Результаты экспериментальных исследований системы резонансного впуска дизеля с газотурбинным наддувом

УДК 621.436

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМЫ РЕЗОНАНСНОГО ВПУСКА ДИЗЕЛЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ

Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.А. Ефремов, ассистент,

ХНАДУ

Аннотация. Приведены результаты экспериментальных исследований системы резонансного впуска (СРВ) дизеля с газотурбинным наддувом (ГТН) СМД-18Н. Показано влияние СРВ на параметры воздуха во впускной системе дизеля и его техникоэкономические показатели. При проведении исследований использовалась автоматизированная система испытаний и диагностирования ДВС (АСИД ИВК «ДВС»), позволяющая измерять быстроизменяющиеся процессы в двигателе.

Ключевые слова: система резонансного впуска, дизель с ГТН, амплитуда колебаний давления, давления на впуске, впускная система, АСИД ИВК «ДВС», экспериментальные исследования.

Введение

Одно из направлений улучшения характеристик современных двигателей как с газотурбинным наддувом, так и со свободным впуском связано с использованием волновых явлений в газовоздушных трактах с целью увеличения наполнения цилиндров на всех режимах работы ДВС.

Устройства инерционного и резонансного впуска, образующие группу так называемых акустических систем, обеспечивают повышение давления впуска, энергетическим источником которого является работа насосных ходов. Благодаря относительной простоте конструкции и высокой эксплуатационной надежности область применения таких систем непрерывно расширяется. Элементы акустического впуска в той или иной мере реализуются в подавляющем большинстве современных конструкций двигателей, поскольку решаемые в настоящее время задачи аэродинамического профилирования впускных и выпускных трактов предполагают целенаправленное использование инерционной и колебательной составляющих движения воздушного потока. Особенность такого способа наполнения заключается в возможности повышения мощности двигателя в среднем на 10...12% без существенного усложнения конструкции и увеличения объема работ по обслуживанию установки.

Анализ публикаций

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования нестационарных процессов

во впускных системах ДВС привели к практически важному выводу о возможности применения таких конструкций впускных коллекторов, которые обеспечивают на заданных скоростных режимах работы ДВС вполне определенную регулярную нестационарность давления в коллекторе и повышение за счет этого наполнения цилиндров свежим зарядом в фазе дозарядки. Это определило содержание большинства исследований, направленных на выявление зависимости наполнения цилиндра от длины и диаметра «настраиваемой» части впускного коллектора, частоты вращения коленчатого вала, порядка резонирующей гармоники. Кроме того, определяется влияние на развитие свободных колебаний воздуха в коллекторе таких его конструктивных особенностей, как разветвление, емкость всей впускной системы, наличие воздухоочистителя и т.д. [1, 2, 3, 4, и др.].

Наибольшее количество патентных, конструкторских и исследовательских разработок систем резонансного впуска относится к так называемым индивидуальным впускным системам. Меньшее внимание уделяется системам, объединяющим несколько цилиндров. С практической точки зрения для многоцилиндровых ДВС, именно объединенные системы представляют наибольший интерес.

Система резонансного впуска находит все большее применение как самостоятельная или вспомогательная система. Положительный эффект резонансный впуск дает не только на 6-ти цилиндровых двигателях, где имеет факт равномерное чередование вспышек [5, 6], но и на 4-х цилинд-

ровых дизелях со свободным выпуском отработавших газов и с газотурбинным наддувом [7, 8].

Практически на всех современных дизелях применяется газотурбинный наддув, настройка которого в основном осуществляется на режим максимальной мощности. Однако ГТН не обеспечивает подачу оптимального количества воздуха на режимах, отличных от режима настройки турбокомпрессора. Кроме того, из-за инерционности ротора турбокомпрессора дизель плохо работает на переходных режимах, поэтому настройка резонансной системы впуска осуществлялась на режим максимального крутящего момента, который в значительной степени определяет эксплуатационные расход топлива и токсичность выбросов автомобильных дизелей. Так как характеристика, а также максимальное значение крутящего момента зависят в первую очередь от колебательных процессов во впускном трубопроводе, то определение его оптимальных размеров, особенно эффективной длины и объема, приобретает решающее значение.

Цель и постановка задачи

Основной задачей работы является экспериментальное исследование разработанной резонансной впускной системы дизеля с газотурбинным наддувом, оценка ее возможностей и влияния на параметры воздуха во впускном коллекторе дизеля.

С этой целью в ХНАДУ, на базе лаборатории кафедры ДВС, создана и успешно прошла испытания автоматизированная система для исследования и диагностирования автотракторных двигателей «ИВК ДВС» [9]. В качестве объекта исследования выбран тракторный дизель СМД-18Н. Это четырехцилиндровый, четырехтактный двигатель с газотурбинным наддувом и жидкостным охлаждением мощностью 70 кВт. Для проведения исследований дизель был оснащен всеми необходимыми датчиками и исполнительными механизмами, позволяющими автоматизировать не только процесс исследования и диагностики, но и управление работой двигателя (рис. 1).

Результаты испытаний

В результате проведенных испытаний установлено, что мощностные, экономические и температурные показатели дизеля СМД-18Н с газотурбинным наддувом могут быть существенно улучшены с помощью введения резонансного впуска, настроенного на режим максимального крутящего момента. В результате экспериментальных исследований получены осциллограммы давлений во впускной системе дизеля и его нагрузочные характеристики (рис. 2-5). Исследование впускной системы проводилось при различных объемах отражательного элемента. В работе представлены данные по лучшему из вариантов.

Разработанный вариант системы резонансного впуска показал следующие результаты. Система позволяет получить от дизеля постоянную мощность N=80 кВт в рабочем диапазоне частот вращения коленчатого вала от «=1400 мин1 до «=1800 мин1 при удельных расходах топлива в этом диапазоне, не превышающих ge = 246,5 г/(кВт-ч) и температуре отработавших газов, не превышающей ґг= 535 °С.

Запас крутящего момента повысился на 21% - с К=20% до К=41% (при ge=251,6 г/(кВт-ч) и 4=550 °С на режиме максимального крутящего момента). Удельный расход топлива при «=1400 мин-1 и Ые= 65 кВт понизился на 6 г/(кВт-ч), а при «=1800 мин1 и N<,=80 кВт - на 1 г/(кВт-ч).

При частоте вращения «=1400 мин1 и неизменном уровне удельного расхода топлива ge=246 г/(кВт-ч) и температуре 4=530°С мощность дизеля возросла на 10 кВт. Температура отработавших газов при «= 1400 мин1 и N¿=65 кВт снизились на 40°. Давление наддува повысилось: при частоте вращения п=1800 мин-1 в диапазоне мощностей от Ne= 70 до 80 кВт в среднем на 3,6%; при частоте вращения «=1400 мин1, в диапазоне мощностей от N= 65 кВт до 75 кВт в среднем на 7,5%. Гидравлические потери в воздухоочистителе понизились на этих режимах соответственно на 10 и 20%.

Температура наддувочного воздуха в резонансной и серийной выпускной системах практически одинакова и составляет: 4 =105оС (при «=1800 мин-1 и N<,=80 кВт), 4=81оС (при «=1400 мин1 и N,=65 кВт). Расход воздуха (рис. 2, 3), при установке системы резонансного впуска увеличился: при оборотах «=1800 мин1 - на 3; 3,4; 4,4%, соответственно при Ne= 60, 70 и 80 кВт; при оборотах «=1400 мин1 - на 6,5; 7,6%, соответственно, при N= 50 и 65 кВт. Давление наддува рк возросло (рис.2, 3): при «=1800 мин1 в интервале мощностей от N¿=60 кВт до 80 кВт на 10 кПа, при «= 1400 мин-1 в интервале мощностей от Ne= 50 кВт до 70 кВт - на 20 кПа.

Из графиков рис. 2 и 3 видно, что при резонансной впускной системе колебания давления у клапанов возрастают, а на выходе из компрессора уменьшаются.

При «=1800 мин1, в диапазоне мощностей от N= 60 кВт до 80 кВт, амплитуда колебаний давления у клапанов возросла в среднем на 30%, а на выходе из компрессора уменьшилась на 75%. При «= 1400 мин1 в диапазоне мощностей от N=50 до 70 кВт амплитуда колебаний у клапанов возросла в среднем на 100%, а на выходе из компрессора уменьшилась на 47%.

г)

1

^ г

о^и

Рис. 1. Установка датчиков во впускной системе дизеля: а - штатная; б - экспериментальная

р.

Рр

б

а

р р р р'

* к’* з тах’Азо^- зо

кПа 80

«=1400 мин

Р Р Р Р'

А к’1 з тах^зо^ зо

«=1800 мин

70

60

50

40

30

20

10

0

г'"’

ов 1 ч

/

Рз тах

-V

\ /

г Рк

Р Ґ зо —А

\

рО

45 50 55 60 N,кВт 70

ов кПа

кг

ч 80

350

340 70

330

320 60

310

300 50

40

30

20

10

0

зо

С

*»

Рз тах и' г

ь* с

/

Рк; ^

>

г'' /

Л

Р зо

г ---

-р.о<

Ов_

кг

ч

520

510

500

490

480

470

460

450

60 65 70 NP, кВт80

Рис. 2. Параметры воздуха во впускной системе Рис. 3. Параметры воздуха во впускной системе

при п= 1400 мин1 при п= 1800 мин-1

"КТ х<-Т^т

ВМТ НМТ п=1800 мин-

а б

Рис. 4. Результаты осциллографирования впускной системы: а - штатная; б - экспериментальная; 1 -давление на выходе из компрессора; 2 - давление в коллекторе у цилиндров; 3,4 - линии атмосферного давления

0С

500

450

Рк

кПа

50

45

40

35

30

г

кВтч

250

245

240

235

«=1800 мин

-1

Мкр

Нм

мм. вод.ст.

190

180

170

160

150

От

кг

ч

17

16

15

60 65 N, кВт 75

и

0С

450

400

350

Рвс.

мм. вод. ст.

270

260

250

240

230

От

кг

ч

20

19

18

17

Рис. 5. Нагрузочные характеристики дизеля:

- серийная система впуска; --------- резонансная система впуска

На рис. 4 приведены осциллограммы давления в серийной (рис. 4а) и резонансной (рис. 4б) впускных системах в двух ее точках: на выходе из компрессора (кривая 1) и у впускных клапанов (кривая 2).

Анализ результатов исследований

Анализируя результаты обработки осциллограмм давления в коллекторе (рис. 2, 3, 4) и в кривых давления рк и рвс на различных режимах, приходим к следующему важному выводу об особенностях резонансного наддува на дизеле, уже имеющем газотурбинный наддув. Эффективность резонансного впуска складывается из четырех составляющих, обусловленных четырьмя факторами в следующем порядке их значимости:

- усиление колебаний давления перед впускными клапанами (кривые р80 на рис.3);

- повышение среднего давления наддува рк (кривые рк на рис.2, 3), возникающее благодаря повышению КПД компрессора вследствие успокоения колебаний на выходе из него (кривые р80 на рис. 2, 3);

- снижение гидравлического сопротивления воздухоочистителя из-за успокоения колебаний в потоке на выходе его из воздухоочистителя;

- выравнивание коэффициента наполнения пу по цилиндрам двигателя (осциллограммы давления перед клапанами на рис. 4а при серийной системе впуска и на рис. 4б при резонансной системе впуска).

Повышение амплитуды колебаний р80 с увеличением мощности при неизменной частоте вращения можно объяснить повышением максимального давления в коллекторе при значительно меньшем изменении максимального давления, обусловленного, главным образом, скоростью поршня. Увеличение амплитуды давления у клапанов и уменьшение ее у компрессора объясняется тем, что в этих местах при резонансе располагается, соответственно, пучность и узел амплитуд колебаний давления.

Выводы

Резонансная впускная система дизеля СМД-18Н позволяет получить от него постоянную мощность N¡,=80 кВт в диапазоне частот вращения от 1400 до 1800 мин-1 при ge= 247 г/(кВт-ч) и 4=535 °С.

Запас крутящего момента дизеля повышается на 21% с 20 до 41% при ge=252 г/(кВт-ч) и 4 =550 °С на режиме максимального крутящегося момента.

Удельный расход топлива при «=1400 мин1 и Ne= 70 кВт понизился на 6 г/(кВт-ч), а при «=1400 мин1 и Ne=80 кВт на 1 г/(кВт-ч), при оборотах «=1400 мин4 и неизменном уровне удельного расхода топлива и температуре мощность возросла на 10 кВт с Ne= 70 кВт до 80 кВт.

Система резонансного впуска сравнительно проста по конструкции и не вносит дополнительных неудобств при эксплуатации дизеля.

Литература

1. Березин С.Р. Исследование динамического

наддува четырехтактного двигателя внутреннего сгорания: Автореф. дис. канд. техн. наук. - М.: 1980. - 16 с.

2. Круглов М.Г., Рудой Б.П., Березин С.Р. Крите-

риальная взаимосвязь параметров четырехтактного ДВС при динамическом наддуве // Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков: Изд-во «Вища школа» при ХГУ. - 1983 -Вып. 37 - С. 67-76.

3. Burchardt H.-M., Arnold G. Rechnerische

Auslegung des geschalteten Ansaugsystems Dual Ram // Automob.-Ind. - 1989. - №5. -Р. 619-632.

4. Matsumoto I., Ohara A. Variable induction sys-

tems to improve volumetric efficiency at low and / or medium engine speeds / SAE Techn. Pap. Ser. - 1986. - № 860100. - P.1-11.

5. Lorh Joachim. Neue Auflaeverfahren. MAN fordch,

plan., bauen. - 1983. - №14. - Р. 46-52.

6. Scjtt David/ Resonant induction boosts turbo en-

gine performanse. - Automot. Eng. 1983, 91, №106. - Р. 93-98.

7. Якубов А. Д., Ледовский В.И. Резонансный над-

дув дизеля с турбокомпрессором // Двигатели внутреннего сгорания. - 1983. - Вып. 37.

- С. 88-95.

8. Якубов А. Д. Сравнительный анализ резонанс-

ного наддува комбинированного двигателя и двигателя со свободным выпуском отработавших газов // Двигатели внутреннего сгорания. - 1983. - Вып. 38. - С. 30-37.

9. Абрамчук Ф.И., Пойда А.Н., Ефремов А.А.,

Сивых Д.Г., Проскурин А.В. Новая автоматизированная система исследования и диагностирования автотракторных двигателей. Автомобильный транспорт / Сб. научн. трудов. - Харьков, ХНАДУ. - 2005. - Вып. 17. -С. 28-34.

Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 27 февраля 2007 г.