автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Согласование параметров камеры сгорания и топливных факелов в малогабаритном быстроходном дизеле

го Ой

2 БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

УДК 621.436,019.001.57

ПЕТРУЧЕНКО Александр Николаевич

СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ТОПЛИВНЫХ ФАКЕЛОВ В МАЛОГАБАРИТНОМ БЫСТРОХОДНОМ ДИЗЕЛЕ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1998

Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель - кандидат технических

наук, доцент. Кухаренок Г.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Карташевич А.Н.; кандидат технических наук Сушко А. А.

Оппонирующая организация - ПО «Минский тракторный завод»

Защита диссертации состоится 24 июня 1998 года в 1400 часов на заседании докторского совета по защите диссертаций Д. 02.05.04 при Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф. Скорины 65, Белорусская государственная политехническая академия, тел. 232-81-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан /ЛСи(__ 1998 г.

Ученый секретарь совета X/7- .

по защите диссертаций Хг-с>В.А.Бармин

© Пехрученко А.Н., 1998

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Изменения в экономике повлекли за собой расширение, ти-поразмерного ряда дизельных двигателей, используемых в ее отраслях. Появился класс малогабаритных дизелей. Потребность в этих дизелях неуклонно растет как внутри республики, так и в других странах СНГ. Одновременно возрастают требования к их экономичности, экологической безопасности, надежности, долговечности. Как следует из опыта создания и доводки дизелей, решение большинства этих задач напрямую связано с совершенством рабочего процесса. Качество, этого процесса определяется удовлетворительным сочетанием конструктивных параметров камеры сгорания, рациональным распределением топлива в пространстве камеры сгорания, газодинамическими и термодинамическими параметрами воздушного заряда.

Влияние на показатели цикла имеет многофакторный неравновесный, а порой и противоположный характер, из чего следует задача многофакторной оптимизации, которая решается путем расчетно-экспериментальных исследований. Использование методов математического планирования многофакторного эксперимента и обработки его результатов методами математической статистики позволяет получить зависимости, функционально связывающие исследуемые факторы, что значительно повышает эффективность работ по совершенствованию рабочего процесса (РП).

Разработка математической модели рабочего процесса, адекватно отображающей реальные объекты, позволяет значительно уменьшить затраты на доводку процесса или поставить машинный эксперимент, реализация которого из-за технологических особенностей изготовления опытных деталей и узлов затруднена, а порой и невозможна. Математическая модель дает возможность проведения многопараметровой оптимизации.

Достижение высоких технико-экономических показателей дизелей за счет выбора рациональных параметров камеры сгорания (КС) и согласования их с топливными факелами (ТФ) является актуальной задачей, так как этот путь наименее трудоемкий и материалоемкий и приводит, как правило, к хорошим результатам.

Цель и задачи исследования

Основной целью диссертационной работы является определение конструктивных параметров камеры сгорания и располо-

жения топливных факелов, повышающих мощностные и экономические показатели малогабаритного дизеля.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить подходы и выбрать методы разработки и уточнения моделей рабочего процесса и процесса топливоподачи;

- разработать конструкторскую документацию экспериментальных образцов деталей, методику проведения экспериментальных исследований для получения многофакторных регрессионных зависимостей изменения показателей цикла, проведения сравнительного анализа показателей цикла малогабаритного дизеля, укомплектованного серийными и опытными деталями и узлами, установления адекватности выходных параметров математической модели параметрам цикла реального дизеля;

- разработать методику расчета течения топлива под запорной иглой распылителя и в сопловых отверстиях, позволяющих получать характеристики распределения топлива в пространстве камеры сгорания, уточнить методику расчета угловых координат осей сопловых отверстий, уточнить модель процесса смесеобразования с учетом особенностей распределения топлива с последующим выходом на расчет основных показателей цикла и проведением поиска удовлетворительного расположения форсунки;

- на основании результатов расчетных и экспериментальных исследований разработать практические рекомендации по рациональному расположению топливных факелов и их согласованию с параметрами камеры сгорания.

Научная новизна полученных результатов

Впервые были получены регрессионные зависимости основных показателей цикла от конструктивных, особенностей полуразделенной КС типа ЯМЗ и параметров топливных факелов для малогабаритного дизеля.

Усовершенствованы методики расчета угловых координат осей сопловых отверстий и определения высоты точек контакта осей топливных факелов с боковой поверхностью камеры сгорания, за счет разработки уточненной методики определения расстояния, проходимого топливным факелом до достижения боковой поверхности камеры сгорания.

Усовершенствована гидродинамическая модель процесса топливоподачи путем разработки модели течения топлива в сопловых отверстиях и уточнения методики расчета площади проходного сечения между запорной иглой распылителя и её седлом.

Предложена зависимость для задания шага интегрирования дифференциальных уравнений гидродинамической модели топ-ливоподачй.

Представлены эмпирические зависимости для нахождения рационального расположения смещенной и наклоненной относительно оси камеры сгорания форсунки.

Усовершенствована квазимерная модель процесса смесеобразования и сгорания на основе независимости протекания этих процессов для каждого топливного факела.

На основании квазимерной модели рабочёго процесса малоГабаритного дизеля разработана методика многопараметровой оптимизации методом штрафных функций углового расположения осей сопловых отверстий.

Практическая значимость.

Разработан и внедрен на Гомельском заводе пусковых двигателей комплекс мероприятий по снижению дифференциации локальных коэффициентов избытка воздуха, благодаря чему достигнуто существенное улучшение экономических показателей. Удельный эффективный расход топлива снизился на 13 % и увеличилась эффективная мощность на 24%. Это явилось одним из основных условий для подготовки производства на Гомельском заводе пусковых двигателей нового семейства малогабаритных дизелей - МД.

Рекомендовано к внедрению:

- для серийно выпускаемого дизеля уменьшить угол опережения впрыскивания топлива до 24 .. .25 , что должно уменьшить индикаторный расход топлива на ~ 2 г/(кВтХч);

- увеличить глубину камеры сгорания до 16,2 мм при диаметре камеры сгорания 40 мм при существующем диаметре сопловых отверстий, что позволит дополнительно снизить удельный индикаторный расход топлива на 2 .;.3 г/(кВтхч).

Основные положения диссертации

На основании проведенных расчетно-экспериментальных исследований по рациональному распределению топлива в пространстве камеры сгорания малогабаритного дизеля определены область смещения носка распылителя относительно оси камеры сгорания и эмпирическая зависимость, устанавливающая связь между углом наклона оси форсунки и смещением носка распылителя.

По результатам экспериментальных исследований рабочего процесса дизеля определены регрессионные зависимости для основных показателей цикла, которые позволяют найти рациональное сочетание параметров камеры сгорания и топливных

факелов, оценить степень влияния каждого варьируемого параметра на рабочий процесс и тем самым установить допустимые отклонения параметров без существенного ухудшения характеристик цикла. Экспериментально подтверждена необходимость соответствия глубины камеры сгорания и размеров топливных факелов.

Разработана модель расчета характеристик топлииоподачи,"" позволяющая получать значения расходов топлива через каждое сопловое отверстие.

Разработана уточненная квазимерная модель процесса сгорания, позволяющая учитывать особенности распределения топлива в камере сгорания.

Личный вклад

Разработаны отдельные элементы объекта исследования и создана экспериментальная установка. Выполнены работы по планированию, проведению, обработке и анализу результатов эксперимента. Разработан комплект программ для обработки индикаторных диаграмм и расчета коэффициентов регрессии. Построена и исследована регрессионная модель, разработаны рекомендации по согласованию параметров камеры сгорания и топливных факелов.

В соавторстве

Выполнен комплекс расчетно-экспериментальных и опцтно - конструкторских работ по выбору рациональных расположения форсунки и ориентации осей сопловых отверстий

Разработаны методики моделирования' процессов топливо-подачи, смесеобразования и сгорания, расчета основных показа, телей цикла и проведения расчетной оптимизации. Установлена адекватность математической модели рабочего процесса процессу реального дизеля. Выполнен сравнительный анализ показателей цикла и характеристик выгорания топлива в цилиндре дизеля при базовой и разработанной ориентации топливных струй.

Апробация результатов диссертации

Материалы, включенные в диссертацию, были представлены: на 51-й, 52-й международных научно-технических конференция БГПА; на 6-й международной конференции Люблинского политехнического института.

Опубликованность результатов

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, общей характеристики, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 150с., количество рисунков 28, таблиц 8 , использовано 113 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, призванной улучшить технико-экономические показатели малогабаритного быстроходного дизеля посредством согласования параметров КС и ТФ.

В первой главе проведен анализ работ по организации и совершенствованию РП, подтверждающий его приоритетное влияние на показатели дизеля и вскрывший его многогранность - зависимость от термо - и газодинамических факторов, распределения топлива в пространстве КС.

Термо - и газодинамическое состояние свежего заряда в цилиндре дизеля и распределение топлива в пространстве КС определяется ее формой и размерами, а также характеристиками впускных систем и ориентацией ТФ.

Из анализа литературных источников следует, что используемая в малогабаритном дизеле КС типа ЯМЗ при согласовании ее размеров, числа и ориентации сопловых отверстий, организации движения воздушного заряда необходимой интенсивности, обеспечении рационального распределения топлива в камере и требуемых термо - и газодинамических характеристик воздушного заряда может обеспечить индикаторный расход топлива/175... 180 г/(кВтхч).

Оптимальный диапазон изменения диаметра КС для малоразмерных дизелей лежит в пределах 0,5...0,613 диаметра поршня, что для исследуемого дизеля составляет 40...50 мм.

На термодинамическое состояние воздушного заряда и динамику выгорания топлива в цилиндре влияет глубина КС.

Существенное влияние на показатели цикла дизелей с цилиндрическими КС оказывает ориентация ТФ.

Из анализа работ следует необходимость обеспечения ориентации сопловых отверстий так, чтобы развитие ТФ происходило в верхней части объема камеры, при этом следует исключить попадание топлива в надпоршневое пространство.

Из проведенного анализа следует необходимость использования математических моделей топливоподачи и РП на всех стадиях доводки и исследования дизелей.

Во второй главе приведено описание методик проведения испытаний, обработки экспериментальных данных и испыта- • тельного оборудования.

Эксперимент необходим для: получения характеристик цикла и выгорания топлива; установления адекватности математической модели; оценки мероприятий по уменьшению дифферен-

циации локальных коэффициентов избытка воздуха; проведения сравнительного анализа характеристик цикла и выгорания топлива в дизеле, укомплектованном опытными и серийными узлами и деталями; получения материалов для построения регрессионных зависимостей индикаторных и динамических показателей цикла от конструктивных параметров КС и их согласованности с ТФ.

Экспериментальные исследования с целью улучшения индикаторных показателей проводились на двигателе производства Гомельского завода пусковых двигателей.

Стенд включал в себя электрическую динамо-машину постоянного тока типа MS 1713-4, систему охлаждения поддона картера, систему подачи топлива и воздуха, комплекс регистрирующей и измерительной аппаратуры. Оснащение стенда контрольно-измерительными приборами соответствовало ГОСТ 18509-88. Индицированне осуществлялось при помощи пьезоэлектрического датчика AVL.

Динамика развития струй и размеры камеры позволяют заглубить ТФ на 4...4,5 мм. Проведены расчеты угловых координат осей сопловых отверстий, ориентированных на высоту точек контакта в 4,5 мм, в этом случае даже для диаметра КС 50 мм исключается попадание топлива в надпоршневое пространство. Расчеты производились для различных положений форсунки..

Для получения данных, необходимых для построения регрессионной модели, представляющей собой полную квадратику, дизель был укомплектован специальным поршнем, конструкция которого позволяла менять КС без снятия поршня. Эксперимент был выполнен по трехфакторному трехуровневому, близкому к D-оптимальному плану-на 10 точек.

Запись индикаторных диаграмм проводилась шлейфовым осциллографом 9S01, что потребовало проведения оценки погрешности, вносимой шлейфом.

Индикаторные и динамические показатели цикла определялись путем обработки жестких копий индикаторных диаграмм. Характеристики выгорания топлива получены на основании первого закона термодинамики обработкой диаграмм с шагом в 1°. Жесткие копии индикаторных диаграмм были переконвертированы в электронные, с помощью пакета AutoCAD была произведена разбивка оси абсцис с шагом в 10 и измерены соответствующие ординаты.

Результаты исследований и их анализ приведены в четвертой главе.

В третьей главе изложены теоретические предпосылки, дополняющие гидродинамическую модель топливоподачи и адаптирующие квазимерную модель расчета характеристик испарения и выгорания топлива.

Системы дифференциальных уравнений - основа гидродинамической модели топливоподачи - описывают процессы в насосе высокого давления и распылителе форсунки и связаны между собой посредством уравнений Жуковского. Интегрирование уравнений произведено методом Эйлера с переменным шагом. Выбор шага на участках, когда открыты впускное или отсечное отверстия, следует из неравенства dpn/d<p>0, где dp„/dcp - скорость изменения давления в надплунжерном пространстве. Гидродинамическая модель - совершенная и законченная система, однако в дополнении и совершенствовании нуждаются отдельные ее элементы.

В работе проведено уточнение расчета площади проходного сечения между иглой распылителя и ее седлом. В конечном счете задача сводится к тривиальной задаче линейной алгебры.

Разработана методика расчета расходных характеристик сопловых отверстий, в основу которой положены законы классической механики: изменения количества движения и уравнение неразрывности. ' '

Для частного случая (рис Л) система уравнений, описывающая истечение топлива из сопловых отверстий, будет иметь вид: .

М.+М,+M, + M4=M„; ~

Р*Г„.*Í4¡dV,¡ + V,ldV,' + V.'dV^3 +'VÍdV,4) = f)F£ x<* 0)

i.i

рхц, xf01,x(v;dv;;vjdvj +Vy'dV,4Ví4dV;) = |:Fl*r xdt;

p к ц„ x f„ „ x (VjdVj 4- V'dV' + V'dV' + V,4dV')+. pxfckx VeidVck = £ F,* x dt,

i-i

где

M^HrXfcXV,;

jjp- коэффициент расхода, учитывающий сжимаемость струи;

Íotb и fc.k - площади поперечных сечений отверстий соплового и предсоплового каналов;

р- плотность топлива; ' /

V¡- скорость истечения топлива из i-ro соплового отверстия;

vi(;yj)- проекции скорости истечения топлива из i-ro соплового отверстия;

к

2и," хси- проекции импульса суммы активных сил.

1.1

Полученные расчетные выражения достаточно просты и удобны в практическом применении. Использование разработанной методики возможно только в неразрывной связи с гидродинамической моделью расчета топливоподачи.

Уточнения, разработанные на основе выражений дальнобойности и угла раскрытия ТФ, предложенных проф. Лышевским, позволяют получить достоверные значения высоты точек контакта осей факелов с боковой поверхностью КС.

Рис. 1.Схема расположения осей сопловых отверстий Дифференциация расходов топлива, истекающего через сопловые отверстия, вызванная разным угловым расположением их осей, и смещение носка распылителя от центра КС ведут к образованию зон, в которых локальные коэффициенты избытка воздуха значительно отличаются друг от друга. При разработке математической модели процессов смесеобразования и сгорания в исследуемом дизеле необходимо учитывать дифференциацию коэффициентов избытка воздуха,

Для уточнения локальных коэффициентов избытка воздуха разработана методика расчета объема секторов КС, ограничен-

ных боковой поверхностью КС и плоскостями, проходящими через оси сопловых отверстий параллельно оси камеры.

Характеристики выгорания топлива с учетом топливопода-чи получены с помощью зависимостей, предложенных проф. Раз-лейцевым. Моделирование выгорания топлива в секторах КС осуществлялось индивидуально. Расчет текущих давлений выполнен по методике, разработанной на кафедре ДВС БГПА на основе первого начала термодинамики.

Разработана методика оптимизации расположения форсунки относительно оси КС методом штрафных функций, базирующаяся на математических моделях топливоподачи и РП.

В качестве оптимизируемой функции был выбран индикаторный расход топлива Ь). Функции штрафа: среднее индикаторное давление цикла, .максимальное давление цикла и скорость нарастания давления. Функция цели Ф(а,Ь) - сумма оптимизируемой функции вНа.Ь) и функций штрафа Т(а,Ь) и имеет вид

Ф(а,Ь) = 6|(а,Ь) + тТ(а,Ь), (2)

где

т - коэффициент штрафа, стратегия выбора которого 'определяется спецификой решаемой задачи.

Постановка и решение задачи оптимизации свелись к частному случаю.

В четвертой главе приведены результаты расчетных исследований по определению точек контакта осей сопловых отверстий с боковой поверхностью КС, представлены значения угловых координат осей сопловых отверстий для различных положений форсунки, приведены результаты обработки экспериментальных данных, полученных на малогабаритном дизеле, укомплектованном опытными КС с варьированием угла опережения впрыскивания топлива, согласующего высоту камеры с основанием конуса ТФ, проведен сравнительный анализ показателей цикла и характеристик выгорания топлива в цилиндре дизеля с базовой и предложенной ориентацией факелов в пространстве камеры, проведена оценка адекватности математической модели РП процессу реального дизеля, на базе разработанной мегодики расчета индикаторных показателей цикла выполнена двухпара-метровая оптимизация ориентации ТФ, зависящих от расположения и наклона оси распылителя.

Установление адекватности математической модели РП циклу реального дизеля заключалось в сравнении расходов топ-

лива, обеспечиваемых топливной аппаратурой с расходами, полученными расчетом, а также в сравнении расчетных и экспериментальных .характеристик выгорания топлива и показателей цикла.

Расходные характеристики почти полностью идентичны. Качественная и количественная оценка характеристик выгорания топлива на первом этапе выявила существенные расхождения между расчетом' и экспериментом. Для достижения приемлемого уровня адекватности потребовалась корректировка коэффициентов, определяющих динамику выгорания топлива. Затем были определены индикаторные показатели. Максимальное расхождение между экспериментальными и расчетными характеристиками цикла было у индикаторного КПД г||, эта величина равна примерно 6,64%. Таким образом, усовершенствованную и адаптированную к реальному дизедю математическую модель можно ис-. пользовать при решении задач исследования и доводки РП.

Методика расчета характеристик цикла с учетом закона то-пливоподачи затем была использована для оптимизации параметров ТФ посредством выбора размещения форсунки, задаваемого смещением Ь носка распылителя и углом наклона форсунки

а к оси КС. Исследования неявно заданной функции Ь) показали наличие значительного количества локальных минимумов в области определения, которая ограничена отрезками Ь[0,9] и сс[0,30°].

Для построения стратегии оптимизационного поиска и задания величины ограничений проведены расчеты в области определения и построена поверхность (рис.2). В качестве ограничивающих параметров приняты предельные значения .смещения носка рас-

0

Рис 2.Результаты двухпараметровой оптимизации относительного расположения форсунки:

--кривая оптимизации;

- граница и поверхность зоны, где среднее индикаторное давление цикла Р1 меньше 0,9 МПа; ------— зона выполнения всех ограничений

пылителя Ь и угла наклона оси форсунки ос, среднее индикаторное давление цикла Р1 не менее 0,9 МПа, максимальное давление цикла Рг не более 8,3 МПа, скорость нарастания давления с!Р/с!ф не ограничивалась.

Из анализа результатов расчета следует, чго в интервале смещений носка распылителя Ь от 2 . до 5 мм и изменении угла наклона а от 0° до 18° величина удельного индикаторного расхода топлива изменяется незначительно - колеблется в пределах 178..Л79 г/(кВтхч). При смещении носка распылителя меньше 2 мм, как и следовало ожидать, индикаторный расход топлива уменьшается до 177 г/(кВтхч).

Наличие большого количества локальных минимумов делает поиск глобального минимума трудным. В этом случае оптимизационный поиск осуществлялся следующим образом:

- выбиралась произвольная точка, с которой начинался поиск, при нахождении локального минимума поиск продолжается;

- за исходную точку выбиралась произвольная точка, лежащая за пределами квадрата предыдущего поиска;

- условием окончания поиска является нахождение такого расположения форсунки и ТФ, при котором обеспечивается наименьший удельный индикаторный расход топлива.

Задача нахождения минимума, удовлетворяющего условиям поставленной задачи, сводится к нахождению некоторого ограниченного количества минимумов, из которых выбирается один, наименьший.

Поиск окончился в точке Ь=0,2 мм и а=7°. Такое несколько отдаленное от начала координат положение минимума объясняется "размытостью" этого критерия, которая появляется при грубо выбранном условии окончания поиска, разность расходов на последнем и предыдущем шаге должна быть не более 0,1 г/(кВтхч). Такую разность экспериментально установить нельзя, поэтому и точку окончания поиска, и начало координат можно считать точками минимума, так как разность удельного индикаторного расхода топлива в этих точках не превышает 0,1 г/(кВтхч).

На основании проведенных расчетов изготовлены образцы головок цилиндра и распылителя, обеспечивающие различное пространственное расположение форсунки при неизменной величине заглубления ТФ. Ось одного соплового отверстия ориентирована так, что развитие факела происходит в "горячей зоне" -под выпускным клапаном.

Экспериментальные исследования показали, что для достижения минимальной дифференциации локальных коэффициентов из-

бытка воздуха, смещение носка распылителя Ь относительно оси КС должно находиться в пределах 0,04-0,05 от диаметра поршня при углах наклона оси форсунки к оси цилиндра а, определяемых из выражения

60...70 ^

"-1ОЕьЕ>П'

Проведенный сравнительный анализ характеристик цикла и выгорания топлива в дизеле с базовой и рекомендуемой ориентацией ТФ в пространстве КС выявил существенные преимущества, которые дает предлагаемое расположение топливных струй. В результате удельный эффективный расход топлива ge снизился на 13%, а мощность N6 возросла на 24%, величина максимального давления цикла Рг снизилась на 3,2%, максимальная скорость нарастания давления (1р/с1((> на 13,2%, индикаторный КПД гц возрос на 10,8%, индикаторная мощность № - на 9,6%, максимальная температура цикла снизилась Тг с 1921К до 1806К, продолжительность сгорания уменьшилась на 6° при снижении максимальной скорости сгорания топлива на 18,5%.

В соответствии с планом на исследуемом дизеле проведен трехфакторный эксперимент. Применение методов математической статистики позволило аппроксимировать полученные результаты полиномом второй степени:

р1, рг, 7],, Ар/А<р, с!р/с1 <р =ао+а|Х0+агХе+азхОк +ацХ02+ +а22хе2+аззх0к2+аг1 х0хе+аз1 х0хРк +азгхех0к. (4)

Значения коэффициентов регрессии приведены в таблице.

Коэфф регрессии Функция отклика

81 Р» е^ рг Др/Д(р с1р/с1(р

1 2 3 ' 4 5 6 7

ао -605,90 4,1233 0,1058 21,190 -6,4344 5^1037

а< 2,648 0,0834 0,0184. -'4,5485 0,0667 0,1937

аг 35,41 -0,2049 0,0262 0,3089 0,1094 0,1365

аз 18,25 -0,1057 -0,00037 1,8559 0,2116 -0,3325

ан 0,0514 -0,0016 -0,00042 0,0598 -0,00003 0,00048

аг2 -0,9360 -0,0026 -0,00078 -0,0404 -0,00035 -0,00385

азз -0,1830 0,00085 -0,00007 -0,0255 -0,00191 0,00263

Продолжение таблицы

1 2 . 3 4 5 6 7

аи -0,1783 0,00075 -0,0002 0,0485 -0,00078 -0,00995

ап -0,0399 -0,00049 0,00015 0,0181 -0,00072 -0,0008

Э23 0,0456 0,0021 0,00004 -0,0033 -0.00158 0,00526

Поиск рационального сочетания конструктивных параметров КС и согласование точек контакта осей ТФ с боковой поверхностью камеры осуществлялся относительно индикаторного расхода топлива, другие параметры цикла только контролировались для найденного сочетания.

На первом этапе исследований было проведено согласование ТФ для дизеля,укомплектованного серийной КС (е= 19, 0к=40 мм), значение угла опережения впрыскивания топлива составило 24°, при этом ожидаемое снижение удельного индикаторного расхода топлива 2 г/(кВтхч). Проведенные затем экспериментальные исследования подтвердили результаты расчета, удельный индикаторный расход топлива снизился на 3 г/(кВтхч), эффективная мощность возросла до 5,5 кВт при угле опережения впрыскивания топлива 24° и 25°,

Поиск глобального минимума вышел за пределы области определения функции £1=Г(0,е,Ок). Условный минимум при 0к=40мм, обеспечивается при глубине КС 16,2 мм и значении угла опережения впрыскивания топлива 0=24,7°. Удельный индикаторный расход топлива в этой точке равен 176 г/(кВтхч), контролируемые параметры не нарушили допустимых пределов: Р1>0,9 МПа, Рг<8,3 МПа, г|1>0,4$, ар/с1<!><0,85 МПа/град. Проведенный анализ позволил определить пределы изменения 0,е,Ок, при которых удельный индикаторный расход топлива меньше 177 г/(кВтхч). В результате установлены пределы изменения глубины КС 16+о,2 мм и ее диаметра 40+о.г мм, угол опережения впрыскивания топлива может при этом изменяться в пределах 24-26°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан комплекс дополнений, совершенствующий и уточняющий математические модели процессов топливоподачи, смесеобразования и сгорания.,

1.1. Усовершенствованная гидродинамическая модель процесса топливоподачи позволяет получать расходные характеристики каждого соплового отверстия распылителя и производить исследование влияния конструктивных параметров элементов

топливной аппаратуры на интенсивность подачи топлива в цилиндр дизеля.

1.2. Уточненная квазимерная модель процессов смесеобразования и сгорания хорошо интерпретирует реальный процесс и позволяет расчетным путем исследовать эффективность распределения топлива в объеме камеры сгорания.

1.3. Уточненные и усовершенствованные гидродинамическая модель процесса топливоподачи и модель процессов смесеобразования и сгорания легли в основу уточнения математической модели рабочего процесса малогабаритного дизеля, которая имеет хорошую структурную адекватность и позволяет производить оценку эффективности мероприятий по рациональному распределению топлива в пространстве камеры сгорания. На основе уточненной модели рабочего процесса осуществлена расчетная оптимизация расположения форсунки относительно оси камеры сгорания и определена зона рациональных смещений носка распылителя Ь от 0 до 4,5 мм и угла наклона оси форсунки к оси камеры сгорания от 0° до 25° [3,4,6].

2. Проведен комплекс расчетно-экспериментальных мероприятий по повышению эффективности распределения топлива в камере сгорания за счет рациональных ориентации топливных факелов И расположения форсунки.,

2.1 В дизелях с диаметром поршня Оп до 90 мм, имеющих полуразделенную камеру сгорания типа ЯМЗ, для достижения минимальной дифференциации локальных коэффициентов избытка воздуха допустимо смещение носка распылителя в пределах величины Ь=(0,04...0,05)0п относительно оси камеры сгорания, при углах наклона оси форсунки к оси цилиндра а, которые можно определить из выражения (3).

2.2. Для исследованного малогабаритного дизеля (диаметр поршня 80 мм) предложено уменьшить угол наклона оси форсунки с 30° до 18°, при смещении носка распылителя на 3,2 мм, при этом величина угловых координат осей сопловых отверстий должна составлять: углы в плане 51° - задние сопловые отверстия и 132° - передние; Вертикальные углы, соответственно равны 88° и 66°.

2.3. Ориентация сопловых отверстий изменена таким образом, что точки контакта осей сопловых отверстий с боковой поверхностью камеры сгорания равномерно распределены по периметру камеры сгорания й лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси камеры сгорания. Одно из передних сопловых отверстий ориентировано таким образом, что развитие топливного

факела происходит в "горячей зоне" камеры сгорания, под выпускным клапаном.

2.4. На Гомельском заводе пусковых двигателей внедрены мероприятия по повышению эффективности распределения топлива в камере сгорания, за счет рациональных ориентации топливных факелов и расположения форсунки. Испытания показали, что эффективная мощность увеличилась на 24 %, а эффективный расход топлива снизился на 13%. Это явилось одним из основных условий для перехода от производства малогабаритных дизелей типа СН к производству новой модели - МД [1].

3. Проведен грехфакторный эксперимент, по результатам которого, с помощью разработанного программного обеспечения, позволяющего производить расчет ц оценку коэффициентов регрессии, построена квадратичная регрессионная модель. Полученная модель дает возможность оценить влияние конструктивных параметров камеры сгорания и согласованности точек контакта осей сопловых отверстий с,боковой поверхностью камеры сгорания на индикаторные и динамические показатели цикла и найти такое сочетание варьируемых параметров, которые бы обеспечивали высокие индикаторные показатели цикла, при умеренной динамической нагрузке деталей кривошипно-шатунного механизма.

3.1. С помощью регрессионной модели выполнены исследования по определению рациональных размеров камеры сгорания и нахождению удовлетворительного расположения точек контакта осей сопловых отверстий с боковой поверхностью камеры сгорания. .

3.2. Использование регрессионной зависимости позволило найти для малогабаритного дизеля рациональное значение угла опережения впрыскивания топлива, равное 24°, обеспечивающее на режиме номинальной мощности снижение индикаторного расхода топлива на 2 г/(кВтХч).

3.3. Для получения минимальной величины удельного индикаторного расхода топлива рекомендовано, при неизменном диаметре камеры сгорания, равном 40 мм, увеличить ее глубину с 12 мм до 16,2 мм [2,5].

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Быстроходный малогабаритный дизель с улучшенными показателями / М.Г. Гиль, В.И. Козлов, Г.М. Кухаренок, А.Н. Петрученко // Тракторы и сельхозмашины,-1997,- № 8. - С. 8-9.

2. Влияние параметров камеры сгорания и угла опережения впрыскивания топлива на динамические и экономические показатели малогабаритного дизеля I Г.М. Кухаренок, А.Н. Петру-ченко; Белорус, государ, политехи, академ. -Минск, 1998. -14 с. -Деп. в ВИНИТИ 23.01.98, №178-698// Депонированные научные работы (Библиографический указатель).- 1998.- №3.- С. 17.

3. Моделирование рабочего процесса быстроходного малогабаритного дизеля с учетом особенностей характеристик подачи топлива / Г.М. Кухаренок, А.Н. Петрученко; Белорус, государ, политехи.академ. -Минск, 1997. -22 е.- Деп. в ВИНИТИ 29.12.97, № 3814-В97// Депонированные научные работы ( Библиографический указатель).- 1998.- №2,- С. 27.

4. Кухаренок Г.М., Петрученко А.Н. Повышение эффективности использования воздушного заряда дизеля // Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в БГПА. Материалы 51-й международной НТК БГПА.-1995. - С.77-78.

5. Петрученко А.Н. Определение оптимальных размеров камеры сгорания // Технические вузы - республике. Материалы международной 52-й НТК БГПА.- 1997. -С. 59.

6. Development of mathematikal model and research of efficiency of use of an air charge in a diesel / Г.М. Кухаренок, А.Н. Петрученко // konstrukcja, badania, eksplotacja, tecnología, pojazdow, samochodowych i silnikow spalinowych.- 1997.- Z.1I. -C. 77-81.

РЭЗЮМЕ

Петручэнка Аляксандр М1калаев!ч Уэгадненне параметрау камеры згарання I логичных факелау у быстраходным малагабарьгпшм дызсгп

Ключавыя словы: малагабарытны дызель, рабочы працэс (РП), камера згарання (КЗ), пал!уныя факелы (ПФ), матэматыч-ная мадэль, рэгрэа'уная мадэль.

Аб'ект даследавання; малагабарытны дызель МД-6.

Мэта работы: вызначэнне канструктыуных параметра^ КЗ I размяшчэнне ПФ, яюя павышаюць магутнастныя 1 эканам>чныя паказчым малагабарытнага дызеля.

Для рашэння пастауленных задач прымянялася матэматыч-нае мадэлфаванне РП I праведзены разл|'кова-эксперыментаЛь-ныя даследаванш па выбару рацыянальных параметрау КЗ 1' Узгадненшо ¡х з ПФ.

У вышку пабудавана удакладненая матэматычная мадэль РП, якая ул!чвае специфику размеркавання п&шва $ прасторы КЗ. На падставе мадэл1 РП распрацавана методыка двухпараметра-вай аптьиизацьц адноснага размяшчэння фарсунш. Па вышках эксперыментальных даследаванняу пабудавана рэгрэи'^ная мадэль, якая дае магчымасць выб1'раць рацыянальнае спалучэнне параметрау КЗ I ПФ. Ацэначным! крытэрыям1 эфектыунасц! эмя-нення параметрау КЗ Г ПФ могуць быць эканаи(чныя, магутнастныя л дынам1чныя паказчьш. Выиш разлжова- эксперыментальных даследаванняу дазиолш атрымаць спрошчаную разл1ко-вую залежнасць, якая дае магчымасць знаходзщь рацыянальнае размяшчэнне фарсунк1 у дызел1 дыяметрам цылшдра да 90 мм.

Мерапрыемствы па рацыянальнаму размяшчэнню фарсуши адносна КЗ 1 арыентацьп ПФ укарэненны на Гомельсшм заводзе пускавых рухавжо^.

Матэматычная мадэль, рэгрэЫуная мадэль I разлшовая залежнасць могуць быць выкарыстаны у канструктарсюх 1 даслед-чыщах аргаш'зацыях, як|'я займаюцца даводкай РП.

Спектр узнятых \ даследаваных пытанняЗ? можа быць щка-вым 1 карысным спецыял1стам, якш займаюцца праектаваннем 1 удасканальваннем малагабарытных быстраходных дызеляу.

РЕЗЮМЕ

Петрученко Александр Николаевич Согласование параметров камеры сгорания и топливных факелов в быстроходном малогабаритном дизеле

Ключевые слова: малогабаритный дизель, рабочий процесс (РП), камера сгорания (КС), топливные факелы (ТФ)> математическая модель, регрессионная модель.

Объект исследования: малогабаритный дизель МД-6.

Цель работы: определение конструктивных параметров КС и расположения ТФ, повышающих мощностные и экономические показатели малогабаритного дизеля.

Для решения поставленных задач были применены математическое моделирование РП и приведены расчетно - экспериментальные исследования по выбору рациональных расположения форсунки, конструктивных параметров КС и согласованию их с ТФ.

В результате построена уточненная квазимерная математическая модель РП, учитывающая специфику распределения топлива в пространстве КС. На основании модели РП разработана методика двухпараметровой оптимизации относительного расположения форсунки. По результатам экспериментальных исследований построена регрессионная модель, которая дает возможность выбирать рациональное сочетание параметров КС и ТФ. Оценочными критериями эффективности изменения параметров КС и ТФ могут быть экономические, мощностные и динамические показатели. Результаты расчетно-экспериментальных исследований позволили получить упрощенную расчетную зависимость, которая позволяет находить рациональное расположение форсунки в дизеле диаметром цилиндра до 90 мм.

Мероприятия по рациональному, расположению форсунки относительно КС и ориентации ТФ внедрены на Гомельском заводе пусковых двигателей.

Математическая модель РП, регрессионная модель и расчетная зависимость могут быть'исполь^ованы в конструкторских и исследовательских организациях, занимающихся доводкой РП.

Спектр поднятых и исследованных вопросов может быть интересным и полезным специалистам, занимающимся проектированием и совершенствованием малогабаритных быстроходных Дизелей.

SUMMARY

Petrutchenko Alexander Nikolaevich Coordination of parameters of the chamber of combustion and fuel torches in speed small-sized disel

Key words: small-sized disel, working process (WP), chamber of combustion (CC), fuel torches (FT), mathematical model, regress model.

Object of research: small-sized disel MJi-6.

The purpose of work: definition(determination) of design data CC and arrangement FT, raising power and economic parameters small-sized disel.

For the decision of put problems were applied mathematical modeling WP and calculation-experimental research at the choice of a rational arrangement the fuel injectors, design data CC and coordination from with FT are spent.

In result mathematical model WP, taking into account specifity of distribution of fuel in space CC is constructed specified quasi-measure. On the basis of model WP a technique two-parameter of optimization of a relative arrangement the fuel injectors is developed. By results of experimental researches is constructed regress model, which enables to choose a rational combination of parameters CC and FT. Estimated criteria of efficiency of change of parameters CC and FT can be economic, power and dynamic parameters. Results of calculation-experimental researches have, allowed to receive simplified settlement dependence, which allows to find a rational arrangement the fuel injectors in disel by dimension of the cylinder up to 90 mm.

Measures on a rational arrangement fuel injectors rather CC and the orientations FT are introduced on a Gomel factory of starting engines.

The mathematical model PIT, regress model and settlement dependence can be used in design and research organizations, engaging in operational development WP.

The spectrum of lifted and investigated questions can be to the interesting and useful experts, engaging in designing and perfection small-sized speed disel.

ПЕТРУЧЕНКО Александр Николаевич

СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И ТОПЛИВНЫХ ФАКЕЛОВ В МАЛОГАБАРИТНОМ БЫСТРОХОДНОМ ДИЗЕЛЕ

05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

__Редактор Т.Н.Микулик_

Подписано в печать 20.p5.98. Формат 60x84 1/16. Бумага тип! №2. Офсет.печать.

_Усл.печ,л. 1,2. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100. Зак. 304._

Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусская государственная политехническая академия. Лицензия ЛВ №155 от 30.05.98. 220027, Минск, пр. Ф.Скорины, 65.