автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка и исследование конструкторско-технологических и эксплуатационных параметров камеры сгорания в поршне

• МИНИСТЕРСТВО экономики ^ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ _ДИЗЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ_

На правах рукописи

Джабраилов Алексей Джабраилович

Разработка и исследование конструкторско-технологическнх и эксплуатационных параметров камеры сгорания в поршне

Специальность: 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Диссертационная работа выполнена в Институте физики Дагестанского научного центра Российской Академии Наук

Научный руководитель - д.т.н. Дорохов Александр Фёдорович Официальные оппоненты:

■ д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Николай Николаевич Иванченко

■ к.т.н., доцент Леонид Евгеньевич Магидович

Ведущая организация - ОАО "ДАГДИЗЕЛЬ"

Защита состоится 9 февраля 1999 г. в 10-00 часов, в каб. 201, на заседании Диссертационного Совета К 134.02.01 в Центральном научно-исследовательском дизельном институте по адресу: 196158, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, № 25, корпус 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИДИ.

Автореферат разослан 5 января 1999 г.

Заверенные отзывы на автореферат, в 2-х экземплярах, просим направлять в адрес Диссертационного Совета.

Учёный секретарь Совета к.т.н., ст. научный сотр.

.В. Петраков

Обшая характеристика работы

Актуальность работы. Совершенствование процессов смесеобразования является одним из главных направлений улучшения показателей рабочего процесса, а. следовательно, и повышения технического уровня дизелей и это является побудительным фактором для дальнейшего изучения данной проблемы с учётом систематически появляющихся новых знаний, методов и возможностей, с использованием накопленного опыта ранее проведённых исследований. Обращение к проблеме совершенствования процесса смесеобразования в дизелях актуально тем, что в ней заложены ещё достаточные резервы улучшения эксплуатационных характеристик дизелей (экономичности, пусковых свойств, экологических показателей).

К настоящему времени выполнено большое количество работ по исследованию смесеобразования, в которых представлены различные подходы к рассмотрению основных стадий процесса: дробления впрыснутой струи топлива, её развития, испарения и образования то-пливовоздушной смеси. В этой связи рациональным представляется путь анализа и систематизации результатов отечественных и зарубежных исследований для выявления общих представлений и концепций, которые могут быть положены в основу методологии формообразования камер сгорания (КС) дизелей.

Перевод малоразмерных дизелей на объёмно-плёночное смесеобразование с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и КС типа ЦНИДИ, расположенной в поршне, позволил повысить технический уровень дизелей за счёт уменьшения удельного расхода топлива и улучшения пусковых свойств. В процессе внедрения КС модернизировалась, в результате чего её форма, в большей степени, была приведена к тороидальному типу.

Значительный вклад в работы по переводу малоразмерных дизелей ч8,5/11 и ч9,5/11 на новый способ организации рабочего процесса был внесён сотрудниками ЦНИДИ под руководством профессоров H.H. Иванченко, Б.Н. Семёнова, а также В.Т. Бордукова. Большой объём НИОКР в этом направлении был выполнен специалистами Каспийского завода "Дагдизель" под руководством к.т.н. A.A. Аливердиева и др. Однако, перевод дизелей на новый способ организации рабочего процесса способствовал появлению новых проблем, которых не было у вихрекамерных двигателей. Этими проблемами

стали: недостаточная стойкость сопловых отверстий многодырчатых распылителей против закоксовывания и повышенный уровень содержания токсичных веществ в отработанных продуктах сгорания. Кроме того остаются актуальными задачи дальнейшего улучшения топливной экономичности, пусковых свойств, снижения уровня шума и вибраций.

В этой связи представляется рациональным проведение исследований, направленных на поиск такого варианта конструкционного оформления КС, расположенной в поршне, который позволил бы, при сохранении малых удельных расходов топлива и хороших пусковых свойств, обеспечить нормативные значения содержания токсичных веществ в отработанных продуктах сгорания и требуемые (согласно ТУ на дизели) значения стойкости многодырчатых распылителей против закоксовывания сопловых отверстий.

Цель диссертационной работы - разработка методологии оптимизации формы и технологии изготовления камеры сгорания в поршне, обеспечивающей в малоразмерных дизелях высокий уровень их эксплуатационных показателей.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем.

1. Уточнена методика расчёта газодинамики процессов испарения топлива в отдельно взятой струе и его смесеобразования с воздушным зарядом в цилиндре.

2. Предложена методология экспериментального обоснования направлений оптимизации формы КС.

3. Разработана математическая модель формообразования КС в поршне методами компьютерной графики.

4. Решена задача по математическому моделированию механической обработки КС в поршне сложной пространственной формы с использованием программноуправляемого технологического оборудования.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в повышении эксплуатационных показателей малоразмерных дизелей ч9,5/11, используемых в различных отраслях хозяйственной деятельности. Методология и результаты исследований по оптимизации формообразования КС, расположенной в поршне, могут быть использованы в работах по совершенствованию рабочего процесса других типов дизелей. Опыт математического моделирования процесса сме-

сеобразования, компьютерной графики математического моделирования механического формообразования поверхности КС может быть использован при разработке технологий механической обработки внутренних поверхностей сложной пространственной формы.

Достоверность результатов работы обоснована применением признанных положений газовой динамики и термодинамики процессов смесеобразования, базирующихся на фундаментальных законах природы. Результаты расчётно-аналитических исследований были получены путём применения методов математического анализа, математического и компьютерного моделирования. Полученные результаты сравнивались с результатами исследований других авторов, полученных иными методами, а также с результатами экспериментальных и промышленных испытаний, проводимых независимыми организациями - ОАО "Дагдизель", ОАО "Судоремонт" (Махачкала), ОАО "Судоремонтно-судостроительный завод АРКС" (Астрахань).

Апробация работы была осуществлена в следующих научных и учебных организациях: на юбилейной научной конференции, по-свящённой 40-летию образования Института физики ДНЦ РАН (сентябрь 1998 г., Махачкала); на ежегодной научно-технической конференции преподавателей и сотрудников Дагестанского государственного технического университета ( апрель 1997 г., Махачкала); на семинарах Института проблем машиноведения РАН (май, 1998 г., Ст-Петербург), и Астраханского государственного технического университета (сентябрь 1998 г., Астрахань).

Публикация материалов диссертации приведена в 5-ти научных работах.

Диссертация состоит из 5-ти глав (включая введение и заключение), библиографии и приложений. Содержит 143 страницы текста, 4 таблицы и 43 рисунка. Библиография - 163 наименования.

Основное содержание работы.

Введение. В нём дано обоснование актуальности исследований, связанных с задачей улучшения процесса смесеобразования путём модернизации конструкции камеры сгорания малоразмерных дизелей, расположенной в поршне, а также с задачей обеспечения рациональной технологии её изготовления.

Анализ конструкций камер сгорания и их влияния на эксплуатационные показатели дизелей. Раздел состоит из трёх параграфов, в которых рассмотрены способы смесеобразования и конструкции камер сгорания, применяемые в малоразмерных дизелях, а также возможные варианты модернизации полуразделённой КС, расположенной в поршне.

В первом параграфе приведён анализ способов смесеобразования и, соответствующих им, конструкций камер сгорания, применяемых в малоразмерных дизелях типов ч8,5/11 и ч9,5/11. Констатируется, что дизели с КС в поршне (типа ЦНИДИ) характеризуются достаточно низкими значениями удельных расходов топлива - Ь < 238*245 г/(кВт*ч) и хорошими пусковыми свойствами. При этом вихрекамерные дизели (составляющие большую часть выпускаемых дизелей) имеют лучшие показатели по дымности и токсичности отработанных продуктов сгорания, а также являются источниками меньшего уровня шума и вибраций. На рис. 1 приведены сравнительные нагрузочные характеристики дизелей 4ч9,5/11, с вихревой КС и с КС типа ЦНИДИ в поршне.

Во втором параграфе исследуются особенности организации рабочего процесса дизелей с КС в поршне. В настоящее время серийно выпускаются два типоразмера дизелей с КС в поршне - 2ч9,5/11 и 4ч9,5/11, которые используются в качестве судовых, промышленных и транспортных.

Объёмно-плёночное смесеобразование в дизелях ч9,5/11 осуществляется в КС, расположенной в поршне и близкой по конструкции к камере ЦНИДИ, от которой отличается более развёрнутой тороидальной поверхностью у днища и меньшей конической переходной поверхностью к горловине. Это отличие фактически приводит серийную КС к тороидальному типу камер. Большое влияние на мощност-ные и экономичностные показатели дизелей с КС в поршне оказывают направления движения топливных струй и законы движения воздушного заряда в камере сгорания. Тороидальные воздушные вихри, образующиеся в цилиндре при нисходящем и восходящем движении поршня, активно дробят топливные струи и обеспечивают образование топливовоздушной смеси. Однако, в связи с неодинаковыми длинами свободного полёта топливных струй (до встречи со стенкой КС) - рис.2, что имеет место при впрыске топлива в дизелях ч9,5/11, из-за особенностей их конструкции и компоновки, гомогенизация то-

пливовоздушной смеси при дроблении двух передних топливных струй 1, более полная, чем при дроблении двух задних струй 2. В этой связи часть топлива остаётся в виде капель в обшей структуре смеси и, обогащая её, улучшает пусковые свойства дизеля. Но это же топливо, догорая уже в процессе расширения, не успевает полностью сгореть и удаляется из цилиндра, повышая содержание сажи, N0* и С0Х в отработанных продуктах сгорания.

Сравнительные нагрузочные характеристики

дизелей 4ч9,5/11

Рт, (МГ1а) 0.14 0.28 0.42 0.50 0.61

Рис. 1.

и

Схема впрыска топлива в цилиндр

Вид А

1 А

Показатели рабочего процесса дизеля 4ч9,5/11 с КС в поршне приведены в таблице 1.

Показатели рабочего процесса

Показатели Значения Показатели Значения

Ье, г/(кВт*ч) 238 + 242 Ртах- МПа 7,4 -г- 7,76

Ь,, г/(кВт*ч) 176 -г 179 с1р/(1(р,

ртс, МПа 0,68 МПа/°п.к.в. 0,42

Тс. к 863 Пс 0,335

Тщах • К 1873 П. 0,45

Рс. МПа 3,94 Л га 0,74

п. с"1 25

В третьем параграфе приведены результаты анализа исследований по улучшению качества смесеобразования в полуразделённых КС, расположенных в поршне. Здесь отмечается, что опыт отечественного и зарубежного моторостроения для близких, по размерам цилиндров, двигателей направлен на учёт возможностей качественного смесеобразования не только топливного факела в целом, но и каждой отдельной струи. В связи с этим исследуются формы КС полуразделённого и открытого типов с индивидуальными объёмами под каждую струю.

В качестве предпосылки для формообразования КС было принято положение о равенстве свободных длин топливных струй мно-годврчатого распылителя в любой момент времени от начала и до конца впрыскивания в цилиндр топлива. При этом используется гипотеза, выдвинутая БЬтиги М., Вгаэзо Р., а также Файнлебом Б.Н. и Бораевым В.И. о том, что в КС в поршне процесс сгорания будет наиболее эффективным при максимальной дальнобойности струи, равной длине её свободного развития до встречи с поверхностью камеры.

Основываясь на изложенном и задавшись геометрическими параметрами распылителя и объёмом КС, были выполнены несколько априорных вариантов формообразования камеры в поршне. За геометрические параметры распылителя были приняты сочетания углов между воображаемыми осями топливных струй в плане и в плоскости оси форсунки. При этом предполагается перпендикулярность расположения днища КС оси симметрии профиля общего факела, что предопределило наклон днища КС к оси цилиндра на Z 63 Исходя из значений углов между топливными струями, задаваясь радиусами перехода от днища к стенкам КС, рекомендованными для камеры ЦНИДИ и выполняя "стягивание" произвольного объёма к объёму, соответствующему требуемому значению е = 17,5 (Укс = 31,2 мл), была получена форма КС, схемы в плане и разрезе которой приведены на рис. 3.

В выводах отмечается, что наряду с несомненными достоинствами, КС в поршне типа ЦНИДИ не обеспечивает ряда обязательных требований соответствия дизелей ч8,5/11 и ч9,5/11 лучшим мировым аналогам. Поэтому, основываясь на результатах теоретических

Схема построения разреза и плана КС А-А

1 - положение распылителя форсунки; 2 - передние топливные струи; 3 - задние топливные струи.

исследований и ОКР считаем рациональным и оправданным разработку, исследование и внедрение в производство малоразмерных дизелей камеры сгорания в поршне нового типа, конструкция и форма которой обеспечивали бы одинаковые и оптимальные условия смесеобразования для каждой струи топливного факела с точки зрения подготовки рабочей смеси к воспламенению и сгоранию.

Формообразование камеры сгорания в поршне. Раздел состоит из трёх параграфов в которых приведены методология экспериментального формообразования КС. математическая модель смесеобразования вязкой жидкости с паровоздушной смесью в цилиндре и моделирование формообразования КС. как внутренней поверхности сложной пространственной формы, методами компьютерной графики.

В первом параграфе обосновывается методология экспериментального моделирования процесса впрыска топлива в цилиндр. Моделирование осуществлялось в экспериментальной установке, изготовленной на базе дизеля 2ч9,5/11. Исследование впрыска производилось по отпечаткам заменителя топлива на плоское пенопластовое днище поршня в его разных фиксированных положениях, начиная с 30 ° п.к.в. до ВМТ. При этом в цилиндре создавалось противодавление впрыску от внешнего источника - баллона со сжатым воздухом, в соответствии с данными индикаторной диаграммы для участка сжатия. Схема установки приведена на рис. 4. По полученным отпечаткам (послойно) производилось построение периметров проектируемой КС в каждом сечении, которые затем обобщались для построения вертикальных разрезов по оси каждой струи. Т.о., была получена первоначальная форма КС в графическом виде, по которой было произведено её макетирование.

Во втором параграфе обосновывается постановка и решение задачи объёмно-струйного смесеобразования. Большинством исследователей констатируется, что основной проблемой математического моделирования двухфазных потоков (топливовоздушной смеси) заключается в построении замкнутой системы уравнений для исследуемого потока. Одной из наиболее адекватных считается схема построения системы дифференциальных уравнений, в которых исходная разрывная среда принимается неразрывной, т.е. двухфазная струя состоит из непрерывных жидкой и газопаровой фаз. К данному случаю применим аппарат дифференциального исчисления и каж-

Схема испытательной установки

сж. в.

1-форсунка

2-топливный насос

3- баллон со сжатым воздухом (сж.в.)

Т- топливо (заменитель)

Рис. 4.

дая из фаз может быть описана своими дифференциальными уравнениями, с учётом межфазового взаимодействия. Стационарное, осе-симметричное движение вязкой жидкости, в цилиндрических координатах, описывается системой уравнений Стокса. Осевая, радиальная и трансверсальная составляющие скорости будут соответственно обозначены через u, v и ш.

и( ди/дх) + v(duJdi) = - (l/p)(dp/öx) + vttöVör2 ) +l/r(du/dr) + (c^u/dx2));

u(dv/öx) + v(dv/<9r) - co2/r = - l/p(dp/ör) + v((ö2v/5r2) + Щдч/дг) - v/r2 +

+ (c^v/Sx2));

u{да/дк) + v(d\/dr) + vco/r = v^co/Sr2) + l/r(öw/ör) - co/r2 + (öVöx2)); d(ru)/dx + a(rv)/ör = 0. (1)

Рассматривая область струи, как пограничный слой, поперечный размер которого, при больших числах Рейнольдса, мал, введём допущение, что скорость V мала, по сравнению со скоростями и и ю. Тогда получим систему уравнений распространения осесимметрич-ной струи, общую для случаев незакрученной и закрученной струи,

и(Эи/Эх) + \{ди/дт) = -1/р(Эр/5х) + у ((.'и Г г I ь I цГи Гщ. Гр Ут ~ ро7г:

и( Л >/Г\> + у(а-)/'Гг) VI-) г ~ у(|(Л').;г?-г ) - ] П'"с> Гп - о/'г). с(ги)/гх + Г(г\ )/Гг ~ 0. (2)

Проводя ряд последовательных преобразований и дифференцирование, находим значения функций тока (Ч/), и и V,

= ух(<х2 п2У( 1+а2 Л2 /4); и = (2 а2/ х)( 1 /(1 +а2 г|2 / 4)2; V = (осу05 /х) (ал(1-аУ/4)) / (1+аУ/4);

Л=Г/(Х(У)0-3). (3)

Здесь: V - коэффициент кинематической вязкости топлива; х -длина струи топлива.

На рис. 5 показаны схемы направления и формирования струй в цилиндре дизеля. Расчёты, выполненные по разработанной программе, позволили получить значения скоростей топливной струи в функции от длины её свободного полёта, которые приведены в таблице 2.

В третьем параграфе рассматривается задача математического моделирования формообразования пространственно сложной камеры сгорания в поршне методами компьютерной графики. Эта задача относится к классу задач САПР связанных с моделированием, в реальном масштабе времени, сложных поверхностей, для подготовки их к обработке на станках с ЧПУ. В данном случае исследовался вариант послойной обработки заготовки, для чего требуется создание адекватной модели полости путём первоначального задания ограниченного числа плоских сечений и последующего воспроизведения всей формы одним из методов интерполяции, с наперёд заданной

Схема направления и развития топливных струй

1, Ь

У

Рис. 5.

точностью. Исходными , для построения модели, служат плоские параллельные слои объёмной фигуры - камеры сгорания. В компьютер они заводятся в виде ряда характерных узловых точек. В данной модели использовались 6 слоёв, по 36 точек в каждом. Построение производится с использованием сплайна Эрмита. Выражение для кубического сплайна имеет следующий общий вид (здесь и далее приняты обозначения, используемые в программных реализациях):

8р1:=(р[)Д]*(1-3*(1*1)+2*(1*1*1))+рил+1]*(3*(1*1)-2*(1*1*1))+

Таблица 2

Длнна струн и соответствующие ей значения

скоростей впрыскиваемого топлива

Значения х Значения 1'тал Значения V

(мм) (м/с) (м/с)

0,5 118,058 0,0002

1,5 72,734 0,2222

2,5 47,653 1,0200

3,5 35,264 2,8231

19,5 6,781 488,2289

В выражении (4): БрЬ восстановленная текущая координата (Бх1, или БгО точки поверхости;

р[М] - координата (х[/,0 . у[ы] или ¡-ой, (1=0,.., п-1), узловой точки текущего]-го слоя; п - число точек в слое, начиная с нулевого ; I - внутрислойный параметр, 0< 1;

- расстояние между соседними точками .¡-го слоя, ^0,.., ш; ш - максимальный номер слоя модели;

(1и4]:=8чП(5чг(х[)И+1 ]-х0.1])+8Чг(Уил+1 ]-Уи,1])+5Чг(2ил+1 ]-гЩ])); АОл] - значение производной в ¡-ой узловой точке j-гo слоя, которая определяется в соответствии со следующими правилами: 1) Определение производных для внутренних узловых точек .¡-го слоя.

2) Определение производных для начальной и конечной точек вдоль _|-го слоя, для всех координат Х,У,2.

3) Определение производных, если первая и последняя точки слоя совпадают.

Далее производится интерполяция между соседними слоями, вычисляются координаты узловых точек и производится "сшивание" слоев. Было реализовано и исследовано несколько видов моделей камеры сгорания, отличающихся по точности и назначению. Для построения сеточной и полной модели камеры сгорания были разработаны и реализованы несколько программ по визуализации её формы. На рис. 6 показана сеточная модель новой формы камеры сгорания в поршне.

Сеточная модель камеры сгорания в поршне

Рис. 6.

В выводах по данному разделу констатируется, что рассмотренные в нём подходы и методы прямого физического моделирования впрыска топлива в цилиндр позволили получить реальные параметры топливного факела и осуществить направленную коррекцию формы и размеров КС. Математическое моделирование процесса смесеобразования топливной струи с воздухом позволило согласовать её параметры с предлагаемой формой КС, а разработка сеточной модели КС позволяет настроить результаты работы программ для управления станком с ЧПУ в реальном масштабе времени.

Разработка и исследование камеры сгорания в поршне нового типа. Раздел состоит из трёх параграфов, в которых рассматри-

ваются вопросы конструкционного оформления КС, разрабатывается технология получения КС, путём механической обработки внутренней поверхности сложной пространственной формы. Здесь же приведены результаты натурных испытаний дизелей с камерой сгорания в поршне "лепесткового'" типа.

В первом параграфе обосновываются конструкционные соотношения и размеры предлагаемого варианта камеры сгорания в поршне, для малоразмерных дизелей типов ч9,5/11 и ч8,5/11. Принимаемые решения обосновывались результатами экспериментальных, теоретических и расчётно-аналитических исследований, выполненных в предыдущих разделах. Приведены описание и конкретные размерные соотношения элементов КС, применительно к наклонной и смещённой относительно оси цилиндра форсунке. Вид поршня, с КС "лепесткового" типа в нём, приведён на рис. 6.

Вид поршня с КС "лепесткового" типа

Рис. 6.

Во втором параграфе исследуются технологические варианты получения КС в поршне сложной пространственной формы, т.к. именно технологические проблемы зачастую становятся главными при принятии тех или иных конструкционных решений. После определения формы КС >1 её конструкционных параметров была начата разработка технологии изготовления КС. для получения опытной партии поршней, на базе использования фасонных инструментов (резцов и фрез), формирующих отдельные элементы камеры простой геометрической формы - торообразные, конусообразные, цилиндрические. Используя фасонные инструменты и совмещая круговое движение поршня (в специальном наклонном приспособлении) с вращательным движением инструмента, периодически контролируя профили и контур КС по шаблонам, на координатно-расточном станке была получена опытная партия поршней с КС нового типа. В процессе обработки, периодически контролировался объём КС. путём её проливки. После проведения моторных и промышленных испытаний дизелей с КС нового типа, показавших позитивные результаты, был выполнен комплекс мероприятий по разработке технологии промышленного изготовления КС "лепесткового" типа, базирующейся на применении программноуправляемого оборудования. Для этой цели был использован пакет прикладных программ "РЕР£М2'\ который включает в себя ряд модулей, обеспечивающих подготовку управляющих программ различных видов обработки на станках с системами УЧПУ классов N0 и СМС. В конкретном случае был предусмотрен вариант использования станка типа ИР 500 ПМФ4, с горизонтальным закреплением поршня. На рис. 7 показан фрагмент технологического операционного эскиза на котором показаны положение поршня, исходное и конечное положение инструмента, контур КС и эквидистантная траектория инструмента при обработке контура.

В третьем параграфе раздела приведены результаты сравнительных моторных испытаний дизелей с серийной и опытной камерами сгорания в поршне. Испытания производились в лаборатории дизельного отдела ОАО "ДАГДИЗЕЛЬ". а так же в испытательных подразделениях и на производственных объектах ОАО "СУДОРЕМОНТ" (Махачкала) и "Судоремонтно-судостроительный завод АРКСа" (Астрахань). Результаты испытаний: по удельному расходу топлива, температуре выхлопных газов, воздушно-

топливному соотношению, температуре распылителя форсунки -приведены на рис. 8 и 9.

Фрагмент технологического операционного эскиза обработки поршни

Рис. 7.

На рис. 7 характеристики, обозначенные, как °-0

относятся к дизелю с опытными поршнями, а характеристики дизеля

с серийной КС, обозначены как а-------------------------------

Результаты моторных испытаний показывают, что дизель, укомплектованный поршнями с опытной камерой сгорания в них, т.н. "лепесткового" типа, имеет некоторые преимущества перед дизелем с серийной КС в поршне. Так, дизель с опытной КС, помимо более лучших показателей, приведённых на рис. 7, характеризуется лучшими пусковыми качествами, возможностью более эффективной

Сравнительные характеристики дизеля 4ч9,5/11 с КС "лепесткового" типа и с серийной КС в поршне

Лт

0,75 0,73

Ье

320

...и S

□ /

Тг / о

/

з /

□ 3 / э

/

<Х

о / г \

с ь V я Л

а 2,0 1,5 1,0

450,Тг

425, К

400

375

350

325

300

275

250

225

200

25

50

75

100

10 %ОТРе

Рис. 7.

Результаты сравнительного термометрировання распылителей

Т. °С 250 240 230 220 210 200 190 180 170

Рис. 8.

работы на перегрузочных режимах, т.е. лучшей приёмистостью, а также меньшей шумностью.

Была произведена проверка выхлопных газов на дымность по ГОСТ 24.028-80. Для дизеля с серийной КС в поршне показатели составили следующие значения:

■ коэффициент Км'1 = 1,5;

■ показатель ослабления светового потока - 88,1 %.

Для дизеля с КС в поршне "лепесткового" типа:

■ коэффициент Км"1 = 1,26;

■ показатель ослабления светового потока - 52,7 %,

(согласно ГОСТа предельные допустимые значения дымности -

коэффициент Км< 1,84 ; показатель ослабления светового потока < 55 %).

В результате проведённых экспериментальных исследований по определению температурного состояния распылителя установлено, что температуры носика распылителя в дизеле с КС "лепесткового" типа на всех режимах работы ниже значений температур носика распылителя в дизеле с серийной КС, что может служить объяснением повышенной стойкости распылителя против закоксовывания сопловых отверстий у дизеля с КС "лепесткового" типа. Этот вывод был подтверждён моторными испытаниями дизеля с КС "лепесткового11 типа, проведёнными на судостроительно-судоремонтном заводе Астраханского рыбакколхозсоюза.

Таким образом, по результатам стендовых моторных испытаний, можно сделать вывод, что предлагаемое конструкционное решение по формообразованию камеры сгорания в поршне, путём придания ей формы, соответствующей форме и направлениям топливных струй, является по существу правильным. Эти же испытания подтверждают правильность методологии исследования, расчёта и моделирования процесса формообразования КС в поршне сложной пространственной формы.

Для окончательных выводов и рекомендаций по возможности внедрения КС в поршне "лепесткового" типа в производство малоразмерных дизелей различного назначения, в том числе и типа ч9,5/11, необходимо продолжить работы по исследованию рабочего процесса - исследовать индикаторные диаграммы, характеристики тепловыделения и т.д.

В заключении сформулированы основные выводы по работе. В данном исследовании была предложена новая форма камеры сгорания в поршне, названная "лепестковой". конструкция и технология изготовления которой заявлены на предмет выдачи патента РФ на изобретение.

В основу формообразования положен принцип равенства развития всех топливных струй обшего факела, впрыскиваемого в цилиндр, для чего в наклонной, тороидально-конической камере выполнены полости. Форма камеры была выбрана исходя из физического моделирования послойного впрыска топлива в цилиндр в специально созданной экспериментальной установке.

Математическое моделирование впрыска струи топлива и его смесеобразования с воздухом позволило уточнить некоторые положения газодинамики закрученных топливных струй, получить системы дифференциальных, а затем и расчетных уравнений, позволивших получить значения скоростей полета топливных струй до их встречи со стенками камеры.

Математическое описание формы камеры сгорания методами компьютерной графики позволило получить объёмное изображение камеры сгорания , задать её параметры в математической форме для дальнейших действий с ними в направлении оптимизации (по объёму) и для формирования исходных данных для разработки управляющих программ на станок ЧПУ.

Разработка принципов механической обработки КС "лепесткового" типа различными типами инструментов на станке ЧПУ позволило получит опытную партию поршней с камерами сгорания в них идентичной формы.

Развернутые моторные испытания дизелей с новой КС показали достаточно обнадёживающие результаты для того, чтобы можно было рекомендовать внедрение этой камеры в опытное производство с дальнейшей оптимизацией как её формы, так и регулировочных параметров дизелей, имея целью повышения их технического уровня и конкурентоспособности.

Основные результаты исследований приведены в следующих работах автора:

I. Джабраилов А.Д. Анализ влияния конструкций камер сгорания на эксплуатационные показатели дизелей // Сб. Разработка и ис-

следование параметров камеры сгорания в поршне сложной пространственной формы. С-Пт.: ИПМаш РАН, Препринт №144, 1998. С

2. Дорохов А.Ф., Джабраилов А.Д. Экспериментальное и теоретическое исследование формообразования камер сгорания дизелей // Сб. Разработка и исследование параметров камеры сгорания в поршне сложной пространственной формы. С-Пт.: ИПМаш РАН, Препринт №144, 1998. С 29-47.

3. Джабраилов А.Д. Дорохов А.Ф. Математическое моделирование формы камеры сгорания в поршне // Сб. Разработка и исследование параметров камеры сгорания в поршне сложной пространственной формы. С-Пт.: ИПМаш РАН, Препринт№144, 1998. С 48 - 62.

4. Дорохов А.Ф., Джабраилов А.Д. Механическая обработка камеры сгорания в поршне, как процесс получения внутренней поверхности сложной пространственной формы // Сб. Разработка и исследование параметров камеры сгорания в поршне сложной пространственной формы. С-Пт.: ИПМаш РАН, Препринт №144,1998. С 63 - 75.

5. Джабраилов А.Д., Дорохов А.Ф. Экспериментальные исследования характеристик дизеля с камерой сгорания в поршне "лепесткового" типа // Сб. Разработка и исследование параметров камеры сгорания в поршне сложной пространственной формы. С-Пт.: ИПМаш РАН, Препринт №144,1998. С 76 - 83.

6. Дорохов А.Ф., Джабраилов А.Д. Камера сгорания в поршне для дизелей подъёмно-транспортных машин авиационных терминалов // Сборник трудов преподавателей и сотрудников Дагестанского государственного технического университета (в печати).

7. Джабраилов А.Д., Дорохов А.Ф. Методология формообразования камеры сгорания в поршне "лепесткового" типа для малоразмерных дизелей // Сборник трудов преподавателей и сотрудников Дагестанского государственного технического университета (в печати).

5-28.

Г / г п ✓>

'пу/ / ч т

к/ /

у л ■/■ у

Дагестанский научный центр РАН Институт физики

.•ввавкмл* тгм'глтгаа лт-гпивжпга-хзшп пап « ьуппзгцкямкаа»1

1С 621.436.03,001,5

Дядо&ряилов Алексеи

.БОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТОРСКО-НАРАМЕТРОВ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ В ПОРШНЕ

Специальнооть; 05.04,0"

иловые двигатели

Диссертация на соискание учёной степени ^оА^У кандидата технических наук

'^Гб

Н&учный руков одитель: НА технических наук А.Ф. Дорохов

Махачкала 1998

(

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.ВВЕДЕНИЕ ..........................................................................4

2.ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ КАМЕР СГОРАНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЕЙ...........................10

2.1 .Анализ способов смесеобразования в

мал оразмерных дизелях .....................................................10

2.2.Особенности организации рабочего процесса и характеристики дизелей с камерой сгорания в поршне............. 18

2.3.Предложения по оптимизации конструкции камеры

сгорания в поршне ..............................................................29

Выводы. Цель и задачи исследования................................36

3. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ В

ПОРШНЕ ..............................................................................39

3.1. Выбор методологии формообразования камеры

сгорания..............................................................................39

3. ¿.Математическое моделирование процесса

впрыска топлива в цилиндр ................................................ 52

3.3 .Математическое моделирование

формообразования пространственно сложной камеры

сгорания в поршне ..............................................................72

3.3.1 .Задачи графического компьютерного моделирования...72 3.3.2.3адание исходных данных модели..................................73

3.3.3.Математическое описание модели ..................................75

3.3.4.Создание сеточной модели............................................. 80

3.3.5.Создание полной модели поверхности ..........................81

Выводы.................................................................................86

4.РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ В ПОРШНЕ НОВОГО ТИПА.....................88

4.1 .Конструкционное оформление камеры сгорания в

поршне .................................................................................88

4.2. Механическая обработка камеры сгорания в поршне, как процесс получения внутренней поверхности сложной пространственной формы................................... 95

4.3. Экспериментальные исследования характеристик дизеля с камерой сгорания в поршне "лепесткового"

типа ...................................................................................... 110

Выводы ................................................................................ 123

^ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................

Список использов анных источников Приложения.......................................

125

1. ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование процессов смесеобразования является одним из главных направлений улучшения показателей рабочего процесса, а, следовательно, и повышения технического уровня дизелей, что является побудительным фактором для исследователей периодически возвращаться к изучению этой проблемы с учётом систематически появляющихся новых знаний, методов и возможностей, используя значительный накопленный опыт ранее проведённых исследований. Обращение к проблеме повышения качества смесеобразования в дизелях актуально тем, что в ней заложены ещё достаточные резервы улучшения технических характеристик дизелей (экономичности, пусковых свойств, экологических показателей).

В настоящее время известно большое количество работ по исследованию процессов смесеобразования в которых представлены различные подходы к рассмотрению основных стадий смесеобразования: дробления впрыснутого топлива; развития впрыснутой топливной струи; испарения топлива и образования топливо-воздушной смеси /1 - 7 и др./. Детальные теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования рабочей

смеси часто приводят к разноречивым результатам, что не позволяет выработать единую точку зрения и является причиной различных подходов к моделированию. Поэтому рациональным представляется путь анализа и систематизации ранее полученных отечественных и зарубежных материалов для выявления общих представлений и концепций, которые могут быть положены в основу разработки методологии формообразования камер сгорания дизелей.

Перевод малоразмерных дизелей ч9,5/11 на объёмно-плёночное смесеобразование с непосредственным впрыском топлива в цилиндр и камерой сгорания (КС) типа ЦНИДИ, расположенной в поршне, позволил повысить технический уровень дизелей за счёт уменьшения удельного расхода топлива и улучшения пусковых свойств. В процессе внедрения КС модернизировалась, в результате чего её форма в большей степени была приведена к тороидальному типу.

Значительный вклад в работы по переводу малоразмерных дизелей ч8,5/11 и ч9,5/11 на новый способ организации рабочего процесса был внесён сотрудниками ЦНИДИ под руководством профессоров H.H. Иванченко, Б.Н. Семёнова, а также В.Т. Борду-кова. Большой объём НИОКР в этом направлении был выполнен работниками Каспийского завода "ДАТДИЗЕЛЬ" под руководством к.т.н. A.A. Аливердиева, к.т.н. В.II. Копцева и др. при участии специалистов Дагестанского политехнического института под руководством д.т.н. А.Ф. Дорохова,

Однако, перевод дизелей на новый способ организации рабочего процесса способствовал появлению новых проблем^ которых не было у вихрекамерных двигателей. Этими проблемами стали: недостаточная стойкость сопловых отверстий многодырчатых распылителей форсунок против закоксовывания (120 - 150 часов против 200, согласно ТУ) и повышенный уровень содержания токсичных веществ в отработанных продуктах сгорания, прежде всего NO и СО. По этой причине перевод всех типоразмеров дизелей ч8,5/11 и ч9,5/11 на непосредственный впрыск топлива, с КС типа ЦНИДИ, расположенной в поршне, не был осуществлён.

В связи с вышеизложенным представляется рациональным проведение исследований направленное на поиск такого варианта конструкционного оформления КС полуразделённого типа, расположенной в поршне, который позволил бы, при сохранении малых удельных расходов топлива и хороших пусковых свойствах, обеспечить нормативные значения содержания в отработанных продуктах сгорания токсичных веществ и требуемые (согласно ТУ на дизели) значения стойкости многодырчатых распылителей против закоксовывания сопловых отверстий (не менее 200 часов).

Целью диссертационной работы являлось решение важной научно-технической задачи - разработка методологии оптимизации формы и технологии изготовления камеры сгорания в поршне, обеспечивающей в малоразмерных дизелях высокий уровень их эксплуатационных показателей.

Диссертационная работа выполнена в отделе физико-технических проблем машиностроения Института физики Дате-

етанского научного центра РАН. Экспериментальные исследования проводились в Отраслевой лаборатории по судовым дизелям малой мощности при Дагестанском государственном техническом университете и в испытательной лаборатории дизельного отдела ОАО "ДАТДИЗЕЛЬ".

Практическая значимость работы, В целом результаты диссертационной работы направлены на повышение эксплуатационных показателей малоразмерных дизелей ч9,5/11, используемых в различных отраслях хозяйственной деятельности и совершенствование технологии изготовления их элементов.

Методология и результаты исследований по оптимизации формообразования камеры сгорания расположенной в поршне могут быть использованы в работах по совершенствованию рабочего процесса других типов дизелей.

Опыт математического моделиров ания процесса смесеобразования, компьютерной графики, математического моделирования процессов механического формообразования поверхности КС может быть использован при разработке технологий механической обработки внутренних поверхностей сложной пространственной формы.

Достоверность результатов работы. Достоверностъ полученных теоретических результатов обоснована применением признанных положений газовой динамики и термодинамики процессов смесеобразования, базирующихся на фундаментальных законах природы. Результаты расчётно-аналитических исследований

были получены путём применения методов математического анализа, математического и компьютерного моделирования.

Полученные результаты сравнивались с результатами исследований других авторов, полученных иными методами, а также с результатами натурных экспериментов и промышленных испытаний, проводимых испытательными подразделениями независимых организаций (ОАО "ДАГДНЗЕЛЬ", ОАО "СУДОРЕМОНТ").

На защипу выносятся следующие положения.

1. Принципы газодинамики процессов испарения топлива в отдельно взятой струе и его смесеобразования с воздушным зарядом в цилиндре.

2. Методология экспериментального обоснования оптимизации формы камеры сгорания в поршне.

3. Математическая модель формообразования камеры сгорания в поршне методами компьютерной графики.

4. Математическое моделирование процесса механической обработки камеры сгорания в поршне сложной пространственной формы с использованием программноуправляемого технологического оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены: на юбилейной научной конференции, посвящённой 40-летию образования Института физики ДНЦ РАН; на ежегодной научно-технической конференции преподав ателей и сотрудников Дагестанского государственного технического университета; в Институте машиноведения РАН. Результаты диссертации также докладывались и обсуждались на семинарах Института проблем

машиноведения РАН (С-Пб) и Астраханского государственного технического университета.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7-ми научных работах.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ КАМЕР СГОРАНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЕЙ

2.1. Анализ способов смесеобразования в малоразмерных дизелях

Развитие современного дизелестроенил определяется требованиями к увеличению агрегатной и цилиндровой мощности, снижению материалоёмкости, улучшению топливной экономичности, по вышению надёжности и экологической безопасности дизелей, Стремление обеспечить выполнение большинства требований и, г первую очередь - высокую топливную экономичность, отражаете: на выборе базовых размеров, уровней форсирования, способов оме сеобразования и определяет направления их дальнейшего развития.

В Российской Федерации серийно выпускаются два типа малоразмерных дизелей о диаметром цилиндра до 100 мм и рабочим объёмом цилиндра до 1,0 литра: ч8,5/11 и ч9,5/11-е разделённой камерой сгорания (КС) и вихрекамерным смесеобразованием, а также с КС в поршне /8, 9, 10/.

К характерным особенностям вихрекамерного смесеобразования относятся такие, как /11, 12, 13 — 16/:

и

- интенсивное движение воздушного заряда, позволяющее получить качественную топливо-воздушную смесь при впрыске топлива через шгифтовый распылитель с относительно низким давлением впрыска, Рг = 9™ 14 МПа;

- работа с невысокими значениями максимальной скорости нарастания давления при сгорании [ с!р/с1ср < 0,55 МПа/(° п.к.в.)]. вследствие перетекания горящего заряда из вихревой камеры в над-поршневое пространство цилиндра;

- относительно высокое значение отношения поверхности охлаждения вихревой КС к её объёму, что приводит к увеличению уровня тепловых потерь (здесь следует отметить, что это общепринятое мнение большинства исследователей /11, 13, 17/, однако детальные теплотехнические испытания вихрекамерных дизелей указанных типов, приведённые в работах /18, 19/, показали, что превалирующими, при оценке экономичности, являются гидравлические потери при перетекании газа, а не тепловые потери через стенки вихревой камеры);

- смещённое расположение вихревой камеры относительна центра цилиндра, что приводит к крайне неравномерному распределению температур в деталях, образующих объём рабочего цилиндр!; дизеля - цилиндровой втулке, поршню, огневому днищу головки ци ливдров /20, 21, 22/;

Исследования вихрекамерного способа смесеобразования про водились многими отечественными и зарубежными специалистами т организациями. Среди отечественных работ можно выделить иссле дования, выполненные в ЦНИДИ, МВТУ, НАТИ, МАДИ. Из зару

бежных работ - это труды Рикардо (одного из основ оположников данного способа смесеобразования) /16/, Алькока и других. Большой объём работ по совершенствованию вихрекамерных дизелей выполнен на предприятиях, выпускающих и выпускавших дизели данной конструкции - заводах "Датдизель" (ныне АООТ), Рижском дизелестроительном, Владимирском тракторном, "Юждизельмаше".

По сравнению с дизелями, имеющими неразделённые камеры сгорания, вихрекамерные машины характеризуются более высокие значения по удельному расходу топлива. Так вихрекамерный дизель 4ч9,5/11 ? согласно формуляру, обеспечивает удельный расход топлива при работе на номинальном режиме - Ь - 265 + 9% г/(кВт*ч). Этот же дизель, но с камерой сгорания в поршне, обеспечивает удельный расход топлива, равный 245 + 5% г/(кВт*ч) /8/. Причины такой разницы в экономичности считаются общеизв естными - для вихрекамерных дизелей это увеличенные потери теплоты в охлаждение и значительные потери энергии горящей и расширяющейся массы газа при её перетекании из вихревой камеры в надпоршневое пространство. Однако вихрекамерные дизели, помимо перечисленных выше достоинств, характеризуются сравнительно низкими значениями экологически опасных веществ, выделяемых в окружающую среду с продуктами сгорания. Так, средние значения газообразных выбросов, для вихрекамерных дизелей типа ч8,5/11 и ч9,5/11 (по данным исследований в АО "ДАТДИЗЕЛЬ"), составляют:

- Сш (%) - ± 8,5;

- Ссо (%) - ±9;

- удельный выброс г/(кВт*ч) - < 15.

В результате дизели с разделёнными КС, в том числе и вихре-камерные, находят предпочтительное распространение ( по сравнению о дизелями, имеющими неразделённые КС) на автомобилях, в технологических транспортных и грузоподъёмных устройствах, а также в стационарных энергоустановках, особенно работающих в закрытых помещениях.

Улучшение экономичности дизелей с разделёнными камерами сгорания связано с решением следующих задач:

- подбором оптимального объёма дополнительной камеры сгорания, температуры её поверхности, направления впрыска топлива и интенсивности движения воздушного заряда, определяемого вихревым отношением;

- подбором оптимального сечения и формы соединительного канала, а также его направления, для получения достаточной скорости перетекания заряда при одновременном уменьшении гидравлических потерь при перетекании;

- выбором рациональной конфигурации надпоршневого пространства с тем, чтобы обеспечивалось направленное движение воздушного заряда и наилучшим образом использовалась энергия газов, вытекающих из дополнительной камеры.

Достаточно действенным средством улучшения экономичности было сокращение продолжительности подачи топлива в цилиндр за счёт увеличения диаметра плунжера топливного насоса /8/.

Повышения экономичности вихрекамерных дизелей и улучшения их пусковых свойств можно добиться уменьшением теплоотвода

в охлаждающую среду от вихревой камеры путём её возможной термоизоляции, как это показано на рис. 2.1.

Схеме термоизоляции вихревой камеры сгорания

9

Рис. 2.1.

1 - охдаждающая среда; 2 - вихревая камера и рабочее тело в ней; 3 - термоизоляционная вставка вихревой камеры; 4 - вихревая

вставка.

Поскольку теплоотвод от вихревой камеры осуществляется непосредственно в охлаждающую среду то это оказывает негативное

влияние на пусковые качества дизеля и его экономичность. Поэтому рациональным предполагается такое техническое решение: поместить в теле головки цилиндров вставку 3 (рис.2Л) из материала с низкой теплопроводностью, например Т1 /20/, которая ограничит теплопередачу от рабочего тела в охлаждение в период запуска и выхода дизеля на рабочий режим. Усилить сопротивление теплопередаче можно нанесением на сферические поверхности вставки материалов о высокими термотаоляционными свойствами, например М2О3 или Жг02.

Относительно низкая топливная экономичность и затруднённость запуска без применения специальных приспособлений ( свечей накаливания) предопределили целесообразность выполнения комплекса работ по переводу части выпускаемых дизелей ( типа ч9,5/11) о вихрекамерного на объёмно-плёночное смесеобразование с камерой сгорания полуразделённого типа (ЦНИДИ) в поршне и непосредственным впрыском топлива в цилиндр.

В дизелях с КС в поршне и объёмно-плёночным смесеобразованием часть топлива ( до 40% объёма и более) наносится на горячие стенки КС в виде плёночного пристеночного слоя, испаряется и смешивается с зарядом, находящимся в интенсивном движении. Остальное топливо распыливается в объёме КС, что обеспечивает своевременное образование очагов, являющихся источником воспламенения топлива, испарившегося со стенок КС /21/.

Малоразмерный дизель с камерой сгорания, расположенной в поршне, характеризуется следующими особенностями:

- работе дизеля с