Введение к работе
Актуальность проблемы. Задачи повышения удельной мощности, снижения расхода топлива, улучшения нагрузочных и скоростных характеристик современных двигателей внутреннего сгорания, продолжают являться самыми актуальными задачами для конструкторов и исследователей в области энергетического машиностроения. Эти задачи сопряжены с необходимостью форсирования двигателей: повышения среднего эффективного давления и быстроходности, поэтому высокая надежность и ресурс, топливная экономичность и экологические показатели являются основными критериями его качества. Форсирование дизелей приводит к увеличению термических и механических нагрузок на основные детали (поршень, гильза, головка цилиндра), играющих решающую роль в формировании их жизненного цикла в целом. Перегрев деталей в рабочем цикле форсированного дизеля сопровождается образованием температурных полей с ярко выраженной неравномерностью распределения температуры и, как результат, ростом термических напряжений при одновременном ухудшении механических свойств материала, образованием трещин и, наконец, разрушением детали.
Снижению тепловых нагрузок на основные детали можно добиться путем рациональной организации рабочего процесса, позволяющей использовать различные способы снижения интенсивности турбулентного теплообмена в камере сгорания (КС). Другой способ термической защиты термически нагруженных деталей– это применение теплоизолирующих (жаровых) накладок (вставок) из различных материалов с низкой теплопроводностью, что наряду с известными преимуществами может привести к ухудшению эффективных и экологических характеристик дизеля.
Решение одновременно двух проблем, какими являются улучшение эффективных и экологических характеристик дизелей (работающих как на традиционном, так и на альтернативном топливе), и снижение тепловых нагрузок на их основные детали, имеет научное и практическое значение. Это особенно важно, если учесть, что в настоящее время уже разрабатываются сверхфорсированные дизели с максимальным давлением цикла рz=250 бар, а также с давлением впрыскивания рвпр=3 000 бар.
Цель работы. Основной целью диссертационной работы является разработка методов улучшения эффективности и экологичности транспортных дизелей, снижения тепловых нагрузок на его основные детали.
Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решать следующие основные задачи, тесно связанные между собой:
-
Разработка комплексного инструмента в виде математических моделей рабочего процесса, образования оксидов азота, теплообмена и теплового состояния деталей, реализация которых предусматривает применение современных численных методов и компьютерных технологии, использование эффективных программных продуктов, в том числе и коммерческих.
-
Исследование роли вихревого движения заряда, генерируемого впускной системой, на интенсивность теплообмена в цилиндре дизеля.
-
Создание экспериментальной установки (физической модели) для исследования теплоизолирующего воздействия слоя нагара (сажи), образованного на тепловоспринимающих поверхностях основных деталей двигателя в результате гетерогенного сгорания.
-
Исследование на натурном двигателе в стендовых условиях теплоизолирующего воздействия слоя сажи на нестационарный локальный теплообмен в КС. Верификация разработанной модели.
-
Исследование влияния конструкции КС и уровня турбулентности в цилиндре на интенсивность теплообмена и образования оксидов азота в целях определения оптимальной формы КСдизеля, использующего как традиционное, так и альтернативное топливо.
-
Разработка составных конструкции деталей двигателя с теплоизолирующими накладками и проведение расчетно-экспериментальных исследований их теплонапряженного состояния.
-
Исследование влияния теплоизоляции КС на эффективные и токсичные характеристики двигателя. Определение основных регулируемых и конструктивных параметров, оптимальное сочетание которых одновременно с уменьшением отвода теплоты от рабочего тела обеспечивает оптимальное соотношение gi-[NOx].
Поставленные задачи в совокупности составляют крупную научно-техническую проблему, имеющую важное промышленное и экономическое значение, поскольку ее решение позволяет повысить научно-технический уровень и сократить сроки и затраты на разработке новых, перспективных дизелей и доводке существующих, сделать разработанную продукцию конкурентно-способной.
Научная новизна работы заключается в том, что:
-разработаны научные основы и осуществлен комплекс мероприятий для снижения тепловых нагрузок в быстроходном дизеле при одновременном улучшении его эффективных и экологических характеристик;
- разработан оригинальный расчетно-экспериментальный метод определения локальной температуры на поверхности слоя нагара и его локальной толщины;
- осуществлена оценка влияние естественных и искусственных теплоизоляторов на теплообмен в камере сгорания дизеля, а также влияние теплоизоляции на образование оксидов азота;
- разработаны трехмерные модели для исследования теплонапряженного состояния базовой гильзы и гильзы с теплоизолятором, базового поршня, поршня с керамической вставкой и поршня с керамической вставкой и с дополнительным чугунным кольцом;
- исследован эффект снижения интенсивности теплообмена между вращающегося зарядом и поверхностью КС как средство тепловой защиты деталей двигателя;
- Исследована возможность улучшения экономических и экологических характеристик дизеля и снижения тепловых нагрузок в КС путем выбора оптимальной формы КС, определяющей уровень турбулентности в цилиндре дизеля, конвертированного в газовый двигатель;
- установлено, что причиной выхода из строя составных гильз и поршней, кроме различия между коэффициентами теплового расширения материалов, является возникновение импульсов градиента температуры в области контакта;
-определен ряд основных регулируемых и конструктивных параметров, оптимальное сочетание которых одновременно с уменьшением отвода теплоты от рабочего тела обеспечивает оптимальное соотношение удельного расхода топлива и [NOx].
Достоверность и обоснованность научных результатов определяются:
- использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена и химической кинетики, соответствующими этим законам уравнениями и граничными условиями, современных аналитических и численных методов реализации математических моделей, хорошо апробированных программных продуктов, в том числе и коммерческих;
- применением при моделировании теплонапряженного состояния базовых и опытных конструкций поршней результатов измерения локальных температур, полученных автором с помощью датчиков ИМТК;
- применением при обосновании разработанных математических моделей рабочего процесса дизеля с непосредственным впрыскиванием опытных данных, полученных автором на специальной экспериментальной установке для индицирования и исследования внутрицилиндровых процессов в широком диапазоне изменения нагрузочных и скоростных режимов;
- использованием опытных данных в качестве граничных условий и исходных данных при численных исследованиях теплонапряженного состояния, тепловыделения и образования оксидов азота;
- использованием достоверных результатов исследований, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ВНИИГАЗ, СПбГПУ, Мюнхенском техническом университете, ТАДИ, на фирмах Cummins, AVL и др.;
- экспериментальным подтверждением адекватности разработанных математических моделей рабочего процесса и теплонапряженного состояния деталей дизеля путем использования замеренных локальных температур поршня, концентраций оксидов азота и снятых индикаторных диаграмм при различных условиях организации внутрицилиндрового процесса;
Значимость работы для науки и практики состоит в том, что:
- разработанные научные основы и осуществленный на их базе комплекс мероприятий представляют собой инструмент, имеющий практическое значение для оценки возможностей и перспектив дизелей традиционной схемы, а также дизелей конвертированных в газовый двигатель, и дизелей с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела;
-разработаны алгоритмы и программы, позволяющие реализовать математические модели и с достаточной для практики точностью решать задачи проектирования, доводки и модернизации как серийных, так и перспективных дизелей традиционных и нетрадиционных схем и конструкции.
-решение ряда теоретических, методологических, и экспериментальных вопросов исследования рабочего процесса, теплонапряженного состояния деталей и экологических характеристик позволяют сократить сроки выполнения и материальные затраты на проектирование, испытание и доводку дизелей с уменьшенными тепловыми нагрузками;
- Результаты диссертационной работы используются в ООО «ЗМЗ», ВНИИГАЗ, а также в учебном процессе в МГТУ им Н.Э. Баумана. Они также готовы к внедрению на других предприятиях.
Апробация работы.Основные положения диссертации докладывались на:
- Научно- технической конференции, посвященной 70-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок «ДВС двадцать первого века»(С.-Петербург, 2000 г.);
- Межвузовской научной конференции «XXX юбилейная неделя науки СПбГТУ»
(Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2002 г.)
- третьей Всероссийской национальной конференции по теплообмену (Москва,МЭИ 2002 г.);
- международном симпозиуме «Образование через науку», посвященном 175-летию МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005 г.)
- четвертой Российской национальной конференция по теплообмену (Москва, МЭИ 2006 г.);
- международной конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, -2007 г.);
- XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», (Владимир, Владимирский государственный университет, 2008 г.);
- пятой Российской национальной конференция по теплообмену (Москва, МЭИ 2010 г.);
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 18 научных работах, из них 10 – в изданиях, входящих в перечень ВАК для докторских диссертаций по данному направлению. Также выпущены 10 отчетов по госбюджетным и хоздоговорным темам МГТУ им Н.Э. Баумана за 1999- 2012 гг.
Автор защищает:
-результаты определения теплового состояния деталей двигателя, индицирования и исследования рабочего процесса базового и опытных дизелей, полученные опытным путем на специальных установках;
-экспериментально обоснованные математические модели рабочего процесса, теплообмена в КС, теплового состояния деталей, позволяющие определить:
- локальные нестационарные температуры рабочего тела в цилиндре и
локальные и суммарные концентрации оксидов в азота в продуктах
сгорания;
- температурные поля базовых и опытных (составных) конструкций поршня
и гильзы;
- тепловыделение в процессе сгорания;
- влияние закрутки заряда на теплообмен в цилиндре двигателя;
- эффективные и экологические параметры дизеля, конвертируемого на
природный газ;
- методы компьютерной реализации этих моделей и результаты, полученные на основе этих методов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, в том числе заключения (основных выводов) и приложений. Она содержит 254 страниц машинописного текста, 87 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 193 источников, из них 98 на английском и немецком языках.
Значительная часть работ по диссертации была выполнена в рамкаххоздоговорных работ с ООО «ЗМЗ» (2004 г.) и ВНИИГАЗ (2006 г.); грантов РФФИ- №05-08-01311, №08-08-00348 и №09-08-00279; грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых ученных за 2005-2006 гг. МК-2859.2005.8 и за 2009-2010 гг. МК-886.2009.8; Государственных контрактов №02.516.11.6131 от 28.09.2007 г., №02.516.11.6087 от 05.06.2007 г. и № 16.740.11.0065 от 01.09.2010 г.
