автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение технико-экономических показателей двигателя постоянной мощности с газотурбинным наддувом путем настройки впускной системы

Р Г 5 Olí

На правах рукописи

О 7я f < Л ^ V • •

л з Írjií

Брякотин Максим Эдуардович

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ ПУТЕМ НАСТРОЙКИ ВПУСКНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.04.02- тепловые двигатели

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 1996

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннее сгорания" Алтайского государственного технической университета им. И.И. Ползунова и АО "Алтайдизель".

Научный руководитель -Научные консультанты -

Официальные оппоненты -

■ Г';:

Ведущее предприятие

доктор технических наук профессор Д.Д. Матиевский

кандидат технических наук профессор Л.В. Нечаев;

кандидат технических наук, доцент В.М. Никитин

доктор технических наук профессор Л.М. Жмудяк;

■с ; I

,.кандидат технических'наук, зам, гл. конструктора АС "Алтайдизель" Г. С: Шаталов

АО "Барнаултрансмаш"

гг

года н

Защита диссертации состоится 1996

. часов на заседании диссертационного совета Д 064.29.01 пр* Алтайском (государственном техническом университете I конференц-зале (656099, г. Барнаул, пр. Ленина 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ.

Отзывы на автореферат в' двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять до указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан " " Я_ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 064.29.01

д.т.н., профессор В.А. Синицын

ОБЩАД ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Общей устойчивой тенденцией развития и совершенствования дизельных двигателей в качестве силовой установки машинно-тракторных агрегатов является увеличение мощности и • повышение эффективности ее использования в условиях эксплуатации.

Внедрение в дизелях турбонаддува создает предпосылки для разработки. : двигателей с регулирующими свойствами, аналогичными свойствам автоматических бесступенчатых трансмиссий. Совместное управление давлением наддува и тспливоподачей позволяет спроектировать характеристику дизеля, близкую к идеальной транспортной характеристике. Наиболее полно удовлетворяют указанным свойствам так называемые дизели постоянной мощности (ДПМ).

, Значительная часть ДПМ разрабатывается на базе серийно выпускаемых двигателей с турбонадцувом, что дает возможность выпускать ДПМ в условиях сложившегося производства, однако при этом возникает ряд проблем, в частности проблема регулирования давления наддува (подачи воздуха). Резкое падение коэффициента избытка воздуха с понижением частоты вращения коленчатого вала, характерное для дизелей со "свободным" турбокомпрессором, связанное с увеличением "подачи топлива при работе на корректоре, вызывает ряд негативных явлений в осуществлении рабочего процесса. Прежде всего, это увеличение неполноты и несвоевременности сгорания и как следствие снижение индикаторного КПД, а также, увеличение дымности и токсичности отработавших газов. Кроме того, в связи с увеличением средней температуры цикла увеличивается теплонапряженность деталей дизеля. Известные устройства управления давлением наддува достаточно сложны и малонадежны.

Представляется целесообразным для обеспечения приемлемых параметров воздухоснабжения по скоростной характеристике ДПМ использовать совместно с турбонадцувом волновой наддув (ВН).

По ВН накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал. Однако задача выяснения его возможностей и особенностей в сочетании с газотурбинным наддувом (ГШ) для создания дизеля постоянной мощности окончательного разъяснения не нашла.

Цель работы. Повышения технико-экономических показателей дизелей моторно-трансмиссионных установок, работающих в режиме ДПМ, за счет применения

1

комбинированного наддува и исследование специфических особенностей рабочего процесса на корректорном, участке внешней скоростной . характеристики дизеля с. высоким коэффициентом запаса крутящего момента;

Объект исследования. Исследования проводились на дизелях 6ЧН 13/14 (Д461-10) и 44Н 13/14 (Д440-2) производства АО. "Алтайдизель" с серийными и опытными системами впуска.

Методы исследования состояли в сравнительном анализе совокупности статических скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля при различной комплектации системы волнового наддува, варьировании фазами газораспределения, углом опережения подачи топлива и уровнями мощности. Регистрировались: индикаторная диаграмма, диаграмма колебаний давления перед впускным клапаном первого и третьего цилиндров и в точке подключения к турбокомпрессору, Анализ составляющих индикаторного и эффективного КПД . проводился методами, предложенными Д.Д. Матиевским, В.К. Нечаевым, И.Ф. Ефремовым. Численный анализ наполнения проводился по методике моделирования физических процессов, разработанной профессором P.M. Петриченко , по специально, . созданной программе. .

Научная новизна работы состоит вь„том,. что впервые проведены комплексные исследования , шести- .и четырех— цилиндрового двигателей с. комбинированным наддувом, предназначенных для работы в режиме ДПМ. Разработана и исследована система волнового наддува, работающая совместно с газотурбинным наддувом, подтверждена возможность, улучшения показателей быстроходного.дизеля в широком диапазоне режимов работы, оценено влияние предложенной системы на индикаторные, эффективные, тепловые и экологические показатели работы двигателя, рассмотрены возможности дальнейшего совершенствования подобных двигателей с комбинированным наддувом.

Практическая ценность определяется разработкой мероприятий и рекомендаций по созданию ДПМ с улучшенными характеристиками воздухоснабжения на базе серийных дизелей с газотурбинным наддувом, обладающих расширенным диапазоном запаса крутящего момента, лучшей экономичностью, умеренной теплонапряженностью и работой турбокомпрессора в зоне высоких КПД. Применение волнового наддува совместно с газотурбинным позволяет создать ДПМ с меньшими затратами материальных средств и высокой надежностью. Практические . результаты стендовых испытаний

позволили выявить необходимые конструктивные изменения опытных образцов двигателей Д461-10, Д440-2 АО "Алтайдизель".

Апробация работы. Основное содержание работы и ^ее результаты докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок", ЦП ВНТО им. академика А.Н. Крылова, г. Ленинград, 1990 г.; 12-ом Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Рабочий процесс, теплообмен в ДВС и теплонапряженность их деталей",. ЛГТУ, г. Ленинград, 1991 г.; Международной научно-" технической конференции "Совершенствование быстроходных дизелей", АлтГТУ,- „г., Барнаул, 1993 г.; 5-ом научно-практическом семинаре . "Совершенствование мощностных, экономических: - и экологических показателей ДВС", ВГТУ, г. Владимир, 1995 г:; ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава университета, АлтГТУ, г. Барнаул, 1990-1996 г.г.; научно-техническом совете АО "Алтайдизель", г. Барнаул, 1996 г.

Реализация работы. Результаты работы переданы в виде научно-технического отчета заводу АО "Алтайдизель" и используются в работах по дальнейшему совершенствованию выпускаемых дизелей (ДПМ), а также при проведении научных исследований и в учебном процессе кафедры "Двигатели внутреннего сгорания" АлтГТУ им. И.И. Ползунова.

Публикации. Основнье положения и результаты работы опубликованы в 7 печатных работах и научно-техническом отчете. Получено одно авторское свидетельство и один патент на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложения. Работа содержит 110 страниц основного текста, 5 таблиц, 45 рисунков, перечень литературы в 100 наименований и одно приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, излагаются положения, выносимые автором на защиту, раскрываются научная новизна и практическая ценность работы.' . ч

В первой главе проведен анализ формирования скоростной характеристики двигателя с. точки зрения потребителя мощности двигателя. Отмечено, что дизельный двигатель не обладает необходимыми свойствами саморегулирования (аналогичным, например, свойствам паровой машины) в силу Особенностей системы

питания топливом, воздухоснабже ния и регулирования, а характеристику возможно приблизить" 1< желательной только путем внешнего воздействия на цикловую подачу топлива и воздуха.

Улучшение регулирующих свойств дизеля стало возможным благодаря разработке концепции ДПМ. Применение ДПМ обеспечивает более полное использование корректорного участка характеристики дизеля.

Рассмотрены следующие аспекты формирования статической внешней скоростной характеристики ДПМ: определение точки перехода с регуляторной на корректорную ветвь и оптимизация регуляторной ветви с учетом условий эксплуатации; диапазон изменения кутящего момента по частоте вращения, характеризуемый коэффициентом снижения частоты вращения Кп; влияние величины коэффициента запаса крутящего момента на тяговые свойства машинного агрегата; форма кривой крутящего момента.

Выделены недостатки, присущие ДПМ, главные - из которых: сохранение нелинейности перехода с регуляторной на корректорную ветвь характеристики; заметное снижение средней скорости движения машинного агрегата вследствие интенсивного использования корректорного участка; отсутствие запаса по мощности по сравнению с традиционной системой загрузки дизеля.

Рассмотрены основные ограничения, которые возникают при создании ДПМ на базе обычного дизеля, главными из которых являются тепловая и механическая нагруженность основных деталей двигателя на режиме максимального крутящего момента.

Проведен анализ подходов к определению характера подачи воздуха и топлива в ДПМ, отмечены трудности, связанные с подбором устройств, обеспечивающих подачу воздуха в соответствии с подачей топлива по скоростной характеристике.

• Сделан анализ способов формирования законов подачи воздуха ДПМ. Из рассмотренных способов выбран комбинированный наддув (волновой плюс' газотурбинный наддув) в качестве основного способа наддува в данной работе. Результаты известных исследований комбинированного наддува показывают большие потенциальные возможности "настроенных" впускных систем по корректировке воздухоснабжения ДПМ с газотурбинным наддувом, а также достаточно экономически оправданы ввиду простоты конструктивного исполнения и исключительной наде;кности (нет движущихся и трущихся деталей). ■

• Проведен сравнительный анализ двух известных типов "настройки" впускных систем: индивидуальная и объединенная впускные -системы. Отмечено, что в рассматриваемом диапазоне

частот вращения (1100-2000 мин"1) объединенная "настроенная" система более компактна и, как показывают предыдущие исследования таких систем на безнаддувных двигателях, выполненные на кафедре ДВС АлтГТУ, характер изменения расхода воздуха и насосных потерь по скоростной характеристике благоприятен для применения ее на ДПМ.

В заключении первой главы сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому поиску путей повышения топливной экономичности дизеля постоянной мощности с газотурбинным наддувом и анализа возможности их реализации использованием волнового наддува.

С этой целью выполнен теоретический анализ составляющих индикаторного и эффективного КПД и выявлены резервы по улучшению протекания внешней скоростной характеристики ДПМ. Постатейный анализ коэффициентов неиспользования теплоты и механических потерь в цикле позволил выявить степень значимости процессов, формирующих отдельные стадии подготовки и преобразования располагаемой теплоты сгорания топлива в полезную механическую работу в их развитии.

Основное анализируемое уравнение представляет баланс теплоты в виде:

г)е= Цг - £5; - £/м,

где ЛхНГ1 - потери энергии от химической неполноты сгорания топлива; 25; — сумма коэффициентов неиспользования теплоты в цикле, которые подробно рассмотрены в работах Д.Д. Матиевского; Ши — сумма относительных потерь теплоты на работы механических потерь. Результаты расчета составляющих 25,- и Е/м по скоростной характеристике представлены на рис. 1.

Из рис. 1 видно, что главным фактором уменьшения индикаторного КПД с падением частоты вращения является рост коэффициента неиспользования тепла вследствие теплообмена обусловленный увеличением количества отведенной теплоты (и 20 %) из-за увеличения как времени теплообмена, так и усиления отвода теплоты в районе Е&МТ из-за раннего угла опережения впрыскивания топлива 0, а гакже роста несвоевременности ввода тепла 5НС, в основном за счет обогащения топливовоздушной смеси и соответствующего уменьшения избытка окислителя.

Главным фактором, определяющим величину механических потерь, является частота вращения коленчатого вала п (Рис.. 1). Наибольший вес составляют потери в поршневой группе, которые

ш© ¡ш®

мшит

Рис. 1. Составляющие индикаторного и эффективного КПД дизеля 6ЧН 13/14 по скоростной характеристике:

' ._. _серийная впускная система;

_ "настроенная" впускная система.

увеличиваются как по скоростной характеристике, так и при изменении нагрузки. Потери в подшипниках занимают промежуточное значение и возрастают на 30 % с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Потери на привод агрегатов также увеличиваются с возрастанием частоты вращения примерно на 30 %. Потери на насосные хода имеют наибольшую величину на максимальной частоте вращения холостого хода, затем снижаются с уменьшением частоты вращения и при п<1400 мин"1 могут приобрести отрицательное значение, т.е. в процессе газообмена может совершаться положительная работа. Таким образом, механический КПД двигателя т]м при работе по корректорной ветви падает с увеличением частоты вращения.

Исходя из результатов проведенного анализа, можно сформулировать следующие положения.

На режиме максимального крутящего момента (п=1100-1300 мин"1) вследствие резкого снижения коэффициента избытка воздуха наблюдается ухудшение индикаторных показателей. Необходимо разработать мероприятия по повышению индикаторной экономичности за счет- увеличения коэффициента избытка воздуха а, которое может быть достигнуто повышением наполнения цилиндров воздухом и увеличением расхода воздуха через двигатель на 15 — 25 %. На этом режиме, по сравнению с номинальным режимом, насосные потери невелики, поэтому допустимо некоторое их увеличение, неизбежно связанное с увеличением расхода воздуха.

На номинальном режиме (п = 1700 мин"1) картина обратная. Здесь наблюдается некоторый избыток воздуха, который можно снизить (до 10% от общего количества воздуха) без ущерба для индикаторного КПД. Однако в связи с ростом частоты вращения резко возрастают механические потери. Их снижение может быть достигнуто не только уменьшением трения в цилиндро-поршневой группе и подшипниках, чем управлять не просто, но и уменьшением насосных потерь, величина которых на данном режиме может превышать потери в подшипниках и сопоставима с потерями на привод агрегатов.,

Изменением расхода воздуха и насосных потерь можно управлять применением волнового наддува. Поэтому в главе выполнено теоретическое обоснование возможности использования волновых явлений во впускной системе ДПМ для корректировки воздухоснабжения. Оно основано на предыдущих исследованиях волновых явлений, выполненных на кафедре ДВС

АлтГТУ и численном моделировании процесса наполнения по заданному импульсу давления перед впускными органами.

В исследованиях волнового наддува безнаддувных двигателей 64 15/15 и 64 15/18, выполненных под руководством профессора Л.В. Нечаева, выявлен сложный характер поведения "настроенной" системы впуска по скоростной характеристике при неизменной длине "настроенной" части. На скоростном режиме, соответствующем максимальной амплитуде колебаний, не наблюдается максимум наполнения, который проявляется на более низкой частоте вращения. На этих режимах существенно возрастают насосные потери, связанные с затратами на поддержание развитых колебаний и возросшим расходом воздуха. При пйвышении частоты вращения амплитуда колебаний давления воздуха в коллекторе сильно уменьшается, а положение максимального разряжения перемещается на вторую, половину хода поршня, где его скорость уменьшается, что приводит к существенному снижению насосных потерь и обусловленному им росту экономичности. Такой характер изменения насосных потерь и наполнения благоприятен для воздухоснабжения ДПМ при условии "настройки" впускной системы на режим максимального момента.

В целях проверки . предположений относительно этих феноменологических особенностей "настроенных" систем указанного типа была составлена численная модель наполнения цилиндра при заданном законе изменения .давления перед впускным клапаном.

Основу модели составляет дифференциальное уравнение скорости изменения давления в процессе газообмена, полученное профессором P.M. Петриченко:

dt "Л .dt dt J kV dt 1J 2DV2 1^

где.Р-давление в цилиндре в период газообмена, кПа; Мвп-масса, втекающего рабочего тела, кг; Мвып ~ масса, вытекающего рабочего тела, кг; к - показатель адиабаты; V - текущий объем цилиндра, .. м3; D - диаметр цилиндра, м; ак - мгновенное значение коэффициента теплоотдачи конвекцией, усредненное по текущей поверхности; Т - температура рабочего тела в цилиндре, К; Tw - осредненная температура стенки цилиндра, К.

В качестве аппроксимации изменения давления перед впускным клапаном использовано, с небольшими дополнениями, выражение, предложенное в ЧПИ:

: Р(ф) = Рк + ~-cos^A4|cp - А5|Лб) - d + dcos(2 ■ A4jcp"- A5|As)

где d - некоторая постоянная небольшой величины (d=0,05).

Численный эксперимент позволил установить зависимости величины среднего давления воздуха в цилиндре и расхода воздуха от фазового положения (относительно момента закрытия впускного клапана) и амплитуды дозаряжающего импульса по скоростной характеристике. Фазовое положение и амплитуда импульса принимались по данным анализа Экспериментальных диаграмм давления воздуха перед впускными органами.

Результаты численного '"эксперимента подтверждают феноменологические особенности "настроенной" системы, объединяющей три цилиндра с последовательным чередованием тактов впуска, проявляемые реальной системой в процессе испытаний.

В третьей главе приведено описание экспериментальной установки, методики проведения испытаний, оценка погрешностей измерений и описание методик обработки экспериментального материала.

Исследование комбинированного наддува дизеля с целью повышения его коэффициента приспособляемости, снижения оценочного расхода топлива и определения влияния волнового наддува на характер протекания скоростной характеристики путем оптимизации воздухоснабжения ДПМ проводились на экспериментальной базе лаборатории рабочего процесса АО "Алтайдизель".

Исследовательский стенд был оснащен нагрузочным устройством постоянного тока и имел все узлы и агрегаты, обеспечивающие его работу и измерение крутящего момента на различных нагрузочных и скоростных режимах. Исследовательский стенд также позволяет производить измерения: расхода топлива, расхода воздуха, частоты вращения, температур охлаждающей жидкости, воздуха на впуске, масла; температур газов до и после турбины, давления наддувочного воздуха и ОГ до и после турбины; разрежение на впуске; температуры, давления и влажности окружающей среды. Все измерения соответствуют требованиям ГОСТ 18509-80.

Специальные измерения производились с помощью комплекса индицирования типа 656 фирмы AVL (Австрия). С помощью аппаратуры фирмы AVL проводились измерения высоких и низких давлений в первом цилиндре, колебания давления - во впускном

коллекторе у первого цилиндра, регистрация давления в ресивере-успокоителе, угловых отметок поворота коленчатого вала, а также первичная обработка диаграмм давления и сохранение полученной информации на дисковых носителях.

Отличительной особенностью разработанной настроенной впускной системы является отсутствие каких-либо емкостей резонаторов. Резонансные трубы и коллектор имеют постоянное проходное сечение, площадь которо-о выбрана равной площади сечения на входе во впускной канал.

Первый тип (рис. 2) - "симметричный" - устанавливался на дизель Д-440-2. Конструктивно "симметричная" впускная система выполнена следующим образом. Коллектор объединяет четыре цилиндра и выполнен из трубы внутренним диаметром 51 мм. Коллектор имеет четыре отверстия, к которым приварены короткие патрубки внутренним диаметром 51 мм. К свободным концам патрубков приварены присоединительные фланцы, с помощью которых коллектор крепится к головке цилиндров. В первом патрубке, подключенном к первому цилиндру дизеля, выполнено отверстие для установки датчика регистрации колебаний давления. Коллектор имеет два, открытых с противоположной сторон, конца, к которым с помощью дюритного соеданения присоединяется два отрезка трубы внутренним диаметром 51 мм. Длина труб одинакова и подбиралась экспериментально. Свободными концами резонансные трубопроводы присоединяются с противоположных сторон к емкости объемом 30 л, устанавливаемой доя предотвращения прохода развитых колебаний воздуха в компрессор. Емкость, называемая ресивер-успокоитель, имеет патрубок, перпендикулярный оси емкости для присоединения всей системы к нагнетающему патрубку турбокомпрессора. Ресивер имеет отверстие для подключения датчика регистрации давления.

Испытанию подвергался вариант системы без ресивера (рис. 2 тройник показан пунктиром). Вместо ресивера устанавливался тройник с внутренним 0 патрубков 51 мм с соответствующими изменениями конфигурации (без, изменения, длины) резонансных трубопроводов. Тройник имел место для подключения датчика регистрации давления. .

Второй тип (рис. 3) - "несимметричный" - устанавливался на дизеле Д-461. Основной объем экспериментального материала получен именно на этом двигателе. Опытная впускная система изготовлена на кафедре ДВС АлтГТУ. Конструктивно "несимметричная" настроенная впускная система выполнена следующим образом. Два коллектора объединяют по три цилиндра с

1 О

Рис. 2. Схема "настроенной" впускной системы дизеля 4ЧН 13/14 "симметричного" типа (тройник и ресивер заменяют друг друга).

Рис. 3. Схема "настроенной" впускной системы дизеля 6ЧН 13/14 "несимметричного" типа (тройник и ресивер заменяют друг друга).

равномерным чередованием тактов впуска (через 240 °пкв). Коллектор представляет собой трубу внутренним 0 51 мм с тремя от^ьрстиями, к которым приварены короткие патрубки 0 51 мм с Присоединительными фланцами. Один конец коллекторов выполнен заглушённым, а к свободным с помощью дТоритного соединения присоединяются резонансные трубопроводы внутренним 0 51 мм. Свободные концы резонансных трубопроводов присоединяются к ресиверу успокоителю объемом 50 л, который в свою очередь присоединяется к нагнетающему патрубку турбокомпрессора аналогично описанному выше. Испытанию подвергался вариант системы без ресивера - с тройником .(на рис. 3 показан пунктиром). Места подключения датчиков аналогичны описанным выше.

Методика проведения испытаний включала снятие скоростных характеристик и соответствующих им серий нагрузочных характеристик для серийной и опытной комплектации впускной системы. Между сменами комплектаций восстанавливались первоначальные регулировки двигателя.

Экспериментальные данные обрабатывались с помощью компьютерных программ ANIND, NAPOLY по методикам, разработанным на кафедре ДВС АлтГТУ. Графическое представление данных выполнялось с помощью системы проектирования чертежей Acad LT и системы визуализации научных данных SigmaPlot.

Четвертая глава посвящена анализу результатов моторных испытаний дизелей с серийной и опытными системами впуска, анализу данных индицирования давлений в цилиндре и впускной системе, сравнению экспериментальных и расчетных данных по наполнению и насосным потерям.

По результатам обработки индикаторных диаграмм ДПМ с комбинированным наддувом выполнен сравнительный анализ составляющих индикаторного и эффективного КПД (Рис. 1), который показал, что величину 5НС удалось значительно снизить, однако потери на теплообмен 8W несколько возросли. Характер изменения потерь на насосные хода полностью соответствует теоретически предсказанному (Рис. 4). Таким образом, на режиме максимального крутящего момента повышение индикаторной экономичности компенсируется увеличением насосных потерь, что приводит к некоторому снижению экономичности на резонансном режиме (п=1250 мин"1), однако на режиме максимального наполнения (п=1100 мин"1) имеется тенденция к ее улучшению. На номинальном режиме (п=1700 мин"1) индикаторная экономичность не изменилась, но существенно снизились насосные потери, что привело к улучшению ge до 12 г/кВтч.

£»о исо азов «¡ю имя шю то ¿¿¡г"

Рис. 4. Скоростная характеристика дизеля 6ЧН 13/14:

-•--- серийная" впускная система;

—_ '"настроенная" , впускная., система.

ОТ? 08 гЙ £о МПа

Рис. 5. Нагрузочная характеристика дизеля 6ЧН 13/14 при п=1100 мин"1: "

_ _ _серийная впускная система;

_ "настроенная" впускная

система ДЬ=1900 мм. ;.

В виду отсутствия точных методик определения оптимальной дины "настроенной" части впускной системы объединенного типа подбор длины осуществлялся экспериментально. Наилучшие результаты были достигнуты при длине "настроенной" части АЬнастр=1900 мм. В данном случае "настройка" произошла на п=1250 мин'1, а максимум наполнения на п=1100 мин"1. Необходимо отметить, что период колебаний в "настроенной" впускной системе, объединяющей три цилиндра. с последовательным чередованием тактов впуска, соответствует периоду тактов впуска (для дизелей АО "Алтайдизель" он составляет 240 °пкв). На рис 5 и 6 представлены нагрузочные характеристики дизеля 6ЧН ■ 13/14 с серийной и опытной системами впуска.

Изменение фазового положения \и амплитуды дозаряжающего импульса по скоростной характеристике представлено на рис. 5 Дозаряжающий пик на п=1100 мин'1 находится за 15 °пкв до закрытия впускного клапана срзак ш что способствует полному его поглощению. Здесь т|у и Ов максимальны. На п= 1200-1300 мин"1 этот пик практически совпадает с срзак Бп ^ Ввиду того, что проходное сечение клапана здесь невелико импульс не способен максимально дозарядить цилиндр, поэтому г\у и Ов начинают снижаться. С переходом к номинальной частоте вращения амплитуда существенно снижается, а дозаряжающий пик перемещается на 15-20 °пкв за срзак кл, наполнение минимально.

Фазовое положение дозаряжающего импульса с ростом нагрузки не изменяется, а амплитуда возрастает пропорционально изменению нагрузки (Рис. 7). Рост амплитуды с увеличением нагрузки обусловлен ростом давления наддува и соответственным увеличением плотности наддувочного воздуха. Это обстоятельство приводит к росту коэффициента избытка воздуха и увеличению индикаторной экономичности на режиме максимального момента, которое при Ре>0,95 МПа полностью компенсирует прирост насосных потерь и даже приводит к улучшению до 12 г/кВтч.

Испытания опытной системы впуска , показали, что колебательный процесс развивается вокруг среднего давления наддува и не оказывает на него существенного влияния. Наличие ресивера успокоителя также не оказывает существенного влияния на среднее давление наддува и приводит к фазовым смещениям колебательного процесса (Рис.. 7), приводящим^' более высоким насосным потерям и меньшему выигрышу в экономичности.

Следует отметить, что тройник, установленный вместо ресивера успокоителя, служит эффективным средством гашения колебаний.

Рис. 6. Нагрузочная характеристика дизеля 6ЧН 13/14 при п= 1700 мин"1: . л

_ _ _серийная впускная система;

_ "настроенная" впускная

система ДЬ=1900 мм.

Ш5Ф ШЮ 1ВШ Л7М) ш^1 Рис. 7. Зависимость амплитуды и фазового положения волны давления от частоты вращения:

_ДЬ=1900 мм с ресивером;

'-______ДЬ=1900 мм с тройником;

_._._ДЬ=1500 мм с ресивером.

Амплитуда значительно уменьшаются по величине, а период колебаний сокращается до 120 °пкв.

Установлено, что "настроенная" впускная система оказывает влияние на расходные характеристики двигателя. Это влияние выражается- в следующем. Расходная характеристика на режиме максимального крутящего момента смещается вправо, а на номинальном режиме смещение происходит влево. Такое изменение в расходных .характеристиках благоприятно влияет на совместную работу двигателя и турбокомпрессора, т.к. расходное характеристики более компактно размещаются в области наибольших КПД компрессора.

. Выполнен анализ влияния фаз газораспределения на наполнение " цилиндров воздухом для "настроенной" системы впуска, который - показал необходимость увеличения угла запаздывания закрытия впускного клапана, если преследуется цель увеличения наполнения цилиндров в рабочем диапазоне частот вращения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

: Настоящая работа, посвященная разработке системы комбинированного наддува ДПМ и исследованию ее работы по скоростной характеристике, содержит новые сведения о поведении "настроенной" впускной системы в широком диапазоне частоты вращения и зависимости характера колебаний давления от нагрузки двигателя. В результате исследований выявлена высокая эффективность "настроенной" впускной системы для воздухоснабжения ДПМ. Впускная система рассмотренного типа позволяет скрыть неточность настройки турбокомпрессора на режим максимального крутящего момента.

На основании результатов работы можно сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ составляющих индикаторного и эффективного КПД ДПМ, который показал, что главные причины падения индикаторного КПД по скоростной характеристике с уменьшением частоты вращения — это увеличение коэффициентов неиспользования тепла от несвоевременного ввода тепла и вследствие теплообмена . Механический КПД уменьшается с ростом частоты вращения и на номинальном существенную долю в это падение вносят насосные потери. Это определило поиск мероприятия, позволяющего на номинальном режиме снизить насосные потери, а на режиме ,Ме тах обеспечить увеличение коэффициента избытка воздуха а и снизить коэффициент несвоевременности ввода тепла 5НС.

2. Разработана "настроенная" впускная система,, ДПМ с газотурбинным наддувом, обеспечивающая коэффициент запаса крутящего момента до 50 % и лучший по сравнению с серийным вариантом ДПМ оценочный удельный расход топлива.

3. Проведен анализ насосных потерь и экономичности ДПМ с комбинированным наддувом, который показал, что с помощью "настройки" впускной системы можно снизить насосные потери до 30 % на номинальном режиме и увеличить коэффициент избытка воздуха до 12 % на режиме максимального крутящего момента. При этом улучшение оценочного расхода топлива составляет 5-^8 г/кВтч.

4. В результате выполненных исследований "настроенной" впускной системы выявлен ряд новых фактов и закономерностей, позволяющих рекомендовать оптимальную конструкцию системы впуска для конкретного случая дизеля 6ЧН 13/14:

— Длина AL настраиваемых участков в 1900 мм (резонансная длина для п=1300 мин"1) обеспечивает улучшение воздухоснабжения на режимах 1100-1300 мин"1 настолько, что это позволяет при неизменной регулировке топливной аппаратуры обеспечить нормальную работу двигателя (ttr<700 °С и Pz<12 МПа) при практическом сохранении экономичности такой же, как в серийной комплектации на п = 1300 мин"1;

— При выбранной для какой-то конкретной частоты вращения коленчатого вала п; резонансной длины Цез; отмечается существенный фазовый сдвиг всего колебательного процесса на запаздывание и уменьшение двойной амплитуды колебаний по мере увеличения п > п,- # и увеличения Ьрез>Ьреэ;. Так, при Lpe3 = 1900 мм увеличение п от 1100 до 1700 мин"1 привело к сдвигу всей кривой ркол на 40-45 °пкв в сторону запаздывания. Включение в систему настроенного впуска ресивера сдвигает весь колебательный процесс в системе при n = idem на некоторое запаздывание, фактически не влияя на качество колебательных процессов;

— Двойная амплитуда колебаний при любой длине настраиваемой части и r^const существенно зависит от нагрузки, при этом фазовое положение волны изменения

1 7

ркол меняется несущественно. Определяющим обстоятельством является изменение по нагрузке давления наддува рк. Гак, например , при п = 1100 мин'1 АЬ=1900 мм и изменении ре от 0,65 до 1,05 МПа двойная амплитуда колебаний ркол изменялась с 51 до 63 кПа. При этом давление наддува увеличивалось от 0,115 до 0,138 МПа, что свидетельствует о почти пропорциональной зависимости изменения 2А от изменения рк. Этот вывод был подтвержден и при испытаниях двигателя по нагрузочным характеристикам с п=1200, 1700 мин'1.

5. Выполнен сравнительный анализ характеристик с серийной и опытной системой впуска и получены следующие результаты:

— ДПМ. с комбинированным наддувом имеет максимальный крутящий момент на п=1100 мин"1 и по величине на 10 % больше, чем серийный вариант;

— Расходные характеристики двигателя с опытной системой впуска при работе с ре=уаг и п=уаг, т.е. зависимости Ов дв=/г(рк) с настроенным на режим Мтах впускными трубопроводами сближаются, что существенно облегчает задачу оптимального выбора характеристик компрессора;

— В данной комплектации и регулировке двигателя применение "настроенных" систем практически не приводит к изменению давления наддува рк на всех исследованных режимах;

— Улучшение экономичности дизеля при работе по скоростной характеристике отмечается во всем диапазоне частот п>1400 мин'1. Так, на режиме п = 1700 мин'1 в диапазоне ре = 0,5—0,8 МПа улучшение составило 6-8 г/кВтч^ При дальнейшей.:форсировке по ре и оборотам этот выигрыш в экономичности становится еще более заметным;

6. Для повышения эффективности комбинированного наддува рекомендуется расширить фазу запаздывания закрытия впускного клапана для дизеля 6ЧН 13/14 до 60 °пкв, предусмотреть устройство отключения "настройки" на режимах малых нагрузок и низких частотах вращения холостого хода.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: 1. Брякотин М.Э., Давыденко Д.В., Пыжанкин Г.В.

- , , Особенности волнового наддува дизелей с различным „., числом цилиндров //Актуальные проблемы развития

двигателеи внутреннего сгорания и дизельных установок: Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф./ЦП ВНТО им. акад. А.Н. Крылова-Л, 1990 - С. 61-62.

2. Брякотин М.Э., Давыденко Д.В., Нечаев JI.B. Анализ рабочего процесса дизеля с волновым наддувом //Повышение топливной экономичности и надежности быстроходных дизелей: Тез. докл. семинара/Алт. политехи, ин-т им. И.И.Ползунова.-Барнаул, 1990,- С. 32-34.

3. Брякотин М.Э., Грачев B.C., Давыденко Д.В. Влияние фаз газораспределения на эффективность комбинированного наддува ДПМ //Совершенствование быстроходных дизелей: Межвуз. сб./Под ред. Д.Д.Матиевского.- Барнаул, 1991- С. 65-73.

4. Брякотин М.Э. Применение волнового наддува на двигателе постоянной мощности//Совершенствование быстроходных дизелей: Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф./Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова,-Барнаул, 1993,- С. 41-45.

5. Брякотин М.Э., Матиевский Г.Д. Снижение экологической опасности мобильных машин Использованием комплекса мероприятий//Зеленая книга России: Тез. докл. П-междунар. научн.-практ. конгресса "Экология России". Секция 2. Раздел: Защита атмосферы от загрязнений.- М.., 1994.— С. 18.

6. Брякотин М.Э., Нечаев Л.В. Корректировка характеристики воздухоснабжения ДПМ с ГТН путем "настройки" впускной системы//Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: Тез. докл. науч.-практ. сем./Владимир, гос. техн. ун-т,- Владимир, 1995.- С.

7. Устройство для волнового наддува рядного многоцилиндрового двйгателя внутреннего сгорания: Ас. №1818480 СССР, МКИ4 F02 В 27/00 /Давыденко Д.В., Брякотин М.Э.; АлтПИ.- Заявл. 04.04.91; Опубл. 30.05.93, Бюл. № 20.

8. Бензиномоторная пила: Патент РФ № 2006618 МКИ5 F 02 В 53/00 /Давыденко Д.В., Свистула А.Е., Брякотин М.Э.; АлтПИ,- Заявл. 04.04.91.; Опубл. 30.01.94, Бюл. №2.