Гуменчук Михайло Іванович

удк 621. 436

ВИЗНАЧЕННЯ РАЦіОНАЛЬНИХ паРАметрів подачі повітря

в дизелі з газотурбінним наддувом

Спеціальність 05.05.03 – Теплові двигуни

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Двигуни і теплотехніка” Національного транспортного університету (НТУ) Міністерства освіти і науки України, м. Київ

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Лісовал Анатолій Анатолійович,

Національний транспортний університет,

доцент кафедри "Двигуни і теплотехніка".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

професор Головчук Андрій Федорович,

Дніпропетровський державний аграрний університет.

завідувач кафедри “Сільськогосподарські машини”;

кандидат технічних наук, старший наук. співробітник

Ковальов Сергій Олександрович,

“Державний автотранспортний науково-дослідний

і проектний інститут” (ДП “ДержавтотрансНДІпроект”),

заступник завідувача лабораторії дослідження використання палив та екології.

Провідна установа: Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України,

кафедра “Двигуни внутрішнього згоряння”, м. Харків.

Захист відбудеться “24” червня 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.059.03 в Національному транспортному університеті за адресою: 01010, м. Київ, вул. Суворова,1, аудиторія 333.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного транспортного університету за адресою: 01103, м .Київ, вул. Кіквідзе, 42.

Автореферат розісланий “18” травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Матейчик В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На автомобільних дизелях все частіше застосовують газотурбінний наддув і проміжне охолодження повітря, що наддувається. Одним із способів покращення енергетичних і екологічних показників таких дизелів є покращення характеристик газотурбінного наддуву, особливо в зоні від мінімально стійкої частоти обертання колінчастого вала до частоти обертання за максимального крутного моменту. Дослідження в цьому напрямку показують, що досягти цього можна застосувавши регульований наддув. Крім того, вважається, що застосування систем регульованого газотурбінного наддуву входить до комплексу заходів створення дизелів, які задовольняли б європейські норми токсичності.

Створення ефективних і надійних систем автоматичного регулювання тиску наддуву, актуальна, але складна задача і вимагає попереднього дослідження.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу тиску наддуву на зовнішню швидкісну характеристику автомобільного дизеля для покращення енергетичних, паливно-економічних показників і зменшення димності ВГ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з виконанням держбюджетних тем: №25 “Покращення паливної економічності та екологічних показників транспортних засобів вдосконаленням систем живлення та регулювання їх двигунів” № ДР 0103U000431 - 2003р., 2004р.; двох кафедральних тем: “Дослідження і удосконалення систем живлення і регулювання транспортних засобів” № ДР 0103U000628 - 2002р. та К01-05-1 “Дослідження та розробка методів підвищення паливної економічності та зниження шкідливих викидів транспортних засобів в процесі створення двигунів та в умовах експлуатації” № ДР 0103U008563-2003р., 2004р.

Мета дослідження. Метою роботи є покращення енергетичних, паливно-економічних показників автомобільного дизеля з газотурбінним наддувом і зменшення димності ВГ за зовнішньою швидкісною характеристикою.

Відповідно до мети дослідження у дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

1. Огляд і аналіз існуючих способів регулювання тиску надуву для покращення паливо - економічних і енергетичних показників дизеля.

2. Аналіз зовнішньої швидкісної характеристики дизеля СМД-23.07 і вибір способу її покращення.

3. Уточнення математичної моделі САРЧ дизеля з газотурбінним наддувом. Визначення експериментальних характеристик ланок САРЧ для уточненої математичної моделі. Перевірка адекватності

4. Проведення розрахункових досліджень на уточненій математичній моделі для визначення впливових параметрів системи подачі повітря.

5. Проведення експериментальних досліджень для визначення раціонального місця зменшення площі прохідного перерізу турбіни і зроблених висновків.

6. Розроблено рекомендації щодо вибору раціональних показників системи подачі повітря.

Об’єкт дослідження - процеси в системі подачі повітря дизеля з газотурбінним наддувом та вплив її параметрів на зовнішню швидкісну характеристику.

Предмет дослідження - вплив тиску наддуву на енергетичні, паливно-економічні показники дизеля з газотурбінним наддувом і зменшення димності ВГ за зовнішньою швидкісною характеристикою.

Методи дослідження – математичне моделювання системи автоматичного регулювання (САРЧ) дизеля з газотурбінним наддувом; експериментальне визначення навантажувальних і швидкісних характеристик дизеля; експериментальне визначення характеристик паливного насоса високого тиску (ПНВТ); планування багатофакторного експерименту.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уточнено динамічну математичну модель дизеля з газотурбінним наддувом в якій враховані експериментальні характеристики ланок САРЧ. Моделювання САРЧ дизеля дозволило створити різні варіанти регулювання циклової подачі палива для формування зовнішньої швидкісної характеристики.

2. Визначено за результатами дослідження на математичній моделі вплив зміни площі прохідного перерізу турбіни (Fт) і резерви поліпшення зовнішньої швидкісної характеристики автомобільного дизеля.

3. Експериментально визначено зону в безлопатевій проточній частині турбіни, де найбільш ефективно можна регулювати площу поперечного перерізу.

Практичне значення одержаних результатів складають:

1. програма розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики дизеля за вдосконаленою математичною моделлю САРЧ дизеля СМД-23.07 з газотурбінним наддувом для ПЕОМ.

2. Експериментальні дані впливу тиску наддуву на енергетичні, паливно-економічні показники дизеля та димність ВГ.

3. Параметри регулювання негативного коректора паливоподачі за зменшеного прохідного перерізу турбіни ТКР.

4. Рекомендації для розроблення систем автоматичного регулювання тиску наддуву.

Результати дослідження прийняті до впровадження в Науково – технічному центрі “Головне спеціалізоване конструкторське бюро по дизелям середньої потужності” ТОВ (м. Харків).

Особистий внесок здобувача. Опрацьовано і виконано аналіз літературних джерел. Обладнано моторну установку датчиками і приладами для дослідження системи подачі повітря 1. Отримано вихідні дані дизеля СМД-23.07 з газотурбінним наддувом для уточнення математичної моделі 2, . Уточнено математичну модель. Визначено апроксимуючі коефіцієнти рівнянь руху дизеля СМД-23.07, рівняння ПНВТ та інших ланок САРЧ 6, 7, 8. Проведено розрахункові дослідження на ПЕОМ впливу зміни площі прохідного перерізу турбіни в турбокомпресорі ТКР-7,5ТВ02 5. Виготовлено дослідні пристрої для зміни площі прохідного перерізу турбіни. Участь в проведенні експериментального дослідження за різних площ прохідного перерізу турбіни 3. Визначено вплив коректорів паливоподачі на показники дизеля за зміненої площі прохідного перерізу турбіни. Виконано аналіз розрахункових і експериментальних досліджень.

Апробація результатів роботи. Основні положення та висновки роботи були предметом обговорення на: конференціях професорсько-викладацького складу і студентів НТУ в м. Києві в 2001...2004 р.; II і IV Міжнародних конференціях КДПУ в м. Кременчуці в 2002р. і 2004р.; XV міжнародній конференції SAKON 04 в м. Жешеві (Польща) в 2004р.; V міжнародній конференції ВДАУ в м. Вінниці в 2004р.; науково–практичній конференції в ДП “ДЕРЖАВТОТРАНСНДІПРОЕКТ” в м. Києві в 2003р.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у дев’яти роботах, сім з яких - у фахових виданнях, дві – у матеріалах конференцій, дві тези доповідей.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 156 сторінок, у тому числі 54 рисунків, 6 таблиць, 8 додатків, список використаних джерел включає 106 найменувань, з них 10 іноземних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі наведено обґрунтування обраної теми, її актуальності, зв’язок теми дисертаційної роботи з науковими держбюджетними темами, з формульовано мету і задачі досліджень, їх наукова новизна та практичне значення, визначено об’єкт та предмет дослідження.

У першому розділі на основі праць Долганова К.Є., Сімсона А.Е., Шеховцова А.Ф., Ханіна Н.С., Головчука А.Ф., інших вчених та досвіду закордонних фірм, що виробляють агрегати наддуву, зроблено огляд і аналіз результатів досліджень систем покращення енергетичних паливо–економічних та екологічних показників дизеля. Встановлено способи покращення енергетичних показників і зниження димності ВГ дизеля вдосконаленням системи наддуву. Визначено напрямки, методи й засоби дослідження.

Перспективним покращенням системи газотурбінного наддуву є автоматичне регулювання тиску наддуву. Зменшення площі прохідного перерізу соплового апарату турбіни за певних швидкісних режимів, приводить до підвищення тиску газів перед турбіною, а звідси збільшується швидкість ВГ, що створює більший крутний момент на колесі турбіни і сприяє підвищенню потужності на валу ТКР і більш інтенсивному розганянню агрегату наддуву.

Аналіз способів регулювання газотурбінного наддуву показав, що для автотракторних дизелів найбільш доцільно використовувати регулювання зміною площі прохідного перерізу безлопатевого соплового апарату турбіни.

Аналіз режимів роботи дизелів з газотурбінним наддувом показав, що необхідно покращувати показники газотурбінного наддуву в діапазоні від мінімально стійких обертів колінчастого вала дизеля до частоти обертання максимального крутного моменту за зовнішньою швидкісною характеристикою дизеля.

У другому розділі описано дизель СМД-23.07 як об’єкт експериментальних досліджень. Автомобільні дизелі працюють за зовнішньою швидкісною характеристикою в широкому інтервалі частот обертання, починаючи від 900...1000 хв–1 до номінальної частоти обертання. Для забезпечення хорошої динаміки автомобіля необхідно, щоб крутний момент дизеля при цьому був достатньо великим. В той же час, паливна економічність дизеля на цих режимах не повинна значно погіршуватися, а димність відпрацьованих газів виходити за допустимі стандартами межі.

Визначено особливості зовнішніх швидкісних характеристик автомобільних дизелів з ГТН. Аналіз зовнішньої швидкісної характеристики дизеля СМД-23.07 з газотурбінним наддувом показав, що необхідно покращувати її в зоні низьких та середніх частот обертання колінчастого валу . Одним з шляхів підвищення тиску наддуву є збільшення частоти обертання ротора турбокомпресора, шляхом зміни площі прохідного перерізу турбіни.

Направляючий безлопатевий апарат турбіни типу ТКР-7,5ТВ02 це гвинтовий канал, який поступово зменшується в поперечному перерізі. Створено конструкції дослідних пристроїв для зменшення площі прохідного перерізу турбіни турбокомпресора.

Дослідні пристрої закріплювалися між випускним колектором і проточною частиною турбіни ТКР. Пристрій №1 мав невелику висоту зменшував площу вхідного отвору на 23%, пристрій №2 зменшував площу поперечного перерізу на 7 %, огинав віддалену стінку проточної частини до найвищої точки, кінці пристроїв були загнуті. З пристроями №1 і №2 проведено попередні випробовування, що надали можливість визначити найбільш раціональне місце зменшення проточної частини турбіни.

дослідний пристрій №3 зменшував площу прохідного перерізу соплового апарату турбіни на відстані 116 мм від входу. Пристрій входив в середину турбіни огинаючи віддалену стінку і на кінці був загнутий. На вході в проточну частину турбіни перекриття отвору було мінімальне.

Пристрій для зменшення площі прохідного перерізу з обох боків ущільнюється двома метало-азбестовими прокладками турбокомпресора. З пристроєм №3, який закріплювався між колектором і турбіною, визначалися зовнішні швидкісні характеристики дизеля СМД-23.07.

При розробці та вдосконаленні систем автоматичного регулювання двигунів все частіше використовують розрахункові дослідження систем автоматичного регулювання частоти обертання дизеля, щоб зменшити час проектних робіт.

Третій розділ присвячений уточненню динамічної математичної моделі, яка була раніше розроблена на кафедрі “Двигуни і теплотехніка”, НТУ. Для цього в математичній моделі враховано характеристики дизеля СМД-23.07, систем повітропостачання і паливоподачі та охолоджувача повітря, що наддувається. В динамічних математичних моделях враховують інерційність ланок САРЧ.

За останній час широкого розповсюдження отримав метод складання динамічних математичних моделей САРЧ дизелів на основі використання дослідних статичних характеристик ланок, що входять до неї. Дослідні статичні характеристики апроксимуються відповідними алгебраїчними рівняннями, як правило, поліномами першого, другого та третього степеня. Приймається припущення, що характеристики ланок САРЧ, отримані в усталених режимах, справедливі і для перехідних процесів. Накопичений досвід наукової школи професора Долганова К.Є. підтверджує правомірність цього припущення. Отримані таким методом математичні моделі використовують для визначення швидкісних характеристик дизеля з наддувом, з почерговою імітацією перехідних режимів і виходом на новий усталений режим.

Математична модель включає в себе систему диференціальних, алгебраїчних рівнянь і нерівностей з граничними умовами. систему рівнянь розв’язують на ПЕОМ з використанням числового методу інтегрування систем диференціальних рівнянь (метод Рунге – Кутта - Фельдберга).

Інерційні ланки САРЧ описують диференціальні рівняння:

дизель

= (Мі - Мм - Мнав); (1)

впускний трубопровід перед охолоджувачем повітря

= (Gк - Gпов) ; (2)

випускний трубопровід

= (Gr – Gтr) ; (3)

турбокомпресор

= (Мт - Мк - Мм. тк); (4)

регулятор частоти обертання

dz/dt =А; (5)

dA/dt= ц--р/ . (6)

Безінерційними прийнято ланки САРЧ:

охолоджувач повітря

p/к= pк apк G2пов; (7)

Т/к= Тк - Тк; (8)

паливна апаратура, кг/цикл

qц = Кппал(Vц). (9)

У рівняннях математичної моделі прийняті такі позначення: nд - частота обертання колінчастого валу дизеля, хв-1; Іп- зведений до колінчастого валу дизеля момент інерції рухомих мас, Нмс2; Мі - індикаторний крутний момент дизеля, Н·м; Мм - момент механічних втрат в дизелі, Н·м; Мнав - момент навантаження на дизель, Н·м; pк , p/к- тиск наддуву після компресора та після охолоджувача, кПа; Gк , Gпов - годинна витрата повітря компресором та дизелем, кг/год; nвп- показник політропи стискання повітря у впускному трубопроводі; Vвп- об’єм впускного трубопроводу перед охолоджувачем повітря, м3; к - густина повітря після компресора, кг/м3; Тк, Т/к - температура повітря, що наддувається після компресора та після охолоджувача, К; Gr ,Gтr - годинна витрата ВГ турбіною та дизелем, кг/год; nвип - показник політропи розширення ВГ у випускному колекторі; Vвип- об’єм випускного колектора, м3; тr - густина ВГ, кг/м3; nтк - частота обертання ротора ТКР, хв-1; Мт, Мк, Мм. тк- крутний момент турбіни, момент опору компресора, момент механічних втрат в турбокомпресорі, Н·м; qц - циклова подача палива,  кг/цикл; Кп -коефіцієнт подачі ПНВТ; пал - густина палива, кг/м3; Vц - об’ємна циклова подача ПНВТ, мл/цикл; ц,,р ,, - приведені до муфти регулятора відповідно підтримуюча та відновлювальна сили, Н, коефіцієнт в’язкого тертя, Нс/м, маса регулятора, кг, та сила сухого тертя, Н.

Щоб отримати статичну характеристику на динамічній моделі поступово змінюють навантаження за постійного положення органу керування дизелем і роблять витримку в часі, поки всі ланки САРЧ не ввійдуть в усталений режим. Фіксують показники всіх параметрів в цьому режимі й знову змінюють навантаження. Так повторюють в межах всієї характеристики. Крім цього, важливою перевагою уточненої динамічної математичної моделі є: можливість врахування всіх суттєвих та несуттєвих нелінійностей; охоплення практично всього діапазону швидкісних та навантажувальних режимів роботи дизеля.

У четвертому розділі наведено програму та методику експериментальних досліджень. Метою експериментальних досліджень було отримання вихідних даних, що необхідні для визначення коефіцієнтів апроксимуючих рівнянь, які описують дослідні характеристики ланок САРЧ, перевірка адекватності математичної моделі та перевірка правильності вибору раціональних параметрів системи подачі повітря і палива.

Дослідження проведено у 2 етапи: на безмоторній установці і на дизелі 4ЧН12/14(СМД-23.07), що встановлений на гальмівному стенді KS-56-4.

швидкісну характеристику ПНВТ визначено в діапазоні частот обертання кулачкового вала 200...1000 хв-1 з інтервалом 50...100 хв-1.

За цими даними було отримано апроксимуючі коефіцієнти і отримано поліном, який описує характеристику циклової подачі ПНВТ

Vц = -65,622+0,10426nн+25,741hн-0,5830810-4 n2 н +

+0,13588 h2н -0,6583010-2 nн hн, (10)

де nн - частота обертання кулачкового вала ПНВТ;

hн - координата переміщення рейки ПНВТ.

для отримання залежностей Mе= Mе (qц, pк) визначено навантажувальні характеристики за сталих значень nд 2000, 1800, 1600, 1400, 1200 хв-1 відповідно плану експерименту.

Зовнішня швидкісна характеристика визначена в інтервалі частот від 1000 хв-1 до максимальної частоти обертання холостого ходу, яку підтримує регулятор частоти обертання.

Швидкісну характеристику умовних механічних втрат безпосередньо дизеля визначено методом провертання вала прогрітого дизеля гальмівним електричним стендом в діапазоні частот 800…2000 хв-1. Подачу палива за цих умов було вимкнуто, турбокомпресор з дизеля знято. Момент умовних механічних втрат визначено за шкалою динамометричних терезів стенда. Отриману залежність Mм= Mм (nд) описано рівнянням

Mм =35,2+0,0196·nд +1,13289·10-5·n2д. (11)

Експериментальні дослідження показали (рис. 1), що при qц,<7,2·10-5 кг/цикл інтервал I і nд <1600 хв-1 індикаторний крутний момент Mі залежить від двох параметрів: qц,та nд, а при nд >1600 хв-1 – тільки від qц,. За значень qц,7,2·10-5 кг/цикл інтервал II Mі залежить вже від трьох параметрів: qц, pк, nд.

В інтервалі I за nд <1600 хв-1 досліди проводились за планом експерименту для 13- ти точок. Отримано поліном

Mі =а0+а1 qц + а2 nд + а3 q2ц + а4 n2д +а5 nд qц, (12)

де а0, а1,…,а5 - коефіцієнти апроксимації.

Для інтервала I, але за nд 1600 хв-1 отримано наступний поліном

Mі =b0+b1 qц + b2 q2ц, (13)

де b0, b1, b2, - коефіцієнти апроксимації.

В інтервалі II застосовано план експерименту для 15-ти точок. Отримано такий поліном

Mі =c0+c1 qц + c2 pк2 + c3 nд + c4q2ц + c5 p2 к2 +c6 n2д + c7 qц p к2 +c8 nд qц+ c7 p к2 nд, (14)

де c0, c1…c9 - коефіцієнти апроксимації.

Рис. 2. Графік димності ВГ

Встановлено, що димність відпрацьованих газів дизеля СМД-23.07 (рис. 2) залежить від коефіцієнта надміру повітря. Отримано математичний вираз, який достатньо точно описує цю залежність

. (15)

Температура ВГ на вході в турбіну залежить від циклової подачі палива qц і описуються (16).

Витрата повітря компресором залежить від двох параметрів – це тиск наддуву після компресора та частоти обертання ротора турбокомпресора 

=323,0+0,62152·107· qц -0,109848·1011· q2ц. (16)

Температура повітря після компресора залежить від циклової подачі палива qц і частота обертання ротора турбокомпресора . Тоді температура повітря на вході в компресор залежить від циклової подачі палива qц. Отримано залежності =, =, =( qц):

=1,4221 - 0,10627·10-4· - 0,32296·10-5· - 0,52949·10-10·+

+ 0,27394·10-11· + 0,17181·10-9··; (17)

= 303,45 + 0,93324·105· qц + 0,67719·10-3· + 0,6595·107· +

+0,22139·10-8·; (18)

=299,5 + 0,85·105· qц - 0,3125·109·. (19)

Перевірку адекватності рівнянь (10)...(19) математичної моделі здійснено на несенням експериментальних точок на розрахункові криві. Отримано добре співпадання. Співставлення розрахункової зовнішньої швидкісної характеристики дизеля з експериментальною дозволило зробити висновок, що математичну модель можна використовувати для дослідження систем подачі повітря і палива дизеля СМД-23.07.

У п’ятому розділі наведено результати розрахункових досліджень виконаних на уточненій динамічній математичній моделі САРЧ дизеля СМД-23.07 з газотурбінним наддувом та описано експериментальні дослідження системи подачі повітря.

Використовуючи методику співставлення експериментальних і розрахункових кривих частоти обертання ротора ТКР, було визначено значення параметру ефективності імпульсної турбіни для турбокомпресора ТКР-7,5ТВ02. Параметр ефективності імпульсної турбіни включає в себе добуток ККД турбіни на коефіцієнт імпульсності, що враховує використання енергії імпульсів ВГ на вході в турбіну. Результати розрахунку параметру ефективності імпульсної турбіни наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Значення параметра ефективності імпульсної турбіни для дизеля СМД-23.07 з газотурбінним наддувом

nд, хв-1 | 1000 | 1200 | 1400 | 1600 | 1800 | 2000

0,897 | 0,818 | 0,752 | 0,712 | 0,695 | 0,678

Дослідження на математичній моделі впливу зміни площі прохідного перерізу турбіни (мFт) в межах всієї зовнішньої швидкісної характеристики показали, що найдоцільніше зменшувати значення мFт в межах від 10% до 30%. У разі зменшення мFт менше 10%, змін зовнішньої швидкісної характеристики не відбувається, а при зменшені мFт більш як на 30% веде до значного підвищення температури ВГ перед турбіною, що негативно впливає на температурний режим деталей циліндро–поршневої групи. Покращувати зовнішню швидкісну характеристику необхідно в діапазоні частот обертання колінчастого вала дизеля nд =1000…1600 хв-1 .

В досліджуваному діапазоні nд =1000…1600 хв-1 проведено розрахунки з різними значеннями зменшення мFт в межах 10%…30% за частоти обертання колінчастого вала nд =1000 хв-1. Для значень мFт=13,1% в діапазоні nд =1000…1600 хв-1 та мFт=29,2% в діапазоні nд =1000…1750 хв-1 розраховані зовнішні швидкісні характеристики і показані на рис. 3 . За частоти обертання nд =1000 хв-1 ефективний крутний момент збільшився з 518 НIм до 544 НIм. В свою чергу за тієї ж частоти зростає потужність з 54,8 кВт до 60,2 кВт. питома витрата палива за частоти обертання nд =1200 хв-1 знизилася з 227,5 г/(кВтIгод) до 219,6 г/(кВтIгод). Також спостерігається ділянка стабільного значення , яке не перевищує 219…220 г/(кВтIгод). Такі значення можна пояснити збільшенням коефіцієнту надміру повітря , який в діапазоні частот nд=1000…1600 хв-1 становить не менше =1,48. Збільшення коефіцієнту надміру повітря за даних умов значно вплинуло на димність , яка не перевищує 42,7%.

З рис. 3 видно, що зменшення площі прохідного перерізу турбіни (мFт) надає можливість збільшити тиск ВГ на вході в турбіну з 120 кПа до 171,1 кПа за частоти обертання колінчастого вала nд =1000 хв-1 і, як наслідок, зростання частоти обертання ротора турбокомпресора з 49 до 68 тис.хв-1. Підвищення частоти ротора турбокомпресора збільшило тиск наддуву після компресора до значень 160,3 кПа за nд=1000 хв-1.

Рис.3. Розрахункові зовнішні швидкісні характеристики дизеля СМД-23.07:

- при зменшенні площі прохідного перерізу мFт на 13,1%;

- при зменшенні площі прохідного перерізу мFт на 29,2%

Збільшення тиску наддуву в діапазоні nд=1000…1600 хв-1 дозволяє знизити температуру ВГ дизеля на 50 К. Таке зниження температури відпрацьованих газів відкриває можливість збільшення циклової подачі палива qц, що надасть змогу збільшити крутний момент і покращити динамічні властивості дизеля СМД-23.07. Досягти це можна виконавши відповідне регулювання регулятора частоти обертання паливного насоса високого тиску.

Проведено дослідження на математичній моделі за зменшеної площі прохідного перерізу турбіни та за різних регулювань коректорів. В зоні дії негативного корегування було збільшено циклову подачу палива qц.

на рис.4 показана зовнішня швидкісна характеристика дизеля СМД-23.07 отримана на математичній моделі з зменшенням площі прохідного перерізу турбіни (мFт) на 29,2% за частоти обертання дизеля =1000 хв-1 при вимк-неному негативному корек-торі. Порівняння проводи-лося з зовнішньою швидкі-сною характеристикою при тому ж зменшені площі прохідного перерізу, але з увімкненим негативним коректором. Збільшення циклової подачі qц на ділянці nд =1000…1600 хв-1 веде до збільшення потуж-ності з 52 кВт до 70 кВт, крутний момент на ділянці nд=1000…1500 хв-1 майже горизонтальний в межах від 670 Н·м до 698 Н·м. Зріс коефіцієнт надміру повітря і як результат - значення димності в усьому діапазоні зовнішньої швидкі-сної характеристики не перевищує допустимі межі.

Одним з негативних моментів за таких значень циклової подачі є надмірне зростання температури відпрацьованих газів перед турбіною турбокомпресора . Починаючи з nд=1567 хв-1 вона становить 946 К і зростає по мірі зменшення частоти обертання до 968 К. Таке зростання температури ВГ не допустиме. Також було проведено розрахункове дослідження дизеля СМД-23.07 з вимкненням негативного і позитивного коректорів паливоподачі, тобто регулятор налаштовано тільки на циклову подачу за номінальної потужності при частоті обертання колінчастого вала дизеля nд=2000 хв-1, а площа прохідного перерізу (мFт) зменшена на 21%. Отримано зростання крутного моменту і потужності , але температура відпрацьованих газів перед турбіною все одно перевищує допустимі межі. Тому на ділянці 1000...1200 хв-1 необхідно обмежувати циклову подачу.

на математичній моделі було проведено дослідження з вибору раціонального регулювання негативного коректора паливоподачі регулятора частоти обертання ПНВТ дизеля СМД-23.07. На рис.5 показано циклову подачу qц; штрих – пунктир-ною лінією позначено криву циклової подачі за заводського регулювання регулятора ПНВТ типу ЛСТН 410012, суцільною лінією показано криву циклової подачі при увімкненому тільки негативному коректорі за =1000…1200 хв-1. Така циклова подача палива забезпечує майже горизонтальний крутний момент по всій зовнішній швидкісній характеристиці, в діапазоні частот обертання колінчастого вала nд=1200…1800 хв-1. Димність знаходиться в межах допустимого значення, встановленого стандартами, для дизеля СМД-23.07 вона не перевищує 50%. Застосування негативного коректора паливоподачі зменшило максимальне значення температури ще на 15 К.

Проведено експериментальні випробовування з вияву впливу зменшення площі прохідного перерізу турбіни з дослідним пристроєм №3.

Для виявлення повних можливостей від застосування експериментального пристрою №3 спочатку в регуляторі було вимкнуто негативний коректор паливоподачі регулятора ПНВТ ЛСТНФ 410012. Як і очікувалося, це суттєво вплинуло на показники роботи дизеля і на роботу турбокомпресора особливо в діапазоні роботи негативного коректора за частот nд=1000…1500 хв-1. На цій ділянці зовнішньої швидкісної характеристики частота обертання ротора турбокомпресора змінювалася від 75000 до 82000 хв-1, тиск наддуву відповідно від 163 кПа до 176 кПа. На ділянці nд=1200…1550 хв-1 крива крутного моменту була майже горизонтальною і змінюється в діапазоні 691...701 Н·м. Коефіцієнт надміру повітря був не менше за =1,25. За номіналь-ного режиму роботи дизеля зменшення площі прохідного перерізу турбіни веде до зростання тиску перед турбіною до 266 кПа і відповідно підви-щується температура ВГ.

Дослідження дизеля СМД-23.07 за зменшеного прохідного перерізу турбіни було проведено і за вимкнених негативного і позитивного коректорів паливоподачі. У цьому разі, на відміну від серійного варіанта настройки, ПНВТ мав практично горизонтальну характеристику циклової подачі палива qц. Циклова подача ПНВТ в номінальному режимі майже співпадала з паспортними даними дизеля СМД-23.07. Зовнішня швидкісна характеристика за цих умов показана на рис. .

Ефективні показники дизеля в номінальному режимі майже не змінилися. Малу величину запасу крутного моменту можна пояснити відсутністю позитивного корегування паливоподачі.

Зменшення площі прохідного перерізу турбіни пристроєм №3 підвищило тиск на вході в газову турбіну на 34,5 кПа в середньому за зовнішньою швидкісною характеристикою дизеля та суттєво збільшило частоту обертання ротора турбокомпресора. Це призвело до зростання тиску наддуву після компресора на 9,3% за номінального режиму.

Найбільший ефект від зміни площі прохідного перерізу турбіни отримано в діапазоні частот обертання дизеля nд=1000…1600 хв-1, там де в серійному регуляторі ПНВТ вступає в дію негативний коректор паливоподачі. В діапазоні частот обертання nд=1400…1800 хв-1 отримано стабільне мінімальне значення питомої витрати палива =215 г/(кВт·год), проти =213 г/(кВт·год) тільки за частоти nд=1800 хв-1 з серійним регулюванням регулятора ПНВТ. Ефективна потужність дизеля в цьому швидкісному діапазоні зросла на 29,2 %.

Димність К відпрацьованих газів зменшилася в середньому на 23,2 %, але за частот обертання 1350 хв-1 вона більше допустимих норм для автомобільних дизелів. Слід зазначити, що за серійної комплектації дизель СМД-23.07 вже за частот обертання nд=1600 хв-1 мав димність вищу за допустимі норми.

Висновки

1. Аналіз існуючих систем регулювання наддуву для дизелів показав, що створення ефективних і надійних систем автоматичного регулювання тиску наддуву актуальна і складна задача, яка потребує попередніх досліджень. Дослідження впливу тиску наддуву на показники зовнішньої швидкісної характеристики дасть теоретичну і експериментальну основу для розробки автоматичної системи регулювання тиску наддуву.

Показники зовнішньої швидкісної характеристики дизеля СМД-23.07 необхідно покращувати в зоні низьких та середніх частот обертання колінчастого вала.

2. Уточнена динамічна математична модель в якій враховані характеристики: дизеля СМД-23.07; систем повітропостачання і паливоподачі; охолоджувача повітря, що наддувається та інших ланок САРЧ. Математична модель дозволяє детально дослідити зміну термічних та енергетичних параметрів робочого тіла в компресорі; газовій турбіні; у впускному та випускному колекторах; на виході з охолоджувача наддувочного повітря. Моделювання САРЧ дизеля дозволяє створити різні варіанти регулювання циклової подачі палива для формування зовнішньої швидкісної характеристики.

Підтверджено адекватність математичної моделі.

3. Дослідження на математичній моделі впливу зміни площі прохідного перерізу турбіни (мFт) на зовнішню швидкісну характеристику показали, що можна зменшувати значення мFт в межах від 10% до 30% за максимальних тисків наддуву = 0,2 МПа. Найдоцільніше зменшувати площу перерізу турбіни лише в діапазоні частот обертання колінчастого вала дизеля nд =1000…1600 хв-1 за значень мFт =13...29%.

4. Створено експериментальні пристрої для зменшення прохідного перерізу турбіни турбокомпресора. Визначено місце встановлення в безлопатевій проточній частині турбіни, де найбільш ефективно можна зменшувати площу поперечного перерізу. Для ТКР-7,5ТВ02 в середині проточної частини на відстані 116 мм від вхідного отвору турбіни.

5. Розрахункові дослідження впливу коректорів паливоподачі за зменшеної площі перерізу мFт показали, що за відсутності негативного корегування паливоподачі можна створити на зовнішній швидкісній характеристиці майже горизонтальну ділянку максимального крутного моменту 690…700 Н·м в межах nд=1200…1550 хв-1, а також розширити ділянку мінімальної питомої ефективної витрати палива (219 г/(кВтгод)) в межах nд=1400…1800 хв-1, максимальна димність ВГ при цьому не перевищує 50%. Проте встановлено, через обмеження температури на вході в турбіну, повністю відмовитись від негативного корегування паливоподачі не можна. Негативний коректор паливоподачі повинен працювати за частот обертання дизеля 1000…1200 хв-1.

6. Експериментальні дослідження за відсутності впливу коректорів паливоподачі показали, що зміна площі прохідного перерізу газової турбіни в турбокомпресорі є ефективним заходом для підняття тиску наддуву в компресорі за частоти nд=1200…1550 хв-1. крива крутного моменту майже горизонтальна - в межах 690…700 Нм, а також розширено ділянку мінімальної питомої ефективної витрати палива 215 г/(кВтгод) в межах nд=1400…1800 хв-1. Для зменшення димності відпрацьованих газів за малих і середніх частот обертання необхідно крім вдосконалення системи повітропостачання, покращувати систему паливоподачі.

7. Результати дослідження впливу тиску наддуву на зовнішню швидкісну характеристику рекомендовано моторобудівним заводам, проектно-конструкторським організаціям, при розробці та випробуванні ДВЗ і турбокомпресорів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Долганов К.Є., Лісовал А.А., Гуменчук М.І. Обладнання для моторних досліджень дизеля СМД-23.07 та його систем // Вісник ЦНЦ ТАУ. – 2002. - №5. – С. 40-42.

2. Лісовал А.А., Гуменчук М.І. Визначення швидкісних характеристик дизеля розрахунково-експериментальним методом // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2002. – Вип. 3 (14). – С. 97-99.

3. Долганов К.Є., Лісовал А.А., Гуменчук М.І. Моторні дослідження швидкісних характеристик дизеля // Вісник ЦНЦ ТАУ. – 2003.-№.6–С. 38-39.

4. Долганов К., Лисовал А., Гуменчук М. Особенности математической модели “САРЧ” дизеля с газотурбинным наддувом // Materaly XIV miedzynar. Konf. “ Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdуw samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych”.- Rzeczow (Polska). – 2003. – С. 51-54.

5. Долганов К.Є., Лісовал А.А., Гуменчук М.І., Костриця С.В. Швидкісні характеристики дизеля СМД-23.07 при зменшенні тиску наддуву // Автошляховик України. – Вісник. Окремий випуск. 2003. – С. 71-72.

6. Долганов К.Є., Лісовал А.А., Гуменчук М.І., Кір’янов С.А. Україні потрібні вітчизняні автобуси з вітчизняними малотоксичними дизелями // Автошляховик України. – Вісник. Окремий випуск. 2004. - №7. – С. 26-29.

7. Лисовал А., Долганов К., Гуменчук М. Аппроксимация характеристик автобусного дизеля СМД-23.07 для математической модели САРЧ дизеля // Materaly XV miedzynar. Konf. “ Metody obliczeniowe i badawcze w rozwoju pojazdуw samochodowych i maszyn roboczych samojezdnych”.- Rzeczow (Polska). – 2004. – С. 187-192.

8. Лісовал А.А., Гуменчук М.І. Визначення апроксимуючих залежностей характеристик дизеля СМД-23.07 для диференціального рівняння руху двигуна // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2004. – Вип. 4/2004 (27). – С. 116-118.

9. Долганов К.Е., Лисовал А.А., Гуменчук М.И. Улучшение внешней скоростной характеристики дизеля путем автоматического регулирования давления наддува // Авиационно – космическая техника и технология.- 2004.- № (15). С. 189-193.

АНОТАЦІЯ

Гуменчук М.І. Визначення раціональних параметрів подачі повітря в дизелі з газотурбінним наддувом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – теплові двигуни. – Національний транспортний університет, Київ, 2005.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу тиску наддуву на зовнішню швидкісну характеристику дизеля для покращення енергетичних, паливно-економічних показників і зменшення димності ВГ.

Проведено аналіз способів покращення показників зовнішньої швидкісної характеристики. Одним із способів є покращення параметрів газотурбінного наддуву застосуванням регульованого наддуву. Найбільш придатний спосіб регулювання - це внутрішнє регулювання зміною площі прохідного перерізу безлопатевої турбіни.

Уточнено динамічну математичну модель САРЧ дизеля з газотурбінним наддувом. Використовуючи метод співставлення експериментальних і розрахункових характеристик ТКР визначено параметр ефективності імпульсної турбіни. Проведено розрахункові дослідження з вияву впливу зміни площі прохідного перерізу турбіни на зовнішню швидкісну характеристику дизеля. Встановлено, що зменшувати площу прохідного перерізу слід на 10%…30% та в діапазоні частот 1000…1600 хв-1. Розроблено дослідні пристрої для експериментального дослідження впливу тиску наддуву на зовнішню швидкісну характеристику. Експериментальні дослідження проведено на дизелі СМД-23.07 з газотурбінним наддувом, який встановлено на гальмівний стенд і обладнано вимірювальною та реєструючою апаратурою. Результати моторних досліджень вказують, що зміна площі прохідного перерізу турбіни є ефективним заходом для підняття тиску наддуву в компресорі ТКР. Покращення відбувається в зоні частот 1000…1600 хв-1.

Ключові слова: дизель, газотурбінний наддув, турбокомпресор, регулювання, математична модель, паливоподача, повітропостачання.

АННОТАЦИЯ

Гуменчук М.И. Определения рациональных параметров подачи воздуха в дизеле с газотурбинным наддувом. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.05.03 – тепловые двигатели. – Национальный транспортный университет, Киев, 2005.

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния давления наддуву на внешнюю скоростную характеристику дизеля для улучшения энергетических, топливно-экономических показателей и уменьшения дымности ОГ.

Проведен анализ способов улучшения показателей внешней скоростной характеристики. Выбраны направления и способы улучшения – это улучшения параметров газотурбинного наддува применением регулированного наддува. Наиболее приемлемый способ регулирования это внутреннее регулирование изменения площади проходного сечения безлопаточной турбины.

Дизель СМД-23.07 выступает, как объект экспериментальных исследований. Определены особенности внешних скоростных характеристик дизелей с ГТН. Анализ внешней скоростной характеристики дизеля СМД-23.07 показал, что ее нужно улучшать в зоне низких и средних частот вращения коленчатого вала.

Изготовлены опытные устройства, которые позволяют уменьшить площадь сечения проточной части турбины ТКР.

Усовершенствовано динамическую математическую модель САРЧ дизеля с газотурбинным наддувом.

Целью экспериментальных исследований было получение исходных данных, необходимых для определения аппроксимирующих коэффициентов уравнений, которые описывают опытные характеристики звеньев САРЧ; проверка адекватности математической модели и проверка правильности выбора рациональных параметров системы подачи воздуха и топлива.

Программа моторных исследований дизеля СМД-23.07 включала в себя определение: скоростной характеристики механических потерь дизеля; нагрузочных характеристик при разных частотах вращения коленчатого вала, в соответствии с планом эксперимента; внешних и частичных характеристик дизеля с базовым турбокомпрессором и опытными устройствами для уменьшения площади сечения направляющего аппарата турбины; влияния корректоров топливоподачи на энергетические и экономические показатели дизеля СМД-23.07.

Параметр эффективности импульсной турбины определен методом сопоставления экспериментальных и расчетных характеристик ТКР. Проведены расчетные исследования по выявлению влияния изменения площади проходного сечения турбины на внешнюю скоростную характеристику дизеля. Установлено, что в диапазоне частот 1000…1600 мин-1 уменьшать площадь проходного сечения следует на 10%…30%. Расчетные исследования показали, что увеличение цикловой подачи на участке частот вращения дизеля 1000…1600 мин-1 ведет к улучшению энергетических, экономических и экологических показателей дизеля, но возникает проблема увеличения температуры ОГ перед турбиной. Необходимо использовать ограничение цикловой подачи в диапазоне частот 1000…1200мин-1.

Экспериментальные исследования проводились на дизеле СМД-23.07 с газотурбинный наддувом, установленном на тормозной стенд, оборудованным измерительной и регистрирующей аппаратурой. Моторные испытания подтвердили, что при уменьшенной площади проходного сечения турбины улучшения осуществляется в зоне частот 1000…1600мин-1.

Ключевые слова: дизель, газотурбинный наддув, турбокомпрессор, регулирование, математическая модель, топливоподача, воздухоснабжение.

SUMMARY

Gumenchuk M.I. Definition of rational parameters of submission of air in a diesel engine with turboharger. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.05.03 - heat engines. - National Transport University, Kyiv, 2005.

Dissertation work is devoted to research of influence of pressure of pressurisation on the external high-speed characteristic of a diesel engine for improvement of power, fuel-economic parameters and reduction smoke fulfilled gases.

The analysis of ways of improvement of parameters of the external high-speed characteristic is carried out. One of ways is the improvement of parameters turbocharger by application of the regulated pressurization. The most suitable way of regulation this internal regulation by change of the area of section of the directing device without blades of the turbine.

The dynamic mathematical model of a diesel with turbocharger is specified. Using a method of comparison of the experimental and settlement characteristics TKR parameter of efficiency of the pulse turbine is determined. The settlement researches on computer of influence of change of the area of section of the directing device of the turbine on the external high-speed characteristic of a diesel engine are carried out. Is established what to reduce the area of section of the directing device follows on 10%… 30 % and in a range of frequencies 1000 … 1600 min-1. The developed research devices for an experimental research of influence of pressure of pressurization on the external high-speed characteristic. The experimental researches were carried out on a diesel SMD-23.07 with turbocharger established on the brake stand and equipped measuring and recording equipment. The results of motor researches specify, that the change of the area of section of the directing device of the turbine is effectual measures for a raising of pressure the compressor TKR and the improvement occurs in a zone of frequencies 1000 … 1600 min-1.

Key words: a diesel engine, gas turbine pressurization, supercharger, regulation, mathematical model, fuel submission, air supplying.