Выбор параметров газотурбинного наддува автомобильного

Рабочие процессы в ДВС
В подальшому перспективним є аналіз можли-
пловозной модификации дизеля ДН12/2х12 из условия
вості організації якісного сумішоутворення в КЗ ди-
достижения заданных показателей газообмена.
зеля при зменшеній швидкості обертання свіжого
//Харьков, 1994 – 16 с. – Деп. в ГНТБ Украины,
заряду.
№125-Ук 95, 16.01.95. 4. Пелепейченко В.И. Модификация метода крупных частиц для расчета трехмеСписок літератури:
рного нестационарного движения заряда в цилиндре
1. Рязанцев Н.К. Конструкция форсированных дви-
ДВС. //Харьков, 1994 – 13 с. – Деп. в ГНТБ Украины,
гателей наземных транспортных машин: Учебное
№126-Ук 95, 16.01.95. 5. Пелепейченко В.И. Модели-
пособие. - Ч1, Ч2. - Харьков: ХГПУ, 1996. 2. Алёхин
рование турбулентного движения заряда в цилиндре
С.А., Пелепейченко В.И. Определение коэффициента
двигателя внутреннего сгорания на основе метода
трения вращающегося воздушного заряда о стенки
крупных частиц. //Харьков, 1994 – 13 с. – Деп. в
цилиндра
ГНТБ Украины, №127-Ук 95, 16.01.95.
двигателя
внутреннего
сгорания.
//Харьков, 1994 – 13 с. – Деп. в ГНТБ Украины, №124
-Ук 95, 16.01.95. 3. Алёхин С.А., Пелепейченко В.И.
Выбор параметров системы воздухоснабжения те-
УДК 621.431
В.А. Жуков, канд. техн. наук, М.С. Курин, асп.
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА АВТОМОБИЛЬНОГО
ДИЗЕЛЯ
Введение
Одним из важнейших направлений развития
выбору наилучших для заданного режима работы
параметров наддува.
конструкции ДВС является совершенствование сис-
Перспективными направлениями совершенст-
тем газотурбинного наддува [1]. Первоначально над-
вования систем газотурбинного наддува являются:
дув рассматривался только как средство повышения
применение новых конструкционных материалов для
агрегатной мощности двигателей [3], однако ужесто-
изготовления
чение требований к экологическим показателям ДВС
турбокомпрессоров с переменной геометрией, по-
приводит к необходимости уделять все больше вни-
вышение эффективности охладителей надувочного
мания влиянию параметров наддува на токсичность
воздуха, автоматическое регулирование наддува [1,
и дымность отработавших газов [5], а так же уровень
4, 7].
турбокомпрессоров,
использование
шума, сопровождающего работу двигателя. Обязательным элементом современных систем газотур-
Формулирование проблемы
бинного наддува являются охладители надувочного
Основными параметрами газотурбинного над-
воздуха, поэтому следует комплексно подходить к
дува являются давление надувочного воздуха и глу-
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005
43
Рабочие процессы в ДВС
бина его охлаждения. Очевидно, что повышение
новления влияния температуры и давления надду-
давления обеспечивает повышение литровой мощно-
вочного воздуха на токсичность отработавших газов
сти, одновременно приводя к увеличению тепловых
были
и механических нагрузок на детали двигателя. Ох-
8481.10, производства ОАО «Тутаевский моторный
лаждение надувочного воздуха позволяет частично
завод». Численное моделирование было проведено
решать эти проблемы [6], однако переохлаждение
для пяти скоростных режимов: 1100, 1300, 1500,
наддувочного воздуха приводит к ухудшению смесе-
1700, 1900 мин-1 и 3 нагрузочных режимов, соответ-
образования и воспламенения, увеличивает период
ствующих 100%, 75% и 50% подаче топлива. Зада-
задержки воспламенения, ухудшает экологические
ваемые характеристики топливоподачи соответство-
показатели двигателя, при этом возрастают также
вали параметрам, которые обеспечивает штатный
затраты мощности на прокачивание охладителя.
ТНВД, и предоставленные заводом-изготовителем
Таким образом актуальной является задача вы-
произведены
исследования
дизеля
ЯМЗ-
(АО «Топливоподающие системы»).
бора оптимальных параметров наддува с учетом
Программный комплекс «Diesel – RK» позволя-
максимального числа факторов, в том числе и режи-
ет оценить эмиссию оксидов азота и содержание
ма работы двигателя.
твердых частиц в отработавших газах.
Результаты исследований свидетельствуют, что
Решение проблемы.
охлаждение наддувочного воздуха значительно сни-
Численное моделирование рабочего процесса
жает выбросы оксидов азота. Это объясняется тем,
дизеля
что при снижении температуры наддувочного возду-
Основным методом проведенных исследований
ха повышается плотность воздушного заряда и ко-
являлся численный эксперимент с использованием
эффициент избытка воздуха, а также снижается мак-
программного комплекса «Diesel – RK», разработан-
симальная температура цикла, которая и оказывает
ного под руководством к.т.н. А.С. Кулешова в МГТУ
определяющее влияние на эмиссию оксидов азота.
им. Н.Э. Баумана. В процессе исследований модели-
Увеличение давления наддува при неизменной цик-
ровался рабочий цикл дизеля с последующей оцен-
ловой подаче и температуре наддувочного воздуха
кой токсичности отработавших газов, топливной
вызывает рост выбросов оксидов азота. Это также
экономичности и жесткости работы двигателя, кото-
обусловлено ростом максимальных температур цик-
рая характеризует механические нагрузки на детали
ла.
шатунно-поршневой группы и определяет надежность двигателя.
Снижение глубины охлаждения и повышение
температуры наддувочного воздуха приводят к росту
максимальной температуры цикла. В результате это-
Токсичность отработавших газов
Для дизелей форсированных по наддуву с объёмным смесеобразованием и неразделёнными камерами сгорания токсичность отработавших газов в
существенной мере зависит от коэффициента избытка воздуха, который в свою очередь определяется
цикловой подачей топлива и сочетанием температуры и давления наддувочного воздуха. С целью уста-
44
го происходит интенсификация процесса диссоциации диоксида углерода с образованием угарного газа
и сажи, одновременно с этим улучшается испарение
топлива, приводящее к снижению образования сажи.
Численное моделирование показало, что для исследуемого двигателя преобладает диссоциация СО2 и с
увеличением температуры наддувочного воздуха и
выброс «твёрдых частиц» увеличивается. Этому споДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005
Рабочие процессы в ДВС
собствует существенное снижение коэффициента
ты полезной работы на процессы газообмена, а при
избытка воздуха, который приближается к значению
неизменных фазах газообмена повышается количе-
с 1,3, соответствующему пределу дымления. С уве-
ство остаточных газов, что отрицательно сказывается
личением давления наддува выбросы «твёрдых час-
на величине эффективного КПД и удельного эффек-
тиц» снижаются. Это связано главным образом с
тивного расхода топлива. С увеличением давления
улучшением условия смесеобразования и уменьше-
наддува растёт отрицательное действие противодав-
ния количество локальных зон в камере сгорания,
ления на выпуске на топливную экономичность. Та-
где коэффициент избытка воздуха меньше 1. Рост
ким образом минимум удельного эффективного рас-
выброса твердых частиц на долевых скоростных ре-
хода топлива имеет место при определённой величи-
жимах связан с уменьшением турбулентности воз-
не давления наддува. Для исследуемого двигателя
душного заряда в цилиндре.
она составляет около 1,8 бар.
Таким образом для обеспечения экологических
Температура воздуха на входе в двигатель так-
нормативов необходимо наряду с совершенствова-
же существенно влияет на топливную экономич-
нием топливоподачи оптимизировать параметры
ность. С ростом глубины охлаждения наддувочного
наддува: давление и температуру надувочного воз-
воздуха повышается массовое наполнение цилиндра
духа. В процессе оптимизации следует учитывать,
воздушным зарядом, а также значительно сокраща-
что давление наддува и температура наддувочного
ется продолжительность процесса сгорания. Необхо-
воздуха существенно влияют на экономичность дви-
димо отметить, что её уменьшение более ярко выра-
гателя, теплонапряженное состояние деталей цилин-
жено при низких давлениях наддува. Проведённые
дро-поршневой группы, а следовательно и на надеж-
расчёты показали, что это уменьшение составило
ность двигателя.
при рк=1,6 бар – 6,6 % при снижении температуры на
10 К, а для рк=2,2 бар – 2,5% при снижении темпера-
Топливная экономичность
туры на 10 К.
В качестве показателя топливной экономичности был принят удельный эффективный расход топлива ge. Увеличение давления наддува повышает
массовое наполнение цилиндров воздушным зарядом. При неизменной величине цикловой подачи это
вызывает рост коэффициента избытка воздуха, который сопровождается уменьшением продолжительности процесса сгорания топлива и тепловых потерь за
процесс сгорания. В итоге это приводит к росту эффективного КПД и соответственно удельного эффективного расхода топлива.
Однако с другой стороны, рост величины давления наддува в системах со «свободным турбокомпрессором» обусловлен необходимым повышением
противодавления выпуску поршневой части, со стороны турбины. Вследствие этого повышаются затраДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005
Нагрузки на детали шатунно-поршневой группы
Параметры наддува оказывают влияние на механические нагрузки деталей ШПГ. В качестве показателей механических нагрузок можно принять максимальное давление цикла pz и максимальную скорость нарастания давления dp/d [2]. Рост давления
на впуске приводит к повышению уровня температур
и давлений в характерных точках цикла
Введение охлаждения наддувочного воздуха
ведёт к повышению pz, что обусловливается повышением интенсивности тепловыделения. По результатам расчёта его прирост составляет 1,06 – 1,58 %
при снижении температуры на 10 К. Большие значения относятся к меньшим давлениям наддува (рк =
0,14 Мпа).
45
Рабочие процессы в ДВС
Жёсткость работы двигателя, характеризуемая
управления давлением наддува и температурой на-
максимальной скоростью нарастания давления в зна-
дувочного воздуха. Автоматическое регулирование
чительной мере определяется параметрами наддува.
параметров наддува может осуществляться элек-
Увеличение давления наддува без применения охла-
тронными блоками управления через заслонки и пе-
ждения воздуха после компрессора вызывает её сни-
репускные клапаны.
жение. Согласно расчётам, оно составляет 1,85 –
Оптимизация указанных параметров обеспечит
3,3% при его повышении рк на 0,1бар. Большие зна-
повышение топливной экономичности двигателя и
чения относятся к меньшим давлениям наддува. В
повышение его надежности при соблюдении эколо-
значительной мере это обусловлено уменьшением
гических требований и сокращении затрат энергии
периода задержки воспламенения. Однако, при вве-
на прокачивание теплоносителя через охладитель
дении охлаждения наддувочного воздуха и поддер-
надувочного воздуха.
жании одинаковых температур наблюдается увели-
Следующим этапом исследований является
чение жёсткости работы с ростом рк. Определяющим
проведение моторных испытаний с целью создания
фактором для этого является интенсификация про-
оптимального закона управления параметрами над-
цесса тепловыделения с одновременным уменьшени-
дува дизеля ЯМЗ-8481.10.
ем продолжительности сгорания. По результатам
моделирования для исследуемого дизеля повышение
Список литературы:
жёсткости работы составляет 0,65 – 4,4% при повы-
1. Турбодвигатели и компрессоры: Справ. Пособие /
шении рк на 0,1бар. Снижение температуры надду-
Г.Хак, Лангкабель. – М.: ООО «Издательство Аст-
вочного воздуха на входе в двигатель вызывает зна-
рель» : ООО «Издательство АСТ» , 2003, - 351 с. 2.
чительный рост максимальной скорости нарастания
Дьяченко Н.Х., Костин А.К., Пугачев Б.П., Русинов
давления dp/d обусловленный увеличением периода
Р.В., Мельников Г.В. Теория двигателей внутреннего
задержки воспламенения. По результатам моделиро-
сгорания. Под ред. д.т.н. Н.Х. Дьяченко. Л.: Маши-
вания рост dp/d составляет 4,3 – 5,6 % при снижении температуры наддувочного воздуха на каждые
нострение (Ленингр. отд-ние), 1974. – 552 с. 3. Турбонаддув высокооборотных дизелей. М.: Машиностроение, 1976. - 288 с. Авт.: А.Э. Симсон, В.Н. Ка-
10 К.
минский, Ю.Б. Моргулис и др. 4. Аболтин Э.В., ЛямЗаключение
цев Б.Ф. Основные направления развития автомо-
Выполненное численное моделирование позво-
бильных турбокомпрессоров // Автомобильная про-
ляет сделать вывод, что на каждом из режимов рабо-
мышленность. 1982, № 10, с. 6-9. 5. Кульчицкий А.Р.
ты дизельного двигателя существует наиболее пред-
Токсичность автомобильных и тракторных двига-
почтительная пара параметров наддува (давлении
телей – М.: Академический Проект, 2004. – 400 с. 6.
надувочного воздуха перед цилиндром pk и темпера-
Ханин Н.С., Э.В.Аболтин, Б.Ф.Лямцев и др. Автомо-
тура надувочного воздуха после охладителя TS).
бильные двигатели с турбонаддувом. - М.: Машино-
Проведение численных и моторных экспери-
строение, 1991.- 333 с. 7. Ципленкин Г.Е., Дейч Р.С.
ментов должно быть направлено на выявление таких
Обзор докладов по турбокомпрессорам // Двигате-
пара параметров и разработку закона комплексного
лестроение. 2002, № 2, с.43-46.
46
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005