Обоснование рациональной геометрии впускного коллектора для повышения энергетических показателей роторно-поршневых двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Кузин, Виктор Станиславович

• Кузин, Виктор Станиславович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузин, Виктор Станиславович

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ конструктивных схем и математических моделей роторно-поршневых двигателей.

1.1. Анализ конструкций и условий эксплуатации роторно-поршневых двигателей

1.2. Математические модели РПД и методы их расчета.

1.3. Цель и задачи исследования.

1.4. Выводы.

2. Разработка математического обеспечения для моделирования рабочего процесса роторно-поршневого двигателя.

2.1. Разработка математической модели.

2.2. Определение геометрических параметров эпи- и гипотрохоидных роторно-поршневых двигателей.

3. Разработка одномерной математической модели течения газа в трубопроводе впускного коллектора.

3.1. Получение зависимостей, описывающих течение газа в трубопроводе.

3.2. Определение начальных и граничных условий для решения системы уравнений, описывающих течение газа.

3.3. Вычисление параметров газа в различные моменты времени.

3.4. Определение газодинамических параметров течения газа при распаде произвольного разрыва.

3.5. Определение основных соотношений.

3.6. Условия выбора шага по времени и по координате.

3.7. Определение параметров потока газа при линейном приближении.

4. Экспериментальное исследование рабочих процессов РПД.

4.1. Планирование и проведение эксперимента.

4.2. Проверка адекватности разработанного математического описания

4.3. Разработка методики расчета впускного трубопровода с непрерывным изменением длины.

4.4. Расчет перетечек.

4.5. Расчет основных геометрических параметров РПД.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональной геометрии впускного коллектора для повышения энергетических показателей роторно-поршневых двигателей»

Актуальность работы. В настоящее время поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой наиболее распространенный источник механической энергии. За многие десятилетия своего развития поршневой двигатель достиг высокой степени совершенства. Однако поршневой двигатель обладает существенным недостатком — необходимостью преобразования поступательного движения во вращательное движение вала. В связи с этим по некоторым показателям (простоте конструкции, габаритам и массе, числу оборотов и вибрациям) поршневой двигатель значительно уступает двигателям, в которых осуществляется только вращательное движение, например турбинам и роторно - поршневым двигателям (РПД).

Преимущества роторного двигателя состоят в следующем: компактность, малая удельная масса, плавность и малая шумность работы, пониженная склонность к детонации, полная уравновешенность масс, пологая кривая изменения крутящего момента, отсутствие клапанного механизма, легкость в управлении.

Недостатками такого двигателя являются нерациональная форма камеры сгорания, что вызывает увеличение фронта пламени и, следовательно, сравнительно высокие уровни выбросов с отработавшими газами углеводородов; повышенный удельный расход топлива и масла, связанный с особенностями протекания процесса сгорания и условиями теплоотдачи, наполнения; сравнительно высокая стоимость изготовления; невозможность работы в режиме дизеля.

Тем не менее, отдельные недостатки возможно устранить при наличии адекватных математических моделей характеризующих работу РПД.

Из обзора доступной научно-технической литературы следует, что отсутствуют математические модели, в которых рассматриваются рабочие процессы одновременно во всех полостях РПД, не учитывается переменность граничных условий на входе и выходе двигателя. В частности, мало информации об отрицательном явлении межцикловой (межкамерной) нестабильности рабо чего процесса в РПД.

Таким образом, получение высоких энергетических и эксплуатационных характеристик РПД при их создании или модернизации требует научно-технического обоснования новых эффективных методов их расчета и проектирования.

При моделировании рабочих процессов в РПД предлагается использовать методологию термодинамики открытых систем, к достоинствам которой следует отнести то, что она кроме термогазодинамики, включает динамику механизмов с их основными конструктивными параметрами. Последнее делает возможным использовать построенные математические модели как для решения прямых задач (расчет рабочих процессов), так и обратных (в целях усовершенствования отдельных конструктивных элементов двигателя или его систем).

Учитывая вышесказанное, тема исследований диссертационной работы является актуальной.

Цель работы - повысить энергетические показатели роторно - поршневого двигателя путем определения рациональных геометрических параметров впускного трубопровода (коллектора) с помощью математического моделирования протекающих в них рабочих процессов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель рабочего процесса роторно - поршневого двигателя (РПД);

- разработать математическую модель впускного трубопровода под измененные граничные условия, вследствие отсутствия впускных клапанов;

- разработать общую математическую модель РПД с впускной системой.

Объектом исследования являются автомобильные роторно - поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Предметом исследования являются тепломеханические процессы, протекающие в роторно - поршневых автомобильных двигателях и газодинамические процессы, протекающие в системах впуска.

Метод исследования, используемый в работе — комплексный, основанный на совместном применении теоретических и расчетных методов газовой динамики, термодинамики открытых систем, эксперимента, с широким использованием ЭВМ на всех этапах исследования.

Общетеоретическую базу исследований составили научные труды М.А. Мамонтова, B.C. Бениовича, И.И. Вибе, А.Н. Воинова, В.А. Звонова, Г.Н. Злотина, Н.А. Иващенко, В.И. Ивина, Р.З. Кавтарадзе, А.К. Костина, М.Г. Круг-лова, В.И. Крутова, А.С. Орлина, P.M. Петриченко, Н.Ф. Разлейцева, Б.П. Рудого, Федянова, Н.Д. Чайнова, В.К. Чистякова, и многих других по математическому описанию рабочих процессов в тепловых двигателях и их отдельных системах.

Автор защищает:

1. Разработанную тепломеханическую модель рабочих процессов, протекающих в роторно - поршневом двигателе внутреннего сгорания.

2. Научно-обоснованную методику расчёта системы с непрерывно меняющейся длиной впускного трубопровода, позволившую определить зависимость изменения длины впускного трубопровода для двигателя BA3-311 от числа оборотов и определить основные геометрические размеры устройства реализующего принцип непрерывного изменения длины.

Научная новизна:

- разработана тепломеханическая модель расчета рабочих процессов, протекающих в роторно — поршневом двигателе, на основе термодинамики открытых систем, позволившая рассмотреть одновременно работу всех камер двигателя, учесть перетечки рабочего тела между камерами, для определения его энергетических показателей;

- определена зависимость длины впускного трубопровода от частоты вращения вала РПД, использование которой позволяет повысить энергетическую эффективность двигателя при одновременном снижении межкамерной нестабильности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физически обоснованными допущениями, совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составило не более 10%.

Практическая значимость работы:

- разработаны алгоритмы и программы расчета рабочих процессов в

РПД;

- разработана методика расчёта геометрических характеристик впускного трубопровода (коллектора) изменяющейся длины;

- разработана методика расчета основных геометрических характеристик

РПД.

Реализация результатов работы. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Т02-13.0-513 «Теория моделирования роторно-поршневых двигателей». Методика расчета основных геометрических характеристик впускного коллектора рекомендована к внедрению на ОАО АК «Туламашзавод». Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: "Теплотехника", "Рабочие процессы ДВС", «Двигатели нетрадиционных конструкций».

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов в ВоГТУ, 2005г., г. Вологда; третьей Международной заочной молодежной научно-технической конференции ЗМНТК-2005 «Молодежь России - науке будущего», г. Ульяновск, 2006г.; 1-ой магистерской научно-технической конференции, в ТулГУ, 2006г., г. Тула; первой Международной научно-технической конференции «Эксплуатация и методы исследования систем и средств автомобильного транспорта» в ТулГУ 2006г., г. Тула; второй Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного транспорта» в ТулГУ, 2009г., г.Тула; XI Международной научно-практической конференции в ВлГУ, 2008г., г. Владимир; VI Всероссийской научно-технической конференции в г. Новосибирск, 2009г.; II Международной научно-производственной конференции «Перспективные направления развития автотранспортного комплекса», в г. Пенза, 2009; ежегодных научно - технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2005 - 2010 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 2 в изданиях рекомендованных ВАК.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Кузин, Виктор Станиславович

Основные выводы, научные и практические результаты работы:

1. Разработана тепломеханическая модель расчета рабочих процессов, протекающих в роторно - поршневом двигателе, на основе термодинамики открытых систем, позволившая рассмотреть одновременно работу всех камер двигателя, учесть перетечки рабочего тела между камерами, для определения его энергетических показателей.

2. Разработана методика расчета системы с непрерывно меняющейся длиной впускного трубопровода, позволившая определить зависимость изменения длины впускного трубопровода для двигателя ВАЗ-311 от числа оборотов и определить основные геометрические размеры устройства реализующего принцип непрерывного изменения длины.

3. Установлена зависимость изменения длины впускного трубопровода от числа оборотов вала двигателя ВАЗ-311 для достижения максимальной мощности, использование которой позволяет повысить энергетическую эффективность двигателя при одновременном снижении межкамерной нестабильности.

4. Произведено сравнение результатов расчетов рабочих процессов РПД с данными экспериментальных исследований, подтвердившее их адекватность.

5. Получены основные геометрические размеры устройства, реализующего принцип непрерывного изменения длины: диаметр внутреннего (подвижного) кольца 205 мм; расстояние между кольцами 40 мм, угол поворота внутреннего кольца 280 диапазон изменения длины трубопровода 150700 мм.

6. В результате для двигателя ВАЗ-311 на частотах 2000-4000 об/мин увеличение мощности составило 11% при одновременном уменьшении нестабильности работы полостей примерно в 2,5 раза. Последнее, как следствие, приводит также и к улучшению его экологических показателей.

7. Основные научно-практические результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в курсах: "Теплотехника", "Рабочие процессы ДВС", «Двигатели нетрадиционных конструкций».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой поставлена и решена актуальная задача по обоснованию и выбору рациональных геометрических параметров впускной системы роторно-поршневого двигателя для повышения его энергетических характеристик.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузин, Виктор Станиславович, 2010 год

1. Андерсон Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х т. Т.1: Пер. с англ./ Д. Андерсон, Д. Таннехил, Р. Плетчер. М.: Мир, 1990. - 384с.

2. Бениович В. С. Ротопоршневые двигатели/ В. С. Бениович, Г.Д. Апа-зиди, A.M. Бойко. -М.: Машиностроение, 1968. 151с.

3. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателя/ И. И. Вибе. М.: Машгиз, 1962.-271с.

4. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях/А. Н. Воинов. М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.

5. Глаговский С.А. Использование динамических явлений во впускном тракте для улучшения показателей автомобильного карбюраторного двигателя: Дисс. канд. техн. наук. М.: 1973г.- 181с.

6. Глаговский С.А. и др. К выбору математической модели процесса наполнения автомобильного двигателя с неразветвленной впускной системой / С. А. Глаговский // Изв. вузов. Машиностроение. 1971. - № 9. С. 101-106.

7. Гогричиани Г.В. Переходные процессы в пневматических системах/ Г. В. Гогричиани, А.В. Шипилин. М.: Машиностроение, 1986. - 160 е., ил.

8. Двигатели внутреннего сгорания./Хачиян А.С., Морозов К.А., Лука-нин В.Н. и др.; Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1985. - 311 с.

9. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. А.С. Орлина М.: Машиностроение, 1970.— 384с.

10. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова М.: Машиностроение, 1983. —372с.

11. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей/ Под ред. А.С. Ор-лина, М.Г. Круглова М.: Машиностроение, 1984. - 384с.

12. Егоров Я.А. Система уравнений для описания нестационарных газодинамических явлений во впускном и выпускном трубопроводах ДВС//Изв. вузов. Машиностроение. 1974. - № 8. - С. 104-108.

13. Елагин М.Ю., Кусков С.М., Чуканова Е.М. Метрологические параметры роторно-поршневых двигателей // Известия ТулГУ. Серия автомобильный транспорт. - Вып. 3. - 1999г.

14. Елагин М.Ю., Кусков С.М., Должиков А.А. Теоретические исследования функционирования роторно-поршневых двигателей/ Известия ТулГУ. Серия автомобильный транспорт. - Вып. 4. 2000г.

15. Елагин М.Ю., Федотов С.В. Моделирование рабочих процессов роторно-поршневых двигателей/ М. Ю. Елагин // Труды Международной конференции "Прогресс транспортных средств и систем 2002". -Волгоград: ВолГУ. - 2002.

16. Елагин М.Ю. Математическое моделирование нестационарных процессов в открытых термодинамических системах/ М.Ю. Елагин. Тула: ТулГУ.-1995.-86 с.

17. Елагин М.Ю. Математическое моделирование нестационарных процессов в открытых термодинамических системах/ М. Ю. Елагин — Тула: ТулГУ. 1999.-112с. '

18. Елагин М.Ю., Смекалин В.В. Теоретические исследования неравномерной работы многоцилиндрового ДВС // Труды III Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера» / Казанский гос. техн. ун-т (КАИ). Казань, 2003. - с. 344-347.

19. Елагин М.Ю., Смекалин В.В. Расчет впускной системы ДВС переменной длины// Труды международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем 2005», Волгоград, ВГТУ, 2005.

20. Елагин М.Ю., Смекалин В.В., Хмелев Р.Н. Расчет параметров впускной системы ДВС с изменяемой геометрией // Труды IV международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», Казань, КАИ-КГТУ, 2005.

21. Елагин М.Ю, Кузин B.C. Модернизация роторно-поршневого двигателя с целью повышения его эксплуатационных характеристик // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 287-288.

22. Елагин М.Ю., Кузин B.C. Усовершенствование впускной системы роторно-поршневого двигателя// «Известия Тульского государственного университета» Сер. Технические науки. Вып. 1. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2010 С. 258-262.

23. Ерохов В.И. Совершенствование систем смесеобразования и расчёт процессов двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением: Дисс. докт. техн. наук. — М.: 1968. 236с.

24. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания/ В.А. Звонов М.: Машиностроение, 1981. 160 с.

25. Злотин Г.Н. Новый подход к моделированию межцикловой нестабильности в двигателях с искровым зажиганием/ Г.Н. Злотин, Е.А. Федянов, А.Ю. Свитачев. .Всшгогр. техн. ун-т. Волгоград, 1996. - 13 с.

26. Иващенко Н.А. Многозонные модели рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания/ Н.А. Иващенко, Р.З. Кавтарадзе. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. - 57с.

27. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/И.Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1975. - 464 с.

28. Круглов М.Г. Термодинамика и газодинамика двухтактных двигателей внутреннего сгорания/ М. Г. Круглов. М.: Машгиз, 1963. - 272 с.

29. Круглов М.Г. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания/ М.Г. Круглов, А.А. Меднов. М.: Машиностроение, 1988.-360 е.: ил.

30. Кузин B.C. Межцилиндровая и межцикловая нестабильность работы ДВС и способы ее уменьшения // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сб. ст. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - С. 89-90.

31. Кузин B.C., Яковлев М.Н. Усовершенствование впускной системы двигателя // Перспективные направления развития автотранспортного комплекса: сборник статей II Международной научно-производственной конференции / Пенза, 2009. С. 25-28.

32. Куличев В. Б. Межцилиндровые различия в карбюраторном двигателе и воздействие на них через систему зажигания. Волгоград, 1991.

33. Луканин В.Н. Повышение эффективности работы автомобильных и транспортных двигателей // Сборник научных трудов / МАДИ, Москва. 1988, с. 202.

34. Малиованов М.В. Разработка математической модели течения газа в трубопроводе двигателя/ М.В. Малиованов, Г.В. Поздеев, Р.Н. Хмелев// Изв. ТулГУ. Сер. автомобильный транспорт. Тула, 1999. - С. 89-92.

35. Мамонтов М.А. Основы термодинамики тела переменной массы/ М.А. Мамонтов Тула: Приокское книжное издательство, 1970. - 88 с.

36. Милованов В.И. Повышение долговечности малых холодильных компрессоров/ В.И. Милованов. — М.: Пищевая промышленность, 1980. -200с.

37. Петриченко P.M. Физические основы внутрицилиндровых процессов в ДВС/ P.M. Петриченко. Ленинград: Изд-во ленинградского университета, 1985.- 168с.

38. Петриченко P.M. Рабочие процессы поршневых машин/ P.M. Петриченко, В.В. Оносовский. Л.: Машиностроение, 1972. - 168 с.

39. Расчетное определение параметров конструкции впускной системы и газораспределения двигателей с индивидуальным питанием цилиндров и с впрыском бензина: Руководящие технические материалы. М.: Министерство автомобильной промышленности, 1977.

40. Рудой Б.П. Прикладная нестационарная газовая динамика/ Б.П. Рудой. Уфа: УАИ, 1988.

41. Рындин В.В. Исследование нестационарного течения газа во впускном трубопроводе и неравномерности наполнения многоцилиндрового двигателя: Дисс. канд. техн. наук. М.:, 1977г. - 163 с.

42. Самарский А.А. Разностные методы решения задач газовой динамики/ А.А. Самарский, Ю. П. Попов. М.: Наука, 1980. 352 с.

43. Смекалин В.В. Влияние геометрических характеристик впускной системы на энергетические показатели и межцилиндровую неравномерность работы автомобильного двигателя: Дисс. канд. техн. наук. Тула, 2005г. - 126с.

44. Сухомлинов P.M. Трохоидные компрессоры/ Р. М. Сухомлинов. -Харьков: Вища школа, 1975. 152с.

45. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент.: Справочник/ Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 560с.: ил. (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).

46. Тюфяков А.С. Совершенствование процессов и конструкции бензиновых двигателей с целью улучшения энергетических и экологических показателей/ А. С. Тюфяков. Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт, 1991.

47. Федянов Е.А. Межцикловая неидентичность рабочего процесса и проблемы улучшения показателей ДВС с искровым зажиганием/ Е.А. Федянов. 1999.

48. Хачатурян С.А. Волновые процессы в компрессорных установках/ С.А. Хачатурян. М.: Машиностроение, 1983.-223 с.

49. Хмелев Р.Н. Исследование влияния газодинамических процессов на функционирование ДВС: Дисс. канд. техн. наук. Тула, 2002 - 137с.

50. Черноусов А.А. Определение гидравлических характеристик местных сопротивлений в газовоздушных трактах ДВС вычислительным экспериментом/ А.А. Черноусов. 1998. Уфимский ГАТУ.

51. Численное решение многомерных задач газовой динамики/ Годунов С. К., Забродин А. В., Иванов М. Я. и др. М.: Наука, 1976. -400 с.

52. Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания: Учебн. пособ. М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

53. Шатуны в отставку// Тюнинг автомобилей. 2002, №3, С. 92 97.

54. Элементы автоматического проектирования ДВС // P.M. Петриченко, С.А. Батурин, Ю.Н. Исаков и др. JL: Машиностроение, 1990. - 328 с.

55. Элементы систем автоматизированного проектирования ДВС. Алгоритмы прикладных программ/ Под ред. P.M. Петриченко. JL: Машиностроение, 1990.- 328с.

56. Http://engine.aviaport.ru /issues/1 l&12/pagel4.html.

57. Hill Philip G. Связь межцилиндровой нестабильности сгорания со структурой турбулентности в ДВС с искровым зажиганием. Cyclic variations and turbulence structure in spark-ignition engines. "Combust and Flame" 1988, 72, №1, c. 73 69. Англ.

58. Okpenheim A.K. Поиск путей регулирования процесса сгорания в ДВС. Quest for controlled combustion engines. SAE Techs. Pap. Ser.l988. № 880572. c. 1-7. Англ.