НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Манойло Володимир Максимович

УДК 621. 436.052.001.24

ПОЛІПШЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК

АВТОТРАКТОРНИХ ДИЗЕЛІВ З ХВИЛЬОВИМ

ОБМІННИКОМ ТИСКУ

Спеціальність 05.05.03 - Теплові двигуни

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Двигуни внутрішнього згоряння” Харківського національного автомобільно-дорожнього університету Міністерства освіти і науки України.

Наукови Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Куценко Куценко Олександр Сергійович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри системного аналізу і управління.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дяченко Василь Григорович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри двигунів внутрішнього згоряння;

кандидат технічних наук,

Анімов Юрий Олександрович,

Державне підприємство ”Харківське конструкторське бюро з двигунобудування", м. Харків, начальник відділу агрегатів турбонаддуву та газоповітряних систем.

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування НАН України,

відділ поршневих енергоустановок, м. Харків.

Захист відбудеться "__16___" ____05_______ 2002 р. о _14 30__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.13 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут"

Автореферат розісланий "__15_" ______04______ 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Парсаданов І. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективним засобом поліпшення питомих техніко-економічних показників дизелів є наддув. Найбільше поширення одержав газотурбінний наддув, який дозволяє використовувати енергію відпрацьованих газів. Широко використовується на практиці механічний наддув, оснований на стиску повітря привідним компресором. Вказані системи наддуву поряд зі своїми перевагами мають ряд принципових недоліків. Так, газотурбінний наддув передбачає зниження приємистості двигуна у зв`язку із значною інерційністю ротора турбокомпресора. Крім того, двигуни з газотурбінним наддувом на перехідних режимах мають підвищену питому витрату палива і димність відпрацьованих газів. Недоліком системи наддуву з привідним компресором є значна витрата потужності двигуна на привід компресора, особливо при високих ступенях підвищення тиску, що приводить до зниження ефективного ККД енергоустановки в цілому.

Поряд з переліченими системами наддуву в останні роки в практику зарубіжного двигунобудування почав впроваджуватись наддув на основі хвильового обмінника тиску (ХОТ). Робочий процес (РП) ХОТ заснований на перетворенні тиску відпрацьованих газів (ВГ) в тиск наддувочного повітря (НП) без посередньої їх взаємодії. Таким чином, наддув з ХОТ використовує енергію відпрацьованих газів як і при газотурбінному наддуві, але передача енергії від ВГ до НП здійснюється безпосередньо з мінімальною інерційністю, що поліпшує техніко - економічні показники двигуна на перехідних режимах в порівнянні з газотурбінним наддувом.

До цього часу в Україні, незважаючи на перспективність, не створені працездатні хвильові обмінники тиску. Це пов`язано з тим, що практично відсутні дослідження, спрямовані на доведення робочого процесу ХОТ і регулювання його параметрів в залежності від режиму роботи дизеля. Тому дослідження перспективних схем систем наддуву дизелів, обладнаних обмінником тиску, є актуальною задачею, має науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота є частиною науково-дослідних робіт щодо створення автотракторних двигунів потужністю 50-150 кВт, проведених на кафедрі ДВЗ Харківського національного автомобільно-дорожнього університету (ХНАДУ), виконаних відповідно до постанови ДКНТ СРСР №75 від 08.09.1980 р. та згідно з комплексною програмою Мінвузу УРСР “Створення нових типів і удосконалення існуючих двигунів внутрішнього згоряння”, затвердженою наказом Мінвузу УРСР № 322 від 06.05.1980 р, а також відповідно до державної науково-технічної програми ”Розробка і втілення методів та пристроїв для забезпечення оптимальної експлуатації і екологічної безпеки автомобілів”, затвердженою наказом Мінвузу України № 68 від 27.04.92р.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є поліпшення експлуатаційних характеристик дизельних двигунів з хвильовим обмінником тиску шляхом вибору раціональних параметрів ХОТ та регулюванням наддуву.

Об`єктом дослідження є дизельний двигун з хвильовим обмінником тиску.

Предметом дослідження є перехідні процеси в об`єкті дослідження, обумовлені зміною умов навантаження.

Методи дослідження. Досягнення мети дисертаційної роботи базується на комплексному використанні методів математичного моделювання та експериментальних методів дослідження.

Для досягнення поставленої мети визначені такі основні задачі:

1. Розробити макетний зразок ХОТ з комплектом змінних торцевих плит, що дозволяють змінювати його вхідні та вихідні параметри.

2. Обгрунтувати вибір схеми системи регулювання наддуву дизеля з ХОТ та розробити вузли системи регулювання наддуву.

3. Провести експериментальні дослідження з метою одержання витратних характеристик хвильового обмінника тиску і характеристик системи регулювання наддуву.

4. Експериментально оцінити техніко - економічні показники двигуна 4ЧН 12/14 з ХОТ на сталих режимах.

5. Розробити розрахунково-експериментальну методику оцінки динамічних показників роботи двигуна, обладнаного обмінником тиску і всережимною системою регулювання наддуву.

6. Розрахунково-експериментальним методом оцінити динамічні показники роботи ДВЗ з ХОТ і системою регулювання наддуву.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Обгрунтована схема організації регулювання наддуву дизеля з ХОТ.

2. Розроблена нелінійна математична модель динамічних процесів у системі "дизель-ХОТ" із регулюванням тиску наддувочного повітря, що дозволяє проводити аналіз перехідних процесів при великих відхиленнях від сталого режиму.

3. Розроблений експериментальний метод визначення витратних характеристик обмінника тиску у широкому діапазоні навантажень і частот обертання; отримані апроксимуючі співвідношення, які зв'язують ці характеристики з параметрами наддувочного повітря і відпрацьованих газів дизеля.

4. Розроблений експериментальний метод визначення та підбору конструктивних параметрів обмінника тиску, що забезпечує необхідні техніко-економічні показники функціонування системи "дизель - ХОТ".

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність роботи становлять:

1. Працездатні макетні зразки ХОТ, які дозволяють організувати промислове виробництво хвильового обмінника тиску для автотракторних двигунів.

2. Методика розрахунку спільної роботи системи регулювання наддуву двигуна з ХОТ, яка дозволяє визначити раціональні параметри обмінника тиску та елементів системи регулювання.

3. Рекомендації щодо організації робочого процесу в агрегаті наддуву і вибору головних конструктивних параметрів обмінника тиску для автотракторних дизелів.

Впроваджені в практику результати проведення науково-дослідних робіт у ХНАДУ, ВАЗі, ГСКБД, НАМІ, ГАЗі: методика і програма розрахунку робочого процесу ХОТ, макетний зразок обмінника тиску, методика проведення випробувань хвильового обмінника тиску.

Особистий внесок здобувача. При виконанні дисертаційної роботи здобувач брав безпосередню участь:

- у розробці макетного зразка обмінника тиску з пакетом змінних торцевих плит, вузлів системи регулювання наддуву;

-

- у проведенні експериментальних досліджень обмінника тиску, вузлів системи регулювання наддуву, а також при спільній роботі дизеля з ХОТ.

Особисто здобувачем:

- розроблена методика розрахунку спільної роботи дизеля з ХОТ і системи регулювання наддуву;

- проведені експериментальні дослідження з метою оцінки впливу параметрів ХОТ на техніко-економічні показники дизеля;

- розроблені рекомендації щодо вибору конструктивних та режимних параметрів ХОТ і організації робочих процесів в обміннику тиску.

Апробація результатів роботи. Складові частини роботи доповідались на всесоюзних науково-технічних конференціях: м. Харків, ХПІ і ДП завод ім. В.О.Малишева (1991 р.), м. Челябінськ, Челябінське бронетанкове училище (1991 р.), на щорічних науково-технічних конференціях ХНАДУ (1985 - 2000 р.р.), УкрДАЗТ (1988 - 1990 р.р.), НТУ “Харківський політехнічний інститут” (1993 - 1996 р.р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 статті у збірниках наукових праць, отримано 2 авторських свідоцтва.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та 3 додатків. Повний обсяг дисертації складає 220 сторінок, з них 54 ілюстрації на 24 сторінках, 2 таблиці на 2 сторінках, 1 таблиця по тексту, список використаних літературних джерел, який містить 80 найменувань на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обгрунтована актуальність розглянутої проблеми, сформульована мета, основні задачі дослідження та шляхи їх розв`язання.

У першому розділі розглянуті різні підходи до організації наддуву автотракторних дизелів. Газотурбінний наддув, що одержав найбільше поширення, має ряд недоліків, обумовлених, насамперед, інерційністю забезпечення повітрям дизеля, і не дозволяє реалізувати оптимальні умови спільної роботи турбокомпресора з двигуном на перехідних режимах.

Аналіз публікацій підтвердив перспективність використання як агрегату наддуву хвильового обмінника тиску, який об`єднує переваги привідного компресора, з огляду на механічний зв'язок з ДВЗ, так і турбокомпресора, з огляду на використання енергії відпрацьованих газів.

У роботі дається аналіз можливих засобів поліпшення характеристик автотракторних двигунів шляхом застосування хвильового обмінника тиску і системи регулювання наддуву.

Обгрунтовано принцип регулювання наддуву ДВЗ з хвильовим обмінником тиску, можлива реалізація якого показана на рис.1.

Система регулювання наддуву ДВЗ з ХОТ дозволяє узгодити тиск наддуву силового агрегату не тільки на сталих, а і на перехідних режимах; поліпшити надійність роботи двигуна на режимах максимального крутного моменту за рахунок часткового перепуску відпрацьованих газів шляхом обмеження максимального тиску згоряння. На схему регулювання наддуву ДВЗ з ХОТ отримано авторське свідоцтво.

На основі проведеного аналізу показані перспективні шляхи удосконалення систем регулювання наддуву ДВЗ з ХОТ.

У другому розділі викладені основи математичного моделювання перехідних процесів ДВЗ, обмінника тиску і системи регулювання наддуву.

Проведено аналіз робіт, пов'язаних з теоретичними і експериментальними дослідженнями динамічних показників ДВЗ із регульованим наддувом. Зроблено висновок про необхідність проведення досліджень дизеля з ХОТ і системи регулювання наддуву.

В основу більшості методик аналізу і синтезу систем процесів регулювання тиску наддуву покладено класичний метод, який грунтується

Рис. 1. Схема системи регулювання наддуву ДВЗ з ХОТ :

1- двигун; 2 - зворотний клапан; 3 - жиклер; 4 - перепускний клапан; 5 - пневморегулятор; 6 - манометричний клапан; 7 - обмінник тиску; 8 – привід ХОТ; 9 і 16 - трубопроводи; 10 - клапан обмеження максимального тиску; 11 - педаль; 12 - електроклапан; 13 - замикаючий пристрій; 14 і 15 – електроконтакти.

на лінеаризації диференціальних рівнянь, що моделює процеси в елементах енергоустановки. Цей метод найбільш докладно описаний у роботах В.І. Крутова, О.Г. Рибальченка і стосується регулювання тиску наддуву шляхом зміни кута нахилу лопаток соплового апарата турбіни і дифузора компресора. Недоліком такого методу є його обмеженість, обумовлена

вимогою “малості” відхилень параметрів процесу від сталих значень. Лінійний підхід створює також деякі труднощі при дослідженні процесів керування з істотними нелінійностями, що мають місце при обмеженні максимального тиску наддуву шляхом перепуску відпрацьованих газів. У рамках цих моделей неможливо врахувати нелінійність залежності площі прохідного перетину клапана 4 від переміщення його штока.

Запропонована нелінійна математична модель динамічних процесів у ДВЗ з наддувом має істотно більш широкі можливості для адекватного опису реальних процесів, які протікають в елементах енергоустановки. Модель містить в собі систему із шести диференціальних рівнянь, доповнених алгебраїчними рівняннями залежностей витрат повітря та відпрацьованих газів через двигун і ХОТ від тисків робочих тіл у впускній і випускній системах. У систему входять:

рівняння динаміки розгону двигуна -

I d/dt = Me (,Gвх, ) - Mс ( , Va );

рівняння масового і енергетичного балансів для впускного і випускного колекторів -

dmв/dt = Gп - G2,

(1/(кv-1)) Vв dpв /dt = Gп iп - G2 CРm п Tп - q(Tп),

dm/dt = G вг - (G 1 + Gпг)),

(1/(kg-1)) V dp/dt = G вг i вг - (G1+Gпг) CРm. вг Tвг - q(Tвг);

рівняння руху клапана перепуску -

m1 d2x1/dt2 + k dx1/dt + c(x1) (x1 + x0)= P ;

характеристики ХОТ, апроксимовані поліномом 2-го степеня –

y =i+j2 (aij + bij +cij 2) p1i p2j,

де Me (,Gвх, ) - крутний момент на валу двигуна (Нм); Mс ( , Va ) - навантаження споживача (Нм);I - приведений момент інерції двигуна (кгм2); t - час реакції елементів системи (с); - коефіцієнт надлишку повітря; - кутова швидкість колінчастого вала ДВЗ (рад/с); Va - швидкість руху автотранспортного засобу (км/год); Gвх - витратна характеристика двигуна (кг/с); Gп, Gвг - витрати наддувочного повітря і відпрацьованих газів у колекторах двигуна (кг/с); G2,, G1 - витрати НП та ВГ у обміннику тиску (кг/с); Gпг – витрата перепускних газів (кг/с); Vв, V - об`єм впускного і випускного колекторів (м3); Tп, Tвг,- температури наддувочного повітря і відпрацьованих газів, (К); mв, m – маса робочих тіл (кг); рв, р - тиск повітря і ВГ у колекторах (Па); CPm.п, CPm.вг - середні ізобарні масові теплоємкості повітря і ВГ (Дж/кгК); iп і iвг - питомі ентальпії наддувочного повітря і відпрацьованих газів, (Дж/кг); kv,kg - показники адіабати для повітря і газів;

q(Tп), q(Tвг) - втрати тепла в стінки колекторів (Вт); х1 - переміщення тарілки перепускного клапана (м); Р - сумарне зусилля у перепускному клапані (Н); m1 - маса рухливих частин регулятора тиску (кг); к - коефіцієнт в`язкого тертя; х0 - попереднє затягування пружини регулятора (м); с - жорсткість пружини (Н/м); p1i p2j - експериментальні значення тиску робочих тіл у впускному і випускному колекторах, зняті на статичних режимах роботи ДВЗ (Па); aij , bij і cij - постійні коефіцієнти апроксимаційних характеристик; y (G2, G1, Tв,).

У поданій матмоделі крутний момент двигуна Me та питома ентальпія відпрацьованих газів iвг розраховується за допомогою рівнянь теплового балансу. Навантаження споживача Mс визначається з рівняння тягового балансу автотранспортного засобу, а втрати тепла у колекторах q(Tп), q(Tвг) двигуна при розрахунку не враховуються.

Представлено алгоритм та програму розрахунку параметрів перехідного процесу системи регулювання наддуву ДВЗ з ХОТ, можливості використання математичної моделі для розрахунку перехідних процесів у не регулювальних та регулювальних системах наддуву теплових двигунів.

У третьому розділі описується конструкція експериментального стенда для проведення досліджень хвильового обмінника тиску і регулятора тиску, методика проведення експерименту і оцінка похибок вимірів.

Використання розроблених математичної моделі і методики розрахунку ДВЗ з системою регулювання наддуву можливе при відомих значеннях витратних характеристик ХОТ і динамічних характеристик регулятора тиску. Крім того, математична модель робочого процесу ХОТ потребує перевірки її адекватності, для чого необхідно порівняти результати розрахунку за моделлю з реальними характеристиками, що можуть бути отримані експериментальним шляхом.

Для визначення витратних характеристик розроблені макетні зразки ХОТ - 85, 93 та 110 в досліджувальному виконанні (з комплектом торцевих плит). Конструкція стенда, ХОТ та технологія виготовлення ливарного ротора захищена охоронними документами.

Дослідження ХОТ проводились на експериментальному стенді, що включає: ДВЗ, обмінник тиску, обладнаний пристроєм для регулювання системи наддуву, привідний компресор, камеру згоряння, охолодники наддувочного повітря, повітряні фільтри, витратоміри і перепускні устрої, ресивери та арматуру. У вузлах стенда вмонтовані датчики, що підключені до контрольно-вимірювальної апаратури.

Представлено методику проведення дослідження ХОТ. Режими дослідження характеризуються такими параметрами: тиском газу високого тиску (ГВТ) і повітря високого тиску (ПВТ) , температурою газу високого тиску, частотою обертання ротора ХОТ і кутом зсуву між відчиняючими кромками вікон ГВТ відносно каналів ПВТ. Діапазон зміни режимних параметрів складає: Ргвт = Рпвт = 0,1...0,18 МПа; Тгвт = 450...650 оС; nв = (6...20) 103 хв-1; = 2...15 0.

Оцінка роботи ХОТ проводилася за результатами наступних параметрів: втрат тиску і температури газу, повітря високого і низького тиску, втрати потужності на привід ХОТ і температури підшипникового вузла.

У четвертому розділі наведено результати досліджень обмінника тиску, регулятора тиску, а також спільної роботи ДВЗ з ХОТ і регульованої системи наддуву.

В роботі наведений широкий комплекс досліджень щодо вибору конструктивних параметрів ХОТ, які забезпечили необхідні характеристики обмінника тиску.

Для оцінки впливу конструктивних елементів ХОТ на витратні характеристики розроблена теоретична модель. Ця модель на базі поділу робочого процесу ХОТ на одинадцять окремих ділянок, згідно з розташуванням конструктивних елементів нагнітача, дозволила виявити вплив кожної ділянки на РП обмінника тиску. А це, в свою чергу, дозволило узгодити витратні характеристики каналів газового корпусу нагнітача з об`ємом та конфігурацією каналів (одного та двохсекційного бандажа) ротора. Результати досліджень наведені на рис.2. На тих самих режимах ХОТ та ДВЗ, із збільшенням кількості каналів у роторі (від 40 до 50) і коректуванням геометрії конструктивних елементів корпусів нагнітача, показники витратних характеристик поліпшуються, що забезпечує ефективну спільну роботу агрегату наддуву і двигуна. Раціональні геометричні параметри проточної частини удосконалених конструктивних елементів торцевих плит газового та повітряного корпусів ХОТ мають наступні значення: кут відкриття вікон ГВТ, ПВТ, ГНТ і ПНТ відповідно дорівнює 32 0, 25 0, 72 0 і 82 0; кут зсуву відчиняючих кромок ГВТ відносно ПВТ складає 9,5 0.

У результаті виконаних досліджень робочих процесів ХОТ уперше встановлено:

- на процес наповнення і продування каналів ротора істотно впливає просторове розташування відчиняючих і закриваючих кромок газової і продувної “камер”, кут зсуву відчиняючих кромок каналів повітря високого тиску і газів високого тиску, частота обертання ротора ХОТ;

- на процес стиску істотно впливає товщина перемичок між каналом ПВТ і “камерою” попереднього стиску, кут зсуву відчиняючих кромок каналів ПВТ і ГВТ, частота обертання вала ротора ХОТ, конфігурація каналу ГВТ і лопаток, а також кількість та об'єм каналів у барабані ротора нагнітача;

Встановлені співвідношення геометричних параметрів проточної частини ХОТ, кути відкриття і закриття каналів газу та повітря високого тиску.

Визначені геометричні параметри ХОТ, що поліпшують процес наповнення і продування каналів ротора нагнітача. Ефективність процесів наповнення і продування каналів ротора залежить від товщини стінок між каналами ПВТ і ГВТ, а також газовою і продувною “камерами”.

Рис.2. Дослідження впливу числа каналів у роторі на параметри роботи ХОТ:

режим ДВЗ n = 1200 хв-1; ХОТ - nв = 8000 хв-1, Vя - об`єм каналу ротора, мм3; Z – кількість каналів у бандажі ротора, шт; Рпвт, Ргвт - тиск наддувочного повітря та ВГ, МПа; Gпвт, Gгвт – витрати повітря та відпрацьованих газів, кг/год.

Обгрунтовано вибір геометрії конструктивних елементів ХОТ, які поліпшують процес стиску у обміннику тиску. На ефективність процесу стиску впливає просторове розташування кромок "камери" попереднього стиску відносно відчиняючих кромок каналів ПВТ і ГВТ, геометричний профіль каналу ГВТ, конфігурація і кількість каналів у роторі.

Встановлено, що передавальне відношення привода ХОТ при спільній роботі двигуна та нагнітача дорівнює 5,8 – 6,6.

Проведено дослідження спільної роботи двигуна і ХОТ на сталих режимах. Під час стендових випробувань були зняті навантажувальні характеристики двигуна, обладнаного хвильовим обмінником тиску для частот обертання колінчастого вала, які стосовно дорівнюють 1000, 1200, 1400 та 1600 хв-1.

На рис.3 наведена найбільш показова навантажнувальна характеристика ДВЗ

Рис. 3. Навантажувальна характеристика двигуна з хвильовим обмінником тиску (режим ДВЗ при n = 1200 хв-1):

- коефіцієнт надлишку повітря; Gт – годинна витрата палива двигуна, кг/год; Ре - середній ефективний тиск у циліндрах двигуна, МПа; tпвт, tгвт - температури повітря і відпрацьованих газів у колекторах, оС.

з ХОТ для режиму максимального крутного моменту n = 1200 хв-1, при потужності Ne = 58,5 кВт, оціночна питома витрата палива geo = 239,5 г/кВт.год.

Дослідження пневматичного регулятора тиску виконувалися на стенді для іспиту гальмових камер автомобілів. Динамічна характеристика регулятора показана на рис.4.

Рис.4 Динамічна характеристика пневматичного регулятора тиску

Вона дозволила встановити, що час реакції регулятора змінюється у діапазоні від 0,11 до 0,04 с і значно зменшується при підвищенні робочого тиску Рвх- у камерах регулятора від 0,11 до 0,6 МПа.

Результати порівняльних розрахунково - експериментальних досліджень, які характеризують показники роботи системи регулювання наддуву на перехідних режимах дизеля з обмінником тиску та турбокомпресором (ТКР), наведені на рис. 5 і 6. Залежності 1, 3 характеризують перехідні процеси ДВЗ з нерегульованою системою наддуву; а 2, 4 - з регульованою системою наддуву; 1, 2 - з ХОТ, а 3, 4 – з ТКР. На рис. 6 наведені параметри перехідного процесу регулятора тиску.

Після миттєвого переміщення рейки паливного насоса високого тиску на режим максимальної подачі палива і номінального навантаження двигуна, кутова швидкість колінчастого вала ДВЗ = 83.77 рад/с і ротора ХОТ відповідають режиму холостого ходу (рис.5а і б). На режимах максимальної подачі палива коефіцієнт надлишку повітря в циліндрах ДВЗ знижується до = 1,15, внаслідок чого

Рис.5. Показники перехідного процесу для регульованої і нерегульованої систем наддуву дизеля СМД - 18Н з ХОТ та ТКР:

а) , 1 - кутові швидкості колінчастого вала ДВЗ, рад/с; б) в, к - кутові швидкості вала роторів ХОТ і ТКР; в,г) mВ, mВ1, m, m1 - маси повітря і ВГ в колекторах, кг; д) РВ, Р - тиск наддувного повітря і ВГ в колекторах ДВЗ з ХОТ, МПа; е) Рк, Рг - тиск наддувного повітря і ВГ в колекторах ДВЗ з ТКР, МПа.

температура відпрацьованих газів перед обмінником підвищується до 700 0С. Підвищення температури ВГ у ДВЗ сприятливо впливає на робочий процес у обміннику тиску. В цей момент в каналах ротора ХОТ між

Рис. 6. Показники перехідного процесу регулятора тиску:

х1 - підйом клапана перепуску, м; Vкл - швидкість руху клапана перепуску, м/с.

активним середовищем (відпрацьованими газами) і пасивним середовищем (свіжим зарядом) виникають хвилі тиску, що забезпечують ефективний робочий процес у нагнітачі, сприяють підвищенню тиску робочого тіла і нагнітанню його в циліндри дизеля. З підвищенням тиску наддуву починається зростання крутячого моменту двигуна. Індикаторний ККД дизеля збільшується, тому що підвищується коефіцієнт надлишку повітря у циліндрах двигуна. Температура газів перед ХОТ знижується. До 15-ї секунди рейка паливного насоса залишається на упорі максимальної подачі палива. Індикаторний ККД ДВЗ складає 0.39, коефіцієнт надлишку повітря дорівнює 1.5, частота обертання колінчастого вала відповідає 1200 хв-1 ( = 95.3 рад/с), маса повітря складає 0.11 кг, температура газів перед ХОТ - 6600С, а ефективний ККД ДВЗ - 0.316.

Щоб визначити перехідні процеси в системі регулювання наддуву під час перепуску ВГ, регулятор тиску заздалегідь настроюють на заданий тиск наддуву Рв, (0.16 МПа). До 28-ї секунди, коли тиск наддуву перевищить гранично допустиме значення Рв, включається регулятор, відкривається перепускний клапан (рис. 6) і частина ВГ, минаючи нагнітач, стравлюється в атмосферу. В колекторах спостерігається зниження маси повітря mВ1 і газу m1 (див. рис.5в, г). До 29-ї секунди, клапан перепуску відкривається на максимальну величину. У процесі перепуску відзначається стабілізація тиску повітря і ВГ у впускному РВ та випускному Р колекторах (рис. 5д, е) Маси повітря mВ1 і газу m1 у колекторах відповідно складають 0.166 і 0.128 кг. Тиск наддуву на режимі номінальної потужності стабілізується і дорівнює 0.149 МПа, максимальна температура газів не перевищує 650 оС.

З рис. 5 видно, що перехідний процес в дизелі з ХОТ має кращі динамічні характеристики в порівнянні з газотурбінним наддувом. Так, номінальна частота обертання колінчастого вала при 100% накиді навантаження і максимальній подачі палива для системи наддування з ХОТ досягається за 29 секунд, а для газотурбінного наддуву за 33 секунди.

Таким чином, розрахунково – експериментальними дослідженнями доведено доцільність використання запропонованої системи регулювання наддуву ДВЗ з ХОТ, яка дозволяє поліпшити техніко-економічні і динамічні показники на перехідних режимах та обгрунтовано намічати шляхи підвищення ресурсу роботи двигуна в умовах експлуатації.

В И С Н О В К И

1. Обгрунтовані переваги і доцільність використання хвильового обмінника тиску (ХОТ) як агрегату наддуву на двигунах автотракторного типу. Розроблені макетні зразки ХОТ для автотракторних дизелів.

2. Розроблена методика експериментальних досліджень ХОТ з метою вибору раціональних конструктивних і режимних параметрів. Виготовлений і запатентований стенд для безмоторних і моторних досліджень ХОТ.

3. Виконане комплексне розрахунково-експериментальне дослідження, у результаті якого встановлені залежності робочих характеристик ХОТ від його конструктивних та режимних параметрів, що дозволило досягти необхідних показників робочого процесу. Розроблена теоретична модель робочих процесів ХОТ.

4. Розроблена і захищена охоронними документами конструкція обмінника тиску, ливарна форма для виготовлення роторів ХОТ і системи регулювання наддуву двигуна.

5. Розроблена розрахунково-експериментальна методика дослідження спільної роботи ДВЗ з ХОТ і системою регулювання наддуву.

6. Визначена динамічна характеристика пневматичного регулятора тиску перепускного клапана, яка підтверджує можливість його застосування у системах регулювання наддуву автотракторних дизелів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА

ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рябикин В. Г., Мурашов В. Н., Манойло В. М. Методика расчета волнового обменника давления на базе нестационарной газовой динамики одномерного потока // Повышение технического уровня сельскохозяйственных агрегатов. – Киев: УСХА, 1989.- С.82-86.

2. Манойло В.М. Система всережимного регулирования наддува автомобильного дизеля // Двигатели внутреннего сгорания. – Харьков: ХГПУ, 1997. - Вып. 56-57. - С. 197-203.

3. Куценко А.С., Манойло В.М. Математическое моделирование переходных процессов в регулируемой системе “ДВС- волновой обменник давления” // Автомобильный транспорт. - Харьков: ХГАДТУ, 2001. - Вып. 6. - С. 59-61.

4. Волновой обменник давления. А. с. 1590694 СССР, МКИ F04 F11/02 / В. Г. Рябикин, В. Н. Мурашов, В. М. Манойло (СССР) -№ 4627642/31-29; Заявлено 14.11.88; Опубл. 07.09.90, Бюл. №33. – 4 с.

5. Устройство для регулирования системы наддува двигателя внутреннего сгорания. А.с. 1710800 СССР, МКИ F02 B37/00, F02 D23/00 / В. Г. Рябикин, В. М Манойло, В. Н. Мурашов и Н. А. Ковалев, (СССР) -№ 4793513/06; Заявлено 21.02.90; Опубл. 07.02.92, Бюл. №5. – 14 с.

А Н О Т А Ц І Ї

Манойло В.М. Поліпшення характеристик автотракторних дизелів з хвильовим обмінником тиску. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - теплові двигуни. - Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2001.

На основі аналізу можливих шляхів поліпшення характеристик автотракторних ДВЗ показана доцільність застосування в системі наддуву двигуна хвильового обмінника тиску і системи регулювання.

Обгрунтовано вибір принципової схеми системи регулювання наддуву дизеля з ХОТ. Створені макетний зразок нагнітача з комплектом торцевих плит, вузли системи регулювання наддуву ДВЗ, стенди для дослідження робочого процесу обмінника тиску, а також вузли системи регулювання наддуву.

Виконані експериментальні дослідження витратних характеристик ХОТ.

Проведено експериментальні дослідження спільної роботи двигуна з хвильовим обмінником тиску на сталих режимах.

Розроблена нелінійна математична модель і методика розрахунково-експериментального дослідження спільної роботи системи регулювання наддуву двигуна з хвильовим обмінником тиску.

Результати роботи передані для практичного використання на підприємства ВАЗ, ГСКБД, НАМІ, ГАЗ.

Подано результати розрахунково - експериментального дослідження перехідних процесів системи регулювання наддуву двигуна з ХОТ.

Ключові слова: хвильовий обмінник тиску, система регулювання наддуву ДВЗ, поліпшення характеристик дизеля з ХОТ.

Манойло В.М. Улучшение характеристик автотракторных дизелей с волновым обменником давления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - тепловые двигатели. Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2001.

На основе анализа возможных путей улучшения характеристик автотракторных ДВС показана целесообразность применения в системе наддува двигателя волнового обменника давления и пневматической системы регулирования наддува.

Обоснован выбор принципиальной схемы системы регулирования наддува дизеля с ВОД.

Созданы: макетный образец нагнетателя с комплектом торцевых плит, узлы системы регулирования наддува ДВС, стенды для исследования рабочего процесса обменника давления, а также узлов системы регулирования наддува и их совместной работы на дизеле.

Разработана методика проведения экспериментальных исследований ВОД и узлов системы регулирования наддува ДВС.

Выполнены экспериментальные исследования рабочего процесса ВОД. Установлены рациональные геометрические параметры проточной части ВОД, углы открытия и закрытия каналов газа и воздуха высокого давления. Определены геометрические параметры ВОД, улучшающие процесс наполнения и продувку ячеек ротора нагнетателя: толщины перемычек между каналами ВВД и ГВД, а также газовым и продувочным “камерами”. Обоснован выбор геометрии конструктивных элементов агрегата наддува (улучшающих процесс сжатия в нагнетателе), открывающих и закрывающих кромок “камеры” предварительного сжатия относительно открывающих кромок каналов ВВД и ГВД, их пространственного расположения и увязка с геометрическим профилем канала газа высокого давления. Рационально выбрано количество лопаток в нагнетателе и определена конфигурация геометрического профиля ячейки ротора, улучшающая процесс формирования и уплотнения воздушного заряда в обменнике давления.

Разработана упрощенная теоретическая модель ВОД, позволяющая разделить рабочий процесс ВОД на одиннадцать элементарных участков согласно расположению конструктивных элементов в нагнетателе и оценить влияние каждого участка на РП агрегата наддува.

Результаты работы переданы для практического использования на предприятия ВАЗ, ГСКБД, НАМИ, ГАЗ.

Разработана и защищена охранными документами конструкция стенда, волнового обменника давления, литьевая форма для изготовления роторов ВОД и системы регулирования наддува ДВС.

Выполнены экспериментальные исследования совместной работы двигателя с ВОД на установившихся режимах.

Разработаны нелинейная математическая модель и методика расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов совместной работы системы регулирования наддува двигателя с ВОД.

Выполнены экспериментальные исследования узлов системы регулирования наддува двигателя.

Представлены результаты сравнительных исследований переходных процессов систем наддува двигателя с волновым обменником давления и ТКР. Даны рекомендации по организации рабочего процесса в системе регулирования наддува дизеля с волновым обменником давления.

Ключевые слова: волновой обменник давления, система регулирования наддува ДВС, улучшение характеристик дизеля с ВОД.

Manoilo V.M. Improvement of performance of autotractor diesel engines coupled with a comprex. - Manuscript.

Thesis for the academic degree of Candidate of Engineering Sciences, in speciality 05.05.03 - Thermal Engines.- National Polytechnic University "Kharkov Polytechnic Institute", Kharkov, 2001.

Based on the analysis of possible ways to improve autotractor internal- combustion engine performance, the expediency to use the comprex controlled charging in charging system has been shown.

The selection of the basic chart for a diesel-engine charging control system coupled with the comprex has been substantiated, a scaled model of a supercharger with a package, of end plates, units of internal - combustion engine charging control system as well as engine test rigs to investigate into operational processes in the comprex, units of a charging control system and to exercise their joint service in a diesel engine.

Experiments to test the joint service of the comprex-coupled engine have been done. Methods and computation-test pattern of the joint service of the comprex-coupled engine and the charging control system have been created. The results of the investigation have been sent to be implemented at the factory of VAZ production association. The results of computations and tests for the comprex, units of the charging control system and their joint service in a diesel engine have been presented.

Key words: comprex, charging control system of internal - combustion engine; improvement of performance of comprex- coupled diesel engines.

Відповідальний за випуск к.т.н., доц. О.І. Воронков

Підписано до друку 15.03.2002 Формат 60х90 /16. Папір офсетний

Віддруковано на ризографі Обсяг 0,8 автор. арк.

Зам.№ Тираж 100 прим. Ціна договірна

________________________________________________________________

Адреса редакції видавця та поліграфпідприємства

ХНАДУ, 61002, Харків-2, вул. Петровського, 25

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Редакційно-видавничий відділ