Двигатель ВАЗ-11186 с турбонаддувом и системой охлаждения наддувочного воздуха
|
Аннотация 2
Введение 4
1 Применение компрессоров в двигателях внутреннего сгорания 6
1.1 Уменьшение размеров современного двигателя 6
1.2 Проблемы двигателя с турбонаддувом уменьшенного размера 10
1.3 Основы наддува и турбокомпрессоров 13
1.4 Охлаждение наддувочного воздуха 17
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 26
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 54
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 54
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 56
4 Анализ влияния охлаждения наддувочного воздуха на рабочий процесс ДВС с турбонаддувом 66
4.1 Влияния охлаждения наддувочного воздуха на максимальную температуру и давление цикла 66
4.2 Влияния охлаждения наддувочного воздуха на эффективные показатели цикла 70
Заключение 74
Список используемых источников 77
Введение 4
1 Применение компрессоров в двигателях внутреннего сгорания 6
1.1 Уменьшение размеров современного двигателя 6
1.2 Проблемы двигателя с турбонаддувом уменьшенного размера 10
1.3 Основы наддува и турбокомпрессоров 13
1.4 Охлаждение наддувочного воздуха 17
2 Тепловой расчет проектируемого двигателя 26
3 Кинематический и динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 54
3.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 54
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя 56
4 Анализ влияния охлаждения наддувочного воздуха на рабочий процесс ДВС с турбонаддувом 66
4.1 Влияния охлаждения наддувочного воздуха на максимальную температуру и давление цикла 66
4.2 Влияния охлаждения наддувочного воздуха на эффективные показатели цикла 70
Заключение 74
Список используемых источников 77
Поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) считается самым распространенным агрегатом применяемом в автомобилестроении. Изобретение ДВС поставило перед инженерами задачи по усовершенствованию, а именно, уменьшение удельного расхода топлива и показателей шумности, прибавка мощности и снижение выброса отработавших газов в атмосферу [1].
Бензиновые и дизельные двигатели используют турбонаддув. Дизельные двигатели, в которых применяется турбонаддув являются более эффективными в связи с особенностями - высокая степень сжатия и меньшая частота вращения коленчатого вала, против бензинового двигателя [3]. При применении турбонаддува в бензиновых двигателях появляется возможность детонации, она непосредственно связана с частотой оборотов коленчатого вала в двигателе. Вдобавок температура отработавших газов, у бензиновых ДВС находится в районе 1000°С, у дизелей 600°С, поэтому турбонаддува в бензиновых двигателях является сложной технической задачей.
Использование двигателей внутреннего сгорания для движения росло и до сих пор доминирует на рынке автомобильных перевозок. Этому есть много причин, в том числе:
I. высокая плотность энергии топлива, обеспечивающая увеличенный запас хода;
II. высокие удельные мощности двигателя и топливная экономичность;
III. относительная низкая стоимость производства и владения;
IV. надежность и прочность;
V. инфраструктура распределения топлива;
VI. простота хранения и обращения с топливом.
Двигатель с турбонаддувом обеспечивает более высокий крутящий момент в области низких скоростей по сравнению с атмосферными двигателем аналогичного размера. Когда двигатель работает на низких оборотах, но в области высокого крутящего момента, потери на продувку также могут быть уменьшены из-за замедленного открытия выпускного клапана. Поскольку потери на трение в двигателе являются функцией частоты вращения двигателя и нагрузки двигателя, при которой скорость двигателя вносит основной вклад в механические потери, тогда снижение скорости может помочь уменьшить потери на трение и привести к более эффективному режиму работы. Таким образом, требуемая мощность достигается в рабочих точках с более высоким КПД. Однако, поскольку одноступенчатые двигатели с турбонаддувом и наддувом имеют предельный крутящий момент в области низких скоростей по сравнению с атмосферными двигателями с аналогичным пиковым крутящим моментом и мощностью, это будет препятствовать развитию снижения скорости двигателя в легковом автомобиле.
Бензиновые и дизельные двигатели используют турбонаддув. Дизельные двигатели, в которых применяется турбонаддув являются более эффективными в связи с особенностями - высокая степень сжатия и меньшая частота вращения коленчатого вала, против бензинового двигателя [3]. При применении турбонаддува в бензиновых двигателях появляется возможность детонации, она непосредственно связана с частотой оборотов коленчатого вала в двигателе. Вдобавок температура отработавших газов, у бензиновых ДВС находится в районе 1000°С, у дизелей 600°С, поэтому турбонаддува в бензиновых двигателях является сложной технической задачей.
Использование двигателей внутреннего сгорания для движения росло и до сих пор доминирует на рынке автомобильных перевозок. Этому есть много причин, в том числе:
I. высокая плотность энергии топлива, обеспечивающая увеличенный запас хода;
II. высокие удельные мощности двигателя и топливная экономичность;
III. относительная низкая стоимость производства и владения;
IV. надежность и прочность;
V. инфраструктура распределения топлива;
VI. простота хранения и обращения с топливом.
Двигатель с турбонаддувом обеспечивает более высокий крутящий момент в области низких скоростей по сравнению с атмосферными двигателем аналогичного размера. Когда двигатель работает на низких оборотах, но в области высокого крутящего момента, потери на продувку также могут быть уменьшены из-за замедленного открытия выпускного клапана. Поскольку потери на трение в двигателе являются функцией частоты вращения двигателя и нагрузки двигателя, при которой скорость двигателя вносит основной вклад в механические потери, тогда снижение скорости может помочь уменьшить потери на трение и привести к более эффективному режиму работы. Таким образом, требуемая мощность достигается в рабочих точках с более высоким КПД. Однако, поскольку одноступенчатые двигатели с турбонаддувом и наддувом имеют предельный крутящий момент в области низких скоростей по сравнению с атмосферными двигателями с аналогичным пиковым крутящим моментом и мощностью, это будет препятствовать развитию снижения скорости двигателя в легковом автомобиле.
В бакалаврской работе проведен анализ влияния степени охлаждения наддувочного воздуха на рабочий процесс перспективного ДВС со средним турбонаддувом. Получены основные выводы по работе:
1. Показано, что для эффективной работы двигателя с наддувом необходимо осуществлять снижение тепловой напряженности деталей и термодинамического процесса сгорания за счет применения системы охлаждения наддувочного воздуха. Получено, что с при максимальной степени охлаждения наддувочного воздуха, эффективность процесса сгорания увеличивается не значительно, но при этом почти на 100 К снижается максимальная температура цикла, а для условий без охлаждения эта величина уже составляет 200 К, что принципиально важно для обеспечения бездетонационной работы двигателя. В тоже время не столь экстремальное снижение температуры до 40 ° С также имеет вполне жизнеспособные характеристики и не выходит за пределы устойчивой работы двигателя.
2. необходимость уменьшения угла опережения зажигания для условий слабого охлаждения наддувочного воздуха, а именно 50 С и более, что позволит провести перевод процесса сгорания в зону расширения с меньшими температурами. Иначе мы получаем повышенные значения по выбросам оксидов азота и риск возникновения детонационного сгорания.
Выводы по 1-му разделу
Проведенный обзор современного состояния двигателей с турбонаддувом показал значительные возможности улучшения характеристик двигателя за счет использования современных технологий охлаждения наддувочного воздуха.
Сравнение производительности новых концептов. Повышение производительности, которое достигается за счет новых концепций «предварительного охлаждения наддувочного воздуха» и «непрямого охлаждения наддувочного воздуха», можно увидеть в сравнении с преобладающими компактными охладителями наддувочного воздуха и более мощными охладителями плоского наддувочного воздуха. Значительно улучшено охлаждение наддувочного воздуха. Кроме того, падение давления наддувочного воздуха существенно снижается за счет непрямого охлаждения наддувочного воздуха. Охладители наддувочного воздуха для более высоких требований к стабильности.
Выводы по 2-му разделу
Тепловой расчет показал значительное влияние охлаждения наддувочного воздуха на мощностные и экономические характеристики работы двигателя. Получено, что для эффективного использования малолитражного двигателя даже со средним наддувом необходимо применять системы охлаждения наддувочного воздуха. Также необходимо контролировать условия воспламенения и горения при работе с наддувом для недопущения появления нарушения нормального процесса сгорания в виде детонации. Для этого следует контролировать максимальную температуру в процессе сгорания, как вариант — это применение систем анализа ионного тока проводимости в зоне свечи зажигания, где анализ плазмы за фронтом пламени покажет температурное состояние и своевременно контроля за процессом сгорания без детонации.
Выводы по 3-му разделу
Как мы видим повышение степени охлаждения наддувочного воздуха не приводит к принципиальному снижению нагрузок и принципиальным сложностям, связанным со снижением ресурса элементов кривошипно-шатунного механизма. Имеются локальные постоянные зоны повышенных нагрузок, с углом повышенного нагружения примерно в 40 градусов ПКВ. Узость зоны повышенных нагрузок позволяет, говорить об возможности эффективного локального упрочнения, что позволяет не повышать значительно габариты элементов КШМ. Применение наддува само по себе является значительным испытанием для элементов КШМ, а охлаждение наддувочного воздуха принципиально не снижает нагрузки. Охлаждение наддувочного воздуха в первую очередь влияет на условия тепловой напряженности в камере сгорания и условия образования очагов детонационного горения.
Выводы по 4-му разделу
Проведенный анализ показал, что для эффективной работы двигателя с наддувом необходимо осуществлять снижение тепловой напряженности деталей и термодинамического процесса сгорания за счет применения системы охлаждения наддувочного воздуха. Получено, что с при максимальной степени охлаждения наддувочного воздуха, эффективность процесса сгорания увеличивается не значительно, но при этом почти на 100 К снижается максимальная температура цикла, а для условий без охлаждения эта величина уже составляет 200 К, что принципиально важно для обеспечения бездетонационной работы двигателя. В тоже время не столь экстремальное снижение температуры до 40 °С также имеет вполне жизнеспособные характеристики и не выходит за пределы устойчивой работы двигателя.
1. Показано, что для эффективной работы двигателя с наддувом необходимо осуществлять снижение тепловой напряженности деталей и термодинамического процесса сгорания за счет применения системы охлаждения наддувочного воздуха. Получено, что с при максимальной степени охлаждения наддувочного воздуха, эффективность процесса сгорания увеличивается не значительно, но при этом почти на 100 К снижается максимальная температура цикла, а для условий без охлаждения эта величина уже составляет 200 К, что принципиально важно для обеспечения бездетонационной работы двигателя. В тоже время не столь экстремальное снижение температуры до 40 ° С также имеет вполне жизнеспособные характеристики и не выходит за пределы устойчивой работы двигателя.
2. необходимость уменьшения угла опережения зажигания для условий слабого охлаждения наддувочного воздуха, а именно 50 С и более, что позволит провести перевод процесса сгорания в зону расширения с меньшими температурами. Иначе мы получаем повышенные значения по выбросам оксидов азота и риск возникновения детонационного сгорания.
Выводы по 1-му разделу
Проведенный обзор современного состояния двигателей с турбонаддувом показал значительные возможности улучшения характеристик двигателя за счет использования современных технологий охлаждения наддувочного воздуха.
Сравнение производительности новых концептов. Повышение производительности, которое достигается за счет новых концепций «предварительного охлаждения наддувочного воздуха» и «непрямого охлаждения наддувочного воздуха», можно увидеть в сравнении с преобладающими компактными охладителями наддувочного воздуха и более мощными охладителями плоского наддувочного воздуха. Значительно улучшено охлаждение наддувочного воздуха. Кроме того, падение давления наддувочного воздуха существенно снижается за счет непрямого охлаждения наддувочного воздуха. Охладители наддувочного воздуха для более высоких требований к стабильности.
Выводы по 2-му разделу
Тепловой расчет показал значительное влияние охлаждения наддувочного воздуха на мощностные и экономические характеристики работы двигателя. Получено, что для эффективного использования малолитражного двигателя даже со средним наддувом необходимо применять системы охлаждения наддувочного воздуха. Также необходимо контролировать условия воспламенения и горения при работе с наддувом для недопущения появления нарушения нормального процесса сгорания в виде детонации. Для этого следует контролировать максимальную температуру в процессе сгорания, как вариант — это применение систем анализа ионного тока проводимости в зоне свечи зажигания, где анализ плазмы за фронтом пламени покажет температурное состояние и своевременно контроля за процессом сгорания без детонации.
Выводы по 3-му разделу
Как мы видим повышение степени охлаждения наддувочного воздуха не приводит к принципиальному снижению нагрузок и принципиальным сложностям, связанным со снижением ресурса элементов кривошипно-шатунного механизма. Имеются локальные постоянные зоны повышенных нагрузок, с углом повышенного нагружения примерно в 40 градусов ПКВ. Узость зоны повышенных нагрузок позволяет, говорить об возможности эффективного локального упрочнения, что позволяет не повышать значительно габариты элементов КШМ. Применение наддува само по себе является значительным испытанием для элементов КШМ, а охлаждение наддувочного воздуха принципиально не снижает нагрузки. Охлаждение наддувочного воздуха в первую очередь влияет на условия тепловой напряженности в камере сгорания и условия образования очагов детонационного горения.
Выводы по 4-му разделу
Проведенный анализ показал, что для эффективной работы двигателя с наддувом необходимо осуществлять снижение тепловой напряженности деталей и термодинамического процесса сгорания за счет применения системы охлаждения наддувочного воздуха. Получено, что с при максимальной степени охлаждения наддувочного воздуха, эффективность процесса сгорания увеличивается не значительно, но при этом почти на 100 К снижается максимальная температура цикла, а для условий без охлаждения эта величина уже составляет 200 К, что принципиально важно для обеспечения бездетонационной работы двигателя. В тоже время не столь экстремальное снижение температуры до 40 °С также имеет вполне жизнеспособные характеристики и не выходит за пределы устойчивой работы двигателя.
