Совершенствование расходных характеристик газовоздушных трактов поршневых двигателей внутреннего сгорания

Для оценки возможностей совершенствования системы газообмена при определении основных направлений по улучшению показателей дизелей проведены расчетные исследования влияния изменения эффективных проходных сечений каналов впуска и выпуска одновременно на показатели дизеля 6ЧН15/18 (фазы газораспределения при этом оставались неизменными). Кроме этого принято, что увеличение происходит пропорционально на всех подъемах клапанов, начальное значение принятого получено с помощью статической продувки. Расчет производился для режима с постоянной цикловой подачей топлива соответствующей =0,95 МПа на номинальной частоте вращения n=1500 мин^-1.

На графике (рисунок 18) отражено влияние эффективных проходных сечений каналов впуска и выпуска на показатели дизеля 6ЧН 15/18 при n=1500 мин^-1 и =0,95 МПа, где - удельный индикаторный расход топлива; - удельный индикаторный расход топлива с учетом насосных потерь; - цикловое наполнение цилиндров воздухом; , -цикловой расход воздуха забрасываемого во впускной коллектор и расходуемого на продувку, выраженные в процентах; - коэффициент избытка воздуха; - температура отработавших газов перед турбиной; - давление насосных потерь.

При одновременном изменении эффективных проходных сечений , каналов впуска и выпуска получены следующие результаты: расход воздуха и, следовательно, в исследуемом диапазоне увеличиваются, однако заметного изменения не происходит, это связано с тем, что общий уровень б достаточно высок (=1,931,98) и прирост компенсируется потерями в индикаторном процессе в период предварения выпуска; изменение экономичности зависит в основном от изменения , которое может быть представлено степенной зависимостью от изменения .

Из приведенного краткого анализа следует, что увеличение каналов двигателя 6ЧН 15/18 на 20% следует признать целесообразным.

Для уменьшения потерь на выпуске, которые в большей мере определяют уровень , особенно при низком значении необходима оптимизация фазы предварения выпуска. Что касается фаз впуска, то их оптимизацией можно достичь улучшения наполнения цилиндров.

Расчетные исследования с помощью математической модели проведены с целью оценки влияния параметров и расходных характеристик органов газообмена на индикаторные показатели 2-тактного двигателя 3Д 7,2/6,0. В исходных данных использовались параметры, определенные экспериментальным путем. Расчет проводился для номинальной частоты вращения n=5000 мин^-1. При моделировании варьировался один из параметров в предположении, что все остальные остаются неизменными.

В результате математического моделирования проведена оценка влияния на индикаторные показатели 2-тактного двигателя 3Д 7,2/6,0 следующих его параметров и систем: продувочных и выпускных окон, а также системы впуска и противодавления на выпуске.

В качестве примера можно привести график (рисунок 20) расчетного влияния коэффициента расхода системы впуска на показатели двигателя 3Д 7,2/6,0 при n=5000 мин^-1, где - индикаторная мощность двигателя; - удельный индикаторный расход топлива; - коэффициент наполнения цилиндра; - индикаторный к.п.д. двигателя; - коэффициент продувки; - коэффициент остаточных газов; - коэффициент послойного вытеснения продуктов сгорания.

Оценка влияния системы впуска на индикаторные показатели двигателя проводилась путем изменения ее коэффициента расхода =0,31,0, что соответствует изменению эффективного проходного сечения =0,3411,33 см². Противодавление на выпуске оставалось постоянным 110 кПа. Первоначально коэффициент послойного вытеснения был принят =0,32.

Увеличение эффективного проходного сечения системы впуска способствует росту наполнения кривошипной камеры свежим зарядом (рисунок 20). Из графика видно, что при достижении коэффициентом расхода своего максимального значения =1,0, наполнение кривошипной камеры не превышает =0,91. Основной причиной, сдерживающей рост в данном случае, является повышенное давление на впуске. Коэффициент остаточных газов при этом снижается с =0,23 до =0,14, а наполнение цилиндра возрастает на 16% - =0,470,56. С повышением заряда цилиндра мощность двигателя возрастает на 17% =28,734,6 кВт, но экономичность снижается на 11%. Увеличение удельного расхода топлива =404 г/кВт·ч связано с ростом прямых потерь смеси при продувке. Повышение среднего давления продувки приводит к возрастанию коэффициента продувки практически на 13% =1,421,63 и снижению индикаторного к.п.д. двигателя =0,20,18.

Допуская возможность увеличения продолжительности послойного вытеснения продуктов сгорания с ростом наполнения кривошипной камеры, был проведен расчет при =0,48. Результаты моделирования указывают на значительное влияние продолжительности послойного вытеснения на индикаторные показатели. С увеличением происходит как изменение абсолютных значений показателей двигателя, так и характера их зависимости от . При изменении =0,320,48 удельный индикаторный расход топлива снизился в среднем на 20%, а динамика роста при =0,31,0 составила 2,6% (рисунок 20). В целом одновременное увеличение эффективного проходного сечения системы впуска до =11,33 см² и продолжительности послойного вытеснения до _.=0,48 позволяет: на 28% повысить наполнение цилиндра и увеличить мощность до =41 кВт, снизить прямые потери топлива при продувке на 13% и повысить кпд цикла на 3%.

Анализ влияния расходных характеристик органов газообмена на индикаторные показатели двигателя 3Д 7,2/6,0 позволяет сказать, что наиболее значительное влияние на индикаторные показатели оказывает система впуска при продолжительности послойного вытеснения _.=0,32, которая позволяет повысить коэффициент наполнения и увеличить индикаторную мощность. Вместе с тем, это приводит к росту потерь свежего заряда и повышению удельного расхода топлива. Увеличение продолжительности послойного вытеснения продуктов сгорания до _.=0,48 позволяет значительно повысить качество процесса газообмена.

Основные результаты и выводы

1. Проведен термогазодинамический анализ адиабатного и политропного процессов расширения рабочего тела в открытой системе без совершения внешней работы, для уточнения физической сущности процесса течения и получения более достоверной информации об изменении параметров состояния в потоке.

2. Получены и обоснованы теоретические зависимости изменения энтропии ДS, коэффициентов газодинамических потерь и расхода , а также критического отношения давлений от параметров рабочего тела, аэродинамических потерь и внешнего теплообмена.

3. Разработаны методики обработки результатов статической продувки проточных элементов газовоздушных трактов поршневых ДВС, позволяющие получить данные для сравнительного анализа аэродинамической эффективности отдельных элементов систем газообмена.

4. Предложен способ косвенного определения коэффициентов расхода системы продувки 2-тактного двигателя, использующий свойства аддитивности энтропии и позволяющий исключить непосредственное измерение давления в выходном сечении продувочных окон.

5. Установлено по результатам высоконапорной статической продувки воздухом выпускного канала с клапаном, что критическое отношение давлений в выходном сечении потока зависит от газодинамических сопротивлений, находящихся в канале, по которому движется поток, и должно определяться с их учетом.

6. Путём статической продувки гипсовых моделей основных элементов системы газообмена получены экспериментальные данные об их газодинамической эффективности, в результате впускных каналов увеличилось на 27 %, а выпускных - на 25 %.

7. Установлено с помощью расчёта на математических моделях, разработанных для поршневых ДВС, что расходные характеристики основных элементов газовоздушных трактов серьёзно влияют на эффективные показатели двигателя, но в связи с тем что есть резервы их улучшения до 20% за счёт увеличения впускных и выпускных систем; что имеется целесообразность в увеличении «градус-сечения» дизелей с наддувом, оборудованных 2-клапанными головками, за счёт увеличения фазы выпуска до 7080є п.к.в. до НМТ; что снижение аэродинамического сопротивления на впуске 2-тактного ДВС в 2 раза, позволит на 20% повысить наполнение кривошипной камеры и на 15% увеличить индикаторную мощность.

8. Показана возможность при использовании гипсовых моделей в процессе отработки впускных и выпускных систем более тщательного профилирования проточных частей на малых и средних подъемах клапанов, что позволит улучшить расходные характеристики двигателей в целом при одновременном снижении насосных потерь на 56 кПа.

9. Проведена оценка эффективности мероприятий по совершенствованию расходных характеристик систем газообмена 4-тактных ДВС на моторных установках, в результате чего при 100% нагрузке экономичность дизеля улучшилась на =5,0 г/(кВт·ч), а на 50% нагрузке - на =10,0 г/(кВт·ч).

Основные положения работы отражены в следующих публикациях

а) в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Нечаев Л.В. Исследование пропускной способности 4-х тактного дизеля в период перекрытия клётанов /Л.В. Нечаев, А.А. Балашов, Т.Ф. Стребкова, В.П. ГIятков// Изв. вузов. Машиностроение. - 1975. - №4. - С. 94-98.

2. Балашов А.А. Снижение аэродинамических потерь в газовоздушном тракте лодочного мотора - важнейший фактор увеличения мощности и улучшения экологических качеств / А.А. Балашов, В.А. Синицин, Е.А. Герман, А.Г. Кузьмин// Исследование, моделирование и управление в технических системах и природной среде. Ползуновский вестник. - 2003. - №1 --2. - С. 38-41.

3. Балашов А.А. Определение параметров адиабатного процесса расширения газа в потоке /А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин, Е.А. Герман, Е.М. Калюжный// Двигатели внутреннего сгорания - современные проблемы, перспективы развития. Ползуновский вестник. - 2006. - №4. - С. 19-22.

4. Балашов А.А. Расчётно-экспериментальный метод определения коэффициента расхода продувочных окон двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой / А.А. Балашов, Е.А. Герман, А.Г. Кузьмин// Ползуновский вестник. - 2006. - №4. - С. 48-53.

5. Балашов А.А. Газодинамические потери в адиабатных потоках поршневых двигателей /А.А. Балашов// Ползуновский вестник. - 2007. - №4. - С. 18-23.

6. Балашов А.А. Газодинамические потери в политропных потоках поршневых двигателей /А.А. Балашов// Ползуновский вестник. - 2007. - №4. - С. 24-28.

7. Балашов А.А. Изменение энтропии и газодинамических потерь в элементах системы газообмена поршневых ДВС./ А.А. Балашов, И.А. Карпов, Р.А. Вебер // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего востока. Научный журнал. - 2008. - №1. - С. 202-204.

8. Балашов А.А. Определение показателей изменения параметров газа в проточных каналах поршневых ДВС /А.А. Балашов, Р.А. Вебер, И.А. Карпов// Ползуновский вестник. - 2008. - №4. - С. 57-62.

9. Балашов А.А. Характер изменения энтропии и коэффициентов расхода в каналах газовоздушных трактов поршневых ДВС / А.А. Балашов, Р.А. Вебер, И.А. Карпов// Ползуновский вестник. - 2008. - №4. - С. 63-68.

б) авторские свидетельства:

10. А.с. №1145167 СССР. Голова цилиндров двигателя внутреннего сгорания /Г.В. Пыжанкин, А.А. Балашов, Л.В. Нечаев, М.В. Бояркин, А.М. Глущенко, Б.В. Сопов (СССР). - Заявл.19.07.82; Опубл. 15.03.85, Бюл. №10-3С.

11. А.С. №1643753 СССР. Выпускная система двигателя внутреннего сгорания /Г.В. Пыжанкин, А.А. Балашов, В.П. Пятков, В.Т. Толстов (СССР). - №4650838/06; Заявл.15.02.89; Опубл. 23.04.91, Бюл. №15-3 с.

в) в сборниках научных трудов, материалах международных конференций и других изданиях:

12. Балашов А.А. Расчетное определение проходного сечения клапанов 4-х тактных дизелей в период продувки /А.А. Балашов, Л.В. Нечаев// Исследование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания: сб. статей. - Ангарск, 1972. - С. 53-56.

13. Балашов А.А. К вопросу о методике исследования гидравлических (расходных) характеристик четырехтактного турбопоршневого двигателя /А.А. Балашов, Л.В. Нечаев// Исследование и совершенствование рабочего процесса, систем турбонаддува дизелей: тр. Алт. политехн. ин-та. - Барнаул, 1972. - Вып. 22. - С. 142-145.

14. Балашов А.А. Экспериментальное определение коэффициента расхода впускных клапанов дизелей АМЗ/ П.Ф. Ефремов, Л.В. Нечаев, А.А. Балашов, Л.В. Еременко// Исследования и совершенствование рабочего процесса, систем турбонаддува дизелей: тр. Алт. политехн. ин-та. - Барнаул, 1972. - Вып. 22. - С. 149-155.

15. Балашов А.А. Результаты статической и динамической продувки головки дизеля 3Д6 /А.А. Балашов, Л.В. Нечаев// Судовые силовые установки и механизмы: тр. НИИВТа. - Новосибирск, 1973. - Вып. 84. - С. 62-66.

16. Балашов А.А. Графоаналитическое определение эффективности использования «время-сечения» впускных клапанов турбопоршневого двигателя с учетом продолжительности обратных выбросов /А.А. Балашов, Л.В. Нечаев// Исследование рабочего процесса, динамики и систем наддува транспортных дизелей: тр. Алт. политехн. ин-та. - Барнаул, 1975. - Вып. 47. - С. 68-75.

17. Балашов А.А. К методике расчета коэффициентов расхода выпускных систем 4-х тактных дизелей по результатам статической продувки «холодным» и «горячим» газом /Г.М. Савельев, А.А. Балашов, М.П. Лоцманов// Исследование и совершенствование быстроходных дизелей: межвузовский сб. - Барнаул, 1978. - Вып. 1. - С. 132-146.

18. Балашов А.А. Уточненная методика статической продувки воздухом выпускных каналов дизелей /А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин, Г.М. Савельев// Актуальные проблемы двигателестроения: тезисы Всесоюзной науч. конф. - Владимир, 1987. - С. 185-188.

19. Балашов А.А. Методика разделения энергетических потерь в системах газообмена ДВС /А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин// Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: тезисы Всесоюзного научно- практ. семинара. - Владимир, 1989. - С. 46-48.

20. Балашов А.А. Возможность совершенствования показателей рабочего процесса двухтактного карбюраторного двигателя стабилизацией процесса сгорания /А.А. Балашов, Д.Д. Матиевский, А.Г. Кузьмин// Тезисы Всесоюзного науч.-практ. семинара. - Владимир, 1989. - С. 16-18.

21. Балашов А.А. Методика разделения газодинамических потерь в выпускных каналах двигателей /А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин// Тезисы постоянно действующего семинара. - Барнаул, 1990. - С. 39-40.

22. Балашов А.А. Анализ направлений повышения мощностных и экономических показателей двухтактного карбюраторного двигателя /А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин, В.А. Синицин// Тезисы докладов международной науч.-практ. конф. - Барнаул, 1993. - С. 55-56.

23. Балашов А.А. Методика расчета процесса газообмена двухтактного карбюраторного двигателя /Е.А. Герман, А.А. Балашов// Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС: тезисы докладов. - Владимир, 1995. - С. 42-43.

24. Балашов А.А. Проблемы и результаты модификации конструкции малоразмерных ДК ДВС для средств малой механизации/ В.А. Синицин, А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин, Е.А. Герман// Математическое моделирование и исследование процессов ДВС: уч. пособие. - Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997. - 10 с.

25. Балашов А.А. Статическая продувка газовоздушного тракта двухтактного лодочного мотора «Бийск-45» /А.А. Балашов, Е.А. Герман, В.А. Синицин, А.Г. Кузьмин// Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: материалы IХ международной науч.-практ. конф. - Владимир, 2003. - С. 48-53.

26. Балашов А.А. Газодинамические потери во впускных и выпускных каналах ДВС /А.А. Балашов// III семинар вузов Сибири и дальнего востока по теплофизике и теплоэнергетике: тезисы докладов. - Барнаул -- Новосибирск: изд-во ИТ СО РАН, 2003. - С. 25-26.

27. Балашов А.А. Статическая продувка газовоздушного тракта двухтактного лодочного двигателя «Бийск-45» /Е.А. Герман, А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин// III семинар вузов Сибири и дальнего востока по теплофизике и теплоэнергетике: тезисы докладов. - Барнаул -- Новосибирск: изд-во ИТ СО РАН, 2003. - С. 16-17.

28. Балашов А.А. Методика обработки результатов статической продувки каналов двигателя /А.А. Балашов, Е.А. Герман// Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей под ред. д.т.н., профессора, академика РАТ А.А. Новоселова; Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И.Ползунова. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2004. - С. 62-67.

29. Балашов А.А. Стендовые испытания подвесного лодочного мотора «Бийск-45» /Е.А. Герман, А.В. Шашев, А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин// Повышение экологической безопасности автотранспортной техники: сб. статей РАТ. - Барнаул, 2005. - С. 70-84.

30. Балашов А.А. Расчетно-эксперементальный метод определения коэффициента расхода продувочных окон двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой /Е.А. Герман, А.А. Балашов, А.Г. Кузьмин// Ползуновский альманах. - 2005. - №4. - С. 157-162.

31. Балашов А.А. Статическая продувка выпускной системы ДВС /А.А. Балашов, Е.А. Герман, А.Г. Кузьмин, Е.М. Калюжный// Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроения: тр. международной науч.-практ. конф. - Челябинск, 2006. - С. 35-39.

32. Балашов А.А. Направления повышения топливной экономичности и эффективности использования теплоты поршневых ДВС, работающих в составе энергетических установок / А.А. Балашов, И.А. Карпов, Е.А. Герман// Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием /Под ред. Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова.- Барнаул, 2007. - С. 66-67.

33. Балашов А.А. Политропное течение газа с газодинамическими потерями и внешним теплообменом по выпускным каналам ДВС/А.А. Балашов// Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием /Под ред. Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул, 2007. - С. 90-92.

34. Балашов А.А. Адиабатное течение газа с газодинамическими потерями в проточных каналах ДВС/А.А. Балашов// Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием /Под ред. Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина; Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул, 2007. - С. 92-96.

35. Балашов А.А. Адиабатное течение с потерями по каналам поршневых ДВС/ А.А. Балашов, И.А. Карпов, Р.А. Вебер// Фундаментальные прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф./ Владим. гос. ун-т. - Владимир, 2008. - С. 146-150.

36. Балашов А.А. Определение газодинамических потерь и изменение энтропии в трактах газообмена поршневых ДВС/ А.А. Балашов, И.А. Карпов, Р.А. Вебер// Фундаментальные прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: материалы XI Междунар. науч.-практ. конф./ Владим. гос. ун-т. - Владимир, 2008. - С. 150-155.

Размещено на Allbest.ru