автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование процесса впуска двухцилиндрового дизеля с турбонаддувом

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.436

АБАЛЯЕВ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВПУСКА ДВУХЦИЛИНДРОВОГО ДИЗЕЛЯ С ТУРБОНАДДУВОМ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели Диссертация на соискание ученой степени

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор В.В.ЭФРОС Научный консультант

кандидат технических наук, доцент А.А.ГАВРИЛОВ

кандидата технических наук

Владимир 1999

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

1. ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ НАДДУВА ДВУХЦИЛИНДРОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ..................................................................10

1.1 малоцилиндровые двигатели и их применение......................................10

1.2. Турбонаддув как средство форсирования МЦД.....................................11

1.3. Особенности процесса газообмена в двухцилиндровых дизелях с

наддувом.............................................................................................................16

1.4. Проблемы наддува МЦД...........................................................................20

1.5. Методы расчета процессов в системе впуска дизеля с турбонаддувом ..............................................................................................................................25

1.6. Постановка цели и задач исследования.................................................31

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ГАЗ^ШМЕЙА В ДВУХЦИЛИНДРОВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ С УЧЕТОМ ЧЕРЕДОВАНИЯ ВСПЫШЕК...........................................................................................................33

2.1. Моделирование процесса газообмена.....................................................33

2.2. Математическая модель процесса газообмена....................................34

2.2.1. В цилиндре................................................................................................36

2.2.2. В выпускном трубопроводе....................................................................41

2.2.3. В турбокомпрессоре...............................................................................43

2.2.4. Во впускном трубопроводе.....................................................................48

2.2.5. Параметры оценки эффективности процесса газообмена.................49

2.2.6. Программа расчета процесса газообмена............................................50

2.3. Настройка математической модели процессов газообмена при проведении расчетных исследований............................................................50

-33. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ.......59

3.1. Объект исследований.................................................................................59

3.2. Цель и задачи исследований.....................................................................59

3.3. Программа и методика исследований.....................................................60

3.4. Измерительная аппаратура.......................................................................62

3.4.1 Общая характеристика ИВКДВС.........................................................66

3.4.2 Программное обеспечение ИВКДВС......................................................71

3.5. Методика обработки результатов испытаний........................................73

3.6. Оценка погрешности экспериментальных исследований....................76

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ВПУСКА НА ПОКАЗАТЕЛИ ДВУХЦИЛИНДРОВОГО ДИЗЕЛЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ....................................................................81

4.1. Влияние объема системы впуска на показатели двухцилиндрового дизеля с ГТН........................................................................................................81

4.2. Влияние перепуска газов, минуя турбину.............................................116

4.3. Работа дизеля 2ЧВН10,5/12 в полной комплектации...........................122

4.4. Особенности компоновки системы впуска..........................................122

4.5 Токсичность отработавших газов двухцилиндрового дизеля с ГТН. 126

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.....................................................................130

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................132

Основные условные обозначения и сокращения

V - диаметр цилиндра, мм;

с!п - диаметр отверстия для перепуска газов, мм;

ge - удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч);

Ни - низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

1 - число цилиндров;

Ьо - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кмоль/кг;

п - частота вращения коленчатого вала, мин"1;

^ - эффективная мощность, кВт;

пта - частота вращения ротора турбокомпрессора, мин"1;

ре - среднее эффективное давление, МПа;

(}в - расход воздуха через газовый счетчик, м3/ч;

Б - ход поршня, мм;

и - температура воздуха на входе в компрессор, "С;

^ - температура воздуха на выходе из компрессора, °С;

Vь - рабочий объем цилиндра, дм3;

Ур - объем выпускного трубопровода, дм3;

У3 - объем впускного трубопровода, дм3;

а - коэффициент избытка воздуха;

уг - коэффициент остаточных газов;

Арк - относительное давление наддува, МПа;

т^у - коэффициент наполнения;

лк - степень повышения давления при наддуве;

тв - время расхода 1 м3 воздуха через газовый счетчик, с;

Арк - амплитуда колебания давления во впускном трубопроводе, МПа;

ГТН - газотурбинный наддув;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ИВК - измерительно-вычислительный комплекс;

КПД - коэффициент полезного действия;

МЦД - малоцилиндровый двигатель;

ПКВ - поворот коленчатого вала;

СММ - средства малой механизации;

ТКР - турбокомпрессор;

ТНВД - топливный насос высокого давления.

Введение

Актуальность. Развитие средств малой механизации обусловливает постоянный рост потребности в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) мощностью до 40 кВт, среди которых значительную часть составляют двухцилиндровые дизели. В силу широкого применения подобных двигателей особую остроту приобретает необходимость повышения их технико-экономических показателей. В настоящее время наиболее распространенным средством форсирования ДВС является газотурбинный наддув (ГТН), однако на двухцилиндровых двигателях он практически не применяется. Причиной этого в том числе является недостаточная изученность особенностей газообмена в двухцилиндровых дизелях с ГТН и их влияния на эффективные показатели двигателя. С точки зрения использования ГТН основной особенностью двухцилиндрового дизеля является то, что суммарная продолжительность процессов впуска или выпуска по цилиндрам составляет примерно две трети длительности цикла. При этом наддув является импульсным с достаточно высокой степенью утилизации турбиной энергии отработавших в цилиндре газов. Однако при этом компрессор в течение части цикла нагнетает воздух в замкнутый объем впускного трубопровода. Следовательно, если эффективность наддува многоцилиндрового двигателя зависит от рационального использования энергии выпуска, то для двухцилиндрового дизеля основной проблемой является оптимизация процессов во впускной системе. Поэтому задача исследования процессов, происходящих в системе впуска, и их влияния на показатели двухцилиндрового дизеля с ГТН является актуальной. Цель исследований. Целью данной работы является изучение процессов, протекающих в системе впуска двухцилиндрового дизеля с турбонадцувом и их влияния на эффективные показатели двигателя, а также совершенствование процесса впуска для достижения наибольшей эффективности применения турбонаддува на двухцилиндровом дизеле. Для достижения указанных целей в

диссертационной работе, применительно к двухцилиндровым дизелям, выполнены:

1) анализ известных работ в области турбонадцува;

2) анализ возможностей известных методик расчета процессов газообмена ДВС с ГТН и их применимости для исследования процесса газообмена;

3) совершенствование методики и разработка программы расчета процесса газообмена дизеля с ГТН;

4) экспериментальные исследования влияния различных факторов на процессы, происходящие во впускной системе.

Методика и объект исследований. При решении задач, определенных целью исследования, использовались расчетные и экспериментальные методы.

В качестве объекта исследований был выбран двухцилиндровый дизель воздушного охлаждения размерностью 105x120 мм производства АО ВТЗ. Научная новизна. Применительно к двухцилиндровым дизелям установлены условия, обеспечивающие эффективность использования в их составе газотурбинного наддува, а так же разработаны:

методика расчетно-экспериментальных исследований прерывистых тепло-массообменных процессов, происходящих в системе впуска, отличающаяся от существующих возможностью более полного использования универсальной характеристики компрессора ТКР;

зависимости, устанавливающие связь объема впускной системы с рабочим объемом цилиндра;

рекомендации по согласованию характеристик ТКР и дизеля; методика автоматической настройки математических моделей на конкретный объект путем включения соответствующих подпрограмм; оригинальное программное обеспечение для измерительно-вычислительного комплекса по регистрации, накоплению и обработки информации о процессах, протекающих в дизеле.

Практическая значимость. Разработанный комплекс методик позволяет:

- подбирать рациональную конструкцию впускной системы двухцилиндрового дизеля с турбонадцувом;

- повысить эффективную мощность двухцилиндрового дизеля с ТКР в 1,3... 1,5 раза при одновременном снижении удельного эффективного расхода топлива на 9%;

- снизить трудоемкость расчетно-экспериментальных исследований за счет автоматизации настройки математических моделей на конкретный объект;

- ускорить проведение экспериментальных исследований за счет автоматизации сбора и обработки информации при использовании ИВК ДВС.

Реализация результатов работы. Результаты работы использовались при форсировании дизеля 2ЧВ 10,5/12 с помощью газотурбинного наддува. Материалы в виде отчетов и чертежей различных вариантов системы впуска переданы АО ВТЗ для создания промышленного образца дизеля 2ЧВН10,5/12. Измерительно-вычислительный комплекс введен в эксплуатацию на АО ВТЗ. Материалы исследования используются в учебном процессе, а также при подготовке аспирантов и при проведении научно-исследовательских работ на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" Владимирского государственного университета.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

- Результаты исследования процессов, происходящих в системе впуска и их влияния на показатели двухцилиндрового дизеля с газотурбинным наддувом.

- Зависимости, устанавливающие связь объема системы впуска с рабочим объемом двухцилиндрового дизеля с газотурбинным наддувом.

-9- Рекомендации по согласованию расходных характеристик компрессора ТКР и дизеля с учетом изменения расхода воздуха через проточную часть компрессора в течение цикла. - Рекомендации по выбору рациональных параметров системы впуска

двухцилиндрового дизеля с ГТН. Апробация работы. Результаты работы докладывались на V и VI научно-практических семинарах "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (Владимир, 1995 и 97 г.). Публикации. Основные положения диссертации изложены в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 163 страницы машинописного текста, 41 рисунок, 18 таблиц, 6 приложений и состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы, включающего 96 русских и 43 иностранных источников.

-101. Перспективность и целесообразность наддува двухцилиндровых дизелей

1.1 Малоцилиндровые двигатели и их применение

Для привода средств малой механизации (СММ), автомобилей особо

малого и малого класса и мототранспорта широко используются бензиновые двигатели и дизели мощностью до 40 кВт [48,55,82 и др.]. Как видно из таблицы (прил. 1), составленной с использованием данных [108], и рис 1.1 этот мощностной диапазон представляют дизели с числом цилиндров i от 1 до 4. Из них 43% двухцилиндровые и 37% трехцилиндровые дизели. Они составляют 80% от общего количества выпускаемых дизелей в мощностном диапазоне до 40 кВт [108]. Двигатели с i= 1...3 выпускаются большинством предприятий, производящих многоцилиндровые двигатели (прил. 2).

Необходимость выделения двигателей с числом цилиндров до 3 отмечается еще в работе [62]. В этой работе проводится разделение между малоцилиндровыми двигателями (названными МДВС) и многоцилиндровыми. В работе [89] данная классификация развита и малоцилиндровый четырехтактный ДВС (МАЦ ДВС) определяется как двигатель, в котором невозможно организовать непрерывное протекание одноименных процессов газообмена (впуска; выпуска) ни при каком порядке работы цилиндров. Однако для трехцилиндровых дизелей возможен такой выбор фаз газораспределения, при которых процессы впуска или выпуска в разных цилиндрах "накладываются друг на друга". Для этого необходимо чтобы предварение открытия и запаздывание закрытия клапана в сумме составляли более 60 °ПКВ. Более характерной особенностью четырехтактных двигателей с i=1...3 является то, что число цилиндров у них меньше числа тактов. Более четкая классификация двигателей, включающая в понятие "малоцилиндровые" и одноцилиндровые двухтактные, а также неустановившийся характер терминологии и некоторая неблагозвучность сокращений приводят к

необходимости ввести в обращение определение "малоцилиндровый двигатель" и, соответственно, сокращение - МЦД.

1.2. Турбонаддув как средство форсирования МЦД

Сегодня газотурбинный наддув является основным средством

форсирования ДВС [11,14,65,66]. На рис. 1.2 приведены многопараметровые характеристики дизеля 4ЧВ 10,5/12 в безнаддувном варианте (Д-144) и с наддувом (Д-145Т) [85]. Анализ их показывает, что при работе дизеля с наддувом зона наименьшего расхода топлива расширяется как в сторону более высоких значений ре, так и в сторону более высоких частот вращения. Так как дизель 2ЧВ10,5/12 (Д-120) является членом семейства дизелей, спроектированных на основе Д-144, применение турбонаддува для него позволяет надеяться на получение подобного результата.

Необходимо отметить, что комбинированные двигатели долгое время находили применение только в качестве силовых агрегатов судов, стационарных установок и тепловозов. 1960 - 75 гг. характеризуются расширением областей и масштабов применения турбонаддува на автомобильных и тракторных дизелях. Оно обусловлено улучшением совокупности показателей турбокомпрессоров (КПД, производительности, надежности и ресурса, массогабаритных характеристик), достигнутым в это время, а также созданием массового производства турбокомпрессоров с малыми расходами и высокими к.п.д. Дальнейшее улучшение характеристик ТКР при существенном уменьшении их габаритов делает актуальной задачу применения ГТН для форсирования МЦД.

Как видно из рис. 1.3 а, выпускаемые в настоящее время турбокомпрессоры для наддува дизелей мощностью до 40 кВт обеспечивают расход воздуха через компрессор менее 0,1 кг/с. Для обеспечения подобных расходов потребовалось изготовление турбокомпрессоров с диаметром колеса компрессора до 50 мм. Это положение иллюстрируют рис. 1.36 и 1.3в.

1

4

Рис. 1.1. Гистограмма распределения дизелей мощностью 15...40 кВт по числу цилиндров

1 е

МПа

0,7

0,5

0,3

0,1

1600 1800 2000 п, мин** 1600 1800 2000 ^мин1

а) б)

Рис. 1.2. Многопараметровые характеристики дизеля 4ЧВ10,5/12 : а - без наддува; б - с наддувом.

N ,

е'

кВт 160

120

80

40

0

О

N,

е'

кВт

160

120

80

40

О

ни в, к'

кг/с

0,3

0,2

0,1

О

1 1

/

[ У /

/ /

■ У /

■ / / «

< /

0,1 0,2 0,3 в. кг/с зо 40 50 60 80 <1

мм

а)

б)

/

/

/ г

7 (

/ /

■ / /

/ /

1 ш/ /

4 У

Рис. 1.3. Параметры компрессоров ТКР:

♦ - Россия;

■ - Япония;

А - Германия;

X - Великобритания;

а) мощность наддуваемого дизеля в зависмости от расхода воздуха;

б) производительность компрессора в зависимости от диаметра колеса компрессора;

в) мощность дизеля в зависимости от диаметра колеса компрессора.

30 40 50 60 80 с1к,мм в)

Массовый выпуск подобных турбокомпрессоров был налажен только в начале 80-х годов [69,56].

Наиболее интенсивно ведутся работы по наддуву трехцилиндровых дизелей. Так опубликованы результаты работ по наддуву дизеля марки Elko 3.80.92Т, S/D=92/80 [99]. Дизель без надцува развивает Ne=36,8 кВт при п=4000...4500 мин"1. После введения наддува мощность возросла до 51,5 кВт, а охлаждение наддувочного воздуха позволило достичь Ne = 66,2 кВт. Среди фирм, ведущих работы по наддуву трехцилиндровых двигателей, можно отметить Maxessoires (Швейцария), Volkswagen и Eicher (Германия), Perkins (Великобритания).

Фирма Maxessoires производит модернизацию трехцилиндрового дизеля,

л

установленного на автомобилях Daihatsu, рабочим объемом 1,0 дм с помощью ТКР фирмы ККК (Германия). Мощность двигателя повышается с 36,8 до 45,5 кВт (23,6%) при давлении наддува Дрк=0,045 Мпа [108].

Концерн Volkswagen разработал трехцилиндровый дизель с рабочим объемом 1,6 дм3 с ГТН для автомобиля "Auto 2000", S/D=86,4/76,5 мощностью 33 кВт при 4000 мин"1 [106].

Тракторостроительная фирма Eicher выпускает трехцилиндровый дизель воздушного охлаждения, имеющий отношение S/D=125/100 и литровую мощность 20,6 кВт/дм3 при частоте вращения коленчатого вала 2100 мин"1. Регулируемая с помощью перепускного клапана система ГТН позволяет улучшить эксплуатационную экономичность на частичных режимах.

Фирма Perkins на базе трехцилиндрового дизеля модели 3.152 разработала вариант с ГТН (модель 3.1524) эффективной мощностью 41 кВт при 2250 мин'1 и удель�