Влияние температуры наддувочного воздуха на рабочий процесс дизельного двигателя

демпфирования колебаний. Общее число Захаренков Николай Владиленович - публикаций - 9. аспирант, ОмГТУ, Основное направление научных исследований - активные системы

УДК 621.43.068.2

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА НА РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Д. В. Шабалин, Е. С.Терещенко

Аннотация. В статье кратко изложены результаты исследований по влиянию наддувочного воздуха и условий окружающей среды на рабочий процесс дизельного двигателя, приводятся сведения о зависимости теплового состояния деталей двигателя от параметров наддувочного воздуха.

Ключевые слова: надувочный воздух, компрессор, расход топлива, газотурбинный наддув.

Увеличение мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания без изменения их размеров (т. е. повышение удельных показателей) связано с необходимостью решения задачи сжигания в цилиндрах больших порций топлива за один рабочий цикл. Решение этой задачи требует наличия в цилиндрах дизеля большего количества воздуха. Увеличение количества воздуха при неизменном рабочем объеме двигателя, может быть обеспечено только за счет повышения его плотности в результате предварительного сжатия. Этот способ, известный под названием наддува, успешно применяется в современном двига-телестроении.

Заметим, что сжатие атмосферного воздуха в компрессоре сопровождается не только

повышением давления, но и ростом температуры наддувочного воздуха. Последнее существенно отражается на характере рабочего процесса в цилиндрах дизеля и на его надежности.

Анализ работ по исследованию влияния температуры наддувочного воздуха на параметры дизелей с газотурбинным наддувом свидетельствует о том, что повышение этой температуры на каждые 10 0С уменьшают массу воздушного заряда на 3,0-3,5 % и рост удельного эффективного расхода топлива на

0,8-1,2 %. На рисунке 1. представлена зависимость параметров рабочего процесса дизеля 1 ЧВН 12/12,5 от температуры наддувочного воздуха при неизменном давлении наддува

Ъ [1].

Рис. 1. Влияние температуры наддувочного воздухана параметры рабочего процесса дизеля 1 ЧВН 12/12,5

Из рисунка 1 отчетливо видно, что снижение ^ приводит к такому увеличению плотности воздуха, поступающего в цилиндр, что коэффициент избытка воздуха повышается с 1,64 до 2,03 (т. е. 23,8 %). Результатом этого является более полное и быстрое сгорание (коэффициент полезного тепловыделении увеличился на 4,1 %; скорость тепловыделения в

начальный период сгорания

(—)'

(Дф т

воз-

росла тоже почти на 4 %; продолжительность сгорания по углу поворота коленчатого вала (ф,) уменьшилась на 22,5 %), что привело к существенному снижению расхода топлива (на 13, 9 % - часового, на 10,3 % - удельного эффективного и на 12,6 % - удельного индикаторного).

На графике хорошо видно уменьшение максимальной температуры рабочего тела - Ттах (практически на 10 %), что, естественно, ведет к

соответствующему снижению температуры отработавших газов.

При охлаждении наддувочного воздуха, вследствие перераспределения теплового баланса удается существенно снизить затраты мощности на привод вентилятора [2].

Однако увеличение плотности воздушного заряда приводит не только к благоприятным изменениям в протекании рабочего процесса и тепловом балансе двигателя. Отмечаемое при этом на индикаторных диаграммах [3] увеличение периода задержки воспламенения, приводит к увеличению количества топлива, выгорающего в начальный период сгорания (период «взрывного» сгорания) - Хн (практически в два раза). В результате на 42,8 % возрастают максимальная скорость нарастания давления Wp тах, максимальное давление рабочего тела ртах (на 8,4 %), что существенно увеличивает ударные механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.

Не менее заметно, чем на параметры рабочего процесса, температура наддувочного воздуха влияет на температуру основных деталей рисунок 2, дизеля 1 ЧВН 12/12,5 [1].

Как видно из рисунка, рост температуры наддувочного воздуха весьма существенно отражается на тепловом состоянии деталей двигателя. При этом наиболее заметно увеличивается температура межклапанной перемычки и Изменение температуры наддувочного воздуха от 60 до 100 0С вызвало ее повышение на 29,9 %. Несколько меньше (на 22,0 %) увеличилась средняя температура цилиндра ^ (в 27 мм от газового стыка), на 17,6 % повысилась температура в зоне верхнего поршневого кольца @пк) и на 9,6 % средняя температура поршня @п).

Кроме значений температуры основных деталей дизеля при различных температурах наддувочного воздуха на рисунке 2 приведено изменение критерий тепловой нагруженности Кт [3]:

Г Т-. л0’38 ( ~ л0,88

К = С

D.,

Ре  Ве

Тк

Т

Vп ' рк 1 V Т о 1

где Ст - средняя скорость поршня, м/с; Dц -диаметр цилиндра, м; Пу - коэффициент наполнения; ре - среднее эффективное давление, МПа; Т0 - температура окружающей среды, К.

Учитывая сказанное выше, следует иметь в виду, что уровень температуры наддувочного воздуха связан не только с величиной развиваемого компрессором давления (т. е. со степенью повышения давления в компрессоре Пк), но и с температурой окружающего воздуха 10, рисунок 3. Из рисунка видно, что увеличение ^ на 100 0С приводит к росту ^ более, чем на 150 0С со всеми вытекающими из этого рассмотренными ранее последствиями.

Приведенные выше материалы позволяют сделать заключение о том, что на работе двигателя отрицательно сказывается и высокая и низкая температура свежего заряда.

В первом случае снижается коэффициент избытка воздуха, увеличивается продолжительность сгорания, увеличивается температура отработавших газов (а, значит, потери энергии с выбрасываемыми в атмосферу отработавшими газами), что ведет к снижению коэффициента эффективного тепловыделения, соответственно увеличивается расход топлива и снижается индикаторный КПД. Растет максимальная температура цикла, а значит, и тепловая нагружен-ность основных деталей двигателя.

При относительно низкой температуре наддувочного воздуха увеличиваются максимальное давление в цилиндре и жесткость, повышаются ударные механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.

В реальных условиях эксплуатации режимы работы (частота вращения коленчатого вала, крутящий момент) комбинированных двигателей практически всегда непрерывно изменяются.

На рисунке 4 и 5 показаны графики изменения крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала и ротора турбокомпрессора двигателей ЯМЗ 238Н и Д-130 с наддувом [6, 7] во время работы на различных режимах.

Рис. 2. Влияние температуры наддувочного воздуха на температуру основных деталей дизеля

Как видно, Кт существенно (на 24,7 %) повышается при росте температуры наддувочного воздуха в пределах от 40 до 100 0С.

Пк-10,3

О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 т,с

Рис. 4. Изменение крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала и ротора турбокомпрессора компрессора дизеля ЯМЗ 238 Н при разгоне грузового автомобиля: Мкр - крутящий момент на полуосях автомобиля, п - частота вращения коленчатого вала двигателя; пк - частота вращения ротора турбокомпрессора

Как видно, частота вращения ротора турбокомпрессора при этом существенно меняется во времени, что, в свою очередь, вызывает соответствующие изменения давления и температуры наддувочного воздуха, а значит и рассмотренные выше изменения параметров рабочего процесса двигателя, тепловой и механической нагруженности его основных деталей.

Поскольку температура свежего заряда то увеличивается до нежелательных значений, то снижается до уровня, также вызывающего негативные последствия, возникает необходимость принимать меры то к ее понижению, то к ее повышению.

грунта

Рис.5. Изменение крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала и ротора турбокомпрессора компрессора дизеля Д-130 за цикл работы бульдозера:

Мс - момент сопротивления, п - частота вращения коленчатого вала двигателя; пк -частота вращения ротора турбокомпрессора

Библиографический список

1. Нефедов В.И. Улучшение параметров форсированных дизелей воздушного охлаждения изменением глубины охлаждения наддувочного воздуха: Диссертация канд. техн. наук / В.И. Нефедов.- Челябинск, 1998.- 168 с.

2.Чернышев Г.Д. Развитие методологии конструирования автомобильных дизелей: Авторефират диссертации д-ра техн. Наук / Г.Д. Чернышев. - Москва, 1976. - 71 с.

3. Кудряш А.П. Надежность и рабочий процесс транспортного дизеля / А.П. Кудряш. - Киев: Наукова думка, 1981. - 135 с.

4. Особенности теплового баланса тракторного дизеля воздушного охлаждения / А.П. Кожевников и др. // Тр. ЧИМЭСХ - Челябинск, 1975. - Вып. 88. - С. 47-49.

5. Патрахальцев Н.Н. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом / Н.Н. Патрахальцев. -М.: Легион, 2004. - 197. С.

6. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигатель / под общ. ред. А.С. Орлина. Изд. 4-е. - М.: Машиностроение, 1983. -372 с.

7. Костин А.К. Эксплуатационные режимы транспортных дизелей / А.К. Костин, Е.Б. Еркембаев. - Алма-Ата: Наука, 1988. - 192 с.

TEMPERATURE INFLUENCE РRESSURISA-TION AIR ON WORKING PROCESS OF THE DIESEL ENGINE

D.V. Shabalin, E.S. Tereshchenko

In article results of researches on influence pressurization air on working process of the diesel engine are is short stated, data on dependence of a thermal condition of details of the engine from parametres pressurization air are resulted.

Шабалин Денис Викторович - адъюнкт «Двигатели автомобильной техники» Омского танко-

вого инженерного института имени Маршала Советского Союза П.К. Кошевого филиал Военного учебно-научного центра Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ».

Терещенко Евгений Сергеевич - аспирант кафедры Двигателей. Омский танковый инженерный институт имени Маршала Советского Союза П.К. Кошевого филиал Военного учебнонаучного центра Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ», г. Омск. Основное направление научных исследований: автоматизация процессов и системы управления двигателей внутреннего сгорания. Общее количество публикаций составляет: 5.

УДК 514.185.2

СОВРЕМЕННЫЙ МЕТОД ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ФОРМУЛ БЕЙКЕРА

К. С. Яковенко, В. Н. Тарасов

Аннотация. Доказываются формулы, приведенные в своих работах Бейкером, для расчета размерностей условий и многообразий основных условий инцидентности по средствам символьного представления геометрических условий.

Ключевые слова: начертательная геометрия, исчислительная геометрия, исчисления Шуберта, виртуальное условие инцидентности, общие виды инцидентности.

Введение

Теория исчислительной геометрии является неотъемлемой частью современной конструктивной геометрии. Наиболее важным трудом по исчислительной геометрии считается книга Г. Шуберта «Kalkül der abzählenden Geometrie» (Teubner, 1879г.). Труды Шуберта и его последователей в свою очередь были объединены и систематизированы Г. Ф. Бейкером в шестом томе его сборника трудов “Принципы геометрии” [2], который регулярно переиздаётся зарубежными издательствами, что свидетельствует об актуальности и востребованности его трудов и по сей день.

Многие проблемы исчисления, могут быть рассмотрены с помощью символьного исчисления так тщательно продуманного Г. Шубертом. Важность и мощь введённого им аппарата исчисления заключается в том, что в запутанных случаях, применяя данный аппарат можно получить решение, в то время как обычные методы не в состоянии его дать. Это исчисление основано на идее представления условий, в котором геометрический примитив должен быть предметом, т.е. алгебраическим символом. Символические исчисления условий ин-

цидентности объектов, разработанные Г. Шубертом, нашли свое дальнейшего развитие и обобщение в работах Волкова В. Я. и его последователей.

Символьное представление геометрических условий

В рамках исследований проблем исчисли-тельной геометрии многомерных пространств было введено символьное представление геометрических условий [1], которое эквивалентно Шубертовым условиям.

Для задания условий инцидентности и соответствующих им многообразий используется буква e и обобщенное условие инцидентности представляется как:

где количество верхних и нижних индексов совпадает, а значения являются положительными натуральными числами. Индексы т,т-1,...,0 определяет размерность линейного многообразия и всех его подмногообразий, а индексы аI - размеры многообразий, в которых находятся линейные подмногообразия искомого многообразия.

m, т—

e

a ,a

m ’ m-1

1’~0