Geum.ru
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

       УДК: 621.434

Онищенко Дмитрий Олегович

УЛУЧШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ И СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК НА ЕГО ОСНОВНЫЕ ДЕТАЛИ

Специальность 05.04.02-тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Научный консультант:  доктор технических наук,

профессор Р.З. Кавтарадзе

__________________________________________________________________

Москва 2012

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Официальные оппоненты:                доктор технических наук, профессор

                                               Петриченко Михаил Романович

доктор технических наук, профессор

                                               Вагнер Виктор Анатольевич

доктор технических наук, профессор

                                               Патрахальцев Николай Николаевич

Ведущее предприятие:  Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет  (МАДИ)

Защита диссертации состоится л20 декабря 2012 года в 14.00 часов 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 диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

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

Автореферат разослан л_____________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н., доцент                                                                Тумашев Р.З.

Актуальность проблемы. Задачи повышения удельной мощности, снижения расхода топлива, улучшения нагрузочных и  скоростных характеристик современных двигателей внутреннего сгорания, продолжают являться самыми актуальными задачами для конструкторов и исследователей в области энергетического машиностроения. Эти задачи сопряжены с необходимостью форсирования двигателей: повышения среднего эффективного давления и быстроходности, поэтому высокая надежность и ресурс, топливная экономичность и экологические показатели являются основными критериями его качества. Форсирование дизелей приводит к увеличению термических и механических нагрузок на основные детали (поршень, гильза, головка цилиндра), играющих решающую роль  в формировании их жизненного цикла в целом. Перегрев деталей в рабочем цикле форсированного дизеля сопровождается образованием температурных полей с ярко выраженной неравномерностью распределения температуры и, как результат, ростом термических напряжений при одновременном ухудшении механических свойств материала, образованием трещин и, наконец, разрушением детали.

Снижению тепловых нагрузок на основные детали можно добиться путем рациональной организации рабочего процесса, позволяющей использовать различные способы снижения интенсивности турбулентного теплообмена в камере сгорания (КС).  Другой способ термической защиты термически нагруженных деталей - это применение теплоизолирующих (жаровых) накладок (вставок) из различных материалов с низкой теплопроводностью, что наряду с известными преимуществами может привести к ухудшению эффективных и экологических характеристик дизеля.

Решение одновременно двух проблем, какими являются улучшение эффективных и экологических характеристик дизелей (работающих как на традиционном, так и на альтернативном топливе), и снижение тепловых нагрузок на их основные детали, имеет научное и практическое значение.  Это особенно важно, если учесть, что в настоящее время уже разрабатываются сверхфорсированные дизели с максимальным давлением цикла рz=250 бар, а также с давлением  впрыскивания рвпр=3а000 бар. 

Цель работы. Основной целью диссертационной работы является разработка методов улучшения эффективности и экологичности транспортных дизелей, снижения тепловых нагрузок на его основные детали.

Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решать следующие основные задачи, тесно связанные между собой:

  1. Разработка комплексного инструмента в виде математических моделей рабочего процесса, образования оксидов азота, теплообмена и теплового состояния деталей, реализация которых предусматривает применение современных численных методов и компьютерных технологии, использование эффективных программных продуктов, в том числе и коммерческих.
  2. Исследование роли вихревого движения заряда, генерируемого впускной системой, на интенсивность теплообмена в цилиндре дизеля.
  3. Создание экспериментальной установки (физической модели) для исследования теплоизолирующего воздействия слоя нагара (сажи), образованного на тепловоспринимающих поверхностях основных деталей двигателя в результате гетерогенного сгорания.
  4. Исследование на натурном двигателе в стендовых условиях теплоизолирующего воздействия слоя сажи на нестационарный локальный теплообмен в КС.  Верификация разработанной модели.
  5. Исследование влияния конструкции КС и уровня турбулентности в цилиндре на интенсивность теплообмена и образования оксидов азота в целях  определения  оптимальной формы КСдизеля, использующего как традиционное, так и альтернативное топливо.
  6. Разработка составных конструкции деталей двигателя с теплоизолирующими накладками и проведение расчетно-экспериментальных исследований их теплонапряженного состояния.
  7. Исследование влияния теплоизоляции КС на эффективные и токсичные характеристики двигателя. Определение основных регулируемых и конструктивных параметров, оптимальное сочетание которых одновременно с уменьшением отвода теплоты от рабочего тела обеспечивает  оптимальное соотношение gi-[NOx].

  Поставленные задачи в совокупности составляют крупную научно-техническую проблему, имеющую важное промышленное и экономическое значение, поскольку ее решение позволяет повысить научно-технический уровень и сократить сроки и затраты на разработке  новых, перспективных дизелей и доводке существующих, сделать разработанную продукцию конкурентно-способной. 

Научная новизна работы заключается в том, что:

-разработаны научные основы и осуществлен комплекс мероприятий для снижения тепловых нагрузок в быстроходном дизеле при одновременном улучшении его эффективных и экологических характеристик;

- разработан  оригинальный расчетно-экспериментальный метод определения локальной температуры на поверхности слоя нагара и его локальной толщины;

-  осуществлена оценка влияние естественных и искусственных теплоизоляторов на теплообмен в камере сгорания дизеля, а также влияние теплоизоляции на образование оксидов азота;

- разработаны трехмерные модели для исследования теплонапряженного состояния базовой гильзы и гильзы с теплоизолятором, базового поршня, поршня с керамической вставкой и поршня с керамической вставкой и с дополнительным чугунным кольцом;

-  исследован эффект снижения интенсивности теплообмена между  вращающегося  зарядом и поверхностью КС как средство тепловой защиты деталей двигателя;

- Исследована возможность улучшения экономических и экологических характеристик дизеля  и снижения тепловых нагрузок в КС путем выбора оптимальной формы КС, определяющей уровень турбулентности в цилиндре дизеля, конвертированного в газовый двигатель;

- установлено, что причиной выхода из строя составных гильз и поршней, кроме различия между коэффициентами  теплового расширения материалов, является возникновение импульсов градиента температуры в области контакта;

-определен ряд основных регулируемых и конструктивных параметров, оптимальное сочетание которых одновременно с уменьшением отвода теплоты от рабочего тела обеспечивает  оптимальное соотношение удельного расхода топлива и [NOx].

Достоверность и обоснованность научных результатов определяются:

- использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена и химической кинетики, соответствующими этим законам уравнениями и граничными условиями, современных аналитических и численных методов реализации математических моделей, хорошо апробированных  программных продуктов, в том числе и коммерческих;

- применением при моделировании теплонапряженного состояния базовых и опытных конструкций поршней результатов измерения локальных температур, полученных автором с помощью датчиков ИМТК;

- применением при обосновании разработанных математических моделей рабочего процесса дизеля с непосредственным впрыскиванием опытных данных, полученных автором на специальной экспериментальной установке для индицирования и исследования внутрицилиндровых процессов в широком диапазоне изменения нагрузочных и скоростных режимов;

- использованием опытных данных в качестве граничных условий и исходных данных при численных исследованиях теплонапряженного состояния, тепловыделения и образования оксидов азота;

- использованием достоверных результатов исследований, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ВНИИГАЗ, СПбГПУ, Мюнхенском техническом университете, ТАДИ, на фирмах Cummins, AVL и др.;

- экспериментальным подтверждением адекватности разработанных математических моделей рабочего процесса и теплонапряженного состояния деталей дизеля путем использования  замеренных локальных температур поршня, концентраций оксидов азота и снятых индикаторных диаграмм при различных условиях организации внутрицилиндрового процесса;

Значимость работы для науки и практики состоит в том, что:

- разработанные научные основы и осуществленный на их базе комплекс мероприятий представляют собой инструмент, имеющий практическое значение для оценки возможностей и перспектив дизелей традиционной схемы, а также  дизелей конвертированных в газовый двигатель, и дизелей с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела;

-разработаны алгоритмы и программы, позволяющие реализовать математические модели и с достаточной для практики точностью решать задачи проектирования, доводки и модернизации как серийных, так и перспективных дизелей традиционных и нетрадиционных схем и конструкции.

-решение ряда теоретических, методологических, и экспериментальных вопросов исследования рабочего процесса, теплонапряженного состояния деталей и экологических характеристик позволяют сократить сроки выполнения и материальные затраты на проектирование, испытание и доводку дизелей с уменьшенными тепловыми нагрузками;

- Результаты диссертационной работы используются в ООО ЗМЗ, ВНИИГАЗ, а также в учебном процессе в МГТУ им Н.Э. Баумана.  Они также готовы к внедрению на других предприятиях.

Апробация работы.Основные положения диссертации докладывались на:

- Научно- технической конференции, посвященной 70-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок ДВС двадцать первого века(С.-Петербург, 2000 г.);

- Межвузовской научной конференции XXX юбилейная неделя науки СПбГТУ

  (Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2002 г.)

- третьей Всероссийской национальной конференции по теплообмену (Москва,МЭИ 2002 г.);

- международном симпозиуме Образование через науку, посвященном 175-летию МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005 г.)

- четвертой Российской национальной конференция по теплообмену (Москва, МЭИ 2006 г.);

- международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, -2007 г.);

- XI Международной научно-практической конференции Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей, (Владимир, Владимирский государственный университет, 2008 г.);

- пятой Российской национальной конференция по теплообмену (Москва, МЭИ 2010 г.);

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 18 научных работах, из них 10 - в изданиях, входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций по данному направлению. Также выпущены 10 отчетов по госбюджетным и хоздоговорным темам МГТУ им Н.Э. Баумана за 1999- 2012 гг.

Автор защищает:

-результаты определения теплового состояния деталей двигателя, индицирования и исследования рабочего процесса базового и опытных дизелей, полученные опытным путем на специальных установках;

-экспериментально обоснованные математические модели рабочего процесса, теплообмена в КС, теплового состояния деталей, позволяющие определить:

- локальные нестационарные температуры рабочего тела в цилиндре и

окальные и суммарные концентрации оксидов в азота в продуктах

сгорания;

- температурные поля базовых и опытных (составных) конструкций поршня

и гильзы;

- тепловыделение в процессе сгорания;

- влияние закрутки заряда на теплообмен в цилиндре двигателя;

- эффективные и экологические параметры дизеля, конвертируемого на

природный газ;

- методы компьютерной реализации этих моделей и результаты, полученные на основе этих методов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, в том числе заключения (основных выводов) и приложений. Она содержит 254 страниц машинописного текста, 87 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 193 источников, из них 98 на английском и немецком языках.

Значительная часть работ по диссертации была выполнена в рамкаххоздоговорных работ с ООО ЗМЗ (2004 г.) и ВНИИГАЗ (2006 г.);  грантов РФФИ- №05-08-01311, №08-08-00348 и №09-08-00279; грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых ученных за 2005-2006 гг. МК-2859.2005.8 и за 2009-2010 гг. МК-886.2009.8; Государственных контрактов №02.516.11.6131 от 28.09.2007 г., №02.516.11.6087 от 05.06.2007 г. и  № 16.740.11.0065 от 01.09.2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы создания эффективных, экспериментально обоснованных расчетно-теоретических методов исследования возможностей улучшения экологических и топливо-экономических характеристик дизелей с одновременным снижением тепловых нагрузок на деталях камеры сгорания. Приведена общая характеристика работы.

В главе 1 приводится критический анализ опубликованных на настоящее время научно-исследовательских работ, посвященных моделированию рабочего процесса дизелей, снижению тепловых нагрузок на основные детали камеры сгорания, улучшению экологических и эффективных показателей двигателя. Проанализированы работы известных Российских и зарубежных исследователей Аманн С., Арипджанова М.М., Боулоухоса К., Вошни Г., Гайворонского А.И., Галышева Ю.В., Гоца А.Н., Гусакова С.В., Звонова В.А., Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З., Костина А.Н., Кульчицкого А.Р., Максимова Е.А., Маркова В.А., Нишиваки К., Овсянникова М.К.,Патрахальцева Н.Н., Петриченко М.Р., Петриченко Р.М., Розенблита Г.Б., Сапожникова С.З., Стефановского Б.С.,Страдомского М.В., Торрегросы А., Фомина В.М., Фролова С.М., Хэйвуда Дж., Цайлингера К., Чайнова Н.Д., Чеснокова С.А., Шатрова М.Г. и их сотрудников. Подчеркивается роль кафедры Поршневые двигатели МГТУ им. Н. Э. Баумана в развитии данного научного направления. Отмечается, что в настоящее время отсутствуют методы комплексного решения актуальной проблемы современного дизелестроения: одновременного снижения локальных тепловых нагрузок в камере сгорания дизеля и улучшения его экологических и эффективных показателей. Сформулированы цель и задачи исследования диссертационной работы (см. выше).

Глава 2 посвящена моделированию рабочего процесса дизеля с непосредственным впрыскиванием топлива. Проанализированы основные концептуальные подходы при моделировании рабочего процесса в поршневых двигателях. Обосновано применение 0-мерных (термодинамических) моделей для прогнозирования экологических показателей дизеля, в частности, для расчета локальных образований оксидов азота.  Модифицирована и расширена многозонная модель рабочего процесса поршневого двигателя с непосредственным впрыскиванием топлива, разработанная в МГТУ им. Н.Э. Баумана проф. Н.А. Иващенко и проф. Р.З. Кавтарадзе.  Модель основана на представление каждой зоны как открытой термодинамической системы и позволяет моделировать изменения локальных температур в объеме цилиндра в течение всего рабочего цикла.Распределение топлива по отдельным зонам моделируется с учетом закона впрыскивания топлива, динамики топливного факела, геометрии сопловой части форсунки и значении давления впрыскивания. Модель учитывает деформацию топливного факела в результате воздействия вихревого движения заряда, а также тепло- и массообмен между отдельными зонами. Нестационарные локальные температуры Ti(в объеме цилиндра определяются в результате решения уравнения сохранения энергии:

,  (1)

где nv - число зон, примыкающих к i-той зоне; nw - число участков поверхности, примыкающих к i-той зоне; nvv - общее число зон в объеме цилиндра; nww - общее число участков поверхностей, ограничивающих этот объем; m - масса; S - расстояние между центрами зон; F - площадь теплообмена; - взаимная поверхность обмена излучением, 0  - постоянная излучения, - коэффициент теплоотдачи. Остальные обозначения в (1) являются общепринятым в термодинамике: u=cvT-удельная внутренняя энергия, h= cpT - энтальпия, R - газовая постоянная,V- объем. Индекс k указывает на компоненты рабочего тела (жидкое и парообразное топлива, кислород, водяной пар, двуокись углерода, азот и т.п.). Приращения удельных внутренних энергий и , отнесенные соответственно к испаряющейся и сгоревшей массе топлива, определяются как разность между их значениями до и после испарения (сгорания). Теплоемкости при сvи ср для каждого компонента k представляется как функция от температуры.

Рис.1. Локальные температуры рабочеготела в КС дизеля КамАЗ(8ЧН 12/12)  Рис.2. Влияние теплоизоляции гильзы на образование оксидов азота

Анализ полученных значений нестационарных локальных температур рабочего тела  в цилиндре показал, что они значительно отличаются не только от усредненной по объему линдикаторной температуры, но и друг от друга (рис.1).Полученные значения температур используются для моделирования локальных образований оксидов азота в КС дизеля. Разработана  и внедрена в многозонной модели рабочего процесса модель локальных образований оксидов азота основе расширенного механизма Зельдовича.  Определены константы скорости реакций, входящие в расширенный механизм Зельдовича и соответствующие условиям в КС дизеля.  Исследовано вихревое движение заряда, генерированное впускными каналами дизеля,  представляющее собой важным фактором, влияющим как на экологические показатели двигателя, так и на локальные термические нагрузки в КС.  Связь различными понятиями вихревого отношения, применяемых в теории поршневых двигателей, установлена по соотношениям, предложенным в совместных работах Г. Вошни  и Р.З. Кавтарадзе. На основе обработки известных экспериментальных данных получены полуэмпирическиезависимости  для расчета локальной тангенциальной скорости в зависимости от текущего радиуса цилиндра и частоты вращения коленчатого вала. Установлено, что  эта зависимость является  почти линейным, т.е. имеет место квазитвердое вращательное движение заряда. Эти результаты в дальнейшем используется для оценки влияния интенсивности вихревого движения на термические граничные условия и на экологические показатели исследуемых дизелей.

Глава 3 посвящена снижению локальных тепловых нагрузок в КС дизеля и улучшению его экологических показателей (сокращению выброса NOx) путем усовершенствования рабочего процесса.Особое внимание в диссертационной работе уделяется снижению тепловых нагрузок в КС дизеля путем: обеспечения целенаправленной закрутки заряда, приводящей к так называемому явлению самоадиабатизации рабочего тела, блокирующего теплообмен в КС; Теплоизоляцией отдельных деталей (поршня, гильзы); Снижения скорости и уровня турбулентности газа в цилиндре; Снижения температурного уровня рабочего цикла и его максимальной температуры; Снижения выделения сажи, основного генератора излучения в КС. Повышение интенсивности закрутки заряда (до определенного оптимального значения), как известно, приводить к ускорению распада струй топлива на отдельные капли, снижению задержки воспламенения, улучшению качества смесеобразования и сгорания. Часто этот процесс сопровождается ростом температурного уровня цикла. При повышенной интенсивности вихревого движения высокотемпературного газа возникает необходимость исследования интенсификации теплообмена между рабочим телом и поверхностью КС, таккак  тепловые нагрузки на огневых днищах головки цилиндра и поршня, накладывают ограничения на уровень форсирования дизеля по удельной мощности и по частоте вращения.  На основе теоретических (проф. М.Р. Петриченко) и экспериментальных (проф. Р.З. Кавтарадзе) разработок, впервые обративших внимание на данную проблему, в диссертации решена задача о влиянии конкретного профиля тангенциальной скорости на величину термических граничных условий, определяющих теплонапряженное состояния основных деталей. Для экспериментального одноцилиндрового дизеля расчетом  установлено, например, что величина  мгновенной плотности конвективного теплового потока на поверхности поршня при его нахождении в верхней мертвой точке qw=12а416 Вт/м2,  что  соответствует нереально малой величине коэффициента теплоотдачи, равной =29,8 Вт/(м2 К).  Таким образом, тангенциальная скорость не только не является масштабирующей для конвективного теплообмена, но и оказывает обратное (блокирующее)  воздействие на процесс теплоотдачи.

Изменение интенсивности вихревого движения заряда требует согласования с другими параметрами рабочего цикла, прежде всего с законом впрыскивания и количеством сопловых отверстий. На основе разработанной многозонной модели были определены оптимальные значения давления впрыскивания и интенсивности закрутки потока для экспериментального быстроходного дизеля 1Ч 12/9,6. При оптимальных значениях этих параметров наиболее подходящей для данного ДВС с точки зрения, как удельного индикаторного расхода топлива, так и выбросов [NOx], следует признать конструкцию распылителя с числом сопловых отверстии  z=7.При создании и исследовании поршневых двигателей с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела основное внимание, как правило, уделяется  топливной экономичности двигателя. Экологические параметры двигателя, особенно концентрация оксидов азота, при этом практически не исследуется (см. например, работы проф. Г. Вошни).  Для восполнения этого пробела в диссертационной работе исследовались образование [NOx] как обычной, так и в теплоизолированной КС. Рис. 2 показывает, что теплоизоляция гильзы приводит к повышению содержания оксидов азота в продуктах сгорания. В целом уменьшение отвода теплоты от рабочего тела приводит к повышению его температуры газа, что и является причиной повышения [NOx]. Эффект Вошни, связанный с увеличением расхода топлива, вызванного с повышением температуры стенки, в данном случае, конечно, тоже присутствует, однако  не имеет ощутимого значения, так как в данном случае в опытах осуществлялось теплоизоляция только гильзы, т.е. малой части тепловоспринимающей поверхности камеры сгорания. На основе проведенных исследований можно заключить, что предложенные модели рабочего процесса и образования оксидов азота адекватно отражают те сложные физико-химические процессы, которые происходят в камере сгорания дизеля, и могут быть успешно использованы для исследования влияния различных факторов на [NOx], как в случае обычного, так и в случае теплоизолированного двигателя.

В главе 4 исследовано теплоизолирующее воздействие слоя нагара на локальный теплообмен в КС.Образованный на тепловоспринимающих поверхностях камеры сгорания слой нагара, основным компонентом которого является сажа, рассматривается как неизбежный атрибут и естественный теплоизолятор, свойственный гетерогенному процессу сгорания.        Это подтверждается результатами многочисленных наблюдений, приведенных в диссертации. В настоящее время известны только работы, приближенно оценивающие влияние сажи, как теплоизолятора, на квазистационарный, осредненный по поверхности КС теплообмен. Например, в своей известной формуле для расчета теплоотдачи  G. Woschni в дизеле  ввел коэффициент  С3=1-1.2exp(-0.65 . αв), учитывающий влияние выделение сажи, согласно которого при росте коэффициента избытка воздуха αвтеплообмен интенсифицируется. Заметим, что для метанола (когда сажа практически не выделяется) С3=1. В данной работе исследуется влияние наличия слоя нагара, имеющего локальную толщину, зависящую от его места расположения на поверхности КС, имеющего на своей поверхности нестационарную температуру, которая существенно отличается от температуры поверхности детали. Очевидно, что измерение температуры на поверхности слоя нагара, а также локальной толщинысамого слоя, на работающемдвигателе связано с большими сложностями. Для определения этих параметров в диссертации используется метод, разработанный в МГТУ им. Н.Э. Баумана профессором Р.З. Кавтарадзе совместно с В.В. Араповым, И.Е. Лобановым и автором. Специальные исследования по определению теплофизических свойств нагароотложенийне проводились, их значения при проведенных расчетно-экспериментальных исследованиях принимались на основе данных G.Woschni, Ch.Vogelи др.(λ=0,1 Вт/м⋅К,  сp=1260 Дж/(кг⋅К)).

В МГТУ им. Н.Э. Баумана при непосредственном участии автора была создана экспериментальная установка (рис.3), позволяющая моделировать теплообмен в КС и испытывать образцы с различными теплоизолирующими покрытиями (слоем сажи или керамики), а также проводить градуировку датчиков нестационарного теплового потока. Принцип работы установки  заключается в следующем: электродвигатель 1 (220 В) приводит во вращение металлический диск 4 радиусом R, имеющий отверстие, ограниченное частью сегмента с углом раствора и радиусами r1 иr2. На диск в области отверстия направлена газовая горелка 20, в которую газ поступает из баллона 19, воздух подается нагнетателем 17. Вентили 16 и 18 служат для регулирования расходов газа и воздуха соответственно и тем самым для изменения интенсивности тепловой нагрузки на образец 6, представляющий собой модель стенки камеры сгорания. На образце установлен датчик 7 нестационарного теплового потока, регистрирующий величину теплового потока qw (), направленного из горелки 20 на металлический диск 4. Стационарный тепловой поток, проходя через отверстия вращающегося диска 4, на поверхности образца принимает импульсный характер, т.е. превращается в нестационарный (периодический) тепловой поток. Величина и частота импульса определяется частотой вращения диска и площадью его отверстия. Водяной холодильник 3 предназначен для охлаждения металлического диска 4, нагретого горелкой. Электрический сигнал от датчика 7, проходя через усилитель 8, поступает в компьютер 12, где сначала преобразуется в температуру, а потом с помощью специальной программы - в плотность теплового потока. Датчик 15 регистрирует частоту вращения диска. Полученные на моделирующей установке результаты измерения были использованы для разработки  расчетно-экспериментальных методов определения толщины слоя теплоизолятора, расположенного над датчиком, и нестационарной температуры на верхней поверхности слоя.

Рис.3. Схема экспериментальной установки для физического моделирования нестационарного (периодического)  теплообмена при наличии различных теплоизоляторов  на тепловоспринимающей поверхности: 1-электромотор, 2-корпус, 3-водяной холодильник, 4-металический диск с кольцевым отверстием, 5- гаситель брызги воды, 6-образец, 7-датчик теплового потока, 8,14-усилитель, 9,13-блок питания, 10-осцилограф, 11-принтер, 12-компьютер, 15-датчик частоты вращения диска, 16,18-вентиль, 17-нагнетатель воздуха, 19-газовый баллон, 20-газовая горелка

Второй этап экспериментального исследования предусматривал определение нестационарных тепловых потоков непосредственно в камере сгорания быстроходного дизеля Д-144 разработанному методу. Эксперименты проводились сначала с использованием чистой головки цилиндра, не имеющей нагароотложений, а потом - с той же головкой с поверхностью, покрытою слоем нагара. Естественно, что тепловоспринимающая поверхность самого датчика в первом случае была чистой, а во втором, как и другие поверхности камеры сгорания, покрыта слоем нагара. Результаты измерения (рис.4), полученные с помощью одного  из датчиков показывают, что тепловой поток на поверхности стенки камеры сгорания при наличии нагара существенно уменьшается, а момент достижения максимального теплового потока сдвигается вправо от аналогичного момента при наличии чистой поверхности.

Рис.4. Локальные плотности тепловых потоков на поверхности головки дизеляД-144 (n=1000 мин-1, процесс сжатия расширения : ___ чистая-  - - - поверхность с слоем нагара

Рис.5. Тепловое состояние поршня  дизеля КамАЗ-7405 при наличии слоев нагара  поверхность, (со стороны КС) и накипи (со стороны картера)

Нестационарные значения температуры и теплового потока на поверхности слоя нагара определяются решением обратной задачи теплопроводности. В качестве исходных данных используются экспериментальные результаты  (рис.4). Для определения локальной толщины слоя нагара используется функция , зависящая от толщины слоя нагара и определяющая значение относительной разности температур рабочего тела, вычисленных из уравнения состояния и из закона теплоотдачи Ньютона:

где n-количество расчетных значений для каждого заданного значения . Расчет ведется для каждого угла поворота коленчатого вала. Ясно, что при истинном значении  функция должна иметь минимум, т.е. , что и подтверждается характером изменения этой функции.Исследования показали, что температура слоя нагара по нормальному направлению к тепловоспринимающей поверхности до предельной глубины (до поверхности детали) снижается с каждым мкм примерно на 7 К, а плотность теплового потока - 0,5%. Отставание (сдвиг) по фазе колебаний температуры и плотности теплового потока по мере проникновения в слой нагара составило примерно =0,5 0 угла поворота коленчатого вала на каждый мкм. Моделирование теплового состояния поршня при наличии слоев нагара (со стороны КС) и накипи (лакообразования, со стороны картера) проводились с применение лицензионного программного комплекса  ANSYS. Температура слоя нагара составила 260-319.57С, под слоем нагара 255.08-289.04С. Температура слоя накипи составила 195.81-277.9С, под слоем накипи 204.46-289.13С. Таким образом, можно сделать вывод, что, как нагар, так и накипь, имеют достаточно сильное влияние как на величину температур  и их распределение, так и на направление тепловых потоков в поршне. Они выполняют рольестественных теплоизоляторов.

Глава 5 посвящена к снижению тепловых нагрузок на основные детали и концентрации оксидов азота путем выбора оптимальной конструкции КС, расположенной в поршне. Вопрос является наиболее актуальным для дизелей, конвертированных в газовый двигатель с искровым зажиганием, в которых возникает необходимость снижения степени сжатия по сравнению с базовым дизелем в целях предотвращения детонации. Обычно этого добиваются увеличением (расточкой) под желаемую степень сжатия объема серийной камеры базового дизеля, расположенной в поршне. Следует отметить, что в конвертированном на природный газ дизеле практически не исследована  возможность  уменьшения уровня  турбулентности, в частности кинетической энергии турбулентности, и тем самым снижения конвективных тепловых потоков, путем выбора рациональной формы камеры сгорания в поршне. В такой постановке задача в теории поршневых двигателей рассматривается впервые.Были исследованы 4 различные варианты камер сгорания газового двигателя (симметричная, смещенная, -образная и коническая (рис. 6). Следует отметить, что из исследуемых КС было изготовлено, установлено на газовом двигателе и исследовано экспериментально только симметричная камера. Экспериментальные исследования проводились в рамках совместных НИР МГТУ им. Н.Э. Баумана и ВНИИГАЗ на лабораторной базе ВНИИГАЗ. Путем доработки поршня степень сжатия снизилась с 17 (базовый дизель) до 11,25 (экспериментальные варианты КС, рис.6), что соответственно сказалось и на мощностных характеристиках. Эффективная мощность базового дизеля по техническому паспорту составляет 191 кВт при n=2200 мин-1, а для газового двигателя согласно техническому заданию - 176 кВт при n=2200 мин-1.0-мерные (термодинамические) модели рабочего процесса (1), успешно используемые для расчета локальных температур и локальных концентраций оксидов азота, не могут давать полноценную оценку влияния конструкции КС на интенсивность турбулентного движения газа и турбулентного сгорания. Сама конструкция КС, расположенной в поршне, инициирует локальные скорости, соответственно илокальные кинетические энергии турбулентности,  в результате оказывает существенное влияние на интенсивность локального конвективного теплообмена, в частности, на локальные тепловые нагрузки в КС.  В связи с этим, в целях оценки  возможностей уменьшения тепловых нагрузок на основные детали одновременно со снижением NOx,  был использован другой  концептуальный подход, основанный на  трехмерные модели нестационарного турбулентного переноса и турбулентного горения.  Реализация математических моделей внутрицилиндровых процессов  осуществлялась с помощью CFD-кода FIRE фирмы AVL (г. Грац, Австрия), с которой у кафедры Поршневые двигатели МГТУ им. Н.Э. Баумана имеется лицензионное соглашение.

Рис. 6.  Камеры сгорания в поршне дизеля КамАЗ, конвертированного в газовый двигатель

  Путем усреднения по известному методу Фавра фундаментальные уравнения количества движения (Навье-Стокса), энергии (Фурье-Кирхгофа), диффузии (Фика) и сохранения массы (неразрывности) принимают форму Рейнольдса:

  ,

=+,  (3)

где  - тензор рейнольдсовых турбулентных напряжений, определенный  по пульсационным составляющим скорости;- тензор вязких (турбулентных)  напряжений, определенный по осредненным значениям компонент  скорости; - турбулентный перенос энтальпии посредством  флуктуации скорости ;  - турбулентный диффузионный перенос массы компонента, концентрация которого С, посредством флуктуации скорости  .  В уравнениях (3) используется правило суммирования по индексу ()повторяющемуся дважды (правило Эйнштейна). Обозначения: p - давление, - проекция вектора плотности объемных сил (Н/м3) на ось Oxi прямоугольной декартовой системы координат; С-концентрация, кг/м3; H- полная удельная энергия, Дж/кг;  - динамическая вязкость, кг/(м.с); cp- теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг.К), wr- скорость химической реакции на единицу объема, кг/(с. м3), Qr - количество выделяемой теплоты на единицу массы, Дж/кг,  - теплопроводность, Вт/(м.К); - символ Кронекера; D - коэффициент диффузии, м2/с ;  - интенсивность источника массы (скорость изменения массы химической компоненты в единице объема, кг/(с.м3)), - субстанциональная производная.

Для замыкания системы (3) используется k- модель турбулентности в стандартной форме (k - кинетическая энергия турбулентности, - скорость ее диссипации).

  Для расчета процесса сгорания используется хорошо апробированная модель Магнусенна-Хартагера, согласно которой средняя скорость:

,               (4)

где - средние значения масс реагентов (топлива и кислорода) и продуктов сгорания соответственно, L0 Цмассовое стехиометрическое количество воздуха; - масштаб времени турбулентного перемешивания. Эмпирические коэффициенты и , учитывающее влияние турбулентности скорость химической реакции, выбираются на основе согласования расчетных и экспериментальных индикаторных диаграмм:B =17,7  и  С=0,5. Образование оксидов азота в цилиндре двигателя, как и в случае многозонной модели,  рассматривается на основе расширенного механизма Зельдовича (см .главу 2).

Симметричная                                        смещенная 

-образная                                        коническая

Рис. 7. Изменение локальных значений кинетической энергии турбулентности k,[м2/с2]в цилиндре  дизеля КамАЗ, конвертированного в газовый двигатель,в зависимости от формы камеры сгоранияпри = 336о (момент воспламенения газовоздушной смеси)

Форма КС оказывает существенное влияние на локальные и интегральные (за цикл) значения кинетической энергии турбулентности. Рост последней, в свою очередь, интенсифицирует конвективный теплообмен в цилиндре (в дизеле, конвертированном в газовый двигатель с искровым зажиганием, генерация сажипрактически отсутствует и доля излучения в теплообмене пренебрежимо мала) и одновременно способствует увеличению локальных и интегральных температур рабочего тела. В итоге это приводит к увеличению и тепловых нагрузок на основные детали, и концентрации оксидов азота в продуктах сгорания.

Из рис. 7 видно, что в момент подачи электрической искры, когда поршень перемешается вверх, более высокой кинетической энергией характеризируется -образная камера сгорания. Действительно, в большинстве зон этой камеры, и особенно в районе кромки поршня, кинетическая энергия турбулентности имеет практически максимальное значение  k 16 м2/с2. Наиболее тихим в этом смысле является коническая камера сгорания, где максимальные значения k имеются в центральной части камеры, и они на ~ 30% меньше по сравнению с -образной камерой. Кроме того, кинетическая энергия турбулентности на кромках конической камеры не превышает k (7-9) м2/с2. Симметричная (цилиндрическая) камера сгорания по сравнению с конической больше турбулизована, что объясняется наличием более острой кромки, способствующей сравнительно сильному отрыву потока при его перемещении из надпоршневого пространства в камеру в поршне. Численные эксперименты показали, что характер изменения интегральных (за цикл) температур коррелирует с изменением осредненной кинетической энергии турбулентности по углу поворота коленчатого вала (рис. 8).  Высокие значения кинетической энергии отражают более интенсивное движение газовоздушной смеси и интенсифицируют  смесеобразование, что приводит к интенсификации (быстрому протеканию) процесса сгорания. Видно, что наибольшей кинетической энергией в целом обладает двигатель с - образной КС, при этом в - образной КС кинетическая энергия турбулентности получается практически в два раза больше, чем в конической КС. Таким образом, в  - образной КС ожидаются наибольшие значения (что и было подтверждено в дальнейшем, см. главу 6), как тепловых нагрузок, так и концентрации оксидов азота. Кроме того, -образная камера имеет более острые кромки (рис.6), представляющей собой потенциальных концентраторов термических напряжений. На рис. 9 и 10 приведены изменения скорости тепловыделения и массы образовавшихся за цикл NОxв дизеле КамАЗ, конвертированного в газовый двигатель, на номинальном режиме работы. Как видно, с точки зрения индикаторного КПД двигателя, предпочтительнымявляется - образная КС, при которой пик тепловыделения расположен близко к ВМТ, а максимальная  скорость  тепловыделения равна 400  Дж/град  при    =  363о. Однако, если  рассмотреть  его  экологические  показатели,  в частности, образование оксидов азота (рис. 10), то лучшие результаты дает коническая КС.  Следует отметить, что регулированием угла опережения зажигания можно существенно снизить концентрацию оксидов азота. В частности, для -образной камеры сгорания приближением момента зажигания к верхней мертвой точке значение [NOx] можно уменьшить примерно на 28%.

Рис. 8.  Изменение средней кинетической энергии турбулентности k

Рис. 9. Изменение скорости тепловыделения в цилиндре

Рис. 10. Изменение массы образовавшихся за цикл NОx

Таким образом,  применение на исследуемом двигателе конической камеры сгорания является практическим  мероприятием, приводящим  к одновременному снижению тепловых нагрузок на основные детали двигателя и концентрации оксидов азота в продуктах сгорания.

В главе 6 изложены методы экспериментального и расчетного исследования локального теплообмена в КС дизелей и теплового состояния их поршней. Измерение локальных температур поршня базового дизеля 8ЧН 12/12 (КамАЗ 7405) с наддувом 8ЧН 12/12 (КамАЗ 7405) и без наддува с различными формами КС, а также поршня дизеля, конвертированного  в газовый двигатель, проводились с применением бесконтактных датчиков температурыИМТК (измеритель максимальной температуры кристаллический), разработанных в ИАЭ им. И.В. Курчатова РАН. На рис. 11 приведены результаты измерения локальных температур поршня для различных форм КС. Автором были также использованы  экспериментальные данные профессора М.М. Арипджанова, полученные на экспериментальном дизеле 1Ч 12/9,6с теплоизолированной КС с помощью термопар. Моделирование трехмерных температурных полей исследуемых  поршней осуществлялось с применением дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности (уравнения Фурье)

,        (5)

где - теплоемкость, плотность и теплопроводность материала,- декартовые пространственные координаты. Известно, что при установившихся режимах работы двигателя температурные поля  поршня получаются практически стационарными за исключением тонких слоев тепловоспринимающей поверхности, в которых за цикл происходят колебания температуры с небольшой амплитудой (в быстроходных дизелях примерно 50- 80 С). При использовании теплоизолирующих материалов амплитуда колебания температуры существенно растет, а глубина слоя уменьшается.  В любом случае задача сводится к решению уравнения стационарной теплопроводности (уравнения Лапласа). Граничные условия III рода для решения стационарной задачи теплопроводности определялись использованием метода, разработанного профессором Р.З. Кавтарадзе, и основанного на обобщенных интегральных условиях динамического и термического пограничных слоев. При  наличии  экспериментальных данных по локальным температурам (рис.11) термические граничные условия определялись путем решения обратной задачи теплопроводности. Кроме того, решались тестовые задачи с применением  термических граничных условий I рода - температур на поверхности поршня, полученных по результатам измерения. Для контактирующих поверхностей составного поршня, у которого, кроме металлических (индекс 1), имеются и керамические части (индекс 2), применяются  граничное условие четвертого рода:

;                (6)

Разработаны и реализованы трехмерные модели для исследования теплонапряженного состояния поршней дизелей с непосредственным впрыскиванием: серийного (базового) дизеля КамАЗ-7405, его конвертированного на природный газ модификации с искровым зажиганием, экспериментального дизеля 1Ч 12/9,6, его опытных вариантов с керамической вставкой, и с керамической вставкой и с дополнительным  чугунным кольцом.

Рис.11.Измеренные локальные  температуры поршня дизеля КамАЗ -7405 (С). Номинальный режим. В скобках - КС цилиндрическая, без скобок - КС с коническим выступом

Для газового двигателя семейства КамАЗ впервые определены термические граничные условия III рода для расчета теплового состояния поршня. При этом использованы экспериментальные значения локальных температур поршня, полученные с помощью бесконтактных датчиков температуры ИМТК, а также известные по исследованиям, проведенным в МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с ВНИИГАЗ, распределения граничных условий на огневом днище поршня с цилиндрической камерой сгорания и известные соотношения из теории контактного теплообмена. Сравнительный анализ расчетных и измеренных значений локальных температур поршня газового двигателя показывает (рис.12), что относительное максимальное отклонение от экспериментальных данных имеет место в периферийной области поршня,  и его величина не превышает 8,4%. Это указывает на то, что термические граничные условия для поршня газового двигателя заданы с удовлетворительной точностью.  Высокие температуры, имеющие место на кромке камеры в поршне газового двигателя можно объяснить высокими значениями скоростей перетекание из камеры в поршень в надпоршневой объем и обратно, приводящими к интенсификации конвективного теплообмена, а также более растянутым (по сравнению с дизелем) во времени тепловыделением.  В районе верхнего поршневого кольца газового двигателя  (рис.12) уровень температур примерно на 10 0С превышает значение для дизельного прототипа, что может вызвать ухудшение условий работы первого компрессионного кольца, ухудшению условий трения пары поршень-цилиндр и повышенному образованию картерных газов. Максимальную температуру поршень газового двигателя имеет также на кромке камеры и ее значение довольно высока (Тгаз2=327 0С), несмотря на то, что горловина камеры сгорания газового двигателя по сравнению с горловиной камеры дизеля существенно расширена, а степень сжатия в ~ 1,5 раза снижена; Дальнейшее снижение степени сжатия нецелесообразно в связи с повышением удельного расхода топлива двигателя. Осуществление газожидкостного (газодизельного) цикла с запальной дозой дизельного топлива требует сохранения степени сжатия газового двигателя на уровне степени сжатия дизеля, что однозначно приведет еще к большему увеличению тепловых нагрузок на основные детали. Таким образом, проведенные исследования позволяют утверждать, что газовый двигатель, независимо от способа осуществления рабочего процесса, при прочих равных условиях испытывает больше термические нагрузки, чем дизель. Исследования по влиянию теплоизоляторов на локальные температуры показали, что по сравнению с поршнем базовой конструкции температуры во всех характерных областях  поршня экспериментального быстроходного дизеля 1Ч 12/9,6 с керамическим теплоизолятором заметно уменьшаются, за исключением, конечно, тепловоспринимающей поверхности составного поршня (теплоизолятора). Поршень имеет максимальную температуру именно на этой поверхности и ее значение  достигает Tw = 659 0C (рис. 13), что объясняется низким значением коэффициента теплопроводности нитрида кремния по сравнению с алюминиевым сплавом. Таким же образом температура на кромке поршня повышается до Tw = 598 0C.  Несмотря на относительно высокий уровень температуры керамического днища поршня (Tw = 598 - 659 0C) градиенты температуры в днища меньше (рис. 13), чем в случае базового поршня. В результате снижаются термические напряжения. Положительную роль в сохранении низких температур в нижней части поршня, безусловно, играет небольшой воздушный зазор между теплоизолятором и алюминиевым корпусом поршня, играющий роль теплового барьера при теплопередаче от изолятора к корпусу поршня.

Рис.12. Температурное поле поршня двигателя, работающего на природном газе (Ne=174,3 кВт, n=2200 мин-1, в=1,34) с указанием результатов измерения (в скобках) и мест расположения ИМТК

Рис.13.температурное поле (0С) керамической накладки из нитрида кремня с чугунной вставкой

Таким образом, применение керамического теплоизолятора конструкции, соответствующей рис.13,  в целом не только снижает температурный уровень, градиенты температуры и тепловые напряжения, но и может улучшить условия работы поршневых колец и гильзы, снижает расход смазочного масла. Следует также заметить, что немаловажным фактором является то, что снижаются относительные потери теплоты в масляную систему.  Расчетно-экспериментальная оценка показывает, что потери теплоты в масляную систему на номинальном режиме работы двигателя 1Ч 12/9,6 в случае базового поршня в тепловом балансе составляет ~ 7 %, а при использовании поршня с керамической накладкой эти потери снижаются до 3, 5 %, т.е. в 2 раза. Следует подчеркнуть, что применение искусственных теплоизоляторов в любом случае приводит к повышению температуры рабочего тела, что со своей стороны, как уже было показано в главе 3,  способствует увеличению концентрации оксидов азота. Очевидно, что одновременно с установкой теплоизолирующих вставок в камере сгорания следует проводить оценку концентрации оксидов азота, образованных при повышенном температурном уровне цикла.

В главе 7 изложены практические рекомендации по снижению тепловых нагрузок в КС дизеля и улучшению его эффективных  иэкологических  показателей. Тепловой защиты теплонапряженных деталей (гильзы и поршня) и уменьшение отвода теплоты от рабочего тела могут привести к изменению теплового баланса двигателя. Кроме того, существует опасность возникновения трещин, особенно в местах соединения керамических теплоизоляторов и металлических частей двигателя. При интенсивном нагреве гильзы тепловые расширения втулки из нитрида кремня и самой гильзы (из чугуна) в направлении радиуса цилиндра не одинаковы. Это приводит  к возникновению ступеньки на зеркале цилиндра из нитрида кремния, которая может  быть разрушена кромкой поршня или первым поршневым кольцом. С другой стороны эффект от теплоизоляции гильзы заметен, особенно на  номинальных режимах работы двигателя, когда тепловые нагрузки на поверхности гильзы наиболее высокие. Поэтому для сохранения данного эффекта была предложена модифицированная конструкция с термостабилизирующей втулкой с внешней стороны гильзы.  Материал термостабилизатора должен иметь близкий с нитридом кремния коэффициент линейного расширения. Эта втулка с одной стороны значительно уменьшает разность в тепловых перемещениях теплоизолирующей втулки и гильзы, а во вторых, снижает  возникающие термические напряжения.  Установлено, что в местах соединения элементов составного поршня и составной гильзы, имеющих различные теплофизические свойства, возникают высокие градиенты температуры, изменение которых T/x=f() носит импульсивный характер. Численное исследование нестационарного теплообмена в местах соединения показало, что соотношение теплопроводностей контактирующих материалов относительно мало влияет на форму импульса градиента температуры, оно больше определяет его амплитуду. Очевидно, что чем больше импульс градиента температуры, тем больше опасность разрушения этих соединений. При теплоизоляции поршня необходимо: 1.Уменьшение температуры в зоне компрессионных колец, и особенно в зоне первого компрессионного кольца, путем установки теплоизолирующей  накладки (необязательно из керамики) со стороны высокотемпературного рабочего тела, что повышает надежность работы колец и кольцевых канавок в поршне; 2.Уменьшение потерь теплоты в масляную систему двигателя, что оказывает положительное действие на тепловой баланс двигателя. Для этого следует увеличить термическое сопротивление накладки в целом. Уменьшение отвода теплоты от рабочего тела и снижение тепловых потерь в рабочем цикле дизеля можно осуществить и путем оптимальной организации рабочего процесса. Следует подчеркнуть, что этот способ снижения тепловых потерь при создании двигателей с уменьшенным подводом теплоты до настоящего времени практически не был исследован. Прежде всего, подразумевается оптимальная закрутка заряда в цилиндре, имеющая существенное значение не только для процессов смесеобразования и сгорания, но и для теплообмена. Интенсивность теплоотдачи от вращающегося высокотемпературного рабочего тела к поверхности КС зависит от профиля его тангенциальной скорости. Локальные значения последней, как показывают многочисленные исследования различных авторов, вычисляется по формуле cu=Arm, где А и m - эмпирические коэффициенты, а r-текущий радиус цилиндра. Применяя метод расчета теплообмена между вращающимся потоком жидкости и плоскостью,  разработанный профессором М.Р. Петриченко, установлено, что обеспечение  закрутки с параметром m>-3 блокирует теплообмен. Конечно, на практике полная теплоизоляция потока не происходит, однако обеспечение целенаправленной закрутки с оптимальным профилем cuможет снизить тепловой поток на поверхности камеры сгорания примерно на 20-30 %.

  Применение теплоизоляции при прочих равных условиях может привести к повышению удельного расхода топлива. С другой стороны, обработка индикаторных диаграмм, полученных на частичных режимах работы дизелей, в частности анализ графиков тепловыделения, показывает, что необходим оптимальный подбор конструктивных (диаметр и количество сопловых отверстий), режимных (давление впрыскивания и интенсивность закрутки потока) и регулируемых (угол опережения впрыскивания) параметров. Только в таком случае можно не только сохранить базовый уровень расхода топлива, но и даже снизить его (см. главу 3). В противном случае даже частичная теплоизоляция КС не дает улучшения эффективных показателей дизеля, скорее наоборот, что выражается повышением удельного расхода топлива. Следует подчеркнуть, что совокупность указанных выше параметров, обеспечивающих улучшенные эффективные показатели, прежде всего низкий удельный расход топлива, приводит к повышению концентраций оксидов азота в выпускных газах двигателя.  Положительное влияние теплоизоляции на эффективные показатели в случае  удачно подобранных конструктивных, режимных и регулируемых факторов можно наблюдается  на характеристиках тепловыделения, базового и теплоизолированного дизеля.По результатам исследований, проведенных в целях обеспечения оптимального сочетания  [NOx]  и ge , выданы практические рекомендации по выбору и регулированию следующих основных параметров: давление впрыскивания топлива, уровень температуры рабочего тела в цилиндре, угол опережения впрыскивания, интенсивность закрутки заряда, количество сопловых отверстии. Осуществление комплекса мероприятий, предложенных в диссертации по обеспечению указанных  параметров в оптимальных пределах, позволяет получить вполне приемлемое соотношение ge-[NOx], не уступающее аналогичному соотношению для базового двигателя (см. таблицу 1).

Таблица 1

Оптимальные сочетания [NOx] и ge на различных режимах работы базового/ с теплоизолированной гильзой двигателя 1Ч 12/9.6

n, мин-1

1000/1000

1500/1500

2000/2000

2800/2800

pвпр.max, бар

400/400

600/600

900/900

1100/1100

Umax, м/с

12/12

16/14

20/18

30/22

ge, г/(кВт.ч)

243/245

222/226

220/223

231/235

[NOx], ppm

380/460

360/400

670/705

860/920

Следует подчеркнуть, что позитивные свойства дизелей с уменьшенным отводом теплоты, такие как, низкий уровень тепловых нагрузок на основные детали, снижение теплоотдачи в масляную систему, повышение энтальпий выпускных газов, снижение концентрации углеводородов, снижение шума, возможность применения низкосортных топлив и т.д., при этом сохраняются. С уменьшением отвода теплоты от рабочего тела температура воздуха в момент впрыскивания топлива в теплоизолированной КС повышается (по сравнению с базовым двигателем). Это способствует повышению качества процессов смесеобразования и воспламенения, и их ускорению. В результате сокращается период задержки воспламенения и уменьшается скорость нарастания давления, что со своей стороны способствует улучшению акустических характеристик дизеля.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

  1. Разработана и реализована уточненная многозонная модель рабочего процесса  дизелей  с непосредственным впрыскиванием, позволяющая получить значения локальных (зональных) нестационарных температур газа в цилиндре, и на их основе определить значения зональных и суммарных концентраций оксидов азота. Определены константы скорости реакций, входящие в расширенный механизм Зельдовича и соответствующие условиям в КС дизеля. Значения локальных температур газа  значительно отличаются не только от усредненной по объему линдикаторной температуры, но и друг от друга.
  2. Исследованы влияния на экологические характеристики дизеля таких факторов, как наличие теплоизолирующих вставок в камере сгорания, интенсивность закрутки заряда в цилиндре, давление впрыскивания топлива, количество сопловых отверстий форсунки, угол опережения впрыскивания топлива. Верификация модели по экспериментальным данным, полученным на серийных (ЗМЗ, ЯМЗ) и опытном (1Ч 12/9,6) дизелях,  подтверждает целесообразность ее применения в целях выбора оптимального сочетания (с точек зрения топливной экономичности и экологичности) указанных факторов. Установлено, что важнейшую роль в оценке эмиссии оксидов азота играет распределение топлива по объему КС (т.е. по отдельным зонам). Оно  моделируется с учетом закона впрыскивания топлива, динамики топливного факела при известной геометрии сопловой части форсунки и известных значений давления впрыскивания, при этом учитывается деформация топливного факела в результате воздействия вихревого движения заряда, генерированного впускным каналом,  а также тепло- и массообмен между отдельными зонами. Определены оптимальные значения давления впрыскивания и интенсивности закрутки потока.  Например,  для исследуемого быстроходного дизеля 1Ч 12/9,6 при оптимальных значениях этих параметров наиболее подходящей с точки зрения, как удельного индикаторного расхода топлива, так и выбросов [NOx], следует признать конструкцию распылителя с числом сопловых отверстии  z=7.
  3. Исследование теплообмена между высокотемпературным вихревым потоком и поверхности камеры сгорания было проведено с учетом профиля тангенциальной скорости. Установлены границы изменения параметра m, при которых возникает эффект снижения величин плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи.  Это явление следует рассматривать как средство тепловой защиты тепловоспринимающей поверхности камеры сгорания от тепловых нагрузок, и может быть осуществлено на дизеле обеспечением подходящего профиля тангенциальной скорости.
  4. Установка  теплоизолирующих вставок в камере сгорания, приводящая к повышению температурного уровня цикла, способствует повышению концентрации оксидов азота в продуктах сгорания. Однако при этом снижаются концентрации других вредных компонентов [CO], [СН] и сажи. Поэтому удовлетворение современных жестких требований, предъявляемых к экологическим показателям транспортных дизелей, двигатель с уменьшенным отводом теплоты может только при управлении углом опережения впрыскивания топлива. Для этого необходима установка систем с электронно-управляемым процессом подачи топлива, обеспечивающих управление, как началом впрыскивания топлива, так и законом топливоподачи в целом.
  5. Создана экспериментальная установка, позволяющая  моделировать  влияния естественной (слой нагара) и искусственной (материалы с низкой теплопроводностью) теплоизоляций на локальные нестационарные тепловые потоки в КС дизеля.
  6. На основе полученных опытных данных разработан  оригинальный расчетно-экспериментальный метод определения локальной температуры на поверхности слоя нагара и его локальной толщины,  экспериментальные определения которых связаны с большими сложностями.  Метод основан на решение обратной задачи теплопроводности  и позволяет оценить роль слоя нагара, как естественного теплоизолятора в КС дизеля.
  7. Установлено, что слой нагара, отложенный на поверхности КС дизеля, оказывает более существенное влияние на локальный теплообмен, чем вихревое  движение заряда, генерируемое впускными каналами.  Наличие на поверхностях КС слоев нагара, толщина которых характеризуется локальными изменениями, может быть причиной возникновения больших градиентов температуры в деталях дизеля, приводящих термическим деформациям и повышению термических напряжений, что необходимо учесть при задании термических граничных условий. 
  8. Результаты, полученные в данной работе для быстроходного дизеля Д-144 с воздушным охлаждением, подтверждают существенную роль слоя нагара в нестационарном теплообмене. Были вычислены локальные значения толщины слоя нагара по предложенному методу. Полученные значения показали хорошее соответствие (отклонения в пределах 3-9 %) с экспериментальными значениями ,полученными при непосредственном измерении на разобранном двигателе.Кроме того, исследования показали, что температура слоя нагара по нормальному направлению от его тепловоспринимающей поверхности до предельной глубины (до поверхности детали) снижается с каждым микрометром примерно на 7 К, а плотность теплового потока - на 0,5%. Отставание (сдвиг) по фазе колебаний температуры и плотности теплового потока по мере проникновения в слой нагара составило примерно =0,5 0 угла поворота коленчатого вала на каждый микрометр.
  9. По результатам расчета температурного поля  поршня дизеля КамАЗ-7405 в 3-х мерной постановке с применением экспериментальных граничных условий  установлено, что  нагар на поверхности поршня со стороны КС и накипи (лакообразований) со стороны картера на тепловое состояние поршня оказывают существенное влияние на тепловое состояние поршня.  Показано влияние несимметричности распределения пятен нагара на несимметричность температурного поля поршня, а также на теплоотводящее воздействие бобышек поршня.
  10. Разработаны и реализованы трехмерные модели для исследования рабочего процесса в дизелях на основе 3D-CFD Цкода AVLFIRE. В основе модели заложена система фундаментальных уравнений нестационарного турбулентного переноса в форме Рейнольдса, осредненных  по Фавру,  для замыкания которой используется k- модель турбулентности.  Расчет процесса сгорания  осуществляется на основе модели Магнуссена-Хартагера,  а локальные концентрации оксидов азота в КС определяются с применением расширенного механизма Зельдовича. Верификация модели проведена с использованием  экспериментальных индикаторных диаграмм, полученных на дизеле КамАЗ-740, конвертированном в газовый двигатель с искровым зажиганием.
  11. Осуществление цикла с принудительным зажиганием требует изменения (снижения) степени сжатия газового двигателя в целях предотвращения детонации.  Проведенные исследования позволяют утверждать, что дизель, конвертированный на природный газ, при прочих равных условиях испытывает большие термические нагрузки.  Дальнейшее форсирование  газового двигателя сопровождается повышением уровня локальных температур в характерных точках поршня (центральная часть поверхности огневого днища поршня, кромки поршня, область верхнего компрессионного кольца) и на режиме максимальной нагрузки могут превышать допустимые пределы. Это подтверждает необходимость тепловой  (термической) защиты деталей в целях увеличения долговечности и надежности двигателя, что может быть осуществлено путем воздействия на рабочий процесс, а также применением теплоизоляторов.
  12. Интенсивность теплоотдачи от рабочего тела к стенкам КС следует оценить в зависимости от локальных и интегральных значений кинетической энергии турбулентности. Последняя при сгорании гомогенной смеси,  прежде всего, зависит от  конструкции КС.  С другой стороны, уровень турбулентности в КС газового двигателя существенно влияет на процесс сгорания и образования оксидов азота, что подтверждает необходимость  рассмотрения вопросов образования оксидов азота и возникновения термических нагрузок в КС как взаимосвязанных.  Результаты моделирования рабочего процесса при использовании различных конструкции КС, имеющих одинаковые степени сжатия, подтверждают необходимость такого подхода. 
  13. При прочих одинаковых условиях наилучшей из исследованных четырех форм камеры сгорания с точки зрения токсичности является камера конической формы, для которой количество образовавшихся NOx в 3,5 (на номинальном режиме работы) и в 6 раз (на режиме максимального крутящего момента) меньше, чем для -образной камеры. Однако регулированием угла опережения зажигания, в частности, приближением момента зажигания к верхней мертвой точке, можно снизить значение [NOx] для -образной КС примерно на 28%. Кроме того, -образная камера характеризуется наибольшими значениями кинетической энергии турбулентности, следовательно, и наибольшими термическими нагрузками на поршень.  В целом, в  симметричной КС наблюдается относительно низкие уровни и интенсивности теплообмена, и  термических нагрузок.
  14. Определены экспериментальные значения локальных температур поршня базового дизеля 8ЧН 12/12 (КамАЗ 7405) с наддувом 8ЧН 12/12 (КамАЗ 7405) и без наддува с различными формами КС, а также поршня конвертированного на природный газ модификации дизеля с искровым зажиганием. Для конвертированного на природный газ дизеля КамАЗ впервые определены термические граничные условия для расчета теплового состояния поршня. При этом использованы экспериментальные значения локальных температур поршня. Сравнительный анализ расчетных и измеренных значений локальных температур поршня газового двигателя показывает, что относительное максимальное отклонение от экспериментальных данных имеет место в периферийной области поршня,  и его величина не превышает 8,4%. Это указывает на задание с удовлетворительной точностью термических граничных условий для поршня газового двигателя. Высокие температуры, имеющие место на кромке камеры в поршне газового двигателя можно объяснить высокими уровнями турбулентности,  а также более растянутым (по сравнению с дизелем) во временни тепловыделением.
  15. В районе верхнего поршневого кольца газового двигателя уровень температур примерно на 10 0С превышает значение для дизельного прототипа. Поршень дизеля максимальную температуру имеет на кромке камеры. В случае экспериментальной головки цилиндра ее значение Тдиз.эксп.2=298 0С ниже, а в случае серийной Тсер.эксп.2=328 0С -  практически одинакова с температурой в аналогичной точке газового двигателя;  Максимальную температуру поршень газового двигателя имеет также на кромке камеры и ее значение довольно высока (Тгаз2=327 0С), несмотря на то, что горловина камеры сгорания газового двигателя по сравнению с горловиной камеры дизеля существенно расширена, а степень сжатия в ~ 1,5 раза снижена. Дальнейшее снижение степени сжатия нецелесообразно в связи с повышением удельного расхода топлива двигателя.
  16. Возможности снижения теплонапряженного состояния деталей дизеля путем использования теплоизоляции КС с учетом влияния теплоизоляции на его эффективные и экологические показатели, исследовались расчетно-экспериментальным путем на одноцилиндровом экспериментальном дизеле  1Ч 12/9,6 с непосредственным впрыскиванием, оснащенным насосом-форсункой.  Установлено, что уровни температур в характерных точках поршня исследуемого дизеля на режиме максимальной нагрузки могут превышать допустимые пределы. 
  17. В результате расчетно-экспериментальных исследований теплонапряженного состояния гильзы и поршня с различными  вариантами теплоизолирующих накладок установлено, что применение керамического материала (нитрида кремния)  в качестве теплоизолятора поршня, приводит, как минимум, к трем положительным факторам: а)снижение общего температурного уровня поршня и гильзы; б)выравнивание температурного поля, и как следствие снижение термических напряжений, приводящих к образованию трещин; в)уменьшение отвода теплоты от рабочего тела, и как результат снижение тепловых потерь, увеличение энтальпии выпускных газов, создание  благоприятных условий  для турбонаддува и увеличения мощности турбины. Численные эксперименты подтверждают, что наличие керамической накладки на поршень приводит к увеличению максимальной температуры поверхности в центральной части КС на  245 0С (от Tw = 414 0C до Tw = 659 0C).В области бобышек поршня изменение температуры юбки при установке керамической накладки на поршень менее чувствительно, так как сами бобышки играют роль теплоотводящего. Установка разработанного варианта чугунного цилиндрического кольца, как соединительного звена между керамической накладкой и корпуса поршня из алюминиевого сплава, на теплонапряженное состояние составного поршня оказывает незначительное влияние. Наличие воздушных зазоров в составной конструкций поршня значительно усиливает эффект теплоизоляции. 
  18. Сравнение тепловых балансов базового и теплоизолированного двигателя без оптимизации рабочего процесса последнего указывает на некоторое ухудшение его показателей по сравнению с базовым двигателем, что связано с ухудшением процессов смесеобразования и  сгорания, снижением коэффициентов наполнения и избытка воздуха, нарушением согласованности между значениями интенсивности вихревого движения, давления впрыскивания, количеством сопловых отверстий и т.д. что, прежде всего, отражается на величине удельного расхода топлива. Очевидно, что анализ эффективных и экологических параметров при конвертировании базового двигателя в дизель с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела не должен быть проведен на основе обработки только индикаторных диаграмм, полученных в идентичных условиях эксперимента. В таком случае ответ на вопрос: как теплоизоляция поверхности камеры сгорания влияет на рабочий процесс быстроходного дизеля, скорее всего, будет отрицательным. Однако осуществление комплекса мероприятий, предложенных и осуществленных в данной работе для улучшения качества рабочего процесса дизеля с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела, позволяют получить вполне приемлемое соотношение ge-[NOx], не уступающее аналогичному соотношению для базового двигателя. Следует подчеркнуть, что все позитивные свойства (низкий уровень тепловой напряженности основных деталей, снижение теплоотдачи в масляную систему, повышение энтальпий выпускных газов, снижение концентрации углеводородов, снижение шума, возможность применения низкосортных топлив и т.д.), характерные дизелям с уменьшенным отводом теплоты, при этом сохраняются.
  19. Определен ряд основных параметров, оптимальное сочетание которых одновременно с уменьшением отвода теплоты от рабочего тела обеспечивает  оптимальное соотношение л[NOx] - ge, а также снижение [СО] и [НС] в выпускных газах. К этим параметрам относятся: давление впрыскивания топлива, уровень температуры рабочего тела (продуктов сгорания), угол опережения впрыскивания топлива, интенсивность закрутки заряда, количество сопловых отверстий, качество используемого топлива. Выданы практические рекомендации по выбору и регулированию этих параметров, определены их конкретные значения для базового двигателя 1Ч 12/9.6 и его теплоизолированного варианта, позволяющие удовлетворить современные экологические требования по эмиссию вредных выбросов, предъявляемые к транспортным дизелям.
  20. Уменьшение отвода теплоты от рабочего тела благоприятно влияет на жесткость работы двигателя. Сокращение периода задержки воспламенения приводит к снижению скорости нарастания давления в начале сгорания, и как результат, к снижению уровня шума дизеля. В частности, для исследуемого дизеля 1Ч 12/9,6 период задержки воспламенения уменьшается  на 20%, что обеспечивает снижению шума на 4-5 дБ.
  21. Отдельные результаты диссертационной работы, полученные в рамках хоздоговорных работ, используются при исследовании и доводке дизеля на ООО ЗМЗ и в НИИГАЗ. Ряд результатов получен при выполнении грантов РФФИ, ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ и НИР по Государственному контракту.  Они также используются в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баумана при чтении курсов Теория поршневых и комбинированных двигателей, Силовые установки колесных машин, Основы научных исследований и испытаний ДВС, Локальный теплообмен в поршневых двигателях, Специальные главы теории поршневых двигателей, а также при выполнении магистерских и аспирантских диссертации.

Содержание диссертации отражено с следующих научных работах:

  1. Экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля / Кавтарадзе Р.З. [и др.] // Судостроение, судоремонт и техническая эксплуатация флота.: Тез. докл. Всерос. конф. Санкт-Петербург. 2002. С. 61-63.
  2. Экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля / Кавтарадзе З.Р. [и др.] // XXX юбилейная неделя науки СПбГТУ.: Тез. докл. межвуз. конф. Санкт-Петербург. 2002. С. 11-12.
  3. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Голосов А.С. Анализ трехмерного состояния поршня двигателя с применением экспериментальных граничных условий //Третья Российская национальная конференция по теплообмену.: Тез. докл. Всерос. конф. Москва. 2002. С. 135-138.
  4. Численный анализ влияния формы камеры сгорания на турбулентное движение и сгорание газа в цилиндре дизеля/ Кавтарадзе Р.З. [и др.]  // Четвертая  Российская национальная конференция по теплообмену.: Тез. докл. Всерос. конф. Москва. 2006. С. 246-249.
  5. Экспериментальный анализ локальных температур поршня дизеля, конвертируемого на природный / Кавтарадзе Р.З. [и др.] // Четвертая  Российская национальная конференция по теплообмену.: Тез. докл. Всерос. конф. Москва. 2006. С. 230-233.
  6. Расчет радиационно-конвективного теплообмена в камере сгорания дизеля/ Кавтарадзе Р.З. [и др.]  //РАН. Теплофизика высоких температур. 2007. Т. 45, №5. С. 741-748.
  7. Calculation of Radiative-Convective Heat Transfer in the Combustor of Diesel Engine/ Kavtaradze R.Z. [et all.] //High Temperature. 2007.Vol. 45, No. 5. P. 673-680.
  8. Кавтарадзе Р. З., Онищенко Д.О., Шибанов А.В. Исследование влияния конструктивных и регулировочных параметров на образование оксидов азота в газовом двигателе с использованием трехмерной модели рабочего процесса // Сборник научных трудов по материалам международной конференции // Международная конференция, посвященная 100-летию школы двигателестроения Двигатель-2007.: Тез. докл. Межд. конф. Москва. 2007. С. 145-150.
  9. Расчетно-экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля, конвертированного на природный газ / Кавтарадзе Р.З. и др. //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2007. Специальный выпуск. С. 70-80.
  10. Влияние конструктивных и регулировочных факторов на образование оксидов азота в камере сгорания дизеля, конвертированного на природный газ/ Кавтарадзе Р.З., [и др.]//Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей.: Тез. докл. Межд. конф. Владимир. 2008. С.41-47.
  11. The influence of rotational charge motion intensity on nitricoxideformation in gas-engine cylinder/ Kavtaradze R.Z. [et all.]  //International Journal of Heat and Mass Transfer 52. 2009. Р. 4308Ц4316.
  12. Кавтарадзе Р.З., Арипжданов М.М., Онищенко Д.О. Моделирование теплового состояния составного поршня с керамическим теплоизолятором//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение №3. 2009. С. 15-27.
  13. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Сергеев С.С. Сравнительный анализ трехмерных расчетов рабочего процесса дизеля с моделированием и без моделирования такта наполнения  //Пятая Российская национальная конференция по теплообмену.: Тез. докл. Всерос. конф. Москва. 2010. С. 230-233.
  14. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Сергеев С.С. Влияние впускной системы на образование вредных компонентов в камере сгорания дизеля //Тепловые процессы в технике. № 5. 2011. С. 210-215.
  15. Расчетно-экспериментальное исследование влияния термоизоляции поверхности камеры сгорания дизеля на образование оксидов азота/ Кавтарадзе Р.З. [и др.]  //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение №4. 2011. С. 83-100.
  16. Моделирование процессов в системе впускной  коллектор - цилиндр авиационного поршневого двигателя с распределенным впрыскиванием топлива / Кавтарадзе Р.З. [и др.] //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение №5. 2012. С. 83-102
  17. Моделирование процессов переноса, сгорания и образования оксидов азота в авиационном поршневом двигателе с дублированной системой зажигания/ Кавтарадзе Р.З. [и др.] // РАН. Энергетика №5. 2012. С.
  18. Heat insulation effect of soot deposit on local transient heat transfer in diesel engine combustion chamber/ R.Z. Kavtaradze [et all.] // SAE Paper, N 12-0262 - 2012. P.1-13.
   Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям