Взаимосвязь основных конструктивных параметров газовоздушных трактов двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Хисматуллин, Камиль Амирович

• Хисматуллин, Камиль Амирович
• кандидат технических наук
• 1996

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хисматуллин, Камиль Амирович

Принятые сокращения и обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Перспективы развития 2-х тактных ДВС

1.2. Общие сведения о 2-х тактных ДВС с кривошипнокамерной продувкой

1.3. Влияние элементов ГВТ на показатели 2-х тактного двигателя

1.4 Цели и задачи, решаемые в данной работе

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ НАПОЛНЕНИЯ ДЛЯ 2-Х ТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КРИВОШИПНО - КАМЕРНОЙ ПРОДУВКОЙ

2.1. Введение.

2.2. Основные уравнения газовой динамики.

2.3. Применение обобщенных переменных к определению коэффициента наполнения

2.3.1. Обобщенные переменные для 2-х тактного ДВС с ПДП без выпускной системы

2.3.2. Обобщенные перемениме для 2-х тактного ДВС с ПДП и выпускной системой

2.4. Блок-схема программы определения значения комплексов

Мех,М1П.

2.5. Результаты

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ЧИСЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

3.1. Введение. Цель и задачи вычислительных экспериментов

3.2. Интерактивная система имитационного моделирования

Альбея"

3.2.1. Назначение и возможности "Альбеи"

3.2.2. Прикладные модули, использованные в работе.

3.2.3. Представление результатов в "Альбее"

3.3. Результаты численных экспериментов для ДВС с ПДП

3.3.1. Результаты численных экспериментов для ДВС с ПДП без выпускных систем.

3.3.2. Результаты численных экспериментов для ДВС с ПДП и выпускной системой

3.3.3. Результаты расчетов двигателя ЭМ-42 с неоптимальной впускной системой

3.4. Результаты численных экспериментов для ДВС с петлевой продувкой

3.5. Результаты расчета ДВС с петлевой продувкой

ТМЗ-200М

3.6. Графические зависимости величины обобщенного коэффициента наполнения 2-х тактных ДВС от безразмерных комплексов

3.6.1. Влияние элементов впускной системы двигателя

3.6.2. Влияние перепускных и выпускных окон

3.6.3. Влияние элементов выпускной системы двигателя

3.7. Методика выбора размеров основных элементов газовоздушных трактов 2-х тактных двигателей

3.7.1.Определение размеров элементов впускной системы

3.7.2. Определение размеров элементов выпускной системы

3.8. Результаты расчета 2-х тактного двигателя ЭМ

3.9. Анализ полученных результатов для 2-х тактных ДВС с петлевой и прямоточной продувкой

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА, МЕТОДИКА И

РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

4.1. Введение. Цели и задачи экспериментов

4.2. Методика проведения экспериментов

4.3. Испытательные стенды и измерительная аппаратура

4.3.1. Модельная камера

4.3.2. Испытательный стенд IDS 541 N.

4.3.3. Измерительная аппаратура

4.4. Результаты экспериментов

4.4.1. Модельная продувочная камера

4.4.2. Внешние скоростные характеристики ДВС с петлевой продувкой ТМЗ-200М

4.4.3. Внешние скоростные характеристики ДВС с ПДП ЭМ

4.4.4. Испытания двигателя ЭМ-90.

4.4.4.1. Внешние скоростные характеристики двигателя ЭМ

4.4.4.2. Индикаторные диаграммы двигателя

4.5. Обработка полученных результатов и оценка точности замеренных величин

4.5.1. Погрешность определен^ эффективных показателей ДВС

4.5.2. Оценка погрешности измерения давления в цилиндре двигателя

4.6. Методика определения значения коэффициента наполнения в 2-х тактном ДВС

4.7. Результаты анализа.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимосвязь основных конструктивных параметров газовоздушных трактов двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой»

Принцип двухтактных двигателей был впервые разработан в 1878 году. Их отличительной особенностью считается то, что они потенциально способны в тех же габаритах и при той же массе, обеспечить получение удвоенной мощности обычных 4-х тактных двигателей. Традиционными областями применения 2-х тактных ДВС являются, с одной стороны, легкомоторные транспортные средства (лодки, мотоциклы, легкие самолеты и т.д.) и средства малой механизации, а с другой стороны - крупные силовые установки для тепловозов, танков, морских и речных судов. Именно в этих сферах данным двигателям удалось проявить свои преимущества при существующем уровне производства. Главными причинами, сдерживающими их более широкое (например в автомобилестроении) применение, являются сложности организации газообмена и более высокая теплонапряженность, которые ведут к повышеному уровню токсичности и топливопотребления. Однако, в последнее время ведутся интенсивные опытно-конструкторские работы по использованию 2-х тактных ДВС в автомобильных силовых установках /45/,/47/, /48/,/51/,/59/,/60/,/61/,/62/,/63/.

Двухтактные двигатели по способу организации смены заряда можно разделить на три вида: волновая продувка; со специальным продувочным агрегатом; с использованием подпоршневого пространства. Первый вид продувки используется редко и имеет ограниченное применение. Второй вид - используется как правило в двигателях большой мощности. Третий - в маломощных ДВС (<50кВт). Однако двигатели с кривошипно-камерной продувкой потенциально более простые и имеют более высокий механический

КПД, чем ДВС с продувкой нагнетателем. Поэтому можно предположить расширение области их использоваия в зону больших мощностей и в частности в автомобилестроении. Тем более, что появились технологические возможности решить проблему смазки цилиндро-поршневой группы и кривошипного подшипника при приемлемом угаре масла, и проблему высокочастотного впрыска топлива в рабочую камеру, исключающего выброс топливовоздушной смеси в выпускную систему.

Эффективная мощность двигателя определяется расходом воздуха и соответствующим расходом топлива. Причем, на мощность влияет не все количество воздуха, прошедшее через вцускную систему, которое оценивается коэффициентом подачи (отношением воздуха прошедшего через двигатель к гипотетическому количеству воздуха, которое могло бы разместиться в рабочем объеме ДВС при атмосферных условиях), а только эффективная часть, которая удерживается в цилиндре после окончания газообмена и которая участвует в рабочем процессе. Эта часть оценивается коэффициентом наполнения (отношением оставшегося воздуха в цилиндре после закрытия органов газообмена к гипотетическому количеству воздуха, которое могло бы разместиться в рабочем объеме ДВС при атмосферных условиях).

Существует большой объем разрозненной информации о степени и характере влияния на качество газообмена различных конструктивных элементов газовоздушных трактов /4/,/8/,/14/,/15/, /17/,/20/,/23/,/39/,/42/,/46/,/50/,/63/,/64/,/65/ и практически отсутствуют работы, в которых были бы приведены обоснованные взаимосвязи коэффициента наполнения 2-х тактного ДВС со всеми основными размерами ГВТ. То, насколько правильно выбраны размеры ГВТ, определяет характер нестационарных процессов в них и, соответственно, эффективные показатели двигателя. Особенно заметно это проявляется в 2-х тактных ДВС, где газообмен проходит практически при максимальном объеме рабочей камеры, процессы очистки, продувки и наполнения не разделены во времени. Схема всего газовоздушного тракта (организация продувки, расположение и ориентация впускных и выпускных органов, использование нестационарных явлений) оказывает существенное влияние на очистку и наполнение рабочих камер. В связи с этим, для создания высокоэффективного двигателя уже на ранней стадии проектирования необходимо знать то, насколько совершенна выбранная система газовоздушного тракта. В данной работе сделана попытка установить взаимосвязи между основными конструктивными параметрами ГВТ 2-х тактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой и эффективным расходом воздуха, которые позволили бы уже на ранней стадии проектирования двигателя оценить его характеристики.

Поиск возможных путей решения этой проблемы показал, что имеется возможность из основных уравнений газовой динамики получить обобщенное уравнение для коэффициента наполнения, в котором переменными являются безразмерные комплексы, состоящие из начальных и граничных (включая основные конструктивные размеры ГВТ двигателя) условий и, используя численные методы моделирования, заложенные в систему имитационного моделирования "Альбея", исследовать зависимость коэффициента наполнения от этих безразмерных комплексов и установить их взаимозависимость.

Научная новизна работы заключается в следующем: • впервые получены обобщенные переменные, включающие конструктивные параметры основных элементов ГВТ] и установлена их взаимосвязь для двигателей с кривошипно-камерной продувкой;

• впервые показано, что 2-х тактный двигатель при правильной организации процесса газообмена может иметь практически такой же коэффициент наполнения, как и четырехтактный;

• разработана методика определения размеров основных элементов ГВТ на основе полученных зависимостей обобщенного коэффициента наполнения от безразмерных комплексов;

• разработана расчетно-экспериментальная методика определения коэффициента наполнения 2-х тактного ДВС на основе стандартных стендовых испытаний двигателя и численного моделирования рабочего процесса.

На защиту выносится методика определения геометрических размеров проточных частей ГВТ 2-х тактных ДВС с кривошипно-ка-мерной продувкой на стадии его проектирования и доводке.

Практическая ценность - разработанная методика определения ГВТ позволяет конструктору при проектировании двигателя:

• определять наиболее эффективную схему протекания газообмена в 2-х тактном двигателе с кривошипно-камерной продувкой;

• анализировать влияние вклада каждого из элементов газовоздушного тракта 2-х тактного ДВС на коэффициент наполнения;

• сократить время для более точного подбора конструктивных размеров методами прямого численного или натурного эксперимента.

• снизить затраты и время на окончательную доводку двигателя.

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре "Двигатели внутреннего сгорания".

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Хисматуллин, Камиль Амирович

выводы

1. Впервые получены обобщенные переменные, включающие конструктивные параметры элементов ГВТ и установлена их взаимосвязь для 2-х тактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой.

2. Впервые показано, что двухтактный двигатель с кривошипно-камерной продувкой при правильной организации процесса газообмена может иметь такой же коэффициент наполнения (^yiyls Лу=1-39), как и четырехтактный (ht^Hv =1.33).

3. Использование разработанной методики определения размеров

ГВТ 2-х тактного ДВС позволяет уже на стадии эскизного проектирования оценить эффективный заряд рабочей камеры с погрешностью, не превышающей 10%, что подтверждается как сопоставлением расчетных данных с данными, полученными на существующих двигателях, так и показателями специально спроектированного двигателя.

4. Установлено, что использование обобщенных переменных дает возможность значительно (в несколько раз) сократить процесс проектирования и доводки двигателя, что подтверждается опытом создания двигателя ЭМ-90.

5. Разработана расчетно-экспериментальная методика определения коэффициента наполнения двигателя (с погрешностью не превышающей 3-5%) на основе стендовых испытаний и расчета его параметров в среде программного комплекса "Альбея".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хисматуллин, Камиль Амирович, 1996 год

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука 1976г.

2. Абрамович Г.Н., Крашенников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П. Турбулентное смешение газовых струй. М.: Наука 1974г

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В, Планирование ® эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука1976г.

4. Бекман В.В. Гоночные мотоциклы. Ленинград.: Машиностроение 1983г.

5. Бредшоу П. Введение в турбулентность и её измерение. М.: Мир 1974.

6. Ва(е)денин Г.В. Общая методика методикаэкспериментальных исследований и обработки опытныхданных. -М.: "Колос" 1973г-199с.

7. Волф В.Г. Статистическая обработка опытных данных.- М.: Изд. Колос, 1966г.

8. Глухов К.В. "Использование эффекта взаимодействия волн конечной амплитуды в трубопроводе при проектировании и доводке выпускных систем 2-х тактных ДВС". Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. г.Уфа, УАИ 1991г.

9. Горбачев В.Г., Щербаков С.Б., Рудая Н.В., Загайко С.А. Альбея система автоматизированного моделирования газовоздушных трактов двигателей внутреннего сгорания (руководство пользователя). Уфа.: УГАТУ 1995г.

10. Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости. М.: Наука 1979г.

11. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло-массообмена. М.: Высшая школа. 1974г.

12. Дехович Д.А., Иванов Г.И., Круглов М.Г., Моргулис П.С., Перфилов В.Г. Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение 1973г.

13. Дьяченко Н.Х., Харитонов Б.А., Петров В.М. и др. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания. -Ленинград.: Машиностроение 1979г.

14. Драганов Б.Х., Круглов М.Г., Обухова B.C. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания. Киев.: Вища школа 1987г.

15. Кондрашов В.М., Григорьев Ю.С., Тупов В.В. и др. Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение 1990г.

16. Круглов М.Г., Меднов А.А. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение 1988г.

17. Круглов М.Г. Термодинамика и газодинамика двухтактных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз 1963г.

18. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука 1986г.

19. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.г Наука 1987г.

20. Орлин А.С., Круглов М.Г. Комбинированные двухтактные двигатели. М.: Машиностроение 1968г.

21. Орлин А.С., Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. -М.: Машиностроение 1983г.

22. Попык К. Г. Конструирование и расчет на прочность автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа 1973г.

23. Пудовеев В.И., Гололобов Е.И., Плешаков А.А., и др. Экономичность двигателей мотороллеров и мотоциклов. -Тула.: Приокское книжное издательство 1990г.

24. Райков И .Я. Испытание двигателей внутреннего сгорания. -М.: Высшая школа. 1975 320с.

25. Розанов Ю.А. Случайные процессы. М.: Наука. 1979г - 1873с.

26. Рудой Б.П. Основы теории газообмена ДВС. Уфа.: УАИ 1977г.

27. Рудой Б.П. Прикладная нестационарная гидрогазодинамика. -Уфа.: УАИ 1988г.

28. Рудой Б.П. Березин С.Р. Расчет на ЭВМ показателей газообмена ДВС. Уфа.: УАИ 1979г.

29. Рудой Б.П., Галиев Р.А., Даянов С.Б., Никитин Р.В., Рудая Н.В. Расчет характеристик двигателя внутреннего сгорания. -Уфа.: УАИ 1986г.

30. Румшинский JI.3. Математическая обработка результатов эксперимента.

31. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука 1987г.

32. Седов Л.И. Механика сплошной среды. T.I. М.: Наука 1983г.

33. Седов Л.И. Механика сплошной среды. Т.Н. М.: Наука 1984г.

34. Хальд А. Математическая статистика о технических приложениях. М.: ИЛ. 1986г. 396с.

35. Фишбейн Е.И. Лодочные моторы "Ветерок". Ленинград.: Судостроение 1989г.

36. Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение 1987г.

37. Маргэ П., Лаббэ Ж. и Коллин Дж. Измерение параметров потока в модельной камере сгорания. GEP, vol 36. №11, 1984. -р. 325-341.

38. Силовой агрегат МЗ-1/55 для автомобиля "Запорожец". Отчет Запорожский моторостроительный завод СКО. 1967г.

39. D.L.Rhode . On the Prediction of Swirling Flowfilds Found in Axisymmetric Combustor Geometries. JSME.,1982.,Vol.104.,-p.378-384.

40. Технический отчет по теме № 1-07-84 "Исследование путей создания, разработка и изготовление опытных образцов энергетических установок с применением ДВС". Книга I., Уфимский авиационный институт, 1986г.

41. Проведение научно-исследовательских, проектно-конструктор- ских работ по созданию действующего макетного образца двигателя для велосипеда. Отчет, Уфимский авиационный институт, 1989г.

42. V.K. Duggal, T.W.Kio, T.Mukerjee. Three Dimensional Modeling of In - Cylinder Processes in DI Diesel Engines.- SAE Techn. Pap. Ser., 1984. № 840227. -p. 13-48.

43. J.P.Sharma, G.Singh Multi-Port Transfer System A Major Breakthrough in Two- Stroke Engine Technology. - IE (I) Jornal-ME., Vol 67, 5, 1987. - p. 139-145.

44. Todd D. Fansler and Donald T. French. Swirl, Squish and Turbulence in Stratified Charge Engines: Laser-Velocimetry Measurements and Implications for Combustion.- SAE Techn. Pap. Ser., 1987. № 870371. -p. 1-20.

45. R.Fleck, C.P. Blair, B.B. Rassell, and G.B. Swann. Initial Development of a Two- Stroke Cycle Diesel Engine for Automotive Applications.- SAE Techn. Pap. Ser., 1987. № 87643. -p. 1-11.

46. P.-W. Manz. Improving the torque characteristic of a small four cylinder engine by using reed in the intate manifold. SAE Techn. Pap. Ser., 1989. № 890222. -p. 1-9.

47. G.E. Hundleby. Development of a Poppet-valved Two- Stroke Engine The Flagship Concept.- SAE Techn. Pap. Ser., 1990. № 900802. -p. 1-7.

48. R. Fleck Three Cilinder, Naturally Aspirated, Two- Stroke Automotive Engines - Perfomance Potential Evoluation.- SAE Techn. Pap. Ser., 1990. № 901667. -p. 10-12.

49. Meng Wang and D.R.Kassoy. Dynamic response of an inert gas to slow piston acceleration. J. Acoust. Soc. Am., 87, (4), 1990.

50. S.Kato, H.Nakagasawa, Y.Kawahara, T.Adachi and M.Nakashima. Numerikal Analiysis of the Scavenging Flow in a Two-Stroke-Cycle Gasoline Engine. JSME International Journal, Series II, Vol.34, №3, 1991,-p.385-390.

51. Hucho Wolf- Henric. Cameback des Zweitakters? KFZ - Betz. 1989. t.79. №14 p.32-36.

52. Uniflow, double-opposed piston type two cycle internal combustion engine. № 939774, Япония, Masaaki Noguchi, Yukiyasu Tanaka, Taro Tanaka, Norikatsu Uejima. №4216747, заявл. 5.9.1978. опубл. 12.8.1980.

53. Пат. № 58-38611, Япония, Двухтактный дизель. МКИ F02 В 25/08, F02B 31/00, Ногути Масааки, Танака Юкиясу, Игараси Исао. №53-123728, заявл. 6.10.1978, опубл. 24.08.1983.

54. Заяв. №60-85247, Япония, Впускная система двухцилиндрового ДВС с противоположнодвижущимися поршнями МКИ F02B 35/10, Тани Йосио, Накано КЭЙИТИ. №58-192814, заявл. 14.10.1983, опубл. 14.05.1985.

55. Пат. №4773358, США, ДВС с противоположно движущимися поршнями. НКИ 123/58Р, заявл 04.02.1986. Опубл. 27.09.1988.

56. Uniflow scavended two- stroke engine, заявка №2271386, Великобритания, МКИ F01 L 5/04/ Brotheston Alexander Coutts. № 9221001.2 заявл. 6.10.92. Опуб. 13.4.94 МКИ. F18.

57. Пат. № 2017995 (Россия). Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. МКИ F02 В 33/02 Плющев В.Г. Осауленко В.Н. Волков А.Ю. ТОО АДВИ АЛМАС №5015451/06. заявл 9.12.91. Опубл. 15.08.94. Бюл. 15.

58. Пат. № 2017997 (Россия). Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. МКИ F02 В 33/32 Плющев В.Г. Осауленко В.Н. ЕгерВ.С. ТОО АДВИ АЛМАС №5037816/06. заявл 9.12.91. Опубл. 15.08.94. Бюл. 15.

59. Двухтактные двигатели "Orbital" // Автомобильная промышленность США. 1988г. №5. - с. 6-8.

60. Двухтактный двигатель S-2 компании Toyota // Автомобильная промышленность США. 1990г. №6. - с. 10-11.

61. Разработка двухтактных автомобильных двигателей // Автомобильная промышленность США. 1992г. №12. - с. 10.

62. Двухтактный автомобильный двигатель Chrysler // Автомобильная промышленность США. 1993г. №1. - с. 7-8.

63. Новый двухтактный двигатель Ford // Автомобильная промышленность США. 1994г. №2. - с. 5-7.

64. Sanborn Daniel S., Dedeoglu Nabi. Investigations on Scavenging of Two-Stroke Engines. SAE Techn.Pap.Ser., 1988. № 881264. -lip.

65. Sher E. Modeling the Scavenging in the Two-Stroke Engines an Overview - SAE Techn. Pap. Ser., 1989. № 890414. -21p.

66. Appel Herman. Der Zweitautmotor im Kraftfahrzeug. MTZ: Motortechn. Z, 1990, 51, № 12. -p. 551-552.