Введение к работе
Актуальность темы. Мощностные показатели поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) определяются, прежде всего, количеством поступившего в цилиндры воздуха или бензо-воздушной смеси, которая определяет максимум допустимой мощности. Вместе с тем, увеличение литровой мощности за счёт возрастания расхода воздуха в связи с наддувом или с повышением частоты вращения коленчатого вала приводит к сокращению времени протекания процессов газообмена, в которых важную роль приобретают газодинамические потери в процессах впуска и выпуска отработавших газов (ОГ) ПДВС.
Очевидно, что условия наполнения и очистки цилиндров в основном зависят от газодинамической эффективности элементов газовоздушных трактов ПДВС, а их экономичность - в значительной степени от качества наполнения и продувки цилиндров, а также затрат мощности на осуществление насосных ходов.
Это подтверждается и практикой создания современных автомобильных двигателей, у которых наметившееся в недавнем прошлом уменьшение мощности и экономичности в связи с выполнением постоянно ужесточающихся требований к снижению токсичности ОГ было ликвидировано, в частности, за счёт совершенствования газовоздушных трактов в направлении увеличения расхода воздуха и снижения механических потерь.
Учитывая эти обстоятельства, необходимо отметить, что проведение работ, направленных на снижение газодинамических потерь в основных элементах систем газообмена ПДВС, позволит улучшить их расходные характеристики, увеличить степень использования теплоты и поднять технико-экономические показатели двигателей в целом.
Информация по расходным характеристикам элементов систем газообмена может быть использована при математическом моделировании процессов наполнения цилиндров свежим зарядом и выпуска отработавших газов в ПДВС.
Цель работы. Научное обоснование, разработка методов исследования и средств улучшения расходных характеристик поршневых ДВС для повышения их мощностных и экономических показателей.
Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
- проанализировать влияние конструктивных мероприятий и факторов, влияющих на расходные характеристики основных элементов систем газообмена поршневых ДВС, направленных на улучшение их мощностных и экономических показателей;
- выполнить термогазодинамический анализ течения воздуха и «горячего» газа по проточным каналам поршневых ДВС для получения зависимостей, на базе которых разработать методику обработки данных статической продувки;
- создание стендов для статической продувки основных элементов газовоздушных трактов поршневых ДВС, позволяющих выполнить низконапорную, высоконапорную, «горячую» и динамическую продувки, а также стенды для проведения моторных испытаний с двигателями 6Ч15/18, 6ЧН15/18;
- выполнить экспериментальные исследования по выявлению влияния геометрических и газодинамических факторов на расходные характеристики впускных и выпускных каналов с клапанами ПДВС и по определению критического режима течения в выпускном канале с клапаном с помощью высоконапорной продувки воздухом;
- осуществить доводку конструкции впускных и выпускных каналов с клапанами с помощью гипсовых моделей, после чего изготовить усовершенствованные экспериментальные головки цилиндров двигателя 6Ч 15/18 в металле и провести их проверку на моторном стенде.
Объектом исследования являются газовоздушные тракты систем газообмена 4-тактных дизелей типа Ч 15/18, Ч 15/15, ЧН 15/18, Ч 13/14, ЧН 13/14 с верхнеклапанными механизмами газораспределения и газовоздушный тракт системы газообмена 2-тактного двигателя (ДК ДВС) с количественным способом изменения мощности и золотниковым механизмом газораспределения типа Д 7,2/6,0.
Предметом исследования явились закономерности изменения расходных характеристик газовоздушных трактов систем газообмена поршневых ДВС и закономерности влияния на расходные характеристики термогазодинамических процессов с газодинамическими потерями и внешним теплообменом.
Методы исследования. Для решения перечисленных задач и достижения поставленной цели в работе нашли применение теоретические методы, базирующиеся на основных положениях классической термодинамики и газодинамики, а также различные экспериментальные методы исследования, как хорошо известные апробированные на практике, так и специально разработанные для решения поставленных задач, методы математического моделирования с настройкой модели и привлечением экспериментальных данных, обобщение научной и специальной литературы. Работа носит теоретико-экспериментальный характер.
Обоснованность и достоверность результатов подтверждается применением комплекса современных методов исследования, подбором измерительной аппаратуры, её систематической поверкой и тарировкой, соблюдением требований соответствующих стандартов и руководящих документов на проведение испытаний. Научные положения и выводы подтверждены результатами, полученными в ходе натурных экспериментов.
Научная новизна и теоретическая значимость работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
- путём термогазодинамического анализа адиабатного и политропного процессов расширения рабочего тела показана возможность теоретического обоснования зависимостей для изменения энтропии , коэффициентов газодинамических потерь и расхода , а также критического отношения давлений с учетом аэродинамических потерь в канале;
- разработаны методики обработки результатов статической продувки впускных и выпускных каналов воздухом и «горячим» газом;
- предложен способ косвенного определения коэффициента расхода системы продувки двухтактного двигателя с использованием свойства аддитивности энтропии , позволяющий исключить непосредственное измерение давления в выходном сечении продувочных окон;
- предложен способ разделения энтропии и газодинамических потерь, характеризуемых коэффициентом , в адиабатном потоке на составляющие от механического и термического воздействия газодинамических сопротивлений на параметры потока;
- показана возможность более качественного профилирования выпускных и впускных каналов на малых и средних подъемах клапанов в процессе отработки проточных элементов 4-тактных ДВС с помощью гипсовых моделей.
Практическая ценность работы заключается:
- в использовании возможностей разработанных методик обработки результатов статических продувок для анализа и оценки газодинамической эффективности отдельных элементов систем газообмена в процессе их совершенствования и доводки при проведении опытно - конструкторских работ;
- в применении гипсовых моделей, которые позволяют уменьшить объем трудоемких и дорогостоящих работ по созданию основных элементов газовоздушных трактов и сократить время доводки двигателей в целом;
- в использовании армированных гипсовых стержневых ящиков, изготовленных по отработанным профилям впускных и выпускных каналов с помощью гипсовых моделей, при отливке развернутых головок цилиндров;
- в использовании метода статической продувки для экспресс контроля качества изготовления впускных и выпускных каналов с клапанами в процессе их производства и модернизации;
- показана возможность путём математического моделирования повышения мощностных и экономических показателей 4-тактного двигателя за счёт увеличения эффективных проходных сечений системы газообмена и повышения индикаторной мощности двухтактного двигателя за счёт снижения газодинамических потерь продувочно-выпускного тракта;
- в разработке метода разделения и ранжирования газодинамических потерь в продувочно-выпускном тракте двухтактного ПДВС.
- в отработке профилей каналов с улучшенными газодинамическими характеристиками на гипсовых моделях, защищенные авторским свидетельством СССР № 1145167. По полученным профилям изготовлены армированные гипсовые стержневые ящики, отлита, обработана и собрана опытная партия головок цилиндров, проведены испытания двигателей и разработана рабочая конструкторская документация.
Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты ОАО ХК «Барнаултрансмаш» и ОАО «ПО Алтайский моторный завод», а также по 2-тактному двигателю 3Д 7,2/6,0 - ООО КБ «Мотор» г. Бийск. Разработанные методы исследований и расчетов используются в учебном процессе и НИРС кафедры ДВС Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
- научной конференции, посвященной 40-летнему юбилею института г. Челябинск, ЧИМЭСХ, 1971г.;
- XXXII научной конференции, г. Омск, СибАДИ им. В.В.Куйбышева, 1972 г.;
- научной конференции «Исследование рабочих процессов ДВС», г. Ангарск, Ангарский филиал ИПИ, 1972 г.;
- 66-ом заседании Всесоюзного научно-технического семинара по комбинированным ДВС, г. Москва, МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1973 г.;
- научной конференции профессорского-преподавательского состава и научных работников института, г. Барнаул АПИ им. И.И.Ползунова, 1975 г.;
- Всесоюзных межотраслевых научно-технических семинарах «Тепловыделение, теплообмен и теплонапряженность ДВС, работа на неустановившихся режимах», г. Ленинград, ЛПИ им. М.И.Калинина, 1980, 1982 г.г.;
- Всесоюзном семинаре «Современные проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках», г. Москва, 1983 г.;
- отраслевом семинаре «Проблемы форсирования и надежности тракторных и комбайновых двигателей», г. Владимир, 1985 г.;
- Всесоюзном научно-техническом семинаре по ДВС, г. Москва, МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1987 г.;
- Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы двигателестроения», г. Владимир, 1987г.;
- Всесоюзном семинаре «Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей», г. Пушкин, 1989 г.;
- Всесоюзной конференции «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС» г. Владимир, 1989 г.;
- научно-практ. семинаре «Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС», г. Владимир, 1991 г.;
- международной научно-технической конференции «Совершенствование быстроходных ДВС», г. Барнаул, АлтГТУ, 1993, 1999 г.г.;
- международной конференции «Совершенствование автомобилей, тракторов и агрегатов», г. Барнаул, АлтГТУ, 2000 г.;
- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения», г.Челябинск, ЮУрГУ, 2003, 2006 г.г.;
- Всероссийской научно-практ. конференции «Проблемы энергоснабжения и энергобезопасности в Сибири», г. Барнаул, АлтГТУ, 2003г.;
- III семинаре ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике, г. Барнаул, АлтГТУ, 2003 г.;
- международной научно-техн. конференции «Современные технологические системы в машиностроении», г. Барнаул, АлтГТУ, 2003 г.;
- Всероссийской научно-практ. конференции с международным участием «Двигатели внутреннего сгорания – современные проблемы, перспективы развития», г. Барнаул, АлтГТУ, 2007 г.;
- XI Международной научно-практ. Конференции, - г.Владимир, ВГТУ, 2008 г.
- внутривузовских научно-практических конференциях и семинарах АлтГТУ, г. Барнаул, 1972-2007 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 64 печатных работах, из них 45 статей (9 в рекомендованных ВАК изданиях), 15 тезисов докладов, 2 учебных пособия, 2 авторских свидетельства.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 разделов, основных результатов и выводов, списка литературы из 219 наименований и приложения, содержит 365 страниц м.п.т., включая 1 таблицу и 164 рисунка.
Похожие диссертации на Совершенствование расходных характеристик газовоздушных трактов поршневых двигателей внутреннего сгорания
