автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Теоретические основы разработки двухблочного роторно-поршневого двигателя методом математического моделирования

005059198

Старокожев Михаил Алексеевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ДВУХБЛОЧНОГО РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ ¿013

Москва - 2013

005059198

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Обозов Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: заслуженный машиностроитель РФ,

доктор технических наук, профессор Гоц Александр Николаевич,

кандидат технических наук Зеленцов Андрей Александрович

Ведущая организация: Закрытое акционерное обществ

«Управляющая компания «Брянский машиностроительный завод» г. Брянск

Защита состоится «30» мая 2013 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.141.09 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 105005, Москва, Рубцовская наб., д.2/18, Учебно-лабораторный корпус, ауд.947.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.09.

Автореферат разослан «30» апреля 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

Тумашев Р.З.

Принятые сокращения и условные обозначения

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

РПД—роторно-поршневой двигатель;

РТ - рабочее тело; КШМ - кривошипно-шатунный механизм;

град ПВ- градус поворота вала двигателя;

индексы: ее (с?) - означают, что параметр относится к блоку впуска (сгорания).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. Ряд двигателестроительных фирм до последнего времени осуществляли выпуск роторно-поршневых двигателей (РПД) Ф.Ванкаля, которые в основном находили применение в автомобилестроении. Главными преимуществами РПД Ф.Ванкеля по сравнению с двигателями традиционной конструкции являлись их компактность (отсутствие КШМ, картерного пространства) и малый вес, и это определяло целесообразность их использования. Однако известно, что двигателям данного типа свойственны и трудно устранимые конструктивные недостатки. Прежде всего, это касается газовых уплотнений между статором и ротором двигателя. Низкая надежность данных уплотнений, повышенная скорость их износа явились главными причинами, по которым недавно фирмы (японская фирма «MAZDA», российское предприятие «ВАЗ») отказались от производства данного типа двигателя. Следует отметить, что двигатели традиционной конструкции /с КШМ/ несколько превосходят по экономичности РПД.

Учитывая изложенное выше, можно утверждать, что создание ДВС роторно-поршневого типа принципиально новой конструкции, которой не свойственны перечисленные выше недостатки двигателя Ф.Ванкеля, является актуальной задачей.

Автор разрабатывает методику для создания двухблочного четырехкамерного РПД нового типа Такой двигатель имеет два блока, в которых последовательно осуществляется рабочий процесс (блок впуска и компрессии, и блок рабочего хода и выпуска). В конструкции двигателя применяется ротор с изменяемой геометрией. Рабочая поверхность статора двигателя имеет постоянную кривизну, что в совокупности с уплотнительными элементами сравнительно большой площади контакта существенно повышает надежность и долговечность уплотнений смежных камер.

Разработанный двухблочный двигатель обладает положительными чертами, свойственными РПД: высокими массогабаритными показателями, хорошими динамическими свойствами. По данным характеристикам он значительно превосходит двигатели традиционного исполнения (с КШМ).

Цель работы состоит в развитии теоретических основ проектирования роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Задачи исследования - разработать принцип действия, методику расчета и проектирования перспективного РПД двухблочного типа, свободного от недостатков РПД ФВанкеля; разработать математическую модель рабочего процесса двухблочного РПД; исследовать рабочий процесс РПД методом математического моделирования; определить технико-экономические показатели двухблочного РПД.

Научная новизна исследований, проводимых в работе. На основе существующей теоретической базы разработана методика проектирования РПД новой двухблочной конструкции с ротором изменяемой геометрии. Разработана математическая модель рабочего процесса двигателя, с использованием которой исследованы основные закономерности его протекания..

Получен патент на полезную модель и принцип действия двухблочного четырех-камерногоРПД.

Метод исследования - метод математического моделирования рабочего процесса ДВС (расчето-теоретический). Расчеты выполнялись на ЭВМ с использованием созданных программ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов определяется обоснованным использованием основных теоретических положений научных дисциплин — термодинамики, газовой динамики, теплофизики, теории рабочих процессов ДВС при анализе процессов, происходящих в двигателе, а также обоснованностью допущений, принятых при построении математической модели рабочего процесса двигателя.

Практическую ценность работы представляют следующие новые разработки:

- разработана новая методика, позволившая выявить и исследовать закономерности протекания рабочего процесса в двухблочном РПД;

- разработана математическая модель рабочего процесса двухблочного РПД (математическая модель может быть использована при создании перспективных типов РПД другого типа);

- разработана программа численного решения дифференциальных уравнений, лежащих в основе математической модели РПД;

- разработана методика анализа рабочего процесса РПД с целью оптимизации его характеристик;

- на основе проведенных расчетных исследований разработаны рекомендации по выбору конструктивных параметров двухблочного РПД.

Апробация работы. Материалы диссертационной рабогы были доложены и одобрены на следующих заседаниях и научных конференциях:

- региональной научно-пракшческой конференции «Приоритетные направления современной науки: фундаментальные проблемы, инновационные проекты» (г. Брянск, БГУ, 2009 г.); V Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г. Вологда, ВГТУ, 2009 г.); Межпуна-родной научно-практической конференции «Наука и производство» (г. Брянск, БГТУ, 2009 г.); Ш Международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (г.Брянск, БГТУ, 2011 г.); П Региональной научно-практической конференции молодых исследователей и специалистов «Проведение исследований по приоритетным направлениям современной науки для создания инновационных технологий» (г. Брянск, БГУ, 2011 г.); Международной научной заочной конференции «Технические науки, традиции и инновации» (г. Челябинск, ВГТУ, 2012 г.); расширенном заседании кафедры «Тепловые двигатели» (БГТУ, 2012 г.); расширенном заседании кафедры «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования» (г. Брянск, БГИТА,2012г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 тезиса докладов на международных конференциях, и получен 1 патент на изобретение.

Структура работы. Диссертация объемом 171 страница состоит из введения, 4 глав, заключения, 5 приложений, содержит 2 таблицы, 81 иллюстрацию, список использованной литературы, включаюший 121 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, её научная новизна и практическая ценность, дана общая характеристика диссертации.

Первая глава посвящена анализу конструктивных решений механизмов ДВС, отличных от традиционного решения, основанного на использовании кривошипно-шатунного механизма. С момента создания первых паровых машин и первых ДВС в двигателях для передачи крутящего момента на вал используется кривошипно-шатунный механизм. Тем не менее, вся история двигателестроения сопровождается созданием (изобретением) конструкции ДВС, в которых КШМ отсутствует.

Несмотря на то, что было предложено большое число конструкций ДВС без использования КШМ, пока единственными двигателями без КШМ, нашедшими достаточно широкое применение, являются роторно-поршневые двигатели конструкции Ф.Ванкеля. Многие изобретения носили декларативный характер и по тем или иным причинам остались только «на бумаге». Некоторые изобретения были реализованы в «металле» (например, двигатели Абрамова А., Фролова В. (двухтактный, оппозитный), Баландина С. и др.), однако при этом нашли ограниченное применение. В последствие данные двигатели перестали использоваться. Роторно-поршневые двигатели Ф.Ванкеля, совершенствование которых исследователями велось в течение длительного времени (начиная от момента создания первого образца в 1934 г.), выпускались для привода автомобилей. Известны фирмы, выпускавшие РПД: Curtiss-WrightFichtel&Sachs, Daimler-Benz AG, MAN, Friedrich Krupp GmbH, Klockner-Humboldt-Deutz AG, Bmw (Германия); Yanmar Diesel Co., Mazda и Toyo Kogyo Co. (Япония); F/Perkins Ltd (Англия). РПД в течение длительного времени производились и в России (ВАЗ).

Роторно-поршневой двигатель имеет свою специфическую организацию рабочего процесса и в связи с этим имеет ряд преимуществ по сравнению с двигателем с КШМ - это высокие удельные показатели (получаемая мощность, отнесенная к единице веса и единице объема), хорошая динамическая уравновешенность, возможность работы на высокой частоте вращения. Двигатель Ванкеля содержит меньше конструктивных элементов (отсутствует КШМ, коленчатый вал, механизм газораспределения).

Исследованиям, связанным с совершенствованием конструкции и рабочего процесса РПД Ванкеля, было уделено значительное внимание, как за рубежом, так и в нашей стране (работы учёных М. Бентеле, А. И. Пельцер, И.В. Зиновьев, А.Н. Пойда, Г.С. Маджуга, Н.С. Ханин, Б.А. Шароглазов, Г.Н. Злотин, Е.А.Федянов, М.В.Дульгер и др.). Исследования ученых были направлены на улучшение технико-экономических показателей РПД (улучшение экономичности, форсирование, применение наддува и пр.). Значительные усилия были направлены на совершенствование конструкции двигателя и, прежде всего, на повышение надежности газовых уплотнений двигателя.

Вторая глава посвящена разработке методики конструирования двух-блочного четырехкамерного РПД с ротором изменяемой геометрии. В результате выполненного исследования была предложена конструкция двухблочного РПД (Пат. 2405950 Российская Федерация, МПК7 F02B53/08, F01C19/02). Двигатель состоит из следующих основных элементов (рис.1): двух блоков (блока впуска/

сжатия/ и блока сгорания /выпуска/), двух подпружиненных двухвершинных раздвижных роторов и вала. На валу двигателя на шпонках устанавливаются направляющие роторов. Центр вала смещен относительно центра блоков на величину эксцентриситета.

При вращении роторов в блоках образуются четыре камеры: камера впуска, камера сжатия (в блоке впуска) и камера сгорания (рабочего хода), камера выпуска (в блоке сгорания).

Дозированная подача топлива (бензина) в двигатель осуществляется посредством впрыскивания его через форсунку в камеру впуска или же во впускной трубопровод, подводящий воздух к камере впуска.

Регулирование количества воздуха, поступающего в двигатель, осуществляется дроссельной заслонкой, установленной во впускном трубопроводе. Управление фазами газораспределения осуществляется непосредственно роторами при их вращении. Роторы открывают и закрывают впускное и выпускное отверстия, расположенные по окружности статоров. Между блоками установлена перегородка с отверстием, служащим для перепуска сжатой рабочей смеси из камеры сжатия (блок впуска) в камеру сгорания (блок сгорания).

Принцип действия двигателя состоит в следующем (рис.2).

Свежая рабочая смесь, поступившая в блок «впуска-сжатия», сжимается ротором, совершающим плоскопараллельное движение.

При повороте роторов в положение 30 град, не доходя до горизонтального положения, начинается перепуск рабочей смеси (горизонтальному положению роторов соответствуют минимальный объем камер и угол поворота вала <р = 0 град. ПВ или 360 град. ПВ).

Сжатая рабочая смесь через каналы в роторах и отверстие в межблочной перегородке перепускается из камеры сжатия в камеру сгорания. После окончания перепуска (при угле ПВ (р = 0 град. /360 град происходит подача искры в камеру сгорания, воспламенение рабочей смеси и дальнейшее расширение рабочего тела (совершается рабочий ход). Расширение рабочего тела происходит до определенного положения ротора (<¿9=540 град), при котором объем камеры сгорания становится максимальным. Далее в статоре откры-

ВТОРОЙ БЛОК: РАБОЧИЙ ХОЯ-ВЫПЦСК

ОерегороЗкд........,

межЗу блоками!

Рис.1.Основные конструктивные элементы двухблочного четырехка-мерного РПД: 1 - направляющий элемент; 2 - секции ротора; 3 - пружина; 4 — уплотнительный элемент (башмак); 5 - статор; 6 - межблочная перегородка; 7 — отверстие выхода вала; 8 — свеча зажигания; 9 - перепускное отверстие; И - образующиеся камеры

s s о

h ro о a;

m

о

© ^ _

0 Q. О % - О) Ю ^

1 ■= g.°

lis 1

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Всасывание 1 Всасывание 2 Выпуск

!

Fee Fee

МГ »

рпо [ \

Р I I

........................................I........г........~......"

0 60 120 160 240 300 360 420 480 540 600 660 720

Угол поворота вала двигателя <р, град

Рис.4.Изменение проходных сечений отверстий впуска Fec, перепуска Fnep и выпуска Febm в функции от угла <р ПВ

В третьей главе приводится описание численной математической модели, разработанной для анализа рабочего процесса, происходящего в камерах РПД. Математическая модель двухблочного РПД строится на основе законов сохранения энергии и массы открытой термодинамической системы и характеристического уравнения состояния рабочего тела Клапейрона-Менделеева.

Закон сохранения энергии для рассматриваемой прикладной задачи представлен в виде системы дифференциальных уравнений

(1)

dtp dtp dtp J~

d(p

dtp

dU ,

dO.

dLc, dtp

dG.

dG.

(2)

dtp dtp dtp dtp dtp dtp где иал Ua - энергия PT тела в камерах блоков впуска и сгорания; Qw ж, Qw а - тепло, отводимое в стенки камер блоков впуска и сгорания, Qamolvl - тепло, выделяющиеся при сгорании топлива (в блоке сгорания); L,a Ь^ - механическая работа, совершаемая РТ в блоках впуска и сгорания; ia 4о 4г - энтальпии воздуха (смеси) на впуске в камеру впуска, в камере впуска при перепуске и энтальпия продуктов сгорания в камере выпуска в процессе выпуска; Gm Ga - масса РТ в камерах блоков впуска и сгорания.

Скорость тепловыделения в результате сгорания топлива равна

do ,

„ , dx

d tp

где цц — цикловая подача топлива; х - текущая относительная доля тепла,

выделившегося от сгорания топлива.

График относительной скорости тепловыделения в результате выгорания бензовоздушной смеси представлен на рис. 5.

Относительная скорость тепловыделения задается в виде полуэмпирической функции И.И. Вибе

іїх с(т

dtp

<Р,

(tp-e V ftp - 0)

ехр е -

\ Ч>-. ) L V Ч>, J

(от процессов протекающих одновременно в 4-х камерах) Р€ ...............60 кВт

Удельный эфф. расход топлива (привел, к 2" т = 43930 кДж/кг) Ье........310,6 г/(кВт-ч)

Примечание. В процентах указана доля энергии, отнесенная к теплоте, заключенной в цикловой подаче топлива.

Газодинамические потери на перепуске были заданы коэффициентом расхода /<=0,7, так как канал перепуска имеет сложную форму, и при перепуске будет наблюдаться эффект дросселирования РТ. Теплопотери в результате теплообмена со стенками камер д вигателя составляют около 30% по отношению к теплу, под водимому к РТ при сгорании топлива

В главе 4 приведены результаты исследования характеристик двухблочного РПД в широком диапазоне его нагрузочных и скоростных режимов. Был выполнен численный математический эксперимент на режимах, сочетающих изменение скоростного режима работы двухблочного РПД (четыре скоростных режима - 1000,2000,3000 и 4000 мин"1) при пята положениях регулирующего органа (дроссельной заслонки) на всасывании юз-духа (положение дроссельной заслонки запавалось коэффициентом 100,75.50,25% и ¿^йк холостого хода).

Величина холостого хода задавалась исходя из выполнения условия равенства нулю эффективной мощности двигателя (то есть, условия равенства индикаторной работы и работы механических потерь).

На рис. 11 приведен план численного эксперимента исследования двухблочного

РПД.

При моделировании всех указанных режимов (включая режимы холостого хода) работа механических потерь принималась неизменной, равной работе механических потерь номинального режима

Применение метода численного моделирования и метода регрессионного анализа результатов моделирования позволило построить универсальные характеристики двигателя, описывающие изменение ряда функциональных параметров РПД в широком диапазоне эксплуатационных режимов.

Выполненное исследование показало, что вариация параметров двигателя удовлетворительно описывается полиномом второй степени от двух определяющих факторов (так называемой «полной квадратикой»).

На рис. 12 и рис.13 приведены универсальные характеристики Рс=АПдв,Ре),Чц=АПдв, Ре), Рсгтах=АПдв, Ре) И Тсг тах =Апм, Ре).

о с * й

0 1000 2000 3000 4000 5000 Частота вращения вала двигателя пдв, мин"1

Рис.11.План численного математического эксперимента исследования РПД

Полученные значения коэффициента детерминации Л2 и критерия Фишера позволили сделать заключение об удовлетворительном качестве аппроксимации характеристик двигателя (И2~0,&9...0,97-, Г~25 ...90).

На рис.14 приведена универсальная характеристика, иллюстрирующая характер изменения удельного эффективного расхода топлива Ье в режимной области работы двигателя.

Из рис.14 видно, что область наиболее экономичных режимов работы двигателя (Ье = 300...320 г/(кВгч)) расположена вблизи внешней скоростной характеристики в диапазоне частот вращения «¿8=2300...3500 мин'1. При увеличении мощности и частоты вращения двигателя экономичность двигателя несколько ухудшается.

Функция Ье=/{пдв, Ре) имеет следующий вид: Ье= 392,8+0,05328 пдв - 7,6809 Ре - 0,002470 пдвРе + 1,2759'10"5«()/+ 0,15565^, (приЛ2 = 0,992,^ = 281).

Представляют интерес полученные результаты моделирования рабочего процесса режимов холостого хода (приведены на рис.15).

Из рис. 15 видно, что в результате дросселирования потока воздуха на входе в камеру впуска максимальное давление, которое создается в камере сжатия, не превышает 7 бар.

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4 Частота вращения вала п ов , мин"1

Рис.14. Универсальная характеристика Ье=АПдв, Ре)

270 360 450

Угол поворота вала двигателя <р, град

а)

о 90 180 270 360 450 540 630 720

Угол поворота вала двигателя <р, град

б)

Рис.15. Изменение давлений в камерах двигателя на режимах холостого хода скоростной характеристики:

а - точка плана 20 (холостой ход; п,к1 = 4000 мин"1, диРвс=\Ъ,2%)\ б - точка плана 5 (холостой ход; = 1000 мин"1, SuFec=3,9%)

В момент начала процесса сжатия абсолютное давление в камере сжатия составляет рж (^180 jp^, пв)=0»19...0,23 бар, то есть наблюдается значительное разрежение. Температура смеси в конце процесса сжатия равна Г«^«, фипвГ 590.. .690 К.

Максимальное давление сгорания и максимальная температура газов в камере сгорания на режимах холостого хода соответственно равны ш = 8...8,5 бар и Тег тах=2100...2150 К.

В главе 4 также рассмотрено решение некоторых оптимизационных задач: приводятся результаты анализа влияния на показатели РПД таких параметров, как угол начала впуска смеси (срнт) в блок впуска, угол начала перепуска смеси (q>,IKp), угол начала выпуска (<?„<,,„) отработавших газов из блока сгорания, параметров процесса тепловыделения в блоке сгорания.

Дан анализ «поведения» двигателя на режимах внешней скоростной характеристики в области повышенных частот вращения вала (до частот вращения «¿8=10000 мин"). Исследование показало, что максимально достижимая эффективная мощность двигателя составляет 63,2 кВт при ид,=5250 минОднако на данном режиме экономичность двигателя ухудшается (í>e~325 г/(кВгч)). Далее при увеличении частоты вращения вала мощность двигателя уменьшается и при 7^,= 10000 мин"1 равна Ре=21 кВт. Максимальный крутящий момент развивается двигателем в диапазоне частот враще-ниявала /**,= 2000...2500мин"1 ^=0,155 кН-м).

Представленный в главе 4 сравнительный анализ показывает, что двухблочный РПД несколько уступает по экономичности двигателям традиционной конструкции, однако по массогабаритным показателям он значительно превосходит их, что является бесспорным его преимуществом. Сравнение двухблочного четырехкамерного РПД и одноблочного РПД конструкции Ванкеля показывает, что характеристики их приблизительно идентичны. Одним из достоинств исследуемого двигателя является форма его статора (профиль статора исследуемого РПД имеет форму окружности; профиль статора РПД Ванкеля выполнен по сложной кривой - эпитрохоиде). Исследуемому двигателю, как показали исследования, будет свойственна «мягкая» работа вследствие низких уровней давлений и скоростей нарастания давлений в камерах. Двигатель обладает также хорошей динамической уравновешенностью (при работе двигателя центр тяжести роторов незначительно смещается относительно оси вала).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В качестве наиболее существенных результатов диссертационного исследования можно назвать следующие:

1. Дан обзор существующих нетрадиционных конструктивных схем построения ДВС. Проанализированы достоинства и недостатки данных схем в сравнении друг другом и с традиционным решением (конструкция ДВС с КШМ). Показано, что, несколько проигрывая в экономичности, по сравнению с двигателями традиционной конструкции, РПД имеют ряд преимуществ: меньше конструктивных компонентов; отсутствует механизм газораспределения; отсутствует КШМ; не требуется картерное пространство; двигатели более компактны и имеют меньшую массу; двигатели имеют хорошие динамические характеристики; динамически уравновешены. Анализ показал, что из РПД коммерческое использование имеет только двигатель Ф.Ванкеля, которому, тем не менее, присуши трудно устранимые недостатки. Данные недостатки являются причиной прекращения рядом фирм производства данного типа двигателя. Сделан вывод о том, что устранение недостатков РПД Ф.Ванкеля является актуальной задачей, требующей решения.

2. Разработаны рекомендации по конструированию двухблочного роторно-поршневого двигателя нового типа, в котором устранены недостатки РПД Ф.Ванкеля. Разработан принцип действия данного тала двигателя. Получен патент на конструкцию двигателя. Дано теоретическое обоснование выбора оптимальных конструктивных параметров двигателя (диаметра статора Д ширины блоков Н, рабочего объема камер Ук, эксцентриситета е, отношения ширины блока к его диаметру НЮ, степени сжатия е), обеспечивающих протекание рабочего процесса в двигателе:

- рабочий объем камер V/, (при прочих равных условиях) зависит от величины эксцентриситета е: с увеличением е увеличивается У,п при этом соответственно может быть увеличена и мощность двигателя. Однако следует отметить, что существует оптимальная величина эксцентриситета, выше которой увеличение её недопустимо (конструкция становится неработоспособной). Целесообразно величину е принимал, равной е ~ 0,1 Б (/^-внутренний диаметр статора);

- от величины отношения НЮ зависит «оптимальность» камер двигателя в смысле получения минимума тепловых потерь Qw от рабочего тела в стенки камер (от отношения НЮ зависит отношение рабочего объема камеры к поверхности тешюотвода камеры). Определено оптимальное соотношение НЮ =0,5;

- оптимальное значение степени сжатия е (для камеры сжатия) выбиралось из условия получения давления смеси в конце процесса сжатия (в момент начала перепуска) рх ~ 35 бар. Степень сжатия е зависит от величины минимального (остаточного) объема камеры сжатия Кжтт. В свою очередь Ухтт выбирался исходя из условия обеспечения процесса перепуска смеси из камеры сжатия в камеру сгорания. Определено оптимальным значение степени сжатая 11,35;

с учетом принятых начальных условий для проектирования {Уи^гДРе =60 кВт, и=4000 мин'), е ~ 0,1 £>, НЮ ~ 0,5} определены главные геометрические размеры камер двигателя: внутренний диаметр статора £)=20 см и ширина каждого блока Н= 10 см;

- определены форма, размеры и местоположение отверстий впуска, выпуска и перепуска смеси из камеры сжатия в камеру сгорания. Для исследуемого двигателя

приняты площади сечений /v = 8 см2, ~ 8 см2, Fmp ~ 3 см2. Даны рекомендации по расположению отверстий, обеспечивающие оптимальное протекание процессов газообмена в двигателе.

3. На основе фундаментальных принципов термодинамики и газовой динамики разработана математическая модель рабочего процесса двухблочного РПД, в основу которой положен квазистационарный подход к рассмотрению процессов, происходящих в двигателе. Модель описывает процессы, происходящие в двигателе, на основе дифференциальных уравнений сохранения энергии, массы и уравнения состояния рабочего тела Разработан алгоритм численного интегрирования дифференциальных уравнений, входящих в . математическую модель РПД, который реализован в среде программирования «Excel» (ОС «Windows»). Разработанная математическая модель является адаптацией существующих моделей рабочего процесса ДВС под решение задач, связанных с исследованием РПД.

4. С помощью разработанной математической модели получены новые результаты, объясняющие закономерности протекания процессов в РПД.

Были проанализированы процессы, происходящие в камерах двигателя, и определены основные технико-экономические показатели двигателя. Результаты моделирования подтвердили, что при заданных геометрических параметрах (п2) двигатель развивает мощность 60 кВт при 4000 мин"1 при «умеренных» параметрах рабочего процесса- максимальное давление сгорания составляет /w ~40 бар, максимальная температура цикла в камере сгорания составляет Тпш ~ 2800 К. Удельный эффективный расход топлива Ье~300...310 г/(кВт-ч).

5. Разработанная математическая модель РПД позволила проанализировать параметры двигателя в широком диапазоне его эксплуатационных режимов (от режимов холостого хода до режима номинальной мощности).

С применением методов регрессионного анализа построены универсальные характеристики исследуемого РПД в форме полиномов второй степени.

Решены оптимизационные задачи, направленные на улучшение свойств двухблочного РПД. Определено влияние на технико-экономические показатели двигателя: увеличения частоты вращения двигателя; проходного сечения канала впуска смеси в блок впуска; фаз газораспределения (впуска, перепуска), проходного сечения канала перепуска; степени сжатия блока впуска Показано, что конструктивные параметры двигателя выбраны близкими к оптимальным.

6. Дано сопоставление технико-экономических показателей двухблочного РПД с двигателем Ванкеля и двигателем традиционной конструкции. Показано, что по отдельным показателям двухблочный РПД превосходит двигатели традиционной конструкции (с КШМ). Двухблочный РПД мощностью 60 кВт имеет габариты (приблизительно) 300x300x300мм. Для сравнения: карбюраторный двигатель традиционной конструкции такой же мощности (ВАЗ-2107) имеет габариты 570x790x620 мм, РПД Ванкеля (ВАЗ-415) - 560x546x495 мм.

Получено, что отношение рабочего объема всех камер двигателя к объему двигателя, взятому по его габаритным размерам, составляет Vh ^JV^0,104, а отношение мощности двигателя к его объему равно PJVa~ 2200 кВт/м (двигатель с габаритами 10 х 10 х 10 см развивает мощность 2,2 кВт).

Тема и содержание диссертации отражены в 9 научных работах (получен 1 патент на изобретение):

1. Обозов, A.A. Исследование процессов двухблочного роторно-поршневого двигателя с помощью метода математического моделирования [Текст] / A.A. Обо зов, М.А. Старокожев // Вестн. БГТУ. - Брянск: БГТУ. - 2011. -№4 (32). - С. 47-54 (0,5 п.л. / 0,25 пл.).

2. Обозов, A.A. Двухблочный роторно-поршневой двигатель [Текст] / A.A. Обозов, М.А. Старокожев// Двигателестроение. - 2012. - №1 (247). - С. 18-22 (0,56 п.л. / 0,28 п.л.).

3. Обозов, A.A. Исследование характеристик двухблочного четырехка-мерного роторно-поршневого двигателя в широком диапазоне его нагрузочных и скоростных режимов [Текст] / A.A. Обозов, М.А. Старокожев // Вестник БГТУ. -Брянск: БГТУ. - 2012. - №1(33). - С. 77 - 85 (0,56 п.л. / 0,28 п.л.).

4. Обозов, A.A. Сравнительный анализ технико-экономических показателей двухблочного роторно-поршневого двигателя и роторно-поршневого двигателя Ванкеля [Текст] / A.A. Обозов, М.А. Старокожев // Вестник БГТУ. -Брянск: БГТУ. - 2012. - №2 (34). - С. 48 - 54 (0,38 п.л. / 0,19 п.л.).

5. Обозов, A.A. Математическое моделирование рабочего процесса че-тырехкамерного роторного двигателя внутреннего сгорания [Текст] / A.A. Обозов, М.А. Старокожев // Брянск: БГТУ. - 2011. - Ч. 1. - С. 76 - 78 (в рамках программы У.М.Н.И.К.) (0,16 п.л. / 0,08 п.л.).

6. Роторный двигатель внутреннего сгорания [Текст]: пат. 2405950 Рос. Федерация, МПК7 F02B53/08, F01C19/02 / Тайц О.Г., Старокожев М. А.; заявитель и патентообладатель Брян. гос. инженер.-технол. акад. №2009103723/06; заявл. 04.02.09; опубл. 10.08.10 Бюл. №34. - 9 е.: ил.

Подписано в печать 29.04.13 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ. л.1,17 . Уч.-изд. л.1,17. Тираж 100 экз. Заказ 145

Издательство Брянского государственного технического университета 241035, г.Брянск, бульвар им. 50-летия Октября,7, БГТУ, тел. 58-82-49. Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Брянский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201357051 Старокожев Михаил Алексеевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ДВУХБЛОЧНОГО РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели (технические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Обозов Александр Алексеевич

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Принятые условные обозначения................................................. 6

ВВЕДЕНИЕ .......................................................................... 8

ГЛАВА 1. ОБЗОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТИПОВ И СХЕМ ДВС................................ 14

1.1. Обзор конструктивных решений построения ДВС, альтернативных традиционному решению (конструкции с КШМ) 14

1.1.1. Классификация конструктивных схем роторно-поршневых двигателей............................................................................ 14

1.1.2. Конструктивные схемы роторно-поршневых двигателей

в патентной литературе............................................................ 18

1.1.3. Конструктивные схемы роторно-поршневых двигателей

в Интернет - источниках .......................................................... 30

1.1.4. Конструктивные схемы роторно-поршневых двигателей

в реферативных журналах......................................................... 38

1.2. Достоинства и недостатки роторно-поршневых двигателей

в сравнении с поршневыми двигателями ..................................... 39

1.3. Выводы по главе. Постановка цели и задач диссертационной

работы................................................................................. 42

ГЛАВА 2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПРИНЦИП действия ДВУХБЛОЧНОГО ЧЕТЫРЕХКАМЕРНОГО РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ................................................... 45

2.1. Описание конструкции и принципа действия двухб л очного роторно-поршневого двигателя по патентам [1,2].......................... 45

2.2. Обоснование выбранных геометрических параметров

двухб л очного роторно-поршневого двигателя................................ 53

2.2.1. Определение рабочего объема камер двигателя.................... 54

Стр.

2.2.2. Выбор оптимального значения эксцентриситета е ................. 55

2.2.3. Выбор оптимального отношения H/D............................... 58

2.2.4. Определение фаз газораспределения ................................. 60

2.2.5. Определение параметров процесса перепуска...................... 63

2.2.6. Торцевые уплотнения как необходимость герметизации смежных камер двухблочного роторно-поршневого двигателя 67

2.3. Предварительная оценка параметров рабочего процесса двухблочного роторно-поршневого двигателя по методу Гриневецкого-Мазинга.............................................................. 68

2.4. Выводы по главе .............................................................. 81

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВУХБЛОЧНОГО РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ.................................................... 83

3.1. Базовые принципы построения численной математической модели рабочего процесса двухблочного

роторно-поршневого двигателя 83

3.2. Процесс тепловыделения при сгорании топлива и процесс теплообмена в цикле двухблочного роторно-поршневого двигателя 87

3.3. Методика численного моделирования рабочего процесса двухблочного роторно-поршневого двигателя в среде программирования «Excel» (OC«Windows»)................................... 91

3.3.1. Исходные данные для математического моделирования 93

3.3.2. Начальные условия для решения дифференциальных уравнений, описывающих процессы в камере всасывания

(блок всасывания) 93

3.3.3. Начальные условия для решения дифференциальных уравнений, описывающих процессы в камере сгорания (блок сгорания) 94

3.3.4. Алгоритм численного интегрирования системы уравнений 95

Стр.

3.4. Выводы по главе............................................................. 100

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДВУХБЛОЧНОГО РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННОЙ ЧИСЛЕННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ............................ 102

4.1. Анализ характеристик рабочего процесса двухблочного роторно-поршневого двигателя на режиме проектной номинальной мощности 102

4.2. Исследование характеристик рабочего процесса двухблочного роторно-поршневого двигателя в широком диапазоне его нагрузочных и скоростных режимов. Представление универсальных характеристик двигателя в форме регрессионных моделей ................................... 113

4.3. Исследования, направленные на оптимизацию рабочего процесса двухблочного роторно-поршневого двигателя............................... 125

4.3.1. Исследование возможности увеличения мощности двухблочного роторно-поршневого двигателя повышением

частоты вращения вала ............................................................ 125

4.3.2. Увеличение мощности двухблочного роторно-поршневого двигателя изменением фазы начала впуска рабочей смеси................. 128

4.3.3. Увеличение мощности двухблочного роторно-поршневого двигателя изменением проходного сечения впускного отверстия

камеры всасывания................................................................... 129

4.3.4. Увеличение мощности двухблочного роторно-поршневого двигателя изменением фазы начала перепуска смеси из камеры сжатия

в камеру сгорания........................................................................................................................................................130

4.3.5. Увеличение мощности двухблочного роторно-поршневого двигателя изменением проходного сечения канала перепуска рабочей смеси из камеры сжатия в камеру сгорания ................................................131

4.3.6. Увеличение степени сжатия............................................. 132

Стр.

4.4. Сравнительный анализ параметров двухблочного роторно-поршневого двигателя, роторно-поршневого двигателя Банке ля

и поршневого ДВС ................................................................. 133

4.5. Выводы по главе............................................................... 142

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................... 144

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................ 146

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................... 157

Приложение 1. Графоаналитический расчет проходного сечения

канала перепуска.................................................................... 157

Приложение 2. Распечатка результатов регрессионного анализа данных, выполненного с целью построения универсальных

характеристик двигателя........................................................... 159

Приложение 3. Поиск оптимального отношения H/D, дающего

минимальные потери тепла в стенки камеры сгорания...................... 167

Приложение 4. Параметры рабочего процесса двухблочного роторно-поршневого двигателя, полученные в результате моделирования........................................................................ 171

Принятые условные обозначения

ДВС - двигатель внутреннего сгорания/ РПД- роторно-поршневой двигатель/ КШМ- кривошипно-шатунный механизм/ РТ- рабочее тело/

град ПВ - градус поворота вала двигателя/

Р,,Ре- индикаторная и эффективная мощности двигателя/

пдв - частота вращения вала двигателя/

Мкр - эффективный средний крутящий момент двигателя (на валу);

Кс> Кг ~ текущие объемы камер всасывания (сжатия) и сгорания (выпуска);

Uec, Uсг ~ энергия рабочего тела в камере всасывания и камере сгорания/

иес, исг - удельная внутренняя энергия рабочего тела в камере всасывания и

камере сгорания/

io, i ее, ice ~ энтальпия воздуха окружающей среды, энтальпия рабочего тела в камере всасывания и камере сгорания/

G ее, Gee - текущая масса рабочего тела в камерах всасывания и сгорания/ Ро, Ре о Рсг ~ давление воздуха внешней среды, текущее давление рабочего тела в камере всасывания и камере сгорания/

Т0, Тес, Тсг - температура воздуха внешней среды, текущая температура рабочего тела в камере всасывания и камере сгорания/

LWc, Llcz - механическая (индикаторная) работа, совершаемая в течение элементарных циклов в камерах всасывания и сгорания/ aw- коэффициенты теплоотдачи от воздуха (рабочего тела) в стенки камеры всасывания, камеры сгорания и ротор/

Fec, Fa, Fpom - текущие площади тепловоспринимающих поверхностей конструктивных элементов камеры всасывания, сгорания, ротора/ q4 - цикловая подача топлива (бензин АИ-93); Ъе - удельный эффективный расход топлива/ Qm - низшая теплотворная способность топлива/

X - коэффициент использования теплоты при сгорании топлива;

хсг - относительное количество тепла, выделившееся в цикле при сгорании

топлива;

асг - коэффициент избытка воздуха при сгорании (воздушно-топливное отношение);

dQw вс, dQw сг - элементарное количество тепла, подведенное (отведенное) в цикле в результате теплообмена рабочего тела со стенками камеры всасывания и камеры сгорания;

/uFec, ¡iFc¿, fdFnep — эффективные проходные сечения каналов всасывания (в камеру всасывания), выпуска (из камеры сгорания) и перепуска (из камеры всасывания в камеру сгорания); к - показатель адиабаты рабочего тела;

Reo R-сг ~ газовые постоянные рабочего тела (в камере всасывания - воздух, в камере сгорания - смесь воздуха и «чистых» продуктов сгорания); свс, свып, спер — скорости течения рабочего тела в каналах всасывания, выпуска и перепуска;

Vv вс, сг ~ коэффициенты наполнения камеры всасывания и камеры сгорания.

ВВЕДЕНИЕ

Более двух столетий для выработки механической энергии человечество использует тепловые двигатели. За это время создано большое число разновидностей тепловых двигателей: поршневые и роторно-поршневые, реактивные двигатели, газовые турбины и т.д. Наиболее распространены двигатели с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), применяемым в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и в двигателях с внешним подводом теплоты. Это объяснимо: развитая теория, относительная простота конструкции, вековая эволюция, отработанная технология изготовления позволяют создавать двигатели мощностью от десятых долей до нескольких десятков тысяч киловатт. Конструкция тепловых двигателей непрерывно совершенствуется (применение высокого турбонаддува, четырехклапаной системы газообмена цилиндра, впрыскивание топлива непосредственно в цилиндр, внедрение аккумуляторных топливоподающих систем с электронным управлением, систем с несколькими (двумя) свечами зажигания на цилиндр и т.д.), совершенствуются термодинамические характеристики рабочих процессов, происходящих в двигателях.

Двигатели с КШМ конструктивно достаточно сложны. Попыткой изменить их кинематику, чтобы избавиться от конструктивно присущих им недостатков, явилось создание во второй половине прошлого столетия двигателя принципиально новой конструкции - роторно-поршневого двигателя Ванкеля. Организация рабочего процесса и конструктивная схема, применяемая в двигателе Ванкеля, позволяют получить более высокую удельную мощность и упростить конструкцию ДВС. В двигателях Ванкеля вал отбора мощности, проходящий через центр статора, имеет эксцентрик, на котором вращается ротор. Ротор и эксцентриковый вал вращаются в одном направлении в эпитрохоидных схемах. Благодаря благоприятному характеру изменения рабочих объемов, образующихся камер, простоте конструкции (только две подвижные детали), отсутствию вспомогательных механизмов

(отсутствует сложный механизм газораспределения), и почти полной уравновешенности роторно-поршневые двигатели относятся к прогрессивному типу ДВС. Однако двигатель Ванкеля имеет существенный недостаток - это сложный профиль внутренней поверхности статора (камер, в которых совершаются такты рабочего цикла двигателя), в связи с чем в двигателе применяется сложная и недостаточно надежная система газовых уплотнений.

С учетом изложенного доктором физико-математических наук, профессором О.Г.Тайцем и М.А. Старокожевым была предложена новая схема двухблочного роторно-поршневого двигателя на основании патента [1].

Двигатель имеет простую конструкцию и, как будет показано в диссертационном исследовании, хорошие технико-экономические показатели. Можно предположить, что данный двигатель будет также обладать хорошими экологическими характеристиками, будет достаточно надежным и иметь хороший моторесурс. Чтобы оценить технические характеристики двигателя, было решено провести исследование рабочего процесса двигателя с использованием метода математического моделирования.

Диссертационная работа содержит четыре главы.

Первая глава посвящена анализу конструктивных решений ДВС, отличных от традиционного решения, основанного на использовании кривошипно-шатунного механизма В главе ставятся цель и задачи исследования.

Во второй главе описана предлагаемая конструкция двухблочного четырехкамерного РПД и принцип его работы, определены основные геометрические размеры двигателя (определены фазы газораспределения, проходные сечения каналов для осуществления процессов газообмена, объемы камер двигателя и пр.). В заключение второй главы дана предварительная оценка параметров исследуемого РПД на основе теплового расчета, выполненного по методу Гриневецкого-Мазинга.

В третьей главе исследования описана численная математическая модель, разработанная для исследования рабочего процесса, происходящего в двухблочном четырехкамерном РПД. В основу математической модели двухблочного РПД положены законы сохранения энергии и массы открытой термодинамической системы, характеристическое уравнение состояния рабочего тела Клапейрона-Менделеева. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, описывающих процессы, происходящие в камерах двигателя. В главе приводится описание методики численного решения системы дифференциальных уравнений на персональном компьютере в среде программирования «Excel» (ОС «Windows»).

В четвертой главе приведены результаты численного моделирования рабочего процесса исследуемого двухблочного четырехкамерного РПД, проанализированы процессы, происходящие в двигателе (приведены индикаторные диаграммы, характеристики процессов массообмена, теплообмена рабочего тела со стенками камер, теплоподвода к рабочему телу в результате сгорания топлива и пр.), приведены полученные в результате моделирования интегральные характеристики двигателя (эффективная мощность, удельный эффективный расход топлива, условное среднее индикаторное давление цикла, средний крутящий момент на валу двигателя и ряд других параметров). Также приведены результаты исследования характеристик двухблочного четырехкамерного РПД в широком диапазоне его нагрузочных и скоростных режимов (выполнен численный математический эксперимент на режимах, сочетающих изменение скоростного режима работы двухблочного четырехкамерного РПД в диапазоне частот вращения 1000...4000 мин'1 и изменение положения дроссельной заслонки, регулирующей поступление смеси в камеру всасывания). В результате исследования получены универсальные характеристики двигателя в координатах «эффективная мощность - частота вращения вала»: pc=f{nde, Ре), дц=Дпдв, Ре\Рсгтах =Лпдв, Ре), Тсгтах =/{пдв,

Ре), Ье = Xпдв, Ре). Универсальные характеристики описывают изменение параметров двигателя в форме квадратичных полиномов в диапазоне изменения мощности от режимов внешней скоростной характеристики (дроссельная заслонка полностью открыта) до режимов холостого хода (дроссельная заслонка «слегка» прикрыта). Кроме того, приведены результаты, полученные при решении оптимизационных задач. В частности, исследовано «поведение» двигателя при работе по внешней скоростной характеристике, вплоть до частот вращения вала пдв = 10000 мин*1. Исследован характер изменения интегральных характеристик двигателя в зависимости от изменения фаз газораспределения и величин проходных сечений каналов. В конце главы сопоставлены характеристики двухблочного четырехкамерного РИД, роторно-поршневого двигателя Банке ля и карбюраторных двигателей традиционной конструкции (с КШМ).

В заключение диссертационного исследования подводятся итоги работы, формулируются выводы, вытекающие из результатов диссертационного исследования.

В диссертационной работе рассмотрены термодинамические аспекты работы двухблочного РИД, и с этих позиций дана оценка его работоспособности. Вопросы экологии, прочности (теплонапряжённости), надежности функционирования, детальной проработки конструкции (выбор материалов, обеспечение уплотнений и пр.), технологичности изготовления его деталей и ряд других будут являться предметом дальнейших исследований.

i >■

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы обусловлена тем, что она направлена на разработку ДВС принципиально новой конструкции, который, может быть эффективно использован в различных сферах энергетики страны.

Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания (РИД), в частности, двигатель Ванкеля, в отличие от двигателей внутреннего

сгорания, не содержат в своей конструкции кривошипно-шатунный механизм, однако имеют ряд недостатков: быстрый износ торцевых и радиальных уплотнений; потеря компрессии в работе; сложная система смазки вращающегося ротора; сложная траектория движения ротора; нерационально исполненная кинематическая схема с точки зрения восприятия поверхностью ротора давления рабочих газов расширения и