Применение ресивера – накопителя воздуха высокого давления в системе наддува автомобильных двигателей внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Применение ресивера - накопителя воздуха высокого давления в системе наддува автомобильных двигателей внутреннего сгорания

Чернов Владимир Владимирович

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

Казань - 2007

Работа выполнена в Камской государственной инженерно-экономической академии

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Дмитриев Сергей Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Абдуллин Айрат Лесталевич

кандидат физико-математических наук

Проккоев Виктор Васильевич

Ведущая организация: ОАО КПП «Авиамотор»

Защита состоится «10» октября 2007 г. в 10.00 ч на заседании диссертационного совета Д212.079.02 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул.К.Маркса, 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Автореферат разослан «07» сентября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблемы экологии и экономии энергоресурсов являются сегодня актуальными во многих странах. А так как одним из основных загрязнителей окружающей среды является автомобильный транспорт, то решение экологических проблем сводится к конструктивным доработкам автомобильных двигателей внутреннего сгорания (АДВС), целью которых является уменьшение расхода топлива и уменьшение токсичности выхлопа.

С целью снижения расхода топлива разработаны электронные системы регулирования расхода. Для уменьшения токсичности двигателей работы ведутся в направлении совершенствования процессов смесеобразования топливо - воздушного заряда и его горения.

Одним из радикальных решений проблем экологии и экономии являются разработки в области гибридных силовых установок транспортных средств, в которых совмещаются электромотор и АДВС. Электромотор используется при старте и движении на малых скоростях.

Использование гибридных силовых установок позволяет существенно улучшить экологические характеристики автомобиля в городе, где актуальным является движение на малых скоростях и с частыми остановками. При загородном цикле электромотор фактически работает как генератор электроэнергии для её накопления в электрическом аккумуляторе.

Другим способом аккумулирования энергии может служить пневматический аккумулятор в виде ресивера-накопителя воздуха высокого давления (РНВВД). Однако, до сих пор систематически не разработаны схемы гибридных силовых установок с пневматическим аккумулятором энергии. В связи с этим работа является актуальной.

Цели и задачи. Целью настоящей работы является совершенствование рабочего цикла и эксплуатационных характеристик АДВС за счёт применения РНВВД в системе наддува, разработка методики теплового расчёта АДВС с использованием РНВВД в системе наддува, разработка способа эффективного наполнения РНВВД. Для реализации поставленных целей необходимо решить следующие основные задачи:

· Исследовать эффективность способов подачи сжатого воздуха в РНВВД и цилиндр АДВС;

· Разработать математическую модель и методику расчёта процесса наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД;

· Создать экспериментальную установку для исследования процессов наполнения и опорожнения емкостей воздуха в системе наддува с РНВВД;

· Провести экспериментальные исследования процесса наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД;

· Провести сравнительные расчётные исследования дизельного двигателя, дизельного двигателя с турбонаддувом, дизельного двигателя с надувом из РНВВД, дизельного двигателя с надувом из РНВВД и турбонаддувом;

· Обосновать параметры АДВС, в котором может быть реализован предлагаемый способ наддува.

Научная новизна:

· Предложен способ наддува АДВС с использованием РНВВД в системе наддува в процессе регулярной работы двигателя, позволяющий реализовать гибридные циклы работы силовой установки автомобиля без преобразования энергии в электрическую форму;

· Разработана методика расчёта процесса наддува воздуха в цилиндр АДВС из РНВВД (методом конечных разностей);

· Разработан способ эффективного наполнения РНВВД с использованием многоступенчатого компрессора;

· Разработан способ измерения переменных объёмов в процессах наполнения и опорожнения РНВВД с двухфазными рабочими средами (методом взвешивания).

Предмет исследования. Предметом исследования является процесс наддува АДВС с использованием РНВВД.

Объект исследования. Объектами исследования являются термодинамические параметры рабочего тела в цилиндре АДВС и РНВВД, процессы наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД, индикаторные характеристики АДВС с различными способами организации наддува.

Методы исследования. В основу исследования положена математическая модель процесса наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД, которая реализована на языке программирования высокого уровня Microsoft Visual Basic 6.36. Использованы также методы статистической обработки результатов измерений, методы теории ошибок измерения. Экспериментальные исследования термодинамических и гидравлических процессов в системе наддува и цилиндрах АДВС.

Достоверность результатов. Обусловлена использованием широко апробированных математических методов моделирования и обработки экспериментальных данных, использованием сертифицированных измерительных приборов и аттестованных экспериментальных установок.

Научная ценность работы. Заключается в разработке методики расчёта процесса наполнения цилиндра ДВС воздухом из РНВВД, учитывающей изменение теплотехнических характеристик рабочего тела - воздуха и продуктов сгорания при изменении их температуры в процессах смешения газов и термодинамических процессов.

Практическая ценность работы. Заключается в возможности повышения удельных мощностных характеристик АДВС и снижения массы основной силовой установки за счёт перевода её в режим гибридного использования АДВС совместно с РНВВД.

На защиту выносятся следующие положения:

· способы наддува АДВС с использованием РНВВД в процессе регулярной работы двигателя на транспортном средстве;

· методика расчёта процесса наддува воздуха в цилиндр АДВС из РНВВД;

· способ эффективного наполнения РНВВД с использованием многоступенчатого компрессора;

· способ измерения переменных объёмов в процессах наполнения и опорожнения РНВВД при наличии двухфазных рабочих сред (методом взвешивания);

· результаты расчётных исследований математической модели процессов наддува цилиндра АДВС с использованием РНВВД;

· результаты экспериментальных исследований процессов наполнения и опорожнения ёмкостей, перепуска воздуха в системе наддува двигателя с РНВВД.

Апробация. Результаты работы и её отдельные положения были обсуждены:

· на кафедре ДВС Камской инженерно - экономической академии в г. Набережные Челны, 2007г.

· на кафедре ТОТ Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева в г.Казань, 2007г.

· на межвузовской научно - практической конференции, посвящённой 25-летию Камского государственного политехнического института «Вузовская наука - России», г. Набережные Челны, 2005г.

· на международной конференции, посвящённой 10-летию образования Международного информационно - экологического парламента «Глобальные проблемы экологизации в Европейском сообществе», г. Казань, 2006г.

· в ОАО КПП «Авиамотор» на совещании в отделе перспективных разработок, г.Казань, 17.11.2004г.

Реализация результатов работы. Результаты работы приняты к использованию:

· в НТЦ ОАО «Камаз», г. Набережные Челны, для проектных работ по АДВС семейства «Камаз»;

· в КП ОАО «Авиамотор» для исследований, связанных с созданием гибридной силовой установки автомобиля;

· в учебный процесс кафедры ДВС Камской инженерно - экономической академии по специальности 05.04.02 «Тепловые двигатели»;

· в учебный процесс Марийского государственного технического университета по специальности 19.06.03 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в лесном комплексе)», 15.04.05 «Машины и оборудование лесного комплекса»;

· в учебный процесс КГТУ им. А.Н. Туполева по специальности 05.04.02 «Тепловые двигатели».

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3-х статьях, в том числе одна публикация выполнена в журнале «Известия вузов. Проблемы энергетики», г. Казань, включённом в список ВАК для публикаций по диссертациям на соискание учёной степени доктора наук по специальности 05.04.02.

Личный вклад автора. Лично автором диссертации разработаны:

· методика расчёта процесса наддува воздуха в цилиндр АДВС из РНВВД;

· способ эффективного наполнения РНВВД с использованием многоступенчатого компрессора;

· способ измерения переменных объёмов в процессах наполнения и опорожнения РНВВД (методом взвешивания) при наличии двух фазных рабочих сред;

· экспериментальная установка для модельных исследований процессов наполнения и опорожнения ёмкостей, перепуска воздуха в системе наддува АДВС с РНВВД;

· выполнены экспериментальные исследования процессов наполнения и опорожнения пневматической ёмкости и обработка их результатов.

Состав и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 104 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, список литературы из 66 наименований. Приложения представлены на 22 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ресивер двигатель внутренний сгорание

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая полезность работы.

В первой главе рассмотрен стандартный тепловой расчёт цикла дизельного АДВС. Данный тепловой расчёт не позволяет использовать его при расчёте теплофизических параметров газа в цикле АДВС с подачей надувного воздуха из ресивера-накопителя воздуха высокого давления (РНВВД), так как в известных тепловых расчётах не рассматриваются процессы подачи воздуха в цилиндр АДВС в процессах сжатия, горения и расширения.

Проведён анализ известных способов наддува, применяемых в АДВС: наддув турбонагнетателем; механический наддув; наддув нагнетателем с посторонним приводом; наддув с волновыми обменниками давления; наддув за счёт колебания газового потока. Отмечены достоинства и недостатки каждого из перечисленных методов наддува. Основным недостатком известных способов является невозможность обеспечения расчётной цикловой подачи воздуха во всём диапазоне скоростных и нагрузочных режимов, а также недостатком многих систем является снижение КПД двигателя из-за того, что часть мощности с коленчатого вала снимается для обеспечения работы нагнетателя в том числе и тогда когда нужна максимальная мощность на обеспечение полезной нагрузки. При использовании РНВВД мощность развиваемая рабочим цилиндром может быть полностью подана на нагрузочный вал в любой необходимый момент.

Проведён анализ возможных способов наполнения РНВВД. Может быть использованы как стационарные станции зарядки РНВВД сжатым воздухом, так и компрессионная машина установленная непосредственно в автомобиле.

Основными достоинствами первого способа (наполнение РНВВД сжатым воздухом от внешней стационарной компрессионной машины) являются: отсутствие затрат мощностей АДВС на накачку РНВВД, уменьшение относительной массы силовой установки так как нет необходимости устанавливать компрессионную машину в АДВС. Однако в этом случае появляется необходимость создание инфраструктуры в виде сети стационарных станций заправки сжатым воздухом.

Во втором случае, когда к АДВС добавляется мобильная компрессионная установка для накачки РНВВД, необходимость в дозаправке сжатым воздухом на стационарных заправочных станциях отпадает, так как наполнение и поддержание заданного, расчётного давления происходит в автоматическом режиме во время работы АДВС при пониженных уровнях полезной нагрузки.

В качестве автомобильной компрессионной установки могут быть использованы как объемные, так и центробежные компрессоры. Требования к мобильным компрессорам заключаются в возможности подавать воздух в ресивер под высоким давлением и с высокой производительностью.

При потребности в больших производительностях преимущество имеют машины динамического действия, т. е. осевые и центробежные компрессоры.

Для получения высоких и сверхвысоких давлений газа используются пока только поршневые компрессоры, так как нет еще других типов машин, которые были бы способны в промышленных условиях создавать давления 100--350 МПа при сравнительно небольших производительностях.

В данной работе предполагается использование мобильных компрессоров с возможностью регулярной подпитки РНВВД при режимах работы АДВС с пониженным уровнем полезной нагрузки. Таким образом, необходима компрессионная машина с высокими показателями: КПД, расхода и максимального давления. В этом случае в качестве компрессора подходит поршневой компрессор.

Проведён анализ процессов одноступенчатого и многоступенчатого сжатия в поршневых компрессорах. Одноступенчатое сжатие эффективно при малом отношении конечного давления к начальному, а многоступенчатое при большом отношении давлений. Таким образом, известные поршневые компрессоры с неизменной схемой подачи воздуха в ёмкость при работе на разных режимах не обеспечивают одинаково высокую эффективность.

Таким образом, имеется объективная необходимость в разработке методики расчёта термодинамического цикла АДВС с подачей воздуха в рабочий цилиндр в любой стадии протекания цикла, а также в создании компрессора имеющего высокую эффективность при работе в широком диапазоне давлений нагнетаемого в ресивер воздуха. При этом одновременно возникают задачи: исследования сравнительной эффективности различных способов подачи воздуха в РНВВД и в цилиндр АДВС; разработки математической модели и методики расчёта процесса наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД; разработки экспериментальной установки для исследования процессов наполнения и опорожнения ёмкостей воздуха в системе наддува АДВС; проведения экспериментальных исследований процессов наполнения цилиндра АДВС воздухом из РНВВД; проведения расчётных исследований дизельного двигателя с применением различных способов наддува.

Вторая глава посвящена разработке математической модели рабочего цикла АДВС с использованием РНВВД в системе наддува.

На примере одной из возможных конструктивных схема АДВС с использованием РНВВД в системе наддува (рисунок 1) показаны возможные способы наддува, обеспечивающего работу АДВС на различных режимах по нагрузке.

Рисунок 1. Схема ДВС с применением ресивера - накопителя сжатого воздуха в системе наддува.

Принцип действия предлагаемого способа наддува заключается в следующем. Газ сжимается в компрессоре (2) и подаётся в ресивер - накопитель (3). Накопление газа в ресивере производится на тех режимах работы ДВС, при которых КПД двигателя из-за пониженной нагрузки приближен к нулю вплоть до холостого хода, либо при режимах отрицательной нагрузки двигателя (движение при торможении и под гору). Сжатый воздух затем через регулятор подачи (4) подаётся во все цилиндры двигателя по мере необходимости.

В рассматриваемой конструктивной схеме АДВС возможна реализация следующих способов подачи воздуха из РНВВД: подача воздуха в цилиндр АДВС в начале процесса сжатия; подача воздуха в цилиндр АДВС в конце процесса сжатия; подача воздуха в цилиндр АДВС в процессе расширения продуктов сгорания.

При подаче воздуха в цилиндр АДВС в начале процесса сжатия под давлением, равным давлению воздуха в ресивере, обеспечивающем давление наддува, ограниченное только прочностными характеристиками РНВВД и цилиндра АДВС. В настоящее время давление наддува ограничивается максимальным давлением, достигаемым нагнетателем. Расчётные исследования показали, что при использовании РНВВД в начале процесса сжатия воздуха в цилиндре прирост индикаторной мощности по сравнению с турбонаддувом составляет 10-13% при равных давлениях наддува за счёт снижения температуры надувочного воздуха (рисунок 2).

Рисунок 2. Влияние давления наддува на индикаторную мощность двигателя, при использовании компрессора, РНВВД и при отсутствии наддува

При подаче воздуха в цилиндр АДВС в конце процесса сжатия через регулятор для обеспечения подачи расчётной массы воздуха в цилиндр прирост мощности по сравнению с безнаддувным АДВС составляет порядка 25% (масса воздуха, перепущенного из РНВВД в цилиндр, составляет 20% от массы воздуха находившегося в цилиндре до перепуска) (рисунок 3.).



Рисунок 3. Зависимость индикаторной мощности АДВС от массы газа поданного в цилиндр из РНВВД в конце процесса сжатия

Расчётные исследования показали, что при подаче воздуха в цилиндр АДВС в процессе расширения продуктов сгорания более нагретый воздух даёт больший прирост индикаторной мощности АДВС. Так, при нагреве воздуха в РНВВД в диапазоне (273-1000)К прирост мощности составил 4 - 9% (рисунок 4). При этом возможны изменения графика подачи надувочного воздуха в зависимости от потребной полезной нагрузки. Возможны режимы подачи наддувочного воздуха обеспечивающие многократное увеличение индикаторной мощности цикла (рисунок 5).

Рисунок 4. Зависимость индикаторной мощности АДВС от температуры воздуха в РНВВД



Рисунок 5. Влияние массы газа поданного из РНВВД в цилиндр АДВС на индикаторную мощность двигателя

Разработана математическая модель цикла АДВС, в которой реализуются рассмотренные выше способы наддува из РНВВД.

При работе дизеля без наддува давление и температуру в начале процесса сжатия принимаем равными давлению и температуре наружного воздуха, т.е. Pa=Pатм; Та=Татм.

При работе двигателя с наддувом давление в начале процесса сжатия (Ра) принимаем равным давлению на выходе компрессионной машина (Рк).

Температура наддувочного воздуха Tk зависит от степени повышения давления в нагнетателе, типа нагнетателя, степени охлаждения корпуса нагнетателя:

; (1)

где nk - показатель политропы сжатия воздуха в нагнетателе (компрессоре); - изменение температуры заряда при его охлаждении в холодильнике, К.

Промежуточное охлаждение обычно применяют при и при температуре воздуха после компрессора выше 55…65 С, в остальных случаях =0.

При использовании наддува из РНВВД, подающего воздух в цилиндр в начале процесса сжатия, начальные давление и температура будут определяться давлением и температурой воздуха в ресивере с учётом процессов дросселирования воздуха при прохождении через регулятор подачи и трубопроводы.

Масса воздуха в начале процесса сжатия определяется из уравнения состояния идеального газа:

, кг; (2)

где R1 - газовая постоянная воздуха.

Давление и температура в конце процесса сжатия определяются из уравнений политропного сжатия:

, МПа., , К. (3)

Удельный объём рабочего тела в цилиндре:

, . (4)

При применении наддува из РНВВД воздух в ресивере теряет часть внутренней энергии за счёт уменьшения массы и энергии, затраченной на выталкивание массы надувочного воздуха, которая прибавляется к внутренней энергии газа в цилиндре АДВС. Внутренняя энергия перетёкшей массы газа определяется:

, кДж (5)

где - изохорная теплоёмкость воздуха в РНВВД, ; - изобарная теплоёмкость газа в цилиндре АДВС в конце процесса сжатия, .

Таким образом, полная внутренняя энергия воздуха в цилиндре АДВС будет равна:

, кДж (6)

Температура газа в цилиндре АДВС после перепуска массы газа из РНВВД определится из уравнения внутренней энергии газа:

, кДж (7)

В уравнении (7) две неизвестные: температура и изохорная теплоёмкость воздуха, поэтому для определения температуры необходимо решить уравнение, используя, в частности, итерационный метод.

Давление газа в конце процесса перепуска определяется из уравнения состояния идеального газа:

, МПа

Аналогичным образом определяются характеристики воздуха в РНВВД.

В модели предусмотрены корректирующие программные модули, учитывающие изменение теплоёмкости рабочего тела в зависимости от температуры.

Процесс горения топливо - воздушной смеси и расчёт количества необходимого топлива и воздуха в зависимости от режима работы двигателя в разработанной модели не отличается от общепринятой и здесь не приводятся

Получаемые в результате расчёта процесса сгорания удельные молярные составляющие основных компонентов продуктов сгорания () используются далее при определении массы компонентов продуктов сгорания для двигателя конкретной размерности.

При использовании РНВВД с подачей воздуха в цилиндр АДВС в процессе расширения необходимо знать количественные характеристики компонентов продуктов сгорания. Поэтому расчёт процесса сгорания проводится для массы воздуха в цилиндре конкретной размерности в начале процесса сжатия. Для этого необходимо знать отношение массы воздуха, необходимого для сгорания 1 кг топлива, к реальной массе газа в цилиндре (масштабный коэффициент цилиндра):

. (8)

Затем определяем реальное количество компонентов продуктов сгорания в рассматриваемом цилиндре (кмоль):

(9)

Далее определяем массу каждого компонента смеси продуктов сгорания (кг) для этого необходимо умножить количество каждого компонента (9) на молярную массу компонента:

(10)

Газовая постоянная продуктов сгорания определяется:

(11)

где Ri - газовая постоянная i-го компонента смеси; - массовая доля i-го компонента, Мсм=УМi.

Изохорная теплоёмкость продуктов сгорания определяется по формуле теплоемкости смеси газов:

(12)

Характеристики процесса расширения продуктов сгорания с добавлением сжатого воздуха из РНВВД определяются методом конечных элементов, для чего ход поршня (в процессе расширения) делится на i участков, задаётся расчётное количество воздуха, которое будет подано в цилиндр. В зависимости от закона наполнения цилиндра воздухом, определяется Дmi. В данной работе рассматривается линейный закон наполнения, поэтому:

(13)

где Дm - расчётная масса воздуха, подаваемая из РНВВД в цилиндр АДВС в процессе расширения (кг).

Ввиду того, что состав и масса продуктов сгорания с добавлением воздуха изменяются в процессе расширения, на каждом i-м участке необходимо определять газовую постоянную, теплоёмкость, температуру и давление.

Далее в главе второй разработан способ эффективного наполнения РНВВД с использованием многоступенчатого поршневого компрессора.

Рисунок 6. Схема многоступенчатого компрессора

1 -распределители, 2 -ресивер, 3 -первая ступень, 4 -вторая ступень, 5 -n-ая ступень, 6 -линии управления распределителями.

Для повышения эффективности процесса нагнетания воздуха в ресивер между ступенями многоступенчатого поршневого компрессора применены распределители 4/2 (рисунок 6).

Распределители выполняют роль переключателей режимов работы компрессора. Каждая ступень работает в двух режимах.

В первом режиме, межступенчатые распределители находится в исходном состоянии, нагнетательная полость ступени соединена с ресивером и рабочий газ из ступени поступает в ресивер. И многоступенчатый компрессор работает в режиме параллельного подключения всех ступеней к ресиверу.

Во втором режиме, межступенчатый распределитель под действием давления в линии управления последовательно по ступеням переключается, таким образом нагнетательная полость оказывается соединенной с всасывающей полостью следующей ступени. В конце этого режима все ступени оказываются подключённые к ресиверу последовательно.

Рисунок 7 Изменение давления в ресивере при использовании двухступенчатого компрессора при включении линиии распределения (кривая 1) и при её отключении (кривая 2).

При увеличении числа ступеней расслоение кривых (рисунок 7) увеличивается.

В главе третей показаны экспериментальные исследования процессов наполнения, опорожнения и перепуска воздуха в системе из двух ресиверов, и экспериментальная установка для выполнения этих исследований (рисунок 8).



Рисунок 8. Принципиальная схема экспериментальной установки:1, 8 - переходники; 2, 9 - измерительные приборы; 3, 7, 10, 17, 19, 21, 22, 24, 26, 27 - игольчатые краны; 4, 14 - весы; 5, 15 - ресиверы (баллоны); 6, 16 - воздушные трубки; 11, 12 - соединительные шланги; 13, 18, 20, 25 - тройники; 23 - водяной носос; 28 - компрессор; 29, 30 - регулировочные винты; 31, 32 - термопары; 33,34 - выводы термопар

Экспериментальная установка включает в себя два ресивера (5, 15), подвешенные на весы (4, 14) которые в свою очередь крепятся на регулировочные винты (29, 30). В баллоны вкручены переходники (1, 8), через которые в них посредством соединительных шлангов (11, 12) могут быть поданы воздух и вода. Также к переходникам (1, 8) подключены измерительные приборы (манометры 2, 9 и термопары с выводами 33, 34) и воздушные трубки (6, 16). Магистрали воздуха и воды подключены соответственно к компрессору и насосу (28, 23) через соединительные шланги.

На данной экспериментальной установке возможно проведение следущих экспериментов: по изучению процессов наполнения и опорожнения ресивера воздухом с целью исследования термодинамических характеристик воздуха в процессах наполнения и опорожнения, а также с целью определения работы сжатия компрессионной установки; по изучению процессов перепуска воздуха между ресиверами с целью исследования термодинамических характеристик воздуха в процессе перепуска; по изучению процессов расширения воздуха с целью изучения термодинамических характеристик и работы, совершаемой воздухом. Для проведения такого рода экспериментов есть возможность наполнения ресиверов водой, которая в ресиверах будет выполнять функции, аналогичные функциям поршня в цилиндре ДВС (в настоящей работе эта функция не использована).

В виду того, что в применённых баллонах нет уровнемеров при проведении экспериментов с использованием воды решена задача определения объёмов воды и воздуха в ресиверах методом взвешивания для чего применены весы.

Закрытая ёмкость с газом, часть объёма которой занимает жидкость, устанавливается на весы, по показаниям которых можно определить массу жидкости и массу газа в ёмкости, если известны также давление и температура газа. При этом следует учесть и массу самой ёмкости, определяемую предварительным взвешиванием.

Таким образом, после взвешивания ёмкости с газом и жидкостью, результат измерения состоит из трёх величин:

, (13)

где mУ - суммарная масса установленной на весы емкости с жидкостью и газом, кг; m1 - масса жидкости, кг; m2 - масса газа, кг; m3 - масса пустой ёмкости, кг.

Масса жидкости определяется по формуле:

, (14)

где с1 - плотность жидкости (воды), ; V1 - объём занимаемый жидкостью, м3.

Объём, занимаемый газом определяется разностью:

, (15)

где VУ - полный объём сосуда, определяемый, например, предварительными проливками, м3.

Масса газа определяется из уравнения состояния:

, (16)

где P2 - давление газа, Па; R - газовая постоянная воздуха; Т2 - температура газа, К.

С учётом соотношений (14), (15), (16) суммарная масса:

. (17)

Из уравнения (17) найдём объём, занимаемый жидкостью:

. (18)

. (19)

Таким образом, измерив предварительно массы пустой и заполненной ёмкости, давление и температуру газа, а также объём пустой ёмкости, можно однократным взвешиванием определить объём жидкости, а следовательно, и объём, занимаемый газом в закрытой ёмкости с жидкостью и газом и по соотношениям (14) и (16) определить раздельно массу жидкости и газа в ёмкости.

Дана оценка погрешности экспериментального определения объёмов жидкости и газа в закрытой ёмкости.

Совокупность абсолютных погрешностей величин, входящих в уравнение (18) и (19), дадут погрешности ДV1 и ДV2, которые определяются по формулам нахождения погрешности косвенных измерений.

(20)

(21)

(22)

(23)

где - производная по mУ, - производная по m3, (и так по всем переменным); Д mУ, Д m3, Д Р2,… - средние квадратические абсолютные погрешности определения соответствующих величин; - составляющая погрешности измерения V1, обусловленная погрешностью измерения mУ. Аналогичный смысл имеют и другие слагаемые в (22) и (23).

Применяя формулы (18) и (22) получим оценку значения объёма, занимаемого жидкостью V1, в определённом диапазоне .

Применяя формулы (19) и (23) получим оценку значения объёма V2, занимаемого газом, в определённом диапазоне .

При параметрах экспериментальной установки: ДmУ=0.05кг; m3=30кг; Дm3=0.05 кг; VУ=5.04·10-2 м3; ДVУ=0,000125 м3; ДР2=50662,5Па; ДТ2=0,5К; с=1000; Дс=0; R=287; ДR=0 получены расчётные значения погрешностей показанные графически на рисунке 9.

Рисунок. 9. Изменение погрешности экспериментальной оценки объёмов жидкости и газа в ресивере методом взвешивания в зависимости от взвешиваемой массы

Экспериментально исследованы режимы наполнения, опорожнения и перепуска воздуха между ресиверами. Полученные средние значения времени протекания процессов наполнения, опорожнения и перепуска воздуха сведены в таблице 1

Таблица 1. Результаты экспериментального определения временных характеристик процессов наполнения, опорожнения и перепуска в экспериментальной установке

	наполнение	опорожнение	перепуск при начальном перепаде давлений в ресиверах 0,690МПа	перепуск при начальном перепаде давлений в ресиверах 0,182МПа
P1, МПа	0,101	0,645	0,791	0,799
P2, МПа	0,791	0,202	0,434	0,703
t, сек	45	42	48	21
Постоянная времени процесса	15	14	16	7

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель и методика определения термодинамических параметров цикла АДВС с использованием РНВВД в системе наддува.

2. Исследованы три эффективных способа применения РНВВД в системе наддува цилиндров АДВС: подача воздуха из РНВВД в цилиндр АДВС в начале процесса сжатия; подача воздуха в цилиндр АДВС в конце процесса сжатия; подача воздуха в цилиндр АДВС в процессе расширения продуктов сгорания. Эффективность применения первого способа наддува характеризуется приростом индикаторной мощности АДВС по сравнению с турбонаддувом на 10-13% при равных давлениях наддува. Наибольшая эффективность использования данного способа наддува будет при использовании воздуха высокого давления и низкой температуры.

3. При использовании РНВВД для наддува в конце процесса сжатия прирост мощности по сравнению с безнаддувным АДВС составляет порядка 25% при массе воздуха, перепущенного из РНВВД в цилиндр, равной 20% от массы воздуха, находившегося в цилиндре до перепуска. При этом перед подачей наддувочного воздуха в цилиндр АДВС воздух дросселируется с увеличением энтальпии подаваемого воздуха в АДВС за счёт увеличения работы проталкивания. При увеличении доли массы наддувочного воздуха, подаваемого в цилиндры АДВС, пропорционально увеличивается индикаторная мощность.

4. Расчетные исследования показали, что при использовании РНВВД для наддува в процессе расширения продуктов сгорания в цилиндре АДВС более нагретый воздух при подаче его в цилиндр даёт больший прирост мощности. Так при нагреве воздуха в РНВВД от 273 до 1000К прирост мощности составил 4 - 9%.

5. Разработан способ подачи воздуха в РНВВД, в котором расширены границы эффективной работы многоступенчатого компрессора по давлению на его выходе.

6. Разработана методика экспериментального определения объёмов, занимаемых жидкостью и газом в системе ресивера с двухфазными рабочими средами.

7. Экспериментально установлено, что ресивер является эффективным охладителем наддувочного воздуха. В исследованном диапазоне повышения давления воздуха в ресивере температура составила не более 40 °С в то время как температура воздуха в том же диапазоне адиабатного повышения давления составляет 260 °С. Важным также является снижение температуры воздуха в ресивере при его опорожнении в процессе наддува. Это позволяет организовать рекуперативные длительные циклы в системе наддува АДВС включающие процессы наполнения и опорожнения ресиверов с теплообменом с окружающей средой.

Заключение. Эффективное использование РНВВД в системе наддува АДВС возможно в ряде вариантов и является актуальной задачей дальнейшего совершенствования эксплуатационных характеристик силовых установок на основе двигателей внутреннего сгорания.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Чернов В.В. Погрешность определения объёмов газа и жидкости в закрытом сосуде методом взвешивания. / Чернов В.В.// Известия вузов. «Проблемы энергетики» - №3-7, 2007г. стр.147-151.

2. Заявка на патент, Способ сжатия газа в поршневом многоступенчатом компрессоре / С.В. Дмитриев, В.В. Чернов; заявитель и патентообладатель Камский государственный политехнический институт.- №2005131038; заявл. 06.10.2005.

3. Чернов В.В. Применение ресивера - накопителя воздуха высокого давления в автомобильных двигателях внутреннего сгорания // Интернет-журнал «Образование и наука закамья Татарстана» [Электронный ресурс]. - 2007. - Режим доступа: http://kama.openet.ru:3128/site/new/articles.php?id=96&extra_id=9&name=%C2%FB%EF%F3%F1%EA%20%B971

4. Чернов В.В. Способ уменьшения энергозатрат многоступенчатого поршневого компрессора / В.В.Чернов // Межвузовская научно - практическая конференция, посвящённая 25-летию Камского государственного политехнического института «Вузовская наука - России», г. Набережные Челны, 2005г. - С. 225.

5. Чернов В.В. Исследование формы индикаторной диаграммы многоступенчатого поршневого компрессора / В.В.Чернов // Межвузовская научно - практическая конференция, посвящённая 25-летию Камского государственного политехнического института «Вузовская наука - России», г. Набережные Челны, 2005г. - С. 260

6. Чернов В.В. Совершенствование экологических характеристик ДВС с применением ресивера в системе наддува/ В.В.Чернов // Международная конференция, посвящённая 10-летию образования Международного информационно - экологического парламента «Глобальные проблемы экологизации в Европейском сообществе», г. Казань, 2006г. - С. 138

Размещено на Allbest.ru

...