автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Разработка методических основ прогнозирования показателей компаундной установки

МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ -ЛЙ» МАЛИ

АВТОМОБКЛЬНО - ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ "^ГТ-

( ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ )

РГ6 ОД

1 3 ;/.:;!

На правах рукописи

САЛАМ САЕР ФАУАЗ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОМПАЛЩНОЙ. УСТАНОВКИ

Специальность: 05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических ваук

МОСКВА - 1995

Работа выполнена на кафедре автотракторных двигателей Московского государственного автомобильно-дорожного института (Технического университета)

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Й.С. Хачиян

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.И. Толшин

кандидат технических наук, старвий научный сотрудник Т.Н. Смирнова

Ведущая организация - Главный научный центр НАИИ Завита состоится __1995 года в

/¿г: час.

на заседании диссертационного совета К 053.30.09 ВАК РФ при Московской государственном автомобильно-дорояном институте (техническом университете) по адресу: 125829, ГСП-47. Москва, й-319, Ленинградский проспект, 64, УЙДИ (ТУ), ауд. 42.

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке института.

Отзывы просим представить в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Телефон для справок 155-01-38.

Автореферат разослан

.. 1995 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

В.И. ВЛАСОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ "

Актуальность работы. Традиционные способы повышения удельных показателей дизелей позволили уте обеспечить весьма высокие значения удельных показателей.Поэтому за последние годы появился интерес к проблеме утилизации теплоты, теряемой в среду охлаждения и с выпускными газами. Несмотря на немалое число работ.посвященных различным способам утилизации теплоты, ряд способов изучен недостаточно полно, в публикациях по ним имеются противоречивые выводы. Это определило выбор темы работы, црсвященной изучении проблем, возникающих при создании компаундвых установок с утилизацией теплоты в силовой газовой турбине, уточнению прогнозирования их показателей.

Цели работы: 1. Проверка гипотезы о существенной (в несколько раз) интенсификации теплообмена при повышении температуры поверхности деталей камеры сгорания выше некоторого критического значения. 2. Изучение возможности обеспечения в условиях ограничения теплообмена высоких показателей действительного цикла.3. Уточнение методики н программы прогнозирования показателей и характеристик компаундной установки с силовой газовой турбиной, расположенной последовательно с турбиной газотурбокомпрессора (ТК).

Методы и объекты исследования В работе сочетались методы расчетного и экспериментального исследования. Расчеты выполнялись на PC/AT с 386 процессором. Опыты - на установке с одноцилиндровым дизелем перспективной размерности дизелей КамАЗ - S/D = 130/120.

Ограничение теплообмена достигнуто применением 4-х клапанной головки цилиндра из чугуна и составного поршня* вместо базовых деталей из алюминиевых сплавов.

Научная новизна. Выяснено, что при температуре поверхности • камеры сгорания, превышающей 900 К, не происходит интенсификации теплообмена по сравнению с обычными температурами $ 600 К. Показано, что в условиях ограничения теплообмена высокие показатели действительного цикла могут быть обеспечены при • использовании осе симметричного процесса смесеобразования,' широкой камеры сгорания, невысокой интенсивности вихря, многодырчатого распылителя и достаточно высокой анергии впрыскивания. С использованием этих сведений разработана уточненная методика и

*Црименен составной пороень конструкции НИИД-МАДИ

программа прогнозирования показателей и характеристик комшувдной установки с утилизацией теплоты в силовой газовой турбине, расположенной последовательно с турбиной ТК.

Практическая полезность работы Для создания компаундной установки мощность!) 309 кВт при пн = 2200 мин-1 и эффективным к.п.д. до 0,4Б7 на базе дизеля КамАЗ 78 с Б/В = 130/120 могут быть использованы: размеры компрессора и турбины ТК, размеры силовой газовой турбины, величина передаточного отношения между силовой турбиной и коленчатым валом дизеля, форма и размеры камеры сгорания, 4-х клапанная головка цилиндра и механизм газораспределения, основные размеры топливной системы, в частности, число и размер сопловых отверстий.

Методика и программа прогнозирования показателей и характеристик компаундной установки могут быть использованы в работах по предварительной, до начала проектирования, оптими??ции основных элементов компаундных установок, создаваемых на базе автотракторных дизелей близких размеров и метода организации рабочего процесса.

Реализация результатов работы Методика и программа прогнозирования показателей и характеристик компаундной установки используются уже в течение 2-х лет в учебном процессе групп ЛВС и специализированной группы ДМ, а также в дипломных работах. Результаты работы переданы в виде кратких отчетов в Министерство науки и технической политики Российской Федерации для использования в разработках заводов отрасли.

Апробация работа Диссертационная работа была заслушена и одобрена на заседании кафедры "Автотракторные двигатели" Московского государственного автомоОильно-дорожного института (Технического университета). Основная часть исследований представлена в виде докладов на V Международном симпозиуме по теплообмену и утилизации теплоты в Польша, сентябрь 19Э4 г., IV конференции по\ цуску ДВС в Польше, ишь 1995 г.

Публикации. Результаты работы изложены в статье и двух опубликованных докладах ва международных конференциях.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из, введения, 5-ти глав, выводов и приложения. Она содержит 118 страниц основного текста, 32 рисунков, 14 таблиц. Библиография

включает 85 наименований, в том числе 31 шостраншх.

СОДЕРИШЕ РАБОТЫ

В пвтпзой главе приводится обзор опубликованных работ по способам улучшения экономичности дизелей, проблемам и перспективам создания двигателей с ограничением теплообмена, а тахгэ способам утилизации теплоты отработавших газов. Рассматривается детально работа, выполненные з МГТЖ им. Н. Баумана, Харьковском политехническом институте, ШЩИ, (ЩИ, а также большое число работ, выполненных в Германии, США, Японии.

Рассматриваемая в диссертации проблема получила развитие благодаря работам Н.К. Шокотова, Н.Ф. Разлэйцэва, H.A. йващенко, Н.Д. Чайнова, В.Б. Огородншсова, В.В. Бордукова, Г.Е. Живлшка, A.B. Никитина, A.C. Хачпяна, В.В. Синявского, G. Woshni, Т. Morel, 5. iuruhama, Y. Enomoto и др.

Особое внимание в обзоре уделэно исследованиям, в которых предпринята попытка объяснить обнаруженное в ряда работ ухудшение показателей при использовании в дизеле ограничения теплообмена. Одной то причин может быть интенсификация теплоотдачи в результате приближения пламени к поверхности камеры сгорания, имеющей высокую температуру, уменьшения толщины защитного пограничного слоя. Высказывается- предположение- о том,- что при попадании значительной части топлива в пристеночнув зону детали, ииекцой высокую температуру поверхности, происходит рассогласование в скоростях испарения и диффузии, в рэзультате чего в пристеночной зоне образуется пвреобогащеннзя топливом смесь, являющаяся причиной повышенного сзжеобразования и затянутого горения. Эффект, получаемый в результате ограничения теплообмена и применения силовой газовой турбины, существенно различным образом оценивается в рассмотренных работах. Так, в некоторых из них утверждается, что в результате ограничения теплообмена экономичность дизеля улучшается на 14%. В других, напротив, отмечается ухудшение экономичности на 17%. '

Имеются, по меньшей мере, две причины столь различных оценок. Первая состоит в. том, что; исследования _ бшш недостаточно комплексными. Не предпринимались попытки оптимизации процессов смесеобразования и - тепловыделения в новых условиях дизеля с ограниченным теплоотводом (ДОТ).....

Наибольший положительный эффект от применения ДОТ и компаундирования получен в чисто расчетных работах. К сожалении, в них нэ приводятся достаточные сведения о методике и программе расчетного прогнозирования. Поэтому трудно дать объективную оценку полученных высоких показателей работа компаундной установки. В большинстве таких расчетных работ нет попытки моделирования процессов и характеристик всех елементов компаундной установки с силовой газовой турбиной, т.е. не рассматривается система в целом во взаимосвязи и взаимном влиянии всех элементов. Это может явиться причиной ошибочных оценок.

В данной работа рассматривается утилизация теплоты в силовой газовой турбинв (СТ), расположенной последовательно с турбиной ТК, так как в более ранних работах МАДК показано, что такоэ схемное решение для дизелей автотракторного ряда мощности . предпочтительнее.

Обзор позволил сформулировать цели данной работы. Они приведены выше в общей характеристике работы. Для достижения поставленных целей решались следущие задачи:

1. Создание экспериментальной установки с одноцилиндровым дизелем в вариантах без ограничения теплообмена и с ограничением теплообмена. - •-

2. Разработка уточненной методики имитации на установке с одноцилиндровым дизэлам условий осуществления рабочего процесса в дизеле с ограничением теплообмена, . работающего в составе компаундной установка.

3. Исследование граничных условий теплообмена при работе с ограничением топяооОмена.

4. Сравнительное исследование рабочего процесса дкзоля при отсутствии и наличии элементов ограничения теплообмена.-

5. Уточпэпкз методики и программы для ЭВМ прогнозирования показателей п характеристик компаундной установки, в которой для частичной утилизации тешюты выпускных газов после турбины ТК последовательно с нэй устанавливается силовая газовая турбина.

Во второй главе рассматривается уточнения, внесенные в методики и программы расчета четырехтактного цикла и прогнозирования показателей и характеристик компаундной установки, которые были ранее разработаны на кафедре "Автотракторные

к

двигатели" МАДИ..

В новой версии методики-и программы расчета четырехтактного цикла может рассматриваться дизельное топливо любого состава, учитывается влажность воздуха, применяется более универсальная запись уравнения для расчета выгорания топлива. Программа позволяет вводить в исходных данных не только, цикловув подачу топлива, но и коэффициент избытка .воздуха.

В методику и программу добавлены:

1. Расчет подогрева заряда в процесс» впуска.

2. Возможность расчета коэффициента теплоотдачи по новой формуле Г. Вошни.

3. Расчет среднего - коэффициента теплоотдачи и результирущей по теплообмену температура рабочего тела за отдельные периоды цикла.

4. Учет заброса продуктов сгорания во впускной трубопровод в начальный период открытия впускных клапанов и возврата их в цилиндр в смеси со свежим зарядом.

Существенно уточнены: расчет состава рабочего тела в цилиндре в различные периоды цикла и определение эффективного проходного сечения во впуекнет и выпускных клапанах. Последнее оказалось возмогшим благодаря продувке каналов с клапанами в условиях стационарною потока на специальной установке в лаборатории КамАЗ.

Система уравнений, как обычно, включает уравнения энергетического, материального баланса и состояния.

Допущения и особенности программы.

1. Цилиндр рассматривается как открытая термодинамическая система, содержащая идеальный газ переменного состава, в каадкй момент времени давление и температура которого одинаковы по всему ' объему.

2. Характер выгорания известен и выражается уравнениями:

где Ц>воспл - момент воспламенения ._<Р2Н - длительность первой фазы тепловыделения):

- для первой фазы тепловыделения (<р

воедл

$ ср $ <р

и 7 =

Ф ^воспл

- дая второй фазы тепловыделения (ф^^-кр^«; <р < ФВОСШ1-крг) :

[m+1-i

1-e-6'908Y J.

При расчетах принимали /Ц =0,1, <pzn = 6° ПКЗ. Значения <pz и

m рассчитывала по вмпнрическим внраЕэниям в функции частота

вращения п, коа!фициэнта избытка воздуха а, давления рв,

температуры Тз воздуха во впускном трубопроводе и угла опережения

воспламенения <& .

Тбоспл

3. Теплообмен рассчитывается по уравнениям, предложенным Г. Вошни:

, . ,о,г , .0,8 , . .0,53 0,8 S = 127,9. Щ ■ (ggfej •(-!-] • Л , ВТ/М -К.

Здесь ИМ^ .Сп+Сг—1р - pj; С1 =2,28;Сг =3,24И0~3 м/К-с;

в случае ограничения теплообмена

Сг = 2,3-1 СГ5-(УЯ-6Ш)+0,005. При расчете теплообмена средняя по времени и поверхности омываемой рабочим телом в цилиндра температура головки цилиндра -поршня Т и гкльзы цилиндра Т определяются по уравнениям вида

п а, "э <? ai Г ал Ti

Й- '

Величины В, В1, а(, а£,а3, ад, а5 били определены ранее в работах A.C. Хачияна с использованием результатов измерений температур головки цилиндра, пораш, гильзы цилиндра дизелей ЯМЗ (2-х размерностей), КамАЗ и ЗИЛ.

В уравнении: р0 = 0,1 Ша, TQ = 2S3 К, Сд - средняя скорость поршня, м/с, D - диаметр цилиндра, м. Бри расчетах цикла дизэля с ограничением теплообмена для определения В ■ в случае головка цилиндра - горгшя использовали результаты измерений температур головки .цилиндра и поршня на одном из режимов . работы дизеля. Допустили, что степень влияния рз, a, Tq. Ол ж V - такие ко, как в дизеле без ограничения теплообмена. Это допущение требует -последуидей проверки.

4. Диссоциация и утечки газа но учитываются.

5. Увеличение газообразной масси б цзлигдре з результате ■ сгорания топлива на каздом временном ааге происходит в его конце.

6. Истечение газа через гнусхинэ и шпускныэ клапана

принимается квазистационарным. Влиянием волн и инерции потоков пренебрегавтся. ■

.Система уравнений, используемых для расчета совместной работы элементов кошаундной установки и прогнозирования ее показателей и характеристик, вклшает:

1. Уравнения термодинамики и теории двигателей.

2'. Условия совместной работа компрессоров, турбин» охладителей наддувочного воздуха (ОНВ) и дизеля.-

3. Представленные в аналитическом, видэ характеристики лопаточных машин.

4. Модель дизеля в виде полиномов связи между . показателями дизеля и семью управляющими факторами.

5. Ряд эмпирических выражений, по которым определяются потери давления на участках системы, тепловая эффективность ОНВ, потери на трение, выражения для приближенной оценки влияния пульсаций параметров состояния на пропускную способность и к.п.д. турбины.

Методика и программа прогнозирования показателей и характеристик кошаундной установки уточнены в следующих направлениях.

Применили вместо шестифакторныг семифакторпые полиномы для определения индикаторного к.п.д. т}±, максимального давления цикла ' рг.коэффициента наполнения т^ 'и поправки на температуру газа перёд турбиной вследствие ограничения потерь теплота в среду охлавдения АГ„ по результатам расчета циклов четырехтактного двигателя. В качестве седьмого фактора использовали давление на выпуске рт, которое в компаундной установке с последовательным расположением турбины газотурбокомпрвссора и силовой турбины можзт оказать заметное влияние на показатели дизеля, используемые при прогнозировании.

В итоге, в качестве управлящих факторов использовали п, а, Ра' Фвоспл' срэД0™ температуру поверхностей теплообмена и рт. Температура газов перед турбиной определяется в случае двигателя с ограничением теплообмена Гтдот = ГТ + А3"т, причем4 Гт определяется по полиному, полученному, обработкой 'экспериментов, проведенных на. КамАЗ с дизелями, имеющими наддув.

Для проведения ..ыногофзкгорного расчетного эксперимента выбран рототабельный композиционный пятиуровневый план второго порядка

для семи факторов.

Ери проведении работы использована вместо базовой ■ двухклапанной головки цилиндра из -алюминиевого сплава 4-х клапанная головка цилиндра из чугуна, спроектированная и изготовленная сотрудниками КамАЗ и доведенная в'ходе данной работы. .В ходе данной работы спроектирован, изготовлен и использован при опытах механизм газораспределения работажщий с 4-х клапанной головкой цилиндра. Основную трудность, естественно, представило прсоктгровзппо и изготовление кулачков газораспределения. Проектирование выполнено профессором (А..Б. Павловым! при участии автора.

Так как фазы газораспределения нв входят в число управлящих факторов, необходимо было выбрать фазы компромиссно-оптимальными для любых сочетаний управляющих факторов. С этой цельв выполнены серии расчетов 4-х тактного цикла при 2-х частотах вращения (п = 2600 мин~1 и п = 1400 мин-1) для 2-х соотношений величин давления на впуске и выпуске дизеля (рз/рт=0,3/0,15=2 и рз/рт=0,15/0,3=0,5).

Регрессионный анализ результатов расчета циклов 4-х тактного двигателя позволил получить полиномы = /<*, а, рз, Та, рт, ТГУ,

\> Ря. V АТт ="/(11, 12, 13, Хд, Х5,' 16, 17), " которые использованы при прогнозировании показателей и характеристик кошаундаой установки.

В саму программу расчета также внесены изменения, направленные Еа уточнение прогнозирования. Так, в программу введены выражения для расчета средней температуры поверхностей деталей Тиор, так как предварительный сналкз обнаружил" заметно.1, изменение Гиср с рэзшмсм работы силовой .установки (СУ).

При расчетах совместной работы дизеля с ТК и силовой .турб^яой использовались характеристики компрэссора, турбины ТК е Дсиловг^ турбины, спроекированных для разрабатываемой установки в ХШЕГ." под руководством^.!.;Штросянца. —-■'-• - - - - . 1—

По рэзультатам проектирования > определены характеристик лопаточных машин. Они представлены в виде палиноюв и использованы в программе прогнозирования показателей и характеристик СУ.

В программе предусмотрены такхэ возможности нсдользованкч разработанных ронев в МАЛИ' обобщенных характзристж лопаточнл.

машин и конкретньсс характеристик, полученных опытным путем.

В третьей главе рассматриваются методика и результаты расчвтно-экспэриментального анализа условий теплообмена в дизеле при повышенной температуре деталей. Описана методика экспериментального , определения локальных температур и тепловых потоков передаваемых через детали. Методика и ее реализация основаны на работах, выполненных в Институте технической теплофизики АН Украины под руководством Максимова!. Использовались датчики

теплового штока (ДТП) для головки цилиндра и для поршня. Для соединения датчиков установленных на порше с усшщвапдей и регистрирующей аппаратурой применен двухзвенный рычажный механизм.

Для прзверки гипотезы Г. Вошви о существенной (в несколько раз) интенсификации теплообмена при повышении температуры поверхности камеры сгорания вше 600 К сравним результаты измерения температур составного поршня с результатами расчета его температурного поля. Граничные условия теплообмена со стороны рабочего тела рассчитывались с использованием программы расчета 4-х такт-ного цикла автором. Расчеты температурного поля поршня и головки цилиндра выполнялись сотрудниками кафедры Э-2 МГТУ им. Н. Баумана под руководством профессора Б.Д. Чайнова. Граничные условия теплообмена в виде среднего по времени коэффициента теплоотдачи и результирующей 'по теплообмену температуры "заряда последовательно уточняли с использованием результатов расчета температурных полей. Головки вариантов поршней приведены на рис. 1. В табл. 1 приведено сравнение измеренных температур с расчетными по двум уравнениям, предложенным Г. Вошни, одно из которых отражает якобы имвнцуи место интенсификацию теплообмена при повышении температуры поверхности выше 600 К. . ,

Из табл. 1 следует, что при использовании новой формулы Г. Вошли, отражающей его гипотезу о резкой интенсификации теплоотдачи, различия в расчетных и измеренных значениях температуры поршня достигают 66,5°, в то время как " цри ■использовании традиционной формулы они не выше 12,5°. Отсиди- был сделан вывод о том, что гипотеза Г.. Вошви о резкой интенсификации теплоотдачи в ваших условиях нв нашла подтверждения.

' Расчеты температурных полей базового поршня из алюминиевого сплава и составного поршня на номинальном режиме и режима '=Ктах

m

Таблица 1

Сравнение результатов расчетного и экспериментального определения температур для характерных зон деталей

Зона измерения Расчет по старой формуле Г.Вошни Расчет по новой формуле Г.Вошни Эксперимент

Вытеснитель поршня 562.5 516.5 566.5

В наиболее глубокой части ш-емки поршня 547 600 539.5

В центральной части поршня 562.5 616.5 550

Перемычка головки цилиндра мезеду зп. и вып. клапанами 179 172

Центр головки цилиндра 164 - 162.5

Перемычка головки цилиндра мвжду в®1- клапанами 195 206

обнаружили уменьшение теплового потока, передаваемого через составной поршень, более чем в два раза (на 52%).

Общий эфрэкт, достигнутый по уменьшению потерь теплоты в среду охлаждения в результате перехода от варианта деталей алюминиевый поршень - алшипиэвая головка цилиндра на вариант составной поршень - чугунная.головка, определенный расчетами цикла с использованием старой формулы Г. Вошли, составил при п = 2200 р.ян"1 20", а при п = 14С0 мин-1 - 14,25%. _ '

Расчетный анализ обнаружил также, что различия в граничных условиях теплообмена при изменении материала деталей получаются небольшими. Заметное изменение температуры деталей связачо, в основном, но с изменением гравичшх услоеий-теплообмена со сторон;} рабочего тола," а с изменением тррмнческого . сопротивления теплопроводности, которое особенно велико при применении составной

конструкции поршня.

» •

В четвертой тлаве. выполнены сэршта опытов с цэльв изучения влияния ограничения теплообмена на рабочий процесс дизеля.. Опыты проводились на режимах имитации внешней характеристики компаундаой установки. Во всех сериях использовались головка цилиндра из чугуна с 4-мя клапанами и поршень с камерой сгорания типа Гвссель-мана. Сочетание рз, Тд, рт и С^ установлено расчетами совместной работы дизеля с ограничением теплообмена, ТК, ОНВ и СТ. Для обеспечения наиболее строгих условий сравнения показателей рабочего процесса названное сочетание оставалось неизменным во всех сериях опытов. Использовалась топливная аппаратура разделенного типг, с диаметром и ходом плунжера 12 мм, топливопровод с внутренним диаметром 2 мм и длиной 940 мм.

Опыты, проведенные с поршнями вариатов рис.1. а ж б, и топливной системой с цГр=0.36 мм^ при сема сопловых отверстиях обнаружили резкое ухудшение показателей действительного цикла при переходе от поршня из алюминиевого сплава на поршень составной.

Анализ причин ухудшения показателей действительного цикла привал к двум заключениям:

1. при использованном распылителе с большим диаметром соплового отверстия существенной оказывается доля топлива,- попадавшего в пристеночную зону поршня. В случае составного поршня . в результате "заметного" "повышения температуры в месте попадания топлива в пристеночную зону ■( на 310 - 375° ) происходит резкое ускорение испарения при недостаточном' ускорении дайузии паров топлива в окружающий богатый кислородом заряд. В результате создается местное пвреобогащвниа с существенным сажеобразованием, сопрововдащимся поглощением теплоты в период, когда поршень находится еще вблизи ВШ\ Это, естественйо .снижает использование теплота для получения работы.

2. Применяемое при опытах с составным поршнем жаровое\ кольцо в условиях опытов не обеспечивает необходимого, уплотнения ■ объема цилиндра. В результата значительным оказывается прорыв газов, также приводящий к уменьшению индикаторной работы. Об атом, в" честности, свидетельствовали меньшие значения давления в конце сжатия в случае использования составного поршня.

Для улучшения показателей цикла и двигаталя выполнены следующие мероприятия:

1. Заменен распылитель форсунки. Подобран распылитель с рГр=0.232 мы^, при котором, как показали специальные опыты, отсутствуют дополнительные впрыски топлива на режимах испытаний. Другие размера топливной системы не изменялись.

'2. Переконструирован поршень, как показано на рис." 1 ,в. Жаровое кольцо, заменено на обычное компрессионное.

Как показало определение характеристик впрыскивания, уменьшение проходаого сечения сопловых отверстий путем уменьшения нх диаметра при сохранении числа сопровождается заметным увеличением давлений впрыскивания.

Анализ развитая тошившп струй обнаружил что при меньшем дяамзтрэ сопловкх отверстий меньше попадания топлива в прл-стэночнув зону, особенно прд п= 18Ю гаш-1.

Результаты сравнительного исследования рабочего процесса при новой комплектации. топливной системы и поршнях показанных на рис. 1 а,в приведены в табл. 2, а характеристики активного тепло- . выделения на рис. 2 .

Результаты сравнительного исследования тепловыделения при 2-х частотах вращения несколько различается.

В случав л=1400 мин-1 заметно изменяется при ограничении теплообмена ' характер " тепловыделения рис. 2,а: Его начало на-" значительно опережается, уменьшаются первый и второй максимумы 1 скорости тепловыделения, заметно увеличивается наибольшее значение коэффициента активного тепловыделения, но наступает позднее. Увеличение ?ша2:» естественно, связано с уменьшением потерь теплоты в среду охлаждения.

Обращает на себя внимание • более пологий спад скорости тэпловвделзния в конце процесса при составном пер—'V. 'Д ознания в ' характере тепловыделения хорошо согласуется с гипотезой об' образовгнии вблизи стенки камеры сгорандя зона перзобогащенной смеси, способствующей интенсивному сажвобразовавиа.

. Совместное действие ззмедленного догорания, оттределящего увеличение потерь от пвевоввреганното сгорания^ и уменьшения потерь в среду охлзздопия же от следствием полученнз при обоих поршнях близких значений индикаторного в эффективного к.п.д.

Большее езжеобразованю в случае' поращл. обэешчиваыцего ограничение теплообмена, имеет следствием и небольшое увеличение

Таблица 2

Результаты определения показателей рабочего процесса при распылителе ц/=0,232мм2 и двух поршнях

й п/п Материал поршня я, мин"1 РаМПа К Рт. Ша мг/ц а

1 Сост. 1394 0.144 307.8 0..162 73.52 2.04 0.907

2 А1 1398 0.145 304.4 0.164 73.69 2.124 0.924

3 Сост. 1401 0.186 322.6 0.198 126.96 1.46 0.904

4 А1 1404 0.188 321.0 0.199 127.07 1.493 0.910

5 Сост. 1800 0.203 326.5 0.251 125.54 1.575 0.893

б А1 1800 0.201 327.3 0.249 123.52 1.625 0.917

Продолжение табл. 2

£ П/П Т , г к Ре- МПа РМ- МПа РГ МПа Р*' Ша V °пкв т ' К °ПКВ

1 768 0.775 0.229 1.004 9.93 187 1708 19.7

2 694 0.734 0.249 0.983 10.15 186 — 14.8

3' 941 1 »355 0.263 1.618 13.17 189 1992 24.1

4 859 • 1 .ЗТ6 0.233' "1.605 13.43 '190 " '1956 '20.0'

5 983 1.270 0.369 1.639 13.21 191 2035 24.5

6 908 1.254 0.355 1.609 12.86 190 1878 25.0

Продолжение табл. 2

Я П/П ^20 ^тсх чпах °ПКВ Е^дах* Дж/град КГ/Л 41 [ЙР1 ' Чертах МПа/град

1 • 0.698 0.851 49.6 64.17 0.12 .469 .363 0.703

2 0.67 0.711 32.7 79.18 0.12 .461 .345 0.856

3 0.631 0.806 52.6 38.80 0.20 .441 .369 0.536

4 0.697 0.776 42.2 47.50 0.14 .438 .375 0.614

5 0.739 0.887 37.5 34.33 0.13 .452 .250 . 0.475

6 0.662 0.816 40.4 39. СГГ 0.16 .451 .351 0.511

Характеристика активного тепловыделения при а)п=140Смщь1 ;Ь)п=1800мил-1 Поршень из алпдшиевого сплава ;----Составной поршень. ' •

саже содержания отработавших газов на режимах с а = 1,46 - 1,55.

Повышение давлений впрыскивания благодаря уменьшению диаметра сопловых отверстий заметно улучшило показатели при обоих поршнях. Улучшение в случав составного поршня оказалось, однако, большим. Этому способствовала как отмеченные выше особенности процессов смесеобразования и тепловыделения' при повышенной температура поверхности поршня, так и визуально отмеченное улучшение герметичности камеры сгорания вследствие изменения при составном поршне кольцевого уплотнения. Модернизированное кольцевое уплотнение обеспечило - заметное повышение давления в цилиндре в период развития топливных струй и, как следствие, уменьшение количества топлива достигающего пристеночной зоны.

В случае п=1800 ига""1, очевидно, произошло дальнейшее уменьшение -количества топлива достигающего пристеночной зовы в результате отмеченного выше более заметного уменьшения пробивной способности топливных струй и большего сноса капель вихрем .имеющим при большей частоте вращения большую интенсивность. Как следствие, эффект переобогащения пристеночной зоны топливом в результате более интенсивного испарения топлива в случае более высокой температуры поверхности поршня практически не проявился и поэтому тепловыделение развивается благоприятнее.

•В - целом по результатам сравнительного анализа рабочего процесса можно отметить, что • модернизация кольцевого уплотнения поршня и уменьшение диаметра сопловых отверстий позволили обеспечить при ограничении тэшюобмена показатели действительного цикла не хуже чем нрт базовом порше из алюминиевого сплава.

Для выяснения резервов улучшения показателей выполнены расчеты четырехтактного цикла. Ври расчетах продолжительность горения принималась равной 50, ВО, 70° ПКВ, в зависимости-от режима. Значения угла опережения воспламенения в расчетах выбирались так чтобы- близкими с опытными оказались значении максимального давления цикла. Из сравнения следует, что получена хорошая сходимость по величине коэффициента"наполнен®! (расхоздение не" более 1,38 ). Сопоставление значений индикаторного к.п.д. свидетельствует о наличии резервов повышения экономичности действительного цикла. Различия в к.п.д. цикла составили 3,3-82.

В пятой главе приводятся результаты прогнозирования показа-

телей дизеля с наддувом в базовой комплектации (головка цилиндра и поршень из алшинизЕого сплава) и компаундной установки в двух вариантах: без ограничения теплообмена и с ограничением теплообмена.

Для дизеля с турбонадцувом при прогнозировании использовали обобщенные характеристики TIC. При оптимизации с использованием обобщенных характеристик изменяли размеры колес, эффективное сечение турбины турбокомпрессора. В остальных вариантах использовали проектные характеристики ТК и CT, ' разработанных ХИИТ. При выборе оптимального варианта за критерий оптимизации принимали величину среднего для всей внешней характеристики значения удельного эффективного расхода топлива, полученное при допустимых значениях коэффициента избытка воздуха, скорости на внешнем диаметре колес турбокомпрессора, максимального давления в цилиндре и запаса по помпажу. у -

На рис. 3 приведены результаты расчетного прогнозирования показателей компаундной установки при отсутствии и наличии ограничения теплообмена в сравнении с показателями базового дизеля с наддувом.

При работе с силовой турбиной без ограничения теплообмена в

дизеле наибольшее снижение удельного эффективного расхода топлива

-имеет место При п = 1400'мин-1 и достигает 8,5'г/кВт-ч (4,3%).' "

m±n в конпаУНДВой установке составляет 189 г/кВт-ч. Интересно

зтметить, что в первом турбскокпзундном дизеле, поставленном на

троизводство, - дизеле DTS 1101 фирмы Scania ( F6, S/B = 145/127,

Те = 2S5 кВт при п = 1900 мин-1) g „ = 135,3 г/кБт-ч, что г ном °е rain

учонь близко к прогнозируемому значению. Представляет интерес гакжэ сравнение эф|ектз компаундирования с полученным при разработке компаундной установки на базе дизеля ЕЧН 12/14 СКБД ?. Харьков. При п •= 2000 мин-1 снижение ge в результате компаунди-хзвания составило Э г/кВт>ч, что тзюго очень близко к полученным ;ри нашем прогнозе результатам. Это может свидетельствовать о достаточной надежности прогноза.

В случае ограничения теплообмена ниже значения коэффициента гаполнения. Это частично компенсируется более высоки га значения?® ¡явления наддува, частично же - меньшими значениями цикловой по-г.ачи топлива из-за более эффективной утилизации теплоты вследствие ¡о лее высокой температуры газов, выпускаемых из цилиндра. В ре-

ff

Прагназирутыв ёигшние xa раку ер ис тика дизерл а 7ур5онсгддуВатномпаунднай упаиорки

Я, МЛ*

A5 Pr finí!* ■

7WW 130

' m

ira __.. _

ma i£Do _ iïoo isoo íboo гооо ггоп.ц^ин..

y--X Базовый дизт с наддуЬп FTo =0р0£Ьмг;Д«гАт1009м

•---г— нампзиноная иппнавка 7;,,= п е..sQtQQ¿Mi.

щм; дГу=о, ioe,м Pud. z

Í2

зультате не происходит снижения избытка воздуха, а индикаторный к.п.д. дизеля несколько растет из-за меньших потерь в среду охлаждения.

Ограничение теплообмена обеспечивает заметное улучшение экономичности энергетической установки и повышение эффективности компаундирования, особенно в диапазоне высоких частот вращения. В компзундной установке в результате ограничения теплообмена удельный эффективный расход топлива уменьшается на 10 г/кВт>ч при номинальной частоте вращения.

Компаундирование при ограничении теплообмена по сравнению с базовым дизелем обеспечивает снижение ge на 1G г/кВт*ч (7,9£) при номинальной частоте вращения, ge min снижается на 13 г/кВт>ч (6,7Ж).

Уместно отметить, что при компаундировании с ограничением теплообмена прогноз выполнен в предположении использования 4-х клапанной головки цилщдра из чугуна вместо 2-х клапанной головки цилиндра из алюминиевого сплава в базовом дизеле с наддувом. Увеличение эффективного сечения в клапанах позволило уменьшить повышение потерь на газообмен, которое обычно имеет место при установке силовой турбины послвовательно с турбиной ТК. Мощность силовой турбины даже в случав работы без ограничения теплообмена постигает 45,5 кВт, что составляет 14.5S от мощности установки. Повышение экономичности на номинальном режиме составляет лишь Ъ,2%. Связаны эти различия с тем, что установка последовательно с ГКР силовой турбины приводит к существенному увеличению работа зыпуска. Кроме того заметными является потери в передаче от СТ к коленчатому валу двигателя.

вывода

Исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Применение четырэхклапанной головки цилиндра, зместо двухклапанной головки цилиндра, позволяет избежать чрезмвр-'. toro снижения коэффициента наполнения и повышения среднего давлэ-шя потерь на газообмен при установке силовой газовой турбины «¡следовательно с'турбиной ТК.

2. Расчеты температурных полей головки цилиндра и составного горшня, проведенные по методике МГГУ им. Н. Баумана сотрудниками ;афедры Э-2 при участии автора, дали результаты, достаточно близко

Í9

совпадающие с результатами проведвигая в работе измерений. Это позволило использовать расчеты температурных полей для прогнозирования температуры деталей и передаваемых через них локальных и средних по поверхности тепловых потоков.

3. Расчетным путем установлено, что применение составного поршня вместо базового поршня из алюминиевого сплава обеспечивает уменьшение теплового потока ■ через поршень на 5235. При использовании составного поршня и головки щшщдра из чугуна вместо поршня и головки цилиндра из алюминиевого сплава тепловой поток через эти детали снижается на 27,3 - 29,5%, а через все поверхности, включая гильзу цилиндра, - на 14,2 - 20%.

4. При использованном способе снижения потерь теплоты в среду охлаздения повышение температуры поверхностей деталей происходит, в основном, не вследствие изменения граничных условий теплообмена со стороны рабочего тела, а в результате изменения термического сопротивления теплопроводности, достигаемого путем изменения конструкции и материала деталей.

5. Совместный анализ результатов измерений и расчетов температур и тепловых потоков позволил установить, что высказываемое в технической литературе предположение о существенной интенсификации теплообмена в результате повышения температуры поверхности деталей камеры сгорания не получило подтверздения в наших исследованиях. Поэтому при прогнозировании показателей и характеристик компаунд-ной установки использована традиционная функция,не учиыващая влияние температуры поверхности деталей на интенсивность теплообмена.

6. Существенное улучшение качества процесса, особенно при ограничении теплообмена, обеспечивает уменьшение размера сопловых отверстий распылителя. Бри атом не только повышаются давления впрыскивания, обеспечивающие более мелков распиливание, но и, согласно различным оценкам, достигается несколько меньшее попадание топлива в пристеночную зону, где при повышенной температуре поверхности могут возникать зоны, переобогащенные парами топлива.

7. Применение осесимметричного процесса с широкой камерой сгорания (<*к{/0 = 102/120), многосоплового.распылите^я (£(, = 7) и достаточно энергичного впрыскивания топлива ((1ПгЛхЛш,=12 мм х12 мм, ц/ = 0,232 мм2) позволяет обеспечить достаточно высокое качесво

процессов смесеобразования и твпловнделония при отмоченной вын;о степени ограничения теплообмена и температуре поверхности поршня, превышающей 900 К. Индикаторный к.п.д. достигает при этом 0,44...0,47, и не уступает значениям, полученным без ограничения теплообмена.

8. Сравнение достигнутых значений индикаторных показателей со значениями, полученными расчетами цикла, обнаружило наличие резервов улучшения. Различия в к.п.д. цикла достигают 3,3-82. Это свидетельствует о целесообразности проведения дальнейших работ по совершенствованию процессов смесеобразования и тепловыделения.

9. Сраввение результатов прогнозирования показателей компаундной установки мощностью 309 кВт,создаваемой на базе дизеля КамАЗ, V8, S/D = 130/120, п = 2200 мин-1, с показателями построенных и испытанных компауядпих установок (Scania Рб, S/D = 145/127, fie = 295 кВт при пн = 1900 мин"1;. 6411 12/14 СКБД г. Харьков) косвенным образом подтвердило адекватность разработанных в работе уточненных методики и программы.

10. Согласно прогноза, компаундирование обеспечивает снижение удельного эффективного расхода топлива не 5,5 - 8,5 г/кВт.ч,причем в= 189 г/кВт-ч.

°е min

11. Ограничение теплообмена может обеспечить существенное повышение эффективности компаундирования. В результате ограничения теплообмена удельный эффективный расход топлива снижается дополнительно на 8-10 г/кВт•ч.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Хачиян A.C., Синявский В.В., Салам С.Ф. Определение условий доводки рабочего процесса дизеля с ограниченным теолоотводом, входящего в состав компаундной установки /сб. науч. тр. МАДИ: Повышение эффективности автомобильных и тракторных двигателей, 1995.

2. Хачиян A.C., Пагдасаров И.Г., Салам С.Ф. Некоторый результаты исследования рабочего процесса дизеля компаундной установки.

IV конференции по пуску ДВС . Щэцинский политехнический институт, ишь 1905.

3. Andrej N. KraßnokiUskij , Wladimir V?. SlnJawsKlJ-, Alekslej S. Czaczijan, ÍUkolaj B. Cza;)now, Saer Sal am. EINFLUß ОТЯ BESCHRÄNKUNG VON ANPUHIiWARMEVERIÜSTiM ZUR KDHLFLÜ5SIGKEIT AUP DIE PARAMETER MB БГЕБШЮТОКБ KIT БЕЛ AlffiEITSTURBINE.

V Internationales symposium WAITOAUSTAU5CH ГОЛ) REGENERATIVE ШПСШЩМ, SZCZECIN 1994.