автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Термодинамический анализ действительных процессов в комбинированных двигателях внутреннего сгорания

РГ Б ОД

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и 1 ^ АВ£на19Й«ового Красного Знамени Государственный Технический Университет им. Н.Э.Баумана

На правах рукописи

Лапушкин Николай Александрович

УДК 621.436.019

Термодинамический анализ действительных процессов в комбинированных двигателях внутреннего сгорания

(05.04.02 - тепловые двигатели)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена В МГТУ им. Н. Э. Баумана на кафедре "Комбинированные двигатели внутреннего сгорания"

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Ивин В. И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор Петриченко М.Р.

- доктор технических наук, профессор Леонов И. В.

Ведущее предприятие - НИИД г. Москва

Защита состоится " ié" 1995 г. в -А- час.

на заседании Специализированного Совета К. 053.15.05 "Тепловые мадины и теоретические основы теплотехники" Московского Государственного Технического Университета имени Н.3. Баумана по адресу: 107005, Москва, Лефортовская набережная, д.1, корпус "Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ имени Н. Э. Баумана.

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ваши отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э.Bay: гна, ученому секретари Совета К'?053.15.05

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук /

доцент /I / Ефимов С. И.

, "Г-:- -.....-

Подписано к печати 5.06.95 г. ЗАказ 253 объем 1,0 п. л. Тираж 100 Типография МГТУ им. Н.Э.Баумана

Научно-технический прогресс в двигателестроении связан с улучшением экономичности двигателей, повышением -пределов их форсирования, увеличением заданного ресурса работы, снижением тонсичности выпускных газов-

Номпленсное решение этих проблем обеспечивается проведением большого обьема работ по доводне и оптимизации конструкционных и термодинамических параметров двигателей, определяемых выбором рациональных конструкторских реиений. применением новых материалов и организацией эффективных процессов тепло-массообмена в системах двигателя-

Возрастающее применение новых материалов. обладающих повышенными теплоизоляционными свойствами требует проведения исследований по организации рабочих процессов с учетом подвода и отвода теплоты в цилиндрах и газовоздуиных трактах двигателя. Для уснорения исследований и снижения их стоимости целесообразна разработка и 'использование математических моделей, учитывающих взаимное влияние систем, составляющих современный двигатель и обладающих достаточной степенью достоверности при описании происходящих в них процессов.

Цель исследования. Изучение особенностей протекания рабочих процессов в быстроходном двигателе с высоким уровнем форсирования и уменьшенным отводом теплоты и определение оптимальных сочетаний основных конструкционных и термодинамических параметров двигателя, обеспечивающих при заданной мощности и ограничениях максимального давления цикла, температуры газов перед турбиной и коэффициента избытка воздуха получение минимального расхода топлива-

Разработка расчетно-экспериментальной методики определения основных конструкционных и термодинамических параметров двигателя •

Выбор и обоснование методов оптимизации параметров двигателя и разработка средств математичесного моделирования оптимизационных задач-

Разработка методов экспериментального и расчетного исследования действительных процессов в двигателях с уменьшенным отводом теплоты-

Научная новизна. Разработана математическая модель расчета действительных процессов в быстроходных форсированных дпигате-шх с уменьшении.-, отводом теплоты и утилизацией энергии вьтусн ных га;к>н н силовой турбине, применима» для исследования раз-

личных типов поршневых двигателей! позволяющая анализировать разнообразнообразные схемы газовоздушного тракта двигателей, организацию процессов в каждом цилиндре с учетом индивидуальных фаз газораспределения и законов подъема и опускания клапанов, установку дополнительной камеры сгорания, перепуск воздуха и рециркуляцию выпускных газов, работу двигателя на различных видах топпив■

Разработана методика определения эффективности действительных циклов на основе их сравнения с соответствующим "образцовым" обратимым термодинамическим циклом, определены критерии адекватности действительного и "образцового" циклов-

Разработана математическая модель оптимизации параметров двигателей, позволяющая проводить многопараметровую многокритериальную оптимизацию-

Практическая ценность. Теоретические разработки, реализованные в виде алгоритмов и программ, с достаточной степенью достоверности отражают реальную физическую картину в системах КДВС, доведении до удобной для пользования конструкторов формы задания расчетной схемы двигателя, обеспечивают моделирование разнообразных типов двигателей с различными схемами наддува, работающих на различных видах толлив, и позволяют сократить сроки и материальные затраты на проектирование и доводку перспективных КДВС.

Проведенные расчетные исследования позволили разработать рабочий процесс для быстроходного форсированного двигателя типа ЧН15/16 с уменьшенным отводом теплоты и определить влияние эф-эффентивности тепловой изоляции поверхностей камеры сгорания и выпускного трубопровода на показатели рабочего процесса двигателя при повышении уровня его форсирования для конкретных объектовых условий.

Для быстрохо; шх двигателей 6ЧН21 /21 и 8ЧН21 /21 разработаны рекомендации по организации действительных процессов с ,четом выбора схемы наддува спрофилированных впускных и иыпуснных каналов в головках цилиндров и оптимальных фаз газораспределения, позволяющих уменьшить расход топлива до 6 г/кВт. ч и повысить надежность конструкции выпускных трубопроводов-

Реализация результатов работа. Результаты работы использованы в НИИДе и в РНИИТМ при создании перспективных транспортных двигателей с уменьшенным теплоотводом. на Екатеринбургском ПО "Турбомоторннй яйвол" при доводке двигателей 6ЧН21/21 и

8ЧН21/21. в НАМИ при разработке перспективного двигателя 2ЧВН 10,5/12 для Владимирского тракторного завода, на ЛОнКомпрессор" при разработке газового варианта двигатель- компрессора для заправки газовый топливом автомобилей.

Апробация работы. Диссертационная работа заслушана. обсуждена и одобрена на заседании кафедры "Комбинированные двигатели внутреннего сгорания" МГТУ им- Н-Э-Бауиана

йубтацк*. По теме диссертации опубликовано 3 статьи» 3 тезисов докладов-

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и литературы- Она содержит 105 страниц основного текста, 70 рисунков. 3 таблицы. 11 страниц со списком использованной литературы, внлючзюцим 134 наименования.

Сояерхание работы. В первой главе рассмотрены методы оценки термодинамической эффективности обратимых и действительных циклов и процессов комбинированных двигателей- Даны характеристики применяемых методов математического моделирования рабочих процессов при рассмотрении двигателя как сложной термодинамической системы, состояаей из нескольких более простых термодинамических систем, а танже характеристики математических моделей для расчета процессов тепловыделения и теплообмена- Установлено. что для определения оптимальных параметров действительных процессов наиболее целесообразно применение расчетных методов с привлечением экспериментальных данных для уточнения поправочных коэффициентов в описании граничных условий, характерных для конкретной конструкции двигателя • Проведен анализ работ по применению методов математической оптимизации в исследованиях двигателей внутреннего сгорания и даны характеристики методов математической оптимизации- Из анализа работ следует, что наиболее предпочтительными методами, позволяющими проводить оптимизацию на большом числе математических моделей обратимых и действительных циклов, включая достаточно сложные модели комбинированных двигателей. при большом числе оптимизируемых параметров и наличии ограничений следует признать методы нулевого порядка•

Дан анализ работ по влиянию уменьшения теплоотвода в стенки на показатели двигателей и рассмотрены схемы силовых установок для утилизации энергии выпускных газов- При этом установлено, что применение i ..плевой изоляции носит противоречивый характер с точки зрения улучшения эффективности двигателей, ноторая не

так велика и достигается при оптимальных параметрах рабочего процесса •

На основе проведенного обзора сформулированы задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели-

1- Разработать математическую модель расчета действительных процессов в комбинированных двигателях внутреннего сгорания. позволяющую моделировать различные схемы наддува и учитывать распределение тепловых потоков по отдельным поверхностям деталей цилиндрогтршневой группы и трубопроводов впускной и выпускной систем-

2- Разработать методику многопараметровой оптимизации и математическую модель, совместимую с расчетом целевой функции по различным математическим моделям •

3- Определить на основе расчета обратимых термодинамических циклов предельные параметры, обеспечивающие получение максималь ной эффективности цикла при наличие ограничений по максимальному давлению-

4- Определить на экспериментальных установках основные параметры и граничные условия в форсированных комбинированных двигателях и двигателях с применением тепловой изоляции поверхностей и провести идентификацию математической модели для различных типов комбинированных двигателей-

5- Провести расчетное исследование рабочего процесса двигателя типа ЧН15/16 при увеличении уровня его форсирования до Ре=2.о МПа при наличии ограничений с целью выбора оптимальных тепмоди-намичесних и конструкционных параметров-

6- Определить возможности повышения технико-экономических показателей двигателя типа ЧН15/16 при применении тепловой изоляции поверхностей камеры сгорания и выпускного трубопровода•

Во второй главе изложена математическая модель для расчета действительных процессов в комбинированных двигателях внутреннего сгорания, основанная па численном решении системы уравнения для открытой термодинамической системы, включающей уравнение сохранения энергии, сохранения массы и уравнение состояния:

п

сс ат = а« + а« » [

Ч х * J

к = 1

хГао. - V - тс ас ,

к к иу

V

гу = ак т, г

где <зох - количество теплоты, подведенной с топливом;

- количество теплоты, отведенной в систему охлаждения; к - количество массовых источников;

1к,йок " удельная энтальпия заторможенного потока и расход к-го источника;

р,г,у,о - давление, температура, объем и количество рабочего тела;

- газовая постоянная, определяемая с учетом состава рабочей смеси.

Модель описывает действительные процессы в каждом цилиндре двигателя, впускной и выпускной системах газоооздушногс тракта, форнамерэх. дополнительных камерах сгорания (Рис.1) - Пространство цилиндра представляет собой открытую термодинамическую систему с изменяющимся объемом, сообщенным с постоянным объемом форнамеры. с внутренним источником теплоты и источниками массы через впускные и выпускные органы (Рис.2)- Утечками рабочего тепа через неплотности пренебрегают- В качестве рабочего тела рассматривают совершенный газ- Течение зо впуснных и выпускных каналах и трубопроводах принимают одномерным и квазистационарным- Секундный расход рабочего тела определяется по параметрам идеального потока в минимальном сечении

ао = ¡¡г О " си. , (2)

^ ссч т г где - коэффициент расхода;

Гсеч " нпоиапь минимального поперечного сечения; рг - плотность газа в минимальном поперечном сечении; «г - скорость газа в минимальном поперечном сечении-Скорость рабочего тела п минимальном сечении напала определяется параметрами на входе в минимапьное сечение и функцией истечения. зависящей от параметров рабочего тела перед и за минимальным течением:

,г

,! 2 к

В) =/ -

у / к-1

р I- (р

к * 1

в |к . i 1 < 3 >

р

вх

ну 'Рих " давление и нлотность газа на входе в минимальное сечение;

" и плотность газа на выходе из минималь-

ного сечении-

Но/|"ли[1«няиио гоплопылеления » цилиндре в обшем случае осуществляется но мсгидине И-И-йибе. полпо/шющой описывать функцию тоилокид''Л'-нис кли п днигателнх с воспламенением от сжатия, так я ь дни: гп'лих г принудительным зажиганием:

К+1

г' , (4)

где % - показатель харантера сгорания;

с - коэффициент полноты выгорания топлива; р2 - продолжительность сгорания: (Р - текущий угол пкв. Однако для ноннретного двигателя могут быть использованы и другие математические модели-

Процесс теплопередачи между рабочим телом и охлаждающим агентом в системе охлаждения рассмат[ -вается в одномерной постановке и считается квазистационарным- Потери теплоты в стенки в результате теплоотдачи определяются из уравнения Ньютона- Рих-мана. Тепловой поток в стенни определяется по отдельным гюверх-ностям-- лорвень■ головка, тарелки впускных и выпускных клапанов, гильза, отдельно учитывается тепловой поток в стенки выпускных каналов и участков впускного и выпускного трубопроводов- Учитывается изменение средней температуры и поверхности гильзы в зависимости от перемещения поршня- В качестве расчетной формулы коэффициента теплоотдадачи используется формула Г-Вошни;

УЬ

130 d-°'2 t"0-53 p0>8|clcra+ с2 ;-ilp" " pll • (5>

h T , Ло.8

где р.т - текущие значения давления и температуры газовой смеси;

ро - давление в цилиндре при отключенной подаче топлива ; Pj.Tj.Vj- параметры газовой смеси в момент закрытия впускного клапана ; Cm - средняя скорость поршня;

D - диаметр цилиндра; vh - рабочий обьем цилиндра; Cj, с2 - поправочные коэффициенты; при закрытых клапанах в период сгорания и расширения

Cj = 2.28 * 0.308 Cu/Cm,

при газообмене = 6.je + о.417 cu/cm . Вихревое отношение cu/cm для двигателя мти 15.,/16.5 равно 2.3. Поправочный коэффициент с2 = 3-24 10~ " Л"п непосредственного впрыска и м-процесса; = 6.24 ю/ - для форкамерного двигателя.

Определение параметров воздуха, подаваемого компрессором. КПД компрессора и турбины осуществляется по экспериментальным

характеристикам турбины и компрессора, при этой соблюдаются условия по балансу мощностей турбины и компрессора> равенству их частот вращения и соотношению расходов воздуха через номпрессор и газов через турбину-

Математическая модель расчета действительных процессов в КДВС реализована в программе для ЭВМ.

Представлены результаты моделирования действительных процессов в различных типах комбинированных двигателей: дизелей 8ЧН 21/21. 6ЧН21/21 (Рис.3), 8ЧН16-5/18-5. ЧН15/16 (Рис.4); двигателей с принудительным воспламенением ЗИЛ-4104. ВАЗ-1Ш,сво-боднопоршневых дизель-компрессоров ДК-2. ДК-10. В третьей главе изложены методы получении предельных параметров действительных процессов и результаты экспериментальных исследований в двигателях с высоким уровнем форсирования и применением тепловой изоляции отдельных поверхностей-

Для получении предельных значений эффективности действительных процессов разработана математическая модель обратимого термодинамического цинла с переменной теплоемкостью и массой рабочего тела- В основу методики положен первый закон термодинамики-Эффективность цикла оценивается методом КПД- В качестве общего случая при моделировании циклов была использована схема комбинированного двигателя с двухступенчатым сжатием в компрессоре с охлаждением воздуха после навдой ступени- Расширение газов после поршневой части осуществляется нан в турбине постоянного давления, так и в импульсной турбине-

Нан известно из анализа термодинамических циклов, при ограничении максимального давления цинла больший КПД имеет цикл с подводом теплоты при постоянном давлении, который выбран в качестве "образцового" цинла. и который является предельным для цикла дизельного двигателя- Процесс подвода теплоты в "образцовом" цикле является предельным случаем для процесса подвода теплоты в соответствующем действительном цикле с ограничением максимального давления- Зависимость температуры рабочего тела от обьема цилиндра на линии подвода теплоты при Р^сопяе -т . - т)£ - ^

где ср- средняя теплоемкость рабочей газовой смеси; 'Г)- удельная энтальпия воздуха;

1 - удельная ¡нтяльпия продуктов сгорания; в - доля воздуха в смеси;

X - коэффициент выделения теплоты, позволяет определить характеристику тепловыделения и продолжительность подвода теплоты (Рис.51.

Экспериментальные исследования проводились на двигателях 4ЧН12/14 к 4410,5/12. а также были использованы экспериментальные данные для двигателей типа ЧН12/12 и ЧН15/16. полученные в НИИД• Для обработки экспериментальных индикаторных диаграмм и получения характеристик процессов подвода и отвода теплоты была разработана методика, алгоритм и программа для ЭВМ- Основное уравнение для определения доли выгоравшего топлива записано в следующем виде;

а(ру)с

--- + рау + а«,

dx = -—--:- , (7)

2v " <Сссз~ Cvnc"^o!gT4

[yHu - Т(с - (с - с ) U |g v сез УПС о| Т

где p.v.t - давление, объем и температура рабочей смеси газов;

cv - истинная теплоемкость смеси газов при v=conet-, cvc3.cvnc - средние теплоемкости при v=const свежего заряда и продуктов сгорания;

Qv - теплоотдача в стенки цилиндра;

Ц" - низшая теплота сгорания топлива;

X ~ коэффициент выделения теплоты;

1а - стехиометричесное соотношение ноличества воздуха, приходящегося на i кг топлива;

8тц * цикловая подача топлива-Анализ полученных результатов позволил выявить собенности протекания процессов в двигателях с различным уровнем форсиро вания- Высокофорсированный двигатель имеет повышенную тепловую напряженность, связанную со сжиганием больших цикловых подач топлива при высо: тм давлении наддува ■ Процесс тепловыделения в малофорсированных двигателях 4410,5/12 и 4ЧН12/М без ограничения Р<"«х характеризуется ярко выраженным пиком па кривой с но рости выгорания топлива, соответствующему фазе объемного ссора ния- В высокофорсированном двигателе типа 41112/12 при Гц = о.зу МПа н виду необходимости ограничении rmas основная м.-irr.i тонли на сгорает при диффузионном сгорании, что связано с меньшим удельным объемом камеры сгорания . приходящимся на единицу массы топлива, сокращением периода задержки воспламенения из-за m.eu ценных температуры и давления в на мере сгорании ipiic. Г» К

S

о

Анализ кривых скорости выгорания топлива в двигателе ЧН12/ 12 при различных углах опережения впрыскивания топлива д пока-показывает его существенное влияние на характер выгорания топлива и величину максимального давления цикла (Рис.7). При уменьшении 0 с 40 град. ПИВ до 13 град. ПИВ уменьшается период задерж-ни воспламенения, процесс сгорания переносится в фазу диффузионного сгорания, уменьшается, максимальная снорость выгорания топлива с 0.0552 град-i до 0.0529 град-i. максимум скорости выгорания смещается к концу сгорания, значительно, на 4 МПа. снижается максимальное давление цинла ■

В четвертой главе представлены результаты расчетного исследо-ния и оптимизации процессов в двигателе типа ЧН15/16 при увеличении уровня форсирования до Ре= 2. О МПа при ограничении максимального давления Рг< 14 МПа и температуры газов перед турбиной Тт< 1000 К на двух режимах работы - номинальной мощности и J максимального крутящего момента. Изложена методика оптимизации, выбор оптимизационных параметров. В качестве критерия оптимальности принят удельный эффективный расход топлива. Показана возможность уменьшения числа незасимых переменных исходя из ограничений ре = const и р2 , в результате чего в качестве независимых переменных использозуются степень сжатия с и коэффициент избытка воздуха а Получены области режимов работы для номинальной мощности (Рис. 8) и максимального крутящего момента, которые имеют вид оврага. Минимум «в располагается на границе области при достижении величины Рг допустимого уровня. Достнх<ение точки расчетного оптимума связано с уменьшением степени сжатия до с- 11. 2-11. 5 при увеличении коэффициента избытка воздуха до а- 1.95-1.97 на режиме номинальной мощности и с 11. 2 11. 5 и а= 1.65-1.70 на режиме максимального нрутяцего момента. Уменьшение с ухудшает пусковые свойства двигателя, особенно в зимних условиях эксплуатации, а увеличение а обеспечивается увеличением давления наддува Рк=0. 30-0. 32 МПа, что связано с подбором другого агрегата воэдухоснабжения.

При каждом постоянном значении степени сжатия с при соблюдении всех ограничений зависимость 8е<а) имеет ясно выраженный минимум, который в достигается при определенном угле опережения впрыскивания топлива для наждого значения с (Рис.9). Характер изменения «е при £=const объясняется следующим образом: при больших значениях Рк, связанных с большими коэффициентами избытка воздуха, выполнение условия pz=Const обеспечивается за

счет уменьшения угла опережения впрыскивания топлива б, что приводит к сокращению периода задержки воспламенения г(, переносу процесса сгорания на линию расширения и ухудшению экономичности. При малых значениях Рк, обусловленных небольшими значениями а, выполнение ограничений но Рк и Ре приводит к увеличению 0 больше оптимального, г( при этом значительно увеличивается, сгорание топлива характеризуется высокой скоростью, смещением максимума давления к ВМТ и ухудшением экономичности.

При увеличении уровня форсирования двигателя типа ЧН15/16 значительно увеличиваются показатели тепловой напряженности: критерий Костина возрастает с 6.02 до 9.2, средний эквивалентный коэффициент теплоотдачи увеличивается с 501 до 930 Вт/м2К. Увеличение количества теплоты, отводимой в стенки, при поддержании температур деталей ЦПГ на исходном уровне, требует увеличения расхода охлаждающей жидкости в 1. 7 раза, и затрат мощности на привод агрегатов системы охлаждения на 58% . Возрастает энергия газов перед турбиной, увеличивается отношение Рн/Рт, которое становится больше 1 даже при наличие противодавления за турбиной Рто=0. 14 МПа.

В пятой главе представлены результаты расчетного гсследования влиянии применения тепловой изоляции поверхностей КС и выпускного трубопровода на показатели рабочего процесса двигателя типа ЧН15/16 на режиме номинальной мощности. Исследовано 6 вариантов тепловой изоляции на уровне форсирования Ре = z.o МПа с двумя системами наддува - со свободным турбокомпрессором и с механическим приводом компрессора, при большом противодавлении за турбиной рто= 0.14 МПа (Табл.1).

Как следует ил результатов расчетов наибольшие тепловые по-

Табпица 1

Температуры поверхностей камеры сгорания

Вар. Т 'пор К • т гол К т вп. нл К т В. КЛ К т 'гил • К

1 573 573 673 973 573-507

2 673 62 3 873 1073 623-543

3 fi 73 773 1073 1173 723-623

4 923 823 1123 1173 823-673

5 973 873 1173 1173 873-723

G 1073 973 1173 1173 973-773

тони имеют место в варианте 1 с исходными температурами деталей. По мере увеличения температур деталей максимальная величина теплового потона уменьшается, но растет продолжительность подогрева свежего наряда, а максимум теплового потона смешается ближе к ВМТ (рис. 10). Количество теплоты, отведенной в стенки, п варианте 6 меньше почти в 3 рааа, чем в исходном варианте, а по отдельным деталям уменьшение составляет: в поршень - 1.5 раза; головку - 1.5 раза. Теплоотдача в среднюю часть гильзы невелика, хотя ее температура достаточно низкая. Это связано с тем, что в процессе сгорания, когда температура смеси в цилиндре высокая, она перекрыта поршнем. Тепловая изоляция верхней части гильзы позволяет значительно уменьшить долю отведенной в нее теплоты - с 3.18 до 0.3616 .

ЧТИНС приводит к увеличению доли теплоты, уносимой из цилиндра с выпуснными газами, которая возрастает на 7% . Повышение температуры стенок НС при почти постоянном давлении газовой смеси в начале сжатия приводит к уменьшению ее плотности и, соответственно, н уменьшению коэффициента наполнения. Увеличение температуры газовой смеси в конце сжатия приводит при том же угле опережения впрыскивания топлива к сокращению периода задержки воспламенения, увеличению максимального давления цикла с 12.1 до 13.6 МПа (рис. 11 ).

Изменение среднего индикаторного давления при увеличении степени теплопой изоляции определяется изменением индикаторного КПД и коэффициента наполнения, вначале оно увеличивается за счет большего увеличения г^, а затем уменьшается за счет большего уменьшения qv . Температура газов перед турбиной увеличивается 100 К, что связано именно с уменью' кием теплоотдачи и большему количеству теплоты, попадающему в выпускную систему (рис. 12). Рост энтальпии газа вызывает увеличение мощности турбины, несмотря на уменьшение расхода газа. В схеме со свободным ТК при постоянных Рн и Рто давление перед турбиной уменьшается, что обеспечивает увеличение Рк/Рт и улучшает процессы газообмена. В двигателе с механической связью мощность турбины увеличивается на 9% . Сравнение двух схем наддува при ЧТИНС показывает, что на всех исследованных режимах различие в величине суммарного индикаторного КПД не превышает {К . Для большинства режимов схема со свободным ТК имеет небольшое преимущество за счет увеличения Рк/Рт.

Основные реэттаты м вызовы

Разработана математическая модель расчета действительных процессов в многоцилмндровом комбинированном двигателе внутрен него сгорания« отражающая протекание процессов в каждом цилиндре двигателя с учетом их подключения н впускным и выпускным трубопроводам и порядка их работы, движение рабочего тела по разветвленным трубопроводам газовоздушного тракта, включая пе репускные и рециркуляционные каналы и дополнительные камеры сгорания. Математичесная модель позволяет проводить анализ раз нообразных схем наддува четырехтактных и двухтактных двигателей с неразделенными и разделенными камерами сгорания, работающих на различных видах топлива, согласование режимов работы поршневой части и агрегатов воздухоснабжения, а также использоваться для определения оптимальных конструкционных и термодинамических параметров двигателей.

2. Разработанная математичесная модель может рассматриваться как основа для моделирования процессов в развернутых тепловых двигателях, включающая модули с описанием достаточно большого числа процессов и систем, составляющих современный тепловой двигатель и позволяющая без особых сложностей осуществлять расширение возможностей расчетной модели за счет подключения новых модулей или замены на модули с более полным и точным описанием процессов в системах модернизируемых двигателей.

3. На основе анализа обратимых термодинамических циклов комбинированных двигателей с переменной теплоемкостью определены пределы изменения основных параметров двигателей при увеличении уровня форсирования и применения тепловой изоляции поверхностей. Определено влияние степени сжатия, количества и состава смеси на термодинамическую эффективность цикла. Установлено, что по лучение максимальной эффективности цинла при ограничении манси мального давления достигается за счет подвода теплоты по харак теристике, имеющей максимум в конце процесса подвода теплоты.

4. Создана экспериментальная установка и разработаны схемы измерения нестационарных параметров потока газов в выпускных сис темах комбинированных двигателей, а также локальных нестацио нарных потоков теплоты в намере сгорания быстроходного дизели с последующей обработкой экспериментальных данных на ОВМ.

5- Получены экспериментальные данные в двигателях с тепловой изоляцией и с высоким уровнем форсирования, в резулыяте обра богки которых определены граничные условия по теплообмену и

тепловыделению, лротенанию тепловых потоков на поверхностях камеры сгорания в зависимости от режима работы двигателя и уровня тепловой изоляции-

б. Использование математической модели при анализе процессов в двигателе типа ЧН15/16 с большим противодавление за турбиной при увеличении уровня его форсирования до Ре = 2,0 мПа при ограничении максимального давления до 14 МПа и температуры газов перед турбиной до Ю50 к совместно с разработанным методом оп-оптимизации позволило установить принципиальную возможность увеличения уровня форсирования при таких ограничениях, а также определить величину давления наддува, значения степени сжатия в цилиндре, допустимое значение коэффициента избытка воздуха и характеристики процесса тепловыделения, обеспечивающие на этом уровне форсирования получение минимального расхода топлива. 7- Применение тепловой изоляции поверхностей камеры сгорания и выпускного тракта форсирова"ного двигателя типа ЧН15/16 с высоким противодавлением за турбиной позволяет при соответствующей организации процессов повысить экономичность на б-вх, при уменьшении нопичества теплоты, отведенной в <т?нки КС iyuutfi(pu е 2-3 раза, что обеспечивает снижение габаритов и массы теппообменни-нов и затрат мощности на привод агрегатов системы охлаждения, за счет чего возможно дополнительное уменьшение расхода топлива на 2,5-5 х.

8. Применение тепловой изоляции деталей камеры сгорания и выпускного тракта комбинированного двигателя приводит н значительным увеличениям температур рабочего тела (свыше 100-200 к> в характерные моменты цикла в цилиндре и в выпускном трубопроводе перед турбиной, а анализ цикла двигателя с двумя схемами наддува при наличии высокого противодавления за турбиной показывает, что с увеличением тепловой изоляции схема с механической связью турбины и компрессора с коленчатым валом не имеет преимуществ перед схемой со свободным турбокомпрессором по расходу топлива, и выбор той или иноп схемы наддува должен решаться исходя из условий эксплуатации.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ивин В. И. , Лапушкин H.A. Опррчеление коэффициента теплоотдачи п стенки выпускного трубопровода НЛВС онтальпийным методом/ М.: МВТУ им. Баумана, Тез. докл. "Всесоюзной школы-семинара

"Современные проблемы газодинамики и теплообмена и пути повышения эффективности энергетических установон" Нарва 2-9 мая 1985 г. - 1985. -С 96.

2. Ивин В. И., Лапушкин Н. А. Математическое моделирование процессов комбинированного двигателя с частичной тепловой изоляцией// Изв. вузов, Машиностроение. - 1987. - N 5. С 44-49.

3. Лапушкин Н. А. Термодинамический анализ обратимого цикла высокофорсированного двигателя//М.: Труды МВТУ им. Баумана. -1987. N 496. -С 20-27.

4. Лапушкин Н. А. Повышение уровня форсирования транспортного дизеля при ограничении максимального давления цикла/М.: МВТУ им. Баумана, Тез. докл. "Всесоюзной школы-семинара "Современные проблемы газодинамини и теплообмена и пути повышения эффективности энергетических установок" Волгоград 14-22 мая 1987 г.

- 1987. -С 121.

5. Ивин В. И., Лап^нин Н. А. Результаты расчетного исследования форсированного дизеля с частичной тепловой изоляцией камеры сгорания// М.: ЦНИИТЭИТЯЖМАШ. 1988. -Серия 4 "Двигатели внутреннего сгорания". -Вып. 2. С 1-6.

6. Лапушкин H.A. Математическая модель действительных процессов комбинированного двигателя внутреннего сгорания/М.: МВТУ им. Баумана, Тез. докл. "Всесоюзной шнолы-семинара "Современные проблемы газодинамини и теплообмена и пути повышения эффективности энергетических установон" Нанев 9-19 мая 1989 г. - 1989. -С 134.

Pnc.1 PacieTnan nojeii jBHraieu

Pnc.2 PacneTRaa uojeií, muHHjpa

A 310

2S <.8

<2.

¿Í.-VíOllO

0,82 "v^ >\. /

0,78 ^.^UWO №"<¿2000

№00

3000

51)00 7000 "r/w a'

Pnc.3 BHeiHüa lapaKiepHCTHKa asurare!« 6MH21/21

, \ J/\ \ < V/ v x

»o

720

Phc.4 jHarpaauu jaBJien*« > ÍB«rateje 1H15/16

se amo»

fO

0,75 0.50 0.25 O

-----

0.25

0.5

ix df

Q52 A

0.39 A / '

O.ib / \ 1 / V

0,(5 / ^ / ' ^^

\

t'nA

0.75 f/Fnv¡i 350

370

3S0

Pnc.5 üosBOfl leniotH t OTÜ UBuraTeja Tuna '-í H12 n 2

Pnc.6 Ckopocth BbiropaHKa t b aK3eJ«i «1H10.5/12 > <JH12/12

Рис.7 Скорости выгорания топлива в двигателе ЧН12/12

т.ч

Рис.9 I!оае жарактеристик Дизеля ЧК15/16 при Киои

fnc.il Г: э к аза?» и л, н о ^ л м 'И: 15гС с- что

Рис.8 Поде характеристик дизеля ЧН15/16 при Ином

Ы/мг

Рис.10 Суммарные тепловые потоки в КС дивеля ЧН15/16

Рис. 12 Л о к а л а г е .я и дизеля Ч Н!5/16 с ЧТИВО