Улучшение эффективных и экологических показателей дизеля и снижение тепловых нагрузок на его основные детали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, доктор технических наук Онищенко, Дмитрий Олегович

• Онищенко, Дмитрий Олегович
• доктор технических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор технических наук Онищенко, Дмитрий Олегович

КС

1.3. Краткий анализ работ, посвященных использованию теплоизоляционных материалов в поршневых двигателях

1.4. Анализ возможности использования природного газа с целью снижения тепловых нагрузок в поршневых двигателях и улучшения их экологических показателей

1.5. Выводы по главе 1. Постановка цели и задач диссертационной работы

Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА И ЛОКАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ОКСИДОВ АЗОТА В КС ДИЗЕЛЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКИВАНИЕМ ТОПЛИВА

2.1. Концептуальный подход, используемый при разработке математических моделей рабочего процесса

2.2. Разработка многозонной модели рабочего процесса для расчета локальных и суммарных концентраций оксидов азота в камере сгорания дизеля

2.3. Моделирование образования оксидов азота в КС дизеля и выбор констант химической реакции для расширенного механизма Зельдовича

2.4. Влияние интенсивности вихревого движения воздуха на динамику топливного факела

2.5. Оценка интенсивности вихревого движения заряда в цилиндре дизеля

2.6. Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. СНИЖЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК В КС ДИЗЕЛЯ И УЛУЧШЕНИЕ ЕГО ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПУТЕМ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

3.1. Методы снижения тепловых нагрузок на основные детали двигателя

3.2. Блокирующее воздействие вихревого движения заряда на теплообмен между рабочим телом и стенками камеры сгорания

3.3. Влияние интенсивности вихревого движения заряда на концентрацию оксидов азота

3.4. Влияние тепловой изоляции КС на образование оксидов азота

3.5. Влияние давления впрыскивания топлива на концентрацию оксидов азота

3.6. Влияние количества сопловых отверстий распылителя на концентрацию оксидов азота

3.7. Влияние угла опережения впрыскивания топлива на концентрацию оксидов азота

3.8. Выводы по главе

104

ГЛАВА 4. ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СЛОЯ НАГАРА НА ЛОКАЛЬНЫЙ НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛООБМЕН В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЯ

4.1. Краткий анализ влияния естественных теплоизоляторов на теплообмен в камере сгорания

4.2. Экспериментальные исследования на физической модели и на

дизеле

4.3. Датчик для регистрации нестационарного теплового потока

4.4. Результаты экспериментального исследования влияния слоя нагара в КС на локальные нестационарные тепловые потоки

4.5. Расчет локальных значений нестационарных температуры и теплового потока на поверхности слой нагара

4.6. Определение локальной толщины слоя нагара, образованного на, поверхности камеры сгорания

4.7. Расчет теплового состояния поршня со слоем нагара и накипи

4.8. Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. СНИЖЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК И КОНЦЕНТРАЦИЙ ОКСИДОВ АЗОТА ПУТЕМ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ КС ДИЗЕЛЯ, КОНВЕРТИРОВАННОГО НА ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

5.1. Исследуемые конструкции КС и способы уменьшения тепловых нагрузок и концентрации оксидов азота в дизеле

5.2. Моделирование трехмерного нестационарного переноса и турбулентного сгорания в цилиндре дизеля. Верификация модели по экспериментальной индикаторной диаграмме

5.3. Влияние формы КС на изменение кинетической энергии турбулентности и теплообмен в цилиндре

5.4. Влияние формы КС на эффективные и экологические показатели двигателя

5.5. Влияние угла опережения зажигания на эффективные и экологические показатели газового двигателя

5.6. Выводы по главе 5

ГЛАВА 6. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛООБМЕНА В КС И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ

6.1. Экспериментальное исследование теплового состояния поршня двигателя КамАЗ 740

6.2. Постановка краевой задачи теплопроводности для поршня дизеля

6.3. Расчет температурных полей поршня быстроходного дизеля с применением расчетных и расчетно-экспериментальных граничных условий

6.4. Экспериментальное исследование теплового состояния составного поршня с керамическим теплоизолятором

6.5. Анализ теплового состояние базового поршня из алюминиевого

сплава

6.6. Анализ теплового состояния экспериментального поршня с теплоизолятором

6.6.1 .Тепловое состояние экспериментального составного поршня из алюминиевого сплава и с керамической накладкой из нитрида кремния

6.6.2. Тепловое состояние экспериментального составного поршня из алюминиевого сплава, с керамической накладкой из нитрида кремния и вставкой из серого чугуна

6.6.3. Результаты измерения локальных температур составного поршня^

6.7. Расчетно-экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля, конвертируемого на природный газ

6.8. Выводы по главе 6

ГЛАВА 7. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СНИЖЕНИЮ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК В КС ДИЗЕЛЯ И УЛУЧШЕНИЮ ЕГО ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

7.1. Сравнительная оценка эффективных показателей исследуемых

дизелей

7.2. Практические рекомендации по снижению тепловых потерь в дизелях

7.2.1. Термостабилизация гильзы

7.2.2. Возникновение импульсов градиента температуры в местах соединения с теплоизолятором

7.2.3. Снижение тепловых потерь путем теплоизоляции поршня

7.2.4. Снижение тепловых потерь путем организации рабочего процесса

7.3. Практические рекомендации по улучшению экологических показателей дизеля

7.3.1. Снижение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания

7.3.2. Снижение шума дизеля

7.4. Выводы по главе 7

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

223 ,233

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ИНДЕКСОВ

Условные обозначения

С - концентрация кг/м3

ср - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении Дж/(кг-К)

£) - диаметр цилиндра мм

Д, - вихревое число -

Н - энтальпия Дж

/ - число цилиндров -

к — кинетическая энергия турбулентности м2/с2

т — масса кг

Мк — крутящий момент двигателя Н-м

п - частота вращения коленчатого вала мин"1

Ие - эффективная мощность двигателя кВт

р - давление МПа

р2 - максимальное давление в цилиндре двигателя МПа

Рвпр - давление впрыскивания топлива МПа

д - плотность теплового потока Вт/м2

- количество теплоты Дж

5" - ход поршня мм

^ - температура °С

Т - температура К

и — продольная составляющая скорости м/с

Ус - объем камеры сгорания при положении поршня в ВМТ мм3

Vks - объем камеры сгорания в поршне мм3

W - скорость м/с

а - коэффициент теплоотдачи Вт/(м2'К)

ав - коэффициент избытка воздуха -

е - степень сжатия двигателя -

е - скорость диссипации кинетической энергии турбулентности м /с

(р - угол поворота коленчатого вала 0 ПКВ

// - коэффициент динамической вязкости Нс/м2

Л - коэффициент теплопроводности Вт/(м"К)

р - плотность кг/м

а о - постоянная Стефана-Больцмана (а0 = 5,67-10"8) Вт/(м2'К4)

ут — коэффициент турбулентного обмена м2/с

т — время с

Индексы

i, j, k - текущие индексы; w - значение параметра на поверхности стенки; оо -значение параметра за пограничным слоем.

Список основных сокращений ВМТ - верхняя мёртвая точка; ДВС - двигатель внутреннего сгорания; КС - камера сгорания; КО - контрольный объем; НМТ - нижняя мёртвая точка; TBC - топливовоздушная смесь; УПКВ - угол поворота коленчатого вала.

Остальные обозначения и индексы пояснены в тексте диссертационной работы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение эффективных и экологических показателей дизеля и снижение тепловых нагрузок на его основные детали»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Задачи повышения удельной мощности, снижения расхода топлива, улучшения нагрузочных и скоростных характеристик современных двигателей внутреннего сгорания, продолжают являться самыми актуальными задачами для конструкторов и исследователей в области энергетического машиностроения. Эти задачи сопряжены с необходимостью форсирования двигателей: повышения среднего эффективного давления и быстроходности, поэтому высокая надежность и ресурс, топливная экономичность и экологические показатели являются основными критериями его качества. Форсирование дизелей приводит к увеличению термических и механических нагрузок на основные детали (поршень, гильза, головка цилиндра), играющих решающую роль в формировании их жизненного цикла в целом. Перегрев деталей в рабочем цикле форсированного дизеля сопровождается образованием температурных полей с ярко выраженной неравномерностью распределения температуры и, как результат, ростом термических напряжений при одновременном ухудшении механических свойств материала, образованием трещин и, наконец, разрушением детали.

Снижению тепловых нагрузок на основные детали можно добиться путем рациональной организации рабочего процесса, позволяющей использовать различные способы снижения интенсивности турбулентного теплообмена в камере сгорания (КС). Другой способ термической защиты термически нагруженных деталей - это применение теплоизолирующих (жаровых) накладок (вставок) из различных материалов с низкой теплопроводностью, что наряду с известными преимуществами может привести к ухудшению эффективных и экологических характеристик дизеля.

Решение одновременно двух проблем, какими являются улучшение эффективных и экологических характеристик дизелей (работающих как на традиционном, так и на альтернативном топливе), и снижение тепловых нагрузок на их основные детали, имеет научное и практическое значение. Это особенно важно, если учесть, что в настоящее время уже разрабатываются

сверхфорсированные дизели с максимальным давлением цикла р2=250 бар, а также с давлением впрыскивания рВПр=3 ООО бар.

Цель работы. Основной целью диссертационной работы является разработка методов улучшения эффективности и экологичности транспортных дизелей, снижения тепловых нагрузок на его основные детали.

Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решать следующие основные задачи, тесно связанные между собой:

1. Разработка комплексного инструмента в виде математических моделей рабочего процесса, образования оксидов азота, теплообмена и теплового состояния деталей, реализация которых предусматривает применение современных численных методов и компьютерных технологии, использование эффективных программных продуктов, в том числе и коммерческих.

2. Исследование роли вихревого движения заряда, генерируемого впускной системой, на интенсивность теплообмена в цилиндре дизеля.

3. Создание экспериментальной установки (физической модели) для исследования теплоизолирующего воздействия слоя нагара (сажи), образованного на тепловоспринимающих поверхностях основных деталей, двигателя в результате гетерогенного сгорания.

4. Исследование на натурном двигателе в стендовых условиях теплоизолирующего воздействия слоя сажи на нестационарный локальный теплообмен в КС. Верификация разработанной модели.

5. Исследование влияния конструкции КС и уровня турбулентности в цилиндре на интенсивность теплообмена и образования оксидов азота в целях определения оптимальной формы КС дизеля, использующего как традиционное, так и альтернативное топливо.

6. Разработка составных конструкции деталей двигателя с теплоизолирующими накладками и проведение расчетно-экспериментальных исследований их теплонапряженного состояния.

и

7. Исследование влияния теплоизоляции КС на эффективные и токсичные характеристики двигателя. Определение основных регулируемых и конструктивных параметров, оптимальное сочетание которых одновременно с уменьшением отвода теплоты от рабочего тела обеспечивает оптимальное соотношение gi-[NOx].

Поставленные задачи в совокупности составляют крупную научно-техническую проблему, имеющую важное промышленное и экономическое значение, поскольку ее решение позволяет повысить научно-технический уровень и сократить сроки и затраты на разработку новых, перспективных дизелей и доводку существующих, сделать разработанную продукцию конкурентно-способной.

Научная новизна работы заключается в том, что: разработаны научные основы и осуществлен комплекс мероприятий для снижения тепловых нагрузок в быстроходном дизеле при одновременном улучшении его эффективных и экологических характеристик;

- разработан оригинальный расчетно-экспериментальный метод определения локальной температуры на поверхности слоя нагара и его локальной толщины;

- осуществлена оценка влияние естественных и искусственных теплоизоляторов; на теплообмен в камере сгорания дизеля, а также влияние теплоизоляции на образование оксидов азота;

разработаны трехмерные модели для исследования теплонапряженного состояния базовой гильзы и гильзы с теплоизолятором, базового поршня, поршня с керамической вставкой и поршня с керамической вставкой и с дополнительным чугунным кольцом;

исследован эффект снижения интенсивности теплообмена между вращающегося зарядом и поверхностью КС как средство тепловой защиты деталей двигателя;

- Исследована возможность улучшения экономических и экологических характеристик дизеля и снижения тепловых нагрузок в КС путем выбора

оптимальной формы КС, определяющей уровень турбулентности в цилиндре дизеля, конвертированного в газовый двигатель;

- установлено, что причиной выхода из строя составных гильз и поршней, кроме различия между коэффициентами теплового расширения материалов, является возникновение импульсов градиента температуры в области контакта;

- определен ряд основных регулируемых и конструктивных параметров, оптимальное сочетание которых одновременно с уменьшением отвода теплоты от рабочего тела обеспечивает оптимальное соотношение удельного расхода топлива и [NOx].

Достоверность и обоснованность научных результатов

определяются:

- использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена и химической кинетики, соответствующими этим законам ,, уравнениями и граничными условиями, современных аналитических и численных методов реализации математических моделей, хорошо апробированных программных продуктов, в том числе и коммерческих;

- применением при моделировании теплонапряженного состояния базовых и опытных конструкций поршней результатов измерения локальных температур, > полученных автором с помощью датчиков ИМТК;

- применением при обосновании разработанных математических моделей рабочего процесса дизеля с непосредственным впрыскиванием опытных данных, полученных автором на специальной экспериментальной установке для индицирования и исследования внутрицилиндровых процессов в широком диапазоне изменения нагрузочных и скоростных режимов;

- использованием опытных данных в качестве граничных условий и исходных данных при численных исследованиях теплонапряженного состояния, тепловыделения и образования оксидов азота;

- использованием достоверных результатов исследований, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ВНИИГАЗ, СПбГПУ, Мюнхенском техническом университете, ТАДИ, на фирмах Cummins, AVL и др.;

экспериментальным подтверждением адекватности разработанных математических моделей рабочего процесса и теплонапряженного состояния деталей дизеля путем использования замеренных локальных температур поршня, концентраций оксидов азота и снятых индикаторных диаграмм при различных условиях организации внутрицилиндрового процесса;

Значимость работы для науки и практики состоит в том, что:

- разработанные научные основы и осуществленный на их базе комплекс мероприятий представляют собой инструмент, имеющий практическое значение для оценки возможностей и перспектив дизелей традиционной схемы, а также дизелей конвертированных в газовый двигатель, и дизелей с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела;

-разработаны алгоритмы и программы, позволяющие реализовать математические модели и с достаточной для практики точностью решать задачи проектирования, доводки и модернизации как серийных, так и перспективных дизелей традиционных и нетрадиционных схем и конструкции, -решение ряда теоретических, методологических, и экспериментальных вопросов исследования рабочего процесса, теплонапряженного состояния деталей и экологических характеристик позволяют сократить сроки выполнения и материальные затраты на проектирование, испытание и доводку дизелей с уменьшенными тепловыми нагрузками;

- Результаты диссертационной работы используются в ООО «ЗМЗ», ВНИИГАЗ, а также в учебном процессе в МГТУ им Н.Э. Баумана. Они также готовы к внедрению на других предприятиях.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:

- Научно- технической конференции, посвященной 70-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок «ДВС двадцать первого века»(С.-Петербург, 2000

г.);

- Межвузовской научной конференции «XXX юбилейная неделя науки СПбГТУ»

(Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2002 г.)

- третьей Всероссийской национальной конференции по теплообмену (Москва,МЭИ 2002 г.);

- международном симпозиуме «Образование через науку», посвященном 175-летию МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005 г.)

- четвертой Российской национальной конференция по теплообмену (Москва, МЭИ 2006 г.);

- международной конференции «Двигатель-2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, -2007 г.);

- XI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей», (Владимир, Владимирский государственный университет, 2008 г.);

- пятой Российской национальной конференция по теплообмену (Москва, МЭИ 2010 г.);

Публикации. По результатам диссертации опубликованы 10 статей в периодических и отдельных научных изданиях, также выпущены 10 отчетов по госбюджетным и хоздоговорным темам МГТУ им Н.Э. Баумана за 1999- 2012 гг.

Автор защищает:

-результаты определения теплового состояния деталей двигателя, индицирования и исследования рабочего процесса базового и опытных дизелей, полученные опытным путем на специальных установках;

-экспериментально обоснованные математические модели рабочего процесса, теплообмена в КС, теплового состояния деталей, позволяющие определить:

- локальные нестационарные температуры рабочего тела в цилиндре и локальные и суммарные концентрации оксидов в азота в продуктах сгорания;

- температурные поля базовых и опытных (составных) конструкций поршня и гильзы;

- тепловыделение в процессе сгорания;

- влияние закрутки заряда на теплообмен в цилиндре двигателя;

- эффективные и экологические параметры дизеля, конвертируемого на природный газ;

- методы компьютерной реализации этих моделей и результаты, полученные на основе этих методов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, в том числе заключения (основных выводов) и приложений. Она содержит 252 страниц машинописного текста, 87 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает 194 источников, из них 98 на английском и немецком языках.

Значительная часть работ по диссертации была выполнена в рамках хоздоговорных работ с ООО «ЗМЗ» (2004 г.) и ВНИИГАЗ (2006 г.); грантов РФФИ- №05-08-01311, №08-08-00348 и №09-08-00279; грантов Президента РФ для государственной поддержки молодых ученных за 2005-2006 гг. МК-2859.2005.8 и за 2009-2010 гг. МК-886.2009.8; Государственных контрактов № 02.516.11.6131 от 28.09.2007 г., №02.516.11.6087 от 05.06.2007 г. и № 16.740.11.0065 от 01.09.2010 г.

* * *

Автор выражает глубокую признательность своему учителю, доктору технических наук, профессору Р.З. Кавтарадзе за плодотворное сотрудничество, постоянное внимание и интерес к рассмотренным в диссертации задачам; академику РАН, председателю национального комитета РАН по тепло- и массообмену А.И. Леонтьеву за плодотворное обсуждение фундаментальных вопросов теплофизики, затронутых в диссертации; Заведующему кафедрой «Поршневые двигатели» (Э2) МГТУ им. Н.Э. Баумана доктору технических наук, профессору H.A. Иващенко за поддержку при выполнение диссертационной работы; Коллективу кафедры за помощь в работе; Доктору технических наук, профессору М.М. Арипджанову за предоставленную возможность пользоваться экспериментальными данными по теплоизолированному дизелю.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ПОСВЯЩЕННЫХ СНИЖЕНИЮ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК ДИЗЕЛЯ,

УЛУЧШЕНИЮ ЕГО ЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ

1.1. Состояние вопроса. Основные факторы, влияющие на теплообмен меяеду рабочим телом и основными деталями дизеля

Температурный уровень основных деталей играет исключительно важную роль на всех этапах жизненного цикла поршневых двигателей, начиная с проектирования и кончая эксплуатацией. Поскольку тепловое состояние двигателей оказывает существенное влияние на надежность, экологические и топливо-экономические показатели, то при разработке двигателей уделяется самое серьезное влияние обеспечению проектными решениями приемлемого, уровня прогнозируемых температурных показателей работоспособности деталей.

Анализ факторов, влияющих на формирование температурных полей основных деталей дизеля, позволяет разделить их на следующие группы:

1. Протекание рабочего процесса, обусловливающего формирование тепловых нагрузок на тепловоспринимающих поверхностях деталей цилиндро-поршневой группы;

2. Особенности процессов теплообмена в камере сгорания и в полостях системы охлаждения, свойства и теплофизические характеристики, режим и характер течения, состояние теплоносителей, состояние теплоотдающих и тепловоспринимающих поверхностей, уровень их температур, а также другие средства воздействия на интенсивность теплообмена;

3. Выделение в процессе гетерогенного сгорания твердых частиц сажи и образование на тепловоспринимающих поверхностях камеры сгорания слоя нагара с низкой теплопроводностью.

4. Использование деталей особых конструкции (наличие тепловой защиты, экранов, тепловых барьеров идр.).

5. Применение альтернативных топлив, позволяющих одновременно улучшить экологических характеристик двигателя и снизить тепловые нагрузки на основные детали двигателя.

Необходимо подчеркнуть, что исследование комплексного воздействия этих факторов на экологические показатели дизеля, прежде всего, на образование оксидов азота, как наиболее зависимых из вредных компонентов от температурного уровня рабочего цикла, имеет первостепенное значение на стадии разработки новых, перспективных, а также при доводке существующих дизелей. В связи с этим в данной диссертационной работе именно этим факторам уделяется основное внимание, так как только на основе их анализа можно сформировать рациональную стратегию выбора способоввоздействия на прогнозируемый уровень температур деталей с учетом требований к экологическим характеристикам дизеля.

В последнее время широкое практическое применение находят математические модели рабочего процесса поршневого двигателя различного ; уровня и назначения[1], разработана теория локального теплообмена в поршневых двигателях [2], исследованы особенности рабочего процесса и теплообмена при применении в дизелях как традиционных, так и различных альтернативных топлив[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]. Кроме того, необходимо отметить обзорные работы [15] и [16], в которых приведен достаточно полный анализ расчетно-теоретических и экспериментальных работ по нестационарному теплообмену в поршневых двигателях. Следует отметить, что в указанных публикациях уделяется достаточное место анализу вышеприведенных факторов, однако, практически не рассматриваются их комплексное влияние на эффективные и экологические показатели дизеля. В связи с этим, несмотря на наличие отдельных работ по созданию комплексных методов моделирования теплообмена и рабочего процесса [17,

18,19], созданные модели не в полной мере удовлетворяют потребностям практики проектирования и доводки современных двигателей с улучшенными экологическими параметрами.

Таким образом, настала необходимость разработки комплексного подхода к решению задач рабочего процесса, теплообмена и экологии, тесно связанных между собой. Очевидно, что на основе такого подхода становится возможным оптимизировать условия работы деталей заданного конструктивного исполнения воздействием на рабочий процесс; оптимизировать конструктивное исполнение теплонапряженных деталей и узлов, в том числе и деталей с теплоизолирующими накладками и покрытиями, при заданном способе организации рабочего процесса; снижать эмиссию токсичных веществ, прежде всего оксидов азота. Применение такого комплексного подхода позволит сократить сроки подготовки производства новых перспективных двигателей.

1.2. Краткий анализ работ, посвященных моделированию теплообмена

в КС

Тепловые потоки от рабочих газов до стенок камеры сгорания изменяется во время рабочего цикла от маленьких, условно отрицательных величин во время тактов наполнения и отчистки цилиндра к положительным величинам в диапазоне МВт/м во время периода сгорания [2,15,16]. Теплопередача в двигателях внутреннего сгорания - сложное, нестационарное, трехмерное явление с большими изменениями численных значений тепловых потоков за короткий промежуток времени, кроме того, возникает необходимость оценивать изменения давления и температуры газов в цилиндре от цикла к циклу. Все вышеизложенное представляет сегодня проблему для конструкторов и исследователей при создании современных двигателей внутреннего сгорания и требует применения современных вычислительных технологий, основанных на алгоритмах конечных элементов и контрольных объемов, и использования

современной исследовательской аппаратуры. Следует отметить, что оба эти численные методы, имеющие настоящее время широкое применение в различных инженерных науках, для расчета теплового состояния деталей поршневого двигателя впервые были применены в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Поршневые двигатели» (Э2) [104,105].

Оригинальный метод, который можно применять для идентификации моделей теплопроводности при наличии реконструированного температурного поля детали, полученного по результатам измерений, разработан профессором H.A. Иващенко на основе решения обратной задачи теплопроводности (ОЗТ) в конечно-элементной формулировке [106,107,108]. Вследствие того, что экспериментальное поле подразумевает знания измеренных температур только в ограниченном числе точек, а для решения задачи необходимы значения температур в узловых точках подсистемы элементов (поверхностного слоя), то профессор H.A. Иващенко предлагает решать ОЗТ в три приема [107,108]:

1.По экспериментальным данным востановить распределение температуры на поверхности детали;

2. Решить прямую задачу теплопроводности с граничными условиями I рода и получить значения температуры во всех узлах расчетной области (реконструировать температурное поле);

3. Найти распределение параметров теплообмена (теплового потока, или коэффициента теплоотдачи и температуры внешней среды, например) на поверхности детали, соответствующее распределению температур в теле и параметрам внешней среды.

Следует отметить, что в данном случае одному и тоже самому температурному полю детали могут соответствовать различные комбинаций граничных условии (различные сочетания радиационных и конвективных

тепловых потоков, или коэффициентов теплоотдачи и температуры внешней среды), которые дают заданное температурное поле.

Многочисленные исследования, стремящиеся к более глубокому пониманию явлений теплопередачи в двигателе, были предприняты, используя современные экспериментальныеи расчетно-теоретические методы[20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39], прежде всего, методы математического моделирования с применением коммерческих программных продуктов [20, 21, 22, 25, 26].В этих исследованиях учитывается турбулентное движение зарядаи локальные температуры в цилиндре, температуры поверхности камеры сгорания, теплообмен. Процесс теплопередачи между рабочим газом и его средой состоит из трех частей: теплопередача от газа в стенку, теплопроводность стенки и теплопередача от стенки до охлаждающей жидкости.

Большинства моделей теплообмена, используемые в настоящее время в теории поршневых двигателей, основаны на допущение, что камера сгорания является открытой термодинамической системой, давление и температура в любой точке которой одинаковы и меняются только по времени (по углу ПКВ). Такие модели называются однозонными, а иногда глобальными [16] моделями и предназначены для исследования осредненного по поверхности КС теплообмена. Правда, есть попытки трансформировать такие модели для расчета локального теплообмена [40].

В книге [2], а также в статьях [15,16] подробно проанализированы практически все известные однозонные (глобальные) модели теплообмена в КС из которых, прежде всего, следует отметить модели Nusselt(1923), Briling (1935), Eichelberg (1939), Annand (1963), Sitkei (1962), Annand и Ma (1970), Woschni (1967), LeFeuvre (1969), Morel и Keribar (1985). Наряду с ними следует назвать экспериментальные работы Eichelberg (1939), Bendersky (1953), Oberbye и др. (1961), Oguri и Aizawa (1972), Dent и Suliaman (1977), Enomoto и

РигиЬаша(1985) и др., сыгравшие значительную роль в развитии теории теплообмена в поршневых двигателях.

Для определения теплового потока для каждого участка стенки камеры сгорания необходимо использовать уравнение сохранения энергии. Уравнение сохранения энергиизаписано согласно Вогтап и №8Ы\уа1а [15,30,31], в безразмерной форме с учетом тепловыделения в результате химической реакции горения:

= -±—у2т* - ЮТ* + (—)~+С1\ (1.1)

дт НеРг \ у / р* йт 4 ' 4 '

где р* = р/р0 ,Т* = Г/То У* = У/Уо являются безразмерным давлением, температурой и скоростью, соответственно; т = Яе = р70£)/д, Рг =

срц/к, у = ср/ср.

Решение уравнения (1.1) наряду с уравнениями неразрывности и импульса позволяет получить значение числа Нуссельта в зависимости от чисел Рейнольдса и Прандтля. Профессором Р.З. Кавтарадзе предложено аналитическое решение уравнения (1.1) методом преобразования Лапласа [2]. В результате получена формула для расчета нестационарного коэффициента теплоотдачи а (так называемая а-формула)

содержащая два коэффициентаС^иСг, определение которых осуществляется на основе экспериментальных данных. В (1.2) Ь = ^Лсрр-

Н Лх

коэффициент проникновения теплоты для пограничного слоя, -- = Кп-

Ср\ТаО Ту;)

безразмерное число, представляющего собой отношение тепловыделения к теплоотдаче в камере сгорания, Дх-тепловыделение в интервале времени Ат. При этом теплопроводность X, теплоемкость сри плотность р определяются как функции средней температуры (7«, + 7^)72 пограничного слоя.Следует

подчеркнуть, что формула (1.2) единственная из всех существующих формул, где учтено соотношение тепловыделения в КС с теплообменом.

Глобальные (однозонные) модели теплообмена основаны на так называемых «нуссельтовских» уравнениях, записанных в виде Ыи — СЯеп, где в качестве характерного размера взят диаметр цилиндра (в некоторых случаях текущая высота камеры сгорания) а в качестве характерной скорости - средняя скорость поршня. Теплопроводность! и вязкость уобычно вычисляются, используя усредненные значения для температур газа и стенки. В результате получают коэффициент теплоотдачи, усредненный для всех поверхностей камеры сгорания, и с помощью которого может быть рассчитан квазистационарный тепловой поток от газов в цилиндре в стенку КС по закону Ньютона

= (1.3)

Таким моделям, прежде всего, следует отнести известную модель Вошни [41], основанную на законах подобия турбулентной теплоотдачи в трубе, когда теплопроводность Хтазг. пропорциональна Г0-75, его динамическая вязкость ц-Т0-62, гдеТ - средняя по объему КС температура рабочего. Выбирая диаметр Б цилиндра как характерный размер, Вошни вывел уравнение для коэффициента теплопередачи:

а = 128 £)-°-2р0-8]/[г0-8т~0-53, (1.4)

где скорость рабочего тела IV = [С^С^ + С2-^(р — Ро)\, р0-давление в

I- р J

цилиндре в режиме прокрутки, СгиС2 - эмпирические коэффициенты [41]. Уравнение Вошни (1.4) было получено из уравнения для теплопередачи в стационарных турбулентных потоках типа «нуссельтовской» формулы, оно также через эмпириеские коэффициенты включает в себя эффекты и конвекции, и излучения.

Хотя формула Вошни(1.4) является самой распространенной, другие формулы тоже находят широкое применение. Хохенберг [42] модифицировал уравнение Вошни, включив в формулу значение текущего объема цилиндра вместо диаметра цилиндра. Из работ последних лет, в которых нашло развитие моделирование однозонного теплообмена в КС следует назвать публикации FinolC.A. и RobinsonK. [43], SchubertC.n др. [44].Allmendinger и др. [45] разработали модель, которая используется в программных пакетах для расчета рабочего процесса дизелей, оснащенных аккумуляторной системой топливоподачи.

В работах проф. Кавтарадзе Р.З. и др. [2,46,47,48,49], выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, впервые был рассмотрен модель сложного (радиационно-конвективного) теплообмена в КС дизеля. В этой модели традиционным уравнениям количества движения, энергии и неразрывности' добавляются два уравнения лучистого теплообмена в пограничном слое. Показано, что в отличие от традиционного подхода, введенного W. Nusselta используемого в дальнейшем Н. Р. Брилингом, Г.Б. Розенблитом, Б.С. Стефановским, А.К. Костиным [49] и др., основанного на аддитивном представление лучистого и конвективного тепловых потоков, учет взаимодействия между конвекции и радиации существенно уточнят результаты моделирования. Следует также подчеркнуть, что в работах, выполненных в МГТУ им. Баумана проф. Р.З. Кавтарадзе, для расчета локального теплообмена в КС впервые была использована теория турбулентного пограничного слоя [50]. В настоящее время это направление интенсивно развивается и находит широкое применение как в МГТУ им. Н.Э. Баумана [2], так и за рубежом[16,32,35].

Следует отметить, что модели теплообмена в КС, как и модели других сложных физических процессов, протекающих в цилиндре поршневого двигателя, требуют верификацию с применением экспериментальных данных. В настоящее время для экспериментального исследования нестационарных локальных тепловых потоков наибольшее применения находят поверхностные

термопары и пленочные термометры сопротивления, подробно описанные в [2]. В настоящее время наиболее распространения находят датчики на принципе дополнительной (вспомогательной) стенки, имеющие ряд преимуществ по сравнению с другими датчиками [2]. Они были использованы и в данной диссертации для проверки адекватности разработанных моделей теплообмена (см. главы 3 и 4).

Заметим, что впоследнее время в различных областях теплофизики стали широко использовать так называемые градиентные датчики теплового потока, разработанные профессором С.З. Сапожниковым в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (СПбГПУ) [109]. Основная часть такого датчика - анизотропный термоэлемент, представляющий собой прямоугольный параллелепипед, вырезанный из монокристалла. Поскольку термоэлемент обладает анизотропной теплопроводности, вектор теплового-' потока во всех сечениях прямоугольного параллелепипеда, за исключением плоскости его тепловоспринимающей поверхности, будет отклоняться от вертикальной оси ъ. Это означает, что в термоэлементе разность температур возникает не только в направлении оси г, но и в направлении оси х, а вектор теплового потока в каждом сечении поворачивает на определенный угол относительно первоначального направления. Под воздействием внешнего теплового потока в термоэлементе с анизотропной теплопроводностью возникает электрическое поле, вектор напряженности которого из-за анизотропии теплопроводности и коэффициентов термо-э.д.с. не совпадает по направлению не только с вектором внешнего теплового потока, но и с вектором теплового потока внутри анизотропного термоэлемента. Несложные аналитические преобразования с применением закона Фурье, приведенные в [109], показывают, что термо-э.д.с. Ех, которая возникает в направлении х, линейно связана с плотностью теплового потока qz, направленного по оси х, и с площадью Б анизотропного термоэлемента. При этом величину термо-э.д.с. определяет угол 0, зависящий от расположения так называемых

кристаллических осей. Например, для висмута оптимальное значение по данным [109] составляет 0 = 53°24. Чувствительность (В/Вт) анизотропного термоэлемента S0=Ex/(qzF). При использовании анизотропных монокристаллов из висмута чистоты 0,9999 чувствительность So=5-30 мВ/Вт, а постоянная времени тт;п=5'10"5 с. Одиночная монокристаллическая пластинка обычно имеет ничтожно малую ширину, поэтому и площадь F, и сигнал Ех для анизотропного термоэлемента получается весьма малыми. В связи с этим градиентного датчика теплового потока собирают в виде батарей. Реальные площади батарейных градиентных датчиков составляет от 1x1 мм до 10x10, а минимальная их толщина -0,1 мм. Градуировка таких датчиков показывает, что линейность градуировочной характеристики сохраняется при внешнем давлении до 30 МПа, а изменение чувствительности датчика в зависимости от температуры и давления не превышает 3%. К сожалению, применение этих датчиков в поршневых двигателях пока носит эпизодический характер. Однако такие преимущества, как высокая чувствительность, низкая постоянная времени и возможность непосредственного определения плотности теплового потока делают градиентные датчики привлекательными для измерения нестационарных тепловых потоков в камерах сгорания быстроходных' поршневых двигателей.

Дальнейшие усовершенствования математических моделей теплообмена в КС тесно связано с более детальным изучением теплопередачи в цилиндре посредством экспериментальных работ, предусматривающих проведение тонких измерений в пристеночных областях КС. Хейвуд и Лифорд-Пайк [51] измерили толщину тепловых пограничных слоев в цилиндре бензинового двигателя во время всего рабочего цикла. Они проводили измерения толщины в различных местах камеры сгорания, на разных скоростных и нагрузочных режимах работы двигателя с помощью оптического (Schlieren) метода, и показали, что тепловой пограничный слой слои на стенке цилиндра имеет максимальную толщину до 2 мм в конце расширения. При этом, на

поверхностях головки цилиндра и днища поршня, слои в два - три раза толще, чем на поверхности гильзы. Снижение частоты вращения коленчатого вала двигателя привело к утолщению слоев, в то время как изменение нагрузки существенных влияний на толщинуне показало. Хейвуд и Лифорд-Пайк пришли к заключению, что на стенке цилиндра толщина теплового

VX

пограничного слоя (^зависит от числа Рейнольдса Re = -jA, гдехарактерная скорость V = Vp ^вычисляется в зависимости от скорости поршня Vpn расстояния х0 от поверхности гильзы цилиндра, где определяется 8Т:

8Т =0,6Re°-2yJa^r, (1.5)

где х-расстояние между огневыми поверхностями поршня и головки цилиндра, aTuv - температуропрводность и кинематическая вязкость газа соответственно.

Chen и Veshagh [52] также предложили модель теплообмена, основанную на теории пограничного слоя, где за основу принимается квазистационарное поведение пограничного слоя: в целом пограничные слои изменяются со временем и местоположением на стенке, в то время как в пограничных слоях параметры скорости и температуры подчиняются закону квазистационарного состояния. Степенной закон для определения распределения температур в тепловом пограничном слое, основан на так называемом «законе 1/7» [52].

Заметим, что обзор других экспериментальных и теоретических работ, касающихся измерениям и расчетам параметров пограничного слоя в камере сгорания, приведены в [2,15,16]. Следует подчеркнуть, что в известных публикациях недостаточное время уделяется наличию в пристеночных областях камеры сгорания тонкого слоя нагара - необходимого атрибута гетерогенного сгорания, имеющегося место в дизелях.

1.3. Краткий анализ работ, посвященных использованию теплоизоляционных материалов в поршневых двигателях

В качестве перспективного направления современного двигателестроения рассматривается возможность уменьшения теплоотдачи в систему охлаждения путем тепловой изоляции днища поршня, поверхности головки цилиндра, клапанов и гильз цилиндров. К числу перспективных материалов, предназначенных в качестве теплоизоляторов в поршневых двигателях, относятся, прежде всего, керамические материалы из-за их высокой жаропрочности. Улучшение теплофизических и механических свойств этих материалов до требуемого уровня позволит, благодаря их применению, предельно снизить теплонапряженность деталей, уменьшить теплоотдачу и с большей эффективностью утилизировать тепловую энергию отработавших газов. В перспективе появляется возможность создать двигатели, не имеющие системы охлаждения, т.е. так называемые адиабатные двигатели, или более точно - двигатели с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела. Четкое определение этих терминов дано в [2].

На рис. 1.1. изображен чертеж из патента, заявка на котором была подана еще в 1923г. В таблице 1. приведены свойства керамических материалов, предназначенных к использованию в дизельных двигателях с теплоизолированной камерой сгорания [17,53,54]. Кроме низкой теплопроводности теплоизолирующий материал должен обладать низким коэффициентом линейного расширения, небольшой теплоемкостью, плотностью, иметь низкий модуль упругости в сочетании с высокой ударной вязкостью и достаточной прочностью, а также удовлетворительные фрикционные характеристики [17,54] .На сегодняшний день материал, отвечающий всем, перечисленным выше требованиям, к сожалению, не известен. Поэтому требуется на самой ранней стадии осуществления разработок изучить свойства материалов, намеченных к применению. Такое изучение необходимо проводить в условиях, реально существующих в

дизельном двигателе. В настоящее время лишь у немногих керамических материалов ресурс превысил несколько сотен часов. Однако интенсивные исследования в этом направлении идут во всех развитых странах мира.

Рис. 1.1. Теплоизолированные детали дизеля: впускной клапан, стенки выпускного канала, стенки впускного канала, нижняя плита головки

В Японии с 1982 г. начались работы по специальной программе FineCeramicsProgram, являющейся частью общей программы создания и развития индустриальной базовой технологии, необходимой для поддержания на высоком уровне экономики страны [56].К работе привлечены 15 крупных фирм, такие как ToyotaMotors, IHI, Kyocera, KobeSteel, Isuzu, NGKSparkPluq и другие. Японские фирмы, производящие отдельные керамические детали, сотрудничают в области научно-исследовательских работ с фирмами-изготовителями двигателей и агрегатов для них. Фирма Kyocera ведет совместные работы с фирмой Jsuzu-ведущей двигателестроительной фирмой, Toshiba-c фирмой Toyota, разрабатывающей керамический ГТД и с фирмой

цилиндров, гильза, днище поршня [53].

КопШви, работающей над созданием дизеля с керамическими деталями. Такой же дизель разрабатывают фирмы НкасЫСЬегшса! и №55апВ1езе1Мо1:ог.

Таблица 1.

Типичные свойства керамических материалов, намеченных к использованию в дизельных двигателях с изолированной камерой сгорания

Свойства Теплопро Модуль Коэффици Плот- Теплоем Прочность Ударная

водность упругости ент линей- ность кость на изгиб вязкость

(к) Вт/м -°К (Е)10*3, МПа ного расширения (р), кг/м3 (С), Дж/кг- °К при контакт- (К1с), МПа-м1/2

Материал (Р>10+6, 1/°К ной темпе-ратуре( сг вкт),МПа

Химически

связанный

нитрид 18 170 3 2600 850 200 2,5

кремния (КВБЫ)

Горячепрес-

сованныи

нитрид кре-

мния и изо-

статически горячепрес- сованный Нитрид Кремния 25 310 3,4 3200 850 700 5

нитрид кремния (ИРБИ, 1Р8И)

Спекаемый

нитрид кремния (вЯ*) 22 300 3,3 3100 850 500 4,5

Спекаемый карбид ^¡С) 75 400 4,6 3100 1000 500 4,5

Горячепрес-сованыйкор-бид кремния (НРБЮ) Карбид Кремния 90 450 4,7 3200 1000 700 5

А1203 Глинозем 33 380 8 4000 800 300 3,5

рэг Двуокись циркония 2,5 200 9,8 5700 400 500 10

А12ТЮ5 Титаната гсюминия 2 13 1,5 3200 880 35 -

Несмотря на то, что за последние годы США на разработку двигателей с керамическими деталями былиосуществлены крупные инвестиции, они значительно отстали от Японии в развитии производства высококачественных керамических материалов. Поэтому в настоящее время правительство США приняло меры по координации работ в области производства керамических

материалов и деталей из них, а также организации фундаментальных исследований. Работы в области проектирования перспективных тепловых двигателей возглавило БОЕ, работы в аэрокосмических областях-МАБА.

Широкомасштабные исследовательские работы по созданию дизелей с уменьшенными тепловыми потерями проводились в бывшем СССР Здесь, прежде всего, следует назвать такие организации как производственное объединение «Автодизель», Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ), научно-исследовательский институт технологии автомобильной промышленности (НИИТавтопром), научно-исследовательский институт автотранспортных материалов (НИИАТМ) и др. В настоящее время, в связи с недостаточным финансированием исследования на дизелях с ограниченным отводом теплоты от рабочего тела проводятся практически только по инициативе технических университетов (МГТУ им. Н. Э. Баумана, ХПИ, ТАДИ и др.).

Общий обзор работ ведущих двигателестроительных фирм США, стран Западной Европы и Японии показывает, что широко развернутые теоретические и экспериментальные работы в целом дали положительные результаты. Созданы и внедрены высокотемпературные смазочные материалы.Разработаны методы неразрушающего контроля. Созданы конструкционные керамические материалы с высокими физико-механическими свойствами, разработаны новые технологические процессы для получения высококачественных керамических материалов, получены экспериментальные данные о возможных показателях двигателей с уменьшенными тепловыми потерями, выполнены первые пробеги автомобилей с теплоизолированными двигателями[57,58,59,60,61,62].

При изоляции камеры сгорания от тепловых нагрузок со стороны высокотемпературного рабочего телаотработавшие газы на выходе из КСобладают большими запасами, что дает возможность эффективного

использования систем утилизации энергии. Наиболее удачно это осуществляется в так называемых турбокомпаундных двигателях, в которых применение теплоизоляции камеры сгорания также может уменьшить потребности в интенсивном охлаждении и соответственно снизить расход мощности вентилятором системы охлаждения, что должно способствовать повышению индикаторного КПД двигателя.«Турбокомпаундные» - обычно это двигатели с двумя раздельными турбинами, одна из которых служит для привода компрессора, образуя с ним турбокомпрессор, а другая - силовая турбина связана через редуктор с коленчатым валом двигателя. Интерес к адиабатным турбокомпаундным дизелям объясняется их потенциальными преимуществами, и в первую очередь возможностью повысить топливную экономичность. Расчетная величина ожидаемого снижения расхода топлива по данным разных авторов колеблется в пределах от 0 до 50%, а повышение эффективного КПД - от 1,2 до 23,4%. Положительным является еще то, что теплоизолированные двигатели отличаются компактностью, малым весом, способностью использовать различные виды топлива (в том числе низкосортные), простотой эксплуатации и низким шумом. Отказ от системы водяного охлаждения двигателей, включая вентилятор, радиатор, шланги и, кожухи, приведет к значительному повышению надежности и к облегчению технического обслуживания. Очевидно, что двигатель не будет столь уязвимым, как при неисправностях системы водяного охлаждения, а также по отношению к экстремальным погодным условиям[63].

Известно, что эффективные и экологические показатели двигателя всецело зависят от совершенства рабочего процесса. Естественно, при теплоизоляции стенок камеры сгорания смесеобразование и сгорание смеси, тепловыделение и теплопередача проходят в иных условиях, что, безусловно, отражается на экологических характеристиках двигателя[64,65,66].Замена традиционного материала материалами с измененными теплофизическими свойствами в любом случае меняет характер протекания рабочего процесса. Например, применение

головки поршня из нержавеющей стали позволило заметно снизить величину (с1Р/скр)тах, а также Р2 в сравнении с алюминиевой КС, что объясняется меньшими значениями периода задержки воспламенения. На рис.1.2приведены интегральные характеристики тепловыделения (отложены по оси ординат слева) и скорости тепловыделения (отложены по оси ординат справа) в зависимости от угла ПКВ для дизеля при п=3000мин"1. Как видно, при неизменном значении угла опережения впрыскивания топлива и тех же цикловых подачах применение теплоизолирующих керамических вставок обеспечивает меньшую величину пика скорости тепловыделения, и более благоприятное протекание процесса выделения тепла. К сожалению, авторы не приводят обоснованного объяснения снижения содержания сажи при использовании теплоизолирующих вставок и связывают это с более высокой температурой газов в процессе расширения.

(Ю Дж Интегральные сГ"'гоад хаРактеРистики

Н м тепловыделения

1.0 р 010

й ' град

0.8 А 0.08

¿74 1004

0.6 ¿0.06

01 0.02

-10 тоГ~~% % ?0 ?0~~3) & % §6

УПКВ, град

Рис.1.2. Интегральные (отложены по оси ординат слева) и дифференциальные (отложены по оси ординат справа) характеристики тепловыделения в зависимости от угла ПКВ

Следует заметить, что высокий температурный уровень деталей, непосредственно окружающих камеру сгорания, таких, как головка блока цилиндров, гильзы, поршни и клапаны, благодаря их хорошей термической изоляции, приводят к повышенным температурам цикла. Это способствует, с одной стороны, уменьшению в ОГ доли несгоревших углеводородов, а с другой стороны, повышению доли оксидов азота.

Расчетные исследования фирмы Ricardo показали, что в частично изолированном двигателе с охлаждением наддувочного воздуха выбросы NOx могут быть на 30...40% выше, чем в стандартном двигателе. Количество несгоревших углеводородов обычно уменьшается сувеличением температуры рабочего тела и стенок КС, так как при этом повышаются интенсивность окисления в зонах с бедной смесью и не происходит затухания пламени. Кроме того, повышение температур газа способствует расширению периода, в течении, которого происходит окисление частиц сажи. Вместе с тем повышенные температуры способствуют ускорению образования сажи в результате пиролиза. По данным Ricardo совместное действие указанных факторов несколько снизит (дымление и сажеобразование) концентрацию твердых частиц в отработавших газах теплоизолированного двигателя [67].

Как известно, существует два основных способа снижения выбросов частиц сажи с ОГ: фильтрация (нейтрализация) потока ОГ или усовершенствование внутрицилиндровых процессов. Первый способ основан на применении дорогостоящих фильтров с выжиганием отложений или электрообогревных фильтров; применяют также присадки к топливу с последующей фильтрацией ОГ и, наконец, каталитические окислители. Как показали исследования, наиболее совершенным способом при теплоизоляции является оптимизация процесса сгорания. Фирмой MazdaMotor в исследованиях принят именно этот способ, т.е. совершенствование процесса смесеобразования и сгорания при наличии теплоизолированной вихревой камеры [68].

Применение теплоизолирующих вставок в целом способствует снижению эмиссии СН с ОГ, что объясняется более высокими температурами стенок КС и температурного уровня рабочего цикла в целом.

Необходимо подчеркнуть, также что жесткие (существующие и перспективные) нормы на выброс вредных веществ не является непреодолимым препятствием для применения в будущем дизелей с ограниченными тепловыми потерями, хотя у других типов поршневых двигателей, например, газовых и двигателей Стерлинга, проблемы ограничения выброса вредных веществ решаются значительно легче.Основная сложность заключается в том, что мероприятия, уменьшающие выброс Ж)х, а также твердых частиц, как правило, снижают экономичность дизелей, т.е. возникает известный «конфликт» между топливной экономичностью и экологичностью дизеля. Тем не менее, отдельные исследователи и дизелестроительные фирмы разрабатывают целый ряд мероприятий, позволяющих укладываться в жесткие нормы по выбросам вредных веществ, прежде всего, усовершенствованием рабочего процесса[69]. Среди известных мероприятий, обеспечивающих снижение токсичности, можно назвать: изменение конструкции камеры сгорания с минимизацией ее неактивных объемов; повышение давления впрыскивания; минимизация подигольного объема у распылителей форсунок[1]; согласование количества сопловых отверстии с интенсивностью закрутки воздуха [69,70]; уменьшение угла опережения впрыскивания и электронное управление этим углом при изменении нагрузочного режима работы дизеля;двукратное и многократное впрыскивание топлива [69,71,72]; рециркуляция выпускных газов с электронным управлением; интенсификация турбулентности в процессе догорания; впрыскивание воды в цилиндры [1,69]; понижение локальных температур сгорания; создание новых двухстадийных процессов сгорания, использующих принципы расслоения заряда (первая фаза горения в условиях недостатка кислорода и догорание в основной камере с пониженной температурой в условиях избытка кислорода)[1].Для улучшения

топливной экономичности дизелей с повышенной температурой стенок камеры сгорания в работе [73] предлагается увеличивать долю объемного смесеобразования путем интенсификации впрыскивания топлива и движения заряда и изменения формы КС. Выравнивание условий смесеобразования для длинных и коротких струй, по мнению авторов, даст возможность снизить расход топлива. К сожалению, вопросы экологии двигателя в этой работе не затрагиваются.

В заключение этого раздела заметим, что за последние годы в развитых странах проводятся широкие исследования по созданию серийного двигателя с уменьшенными тепловыми потерями например, в США программа создания адиабатного дизеля рассчитана на период до 2020 г. и предусматривает к 2020 г. создание такого двигателя с минимальными механическими потерями и с максимальным КПД [74]. В опытных двигателях в качестве материала для изготовления головки и накладки поршня, выпускного канала и клапана, горячей пластины камеры сгорания применятся прессованный в горячем состоянии нитрид кремния (керамика), композитный материал на основе алюминатов титана и циркония (двуокись циркония). Предусматривается использовать керамические подшипники без смазывания с малым коэффициентом трения, поршни без поршневых колец, твердые смазочные материалы и газовые подшипники. При этом утилизируется теплота отработавших газов в силовой турбине низкого давления для получения дополнительной мощности на валу. Информация о запланированных исследованиях по улучшению экологических характеристик этих двигателей отсутствует.

Таким образом, исследование влияния теплоизоляторов на экологичность дизеля, особенно на образование оксидов азота,является малоисследованной и весьма актуальной задачей при создании перспективных двигателей. Следует подчеркнуть также, что в настоящее время для двигателей с уменьшенными тепловыми потерями недостаточно апробированы даже те известные способы

усовершенствования рабочего процесса, которые хорошо апробированы для двигателей традиционных схем и топлив.

1.4. Анализвозможности использования природного газа с целью снижения тепловых нагрузок в поршневых двигателях и улучшения их

экологических показателей

Природный газ, согласно научно обоснованным прогнозам [3] займет к 2030 годам значительное место на рынке моторных топлив и существенно потеснит как традиционные нефтяные топлива, но и другие альтернативные топлива. Необходимо отметить, что до настоящего времени, сжиженный углеводородный газ (СУГ) оставался альтернативным газообразным моторным топливом №1.9 ноября 2011 года Мировое энергетическое агентство (МЭА) опубликовало очередной аналитический «Обзор мировой энергетики - 2011» ^огШЕпе^уОийоок 2011) [75], где отмечается, что потребители газового топлива на сегодня предпочтение отдают метану. Следует подчеркнуть, что основным индикатором популярности газового топлива является не количество заправочных станций и даже не численность парка работающих на нем машин, а фактический спрос. По этим данным прошедшая пятилетка преподнесла сюрприз. Произошло то, что прогнозировалось [3]: спрос на метан, как на моторное топливо, превзошел спрос на СУГ! В 2007 году мировой транспорт потребил 29,6 миллиона тон условного топлива СУГ и 19,9 миллиона тон условного топлива метана (расчеты специально были сделаны в тоннах условного топлива, чтобы показатели были полностью сопоставимы [75]). В 2010 году мировым транспортом реализовано соответственно 33,2 миллиона тон СУГ, и 34,3 миллиона тон метана (в условных топливах), т.е. в 2010 году в мировом балансе альтернативных газовых видов моторного топлива доля СУГ составила 49%, а доля метана - 51% (рис.1.3).Независимо от способа воспламенения рабочей смеси - от электрической искры или от сжатия, природный газ, как моторное топливо, с наибольшей эффективностью может использоваться не только в стационарных энергетических установках, но и в

транспортной энергетике тоже. В настоящее время, известны многие публикаций на тему использования природного газа в качестве моторного топлива в поршневых двигателях[76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89].

65%

55%

45%

35%

V

Доля в мировом балансе газовых альтернативных видов моторного топлива

—

2007

СУГ, % Метан, % 2008 2009 2010

о см

б

Рис. 1.3. Доля в мировом балансе сжиженных углеводородных газов и метана по данным Национальной газомоторной ассоциации [75]

Двухтопливныедвигатели (по старой терминологии - газодизели) могут иметь широкий диапазон применений. Обычно, эти двигатели являются модифицированными серийными дизелями и могут достигнуть очень низких уровней эмиссии вредных веществ в отработавших газах, особенно оксидов азота и твердых частиц[3]. Конвертация дизеля в двухтопливный двигатель приводит к более мягкой и тихой работе, увеличивает ресурс между капитальными ремонтами, улучшает топливную экономичность.

Конвертирование дизеля в двигатель с искровым зажиганием, как правило, требует Установку смесителя во впускной системе для образования смеси природного газа с воздухом, снижения степени сжатия в целях предотвращения детонационного сгорания (осуществляется посредством изменения конструкции поршня и формы камеры сгорания,расположенной в поршне), и установку свечи зажигания в камере сгорания вместо форсунки. С другой

стороны, такой вариант конвертации характеризуется снижением концентрации N0* в выпускных газах, относительно низким расходом топлива, гомогенным сгоранием, в результате чего твердые частицы сажи топливного происхождения в выпускных газах практически отсутствуют.

Особое внимание уделяется исследованию процесса сгорания в дизелях, конвертированных в двухтопливные двигатели. Здесь, прежде всего, следует отметить фундаментальную монографию американских ученых Т. Лювена, В. Янга и Р. Йеттера(1_леишепТ., YangV. nYetterR.) [90]. Следует отметить, что глава 10 этой монографии, посвященная применению газа в качестве моторного топлива, построена практически на основе результатов, полученных профессором МГТУ им. Н.Э. Баумана Р.З. Кавтарадзе [1,3,83]. Эти результаты, особенно по задержке воспламенения в дизелях, конвертированных на различные газообразные топлива, нашли широкое применение также в известных исследованиях, проведенных в последние годы Боеманом и О.ЛеКорре(Вое11тапАХ., LeCorreO.)[91], А. Яничка и В. Валковяком (A.Janichka и W.Walkowiak) [92] и др.

Типичный процесс сгорания в двухтопливных двигателях состоит из, четырех стадий: период задержки воспламенения, сгорание заранее запальной дозы топлива, сгорание предварительно перемешенного газообразного топлива и диффузионная фаза сгорания газообразного топлива совместно с остающейся частью дизельного топлива, (рис. 1.4). Задержка воспламенения представляется как интервал времени между началом впрыскиваниязапального дизельного топлива и началом тепловыделения[90]. Бикан (Bilcan) и др. (2001) предложили выражение для определения показателя политропы для различного газообразного топлива, которое было проверено для двухтопливногодвигателя, работающего на синтез- газе, Гарьнем (Gamier) и др. (2005). Анализ этих работ дается в [90]. Задержка воспламенения для запальной дозы дизельного топлива и различного газообразного топлива была измерена Р.З. Кавтарадзе [1,3,83].

Экспериментальная скорость тепловыделения, [Дж/град] 60 50

40% Нагрузка 78.7% доля син.газа

начало сгорания

начало впрыска запальной дозы топлива

1 (2) Максимум тепловыделения соответствующий ¡^ сгоранию запальной дозы топлива

-40 -30

-20

Максимум тепловыделения соответствующий сгоранию газообразного топлива

-10_10 0 10 20 30 40 50 Угол поворота коленчатого вала, [град]

60

70 80

Рис.1.4. Характерные стадии уровня тепловыделения для сгорания в двух -

топливном двигателе.

Им было проведено сравнение задержки воспламенения для дизельного топлива, природного газа и различных синтез-газов (70%Ы2+3 0%СН4 и 60%Н2+20%СН4+20%Ш). В результате была предложена зависимость для определения задержки воспламенения для различных газообразных топлив. Для дизеляпри работе на обычном дизельном топливе с использованием рециркуляции отработавших газов, формула для расчета задержки воспламенения имеет вид:

т; = 0,55р~13ехр (1.6)

К =0.9г~°/°9, где ъ - степень рециркуляции (%), р,Т - давление и температура в цилиндре в момент впрыскивания топлива (бар, К) соответственно. Сравнивая корреляцию задержки воспламенения для различного газообразного топлива и для различных степеней рециркуляции отработавших газов, было отмечено, что добавка водорода в синтезгазесокращает задержку воспламенения и продолжительность сгорания.

В МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с ВНИИГАЗ была проведена серия научно-исследовательских работ по расчетно-экспериментальному исследованию дизелей,конвертированных на природный газ. Большая часть этих работ [93,94,95,96,97] посвящена исследованию внутрицилиндровых процессов. Другая часть этих работ, выполненных, в том числе, при непосредственном участии автора[98,99,100], предусматривала анализ теплообмена, определению термических граничных условий в дизелях, работающих на природном газе. Анализ некоторых результаты этих работ, а также дальнейшее их развитие, изложены в последующих главах диссертации.

Из проведенного анализа опубликованных работ видно, что, независимо от технологии конвертирования дизелей на газообразные топлива, основное внимание уделяется рабочему процессу, протекающему в конвертированных двигателях, и практически не затрагиваются вопросы локального теплообмена, определения термических граничных условий и теплового состояния деталей цилиндропоршневой группы. По этим причинам в научно-технической литературе [101,102,103] можно найти крайне скудные данные (особенно экспериментальные) об основных показателях рабочего процесса в газовых и двухтопливных двигателях, о проведении оценки теплового и напряженно-деформированного состояний их деталей. Очевидно, что при использовании газообразных топлив условия теплообмена в КС по сравнению с традиционными топливами изменяются. В связи с этим исследование локального теплообмена в дизелях, конвертированных на природный газ, и определение способов снижения тепловых нагрузок в газовых и двухтопливных двигателях, является актуальной задачей транспортного дизелестроения.

Выводы по главе 1. Постановка цели и задач диссертационной работы

Проведенный анализ методов исследования и особенностей рабочего процесса и теплообмена в дизелях, как в традиционном исполнении, так и с искусственной и естественной теплоизоляцией камеры сгорания с учетом ужесточенных экологических требований и накопленного опыта мирового двигателестроения, а также анализ возможности применения альтернативного топлив, позволяет сделать следующие выводы:

1. Мало внимание уделяется теплоизолирующим воздействием естественного теплоизолятора (слоя нагара) на тепловоспринимающих поверхностях КС - необходимого атрибута гетерогенного сгорания, имеющего места в дизелях. Актуальность и практическая значимость исследования данного вопроса проанализированы в работах, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана [2] и в Мюнхенском техническом университете [41], однако они требуют дальнейшего развития в целях создания инженерных методов оценки локальной толщины слоя нагара и ее влияния на теплопередачу от рабочего тела к стенкам КС.

2. При применении искусственных теплоизоляторов (керамика, различные металлыс низкой теплопроводностью и др.) в двигателях с уменьшенными тепловыми потерями практически не исследуется образование оксидов азота. В некоторых отдельных случаях зафиксирован только рост концентрации М)хпри повышении температуры поверхности КС, и не исследованы способы ее снижения, что подтверждает актуальность проблемы снижения эмиссии оксидов азота для дизелей с теплоизолированной камерой сгорания.

3. Возрастающая потребность использования природный газ, как моторного топлива, независимо от технологии конвертирования дизелей, делает актуальными такие задачи исследования локального теплообмена, какими являются определение термических граничных условий, теплового состояния деталей цилиндропоршневой группы, а также определение способов снижения

тепловых нагрузок. Наряду с этими задачами практически не исследованной являются сравнительные характеристики локального теплообмена в базовых и конвертированных дизелях.

Следует подчеркнуть, что назрела необходимость разработки научных основ для исследования влияния искусственных и естественных теплоизоляторов камеры сгорания на экологические характеристики дизеля, а также измененных условий теплообмена при конвертировании дизеля на природный газ.

Исходя из этого и опираясь на современные тенденции развития двигателестроения, можно сформулировать цель настоящей диссертационной работы:Улучшение экологических характеристик и снижение тепловых нагрузок в дизелях с термоизоляцией КС и конвертированных на природный газ.

Для достижения поставленной цели необходимо решать следующие основные задачи:

1. Расчетно-теоретические исследования теплонапряженного состояния деталей с учетом естественной и искусственной теплоиозоляции.

2. Разработка метода для моделирования теплонапряженного состояния деталей транспортного дизеля, использующего как традиционное так и альтернативное топливо.

3. Разработка метода расчетно-экспериментального исследования рабочего процесса двигателя с теплоизолированными деталями, позволяющего определить пути улучшения эффективных и экологических характеристик и снижения тепловых нагрузок на основные детали.

4. Выдача практических рекомендаций по усовершенствованию рабочего процесса в двигателях с ограниченными тепловыми потерями.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Онищенко, Дмитрий Олегович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ

РАБОТЕ

Решения задач, обеспечивающие увеличение эффективности и экологичности одновременно со снижением тепловых нагрузок деталей транспортного дизеля, сформулированных в главе 1, изложены и проанализированы в главах 2-7 диссертационной работы. Решения поставленных задач потребовали проведения широкого спектра научно-исследовательских работ с применением методов математического моделирования, физического моделирования и натурного эксперимента. Анализ известных моделей рабочего процесса в поршневых двигателях показывают, что иерархический уровень применяемой модели следует выбрать в зависимости от поставленной задачи. В связи с этим в диссертации были использованы концептуальные подходы, основанные на многозонном и на трехмерном представлениях теплофизических процессов, протекающих в транспортных дизелях. Первое из них предусматривает применение 0-мерных термодинамических моделей, а второе - СБО-кодов для турбулентного течения в сочетании кинетических механизмов горения. Исследования температурных полей как серийных, так опытных деталей, установленных на двигателе в процессе исследования, проводились с применением численного метода конечных элементов.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных в стендовых условиях на натурных двигателях (индикаторные диаграммы, локальные температуры поршней серийных и опытных дизелей), а также на моделирующих установках (интенсивность вихревого движения заряда, локальные температуры поршня с теплоизолирующей накладкой), применялись:

1. Для верификации предложенных математических моделей;

2.Для получения необходимых для полноты математических моделейданных, получение которых расчетно-теоретическим путем затруднено.

В целом результаты диссертационной работы отражены в выводах по каждой главе, поэтому здесь отметим лишь основные из них:

1. Разработана и реализована уточненная многозонная модель рабочего процесса дизелей с непосредственным впрыскиванием, позволяющая получить значения локальных (зональных) нестационарных температур газа в цилиндре, и на их основе определить значения зональных и суммарных концентраций оксидов азота. Определены константы скорости реакций, входящие в расширенный механизм Зельдовича и соответствующие условиям в КС дизеля. Значения локальных температур газа значительно отличаются не только от усредненной по объему «индикаторной» температуры, но и друг от друга.

2. Исследованы влияния на экологические характеристики дизеля таких факторов, как наличие теплоизолирующих вставок в камере сгорания, интенсивность закрутки заряда в цилиндре, давление впрыскивания топлива, количество сопловых отверстий форсунки, угол опережения впрыскивания топлива. Верификация модели по экспериментальным данным, полученными на серийных (ЗМЗ, ЯМЗ) и опытном (14 12/9,6) дизелях, подтверждает целесообразность ее применения в целях выбора оптимального сочетания (с точек зрения топливной экономичности и экологичности) указанных факторов.

3. Установлено, что важнейшую роль в оценке эмиссии оксидов азота играет распределение топлива по объему КС (т.е. по отдельным зонам). Оно моделируется с учетом закона впрыскивания топлива, динамики топливного факела при известной геометрии сопловой части форсунки и известных значений давления впрыскивания, при этом учитывается деформацию топливного факела в результате воздействия вихревого движения заряда, генерированного впускным каналом, а также тепло- и массообмен между отдельными зонами. Определены оптимальные значения давления впрыскивания и интенсивности закрутки потока. Например, для исследуемого быстроходного дизеля 14 12/9,6 при оптимальных значениях этих параметров наиболее подходящей с точки зрения, как удельного индикаторного расхода топлива, так и выбросов [NOx], следует признать конструкцию распылителя с числом сопловых отверстии z=7.

4. Исследование теплообмена между высокотемпературным вихревым потоком и поверхности камеры сгорания было проведено с учетом профили тангенциальной скорости и = Сгт. Установлены границы изменения параметра ш, при которых возникает эффект снижения величин плотности теплового потока и коэффициента теплоотдачи. Это явление следует рассматривать как средство тепловой защиты тепловоспринимающей поверхности камеры сгорания от тепловых нагрузок, и может осуществлено на дизеле обеспечением подходящего профиля тангенциальной скорости.

5. Установка теплоизолирующих вставок в камере сгорания, приводящая к повышению температурного уровня цикла, способствует повышению концентрации оксидов азота в продуктах сгорания. Однако при этом снижаются концентрации других вредных компонентов [СО], [СН] и сажи. Поэтому удовлетворение современных жестких требований, предъявляемых к экологическим показателям транспортных дизелей, двигатель с уменьшенным отводом теплоты может только при управлении углом опережения впрыскивания топлива. Для этого необходима установка систем с электронно-управляемым процессом подачи топлива, обеспечивающих управление, как началом впрыскивания топлива, так и законом топливоподачи в целом.

6. Создана экспериментальная установка, позволяющая моделировать влияния естественной (слой нагара) и искусственной (материалы с низкой теплопроводностью) теплоизоляций на локальные нестационарные тепловые потоки в КС дизеля.

7. На основе полученных опытных данных разработан оригинальный расчетно-экспериментальный метод определения локальной температуры на поверхности слоя нагара и его локальной толщины, экспериментальные определения которых связаны с большими сложностями. Метод основан на решение обратной задачи теплопроводности и позволяет оценить роль слоя нагара, как естественного теплоизолятора в КС дизеля.

8. Установлено, что слой нагара, отложенный на поверхности КС дизеля, оказывает более существенное влияние на локальный теплообмен, чем вихревое движение заряда, генерируемое впускными каналами. Наличие на поверхностях КС слоев нагара, толщина которых характеризуется локальными изменениями, может быть причиной возникновения больших градиентов температуры в деталях дизеля, приводящих термическим деформациям и повышению термических напряжений, что необходимо учесть при задании термических граничных условий.

9. Конкретные результаты, полученные в данной работе для быстроходного дизеля Д-144 с воздушным охлаждением, подтверждают роль слоя нагара в нестационарном теплообмене. Были вычислены локальные значения слоя нагара 6Х по предложенному методу. Полученные значения показали хорошее соответствие (отклонения в пределах 3-9 %) с экспериментальными значениями 51эксп, полученными при непосредственном измерении на разобранном двигателе. Кроме того, исследования показали, что температура слоя нагара по нормальному направлению от его тепловоспринимающей поверхности до предельной глубины (до поверхности детали) снижается с каждым микрометром примерно на 7 К, а плотность теплового потока - 0,5%. Отставание (сдвиг) по фазе колебаний температуры и плотности теплового потока по мере проникновения в слой нагара составило примерно Аф=0,5 0 угла поворота коленчатого вала на каждый микрометр.

10. По результатам расчета температурного поля поршня дизеля КамАЗ-7405 в 3-х мерной постановке с применением экспериментальных граничных условий установлено, что нагар на поверхности поршня со стороны КС и накипи (лакообразований) со стороны картера на тепловое состояние поршня оказывают существенное влияние на тепловое состояние поршня. Показано влияние несимметричности распределения пятен нагара на несимметричность температурного поля поршня, а также на теплоотводящее воздействие бобышек поршня.

11. Разработаны и реализованы трехмерные модели для исследования рабочего процесса в дизелях на основе ЗВ-СБО -кода АУЬРШЕ. В основе модели заложена система фундаментальных уравнений нестационарного турбулентного переноса в форме Рейнольдса, осредненных по Фавру, для замыкания которой используется к- £ модель турбулентности. Расчет процесса сгорания осуществляется на основе модели Магнуссена-Хартагера, а локальные концентрации оксидов азота в КС определяются с применением расширенного механизма Зельдовича. Верификация модели проведена с использованием экспериментальных индикаторных диаграмм, полученных на дизеле КамАЗ-740, конвертированном в газовый двигатель с искровым зажиганием.

12. Осуществление цикла с принудительным зажиганием требует изменения (снижения) степени сжатия газовогодвигателя в целях предотвращения детонации. Проведенные исследования позволяют утверждать, что дизель, конвертированный на природный газ, при прочих равных условиях испытывает большие термические нагрузки. Дальнейшее форсирование газового двигателя сопровождается повышением уровня локальных температур в характерных точках поршня (центральная часть поверхности огневого днища поршня, кромки поршня, область верхнего компрессионного кольца) и на режиме максимальной нагрузки могут превышать допустимые пределы. Это подтверждает необходимость тепловой (термической) защиты деталей в целях увеличения долговечности и надежности двигателя, что может быть осуществлено путем воздействия на рабочий процесс, а также применением теплоизоляторов.

13. Интенсивность теплоотдачи от рабочего тела к стенкам КС следует оценить в зависимости от локальных и интегральных значений кинетической энергии турбулентности. Последняя при сгорании гомогенной смеси, прежде всего, зависит от конструкции КС. С другой стороны, уровень турбулентности в КС газового двигателя существенно влияет на процесс сгорания и образования оксидов азота, что подтверждает необходимость рассмотрения вопросов образования оксидов азота и возникновения термических нагрузок в КС как взаимосвязанных. Результаты моделирования рабочего процесса при использовании различных конструкции КС, имеющих одинаковые степени сжатия, подтверждают необходимость такого подхода.

13. При прочих одинаковых условиях наилучшей из исследованных четырех форм камеры сгорания с точки зрения токсичности является камера конической формы, для которой количество образовавшихся Ж)х в 3,5 (на номинальном режиме работы) и в 6 раз (на режиме максимального крутящего момента) меньше, чем для со-образной камеры. Однако регулированием угла опережения зажигания, в частности, приближением момента зажигания к верхней мертвой точке, можно снизить значение [ЫОх] для со-образной КС примерно на 28%. Кроме того, со-образная камера характеризуется наибольшими значениями кинетической энергии турбулентности, следовательно, и наибольшими термическими нагрузками на поршень. В целом, в симметричной КС наблюдается относительно низкие уровни и интенсивности теплообмена, и термических нагрузок.

14. Определены экспериментальные значения локальных температур поршня базового дизеля 8ЧН 12/12 (КамАЗ 7405) с наддувом 8ЧН 12/12 (КамАЗ 7405) и без наддува с различными формами КС, а также поршня конвертированного на природный газ модификации дизеля с искровым зажиганием. Для конвертированного на природный газ дизеля КамАЗ впервые определены термические граничные условия для расчета теплового состояния поршня. При этом использованы экспериментальные значения локальных температур поршня. Сравнительный анализ расчетных и измеренных значений локальных температур поршня газового двигателя показывает, что относительное максимальное отклонение от экспериментальных данных имеет место в периферийной области поршня, и его величина не превышает 8,4%. Это указывает на задание с удовлетворительной точностью термических граничных условий для поршня газового двигателя. Высокие температуры, имеющие место на кромке камеры в поршне газового двигателя можно объяснить высокими уровнями турбулентности, а также более растянутым (по сравнению с дизелем) во временны тепловыделением.

15. В районе верхнего поршневого кольца газового двигателя уровень температур примерно на 10 °С превышает значение для дизельного прототипа. Поршень дизеля максимальную температуру имеет на кромке камеры. В случае экспериментальной головки цилиндра ее значение Тдиз.эксп.2==298 °С ниже, а в случае серийной Тсер.Эксп.2=328 °С - практически одинакова с температурой в аналогичной точке газового двигателя; Максимальную температуру поршень газового двигателя имеет также на кромке камеры и ее значение довольно высока (Тгаз2=327 °С), несмотря на то, что горловина камеры сгорания газового двигателя по сравнению с горловиной камеры дизеля существенно расширена, а степень сжатия в ~ 1,5 раза снижена. Дальнейшее снижение степени сжатия нецелесообразно в связи с повышением удельного расхода топлива двигателя.

16. Возможности снижения теплонапряженного состояния дизеля путем использования теплоизоляции КС с учетом влияния теплоизоляции на его эффективные и экологические показатели, исследовались расчетно-экспериментальным путем на одноцилиндровом экспериментальном дизеле 14 12/9,6 с непосредственным впрыскиванием, оснащенным насосом-форсункой. Установлено, что уровни температур в характерных точках поршня исследуемого дизеля на режиме максимальной нагрузки могут превышать допустимые пределы.

17. В результате расчетно-экспериментальных исследований теплонапряженного состояния гильзы и поршня с различными вариантами теплоизолирующих накладок установлено, что применение керамического материала (нитрида кремния) в качестве теплоизолятора поршня, приводит, как минимум, к трем положительным факторам: а) снижение общего температурного уровня поршня и гильзы; б) выравнивание температурного поля, и как следствие снижение термических напряжений, приводящих к образованию трещин; в) уменьшение отвода теплоты от рабочего тела, и как результат снижение тепловых потерь, увеличение энтальпии выпускных газов, создание благоприятных условий для турбонаддува и увеличения мощности турбины. Численные эксперименты подтверждают, что наличие керамической накладки на поршень приводит к увеличению максимальной температуры поверхности в центральной части КС на 245 °С (от Т«, = 414 °С до Тш = 659 °С). В области бобышек поршня изменение температуры юбки при установке керамической накладки на поршень менее чувствительно, так как сами бобышки играют роль теплоотводящего. Установка разработанного варианта чугунного цилиндрического кольца, как соединительного звена между керамической накладкой и корпуса поршня из алюминиевого сплава, на теплонапряженное состояние составного поршня оказывает незначительное влияние. Наличие воздушных зазоров в составной-конструкций поршня значительно усиливает эффект теплоизоляции. 18. Сравнение тепловых балансов базового и теплоизолированного двигателя без оптимизации рабочего процесса последнего указывает на некоторое ухудшение его показателей по сравнению с базовым двигателем, что связано с ухудшением процессов смесеобразования и сгорания, снижением коэффициентов наполнения и избытка воздуха, нарушением согласованности между значениями интенсивности вихревого движения, давлении впрыскивания, количеством сопловых отверстий и т.д. что, прежде всего, отражается на величине удельного расхода топлива. Очевидно, что анализ эффективных и экологических параметров при конвертировании базового двигателя в дизель с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела не должен быть проведен на основе обработки только индикаторных диаграмм, полученных в идентичных условиях эксперимента. В таком случае ответ на вопрос: как теплоизоляция поверхности камеры сгорания влияет на рабочий процесс быстроходного дизеля, скорее всего, будет отрицательным. Однако осуществление комплекса мероприятий, предложенных и осуществленных в данной работе для улучшения качества рабочего процесса дизеля с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела, позволяют получить вполне приемлемое соотношение <<&-[Ж)х]>>, не уступающее аналогичному соотношению для базового двигателя. Следует подчеркнуть, что все позитивные свойства (низкий уровень тепловой напряженности основных деталей, снижение теплоотдачи в масляную систему, повышение энтальпий выпускных газов, снижение концентрации углеводородов, снижение шума, возможность применения низкосортных топлив и т.д.), характерные дизелям с уменьшенным отводом теплоты, при этом сохраняются.

19. Определен ряд основных параметров, оптимальное сочетание которых одновременно с уменьшением отвода теплоты от рабочего тела обеспечивает оптимальное соотношение «[МЗХ] - ge», а также снижение СО и НС в выпускных газах. К этим параметрам относятся: давление впрыскивания топлива, уровень температуры рабочего тела (продуктов сгорания), угол опережения впрыскивания топлива, интенсивность закрутки заряда, количество сопловых отверстий, качество используемого топлива. Выданы практические рекомендации по выбору и регулированию этих параметров, определены их конкретные значения для базового двигателя 14 12/9.6 и его теплоизолированного варианта, позволяющие удовлетворить современные экологические требования по эмиссию вредных выбросов, предъявляемые к транспортным дизелям.

20. Уменьшение отвода теплоты от рабочего тела благоприятно влияет на жесткость работы двигателя. Сокращение периода задержки воспламенения приводит к снижению скорости нарастания давления в начале сгорания, и как результат, к снижению уровня шума дизеля. В частности, для исследуемого дизеля 14 12/9,6 период задержки воспламенения уменьшается на 20%, что обеспечивает снижению шума на 4-5 дБ.

21. Отдельные результаты диссертационной работы, полученные в рамках хоздоговорных работ, используются при исследовании и доводке дизеля на ООО «ЗМЗ» и в НИИГАЗ. Ряд результатов полученыпри выполнении грантов РФФИ и НИР по Государственному контракту. Они также используются в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баумана при чтении курсов «Теория поршневых и комбинированных двигателей», «Локальный теплообмен в поршневых двигателях», «Специальные главы теории поршневых двигателей», а также при выполнении магистерских и аспирантских диссертации.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Онищенко, Дмитрий Олегович, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Кавтарадзе Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 720 с.

2. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. - 2 издание, М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 472 с.

3. Кавтарадзе Р.З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. 238 с.

4. Иващенко H.A., Кавтарадзе Р.З. Многозонные модели рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 58 с.

5. Аманн С.А. Перспективы и проблемы дизельного двигателя с низкими тепловыми потерями // Тр. Американского общества инженеров-механиков. Серия А. Современное машиностроение. 1989. № 5. С. 13-21.

6. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Book Company, New York, 1988. 930 p.

7. Гайворонский А.И., Марков B.A., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях. М.: «ИРЦ Газпром», 2007. 480 с.

8. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1981. 159 с.

9. Кавтарадзе З.Р., Кавтарадзе Р.З. Перспективы применения поршневых двигателей на альтернативных моторных топливах // Транспорт на альтернативном топливе. 2009. Ч. 1, № 6 (12). С. 59-65; 2010. ч. 2, № 1 (13). С. 74-80.

10. Basshuysen R., Schäfer F. (Hrsg.). Handbuch Verbrennungsmotor. Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 4. Auflage. Wiesbaden: Vieweg & Sohn Verlag, 2007.1032 s.

П.Чесноков С. А., Потапов С. А. Химический турбулентный тепломассообмен в ДВС. 2-е издание. Тула: ТулГУ, 2009. 500 с. 12. Чесноков С.А., Дунаев В.А. Тепломассообмен и горение в автомобильных двигателях. Тула: ТулГУ, 2012. 400 с.

13. Фомин В.М. Водородная энергетика. М.: РУДН, 2006. 334 с.

14. Патрахальцев Н.Н. Повышение экономических и экологических качеств двигателей внутреннего сгорания на основе применения альтернативных топлив. М.: РУДН, 2008. 267 с.

15. Borman G., Nishiwaki К. Internal Combustion Engine Heat Transfer // Progress in Energy Combustion Sciences, 1987. Vol. 13, P 1-46.

16. Torregrosa A., Olmeda P., Degraeuwe D., Reyes M. A Concise Wall temperature Model for DI Diesel Engines. // Applied Thermal Engineering. V. 26. 2006. P. 1320-1327.

17. Арипджанов M.M. Научные основы совершенствования транспортного дизеля с уменьшенным теплоотводом. Дисс. уч.ст. докт. техн. наук. Ташкент (ТАДИ), 2007. 351 с.

18. Иващенко Н.А., Петрухин Н.В. Методика совместного моделирования рабочего процесса и теплового состояния ЦПГ «адиабатного двигателя». // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1987. № 2. С. 61-65.

19. Грехов JI.B., Иващенко Н.А., Петрухин Н.В. Особенности протекания рабочих процессов в дизелях с уменьшенным отводом теплоты // Двигателестроение 1989. №8. С. 3-6.

20. FIRE. Users Manual Version 2009 AVL List GmbH. Graz (Austria), 2009. (License Agreement for Use of the Simulation Software AVL FIRE between Moscow State Technical Univ. n.a. N.E. Bauman and AVL List GmbH, 2010).

21. AmsdenA.A. KIVA-3V: A Block-Structured KIVA Program for Engines with Vertical or Canted Valves // Los Alamos National Laboratory Report LA-13313-MS, 1997.

22. Wieserand K.J., Ennemoser A.O. 3D-CFD Diesel Combustion Accurate Heat Transfer Modelling for Diesel Engines // THIESEL Conference on Thermo and Fluid Dynamic Processes in Diesel Engines, 2002. Pp. 234-239.

23. Liu Y., Reitz R.D. Multidimensional Modeling of Engine Combustion Chamber Surface Temperatures // SAE paper, 1997. N 971593. 18 p.

24. Kleemann A.P., Gosman A.D., Binder R.B. Heat transfer in Diesel Engines: A CFD Evaluation Study, Proceeding of the Fifth International Symposium on Diagnostics and Modelling of Combustion in Internal Combustion Engines. COMODIA, 2001. P. 123-131.

25. Popovac M., Hanjalic K. Compound Wall Treatment for RANS Computation of Complex Turbulent Flows and Heat Transfer //Applied Scientific Research, 2007. Vol. 78, N. 2, March, P. 177-202.

26. Gosman A.D. State of the Art of Multi-Dimensional Modeling of Engine Reacting Flows //Oil & Gas Science Technology. 1999. Vol. 54, P. 120-128.

27. T. Morel, R. Keribar. A Model for Predicting Spatially and Time-Resolved Convective Heat Transfer in Bowl-in-Piston Combustion Chambers //SAE paper

1985. 850204. P. 11.

28. T. Morel, R. Keribar. Heat Radiation in D. I. Diesel Engines // SAE paper

1986. 860445. P.12.

29. Boulouchos K., Isch R. Modeling Heat Transfer During Combustion: A Quasi-Dimensional Approach Whith Emphasis on Large Low-Speed Diesel Engines. International Symposium. COMODIA. 1990. P. 321-328.

30. Borman G.L. In-Cylinder Heat Transfer Research at the U. W. Engine Research Center. International Symposium. COMODIA. 1990. P. 1-10.

31. Nishiwaki K. Modeling Engine Heat Transfer and Flame-Wall Interaction. The Fourth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines. COMODIA. 1998. P. 35 - 44.

32. Han Z., Reitz R.D. Temperature Wall Function Formulation for Variable-Density Turbulent Flows with Application to Engine Convective Heat Transfer Modelling // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1997. Vol. 40, N. 3. P.613-625.

33. Unsteady in-cylinder heat transfer in a spark ignition engine: experiments and modeling / Nijeweme B. et all. // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering, 2001. Vol. 215, Part D: J. Automobile Engineering. Pp. 747-760.

34. Fiveland S.B., Assanis D.N. Development of a Two-Zone HCCI Combustion Model Accounting for Boundary Layer Effects // SAE paper. 2001. N 2001-011028. 14 p.

35. Advanced Turbulent Heat Transfer Modeling for IC-Engine Applications Using AVL FIRE / Tatsehl R. et all. //International Multidimensional Engine Modelling User's Group Meeting. April 2. Detroit. (MI). 2006. 54 p.

36. Nishiwaki K., Hafnan M. The Determination of Thermal Properties of Engine Combustion Chamber Deposits // SAE paper. 2000. N2000-01-1215. 16 p.

37. High Bandwidth Heat Transfer and Optical Measurements in an Instrumented Spark Ignition Internal Combustion Engine / Wilson T.S. et all. // SAE paper. 2002. N2002-01-0747. 18 p.

38. Muller R., Ineichen B. Holographic Temperature Measurement and Heat Flux Determination Within the Thermal Boundary Layer // I.C. Engines and Combustion Technology Laboratory Swiss Federal Institute of Technology. 2008. 32 p.

39. Zhao H., Ladommatos N. Optical Diagnostics for Soot and Temperature Measurement in Diesel Engines // Department of Mechanical Engineering. Brunei University. Uxbridge UB8 3PH. U.K, 1998 5 August. 21 p.

40. Ludwig P. Die Untersuchung der örtlichen Wärmübertragung in grossen Dieselmotoren unter besonderer Berücksichtigung der Strahlung mit Hilfe der Zonenmethode // Schiffbauforschung. 1981. №1. S. 3-11.

41. Woschni G. Verbrennungsmotoren. 2. Auflage. München TU. 1988. 303 s.

42. Hohenberg G. F. Advanced Approaches for Heat Transfer Calculations, Diesel Engine Thermal Loading // SAE 1979. SP 449, P. 61-79.

43. Finol C.A., Robinson K. Thermal Modelling of Modern Engines: A Review of Empirical Correlations to Estimate the In-Cylinder Heat Transfer Coefficient // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineering. 2006. Vol. 220, part D: J. Automobile Engineering, P. 1765 - 1781.

44. Schubert C., Wimmer A., Chmela F. Advanced Heat Transfer Model for CI Engines // SAE paper. 2005. N2005-01-0695. 18 p.

45. A Method to Reduce the Calculation Time for an Internal Combustion Engine Model /AllmendingerK. et all. //SAE paper 2001. N2001-01-0574. 12 p.

46. Кавтарадзе Р.З. Точные решения уравнения турбулентного пограничного слоя при радиационно-конвективном теплообмене // Изв. вузов. Машиностроение. 1999. № 5-6. С. 123-132.

47. Кавтарадзе Р.З., Арапов В.В. Моделирование радиационно-конвективного теплообмена в камерах сгорания // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2000. № 1. С. 29^7.

48. KavtaradzeR. Z. et all. Calculation of Radiative-Convective Heat Transfer in the Combustor of Diesel Engine // High Temperature. 2007. Vol. 45, No. 5. P. 673-680.

49. Костин A.K., Ларионов B.B., Михайлов Л.И. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1979. 222 с.

50. Кавтарадзе Р.З. Решения задач конвективного и сложного теплообмена в камере сгорания дизеля с учетом пристеночного турбулентного течения // АН СССР. Теплофизика высоких температур. 1990. Т.28. №5. С. 969-977.

51. Lyford-Pike E.J., Heywood J.B. Thermal Boundary Layer Thickness in the Cylinder of a Spark-ignition Engine // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1984. Vol. 27, N 10. P. 1873-1878.

52. ChenC., Veshagh A. A One-Dimensional Model for In-Cylinder Heat Convection Based on the Boundary Layer Theory // SAE paper, 1992. № 921733, 14 p.

53. Us Patent 1, № 462-654. Internal Combustion Engine and Parts there of. July 24,1923.

54. Арипджанов M.M. Исследование рабочего процесса в дизеле с теплоизолированной камерой сгорания // Сборник трудов, посвященный 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2005. С.35-36.

55. Bengt P. On the use of ceramics in diesel engines. Ceramic in advanced energy technologies. 1982. Pp. 178-207.

56. Ceramic engine research and development in Sweden // Kronogard S.O., Malmrup L. Ceram. High Performance Appl. 3. Reliab. Proc. 6th Army. Mater. Technol. Conf., Orcas Jsland, Wash., 10...13 July, 1979. New York, London, 1983. P. 51-80.

57. Kamo R., Bryzik W. Cummins Advanced Adiabatic Engine // SAE Technical Paper Series. TACOM. 1984. №840428. 14 pp.

58. Bryzik W., KamoR. Cummins Adiabatic Engine Program. // SAE Technical Paper Series. TACOM. 1983. №830314. 25 pp.

59. Complete ceramic swirl chamber for passenger car diesel engine / Ogawa Y., et all. // Shimonok SAE Technical Paper Series, 1987. № 870650. P.243-250.

60. Смотрицкий A.B. и др. Теплофизические свойства керамик на основе нитрида кремния при высоких температурах // Теплофизика высоких температур. 1996. Том 34, № 4. С. 546-550.

61.Groth К., Thiemann W. Beitrag zur Brennraumisolierung bei Viertaktdieselmotoren // MTZ. Teil 1. 1983. № 5. S. 189-197. Teil 2. 1983. № 7-8. S. 287-289.

62. Шерепова H.B., Захаров C.A. Теоретический и экспериментальный анализ сопротивления термоударам деталей камер сгорания из конструкционной керамики // Двигателестроение, № 6. 1991. С. 40-42.

63. Woschni G., Kolesa К., Sprindler W. Isolierung der Brennraumwände Ein Johnendes Entwicklungsziel bei Verbrennungsmotoren // MTZ. 1986. 47. N12. S.495-500.

64. Грехов Д.В., Иващенко H.A., Петрухин H.B. Особенности протекания рабочих процессов в дизелях с уменьшенным отводом теплоты // Двигателестроение. 1989. №8. С. 3-6.

65. Walter P., Lanyer М. Hochtemperatur keramik für Verbrennungs kraftmaschinen // MTZ. 1983. №6. S.225-229.

66. Groth K., Thiemann W. Beitrag Zur Brennraum isolierung bei Viertakt dieselmotoren Teil 2. // MTZ. 983. №7-8. S.287-289.

67. Tovell. I. F. The reduction of heats losses to the diesel engine cooling system. // SAE Technical Raper Series. 1983. № 830316. 10 p.

68. Sakurai Sh., Matsuoka T. Development of Low particulate engine with ceramic swirl chamber// SAE Technical Paper Series. -1986. №861407. 8p.

69. Сергеев C.C. Снижение концентрации оксидов азота и сажи в отработавших газах дизеля путем совершенствования рабочего процесса. Диссерт. канд. техн. наук. 2011. 133 с.

70. Elsbett К., Elsbett L., Elsbett G., Behrens M. The duothermic combustion for D.I. Diesel engines // SAE Technical Paper. 1986. № 860310. 6pp.

71. Stephenson P.W., Rutland C. J. Modeling of Effects of Intake Flow Characteristics on Diesel Engine Combustion // SAE Paper. 2000. N 950282. 10 p.

72. Kouremenos D. A. Experimental investigation of the performance and exhaust emissions of a swirl chamber // Diesel engine using JP-8 aviation fuel. November Volume 38. 1997. Issue 6. 427 P.

73. Влияние характеристик впрыскивания топлива на показатели смесеобразования в дизеле с повышенной температурой стенок камеры сгорания / Копылов M.JI. и др. // Двигатели внутреннего сгорания: Республиканский междуведомственный научно-технический сборник. 1987. Выпуск 45, С. 7-15.

74. Экономия светлых нефтепродуктов и других источников энергии. Создание адиабатных двигателей, http://naftopro.ru. Информационный ресурс от 26.02.2012.

75. Пронин Е.Н. Метан моторное топливо №1 в мире // Транспорт на альтернативном топливе. 2011. № 6. С.8-9.

76. A predictive ignition delay correlation under steady-state and transient operation of a direct injection diesel engine / AssanisD.N. et all. // Internal Combustion Engine Division of ASME, Fall Technical Conference, 33(2), № 99 ICE-231. 1999. P. 95-104.

77. Ignition delay in dual-fuel engines: an extended correlation for gaseous fuels / Bilcan A. et all. // Internal Combustion Engine Division of ASME, Spring Technical Conference, Philadelphia (Pennsylvania, USA), 2001. P 23-27

78. C. Characterisation of a syngas-diesel fuelled CI engine / Gamier, C. et all // Society of Automotive Engineers Technical Paper No. 2005-01-1731. P 65-69

79. Hiroyasu H. Diesel engine combustion and its modeling: Diagnostics and Modeling of Combustion in Reciprocating Engines // Proc. of COMODIA Symposium. Tokyo, 1985. P. 53-75.

80. Hountalas, D.T., Papagiannakis, R.G. Development of a simulation model for direct injection dual-fuel diesel-natural gas engines // Society of Automotive Engineers Technical Paper. 2000. N 2000-01-0286. 18 p.

81. Karim G.A., Moore N.P. The production of hydrogen by the partial oxidation of methane in a dual-fuel engine // Society of Automotive Engineers Technical Paper. 1990. N901501. 16 p.

82. Karim G.A., Wierzba I. Safety measures associated with the operation of engines on various alternative fuels // Reliabil. Eng. System Safety. 1999. №37. P. 93-98.

83. Kavtaradze R.Z., Zeilinger K., Zitzler G. Ignition delay in a diesel engine utilizing different fuels // High Temperature. 2005. №6 (43). P. 951-960.

84. Liu H., Karim G.A. Exhaust emissions from an SI engine operating on gaseous fuel mixtures containing hydrogen. // Inter. J. Hydrogen Energy. 2005. №30. P. 1491-1499.

85. McMillian M.H., Lawson, S.A. Experimental and modeling study of hydrogen syngas production and particulate emissions from a natural gas-fueled partial oxidation engine // Inter. J. Hydrogen Energy, 31. 2006. P.847-860.

86. Ramos J.I. Internal Combustion Engine Modeling. Hemisphere Publishing Corporation: New York.-1989.420p.

87. Senthil Kumar M., Ramesh A., Nagalingam B. Use of hydrogen to enhance the performance of a vegetable oil fuelled compression ignition engine // Inter. J. Hydrogen Energy. 2003. 28. P. 1143-1154.

88. Shudo, Т. An HCCI combustion engine system using on-board reformed gases of methanol with waste heat recovery: ignition control by hydrogen // Inter. J. Vehicle Design. 2006. 41. P.206-226.

89. Shudo Т., Takahashi T. Influence of reformed gas composition on HCCI combustion engine system fueled with DME and H2-C0-C02 which are onboard-reformed from methanol utilizing engine exhaust heat // Trans. Japan Soc. Mech. Eng. Pt. B. 2004. 70(698). P.2663-2669.

90. Lieuwen Т., Yang V., Yetter R. Synthesis Gas Combustion. Fundamentals and Applications. NewYork: CRCPress, 2009. 384 p.

91.Boehman A.L., Le Corre O. Combustion on Syngas in Internal Combustion Engines // Combustion Science and Technology. 2008. N 6 (180). P.1193-1206.

92. Janichka A., Walkowiak W. The Discursive Attitude of Emission Aspect vs. Air-Fuel Mixture Ignition Delay in Diesel Engine // J. KONES Powertrain and Transport. 2006. Vol. 13. N 4. P. 223-228.

93. Кавтарадзе З.Р. Снижение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания быстроходного дизеля путем усовершенствования рабочего процесса: Диссерт. канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 172 с.

94. Кавтарадзе Р.З., Цайлингер К., Цитцлер Г. Задержка воспламенения в дизеле при использовании различных топлив // РАН. Теплофизика высоких температур. 2005. Т. 43, № 6. С. 947-965.

95. Кавтарадзе Р.З. Проблемы и перспективы улучшения экологических характеристик дизелей, конвертированных в газовый двигатель // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в аэрокосмических технологиях, под рук.акад. А.И. Леонтьева, посвященной 90-летию ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, Тр. XVII Школы-семинара. М.: 2009. Т. 1. С. 259-262.

96. Кавтарадзе Р.З., Гайворонский А.И., Шибанов А.В. Влияние формы камеры сгорания на образование оксидов азота в газовом двигателе // 3-й Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе, конф. Тез.докл. науч.-техн. М.: 2007. С. 24-28.

97. Кавтарадзе З.Р., Кавтарадзе Р.З. Перспективы применения поршневых двигателей на альтернативных моторных топливах // Транспорт на альтернативном топливе. 2009. Ч. 1. № 6 (12). С. 59-65; 2010. Ч. 2. № 1 (13). С. 74-80.

98. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Шибанов A.B. Исследование влияния конструктивных и регулировочных параметров на образование оксидов азота в газовом двигателе с использованием трехмерной модели рабочего процесса // Двигатель—2007: конф. посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сб. науч. тр. М.: 2007. С. 145-150.

99. Кавтарадзе Р.З., Арипжданов М.М., Онищенко Д.О. Моделирование теплового состояния составного поршня с керамическим теплоизолятором // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2009. № 3. С. 15-27.

100. Кавтарадзе Р.З., Гайворонский А.И., Зеленцов A.A. Расчетно-экспериментальное исследование локального теплообмена на огневом днище поршня дизеля, конвертированного в газожидкостный двигатель // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2009. № 2. С. 45-58.

101.Duzynski A. (Edit.). Gas engines // Proc. of the VI International Scien-tific Conf. Czestochova, 2003. 751 p.

102. Природный газ в двигателях / А.П. Кудряш, и др. Киев: Наук.думка, 1990. 200 с.

103. Лотко В.А., Луканин В.Н., Хачиян A.C. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. М.: МАДИ (ТУ), 2000. 311 с.

104. Мизернюк Г.Н., Иващенко H.A. Определение стационарных температурных полей в деталях двигателей внутреннего сгорания методом конечного элемента // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1973. №6, С. 112116.

105. Круглов М.Г., Кавтарадзе Р.З. Краевые задачи теплопроводности для транспортных энергетических установок и их решение численным

методом. // Известия Академии Наук СССР. Энергетика и транспорт. 1989. № 5. С.149-157.

106. Иващенко H.A., Гаврилов М.Н. Решение обратных задач теплопроводности методом конечных элементов // Современные проблемы газодинамики и теплообмена и пути повышения эффективности энергетических установок: Тезисы докладов 4-ой школы - семинара под рук. академика РАН А.И. Леонтьева. М., 1983. С.90.

107. Иващенко H.A. Методика и алгоритм решения обратных внешних стационарных задач теплопроводности // Рабочие процессы дизелей. Сб.— Барнаул: АлтГТУ 19.-15. С.9-20.

108. Иващенко H.A. диссертация на соискание степени доктора технических наук. М.:МВТУ,1994. С 238

109. Сапожников С.З., Митяков В.Ю., Митяков A.B. Градиентные датчики теплового потока в теплотехническом эксперименте. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2007. 203 с.

110. Голосов A.C. Разработка и экспериментальная проверка метода расчета концентраций оксидов азота в дизелях на основе многозонной модели рабочего процесса: диссер. канд. техн. наук. 2003. 150с.

111. Скрипник A.A. Влияние интенсивности вихревого движения заряда на локальные параметры рабочего процесса в двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива: диссер. канд. техн. наук 2004. 164 с.

112. Федоров В.А. Разработка и экспериментальная проверка метода расчета локальных периодических тепловых нагрузок в поршневых двигателях: диссер. канд. техн. наук. 2004.160с.

ИЗ. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. A.C. Орлина и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение. 1971. 400с. 114. Eiglmeier С., Stiesch G., Merker G. A Detailed Phenomenological Model for Wall Heat Transfer Prediction in Diesel Engines // SAE paper 2001. № 200101-3265.18 p.

115. Methods for Heat transfer and Temperatura Field Analysis of the Insulated Diesel / Morel T. et all. // Final report DOE/NASA. 1998. № 0342-3, NASA CR-182237. 36 p.

116. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей . М.- Свердловск: Машгиз, 1962. 272 с.

117. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков: Вища школа, 1980. 168 с.

118. Марков В.А., Баширов P.M., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: МГТУ им, Н.Э.Баумана, 2002. 376с.

119. Иващенко H.A. и др. Метод расчета локальных концентраций оксидов азота в поршневых двигателях с внутренним смесеобразованием на основе многозонной модели // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2004. №1. С. 43-59.

120. Merker G. et all. Verbrennungsmotoren. Simulation der Verbrennung und Schadstoffbildung. 2. Auslage. Stuttgart-Leipzig-Wiesbaden. Teubner-Verlag, 2004.410 s.

121. Лушпа А.И. Основы химической термодинамики кинетики химических реакций. М: Машиностроение, 1981. 240 с.

122. Warnatz J., Maas U., Dibble R.W. Verbrennung: Physikalisch-Chemische Grundlagen, Modellierung und Simulation, Experimente Schadstoffenstehung. 3.Auflage. Berlin- Heidelberg: Springer-Verlag. 2001.

123. Кондратьев B.H. Константы скорости газофазных реакций: Справочник //Наука, 1971.351с.

124. Fenimore С.Р. Studies of fiiel-nitrogen in rieh fíame gases // 17-th symp. Combustión. The Combustión Institute. Pittsburgh, 1979. 661 p.

125. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: Академия наук СССР, 1947. 147 с.

126. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 3-е изд. М.: Наука, 1987. 502 с.

127. Pattas К., Hafner G. Stickoxidbildung bei der ottomotorischen Verbrennung // MTZ. 1973. N12. S. 65-72.

128. Wray K.L., Teare J.D. Shock-Tube Study of the Kineticks of Nitric Oxide at High Temperatures //Journal of Chemical Physics 1962. 36, Vol.10. S.2582-2596.

129. Campbell I.M. Reactivity of Hydrogen to Atomic Nitrogen and Atomic Oxygen // Trans. Faraday Soc. 1968. Vol.64., S. 265-272.

130. Urlaub A. Verbrennungsmotoren. Band 2. Verfahrenstheorie, 1989. 226 S.

131. High Temperature Reaction Rate Data / Baulch D.L. et all. // Report, University of Leeds. 1969. N4. 76 p.

132. Bowman C.T. Kinetics of Nitric Oxide Formation in Combustion Processes. The 16. Symposium of Combustion. 1977. 32 p.

133. Лышевский A.C. Распыливание топлива в судовых дизелях. JL, 1971. 248с.

134. Теория двигателей внутреннего сгорания / Под ред. Н.Х. Дьяченко. - Я.: Машиностроение, 1974. 552с.

135. Chiu W.S., Shahed S.M., Lyn W.T. Transient spray Mixing Model for Diesel Combustion//SAE Paper. 1976. №760128. P. 1-11.

136. Вошни Г., Цайлингер К., Кавтарадзе Р.З. Вихревое движение воздуха в быстроходном дизеле с четырьмя клапанами на цилиндр. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 1997. N1. С.74-84.

137. Kawtaradse R., Woschni G., Zeilinger К. Dralluntersuchung im Vierventil -Dieselmotor mit Hilfe stationäre Durchströmung. Abschlussbericht. LVK TU München, 1995. 49 s.

138. Вихерт M.M., Грудский Ю.Г. Конструирование впускных систем быстроходных дизелей. М.: Машиностроение, 1982. 151 с.

139. Хейвуд Дж. Гидродинамика рабочих цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Фримановская лекция 1986 г. // Труды Американского общества инженеров-механиков. Теоретические основы инженерных расчетов. М.: 1987. С. 171-229.

140. Tippelmann G. Räumlicher Drallmesser für Drall und Tumblemessung // MTZ, 1997. N 6. S. 327., S. 363.

141. Barthelmä L. Einfluss der Luftbewegung im Brennraum auf die Abgasemission eines direkt einspritzenden Dieselmotors. Dissertation. TU München, 1982. 135 S.

142. Кадыров C.M. Исследование рабочего процесса короткоходного дизеля с однополостной камерой сгорания. Ташкент: ТПИ, 1974. 26с.

143. Кавтарадзе Р.З., Арипжданов М.М., Онищенко Д.О. Моделирование теплового состояния составного поршня с керамическим теплоизолятором // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2009. №3. С. 15-27.

144. The influence of rotational charge motion intensity on nitric oxide formation in gas-engine cylinder / KavtaradzeR.Z., et all. //International Journal of Heat and Mass Transfer 2009 52. 4308^316.

145. Чернышев Г.Д., Хачиян A.C., Пикус В.И. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей. М.: Машиностроение, 1986. 16 с.

146. Арипджанов М.М. Исследование рабочего процесса в дизеле с теплоизолированной камерой сгорания // Сборник трудов, посвященный 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2005. С.210-211.

147. Stieper К., Polej А. Thermische Randbedigungen II. Abschlussbericht FW. Heft 1997. 641.S.54.

148. Stieper K., Polej A. Brennraumseitige ortliche thermische Randbedigungen für Verbrennungsmotoren // MTZ, 1998. N 7/8. S. 500-505.

149. Петриченко M.P., Валишвили H.B., Кавтарадзе Р.З. Пограничный слой в вихревом потоке на неподвижной плоскости. РАН. Сибирское отделение. Теплофизика и аэромеханика. 2002. Том 9. №3 С. 411-421.

150. Петриченко М.Р., Блокирующее действие вращательного движения газана теплопередачу в камере сгорания // Двигателестроение. 1990. №4. С.57-58.

151. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М: Наука, 1974. 712 с.

152. Патанкар С. Численные методы решений задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоиздат, 1984.148 с.

153. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб / Быстров Ю.А. и др. Санкт-Петербург: Судостроение. 2005. 392 с.

154. Вырубов Д.Н., Арапов В.В. Измерение скорости движения газа в цилиндре // Двигатели внутреннего сгорания. JI: Машиностроение. 1965. С.282-286.

155. Розенблит Г.Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977. 215 с.

156. Belardini H. et all. Thermal barriers adaption in direct injection. Diesel Engines: Effect Smoke and gaseous emissions // SAE Paper. 1984. N840995 9p.

157. Munro R. Fuel Economy - its infeuence on diesel piston design features // SAE Paper. 1983. N830067 . 1 lp.

158. Pflaum S., Wloka J.,Wachtmeister G. Emission reduction potential of 3000 bar Common Rail injection and developments trends // CIMAC Congress. Bergen. 2010. Paper N 195. 12 p.

159. Anderson C.L., Uyehara O.A., Myers P.S. An In Situ Determination of the Thermal Properties of Combustion-Chamber Deposits // SAE Paper, 1982. №820071, 11 p.

160. Vogel Ch., Woschni G., Zeilinger К. Einfluß von Wandablagerungen auf den Wärmeübergang im Verbrennungsmotor // MTZ. 1994. No.4. S. 244-247. 161.0нищенко Д.О. Исследование теплового состояния деталей дизеля в трехмерной постановке с применением экспериментальных граничных условий: Автореферат дисс. канд. тех. наук. 2003. 16 с.

162. Huber К. Der Wärmeübergang schnellaufender, direkteinspritzenden Dieselmotoren: Dissertation. TU München, 1990. 130 S.

163. Теплоизолирующее воздействие нагара в камере сгорания < дизеля / Арапов В.В. и др. // Рабочие процессы дизелей. Барнаул: АлтГТУ, 1995. С. 39.

164. Кавтарадзе Р.З., Лапушкин H.A., Лобанов И.Е. Исследование теплоизолирующего действия слоя нагара на поверхностях камеры сгорания дизеля // Изв. вузов. Машиностроение. 1997. № 4-6. С. 70-76.

165. Ogury Т., Inaba S. Radiant Heat Transfer in Diesel Engines // SAE Tech. Paper. Ser. 1972. N720023. P 34-39

166. Beck J.V., Blackwell В., St. Clair Ch. R. (Jr). Inverse Heat Conduction. A Wiley-Interscience Publication. New-York, 1985. - 320 p.

167. Burggraf O.R. An Exact Solution of the Inverse Problem in Heat Conduction Theory and Applications // ASME J. Heat Transfer, 1964. 86C ( N3). P. 373-382.

168. Папок К. К., Рагозин Н. А. Словарь по топливам, маслам, смазкам, присадкам и специальным жидкостям (химмотологический словарь). М.: Транспорт, 1975. 159с.

169. Севастьянов С. И. Влияние топлив и масел на надежность и долговечность тепловозных дизелей. - М.: Транспорт, 1971. 236с.

170. Прядко В.А. Оптимизация состояния деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания с учетом условий эксплуатации: дис. док. Тех. наук. Волгоград, 2000. 348 с.

171. Корабельников М. О. Снижение температуры поршней тепловозных двигателей типа ДН23/30 // Двигатели внутреннего сгорания: Сб,-НИИИНФОРМТЯЖМАШа. 1969. №4-69-3. 94с.

172. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О. Анализ двух и трехмерных моделей теплонапряженного состояния поршня быстроходного дизеля. // Двигатели внутреннего сгорания двадцать первого века. Материалы юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок. 2000. С. 38-39.

173. Кавтарадзе Р.З. и др. Экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля // Сб. научных трудов «Судостроение, судоремонт и техническая эксплуатация флота». 2002. Выпуск 4, (Санкт-Петербург) С. 61-63.

174. Экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля / Кавтарадзе З.Р. и др. // XXX юбилейная неделя науки СПбГТУ. Материалы межвузовской научной конференции. Санкт-Петербург, 2002 г. Часть III. С. 11-12.

175. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Голосов A.C. Анализ трехмерного состояния поршня двигателя с применением экспериментальных граничных условий // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. М. 2002. том 7. С. 135-138.

176. Шибанов A.B. Влияние конструктивных и регулировочных факторов на образование вредных веществ в быстроходном дизеле, конвертированном на природный газ: автореферат дис. канд. техн. наук. 2007. 16 с.

177. Кавтарадзе Р.З. и др. Численный анализ влияния формы камеры сгорания на турбулентное движение и сгорание газа в цилиндре дизеля // Труды четвертой Российской национальной конференция по теплообмену. М., 2006. Том 3. С. 246-249.

178. Экспериментальный анализ локальных температур поршня дизеля, конвертируемого на природный газ / Кавтарадзе Р.З. и др. // Труды четвертой Российской национальной конференция по теплообмену. М., 2006. Том 7. С. 230-233.

179. Расчет радиационно-конвективного теплообмена в камере сгорания дизеля / Кавтарадзе Р.З. и др. // РАН. Теплофизика высоких температур. 2007. Том 45, №5, С. 741-748.

180. Calculation of Radiative-Convective Heat Transfer in the Combustor of Diesel Engine / Kavtaradze R.Z, et all. //High Temperature, 2007 Vol. 45, No. 5. P. 673-680.

181. Кавтарадзе P. 3., Онищенко Д.О., Шибанов A.B. Исследование влияния конструктивных и регулировочных параметров на образование оксидов азота в газовом двигателе с использованием трехмерной модели рабочего процесса // Двигатель-2007. Сборник научных трудов по материалам международной конференции посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2007. С. 145-150.

182. Расчетно-экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля, конвертированного на природный газ / Кавтарадзе Р.З. и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2007. Специальный выпуск. С. 70-80.

183. Влияние конструктивных и регулировочных факторов на образование оксидов азота в камере сгорания дизеля, конвертированного на природный газ / Кавтарадзе Р.З. и др. // Фундаментальные и прикладные проблемы

совершенствования поршневых двигателей: Материалы XI Международной научно-практической конференции, В., 2008. С.41-47.

184. Favre A. Equationsdes Gaz Turbulents Compressibles: 1.Formes Generales. J. //Mecanique. 1965. V.4. S.361-390.

185. Byun D., Baek S.W. Numerical investigation of combustion with non-gray thermal radiation and soot formation effect in a liquid rocket engine // Int. J. Heat and Mass Transfer. 2007. № 50. P. 412-422.

186. Андерсен Д., Таннехил Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир., 1990. Том 1. 384 с; Том 2, 392 с.

187. Николаенко В.А., Карпухин В.И. Измерение температуры с помощью облученных материалов. М.: Энергоатомиздат, 1986. 120 с.

188. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О. Анализ двух и трехмерных моделей теплонапряженного состояния поршня быстроходного дизеля // Двигатели внутреннего сгорания двадцать первого века: Материалы юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры судовых ДВС и дизельных установок. СПб. 2000. С. 38-39.

189. Экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля / Кавтарадзе Р.З. и др. // Сб. научных трудов // Судостроение, судоремонт и техническая эксплуатация флота. (Санкт-Петербург) 2002. Выпуск 4. С. 61-63.

190. Экспериментальное исследование теплового состояния поршня быстроходного дизеля / Кавтарадзе З.Р. и др. // XXX юбилейная неделя науки СПбГТУ: Материалы межвузовской научной конференции СПб., 2002. С. 1112.

191. Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Голосов A.C. Анализ трехмерного состояния поршня двигателя с применением экспериментальных граничных условий // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. М., 2002. Том 7. С. 135-138.

192. Kavtaradze R. Z., Zeilinger R., Zitzler G. Ignition Delay in a Diesel Engine Utilizing Different Fuels // High Temperature. 2005. Vol. 43, N6, P.951-960.

193. Кавтарадзе Р.З. Формулы для расчета задержки воспламенения при работе газодизеля на различных газообразных топливах // Транспорт на альтернативном топливе, - 2009. № 3 (9). С.36-42.

194. Influence of soot deposit on local heat transfer in combustion chamber / Kavtaradze Z.R. et all. // II international scientific conference "Non classical problems of mechanics". Kutaisi, 2012. Vol. P. 673-680.