Повышение эффективных и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания газодинамическими методами - Автореферат

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наукРабота выполнена на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания" государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гришин Юрий Аркадьевич доктор технических наук, профессор Кукис Владимир Самойлович доктор технических наук, профессор Лобов Николай Владимирович Защита состоится «___» __________ 2009 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г.Определить возможность снижения удельного эффективного расхода топлива и токсичности ОГ двигателя за счет изменения интенсивности закрученного движения заряда в РК, без ухудшения показателей двигателя по ВСХ. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются принципы организации процессов в ГВТ четырехтактного ДВС, направленные на улучшение его наполнения, экономичности, токсичности ОГ и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы посредством формирования требуемого газодинамического состояния свежего заряда и ОГ: 1. Впервые установлено, что организация закрученного движения свежего заряда и управление его интенсивностью в РК двигателя достигаются разделением потока воздуха, поступающего в двигатель, на два потока, один из которых пропускают через ресивер и индивидуальные патрубки, а другой подают в индивидуальные патрубки вблизи впускных клапанов. Разработаны математические модели и методики расчета процессов в ГВТ и РК двигателя, позволяющие, в отличие от существующих, моделировать работу ДВС с учетом закрутки потока, формируемой на впуске. Впервые установлено, что при согласовании процессов, определяющих колебания расхода газа на выходе из двигателя, - генерирование волн в РК ДВС, движение волн в элементах системы выпуска, формирование струи газа на выходе в атмосферу, возможно существенное снижение шума выпуска без ухудшения условий протекания газообмена (ухудшения эффективных показателей ДВС).Экспериментами на модельных установках определена возможность создания закрученного движения заряда в газовоздушном тракте и рабочей камере двигателя с двухконтурной системой впуска и возможность управления интенсивностью закрутки заряда изменением геометрии узла стыка контуров и изменением соотношения расходов воздуха через контуры. Экспериментами на моторном стенде определена возможность существенного, более чем на 20%, снижения удельного эффективного расхода топлива, а также выбросов продуктов неполного сгорания (до 60 - 70%), за счет изменения интенсивности закрученного движения заряда в рабочей камере двигателя с двухконтурной системой впуска, без ухудшения показателей двигателя по внешней скоростной характеристике. Разработан способ организации процессов в системе выпуска ДВС, заключающийся в согласовании процессов, определяющих пульсации расхода газа на выходе из глушителя - генерирование волн в рабочей камере ДВС, движение волн в элементах системы выпуска и формирование струи газа на выходе в атмосферу. Стендовыми моторными испытаниями и дорожными испытаниями в составе автомобиля показано, что в двигателе с настроенной системой выпуска возможно существенное, на 8 - 13 ДБА, снижение шума выпуска при улучшении условий протекания газообмена (улучшении эффективных показателей на 6 - 8%) относительно показателей двигателя без настройки системы выпуска. Моделированием и экспериментальным исследованием шума выпуска на неустановившихся режимах работы двигателя показано, что причиной повышенного шума выпуска при резком закрытии дроссельной заслонки являются увеличение амплитуды колебаний скорости газа и возникновение обратных течений газа в глушителе.

1. Определено влияние закрученного движения заряда на эффективные показатели двигателя, токсичность отработавших газов, склонность двигателя к детонации. Показана необходимость регулирования интенсивности закрученного движения заряда в зависимости от режима работы двигателя.

2. Разработан способ организации процессов в системе впуска ДВС, заключающийся в подаче воздуха в рабочую камеру двигателя через два контура, один из которых выполнен по схеме, обеспечивающей получение предельного для данной степени сжатия коэффициента наполнения. Дополнительный контур обеспечивает введение в поток момента количества движения в процессе впуска.

Экспериментами на модельных установках определена возможность создания закрученного движения заряда в газовоздушном тракте и рабочей камере двигателя с двухконтурной системой впуска и возможность управления интенсивностью закрутки заряда изменением геометрии узла стыка контуров и изменением соотношения расходов воздуха через контуры.

Определена возможность достижения в рабочей камере двигателя с двухконтурной системой впуска существенных, до 10 - 11, значений вихревого отношения.

3. Разработаны математические модели и методики расчета процессов в газовоздушном тракте и рабочей камере двигателя с учетом начальной закрутки потока на впуске, позволяющие провести: - расчет индикаторного процесса в рабочей камере ДВС в продолжение всего цикла с учетом газодинамического состояния свежего заряда;

- расчет нестационарного течения с закруткой на участке гладкого канала газовоздушного тракта ДВС с учетом путевых потерь;

- расчет взаимодействия нестационарного течения с закруткой с местом сопряжения каналов неодинакового сечения (течение через диафрагму) или с емкостью (течение через клапан) с учетом местных потерь;

- расчет исходной закрутки потока и расчет нестационарного течения в месте стыка контуров двухконтурной системы впуска (течение через тройник).

4. Экспериментами на моторном стенде определена возможность существенного, более чем на 20%, снижения удельного эффективного расхода топлива, а также выбросов продуктов неполного сгорания (до 60 - 70%), за счет изменения интенсивности закрученного движения заряда в рабочей камере двигателя с двухконтурной системой впуска, без ухудшения показателей двигателя по внешней скоростной характеристике.

Индицированием выявлено, что применение двухконтурной впускной системы, при надлежащем выборе программы регулирования расходов через контуры, способствует существенному улучшению полноты и скорости выгорания смеси для режимов, характеризуемых, для базового варианта двигателя, вялостью газодинамических процессов и горения. Невоспроизводимость циклов снижается до двух раз. Минимумы удельных эффективных расходов топлива смещаются в сторону обеднения до 10%. Диапазон устойчивой работы двигателя расширяется в зону бедных смесей на 20 - 30%. Потребные углы опережения зажигания снижаются до двух раз, что также свидетельствует об увеличении массовой скорости выгорания.

5. Разработан способ организации процессов в системе выпуска ДВС, заключающийся в согласовании процессов, определяющих пульсации расхода газа на выходе из глушителя - генерирование волн в рабочей камере ДВС, движение волн в элементах системы выпуска и формирование струи газа на выходе в атмосферу.

Стендовыми моторными испытаниями и дорожными испытаниями в составе автомобиля показано, что в двигателе с настроенной системой выпуска возможно существенное, на 8 - 13 ДБА, снижение шума выпуска при улучшении условий протекания газообмена (улучшении эффективных показателей на 6 - 8%) относительно показателей двигателя без настройки системы выпуска.

Моделированием и экспериментальным исследованием шума выпуска на неустановившихся режимах работы двигателя показано, что причиной повышенного шума выпуска при резком закрытии дроссельной заслонки являются увеличение амплитуды колебаний скорости газа и возникновение обратных течений газа в глушителе. Предложены методы снижения шума выпуска при сбросе нагрузки. Снижение внешнего шума автомобиля при применении этих методов составляет 3 - 4 ДБА.

Таким образом, разработаны принципы организации газообмена для формирования газодинамического состояния свежего заряда и отработавших газов четырехтактного ДВС, удовлетворяющего требованиям высокого наполнения, экономичности, токсичности отработавших газов и шума выпуска во всем диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Рособрнадзора: 1. Еникеев Р.Д. Улучшение эффективных показателей и снижение шума выхлопа четырехтактного ДВС / Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д. // Автомобильная промышленность. М., Машиностроение, № 9, 2002, стр. 16-19. (личный вклад - 2 ж.л.).

2. Еникеев Р.Д. Численное моделирование развития нестационарной топливовоздушной струи по методу крупномасштабных вихрей / Еникеев Р.Д., Черноусов А.А. // Вестник УГАТУ. 2006. т. 7, № 3 (16). стр. 3-11. (личный вклад - 5 ж.л.).

3. Еникеев Р.Д. Рабочий процесс перспективного поршневого ДВС / Еникеев Р.Д., Гарипов М.Д. // Вестник УГАТУ. 2006. т. 7, № 3 (16). стр. 12-22. (личный вклад - 7 ж.л.).

4. Еникеев Р.Д. Экспериментальное исследование двухконтурной системы впуска / Еникеев Р.Д. // Ползуновский вестник. Проблемы двигателестроения. Барнаул.. 2006, № 4, стр. 68-72.

5. Еникеев Р.Д. Моделирование скачка уплотнения в двухконтурной системе впуска / Еникеев Р.Д. // Ползуновский вестник. Проблемы двигателестроения. Барнаул. 2006, № 4, стр. 64-67.

6. Еникеев Р.Д. Имитационное моделирование процессов и уровня газодинамического шума ДВС / Еникеев Р.Д. // Известия вузов. Машиностроение. 2007, № 1, стр. 40-46.

7. Еникеев Р.Д. Течение газа в зоне стыка контуров ДВС / Еникеев Р.Д. // Известия вузов. Машиностроение. 2007, № 2, стр. 20-28.

8. Еникеев Р.Д. База знаний для проектирования ДВС / Еникеев Р.Д. // Двигателестроение. 2007, № 1, стр. 15-20.

9. Еникеев Р.Д. Газодинамические методы снижения шума выпуска газа в двигателях внутреннего сгорания / Еникеев Р.Д. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Специальный выпуск. Серия «Машиностроение». 2007, стр. 138-149.

10. Еникеев Р.Д. Газообмен и эффективные показатели ДВС с двухконтурной системой впуска / Еникеев Р.Д., Михайлов В.С. // Вестник УГАТУ. 2007. т. 9, № 6 (24). стр. 82-97. (личный вклад - 11 ж.л.).

11. Еникеев Р.Д. Моделирование и экспериментальное исследование нестационарного течения газа в разветвленном трубопроводе / Еникеев Р.Д., Черноусов А.А. // Вестник УГАТУ. 2007. т. 9, № 6 (24). стр. 98-106. (личный вклад - 4 ж.л.).

12. Еникеев Р.Д. Смесеобразование и горение в тепловых двигателях с закруткой воздушного заряда / Еникеев Р.Д. // Вестник СГАУ. 2007, № 2. стр.

93-97.

13. Еникеев Р.Д. Математическая модель комбинированного сгорания в тепловых двигателях / Борисов А.О., Гарипов М.Д., Еникеев Р.Д., Черноусов А.А. // Вестник СГАУ. 2007, № 2. стр. 97-103. (личный вклад - 4 ж.л.).

14. Еникеев Р.Д. Снижение шума выпуска поршневого ДВС при соосном истечении газа / Еникеев Р.Д., Вахитов Ю.Р. // Известия МГТУ "МАМИ"

№ 1(7), 2009, стр. 37-40. (личный вклад - 2 ж.л.).

В монографии: 15. Еникеев Р.Д. Рабочий процесс многотопливного поршневого двигателя // А.О. Борисов, М.Д. Гарипов, Р.Д. Еникеев, А.А. Черноусов; Под редакцией Р.Д. Еникеева. - Уфа: ДИЗАЙНПОЛИГРАФСЕРВИС, 2008. - 272 с.: ил. (личный вклад - 120 c.)

Авторские свидетельства и патенты: 16. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Борисов А.О. Авторское свидетельство № 1209905. Бюллетень изобретений, 1986, № 5. Система впуска карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.

17. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П. Авторское свидетельство № 1464600. 1986. ДСП. Устройство для питания карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.

18. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П. Авторское свидетельство № 1437552. Бюллетень изобретений, 1988, № 42. Система питания для двигателя внутреннего сгорания.

19. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Рябухин С.А., Зарипов А.Г. Авторское свидетельство № 1815392. Бюллетень изобретений, 1993, № 18. Система питания двигателя внутреннего сгорания.

20. Еникеев Р.Д., Садыков Р.И., Рудой Б.П., Борисов А.О. Патент РФ № 2148178. Бюллетень изобретений, 2000, № 12. Способ питания двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления.

21. Еникеев Р.Д., Садыков Р.И., Рудой Б.П. Патент РФ № 2156880. Бюллетень изобретений, 2000, № 27. Система питания двигателя внутреннего сгорания.

22. Еникеев Р.Д., Нурмухаметов Р.М., Рудой Б.П., Садыков Р.И. Патент РФ № 2215894. Бюллетень изобретений, 2003, № 31. Способ подачи топлива в цилиндры двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления.

23. Еникеев Р., Рудой Б.П., Зинов Д.В. Патент РФ № 2253025. Бюллетень изобретений, 2005, № 15. Способ работы двигателя внутреннего сгорания (варианты) и устройство для его осуществления.

24. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р. Патент РФ № 2255229. Бюллетень изобретений, 2005, № 18. Устройство для глушения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания.

25. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р. Патент РФ № 2258816. Бюллетень изобретений, 2005, № 23. Устройство для глушения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания.

26. Еникеев Р.Д., Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р. Патент РФ № 2293855. Бюллетень изобретений, 2007, № 5. Способ глушения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания и выпускная система для его осуществления.

В других изданиях, включая труды Всероссийских и международных НТК: 27. Еникеев Р.Д. Двухпоточная подача заряда в двигатель как метод сжигания бедных смесей / Еникеев Р.Д., Рудой Б.П.// Международная конференция по проблемам сгорания, Москва, СПБ, 1993. стр. 33.

28. Еникеев Р.Д. Регулирование параметров потока на впуске для улучшения эффективных показателей ДВС / Еникеев Р.Д., Рудой Б.П.// III всероссийский научный семинар "Совершенствование мощностных, экономических и экологических показателей ДВС", Владимир, 1994. стр. 58-59.

29. Еникеев Р.Д. Влияние параметров топливоподачи на качество смесеобразования и наполнение ДВС / Еникеев Р.Д.// Межвуз. науч. сб. "Актуальные проблемы авиадвигателестроения", Уфа, УГАТУ, 1997. стр. 224-231.

30. Еникеев Р.Д. Моделирование рабочего процесса, газообмена и шума выхлопа четырехтактного ДВС / Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д.// Межвуз. науч. сб. "Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей", Уфа, 2002, вып. 19. стр.

31. Еникеев Р.Д. Исследование шума выхлопа ДВС при резком закрытии дроссельной заслонки / Рудой Б.П., Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д.// Межвуз. науч. сб. "Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей", Уфа, 2002, вып. 19. стр.

32. Еникеев Р.Д. Улучшение эффективных показателей двигателя и шума выпуска с использованием системы имитационного моделирования "Альбея". / Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д., Рудой Б.П.// Труды института инженеров-механиков, Часть D: "Automobile Engineering", Великобритания. 2004, 218 (D12), 1447-1453. (на англ. языке).

33. Еникеев Р.Д. Моделирование внутрицилиндровых процессов, газообмена, механических потерь и шума выхлопа ДВС / Вахитов Ю.Р., Еникеев Р.Д., Рудой Б.П.// МГТУ. Международный симпозиум "Образование через науку". Материалы докладов секции "Двигатели внутреннего сгорания". Отдельный выпуск. Москва, 2005. стр. 19-20.

34. Еникеев Р.Д. Газовоздушный тракт четырехтактного ДВС. / Еникеев Р.Д. // МГТУ. Международный симпозиум "Образование через науку". Материалы докладов секции "Двигатели внутреннего сгорания". Отдельный выпуск. Москва, 2005. стр. 107.

35. Еникеев Р.Д. Организация вихревого движения заряда в цилиндре ДВС / Еникеев Р.Д., Чичков К.В.// Материалы 49-ой научно-технической конференции ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров". Секция 2. "Поршневые и газотурбинные двигатели". Часть 1. Москва, 2005. стр. 53-55.

36. Еникеев Р.Д. Двигателестроение и моторные топлива. Приоритеты развития / Еникеев Р.Д., Ахметов С.А. // Вестник Академии наук РБ. 2006. Том 11, № 2. стр. 34-40.

Размещено на .ru