в двигатель воздуха повышает КПД дизеля).

Таким образом, сравнение двигателя с внутренним охлаждением (ДВО) с обычным дизелем показало следующее, део имеет преимущество тогда, когда наддувочный воздух охлаждается и отношение давления после компрессора х давлешш перед турбиной ТКР больше 1.06 - 1.10. Наибольший аффект ДВО имеет при высоких КШ ТКР и форсировании по нагрузке. Основная причина меньшего расхода топлива ДВО состоит в уменьшения температур« воздуха на такте сжатия. Это уменьшение обусловлено не только внутренним охлаждением, во и повышением теплоот-вода от наддувочного воздуха вследствие роста

С позиций методики оптимизации вышеприведенное исследование

является демонстрацией ее эффективности. Действительно, как стало ясно после настоящего исследования, два варианта двигателя отличаются величинами всех варьируемых параметров, а по расходу топлива отличаются мало. Выяснить эти отличия без оптимизация практически невозможно: стоит неточно найти хотя бы величину одного варьируемого параметра, как выводы исследования изменятся на противоположные.

Данные публикаций диссертанта ([4.20 к др.] 80-89 годы) о преимуществе регулировки современных дизелей по схеме ДВО в 91-92 годах проверены и подтверждены НАШ (Экологический филиал НАЫИ, .лаборатория А.Б.Азбеля).

В бензиновых двигателях с искровым зажиганием схема Киллера позволяет при наддуве избежать детонации. В выполненных расчетах отсутствие детонации обеспечивалось именно таким ранним закрытием впускного клапане, что Гад- температура несгоревяей части смеси при максимальном давлении сгорания в цилиндре - соответствовала базовому ДВС. Согласно расчетам использование ТКР или волнового обменника давления в сочетании с ранним закрытием впускного клапана при отсутствии охлаждения наддувочного воздуха повывает КЛд и мощность на 5+вХ по сравнена с базовым Сезнаддувным ЛВС. Наибольший эффект наблюдается в диапазоне ^«1,75*2. Ори обычных для бензиновых двигателей наддувах 1^-1.2+1.4 эффект может быть незаметен.

В варианте с охлаждением наддувочного воздуха при g^ снижается на 81 (рас. 5.4). а рост мощности и р^^ продолжается, начиная с n^ol.6. во всем исследованном диапазоне величия наддува. Если с повышением впускной клапан закрывать ene раньше так, чтобы модность не возрастала, склонность к детонации и максимальная температура цикла понижаются. Последнее приводит к уменьшению выхода оксидов азота, а снижение склонности к детонации позволяет уменьшить этапирование бензина, т.е. имеется экологический эффект.

5.3. Двигатель с ТКР к силовой турбиной (СТ)

Оптимизация дизеля с силовой турбиней методически отличается, в основном, введением в число варьируемых параметров степени расширения газа в силовой турбине. Удельный аффективный расход топлива и среднее эффективное давление, • определенное с учетом мощности садовой турбины, здесь ж ниже обозначены: и рео.

Результаты оптимизации (см. рис. S.S) показывают, что у двигателя с СТ также как у дизеля с ТКР при p^^-lden, n«ldera существует оптимальный по эффективному КПД уровень форсирования. Оптимум расположен при средних эффективных давлениях ре существенно больших, чем оптимальные для дизеля с ТКР: удельный эффективный расход

iS5

LU W

U5

LOS

ft 15

1 Ф i i

• 7

/

i i

id 11

a

г.г

2.6

Рис. 5.4. Результаты расчете^ np* » ccnït

"Tma>

— -Ji

~ pifia jí

-я.

г/лвтч

г is

20$

ISS

m

its

US

-

------

—Чц— у/

as to

ÍA

a 2.1 2.£ 50 Pee tifia

PuC -~5. Результаты Оптимизаций диъ&ей с ТНР

fnepjuotmcOrii/J с ТНР и iei'muesmcpoju mepjuocmcpHUÙ с ТНР ¿i¡ ё^нтилЗтс/ал С силс&му туримой

термосгпсй/ч/й с Сил>£сй rryp<fu*ov </ fev/m/jrjsrrcpa*' тСрЛОСтайкаи с Aueêcîi /nyp£»at/ fc"mu*3rrrof>Cu-

GnnuumjcHj/,*- при ߣat a ¿SMlla, n = JSOOмин.'*, ■ ctAO. zpentm иФрдусочнсгс fcj^yja Jf> Ai*С.

й—Л x—*

0—0

Zi

топлива дизеля с СГ (ge0) близок к минимальному при рес-1,8-2.1 1Ша и при p^io НПа очень слабо изменяется в диапазоне 1.6-2,3 КПа. Также как у двигателя с ТКР рост р^ увеличивает пологость кривой g^

6. ОПТЮШАЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ НЕТРАДИЦИОННЫХ CXQ1 6.1. Двигатели с разделенным впуском и выпуском

^зособ работа четырехтактного двигателя с разделенным впуском предложен в изобр тениях Э.Герхт ж У.Г.Иаханько. Согласно способу на такте впуска через впускные клапаны в цилиндр засасывается атмосферный воздух. В конца впуска - начале сжатая в шштадр подается воздух, сжатый в компрессоре.

Этот вариант способа разработан для случая низкого наддува. В работе оптимизационными расчетами исследована ориентированная на средний и высокий наддув следувдая очевидная модаХнкашш способа. Первая часть наддувочного воздуха обычным образом из компрессора ТКР подается в цилиндр через впускные клапаны, вторая часть воздуха из компрессора ТКР поступает в приводной компрессор, где сжимается и подается в дополнительный впускной клапан. Последний открывается в конце впуска, что приводит к дозарядке цилиндра воздухом высокого давления.

Из фундаментальной моногрлЗДн профессора Ы.Г.Иаханько "Газотурбинные двигатели с разделенным выпуском газов" следует, что разделенный выпуск в двухтактных двигателях был предложен И.В.Свистуновым л 1.А.Курицам, а четырехтактным двигателям с разделенным выпуском кроме указанной монографии госвяцеш исследования Kumar Oiarma. В.Г.Дьяченко и Г.В.Зенкевича. А.В.Дмитриевского, фирмы "Потез". Схема разделенного выпуска рассматривается также в статье Я.М.Щеглова и патенте Э.Геркт.

Разделенный выпуск состоит в том, что в начале выпуска продукты сгорания высокой энергии вытекают при большом противодавлении в силовую турбину, расположенную до ТКР. В конце выпуска газы малой энергии через дополнительный выпускной клапан в обход силовой турбины поступают при меньшем противодавлении в турбину ТКР. У двигателей без силовой турбины раз/пленный выпуск осуществляется так: в начале выпуска газы высокой энергии вытекают в турбину ТКР. а последняя часть газ^в через дополнительный выпускной клапан направляется в атмосферу при малом противодавлении. Окончание выпуска при меньшем противодавлении улучшает очистку цилиндра, а у четырехтактных ДВС уменьшает и работу выталкивания, несмотря на большое противодавление начале выпуска.

Выполненные впервые расчеты двухтактного дизеля с разделенным

выпуском показали сладущее. Разделенный выпуск позволяет двухтактно-

22

ну ЛВС даже малой и средней мощности работать с силовой турбиной. За счет использования силовой турбина КПД повышается на величину до 4,251. В четырехтактных ЛВС наиболее эффективным оказалось применение разделенного выпуска в сочетании со схемой Миллера в двигателях с принудительным восплакенэниэм. В варианте без силовой турбины (по сравнению с двигателем, работавшим по схеме Миллера) разделенный выпуск снижает ^ на 4,6* и одновременно существенно повывает мощность.

Работа над двигателями с разделенным выпуском привела к конструктивно более простому варианту ЛВС (положительное ресекие по заявке 4796343/06 от 23.02.90), описываемому ниже.

6.2. Двигатель с открытым окном в гильзе (ДОГ)

В рассмотренных виге двигателях с разделенным выпуском, а также в глде изобретений предусмотрен выпуск как через клапаны, так и через окна в гильзе. Во всех предложенных конструкциях выпускные окна в гильзе открывается вблизи К*Т выпусха. Вблизи М1Г впуска окна закрывается клапанами ели золотником. Механизм закрытия окон усложняет конструкции.

Вместе с тем, если окна нэ закрывать, а оставить открытыми на тактах вцуска-сжагия, то показатели ряда двигателей не снизятся. Более того, улучшится продувка цилиндра. То есть, ликвидация механизма закрытия окон в ряде случаев полезна и делает реальным осуществление, так сказать, двойного газораспределения - через клапаны в головке и окна в гильзе.

Предлагаемой вариант четырехтактного двигателя с постоянно открытыми (или нэзакрываемыми вблизи НМГ впуска) окнами в гильзе будем кратко называть "двигатель с окном в гильзе" - ДОГ.

6.2.1. Простейшая схема ДОГ '

р Рассмотрим работу ДОГ с ТКР. у которого на больших нагрузках |р>1. На такте расширения (рис. ВЛ) выпускные газы через окна 2 н твнпускные клапаны I по трубопроводам 5 и б поступают в турбину ТКР. Использование для выпуска дополнительных про'.одннх сечений окон в гильзе облегчает выпуск и повышает КГЫ.

Воздуг из компрессора ТКР подают в цилиндр через впускной клапан 7. В конце такта впуска (рис. 6.2) поршень вновь открывает окно 2 в гильзе. Поскольку на больших нагрузках давление в цилиндре выше, чем в выпускном трубопроводе 6, воздух вытекает в него из цилиндра через окно 2 н трубопровод 5. Движение воздуха, т.е. продувка, на рис. 6.2 показано стрелкой. Продувка снижает тепловую

Ьыпусн

Процессы при

Ьпаск

0_с

С

5 У

Л

Рис. 6.2

напряженность шшшдро-порсшеэой группы, турбины и др. деталей, а такте позволяет уменьшить рг_ах<

На пусковых режимах, холостом ходу и малых нагрузках давление в цилиндре в конце впуска ниже чем рт. Поэтому при положении порвшя вблизи НМТ впуска выпускные газы из выпускного трубопровода поступают в цилиндр через окно 2. Это пригодит к повышению массы, давления и температуры газа в цилиндре, что облегчает пуск.

В рассматриваемых ДОГ окно в гильзе увеличивает проходное сечение для выпуска газов, что повышает КПД. Одновременно наличие окна уменьпаег обьем. следовательно, и массу свежего заряда, что снижает мощность двигателя. Продувка вблизи ЮТ впуска влияет на КПД двояко. Слабое положительное влияние связано с понижением температуры воздуха в цилиндре, улучшением наполнения, уменьпением массы остаточных газов. Отрицательное влияние обусловлено затратами энергии на продувку л снижением температуры газов перед турбиной. С повышением КГЩ и форсирования двигателя (с повышением рк/рт) можно ожидать снижения потерь энергии при продувке равдой массы воздуха. При прочих равных условиях, вкл—чая одинаковое окно в гильзе, с повышением частоты •• вращения коленвалв масса продувочного воздуха уменьшается, а влияние облегчения выпуска на КДД возрастает. (С повышением частоты вращения уменьэается и доля еыпускных газов, выходящих в окно.) Взаимодейст-. Еие этих факторов и определяет показатели ДОГ.

Компьютерные рассчеты ДОГ с ТКР позволяют описать особенности его работы при (рк/рт)>1. (В описании, приводимом далее, под низкими (рк/рт) понимаются (р1С/рт)> незначительно превышающие единицу, а высокие (ркУрт) соответствуют перспективным ДВС с высоким КДД ТКР и форсированием.)

а) Без снижения эффективных мощности и КОД при неизменном удается осуиествить продувку до 0-10-13». .(Масса воздуха, проходящего через цилиндр и окно вблизи ШГ впуска составляет 10-131 массы воздуха, поступившего в цилиндр.) До 13-23* продувку можно довести без снижения эффективного расхода топлива и с незначительным снижением мощности. Большие числа соответствуют высоким (рк/рт), меньшие - низким.

б) Небольшое (1,5-5*) увеличение и^ в ДОГ позволяет восстановить р0ах и мощное л до уровня базового двигателя. С использованием такой компенсации потерь мощности продувку в ДОГ без снижения мощности и . экономичности можно довести до 15-16* при НИЗКИХ (рк/рт) и до 35-42* при высоких. . ■'.?'.

в) При рассматриваемых размерах окон температура газов перед турбиной в ДОГ на 40-180° ниже, чем в базовом дизеле. Расходы

выпускных газов, выходящих в окно и выпускной клапан сравнимы. Последнее существенно снижает теплонапряжениость головки цилиндров и затраты энергии на выпуск.

г) При неизменных размерах окна, ic^ и прочих равных условиях с ростом частоты вращгшя продувка уменьпается, и на очень высоких частотах вращения продувка практически прекращается (несмотря на открытое окно), а выпускные газы еыходят через окно в относительно мен'нем, но сравнимом с выпуском через клапаны количестве.

Снижение теплонапряженности головки (происходящее как от уменьшения потока выпускных газов через клапаны, так и от продувки, можно оценить величиной 10-40%, а снижение теплонапряжекности поршня - величиной 5-20S. Поэтому ДОГ, прежде всего, стоит применять на двигателях, у которых повышение мощности лимитируется теплонапря-женностью головки и турбины ТКР. В таких дизелях ДОГ по сравнении с базовым двигателем может иметь pf на 10-40* выще. Учитывая, что ДОГ сложнее обычных ДВС, схему ДОГ стоит использовать или на высоких частотах вращения или тоги, когда продувка превышает 15-205, т.е. при (рк/рт)>1,25. При (рк/рт)>1,4 использование ДОГ рационально и тогда, когда по теплонапряженности лимитирушим является пораень.

Снижение теплонапряженности можно использовать не только для повышения мощности. При постоянной мощности сни~ение теплонапряженности можно использовать для повшзения надежности, снижения мощности вентилятора (это незначительно повышает показатели), уменьщения габаритов двигателя и системы охлаждения. Последнее при (рк/рт)>1,4 в совокупности с теплоизоляцией или термостойкое! деталями мо..эт быть столь существенным, что стоит исследовать замену обычного охлаждения внутренним, осуществляемым продувкой.

При фиксированной потребности в мощности ДОГ более чем на 5-20% меньше обычного дизеля. . Это уменьшение перекрывает вес, габариты и стоимость трубопроводов, связанных с окном.

6.2.2. Другие варианты ДОГ

Оптимизировался вариант • ДОГ, отличашийся от рассмотренного выше тем, что имеется также впускное окно в гильзе, которое золотником открывается на тактах впуска-сжатия. При очень высоких средних скоростях поршня этот вариант обеспечивает снижение расхода топива до 10%.

Были рассмотрены и другие варианты ДОГ. Например, вариант, в котором на больших нагрузках для улучшения продувки, снижения %к и улучшения охлаждения часть газов из окна направляется на турбовенти-лятор, а на средних нагрузках выпускные газы и воздух из окна вмес-

те с выпускными газами из выпускных клапанов направляется в турбину. Турбовентилятор осуивствляет охлаждение наддувочного воздуха. В другом варианте связанные с окном золотник на тактах расширения выпускные газы направляет на турбину ТКР, а вблизи КМТ тактов впуска- сжатия продувочный воздух направляется в турбовентилятор и др. варианты.

Часть результатов исследования нетрадиционных ЛВС приближенно представлена в табл.6.1

Таблица 6.1

Повышение КЩ (мопности), *

Дизель Бензиновый ЛВС

тактн. 2х 4х ® Н •Рвах" 1йео)

схема 2х • 4 4х(Т. -1йет) ад

м 1 0 : 1,5 1 6 6 6(3) , 8(42)

ст 5 1 5 - - _ | _ 1

М*СТ 1 5 1 5 1 II 13 11(4.5)'|14(19)г

Р о ! о - 1 з от! " - - 1

Н+Р 1 0 . 0 1 II ! " 14(62)3[14(84 И

Р+СТ - ! 4 5 5 9(32)! " — 1 -

ы+р+ст 1 5 5 — 1 - 25(66)6132(125)6

дог 1 - ,11(15) 1 — 1 - - 1 _

ПК 1 ~ 0 1 пк+м» 0(2 )7 - ; о(зз)3

РВП 1 ...... 1 " ■ 0 1 —.....1 — . . _ 1 _

Ы-схема Киллера, СГ-с силовой турбиной. Р-разделенный выпуск. ДОГ-дзкгатель с окном в гильзе, ПК-с приводным компрессором, РВП-разделеншй впуск. Лизе ль и 2х-тактный бензиновый ЛВС сравниваются с их наддувными вариантами, 4х-тактный бензиновыйс безнаддувным вариантом. "ПК" и "РВП" - рассмотрены на стационарном режиме. В каждой графе пунктирная линия разделяет варианты везОНВ (слева) и с ОНВ (справа).

Повышение ртах; 1-34*; 2-8%; 3-42Х; 4-62Х; 5-335; 6-68*.

7-Снижение Т.. на 87°. од

6.3. Однопоршневой свободнопоршневой двигатель (ОСЦД) [12, 22, 23, 30]

Созданием ОСПД занимались П.К.Морозенко, М.Д.Апашёв, В.П.Демидов, И.Ф.Куянов, Д.Г.Крупский, В.Д.Велиев, Е.В.Орловская, а также другие отечественные.и зарубежные специалисты. Один из возможных простейших вариа°тов ОСПД изображен на рис. 6.3, имеются и другие варианты [22,

23]. Вши созданы математические модели (с учетом одномерного и двумерного дегакекия газа по С.К.Годунову) и программы расчета ОСПД. Расчеты показали работоспособность простейшего варианта ОСПД и подтвердили противофазность движения пориия и цилиндра. Движение (так сказать, "отдачу") цилиндра при движении порам можно использовать для забивания свай и т.п.

В дизель-молоте движение пораня вниз происходит под действием веся, в в ОСПД движение полдня как вверх так п вниз происходит под действием очень высокого давления газов. Поэтому использование ОСПД повышает частоту ударов на 1-2 порядка или все сильнее. Креме того, удар (цилиндра) OCIU мягче, чем у дизель-молота.

Ose более перспективно использовать ОСПД как дизель-ко.ч_грессор. Для этого в одну из его полостей топливо не подается и эта компрессорная полость снабжается клапаном (put Ь ч).

==о

выпуск

и

I

г &1УСК

Рис. 6.3.

Рис.6 ь.

7. ВОЛНОВОЙ ОБМЕННИК ДАВЛЕНИЯ (ВОД) [9, 18, 19]

В ВОд газы (продукт-!) сгорания высокого давления (ГВД) движутся вдоль ячейки - вдоль оси ротора, сжимая и выталкивая воздух высокого давления (ЕВД). При атом ГВД расширяются, становятся газами низкого давления (ГЦЦ). Последние вытекают через торец ячейки, т.е. опять движутся по длине ячейки. Вытекание происходит под действием малого перепада давления, что в сочетании с малым проходным сечением торца

ячейки удлиняет никл, следовательно, н габариты ВОД.

Высота ячейки (по радиусу) кеньее, чем ее длина. Поэтому рационально отводить ГНД как в осевом (см. стрелку I рис. 7.1.а), так и в радиальной 2 направлении. Радиальный отвод через больное окно 3 в боковой поверхности 5 корпуса повышает КПД веиду снижения сопротивления вытеканию ГНД и резко сокрааает длительность газообмена, что уменьшает габариты ротора ВОД. Аналогично действует радиальный подвод в ячейку свежего воздуга по короткому пути - через полую ось - рис. 7.1.6. Радиальному газообмену способствуют и центрооекныэ силы. Такой ВОД можно назвать радиально-осевым (19).

Предложен токзсе кск$узорниа ВОД, у которого уменьшение диаметра ВОД го ходу ГВД повышает давление генерируемого воздуха высокого, давления (ЬЬЛ) (I8J. Данный ЗОД по а.с. I44IC84 изготовлен в НАМИ. .

По мере вытекания ЕВД из окна ВОД давление воздуха падает. Поэ-ому имеется возможность получать от ВОД и направлять в ДВС наддувочный воздух двух давлений. Последнее создает возможности улучшения впуска ДВС. охлаждения наддувочного воздуха, а также регулирования наддува 126).

выводы

1. Записан строгий вкеод нескольких форм уравнения 1-го закона термодинамики для процесса сгорания внутри цилиндра. Уравнение позволяет перейти от рассмотрения горения как внешнего подвода теплота (равной назпей теплоте сгорания) к расчету горения в цилиндре. Разработаны математическая модель и комплекс программ ЭВЫ'для рас-г^та рабочего и ела ДВС.

2. С помоаью 'модели исследована организация рабочего цикла, в частности, причины влияния охлаждения поступающего в двигатель воздуха на показатели цикла. Показано, что одна из причин роста р^^ с охлаждением состоит в еле душем. Возрастает- масса воздуха в цилиндре. В условиях a=ldem это повышает массу сгоравдего топлива, следовательно. ртд1- Повышение индикаторного КПП при охлаждении воздуха, в основном, связано с уменьшением теплоотдачи.

3. Созданы методика, алгоритм и программы оптимизации рабочего цикла ДВС. Программы позволяют оперативно и гарантированно находить оптимальное сочетание всех варьируемых параметров (a, е, *тс, фаз газораспределения и др.), при котором выполняются все заданные ограничения (на тепловую напряженность. pmqT и т.п.), а расход топлива минимален. С помощью программ оптимизации выполнены практические работы по выбору параметров многих дизелей, что принесло экономический эфЗЕект, приближающийся к миллиону рублей.

На сравнительной оптимизации различных конструкций дизелей при строго одинаковых ограничениях базируются а выводы, изложенные ниже.

4. При одинаковом ограничении на рта1 и п-=согт существует оптимальное по КПД форсирование двигателя. Например, при ртаз«13 МПа, п-1800 мин'1 минимум расхода топлива наблюдается при рв»1.2 «Па. При недостаточном форсировании (ре<0,95 Ша) также как и при перефорсировании (рв>1.4 МПа) ^ возрастает.

При заданной литровой модности в рта1 существуют оптимальные рв

и п.

5. Рассмотрено Сездетонационное форсирование бензиновых ДВС наддувом. С использованием схемы Миллера эти ДВС форсируются также кем дизели: повшение могзгости ограничено не детонацией, а прочностью ДВС и возможностями ТКР. При этом КПД повышается на 5-8»

и более. Если закрывать впускной клапан еве рачьсэ, чем это нужно для предотвращения детонации, то без понижения модности (по сравнению - базовым ДВС) можно снизить максимальную температуру цикла, следовательно выход оксидоз азота. Уменьшение склонности к детонации позволяет рассмотреть возможность перехода на неэтилированный бензин.

Регулировка дизеля по схеме Киллера рациональнв тогда, когда , наддувочный воздух охлаждается и ' отношение давления после компрессора к давлению перед турбиной ТКР больпе 1,1. Эффективность схемы повышается при возрастании КПД ГКР я форсирования. Основная причина меньшего расхода топлива состоит в уменьшении температуры на такте сжатия. Это уменьсение обусловлено не только внутренним охлаждением, во и поколением глубины охлаждения наддувочного воздуха вследствие роста ч^.

6. РазделЗнньЛ выпуск в двухтактном дизеле способен повысить КПД на 4.25».

В четырехтактных двигателях с ГКР в принудительным воспламенением разделенный выпуск снижает расход топлива на 4-4,6». В вариантах разделенного выпуска в дополнение к снижению ^ на 4,6» возможно большое увеличение мощности.

7. На стационарном режиме дизель с ТКР имеет более высокий КЦД по сравнению со всеми вариантами дизелей с ТКР и приводным компрессором (ПК), включая варианты с охлаждение?' воздуха до и после ПК и вариант разделенного впуска.

8. Предложены конструкции четырехтактных двигателей с окном в гильзе и неординарно высокой продувкой. Простейшая из конструкций - двигатель с постоянно открытым окном в гильзе - ДОГ -позволяет без снижения экономичности довести продувку до 15-42» и вдвое снизить массу продуктов сгорания, проходящих через выпускной

клапан. Это позволяет суде с эенно снизить теплонапряженность или при той же теплонапряжекяости увеличить мощность.

ДОГ имеет резко улучшенные пусковые качества. При очень высоких средних скоростях поршня экономичность ДОГ на 103 вкяе. чем в традиционных ЛВС.

Выполнены газодинамические расчеты однопорпевого свободно-поршневого дизеля С^СПД) и волнового обменника давления (ВОД), пред-логэны и защищены авторскими свидетельствами ВОД с более высоким ШЩ и существенно -еньними габаритами. Предложено использовать ОСЦД как компактный высокочастотный дизель-молот и как дизель-компрессор.

ЛИТЕРАТУРА

1. Емудяк Л.М., Никитин B.U. Методика поиска рационального закона тепловыделения на математической модели рабочего процесса ДВС.-Известия вузов. Машиностроение, 1977, JH, C.IIS-II9.

2. Ховах М.С., Ройфбарг З.М.. Болтов А.Т., Юаудяк Л.М. И др. К аналитическому поиску от сального рабочего цикла дизеля на ЭЦВМ. -Всесоюзная научная конференция "Рабочие процессы в двигателях внутреннего сгорания",1-3 февраля 1978, M., 1978 (тезисы докладов),С.6-7.

3. Ховах М.С., Ройфберг З.Ы., Болтов АЛ., Емудяк Л.М., Никитин B.W. К аналитическому поиску оптимального рабоч-го цикла дизеля на ЭЦВМ.-Труда МАЛИ. Автотрш.торные двигатели внутреннего сгорания, вып.178, M., 197Э, С.4-9.

4. Хова1 М.С., Ройфберг З.М., ЕМудяк Л.М., Болтов А.Т., Ицекзон Р.Х. Некоторые результаты с-атикизашм рабочего цикла дизеля ja его аналитической модели с помощью ЭВМ.-Тезисы докладов всесоюзной научной конференции "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и топлив".-М., МВТУ им.Баумана.-1980.-C.II7-II8.

5. Хмудяк Л.М. Критерий ошибочности алгоритма, программы и расчета рабочего цикла ДВС.-Двигателестроение. -I9Ô0. -JM. -С.8-10.

6. ймудяк л.М. Общий подход к оптимизации дизеля на его математической модели.-Двигателестроение.-I98I.-* 3.-С.3-10.

7. Нмудяк Л.М. Методика оптимизации рабочего цикла дизеля на его математической »одели.- Двигателестроение, 1981, t 4, C.9-II.

8. Кмудяк Л.М. Некоторые результаты оптимизации рабочего гжла дизеля на его математической модели.-Двигателестроение, 1981, * 5, С.6-9.

9. Волновой обмэнник давления./Я.С.Бендер, Л.М.Жмудяк, Алт.политехи.ИН-Т (CCCP).-A.C.7I58I5 СССР, МК'* КЛ.гГО2 ВЗЗ/42.-* 2654887/25-06; заявлено 31.07.78. опубл.22.10.79.

10. Гидросиловая установка./И.Л.ВаршавскиЯ, Я.С.Бендер, Л.М.Емудяк. АЛТ .ПОЛ:техя. 1Ш-Т. (СССР).-Л'.С.964195 СССР. ШШ КЛ3 Р 01 С 7/00.» 2701837/25-06; заявлено 21.12.78, опубликовано 07.10.82.-БЮЛ. Л 37.

11. Гидросиловая установка./И.Л.Варшавский, Емудяк Л.М. (СССР).-A.C.I26I2I2 СССР. МКИ В 63 Н II/04, 11/14, 01 С 7/00.-J» 3617634/27-11; заявлено 30.06.83. опубл.1.06.86.-Бел.* Зв.

12. Ройфберг З.Ы., Хмудяк Л.М., Ицекзон Р.Х. и др. Параметры порсневого генератора газа порлнетурбинного двигателя. Всесосзн.мехвуз.киф."Газотурбинные установки". Тезисы докладов, 22-24 ноября IS63 г.-М., МВТУ им.Н.Э.Баумана. 1983.-С.170

13. Рой$йерг З.Ы., гмудяк Л.И.. Корсаков K.D., Ицекзон Р.Х. Оптимальная по gg форсировка двигателя. Всесовзн.научи.конф. "Проблемы совэрсенствования рабочие процессов в двигателях внутреннего сгорания" 4-6 февраля 1986 г. Тезисы докладов.-Ы., ЫАГ'. 1966.-С.102-103.

14. Емудях Л.М. Опглкзационные расчеты дизеля с разделенным выпуском. Всесовзн.научно-техническая конф. "Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах." Тезисы докладов. 23-25 сентября 1337 г./Под ред.Н.Г.Круглона.-.Ч.. МВТУ им.Н.Э.Бзумана, I987.-C.41-42.

15. 2<удяк Л.М. Причины повышения максимального давления сгорания при охлаждении наддувочного воздуха.-Дзигателестроение, 1968,* 2, с.46-47, 60.-Библиогр.: С.60 ( 3 назв.).

16. ЕХудяк Л.И. Зависимость оптимального форсирования дизеля от ршах и КПД турбокомпрессора.-Двигателестроение, 1988, * 12, C.8-I0.-ГЛлиогр.: с.10 ч'.' назв).

17. йсудяк Л.М. Причины повышения КПД ДВС при уменьшении температуры воздуха на впуске. - Двигателестроение, 1989, Л I, С.9-11,19. -Библиогр.: с.19 (5 назв.).

18. Волновой обнешшх давления/ ХЫудяк Л.М. (СССР).-А.с.1441084 СССР, ШСИ Р 04 PII/02.-JS 4225124/25-ое: заявлено 06.02.87, ОПу<5л.30.Н.88.-Бш. * 44.

19. A.c. 1655173 СССР МКИ ? 04PII/Q2. Волновой обменник давления. Алт.политехи.кн-т. -Е<удяк Л.М.i JM190828/25-06 Заявл. 06.02.87. Опубл. 08.02.91. Бил. изобретений A2I.

20. Жмудяк Л.М., Ицэкзон Р.Х., Стерлягов С.П., Зацепина О.Н. Двигатель с внутренним охлаждением.-Двигателестроение, 1989, А 5, С.6-9, 16,- Библиогр.: С.16 (10 назв.).

21. Емудяк Л.М. Разделенный выпуск в дизеле со свободным турбокомпрессором .-Двигателестроение, 1989, * 6, С.3-7. -Библиогр.:С.7 (10 назв.).

22. Свободнопоршневой двигатель./В<у дяк Л.Н.. Алт.политехи.иь-т (СССР4.-A.C. 1455009 СССР. МКИ Р 02 В 71/00.-* 3712263/25-06; заявлено 26.03.84; опубл.01.10.88.

23. Свсхщнопоршневой генератор газа/ КМудяк Л.Ы. (СССР).-A.c. (SU) 150600t (СССР). и<КИ Р 02 В 71/00.-* 3752801/25-06; заявлено 11.06.84. опубл.15.09.89.- Вюл. * 34.

24. Комбинированна двиг-тель внутреннего сгорания. A.c. 1665060 CJCP. ШШ Р 02 М 25/10 /Варшавский И.Л.. Лернер И.О.. Ханин Н.С., Аршинов Л.С.. Хмудяк Л.П.. Татевосян Л.К. (СССР).- ¿4423680/25-06. Заявл. 12.05.88. Опубл. 23.07.91. БВЛ.Д27

25. Хмудяк Л.II. Варианты дизель-молота и волновых обмешвгэв давления// Газотурбинные к комбинированные ''~гановки: Тез.докл.всесооза. мехвуз.конф. 19-21 ноября 1991г/ЫГТУ им.Н.Э.Баумана.- П.. 1991.-

С. 125-126.

26. Двигатель внутреннего сгорания. A.c. 1790269 СССР. Ы.кл. Р02В 33/42. Л.(I.Хмудяк - JM395746/06, Заявл. 21.03.88,Опубл. 22.09.92.

27. Волновой детандер. A.c. 1790276 СССР. Ы.кл. Г02В 33/42, Л.М.Хмудяк - JM432029/06, Заявл.13.04.68. Опубл. 22.09.92.

28. Головка цилиндра. A.C. 1638342 СССР. МКИ Р 02 Р 1/24. Л.С. Apr шов, Л.Ы.Емудяк, А.В.Литинецкий, Н.С.Ханин - JM680378/06. Заявл. 18.04.89. Опубл. 30.03.91, Бел. *12.

29. Кмудяк Л.И. Оптимизация рабочих процессов дизелей и перспективных двигателя на ЭВМ: Учебное пособие.-АГТУ. Барнаул, 1992.-99с.:ил.

30. Расчет "вободнопоршневого двигателя с применением газодинамики. //Абрамов Е.Г., Хмудяк Л.Н. Совершенствование быстроходных дизелей: Тез. докл. Иеждунар. науч.-тех. конф., Барнаул.-1993.-С. 16-17.

31. Уравнение первого закона термодинамики для расчета ЛВС.// Хмудяк Л.М.'Совершенствование быстроходных дизелей: Тез." докл. * Мекдунар. науч.-тех. конф., Барнаул.-1993.-С. 31-32.

32. Жданов Б.П.. Хмудяк Л.М., Яушев И.К. Расчет течения газов в волновом обменнике давления//Газотурбинные и комбинированнные уста-новки:Тез.докл.всес.науч.ковф.,17-19 ноября 1987г./МВТУ им. Н.Э. Баумана -М., IJ87.-С.175-176.