Помощь студентам в учебе
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ: ПРОЦЕССА СМЕСЕОВРАЗОВАНИЯ В АВТОМОБИЛЬНОМ ДИЗЕЛЕ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………… 8
1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ…….. 12
1.1. Обзор конструкций опытных деталей для экспериментального исследования дизеля……………………………………………..... 13
1. 2. Особенности организации рабочего процесса в современных быстроходных транспортных дизелях……........………………… 24
1. 3. Выводы по главе. Постановка задач исследования……...……… 28
2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ…………...……………………………………………… 31
2.1. Объект исследования. Опытные детали и их харак¬теристики. Пределы варьирования…….……………………………………… 31
2.2. Экспериментальная установка и измерительная аппаратура....... 43
2.3. Методики проведения экспериментальных исследований…....... 46
2.4. Результаты экспериментальных исследований………………….. 53
2.5. Выводы по главе…………………………………………………… 74
3.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА
СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
ДИЗЕЛЯ……………………………………………………………………… 75
3.1. Выбор и обоснование показателей смесеобразования………….. 77
3.2. Выбор и обоснование модели развития факела распыленного топлива…………………………………………………………….. 81
3. 3. Выбор и обоснование модели движения воздушного
заряда в КС………………………………………………………... 82
3. 4. Методики развития факела распыленного топлива в
3
условиях объемно-пленочного смесеобразования…………….. 84
3. 5. Испарение топлива в цилиндре дизеля………………………… 104
3. 6. Распределение топлива и его паров по объему КС……………. 106
3. 7. Выводы по главе…………………………………………………. 107
4.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 1Ч 10,5/12…….. 108
4,1. Математическая обработка и анализ результатов экспериментального исследования…………….………………... 108
4.2. Результаты обработки индикаторных диаграмм и анализ
кривых тепловыделения…………………………….……………. 115
4.3. Анализ процесса смесеобразования в исследуемом дизеле
и связь его с показателями рабочего процесса..………………... 122
4.4. Выводы по главе…………………………………………………... 141
5. ПРОВЕРКА РЕКОМЕНДАЦИЙ НА ДИЗЕЛЕ 6Ч 10,5/12……………. 143
5.1. Результаты экспериментальных исследований…………………. 143
5. 2. Вывозы по главе…………………………………………………... 157
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ………………………………... 158
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ…….. 12
1.1. Обзор конструкций опытных деталей для экспериментального исследования дизеля……………………………………………..... 13
1. 2. Особенности организации рабочего процесса в современных быстроходных транспортных дизелях……........………………… 24
1. 3. Выводы по главе. Постановка задач исследования……...……… 28
2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ…………...……………………………………………… 31
2.1. Объект исследования. Опытные детали и их харак¬теристики. Пределы варьирования…….……………………………………… 31
2.2. Экспериментальная установка и измерительная аппаратура....... 43
2.3. Методики проведения экспериментальных исследований…....... 46
2.4. Результаты экспериментальных исследований………………….. 53
2.5. Выводы по главе…………………………………………………… 74
3.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ И АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА
СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
ДИЗЕЛЯ……………………………………………………………………… 75
3.1. Выбор и обоснование показателей смесеобразования………….. 77
3.2. Выбор и обоснование модели развития факела распыленного топлива…………………………………………………………….. 81
3. 3. Выбор и обоснование модели движения воздушного
заряда в КС………………………………………………………... 82
3. 4. Методики развития факела распыленного топлива в
3
условиях объемно-пленочного смесеобразования…………….. 84
3. 5. Испарение топлива в цилиндре дизеля………………………… 104
3. 6. Распределение топлива и его паров по объему КС……………. 106
3. 7. Выводы по главе…………………………………………………. 107
4.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДИЗЕЛЯ 1Ч 10,5/12…….. 108
4,1. Математическая обработка и анализ результатов экспериментального исследования…………….………………... 108
4.2. Результаты обработки индикаторных диаграмм и анализ
кривых тепловыделения…………………………….……………. 115
4.3. Анализ процесса смесеобразования в исследуемом дизеле
и связь его с показателями рабочего процесса..………………... 122
4.4. Выводы по главе…………………………………………………... 141
5. ПРОВЕРКА РЕКОМЕНДАЦИЙ НА ДИЗЕЛЕ 6Ч 10,5/12……………. 143
5.1. Результаты экспериментальных исследований…………………. 143
5. 2. Вывозы по главе…………………………………………………... 157
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ………………………………... 158
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Проблема экономии топливных ресурсов, в частности, нефтепродуктов приобрела в настоящее время огромное значение практически для всех индустриально развитых государств. В Украине она находит отражение в разрабатываемых национальных программах. "Автомобилестроение Украины " и "Автомобильный транспорт Украины". Одним из главных источников потребления нефтепродуктов является автомобильный транспорт. Поэтому повышение экономичности, устанавливаемых на автомобилях ДВС является актуальной народно-хозяйственной проблемой. Важным направлением в решении этой проблемы, в первую очередь на грузовом автомобильном транспорте, является дальнейшая его дезелизация, которая должна обеспечить в эксплуатации не только снижение на 25-30% расход жидкого моторного топлива и более рационально использовать на транспорте все виды моторных топлив, но и уменьшить загрязнение окружающей среды токсичными выбросами ДВЗ /31, 47/. Реализация этого направления предусматривает как модернизацию выпускаемых, так и разработку новых типов автомобильных дизелей, в том числе не имеющих аналогов в отечественном автомобилестроении. Ограничения, накладываемые на дизели для автомобилей, прежде всего по массогабаритным показателям, требуют создания быстроходных высокофорсированных дизелей с относительно малым рабочим объемом цилиндров ряд ведущих автомобильных заводов, ПО, ассоциаций в СНГ (ГАЗ, ЗИЛ, КАЗ, КАМАЗ, МТЗ, "Серп и молот" и ДР.) создали и приступили или приступают к налаживанию производству таких дизелей. Широкая дизелизация автомобильного транспорта намечена и в приведенных вы¬ше национальных программах Украины.
Горьковским автомобильным заводом для грузовых автомобилей средней грузоподъемности сельскохозяйственного назначения взамен двигателей автомобилей ГАЗ-53 разработан четырехтактный шестицилиндровый рядный дизель 6Ч 10,5/12 (ГАЗ - 542) воздушного охлаждения без наддува мощностью 92 кВт. Выпуск в качестве базовой
модели автомобильного дизеля без наддува предполагал, и это было отражено в планах завода, а в настоящее время реализуется, разработка его форсированных наддувом модификаций. Учитывалось так же, что безнаддувный вариант способен обеспечить большой запас крутящего момента, меньший шум и, в принципе, меньший расход топлива при малых и средних нагрузках по сравнению с дизелем такой же мощности с наддувом /74,121,122 /.
Дизель 64 10,5/12 имеет высокие технико-экономические показатели, находящиеся на уровне лучших мировых образцов автомобильных дизелей, а по ряду показателей (надежности, приспособленности к условиям эксплуатации в сельской местности в СНГ и др.) и превосходящие их / 83 /. РП в этом дизеле организован в КС типа "Пишингер", выполненной в поршне в форме цилиндра со сферическим днищем, с пристеночным способом смесеобразования. Анализ доказывает, что резервы этой КС по дальнейшему повышению эффективности годности РП практически исчерпаны (индикаторный к.п.д. находится на уровне 50 %) уже для безнаддувного базового варианта / 83 /. Что же касается создания форсированных модификаций, то данный тип рабочего процесса существенно ограничивает возможности по степени наддува из-за чрезмерно высоких температур основных де¬талей камеры сгорания, в первую очередь, поршня / 83,121/.
Об этом, в частности, свидетельствуют результаты исследования форсированного наддувом варианта дизеля, который разрабатывался ГАЗ совместно с ХАДИ с рабочим процессом в цилиндрической камере сгорания / 121,122 /.
10
Учитывая отмеченное, представлялось целесообразным при решении задач дальнейшего улучшения показателей работы базового дизеля 6Ч 10.5/12 рассмотреть возможность осуществления РП в условиях организации его в цилиндрической КС, т.е. однотипной с принятой для наддувного варианта. Такой подход позволяет унифицировать не только способы осуществления РП в дизелях семейства ГАЗ, что само по себе экономически целесообразно, ни и ряд систем и механизмов дизеля (впускную систему, систему питания топливом и др.), что в сумме даст значительный экономический эффект в условиях массового производства.
К настоящему времени в СНГ и ряде других стран накоплен значительный опыт в создании и доводке высокоэффективных РП в быстроходных автотракторных дизелях, близких к исследуемому размерностей, как без наддува, так и с наддувом (( КАМАЗ-740, ЯМЗ-238, СМД-60, СМД-31, ЗИЛ-645)-СНГ, (FL 413 R, ОМ 4031)- Гер¬мания, (Ш-700. Т-928)-Чехословакия и др.). Вместе с тем прямой перенос этого опыта на вновь создаваемый или модернизируемый дизель практически невозможен без дополнительных углубленных исследований, так как РП в таких дизелях тесно связан с их конструктивными особенностями, назначением, приоритетными режимами эксплуатации и др. Поэтому для решения конкретных задач, поставленных в данном исследовании, требуется при максимальном использовании накопленного мировым автомобильным двигателестроением опыта, проведение углубленных комплексных исследований на дизеле 6Ч 10.5/12. Подчеркнем, что накопленный при этом опыт в дальнейшем может быть использован при разработке или модернизации дизелей, не только воздушного охлаждения, близкой размерности в Украине.
Работа выполнялась в соответствии с постановлением ГКНТ
11
СССР № 178 от 03.05.1979 и № 375 от 08.09.1980 года в рамках - комплексной научно-технической программы МИНВУЗа УССР " Создание новых типов и совершенствование существующие двигателей внутреннего сгорания " (Приказ по МИНВУЗу УССР № 332 от 06.06.80).
Горьковским автомобильным заводом для грузовых автомобилей средней грузоподъемности сельскохозяйственного назначения взамен двигателей автомобилей ГАЗ-53 разработан четырехтактный шестицилиндровый рядный дизель 6Ч 10,5/12 (ГАЗ - 542) воздушного охлаждения без наддува мощностью 92 кВт. Выпуск в качестве базовой
модели автомобильного дизеля без наддува предполагал, и это было отражено в планах завода, а в настоящее время реализуется, разработка его форсированных наддувом модификаций. Учитывалось так же, что безнаддувный вариант способен обеспечить большой запас крутящего момента, меньший шум и, в принципе, меньший расход топлива при малых и средних нагрузках по сравнению с дизелем такой же мощности с наддувом /74,121,122 /.
Дизель 64 10,5/12 имеет высокие технико-экономические показатели, находящиеся на уровне лучших мировых образцов автомобильных дизелей, а по ряду показателей (надежности, приспособленности к условиям эксплуатации в сельской местности в СНГ и др.) и превосходящие их / 83 /. РП в этом дизеле организован в КС типа "Пишингер", выполненной в поршне в форме цилиндра со сферическим днищем, с пристеночным способом смесеобразования. Анализ доказывает, что резервы этой КС по дальнейшему повышению эффективности годности РП практически исчерпаны (индикаторный к.п.д. находится на уровне 50 %) уже для безнаддувного базового варианта / 83 /. Что же касается создания форсированных модификаций, то данный тип рабочего процесса существенно ограничивает возможности по степени наддува из-за чрезмерно высоких температур основных де¬талей камеры сгорания, в первую очередь, поршня / 83,121/.
Об этом, в частности, свидетельствуют результаты исследования форсированного наддувом варианта дизеля, который разрабатывался ГАЗ совместно с ХАДИ с рабочим процессом в цилиндрической камере сгорания / 121,122 /.
10
Учитывая отмеченное, представлялось целесообразным при решении задач дальнейшего улучшения показателей работы базового дизеля 6Ч 10.5/12 рассмотреть возможность осуществления РП в условиях организации его в цилиндрической КС, т.е. однотипной с принятой для наддувного варианта. Такой подход позволяет унифицировать не только способы осуществления РП в дизелях семейства ГАЗ, что само по себе экономически целесообразно, ни и ряд систем и механизмов дизеля (впускную систему, систему питания топливом и др.), что в сумме даст значительный экономический эффект в условиях массового производства.
К настоящему времени в СНГ и ряде других стран накоплен значительный опыт в создании и доводке высокоэффективных РП в быстроходных автотракторных дизелях, близких к исследуемому размерностей, как без наддува, так и с наддувом (( КАМАЗ-740, ЯМЗ-238, СМД-60, СМД-31, ЗИЛ-645)-СНГ, (FL 413 R, ОМ 4031)- Гер¬мания, (Ш-700. Т-928)-Чехословакия и др.). Вместе с тем прямой перенос этого опыта на вновь создаваемый или модернизируемый дизель практически невозможен без дополнительных углубленных исследований, так как РП в таких дизелях тесно связан с их конструктивными особенностями, назначением, приоритетными режимами эксплуатации и др. Поэтому для решения конкретных задач, поставленных в данном исследовании, требуется при максимальном использовании накопленного мировым автомобильным двигателестроением опыта, проведение углубленных комплексных исследований на дизеле 6Ч 10.5/12. Подчеркнем, что накопленный при этом опыт в дальнейшем может быть использован при разработке или модернизации дизелей, не только воздушного охлаждения, близкой размерности в Украине.
Работа выполнялась в соответствии с постановлением ГКНТ
11
СССР № 178 от 03.05.1979 и № 375 от 08.09.1980 года в рамках - комплексной научно-технической программы МИНВУЗа УССР " Создание новых типов и совершенствование существующие двигателей внутреннего сгорания " (Приказ по МИНВУЗу УССР № 332 от 06.06.80).
Разработана и апробирована для автомобильного дизеля 64
10,5/12 открытая цилиндрическая КС в поршне , унифицированная с
КС для модификации дизеля с наддувом, которая обеспечивает более высокие технико-экономические и экологические (дымность ОГ)
показатели работы по сравнению с базовым вариантом КС типа -
"Пишингер". На режиме номинальной мощности fe =92 кВт при
П =2800 мин обеспечиваются удельный эффективный расход топлива
De =239 г/(кВтч) и дымность ОГ К= 38 %,что соответственно на 3-4 г/(кВтч) и на 7 % ниже, чем у базового варианта дизеля.
2. Для обеспечения этих показателей работы по результатам
проведенной многофакторной оптимизации для дизеля 64 10,5/12
заводу рекомендованы следующие величины варьировавшихся пара¬
метров: Лкс =0,54 мм.,.0. =0,б, иг^ =0,205 мм ,h-.=ll мм.
3. По результатам экспериментально-расчетного исследования
с применением методов МПЗ и последующей оптимизацией многопараметровых зависимостей, связывающих удельный индикаторный расход топлива с варьируемыми параметрами, установлено, что высота условного контакта оси топливного факела с образующей КС (0,45-0,
48) ткс оптимально для всех диаметров варьируемых КС. Четырех-
дырчатый распылитель с jujp=0,2Q5 мм1 оптимален для всех варьируемых диаметров КС. Использование ТКВД с давлением впрыскивания
40-50 МПа обеспечивает лучшие индикаторные показатели с КС
сдКс=54 мм. Дальнейшее уменьшение диаметра КС приводит к повышению теплонапряженности поршня. С увеличением диаметра КС, при неизменном количестве распыляющих отверстий, требуются повышенное значение вихревого отношения впускных каналов.
Применение методов МПЭ и с последующей оптимизацией позволило установить закономерности между варьируемыми конструктивны¬ми параметрами сЦ Q- , fafp, Ьр и функцией отклика bi, и оценить влияние каждого параметра на эту функцию.
4. На основании общих теоретических положений и проведенных ранее экспериментов уточнена и дополнена математическая модель, позволяющая оценить макрораспределение топлива в объеме
цилиндрической КС и связать показатели, принятые для оценки
смесеобразования, с конструктивными параметрами дизеля с одной
стороны и индикаторными показателями РП с другой. В частности
впервые в модель введены:
- аналитическое описание поверхности и площади факела при
взаимодействии с воздушным зарядом;
- зависимости, описывающие взаимодействие топливного факела с поверхностью КС и величину пятна контакта факела на стенке
КС;
- разработаны критерии для оценки испарения топлива со
стенки при различных формах его контакта с ней.
5. Расчеты с использованием модели, позволили объяснить
полученные при экспериментальном исследовании результаты, а также
наметить пути дальнейшего совершенствования РЕ
6. Оценка макрораспределения топлива в объеме КС и уровня
технике экономических показателей работы дизеля по расчетно-цифровой модели показали, что путем дальнейшего совершенствования РП возможно существенное их повышение, намечены направления
такой оптимизации.
7. Практические рекомендации приняты к внедрению в ПО ГАЗ.
Экономический эффект от внедрения предлагаемых разработок на
1985 год составил 490 тыс. рублей в год на долю автора приходит¬
ся 33,4 тыс. рублей в год. Экономический эффект от внедрения мате
160
матической модели процесса смесеобразования и составленной программы на ЭВМ составил на 1991 год 71,28 тыс. руб. в год.
10,5/12 открытая цилиндрическая КС в поршне , унифицированная с
КС для модификации дизеля с наддувом, которая обеспечивает более высокие технико-экономические и экологические (дымность ОГ)
показатели работы по сравнению с базовым вариантом КС типа -
"Пишингер". На режиме номинальной мощности fe =92 кВт при
П =2800 мин обеспечиваются удельный эффективный расход топлива
De =239 г/(кВтч) и дымность ОГ К= 38 %,что соответственно на 3-4 г/(кВтч) и на 7 % ниже, чем у базового варианта дизеля.
2. Для обеспечения этих показателей работы по результатам
проведенной многофакторной оптимизации для дизеля 64 10,5/12
заводу рекомендованы следующие величины варьировавшихся пара¬
метров: Лкс =0,54 мм.,.0. =0,б, иг^ =0,205 мм ,h-.=ll мм.
3. По результатам экспериментально-расчетного исследования
с применением методов МПЗ и последующей оптимизацией многопараметровых зависимостей, связывающих удельный индикаторный расход топлива с варьируемыми параметрами, установлено, что высота условного контакта оси топливного факела с образующей КС (0,45-0,
48) ткс оптимально для всех диаметров варьируемых КС. Четырех-
дырчатый распылитель с jujp=0,2Q5 мм1 оптимален для всех варьируемых диаметров КС. Использование ТКВД с давлением впрыскивания
40-50 МПа обеспечивает лучшие индикаторные показатели с КС
сдКс=54 мм. Дальнейшее уменьшение диаметра КС приводит к повышению теплонапряженности поршня. С увеличением диаметра КС, при неизменном количестве распыляющих отверстий, требуются повышенное значение вихревого отношения впускных каналов.
Применение методов МПЭ и с последующей оптимизацией позволило установить закономерности между варьируемыми конструктивны¬ми параметрами сЦ Q- , fafp, Ьр и функцией отклика bi, и оценить влияние каждого параметра на эту функцию.
4. На основании общих теоретических положений и проведенных ранее экспериментов уточнена и дополнена математическая модель, позволяющая оценить макрораспределение топлива в объеме
цилиндрической КС и связать показатели, принятые для оценки
смесеобразования, с конструктивными параметрами дизеля с одной
стороны и индикаторными показателями РП с другой. В частности
впервые в модель введены:
- аналитическое описание поверхности и площади факела при
взаимодействии с воздушным зарядом;
- зависимости, описывающие взаимодействие топливного факела с поверхностью КС и величину пятна контакта факела на стенке
КС;
- разработаны критерии для оценки испарения топлива со
стенки при различных формах его контакта с ней.
5. Расчеты с использованием модели, позволили объяснить
полученные при экспериментальном исследовании результаты, а также
наметить пути дальнейшего совершенствования РЕ
6. Оценка макрораспределения топлива в объеме КС и уровня
технике экономических показателей работы дизеля по расчетно-цифровой модели показали, что путем дальнейшего совершенствования РП возможно существенное их повышение, намечены направления
такой оптимизации.
7. Практические рекомендации приняты к внедрению в ПО ГАЗ.
Экономический эффект от внедрения предлагаемых разработок на
1985 год составил 490 тыс. рублей в год на долю автора приходит¬
ся 33,4 тыс. рублей в год. Экономический эффект от внедрения мате
160
матической модели процесса смесеобразования и составленной программы на ЭВМ составил на 1991 год 71,28 тыс. руб. в год.