Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ЕНИКЕЕВ Рустэм Далилович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВС ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Специальность:
05.04.02 - Тепловые двигатели
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Уфа - 2009
Работа выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Гришин Юрий Аркадьевич
доктор технических наук, профессор
Кукис Владимир Самойлович
доктор технических наук, профессор
обов Николай Владимирович
Ведущее предприятие: ОАО Уфимское моторостроительное
производственное объединение
Защита состоится л___ __________ 2009 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, К. Маркса 12, УГАТУ, актовый зал ученого совета (1 корпус).
Телефон (347) 273-77-92, факс (347) 272-29-18, e-mail: admin@ugatu.ac.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО УГАТУ.
Автореферат разослан л___ _________2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор технических наук, профессор Ф.Г. Бакиров
Общая характеристика работы
Актуальность исследования. Поршневые ДВС являются одним из главных потребителей органического топлива и одним из основных источников теплового, токсического и акустического загрязнения окружающей среды. Соответственно, ужесточаются требования к эффективности использования топлива в ДВС, токсичности их отработавших газов (ОГ) и шуму. Серьезными резервами обладает газовоздушный тракт (ГВТ), во многом определяющий совершенство процессов наполнения, смесеобразования, воспламенения и сгорания, а также выпуска ОГ. В ДВС с количественным регулированием мощности смесеобразование и сгорание на режимах средних и малых нагрузок протекают неудовлетворительно. Мероприятия, обеспечивающие требуемый характер движения заряда в рабочей камере (РК), способны существенно улучшить показатели эксплуатационной экономичности и токсичности ДВС указанного класса. В дизелях сочетание высокого циклового наполнения и согласование движения воздуха с формой камеры сгорания (КС) и параметрами системы топливоподачи есть условие достижения высоких показателей по удельной мощности, экономичности и экологичности при работе по внешней скоростной характеристике (ВСХ). Создание требуемого характера течения заряда в РК для обеспечения экономичности двигателя и удовлетворения нормам токсичности при сохранении условий обеспечения максимального наполнения не должно приводить к увеличению шума выпуска двигателя. Это требует разработки новых подходов к проектированию ГВТ для использования нестационарных процессов не только для увеличения наполнения ДВС, но и подавления шума выпуска.
Актуальность исследования вытекает из необходимости углубления понимания закономерностей влияния конструкции ГВТ на параметры рабочего процесса и необходимости совершенствования матмоделей процессов в ГВТ ДВС.
Таким образом, необходимо разработать принципы организации газообмена четырехтактного ДВС, обеспечивающие:
- максимально высокие мощностные показатели двигателя посредством сохранения основных принципов построения схемы ГВТ, обеспечивающей предельный для данной степени сжатия коэффициент наполнения;
- экономичность двигателя и низкий уровень токсичности выпуска за счет формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда в РК при сохранении условий максимального наполнения;
- низкий уровень шума выпуска за счет формирования требуемого газодинамического состояния ОГ в системе выпуска двигателя при сохранении условий максимального наполнения.
Объектом исследования являются процессы в ГВТ ДВС, оказывающие определяющее влияние на цикловое наполнение, газодинамическое состояние свежего заряда и ОГ и, в конечном счете, на индикаторные показатели цикла во всем диапазоне режимов работы двигателя, токсичность ОГ и шум выпуска.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка принципов организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленных на удовлетворение требованиям высокого наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя посредством формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда и ОГ.
В соответствии с целью формулировались задачи исследования:
1. Определить влияние характера движения заряда на показатели работы двигателя. Провести анализ методов создания закрученного движения заряда для различных типов двигателей.
2. Разработать способ организации процессов в системе впуска ДВС для управления интенсивностью закрутки заряда в РК.
3. Разработать математические модели и методики расчета процессов в ГВТ и РК двигателя с учетом начальной закрутки потока на впуске.
4. Определить возможность снижения удельного эффективного расхода топлива и токсичности ОГ двигателя за счет изменения интенсивности закрученного движения заряда в РК, без ухудшения показателей двигателя по ВСХ.
5. Разработать способ организации процессов в системе выпуска ДВС для снижения шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена.
Методы исследования. При выполнении работы использованы следующие методы исследования:
- методы теории рабочих процессов и теории газообмена ДВС;
- методы математического моделирования сложных систем, включая методы численного решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений в частных производных;
- методы натурного моделирования (при исследовании процессов в ГВТ и РК ДВС);
- методы экспериментальных исследований полноразмерных ДВС и силовых установок (автомобилей) с ДВС.
Исследование носило расчетно-экспериментальный характер. Используемые математические модели процессов проверялись на достоверность, а также подвергались калибровке, в части, содержащей определяемые из опыта зависимости вида гидравлических характеристик местных сопротивлений, для чего использовались результаты безмоторных экспериментов. В части, выполненной методом исследования на полноразмерном ДВС, продемонстрирован и количественно показан эффект применения закрутки на эффективные показатели и токсичность выпуска и воздействие способа организации процессов в системе выпуска ДВС на шум выпуска. Последнее проверялось также и на силовой установке с ДВС - автомобиле.
Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются принципы организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленные на улучшение его наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы посредством формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда и ОГ:
1. Впервые показана возможность улучшения эффективных показателей и снижения токсичности ОГ двигателя за счет управления интенсивностью закрученного движения свежего заряда, без ухудшения показателей двигателя по ВСХ.
2. Впервые установлено, что организация закрученного движения свежего заряда и управление его интенсивностью в РК двигателя достигаются разделением потока воздуха, поступающего в двигатель, на два потока, один из которых пропускают через ресивер и индивидуальные патрубки, а другой подают в индивидуальные патрубки вблизи впускных клапанов. Новизна решений подтверждена авторскими свидетельствами № 1464600, № 1437552, № 1815392 и патентами РФ на изобретения №а2148178, № 2156880, №а2215894, № 2253025.
3. Разработаны математические модели и методики расчета процессов в ГВТ и РК двигателя, позволяющие, в отличие от существующих, моделировать работу ДВС с учетом закрутки потока, формируемой на впуске.
4. Впервые установлено, что при согласовании процессов, определяющих колебания расхода газа на выходе из двигателя, ннЦ генерирование волн в РК ДВС, движение волн в элементах системы выпуска, формирование струи газа на выходе в атмосферу, возможно существенное снижение шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена (ухудшения эффективных показателей ДВС). Новизна решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2255229.
5. Впервые установлено, что увеличение шума выпуска при сбросе нагрузки определяется возникновением обратных течений в глушителе. Предложены методы снижения шума выпуска при сбросе нагрузки. Новизна решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2258816, № 2293855.
Практическая ценность. Результаты исследований, разработанная схема ГВТ четырехтактного ДВС и математические модели и методики расчета процессов в ГВТ и РК двигателя с учетом начальной закрутки потока на впуске внедрены в промышленности - в ГСКБ "Трансдизель" (г. Челябинск), ОАО "Строймаш" (г. Стерлитамак), и в учебный процесс - в УГАТУ (г. Уфа),
ЮУрГУ (г. Челябинск). Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:
1. Совершенствовать характеристики двигателя при его проектировании и доводке с целью удовлетворения требованиям форсированности, экономичности, токсичности и шума выпуска.
2. Моделировать процессы в ГВТ двигателя при его проектировании и доводке с учетом влияния конструктивных параметров тракта на закрутку потока и влияния закрутки на индикаторный процесс в РК.
На защиту выносится:
1. Способ организации процессов во впускной системе ГВТ для улучшения экономичности и снижения токсичности ОГ двигателя при сохранении его мощностных показателей.
2. Способ организации процессов в выпускной системе ГВТ для снижения шума выпуска двигателя при сохранении его мощностных показателей.
3. Математические модели и методики расчета процессов в ГВТ, позволяющие моделировать работу ДВС с учетом начальной закрутки потока на впуске.
4. Методы снижения шума выпуска двигателя при сбросе нагрузки.
Достоверность научных положений, результатов и выводов, содержащихся в диссертационной работе, основывается на:
- корректном использовании фундаментальных уравнений механики жидкости и газа и теории рабочих процессов ДВС;
- использовании признанных научных положений, апробированных методов и средств исследования, применении современного математического аппарата;
- сопоставлении результатов расчетов с данными экспериментов на безмоторных установках, а также реальном ДВС в стендовых и дорожных условиях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по проблемам сгорания (Москва, СПб, 1993); Всероссийском научном семинаре "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС" (Владимир, ВПИ, 1993, 1994); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы энергомашиностроения" (Уфа, 1996); Всероссийской научно-технической конференции "Энергетика и информация. Актуальные проблемы" (Уфа, УГАТУ, 1997); I Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве" (Нижний Новгород, НГТУ, 1999); Международной научной конференции по моделированию, вычислениям, проектированию в условиях неопределенности (Уфа, УГАТУ, 2000); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы современного машиностроения" (Уфа, УГАТУ, 2004); Международном симпозиуме "Образование через науку", секция "Двигатели внутреннего сгорания" (Москва, МГТУ, 2005); XLIX Научно-технической конференции ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров", секция "Поршневые и газотурбинные двигатели" (Москва, МАМИ, 2005); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Двигатели внутреннего сгорания - современные проблемы, перспективы развития" (Барнаул, 2006); Международной конференции Двигатель-2007, посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, МГТУ, 2007); Всероссийской научно-технической конференции "Процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей" (Самара, СГАУ, 2007).
ичный вклад соискателя в разработку проблемы: все основные идеи работы сформулированы лично автором. Материал диссертации основан на исследованиях автора в период с 1987 по 2007 годы.
Некоторые положения, методики и результаты работы получены и апробированы в ходе реализации аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2006 - 2008 годы)", подраздел "Проведение фундаментальных исследований в области технических наук".
Работа соискателя "Система впуска для газодинамического наддува" награждена Дипломом президиума центрального правления научно-технического общества машиностроительной промышленности.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 37 печатных работах, в том числе в 14 публикациях в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, в 1 монографии, в 1 учебном пособии с грифом УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области энергетики. Получены 4 авторских свидетельства СССР и 7 патентов РФ на изобретения.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы. Содержит 290 страниц машинописного текста, включающего 120 рисунков, 8 таблиц и библиографический список из 156 наименований.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы исследования, связанной с разработкой принципов организации газообмена ДВС, направленных на улучшение его наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска, формулируется цель работы, основные направления исследований, приводятся выносимые на защиту положения и краткое содержание работы.
В первой главе проведен анализ работ, связанных с темой научного исследования. Рассмотрены и проанализированы научные труды, посвященные проблемам организации газообмена в ДВС, таких ученых, как А.С. Орлин, М.Г. Круглов, Б.П. Рудой, А.С. Соколик, В.П. Карпов, Н.А. Иващенко, Ю.А. Гришин, С.Р. Березин, И.А. Черный, Dennison, JennyаE., Benson R., Wright E.H., Ricardo H.R., Hempson J.G.G., Gill K.F., Auriemma M., Blair G.P., Gatowski J.A., Heywood J.B., Deleplace C., Gosman A.D., Arcoumanis C., Bae C. S. и др. Показано, что к настоящему времени общие принципы конструирования ГВТ для обеспечения высокого наполнения достаточно хорошо изучены; в работах Б.П. Рудого сформулирована схема ГВТ для получения предельного коэффициента наполнения. Однако, многообразие требований, предъявляемых к современным ДВС наряду с требованием высокого наполнения, вызывает необходимость развития этой схемы, главным образом для обеспечения экономичности двигателя в поле режимов и удовлетворения нормам токсичности, а также снижения шума выпуска. Экономичность двигателя и нормы токсичности могут быть обеспечены созданием требуемого характера внутрицилиндрового течения воздушного заряда. Рассмотрено влияние закрутки заряда на эффективные показатели двигателя, токсичность ОГ, склонность двигателя к детонации.
На основании анализа исследований показано, что существуют оптимальные значения величин, характеризующих газодинамическое состояние свежего заряда (например, вихревого отношения Ω), при которых индикаторный КПД двигателей как с искровым воспламенением, так и дизелей достигает максимума. Превышение оптимального вихревого отношения приводит к бльшему снижению индикаторного КПД из-за возрастания теплоотдачи, чем выигрыш за счет интенсификации смесеобразования и сгорания. Увеличение Ω сверх оптимального не может быть рекомендовано и ввиду повышения максимальной температуры цикла и, соответственно, склонности двигателя к детонации, максимального давления цикла и скорости нарастания давления. Также показано, что детонационная стойкость двигателя определяется организацией интенсивного горения за счет закрутки заряда, инициированной на впуске и поддержанной на такте сжатия и горения. Организация вихревого движения в КС позволяет расширить концентрационные пределы распространения пламени в сторону бедных смесей, минимизировать движение фронта пламени перпендикулярно стенке цилиндра, интенсифицировать турбулентность на малых нагрузках, что снижает токсичность ОГ ДВС. Кроме того, закрутка заряда должна свести к минимуму локальные неоднородности состава топливовоздушной смеси в КС.
Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что существует понимание механизмов влияния конструктивных факторов на показатели газообмена и на эффективность цикла, и в значительной степени - на токсичность, а также на газодинамический шум ДВС. В каждой из этих областей созданы математические модели частного вида, в которых описание динамики явлений ведется, как правило, с невысокой детализацией. C другой стороны, современный уровень развития вычислительной техники и методов численного моделирования стал предпосылкой к применению детальных моделей процессов в тепловых двигателях (ТД). Такие модели характеризуются высокой пространственно-временнй детализацией и малой ролью делаемых при их выводе допущений и поэтому могут потенциально обеспечить достоверные результаты при исследовании сложных термогазодинамических процессов. Однако для применения моделей такого класса и достижения стабильно достоверных результатов требуется высокий уровень методического и программного обеспечения и значительные вычислительны ресурсы, что делает достижение практически полезных результатов моделирования с их применением проблематичным или неоправданно затратным. Таким образом, несмотря на значительные результаты, полученные как в понимании сущности явлений в ГВТ, сопровождающих рабочий процесс ТД, так и в области их детального моделирования, слабо разработаны практичные методики сквозного моделирования рабочих процессов, направленные на получение достоверных результатов в ответ на запросы практики совершенствования рабочих процессов ТД. Все вышесказанное делает актуальной разработку принципов организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленных на улучшение его наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы посредством формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда и ОГ, а также математических моделей и методик расчета процессов в ГВТ с учетом закрутки заряда.
Анализ возможных способов создания требуемого газодинамического состояния заряда в цилиндре двигателя показал, что существующие в настоящее время методы (заширмление клапанов, спиральные каналы, крыльчатки различного типа и т.ад.) обладают теми недостатками, что, во-первых, не позволяют изменять степень закрутки заряда при заданном расходе воздуха через двигатель и, во-вторых, снижают наполнение двигателя на режимах ВСХ. Сформулирована и обоснована схема двухконтурной системы впуска ДВС (рис.а1), которая позволяет управлять вихревым отношением в зависимости от режима работы двигателя при сохранении условий обеспечения максимального наполнения. Система впуска защищена авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Рисунок 1 - Схема ГВТ с двухконтурной системой впуска
Результатами проведенного обзора и анализа явились формирование направлений научного исследования, формулировка цели диссертационной работы, задач исследования и методов их решения.
Во второй главе приведены система уравнений модели и методика расчета неустановившегося течения в ГВТ ДВС с учетом закрутки потока, метод численного решения уравнений модели для элементов ГВТ типа каналов и емкостей и частные модели процессов на границах элементов ГВТ, необходимые для моделирования нестационарных процессов в нем в рамках пространственно одномерного приближения. Модель была применена для количественной оценки влияния конструктивных параметров ГВТ ДВС с двухконтурной впускной системой на интенсивность закрутки заряда в цилиндре, интегрально оцениваемую вихревым отношением в РК, для условий проведенных моторных экспериментов (гл.а4).
Процессы газообмена в экспериментальном двигателе рассчитывались по модели, описывающей течение в его ГВТ как нестационарное, в пространственно одномерной постановке с элементарным учетом закрутки. В такой постановке в качестве исходных соотношений модели участков ГВТ типа каналов приняты записанные в интегральной форме законы сохраненияа(ЗС) масс компонентов, количества движения, МКД газовой смеси и ее полной внутренней энергии при течении по участкуаГВТ примерно круглого сечения с плавно изменяющимися вдоль x геометрическими характеристиками сечения (рис.а2). В допущении о гладкости искомых функций исходные интегральныеаЗС вапределе эквивалентны системе уравнений в частных производных
(1)
(2)
(3)
(4)
В уравнениях (1)аЦа(4) Цпарциальная плотность k-го компонента газовой смеси, - плотность смеси, u - скорость потока, p - давление в данном сечении; листочниковые члены системы (1)аЦа(4) задаются соотношениями
Рисунока2 - К квазиодномерным
законам сохранения
где - нормальная, а и - касательные составляющие напряжения трения о стенку, - плотность теплового потока от стенки к газу, - площадь, - периметр, - приведенный радиус сечения.
Условная окружная скорость на периферии сечения в (3) полностью определяет МКД смеси в данном сечении в допущениях об однородности параметров поасечению и о вращении по закону твердого тела: . При таких допущениях составляющая удельной кинетической энергии в сечении, обусловленная закруткой, выражается как и определения полной удельной энергии и энтальпии принимают вид
где - массовые доли компонентов ().
Для замыкания системы уравнений (1)аЦа(4) нужно, кроме калорического, привлечь термическое уравнение состояния. В предположении о том, что рабочее тело - смесь идеальных газов и (закон Дальтона) иа, где Цгазовая постоянная смеси.
Математическая модель процессов в РК двигателя построена при допущении о том, что внутреннее пространство РК можно представить в расчетной схеме в общем случае двумя зонами.
В периоды газообмена, сжатия и расширения текущий внутрицилиндровый объем (объем РК) представлен одной зоной, эволюция состояния которой задается законами сохранения для открытой термодинамической системы:
(5)
(6)
где аЦ масса свежего заряда, а аЦамасса чистых продуктов сгорания в составе РТ, соответственно аи аЦ их массовые доли в потоках смеси на органах газообмена,аЦаудельная полная энтальпия (энергосодержание) этих потоков, - количество органов газообмена. Система (5) - (6) дополняется нульмерным вариантом уравнения (3) для учета изменения момента количества вращательного движения.
В период сгорания объем РК делится на две не смешивающиеся зоны: зонуа1 несгоревшей смеси и зонуа2 продуктов сгорания (ПС): (лдвухзонная модель сгорания); эволюция состояния системы задается уравнениями сохранения для открытой термодинамической системы для каждой из зон, при выполнении условия равенства давлений в них: .
Так, на период сгорания двухзонная модель РК включает уравнения сохранения масс компонентов и внутренней энергии смеси в зонах следующего вида:
(7)
(8)
(9)
(10)
В (7)аЦа(10): иа - внутренняя энергия в зонах, Дж, аЦ удельная внутренняя энергия и аЦ масса газа в зонеарабочей смеси (где при внутреннем смесеобразовании учитывается содержание топлива в газовой фазе), а - масса газов в зонеаПС, где состав может в простейшем случае определяться элементарным расчетом, но также может быть вычислен с привлечением модели диссоциированного рабочего тела. При допущении о протекании сгорания при закрытых органах газообмена компонентный (или элементный, при учете диссоциации) состав газовых смесей в зонах считается неизменным.
Уравнения (7)аЦа(10) также могут дополняться уравнением, учитывающим потери МКД заряда в РК в целом за счет торможения вихря трением оастенки.
Внешний тепловой поток в стенку РК задается формулой Вошни, в которую подставляются текущие осредненные значения параметров рабочего тела в РК, а затем делится между каждой из двух зон в соответствии со следующим правилом: весь тепловой поток приписывается зоне, занимающей более 3/4 текущего объема РК , а если такой зоны нет, то он делится поровну между обеими зонами.
Приводимые во второй главе модели реализованы в программных модулях (ТРУБКА, ЦИЛИНДР, АТМОСФЕРА, КЛАПАН, ТРОЙНИК) системы имитационного моделирования (СИМ) Альбея, которая позволяет создавать модели ГВТ из стандартных элементов и проводить сквозное имитационное моделирование, основным результатом которого может быть (в данном случае) определениеа ваРК к моменту начала сгорания.
Так, в модуле ЦИЛИНДР решается численно система обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) вида (5)аЦа(6) или (7)аЦа(10), записанная в символической векторной форме как
Здесь - вектор зависимых переменных (искомых функций), аЦ вектор правых частей ОДУ; независимые переменные системы - время или угол ПКВа. В модуле ЦИЛИНДР для численного интегрирования уравнений применена двухэтапная явная схема Эйлера второго порядка аппроксимации; на первом этапе вычисляются предварительные - на слое (1) - значения переменных
Е
гдеа - порядковый номер временнго шага. На втором этапе вычисляются окончательные () значения переменных:
Компоненты смеси - свежий заряд и продукты сгорания () рассматриваются как газы с переменной теплоемкостью. Зависимости аппроксимируются полиномами шестой степени. Калорическое УС берется (как для бинарной смеси таких газов) в виде .
В модуле ТРУБКА численное интегрирование уравнений (1)аЦа(4) на расчетном шаге по времени проводится консервативным двухэтапным методом со вторым порядком аппроксимации поаt. Для улучшения аппроксимации по x в модуле ТРУБКА применена монотонная кусочно-параболическая реконструкция параметров решения в ячейках.
В символической векторной форме система (1)аЦа(4) имеет вид (11)
где - вектор консервативных переменных, - вектор плотностей их потоков в сечениях, - вектор источников - правых частей уравнений.
Модели взаимодействия нестационарного потока в ГВТ с местными сопротивлениями были модифицированы применительно к течению с закруткой и программно реализованы в модулях КЛАПАН и ТРОЙНИК системы Альбея.
а)
б)
Рисунока3 - Два режима течения при распаде разрыва на скачке сечения
Так, в модели, вычисляющей параметры потока в узле стыка элементов ГВТ вида канала и емкости на расчетном шаге (КЛАПАН), учтены местные потери полного давления и величины потока МКД, задаваемые эмпирическими зависимостями для стационарного теплоизолированного течения. Задача определения параметров на скачке сечения вида канаЦемкость в ГВТ формулируется как обобщение задачи о распаде произвольного разрыва (РПР, рис.а3). Для указанного скачка сечения возможны два направления течения при РПР - режим истечения из емкости (рис.а3,аа) и режим втекания в емкость (рис.а3,аб). В обоих случаях решение задачи оаПР дает параметры в зоне 3, которые определяют потоки масс компонентов рабочего тела, импульса и энергии в канал и потоки масс и энергии в емкость, необходимые для обновления решения в граничных ячейках каналов и в емкостях (или их зонах) на расчетном шаге.
На режиме истечения из емкости (при , рис.а3,аа) поступающий в трубопровод из емкости газ остается отделенным от газа в нем контактной поверхностьюа(КП). Система уравнений, выражающая соотношения на скачке сечения (местном сопротивлении), КП и волне (представляется изоэнтропной независимо от знака) может быть записана относительно неизвестных и :
(12)
где , - газодинамические функции (ГДФ), дающие значения параметров нестационарного торможения (давления иаскорости звука) потока волной, распространяющейся по газу ваположительном направлении оси x, - ГДФ для расчета параметров стационарного торможения, - зависимость коэффициента восстановления полного давления как минимум от характерного числа , задающая потери полного давления. Уравнения (12) могут решаться итерационно, например, уточнением в интервале , где определяется конкретной зависимостью для .
Расчет на режиме втекания в емкость (при , рис.а3,аб) предполагает, что, газовая смесь из трубопровода мгновенно перемешивается со смесью в емкости (или одной из зон). В этом режиме РПР на скачке сечения описывается уравнением
(13)
Здесь - зависимость для коэффициента восстановления полного давления при стационарном втекании в емкость. Уравнение (13) также решается итерационным методом.
ПотериаМКД непосредственно на местном сопротивлении могут учитываться коэффициентом (например, ), задаваемым в функции положения запорного органа (клапана), а также (при наличии данных) - чисел M осевой и окружной составляющей закрученного потока. Форма уравнений (12) сохраняется при условии использования газодинамических функций стационарного торможения, обобщенных для закрученного потока.
а)
б)
Рисунока4 - Течение при РПР на тройнике в а)априточном и б) вытяжном режиме
Модификации на случай закрученного течения в ГВТ подвергнуты две модели, вычисляющие параметры нестационарного потока в узле стыка трех каналов, реализованные в модуле ТРОЙНИК системы Альбея. Модели также построены на обобщенной задаче о РПР. Нетривиальное решение задачи оаРПР на тройнике реализуется ваодном из двух вариантов течения - приточном (рис.а4, а) и вытяжном (рис.а4, б) - ваместе разветвления; для приведения параметров задачи о РПР к одному из вариантов переиндексируются параметры в исходных данных.
В первой из двух (лбазовой модели) для замыкания соотношений в месте разветвления канала принято допущение о равенстве давлений (). При этом искомая величина давления после РПР находится в диапазоне , где и - минимальное и максимальное из давлений и , что определяет выбор единственного варианта картины при РПР на тройнике (рис.а4), т.ак. направление и режим течения определяются соотношением нестационарно заторможенных давлений в трех сходящихся к тройнику каналах:
Если и , формируется течение, показанное на рис.а4,аа) - с волной разрежения, движущейся по газу вазоне разделением потока газа 7 на два потока в зонаха3аиа6, отделяемых контактными поверхностями соответственно от зон 2 и 5, и волнами сжатия, движущимися по зонама иа (приточный режим течения через тройник). При последовательном уточнении величины давления невязка расходов минимизируется с применением соотношений нааКП и простых изоэнтропных волнах.
Если же и , образуется картина течения (рис.а4,аб) саволной сжатия, движущейся по газу в зоне параметры за фронтом которой отделены контактной поверхностью от газа в зонеа7, образованной смешением потоков из зона3 иа6 (вытяжной режим течения через тройник). Невязка расходов также может служить для уточняющих итераций при расчетеаРПР. Данный вариант модели использован в расчетах процессов в ГВТ для разветвлений в выпускном коллекторе, неответственных с т.аз. оценки закрутки заряда, но требующих от модели ТРОЙНИКА повышенной устойчивости ввиду бльшей интенсивности волн в выпускной системе.
Во второй модели вместо условия для связи параметров квазистационарном потока в узле разветвления используется зависимость для коэффициента восстановления полного давленияа. Данная модель была применена для расчета течения в месте стыка контуров впускной системы.
Рисунока5 - К расчету номинальной величины потока МКД из вторичного канала в основной
В обоих вариантах моделиаРПР на тройнике учет потоков МКД из каждого и в каждый из сходящихся на тройнике каналов производится по значениям параметров в граничных сечениях каналов с привлечением специальных гипотез. Так, поток МКД во впускной патрубок ДВС вычисляется умножением потока количества движения на срезе вторичного контура на эффективный эксцентриситет оси этого канала относительно оси впускного патрубка (рис.а5):
Условность такой оценки подводимого МКД не дает методической погрешности при сквозном моделировании течения с закруткой в ГВТ, если данным соотношением задается номинальный поток МКД также при обработке результатов продувок впускных каналов (гл.а3), из которых определяются зависимости для , характеризующие потери МКД на впуске.
Применение предложенных моделей позволяет прогнозировать влияние конструкции двухконтурной системы впуска как на наполнение так и на интегральные параметры газодинамического состояния заряда для оценки возможности улучшения показателей ДВС на частичных режимах.
В третьей главе приведены результаты безмоторных экспериментов, показавшие возможность создания закрутки во впускной системе и РК двигателя и управления интенсивностью закрученного течения при использовании двухконтурной впускной системы, измерены потери МКД при перетекании закрученного потока через впускной клапан ДВС и выполнена идентификация примененных в расчетах моделей нестационарного течения в узле разветвления трубопроводов.
Экспериментально изучена структура течения - поле скорости закрученного потока во впускной системе двигателя (измерением разности полного и статического давлений по сечению). Проведено определение вектора скорости потока в двух сечениях от стыка трубопроводов в пяти точках каждого сечения. В исследовании использовался четырехдырчатый насадок клиновидной формы. Продувка каналов в условиях установившегося потока позволила определить значения газодинамических характеристик системы впуска, возможность создавать закрутку свежему заряду в двухконтурной впускной системе и регулировать интенсивность закрученного движения изменением соотношения расходов воздуха через контуры, а также регулированием углов установки дополнительного трубопровода. Канал экспериментальной установки имитировал систему впуска с двухконтурной подачей воздуха. Стык трубопроводовавыполнен с возможностью регулирования углов наклона дополнительного трубопровода продольной (угола) и поперечной (уголаα) плоскостях.
Выполнены эксперименты, целью которых являлось исследование возможности сохранения закрутки потока в РК двигателя, регулирования степени закрутки потока в РК, а также определение оптимальных углов установки дополнительного контура для получения максимальной закрутки. В экспериментах применен метод спрямляющей решетки, измеряющей суммарный крутящий момент, создаваемый закрученным потоком. Этот момент равен потоку МКД через плоскость, совпадающую с входным сечением спрямляющего устройства. Результаты измерений подтвердили, что закрутка заряда, созданная в двухконтурной впускной системе, в значительной степени сохраняется в виде вращательной составляющей движения рабочей смеси в цилиндре двигателя. Определены углы установки дополнительного контура для получения максимального коэффициента закрутки при разных соотношениях расходов воздуха через контуры. Коэффициент закрутки потока в РК может быть изменен от 0 до 20% регулированием параметров системы впуска (рис. 6).
Исследована возможность создания и регулирования интенсивности закрученного движения в РК в условиях нестационарного впуска. Условия нестационарного впуска имитировались на одноцикловой установке с генератором волн конечной амплитуды. Показано, что закрутка потока, созданная в двухконтурной впускной системе в условиях единичного впуска, сохраняется в РК.
а)б)в) г)
Рисунок 6 - Изменение коэффициента закрутки в зависимости от угла α для различных углов
а) основной контур открыт полностью; б) основной контур открыт на 50 %; в) основной контур открыт на 25 %; г) основной контур закрыт. Угол : - 30; - 45; - 60; - 90; Ц120
Проведены расчетно-экспериментальные исследования, имевшие целью идентификацию базовой модели тройника, основанной на допущении о равенстве давлений на стыке каналов, и калибровку модели тройника, основанной на квазистатической характеристике гидравлических потерь, посредством определения коэффициентов потерь на тройнике в нестационарном потоке. Получены эмпирические данные для замыкания соответствующих моделей течения в узлах разветвления. Эксперименты проведены на одноцикловой установке с генератором волн конечной амплитуды, к которой подключались трубопроводы с разветвлениями. Сравнение результатов расчетов по модели тройника, основанной на допущении о равенстве давлений на стыке каналов, с экспериментом подтвердило удовлетворительное совпадение и позволило рекомендовать применение этой модели для узлов стыка каналов многоцилиндрового ДВС. Модель тройника, основанная на квазистатической характеристике гидравлических потерь, после калибровки - определения коэффициентов потерь на тройнике (моделирующем место включения дополнительного контура в основной) в нестационарном потоке, стала пригодной для описания течения в соединении контуров впускной системы.
Учет потерь МКД (наряду с потерями полного давления) при перетекании на участке от сечения слияния контуров до РК был необходим для определения значений вихревого отношенияа в РК ДВС перед началом сгорания, соответствующих условиям стендовых испытаний, результаты которых приведены в главеа4. Поэтому в расчетах по моделям главыа2 задавались соответствующие зависимости, которые были полученные измерениями при продувках элементов впускной системы на безмоторном стенде. Потери МКД при перетекании закрученного потока через впускной клапан испытуемого ДВС определены в специальной серии экспериментов - продувок клапана закрученным стационарным потоком.
В четвертой главе представлены результаты стендовых испытаний двигателя, оборудованного двухконтурной впускной системой. Следовало подтвердить основную гипотезу о том, что применение указанной системы впуска, не ухудшая показателей ДВС при работе по ВСХ, существенно улучшает показатели двигателя при его работе на частичных режимах и расширяет диапазон его устойчивой работы по составу смеси. С этой целью были измерены величины крутящего момента, содержание токсичных компонентов ОГ как по ВСХ, так и на частичных режимах при различных значениях относительных расходов воздуха в ее контурах, получены регулировочные характеристики по составу смеси и углу опережения зажигания, выполнено индицирование двигателя.
Для того чтобы сделать возможным перенос сделанных наблюдений и рекомендаций как на разделенные, так и на впускные системы, использующие иные принципы придания закрутки заряду в цилиндрах ДВС различной размерности, в качестве параметра, характеризующего интегрально итоговую степень закрутки смеси, выбрано вихревое отношениеа в РК на момент начала видимого сгорания. Ввиду того, что непосредственное измерение величины в РК ДВС невозможно, значения в РК ДВС, соответствующие условиям измерений, определялись численным моделированием процессов в ГВТ по моделям, приведенным в главе 2. Достоверность результатов расчета обеспечивает, во-первых, описание течения в ГВТ как нестационарного по времени в системе с распределенными параметрами, а во-вторых, учет полученных экспериментально в главе 3 характеристик впускных каналов.
Для проведения экспериментов использована исследовательская установка в составе двигателя УЗАМа33137 с распределенным впрыском топлива, электромеханической динамометрической тормозной установки 1DS 736/V фирмы VSETIN и программно-аппаратного комплекса для проведения калибровок на базе процессора Микас 7.1. Все измерения соответствуют требованиям ГОСТ 14846Ц81. Фотография исследовательской установки представлена на рис.а7. Эксперименты заключались в снятии характеристик двигателя в базовой комплектации и двигателя в комплектации двухконтурной системой впуска. Конструкция системы впуска базового двигателя и основного контура двухконтурной системы впуска выполнены по схеме, обеспечивающей максимальное наполнение.
Двигатель в базовой комплектации соответствует двигателю с двухконтурной системой впуска с нулевой степенью закрутки (основной контур открыт, малый контур закрыт полностью). Двигатель в комплектации двухконтурной системой впуска испытывался с максимальной степенью закрутки при подаче воздуха только через малый контур и с промежуточными степенями закрутки потока при подаче воздуха через оба контура. В качестве регулировочного параметра, определяющего степень закрутки заряда в РК, используется диаметр шайбы в основном контуре (0 мм, 8 мм, 10амм, 34 мм), с уменьшением которого повышается относительный расход через малый контур при неизменном суммарном расходе воздуха через двигатель, что увеличивает вихревое отношение . Диаметр шайбы 34 мм соответствует полностью открытому основному контуру.
Рисунок 7 - Исследовательская установка
Регулировочные характеристики по составу смеси и углу опережения зажигания снимались на режимах от глубокого дросселирования до полного открытия дроссельной заслонки. Регулировочные характеристики по составу смеси приведены на рис. 8, 9 и 10. Регулировочные характеристики по углу опережения зажигания снимались при составах смеси, соответствующих минимальным удельным эффективным расходам топлива. В подписях к рисункам даны характерные значения вихревого отношения , вычисленные для определенной комплектации системы впуска, условий работы и некоторого характерного состава смеси. ВСХ снимались при оптимальных регулировках состава смеси и угла опережения зажигания на каждой точке характеристики. ВСХ приведены на рис.а11. Здесь же, для сравнения, приведены ВСХ испытуемого двигателя при комплектации его серийной карбюраторной системой впуска.
Анализ полученных характеристик показывает, что наибольший эффект от применения двухконтурной системы впуска наблюдается на режимах глубокого дросселирования и низких частотах вращения вала при надлежащем выборе программы регулирования расходов воздуха через контуры (при максимальной, или близкой к максимальной, закрутке заряда в цилиндре).
Результаты индицирования свидетельствуют, что двухконтурная впускная система способствует существенному улучшению полноты и скорости выгорания смеси для режимов, на которых вялое внутрицилиндровое течение заряда в базовом двигателе компенсируется интенсивной закруткой, сообщаемой потоку в двухконтурной системе впуска. Максимальные расчетные значения (до 10аЦ 11), которые достигаются при подаче воздуха через дополнительный контур, считаются весьма существенными из опыта исследований ДВС. Влияние таких уровней закрутки на рабочий процесс подтверждено выполненными экспериментами.
Рисунок 8 - Регулировочные характеристики по составу смеси; nа=а1800амин Ц1, GВ = 40 кг/час;
- двигатель базовый, а=а0,15;- двигатель с разделенной системой, подача воздуха через малый контур, а=а5,6; - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через оба
контура, а=а0,02; вихревые отношения определены для α = 1
Рисунок 9 - Регулировочные характеристики по составу смеси; nа=а1500амин Ц1, GВ = 54 кг/час;
- двигатель базовый, а=а0,17; - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через оба контура, а=а0,01 (D = 34 мм); - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через оба контура, а=а1,2 (D = 10 мм); - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через оба контура, а=а2,1 (D = 8 мм); - двигатель с разделенной системой, подача воздуха через малый контур, а=а6,8 (D = 0 мм); вихревые отношения аопределены для α = 1,1
Рисунок 10 - Зависимости углов опережения зажигания, соответствующих минимальным удельным эффективным расходам топлива, от состава смеси; режим, обозначения
кривых и характерные значения вихревых отношений - те же, что для рис. 9
Рисунок 11 - Внешние скоростные характеристики;
- двигатель базовый (с впрыском и настроенной системой впуска); - двигатель
с впрыском и настроенной разделенной системой впуска; - карбюраторный двигатель
Экспериментами установлено, что при обеднении смеси закрутка способствует улучшению показателей и становится фактором, обеспечивающим саму возможность работы при существенном обеднении, положительно влияя на скорость и полноту выгорания. Диапазон устойчивой работы двигателя на частичных режимах при применении двухконтурной системы впуска расширяется в зону бедных смесей на 20аЦа30%. Минимальные удельные эффективные расходы топлива по регулировочным характеристикам по составу смеси при применении двухконтурной системы впуска снижаются до 22% на частичных режимах. Минимумы удельных эффективных расходов топлива при применении двухконтурной системы впуска смещаются в сторону обеднения доа10%.
Показано, что при работе двигателя с коэффициентами избытка воздуха, соответствующими минимальным значениям удельных эффективных расходов топлива, выбросы CO при применении двухконтурной системы впуска снижаются на 60аЦа70% на частичных режимах. Выбросы CH снижаются на 2аЦ 8%. Минимальные значения выбросов CO и CH по регулировочным характеристикам по составу смеси при применении двухконтурной системы впуска меняются несущественно. Однако минимумы выбросов CH смещаются в сторону обеднения на 6аЦа10% на частичных режимах.
Минимальные удельные эффективные расходы топлива по регулировочным характеристикам по углу опережения зажигания при применении двухконтурной системы впуска меняются мало. Однако минимумы удельных эффективных расходов топлива смещаются в сторону меньших углов опережения зажигания на 20аЦа48%, что свидетельствует об увеличении скоростей горения.
Улучшение показателей двигателя на частичных режимах при применении двухконтурной системы не сопровождается ухудшением эффективных показателей и токсичности ОГ на режимах ВСХ. Максимальный крутящий момент двигателя незначительно возрастает. Коэффициент наполнения, минимальный удельный эффективный расход топлива и токсичность ОГ меняются мало.
Основным результатом проведенного расчетно-экспериментального исследования явилось подтверждение исходной гипотезы. Действительно, при применении двухконтурной впускной системы для каждой точки поля режимов работы двигателя, определяемой частотой вращения вала и расходом воздуха, существует и может быть найдена оптимальная (по некоторому критерию) интенсивность закрутки свежего заряда на впуске и соответствующее ей оптимальное соотношение расходов воздуха через контуры. При близком к оптимальному уровне закрутки заряда на частичных режимах доказано существенное улучшение удельного эффективного расхода топлива и показателей токсичности. Свидетельством в пользу того, что оптимальная закрутка в РК благоприятно влияет на характер и полноту турбулентного выгорания рабочей смеси стало четко наблюдаемое расширение диапазона устойчивой и эффективной работы ДВС по составу смеси. Снижение коэффициента цикловой невоспроизводимостиаkцн на 26 - 48а% по данным индицирования на несколько обедненной смеси (αа=а1,1), указывает на благоприятное влияние увеличенияа на рабочий процесс, по крайней мере, для исследованных режимов работы двигателя. Результаты проведенных на двигателе измерений не только подтверждают возможность улучшения показателей эффективности и токсичности при работе на частичных режимах, но и позволяют дать рекомендации, полезные при проектировании и создании программ регулирования систем, обеспечивающих каким-либо образом закрутку потока свежего заряда на впуске ДВС.
В пятой главе рассмотрена возможность снижения шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена. Показано, что схема ГВТ, обеспечивающего максимальное использование энергии газов для улучшения очистки и наполнения РК, не обеспечивает одновременно и низкий уровень шума т.к. полное устранение пульсаций требует неприемлемо большого объема ресивера.
Рассмотрена примененная в исследовании методика расчета шума неустановившейся струи газа. Определение акустической характеристики струи по этой методике включает расчет истечения газа из трубопровода в атмосферу и расчет звукового давления и уровня звукового давления на заданном расстоянии от начального сечения струи. Исходными данными для расчета звукового давления являются зависимости изменения плотности и скорости газа от времени в начальном сечении струи. Расчет параметров в начальном сечении струи может проводиться с помощью СИМ Альбея. Расчет звукового давления на заданном расстоянии от начального сечения струи проводится моделированием течения газа в самой струе и вне струи. Для моделирования процесса течения в окрестности среза трубопровода вводится двумерная сетка. Течение рассчитывается по уравнениям сохранения газовой динамики в осесимметричной постановке. Изменение звукового давления пересчитывается в зависимость избыточного давления от времени. По кривой изменения избыточного давления проводится расчет уровня звука. Методика позволяет проводить расчет шума выпуска ДВС на установившихся и неустановившихся режимах, расчет спектра шума неустановившейся струи и расчет шума по частотной характеристике А.
Рассмотрены особенности шума пульсирующего потока. Показано, что шум выпуска ДВС, представляющий собой процесс с периодическим изменением параметров, определяется не турбулентными пульсациями в струе, а пульсациями средних параметров струи. Уровень шума неустановившейся струи с периодическим изменением параметров может принимать значение от минимального, равного уровню шума установившейся струи, до максимального, равного уровню шума импульсной струи. В настоящее время даже лучшие образцы глушителей шума выпуска не могут полностью трансформировать поток в стационарный, их уровень шума более чем на 20 дБ выше, чем уровень шума, вызываемого турбулентными пульсациями в струе при одном и том же часовом расходе газа.
Рассмотрены способы глушения шума выпуска ДВС. Показано, что установка глушителя в выпускной системе вызывает увеличение давления в системе, однако настройка системы выпуска позволяет до определенной величины компенсировать рост давления. Определено, что при избыточном давлении в системе выпуска до 0,04 - 0,05 МПа параметры двигателя с настроенным выпуском остаются лучше, чем параметры двигателя без выпускного коллектора. Эта величина давления, создаваемого глушителем и другими элементами в системе выпуска, может быть компенсирована настройкой системы выпуска.
Предложен новый, газодинамический, подход к глушению шума выпуска, позволяющий согласовать все элементы системы выпуска так, чтобы настроенная часть системы, выполняя свою основную функцию очистки и наполнения РК, способствовала преобразованию нестационарного течения газа на срезе глушителя в стационарное. Такой подход позволяет предложить новые схемные решения конструкций глушителей шума и системы выпуска в целом, способные приблизить нестационарное течение газов к стационарному. Это позволяет обеспечить минимальный рост энтропии за счет трансформации волны конечной амплитуды в одну или несколько волн с существенно меньшим градиентом колебания давления. Трансформация волны может осуществляться такими способами как разделение волны на несколько и выпуск их с задержкой по времени, растягивание волны по времени с одновременным снижением амплитуды и другими.
Так, снижение уровня шума может быть достигнуто, если использовать глушитель с несколькими выхлопными патрубками, в которых пульсации давления происходят со сдвигом по фазе. Для проверки возможности снижения шума при многосопловом истечении газа проведены расчеты звукового давления для двух вариантов истечения одиночной струи - единичной и половинной площади с синусоидальным изменением параметров. Показано, что многосопловое истечение ОГ со смещенными по времени законами изменения параметров струй позволяет существенно уменьшить уровень шума. Амплитуда суммарного звукового давления почти в десять раз меньше исходной, что соответствует снижению уровня звукового давления на 20адБ. Развитием метода многосоплового истечения является истечение струй газа при их соосном расположении и противофазном изменении параметров наружной и внутренней струй.
Снижение шума выпуска сглаживанием пульсаций на входе в камеры глушителя может быть реализовано в многоканальной системе выпуска (патент РФ № 2255229). Сущность метода заключается в том, что ресивер соединен с корпусом глушителя вторым трубопроводом бльшей длины, обеспечивающей приход по времени волны сжатия в корпус глушителя между волнами, выходящими в корпус глушителя из первого трубопровода.
Таким образом, газодинамический подход позволяет согласовать все элементы системы выпуска для преобразования нестационарного истечения газа в стационарное. Это преобразование начинается в объеме ресивера, пульсации на входе в глушитель могут быть дополнительно снижены подачей газа через несколько трубопроводов так, чтобы волны сжатия поступали в камеры глушителя в противофазе, пульсации на выходе из глушителя могут быть снижены многосопловым или соосным истечением.
В шестой главе сформулирована и обоснована схема системы выпуска, реализующая газодинамический подход к глушению шума выпуска ДВС. Проверка гипотезы об эффективности газодинамических методов снижения шума выпуска осуществлялась моделированием и экспериментальным исследованием четырехтактного автомобильного двигателя в двух комплектациях выпускной системы с глушителем - серийной и опытной. Для опытной системы в качестве базовой принята концепция настроенной системы выпуска с камерным глушителем и поступлением газов в глушитель через два трубопровода разной длины для снижения пульсаций на выходе. Схема системы выпуска представлена на рис.а12.
Рисунок 12 - Схема опытной системы выпуска
Проведено численное моделирование двух комплектаций двигателя нетто - с опытной системой и с серийной системой выпуска, а также комплектации брутто серийного двигателя - без глушителя и резонатора. Расчеты показали, что крутящий момент двигателя с опытной системой выпуска больше на 8%, удельный эффективный расход топлива меньше на 2%, шум выпуска на тестируемых частотах вращения ниже на 6 - 10 дБА. Эффективные показатели двигателя с опытной системой выпуска превосходят показатели серийного двигателя без глушителя. Снижение шума связано со снижением пульсаций на выходе из глушителя. Расчет давления в последней камере глушителя представлен на рис.а13.
Рисунок 13 - Изменение давления в последней камере глушителя;
верхняя кривая - серийная система выпуска, нижняя - опытная система выпуска
Проведено моделирование двигателя с многоканальной системой выпуска, в которой ресивер соединяется с глушителем несколькими трубопроводами разной длины и разного диаметра. Увеличение количества трубопроводов приводит к существенному снижению уровня звука. Некоторое снижение мощности объясняется увеличением гидравлического сопротивления трубопроводов вследствие увеличения площади стенок. В системе с тремя трубопроводами в сравнении с системой с одним трубопроводом падение мощности составляет 0,7% при снижении шума на 9адБА; в сравнении с системой с двумя трубопроводами падение мощности составляет 0,4% при снижении шума на 3адБА. Увеличение диаметра трубопроводов в системе с тремя трубопроводами на 5% позволяет поднять мощность двигателя до уровня системы с двумя трубопроводами при некотором, на 1адБА, повышении шума. Таким образом, моделирование показало, что многоканальная система выпуска позволяет существенно снизить уровень шума выпуска. Новизна системы выпуска подтверждена патентом РФ №а2255229.
По результатам моделирования разработан стендовый образец опытной системы выпуска с двумя выпускными трубопроводами. Испытания образца проводились на тормозном стенде, укомплектованном измерительным оборудованием в соответствии с ГОСТ 14846Ц81. Все шумоизмерительное оборудование соответствует ГОСТ 27436Ц87. Измерения шума выпуска проводились при полной звукоизоляции выходного патрубка системы выпуска от двигателя. На рис.а14 представлена фотография стендового образца. На рис.а15 представлены ВСХ. Снижение шума выпуска двигателя с опытной системой в сравнении с серийной системой, определенное расчетом и экспериментально, представлено на рис.а16.
Результаты испытаний подтвердили расчетные показатели опытной системы. Крутящий момент двигателя с опытной системой выпуска больше на 8%, удельный эффективный расход топлива меньше на 6%, шум выпуска на тестируемых частотах вращения ниже на 8аЦа13адБА.
Таким образом, показано, что в двигателе с настроенной системой выпуска возможно существенное снижение шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена относительно показателей двигателя без настройки системы выпуска. Наибольшее расхождение между расчетными и экспериментальными эффективными показателями на ВСХ составило 6%, а по уровню газодинамического шума - 5адБА.
Рисунок 14 - Опытная система выпуска при испытаниях на стенде
Рисунок 15 - Внешние скоростные характеристики; - серийная система выпуска,
- опытная система выпуска, - серийная система выпуска без глушителя
Рисунок 16 - Снижение уровня звука выпуска двигателя с опытной системой выпуска
в сравнении с серийной системой выпуска
По результатам расчетного определения параметров выпускного тракта ДВС и стендовых испытаний разработан автомобильный вариант системы выпуска. Дорожные испытания двигателя с опытной системой выпуска в сравнении с двигателем с серийной системой проводились в составе автомобиля
ИЖЦ2126. Испытания проводились в соответствии с Правилами № 51 ЕЭК ООН. Испытания включали контроль мощности двигателя автомобиля на стенде, на беговых барабанах, измерение шума при движении автомобиля на автополигоне ОАО ИжМаш и измерение шума на неподвижном автомобиле.
Измерения шума при движении автомобиля с опытной системой выпуска показали снижение внешнего шума на 1,0 - 1,5адБА по сравнению с автомобилем в серийной комплектации. Оценочные измерения уровня шума, включавшие измерения шума при капотировании элементов автомобиля и при движении накатом, показали, что уровень шума, излучаемый источниками автомобиля, иными, чем выхлоп, на 5 - 7адБА превышает уровень шума выпуска. При такой разнице в уровне шума источников, дополнительное снижение уровня шума меньшего источника (шума выпуска) на 8адБА не может снизить уровень суммарного шума более чем на 1 - 1,5адБА, что и подтвердили дорожные испытания.
Измерения шума на неподвижном автомобиле показали одинаковые результаты для автомобиля с опытной системой выпуска и автомобиля в серийной комплектации. В соответствии с Правилами № 51 измерение внешнего шума неподвижного автомобиля производится на режиме холостого хода при постоянной частоте вращения вала и при быстром перемещении педали подачи топлива в положение, соответствующее минимальной подаче. Результат измерения соответствует максимальному показанию шумомера при сбросе газа; он составил 94,2адБА. При этом уровень шума на режиме с постоянной частотой вращения составил 86адБА. Результаты измерений внешнего шума автомобиля с серийной системой выпуска на неподвижном автомобиле аналогичны. Однако уровень шума на режиме с постоянной частотой вращения для автомобиля с опытной системой выпуска ниже на 2адБА, чем у автомобиля в серийной комплектации, что подтверждает результаты моделирования и стендовых экспериментов. На рис.а17 приведена зависимость уровня звука при испытаниях на неподвижном автомобиле при частотном приведении А и временной характеристике Быстро. Начало закрытия заслонки соответствует времени 0,5ас на графике.
С целью определения причин повышенного шума выпуска при резком закрытии заслонки проведено моделирование и экспериментальное исследование шума выпуска на неустановившихся режимах. Моделирование испытаний при движении автомобиля и испытаний на неподвижном автомобиле производилось для режимов работы двигателя УЗАМа33137 в составе автомобиля ИЖЦ2126 при испытаниях по методикам Правил №а51. На рис.а18 приведена расчетная зависимость расхода газа в выходном сечении патрубка глушителя.
Рисунок 17 - Уровень звука при резком | Рисунок 18 - Расход газа на срезе выпускного патрубка глушителя при резком закрытии |
Расчетное исследование показало, что причиной повышенного шума выпуска при закрытии дроссельной заслонки являются увеличение амплитуды колебаний скорости газа и возникновение обратных течений в глушителе. Предложены новые способы снижения шума выпуска при закрытии заслонки, каковыми являются подача дополнительного воздуха в ГВТ двигателя и установка обратного клапана в выпускной системе. Новизна этих методов подтверждена патентами РФ №а2293855 и № 2258816. Расчетное и экспериментальное исследование этих методов показало их эффективность и, таким образом, подтвердило правильность выводов о причинах увеличения шума выпуска при сбросе нагрузки.
Таким образом, концепция двигателя с настроенным выпускным трактом, в сочетании с уменьшением пульсаций давления в ресивере и глушителе, решает задачу снижения уровня газодинамического шума двигателя при улучшении эффективных показателей.
Основные ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Определено влияние закрученного движения заряда на эффективные показатели двигателя, токсичность отработавших газов, склонность двигателя к детонации. Показана необходимость регулирования интенсивности закрученного движения заряда в зависимости от режима работы двигателя.
2. Разработан способ организации процессов в системе впуска ДВС, заключающийся в подаче воздуха в рабочую камеру двигателя через два контура, один из которых выполнен по схеме, обеспечивающей получение предельного для данной степени сжатия коэффициента наполнения. Дополнительный контур обеспечивает введение в поток момента количества движения в процессе впуска.
Экспериментами на модельных установках определена возможность создания закрученного движения заряда в газовоздушном тракте и рабочей камере двигателя с двухконтурной системой впуска и возможность управления интенсивностью закрутки заряда изменением геометрии узла стыка контуров и изменением соотношения расходов воздуха через контуры.
Определена возможность достижения в рабочей камере двигателя с двухконтурной системой впуска существенных, до 10аЦ 11, значений вихревого отношения.
3. Разработаны математические модели и методики расчета процессов в газовоздушном тракте и рабочей камере двигателя с учетом начальной закрутки потока на впуске, позволяющие провести:
- расчет индикаторного процесса в рабочей камере ДВС в продолжение всего цикла с учетом газодинамического состояния свежего заряда;
- расчет нестационарного течения с закруткой на участке гладкого канала газовоздушного тракта ДВС с учетом путевых потерь;
- расчет взаимодействия нестационарного течения с закруткой с местом сопряжения каналов неодинакового сечения (течение через диафрагму) или с емкостью (течение через клапан) с учетом местных потерь;
- расчет исходной закрутки потока и расчет нестационарного течения в месте стыка контуров двухконтурной системы впуска (течение через
тройник).
4. Экспериментами на моторном стенде определена возможность существенного, более чем на 20%, снижения удельного эффективного расхода топлива, а также выбросов продуктов неполного сгорания (до 60аЦа70%), за счет изменения интенсивности закрученного движения заряда в рабочей камере двигателя с двухконтурной системой впуска, без ухудшения показателей двигателя по внешней скоростной характеристике.
Индицированием выявлено, что применение двухконтурной впускной системы, при надлежащем выборе программы регулирования расходов через контуры, способствует существенному улучшению полноты и скорости выгорания смеси для режимов, характеризуемых, для базового варианта двигателя, вялостью газодинамических процессов и горения. Невоспроизводимость циклов снижается до двух раз. Минимумы удельных эффективных расходов топлива смещаются в сторону обеднения доа10%. Диапазон устойчивой работы двигателя расширяется в зону бедных смесей на 20аЦа30%. Потребные углы опережения зажигания снижаются до двух раз, что также свидетельствует об увеличении массовой скорости выгорания.
5. Разработан способ организации процессов в системе выпуска ДВС, заключающийся в согласовании процессов, определяющих пульсации расхода газа на выходе из глушителя ннЦ генерирование волн в рабочей камере ДВС, движение волн в элементах системы выпуска и формирование струи газа на выходе в атмосферу.
Стендовыми моторными испытаниями и дорожными испытаниями в составе автомобиля показано, что в двигателе с настроенной системой выпуска возможно существенное, на 8аЦа13адБА, снижение шума выпуска при улучшении условий протекания газообмена (улучшении эффективных показателей на 6 Ца8%) относительно показателей двигателя без настройки системы выпуска.
Моделированием и экспериментальным исследованием шума выпуска на неустановившихся режимах работы двигателя показано, что причиной повышенного шума выпуска при резком закрытии дроссельной заслонки являются увеличение амплитуды колебаний скорости газа и возникновение обратных течений газа в глушителе. Предложены методы снижения шума выпуска при сбросе нагрузки. Снижение внешнего шума автомобиля при применении этих методов составляет 3 - 4 дБА.
Таким образом, разработаны принципы организации газообмена для формирования газодинамического состояния свежего заряда и отработавших газов четырехтактного ДВС, удовлетворяющего требованиям высокого наполнения, экономичности, токсичности отработавших газов и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ
В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Рособрнадзора:
1. Еникеев Р.Д. Улучшение эффективных показателей и снижение шума выхлопа четырехтактного ДВС / Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д. // Автомобильная промышленность. М., Машиностроение, № 9, 2002, стр.а16-19. (личный вклад - 2 ж.л.).
2. Еникеев Р.Д. Численное моделирование развития нестационарной топливовоздушной струи по методу крупномасштабных вихрей / Еникеев Р.Д., Черноусов А.А. // Вестник УГАТУ. 2006. т. 7, № 3 (16). cтр. 3-11. (личный вклад - 5 ж.л.).
3. Еникеев Р.Д. Рабочий процесс перспективного поршневого ДВС / Еникеев Р.Д., Гарипов М.Д. // Вестник УГАТУ. 2006. т. 7, № 3 (16). cтр. 12-22. (личный вклад - 7 ж.л.).
4. Еникеев Р.Д. Экспериментальное исследование двухконтурной системы впуска / Еникеев Р.Д. // Ползуновский вестник. Проблемы двигателестроения. Барнаул.. 2006, № 4, стр. 68-72.
5. Еникеев Р.Д. Моделирование скачка уплотнения в двухконтурной системе впуска / Еникеев Р.Д. // Ползуновский вестник. Проблемы двигателестроения. Барнаул. 2006, № 4, стр. 64-67.
6. Еникеев Р.Д. Имитационное моделирование процессов и уровня газодинамического шума ДВС / Еникеев Р.Д. // Известия вузов. Машиностроение. 2007, № 1, стр. 40-46.
7. Еникеев Р.Д. Течение газа в зоне стыка контуров ДВС / Еникеев Р.Д. // Известия вузов. Машиностроение. 2007, № 2, стр. 20-28.
8. Еникеев Р.Д. База знаний для проектирования ДВС / Еникеев Р.Д. // Двигателестроение. 2007, № 1, стр. 15-20.
9. Еникеев Р.Д. Газодинамические методы снижения шума выпуска газа в двигателях внутреннего сгорания / Еникеев Р.Д. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специальный выпуск. Серия Машиностроение. 2007, стр. 138-149.
10. Еникеев Р.Д. Газообмен и эффективные показатели ДВС с двухконтурной системой впуска / Еникеев Р.Д., Михайлов В.С. // Вестник УГАТУ. 2007. т. 9, № 6 (24). стр. 82-97. (личный вклад - 11 ж.л.).
11. Еникеев Р.Д. Моделирование и экспериментальное исследование нестационарного течения газа в разветвленном трубопроводе / Еникеев Р.Д., Черноусов А.А. // Вестник УГАТУ. 2007. т. 9, № 6 (24). стр. 98-106. (личный вклад - 4 ж.л.).
12. Еникеев Р.Д. Смесеобразование и горение в тепловых двигателях с закруткой воздушного заряда / Еникеев Р.Д. // Вестник СГАУ. 2007, а№ 2. стр.
93-97.
13. Еникеев Р.Д. Математическая модель комбинированного сгорания в тепловых двигателях / Борисов А.О., Гарипов М.Д., Еникеев Р.Д., Черноусов А.А. // Вестник СГАУ. 2007, а№ 2. стр.а97-103. (личный вклад - 4 ж.л.).
14. Еникеев Р.Д. Снижение шума выпуска поршневого ДВС при соосном истечении газа / Еникеев Р.Д., Вахитов Ю.Р. // Известия МГТУ "МАМИ"
№ 1(7), 2009, стр. 37-40. (личный вклад - 2 ж.л.).
В монографии:
15. Еникеев Р.Д. Рабочий процесс многотопливного поршневого двигателя // А.О. Борисов, М.Д. Гарипов, Р.Д. Еникеев, А.А. Черноусов; Под редакцией Р.Д. Еникеева. - Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2008. - 272 с.: ил. (личный вклад - 120 c.)
Авторские свидетельства и патенты:
16. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Борисов А.О. Авторское свидетельство №а1209905. Бюллетень изобретений, 1986, № 5. Система впуска карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.
17. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П. Авторское свидетельство № 1464600. 1986. ДСП. Устройство для питания карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.
18. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П. Авторское свидетельство № 1437552. Бюллетень изобретений, 1988, № 42. Система питания для двигателя внутреннего сгорания.
19. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Рябухин С.А., Зарипов А.Г. Авторское свидетельство № 1815392. Бюллетень изобретений, 1993, № 18. Система питания двигателя внутреннего сгорания.
20. Еникеев Р.Д., Садыков Р.И., Рудой Б.П., Борисов А.О. Патент РФ №а2148178. Бюллетень изобретений, 2000, № 12. Способ питания двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления.
21. Еникеев Р.Д., Садыков Р.И., Рудой Б.П. Патент РФ № 2156880. Бюллетень изобретений, 2000, № 27. Система питания двигателя внутреннего сгорания.
22. Еникеев Р.Д., Нурмухаметов Р.М., Рудой Б.П., Садыков Р.И. Патент РФ №а2215894. Бюллетень изобретений, 2003, № 31. Способ подачи топлива в цилиндры двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления.
23. Еникеев Р., Рудой Б.П., Зинов Д.В. Патент РФ № 2253025. Бюллетень изобретений, 2005, № 15. Способ работы двигателя внутреннего сгорания (варианты) и устройство для его осуществления.
24. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р. Патент РФ № 2255229. Бюллетень изобретений, 2005, № 18. Устройство для глушения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания.
25. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р. Патент РФ № 2258816. Бюллетень изобретений, 2005, № 23. Устройство для глушения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания.
26. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р. Патент РФ № 2293855. Бюллетень изобретений, 2007, № 5. Способ глушения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания и выпускная система для его осуществления.
В других изданиях, включая труды Всероссийских и международных НТК:
27. Еникеев Р.Д. Двухпоточная подача заряда в двигатель как метод сжигания бедных смесей / Еникеев Р.Д., Рудой Б.П.// Международная конференция по проблемам сгорания, Москва, СПб, 1993. стр. 33.
28. Еникеев Р.Д. Регулирование параметров потока на впуске для улучшения эффективных показателей ДВС / Еникеев Р.Д., Рудой Б.П.// III всероссийский научный семинар "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС", Владимир, 1994. стр. 58-59.
29. Еникеев Р.Д. Влияние параметров топливоподачи на качество смесеобразования и наполнение ДВС / Еникеев Р.Д.// Межвуз. науч. сб. "Актуальные проблемы авиадвигателестроения", Уфа, УГАТУ, 1997. стр. 224-231.
30. Еникеев Р.Д. Моделирование рабочего процесса, газообмена и шума выхлопа четырехтактного ДВС / Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д.// Межвуз. науч. сб. "Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей", Уфа, 2002, вып. 19. стр.
31. Еникеев Р.Д. Исследование шума выхлопа ДВС при резком закрытии дроссельной заслонки / Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д.// Межвуз. науч. сб. "Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей", Уфа, 2002, вып. 19. стр.
32. Еникеев Р.Д. Улучшение эффективных показателей двигателя и шума выпуска с использованием системы имитационного моделирования "Альбея". / Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д., Рудой Б.П.// Труды института инженеров-механиков, Часть D: "Automobile Engineering", Великобритания. 2004, 218 (D12), 1447Ц1453. (на англ. языке).
33. Еникеев Р.Д. Моделирование внутрицилиндровых процессов, газообмена, механических потерь и шума выхлопа ДВС / Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д., Рудой Б.П.// МГТУ. Международный симпозиум "Образование через науку". Материалы докладов секции "Двигатели внутреннего сгорания". Отдельный выпуск. Москва, 2005. стр. 19-20.
34. Еникеев Р.Д. Газовоздушный тракт четырехтактного ДВС. / Еникеев Р.Д. // МГТУ. Международный симпозиум "Образование через науку". Материалы докладов секции "Двигатели внутреннего сгорания". Отдельный выпуск. Москва, 2005. стр. 107.
35. Еникеев Р.Д. Организация вихревого движения заряда в цилиндре ДВС / Еникеев Р.Д., Чичков К.В.// Материалы 49-ой научно-технической конференции ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров". Секция 2. "Поршневые и газотурбинные двигатели". Часть 1. Москва, 2005. стр. 53-55.
36. Еникеев Р.Д. Двигателестроение и моторные топлива. Приоритеты развития / Еникеев Р.Д., Ахметов С.А. // Вестник Академии наук РБ. 2006. Том 11, №а2. стр.а34-40.
Диссертант Р.Д. Еникеев
ЕНИКЕЕВ Рустэм Далилович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВС ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Специальность:
05.04.02 - Тепловые двигатели
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Подписано к печати _________2009 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.
Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.
Усл. печ. л. 2,0. Усл. кр.-отт. 2,0. Уч.-изд. л. 1,9.
Тираж 100 экз. Заказ № ____.
ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет
Центр оперативной полиграфии
450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям