Введение к работе
Актуальность проблемы Особое место в развитии двигателестрое-ния уделяется вопросам дальнейшего совершенствования дизелей, как наиболее экономичного теплового двигателя, расширению их применения в различных секторах экономики Обеспечение высокой топливной экономичности и снижения вредных выбросов при увеличении среднего эффективного давления и частоты вращения коленчатого вала связано с необходимостью интенсификации процессов смесеобразования и сгорания
Характерной особенностью процесса подвода теплоты в цикле дизеля является образование промежуточных продуктов сгорания - сажистых частиц, причина которого кроется в несовершенстве процесса смесеобразования (наличие переобогащенных топливом зон) Наличие сажистых частиц вызывает появление интенсивного радиационного теплообмена, оказывает отрицательное влияние на экологию окружающей среды Несвоевременность и неполнота выгорания сажистых частиц приводят к потерям индикаторной экономичности дизеля
Одним из перспективных путей решения данной проблемы является рациональная организация взаимодействия топливной и воздушной фаз для снижения вероятности образования температурно-концентрационных неоднородных зон и последующего сажевыделения в цилиндре Практическая реализация этого мероприятия в целях улучшения качества смесеобразования и сгорания, уменьшения выделения сажи в цилиндре, а, следовательно, более эффективного использования теплоты в цикле предполагает проведение комплекса теоретических и экспериментальных исследований происходящих процессов и является актуальной задачей
Цель работы. Научное обоснование и разработка методов и средств организации процессов смесеобразования и сгорания для повышения экономичности и снижения вредных выбросов дизеля с отработавшими газами
Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач
развитие метода анализа индикаторной экономичности поршневого ДВС в ее связи с внутрицилиндровыми процессами и выявление резервов увеличения индикаторного КПД за счет снижения несвоевремености и неполноты ввода теплоты, определяемых качеством смесеобразования,
теоретическое исследование влияния обеспеченности топлива окислителем на внутрицилиндровые процессы дизеля тепловыделение, образование и выгорание сажистых частиц, экономичность, выброс сажи с ОГ,
разработка способа осуществления газообразной и жидкой присадки к топливу в линии высокого давления (ЛВД) непосредственно в форсунке в опытной топливной аппаратуре с возможностью оперативного управления содержанием присадки и параметрами впрыска,
выполнение комплекса экспериментально-теоретических работ по исследованию особенностей работы опытной топливной аппаратуры закономерности впрыска топлива, развитию факела и др ,
моделирование рабочего процесса и теоретическое исследование термодинамического характера воздействия жидких и газообразных присадок к рабочему телу (РТ) на индикаторный КПД и перспективы его увеличения, а также на показатели цикла двигателя,
экспериментальное исследование внутрицилиндровых процессов и основных показателей рабочего процесса дизелей 1413/14 и 4410,5/12 при работе с опытной топливной аппаратурой,
разработка рекомендаций по прогнозированию степени эффективного использования воздушного заряда цилиндра, тепловыделения, результирующего сажевыделения и формирования индикаторного КПД при впрыске топлива с газообразной и жидкой присадкой,
разработка рекомендаций по оптимизации смесеобразования двигателя постоянной мощности, настройке параметров впрыска при его интенсификации по давлению и уменьшению нагрузок в приводе ТНВД, оценке и снижению негативного влияния на рабочий процесс и индикаторный КПД утечек вследствие износа ТА
Научная новизна работы заключается в следующем
усовершенствован метод анализа индикаторного КПД введением дифференциации коэффициента неиспользования теплоты в эталонном цикле, и выявлены факторы, определяющие несвоевременность ввода теплоты в цикл и резервы роста индикаторного КПД,
предложено для оценки совершенства процесса смесеобразования-сгорания ввести коэффициент эффективного использования воздушного заряда цилиндра (известного по работам Разлейцева Н Ф ) и комплекс коэффициентов влияния сажи в цикле на индикаторный КПД как индикаторы наличия переобогащенных топливом зон, отражающие несовершенство смесеобразования и сгорания, предложены методы их расчета,
вскрыт механизм влияния повышения степени эффективного использования воздушного заряда на результирующее содержание сажи в цилиндре дизеля, эффективность использования теплоты выгорающей сажи и индикаторный КПД цикла, и дана численная оценка влиянию снижения сажевыделения на рост индикаторного КПД при интенсификации процесса смесеобразования-сгорания,
предложен способ повышения эффективности использования воздушного заряда цилиндра для сгорания, разработаны принципы, на основе которых сконструирована опытная форсунка и топливная система в целом, защищенные авторским свидетельством и патентом на полезную модель, позволяющие управлять газообразной или жидкой присадкой к топливу, предложен алгоритм управления содержанием присадки в топливе,
составлена модель рабочего цикла с учетом переменной массы, со-
става и термодинамических свойств РТ, позволяющая учесть влияние на рабочий процесс присадки дополнительного РТ и включающая блок анализа индикаторного КПД,
предложена модель гидродинамического расчета топливной системы, учитывающая присадку к топливу в ЛВД, и определено воздействие газообразной присадки на динамику развития топливного факела,
получены зависимости изменения степени эффективного использования воздушного заряда цилиндра для сгорания, и показаны резервы повышения экономичности и снижения выброса сажи с ОГ дизеля при использовании присадки газа и воды к топливу в ЛВД,
предложена методика согласования параметров впрыска и камеры сгорания при доводке РП двигателей постоянной мощности (ДПМ) и форсировании давления впрыска, методика проектирования дезаксиального механизма привода ТНВД, позволяющая снизить нагрузки в приводе при сохранении динамики впрыска, дана количественная оценка влияния утечек в ТА вследствие износа на индикаторный КПД и несвоевременность ввода теплоты,
создан комплекс методик и программ для математического моделирования и прогнозирования внутрицилиндровых процессов, рабочего цикла и анализа его КПД при интенсификации процессов смесеобразования и сгорания
Методы исследования. В работе нашли применение как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, хорошо известные и апробированные на практике, и специально разработанные для решения поставленных задач Достоверность результатов достигнута выбором современных методов и средств измерений, соблюдением требований стандартов, периодической поверкой и тарировкой приборов, анализом и контролем погрешностей, а для теоретических исследований - принятием обоснованных исходных данных и закономерностей, сопоставлением результатов расчета и эксперимента, согласованием частных полученных результатов с известными
Предмет исследования: процессы топливоподачи, смесеобразования, образования и выгорания сажи, рабочий цикл и эффективность использования теплоты в нем
Практическая ценность Уточненный метод анализа эффективности использования теплоты позволяет определить резервы увеличения КПД цикла и принять конкретные практические решения по их реализации Разработана и защищена охранными документами система питания дизеля Разработанные методики и программы расчета на ЭВМ позволяют на любой стадии проектирования и доводки дизеля, направленной на повышение экономичности и снижение токсичности, значительно уменьшить общий объем трудоемких и дорогостоящих экспериментальных работ и сократить время доводки дизеля, а разработанные методы экспериментального ис-
следования - изучить и адекватно описать исследуемые явления Полученные данные о снижении расхода топлива и выбросов сажи с ОГ дизеля свидетельствуют о неоспоримом преимуществе предложенного способа Разработанные практические рекомендации по отработке конструктивной схемы и эксплуатации предлагаемой топливной системы, совершенствовании смесеобразования и сгорания значительно снизят трудоемкость работ на практике при внедрении
Результаты исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ по грантам и НТП Минобрнауки РФ, а также переданы ОАО «ПО Алтайский моторный завод», ОАО «Алтайский завод топливных насосов», ООО «СКБ Алтайский завод прецизионных изделий», ОАО «Барнаульский аппаратурно-механический завод» Разработанные методы исследований и расчета используются в учебном процессе и НИРС кафедры ДВС Алтайского государственного технического университета им И И Ползунова
Апробация работы. Результаты работы были представлены на Всесоюзной научной конференции «Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания», Москва, МАДИ, 1986, Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы двигателестроения», Владимир, 1987, Всесоюзной научно-технической конференции «Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания», Киров, 1988, Всесоюзной конференции (1989 г) и научно-практических семинарах «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС», Владимир, 1994, 1995, 1997, международной научно-технической конференции «Двигатель 97», Москва, МГТУ, 1997, международной научно-технической конференции «Совершенствование быстроходных ДВС», Барнаул, АлтГТУ, 1993, 1999, международной конференции «Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов», Барнаул, АлтГТУ, 2000, международном научном симпозиуме «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения », Москва, МАМИ, 2000, конференции-выставке подпрограммы «Транспорт» НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», Москва-Звенигород, 2002, международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения», Челябинск, ЮУрГУ, 2003, 2006, IX Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», Владимир, 2003, Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири», Барнаул, АлтГТУ, 2003, III семинаре ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, Барнаул, АлтГТУ, 2003, IX, X, XI международных Конгрессах двигателестроителей, Харьков (Украина), НАУ «ХАИ», 2004-2006, международном симпозиуме «Образование через науку», Москва, МГТУ,
2005, Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Двигатели внутреннего сгорания - современные проблемы, перспективы развития», Барнаул, АлтГТУ, 2006 и др
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 69 печатных работах, в тч 47 статей (12 в рекомендованных ВАК изданиях), 12 тезисов докладов, 2 учебных пособия, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ, 5 авторских свидетельств и патентов
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 294 наименований и приложения, содержит 317 страниц текста, включая 11 таблиц, 132 рисунка
