Исследование и улучшение динамических качеств переходных режимов работы комбинированных двигателей внутреннего сгорания

• Автор: Тимошенко, Денис Владимирович
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Хабаровск
• Количество страниц: 196 с. : ил.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ДИЗЕЛЕЙ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ

1.1. Экспериментальное исследование переходных режимов комбинированного двигателя

1.2. Особенности рабочего процесса дизелей с турбонаддувом в переходных режимах

1.3. Основные направления и мероприятия по улучшения динамических показателей переходных режимов дизелей с газотурбинным наддувом

1.4. Математические методы исследования переходных режимов

Выводы

Постановка задачи исследования

2. МЕТОД РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИЗЕЛЕЙ С ГАЗОТУРБИННЫЙ НАДДУВОМ

2.1. Постановка задачи математического моделирования переходных режимов комбинированного двигателя внутреннего сгорания
2.2. Математическое моделирование нестационарных процессов в цилиндре двигателя и смежных с ним системах
2.2.1. Уравнения одномерного нестационарного движения газа в неразветвленном трубопроводе
2.2.2. Численная реализация метода характеристик
2.2.3. Граничные условия у цилиндра
2.2.4. Граничные условия у турбины
2.2.5. Особенности моделирования термодинамических процессов в цилиндре двигателя
2.2.5.1. Расчет параметров рабочего процесса во время газообмена
2.2.5.2. Расчет параметров процессов сжатия и расширения
2.2.5.3. Расчет параметров процесса сгорания
2.3. Определение параметров потока в центростремительной турбине комбинированного двигателя
2.4. Определение параметров потока в проточной части центробежного компрессора
2.5. Расчет параметров потока после охладителя наддувочного воздуха в двигателе с газотурбинным наддувом
2.6. Моделирование переходных режимов дизелей с газотурбинным наддувом
2.7. Оптимизация конструктивных параметров двигателя и турбокомпрессора

2.7.1. Использование математической теории планирования эксперимента и методов поиска экстремума функции нескольких переменных при решении оптимизационных задач
2.7.2. Выбор оптимизируемых параметров и постановка задачи оптимизации
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ КОМБИНИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ
3.1. Объекты исследования и экспериментальные установки
3.2. Осциллографирование колебаний давлений
3.3. Измерение напряжения и силы тока генератора. Определение момента внешней нагрузки
3.4. Измерение частоты вращения ротора турбокомпрессора и двигателя
3.5. Измерение перемещений рейки ТНВД
3.6. Определение величин погрешности измерений
3.7. Проверка адекватности математической модели
4. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ 6 ЧН 18/22 ПО ВЫБОРУ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ТУРБОКОМПРЕССОРА И ДВИГАТЕЛЯ
4.1. Оценка величины цикловой подачи в переходном процессе
4.2. Исследование влияния проточной части компрессора на протекание переходного процесса
4.3. Влияние поршневой части двигателя и момента инерции ротора ТК на качество переходного процесса
4.4. Влияние проточной части турбины
4.5. Выбор оптимальных параметров двигателя и турбокомпрессора
4.5.1. Выбор оптимальных фаз газораспределения двигателя
4.5.2. Выбор оптимальных геометрических параметров проточной части турбины
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
птк - частота вращения ротора турбокомпрессора, мин'1
сотк - окружная скорость ротора турбокомпрессора, с'1
п - частота вращения двигателя, мин'1
со — окружная скорость вала двигателя, с"1
&впр ~ Угол опережения впрыска топлива, град
г - длительность переходного процесса, с
8й - заброс частоты вращения, %
р - текущее значение давления, МПа
Т - текущее значение температуры, К
и - скорость потока газа в выпускном трубопроводе, м/с
а - скорость звука термодинамической среды, м/с
р0, Т0, а0 - начальные параметры соответственно давления, плотности,
удельной энтропии, температуры и скорости звука
I - время, с
х - расстояние, м
Фс - коэффициент наполнения
уг - коэффициент остаточных газов
а - коэффициент избытка воздуха
/0 - теоретическое количество воздуха для сгорания 1кг топлива, кг - цикловая подача, г/цикл рРт - эффективное проходное сечение турбины, м2 рт0 - давление за турбиной, МПа Су - количество воздуха в цилиндре, кг/с (?г - количество продуктов сгорания в цилиндре, кг/с &вп ~ расход на впуске, кг/с (7а - расход на выпуске, кг/с
М1 - средний индикаторный момент двигателя, Н-м
МТР - момент механических потерь, Н м
Мн - момент внешней нагрузки, Н-м
Сдв ~ момент инерции двигателя, кг м2
Уя - момент инерции внешней нагрузки, кг м2
8ТК - момент инерции ротора турбокомпрессора, кг м2
Рте ~ среднее эффективное давление, МПа
рь - давление наддува, МПа
Ть - температура свежего заряда, К
Ртах ~ максимальное давление сгорания, МПа
ре{ - давление выпускных газов перед турбиной, МПа
При всей своей перспективности модель имеет ряд недостатков:
- использование при моделировании переходных режимов уравнений в. Voschni для определения т н <рг представляется не совсем оправданным, так как они получены для случаев, когда а больше 1,55 , а в первой фазе переходного процесса а может уменьшаться более значительно;
- механические потери рассматриваются очень упрощенно;
- для определения пропускной способности турбины используется обобщенная зависимость;
- исключен из рассмотрения регулятор частоты вращения.
В дальнейшем характерной особенностью все математических моделей этой группы стало использование для расчетов процессов в цилиндре и трубопроводах (в рамках квазистационарного подхода) уравнений первого закона термодинамики для открытой системы, массового баланса и состояния.
В работе [128] уравнения динамики двигателя и турбокомпрессора дополнены дифференциальным уравнением регулятора второго порядка. Теплоотдача в цилиндре рассчитывалась с использованием уравнения в. ¥озсЬш. При' моделировании процесса сгорания авторами сделана попытка описания двухфазного сгорания. С этой целью использовались два уравнения И.И. Вибе (одно для периода объемного сгорания, другое для периода диффузионного сгорания). Доля топлива, выгоревшая в первом периоде, определялась по. экспериментальным данным в зависимости от коэффициента избытка воздуха и периода задержки воспламенения. КПД турбины и расход газа через турбину, КПД компрессора и давление наддува рассчитывались с использованием экспериментальных характеристик и этих агрегатов. Давление механических потерь определялось по уравнению Б.К. ЗЬеп’а в виде функции от максимального давления сгорания и частоты вращения.
В целом по работе [128] следует отметить, что более точное описание процесса сгорания требует привлечения дополнительного объема экспериментальных данных для конкретного двигателя. Не ясно как определялись показатель