Расчетно-теоретические методы оценки эффективности систем воздушного охлаждения дизелей (31.05.2010)

Автор: Саибов Абдуназар Алиевич

- обобщенный метод анализа теплопередачи от рабочего тела в стенки деталей, образующих камеру сгорания, учитывающий влияние их теплофизических свойств и толщины на осредненный коэффициент теплоотдачи, позволяющий обходиться без традиционного теплообменного эксперимента;

- формализованная схема анализа параметров движения воздуха на трассе от вентилятора до входа в межреберные каналы цилиндров и их головок, с выделением, с учетом турбулентности, факторов, влияющие на динамику движения воздуха и теплообмен,;

- математическое описание движения потока в межреберных каналах головки цилиндров и теплообмен с охлаждающей средой, схематизация течения идеального газа в призматическом канале, образованном симметрично расположенными ребрами соседствующих головок;

- математическая модель движения потока в межреберных каналах цилиндров и теплообмен с охлаждающей средой, которое допустимо рассматривать как движение идеального газа в призматических каналах в полярной системе координат лишь в случае, когда параметры ребер по всему периметру окружности неизменны, и каждый из них снабжено дефлектором; во всех других случаях схематизация потока должна производиться применительно к отдельным (характерным) участкам тракта, но с учетом приоритета сопротивления в минимальном проходном сечении;

- осевой вентилятор с заданным продольным профилем в форме соплового аппарата, состоящего из конфузора в направляющем аппарате, переходящего в диффузор в нагнетательном участке. Цель - устранение обратных токов и вредного влияния втулочного характера движения потока воздуха в подкожухном пространстве;

- система воздушно-масляного охлаждения, обеспечивающая нормальное функционирование дизелей 4Ч10.5/12.0 форсированных по среднему эффективному давлению до 1.6 МПа.

Реализация работы. Основные теоретические положения и методология оценки эффективности теплопередачи и разработанные в ходе исследований элементы конструктивных решений системы воздушного охлаждения дизелей

переданы в ГСКБ по дизелям малого литража ОАО «Владимирский моторо - тракторный завод» (ВМТЗ) для производственного использования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на международных научно - технических конференциях Владимирского государственного университета и Санкт-Петербургского аграрного университета в 1989г., 1992г., 1993г., 1997г., 2008-2009 г.г., а также на ежегодных научных конференциях ТАУ 1978 – 2009г.г.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 27 научных статьях и 1 монографии, общим объемом более 20 п. л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений, изложенных на 392 стр. машинописного текста. Оно включает в себя: - 326 учетных стр. текста; - 187 рисунков; - 6 таблиц; - 224 наименования использованных литературных источников, в том числе - 45 на английском, немецком и др. языках; - 8 приложений (47 таблиц и 29 рисунков).

В главе I “Состояние проблемы и постановка задач исследования” на основе исторического анализа развития мирового моторостроения показано, что ДВО прошли довольно сложный путь становления, прежде чем они смогли составить достойную конкуренцию двигателям с жидкостным охлаждением (ДЖО).

Анализ опыта работы крупнейших фирм (Kloeckner-Humboldt Deutz AG, Xaver Fendt & Co, Eicher и др.), позволяет утверждать, что ДВО достойно занимают свою нишу в общем объеме энергетических установок, применяемых в самых различных отраслях производства и оснований для отнесения их в разряд бесперспективных или малоэффективных нет. Вскрытые преимущества ДВО ведущих западноевропейских фирм и недостатки дизелей ОАО ВМТЗ, позволяющие с определенной долей оптимизма полагаться на сохранение достигнутого рейтинга при условии систематического повышения их технического уровня посредством повышения термического КПД цикла, включающего в себя:

- совершенствование рабочего процесса сокращением продолжительности впрыскивания топлива и индукционного периода использованием системы Common Rail или двухстадийного впрыскивания топлива в теплоизолированную предкамеру сгорания типа Sectional View of Two-Stage Combustion Type Cylinder Unit;

- улучшение условий газообмена применением системы High Compression Swirl;

- снижение неэффективных потерь теплоты, с помощью наддува, тепловой изоляции элементов камеры сгорания, введением дополнительно цикла Ренкина;

- устранение недостатков существующей системы охлаждения и реализация нетрадиционных технических решений.

Несмотря на многочисленность и разноплановость работ, посвященных теории и практике совершенствования методов исследования, повышения объективности и корректности оценок, а также совершенствованию конструкции систем воздушного охлаждения дизелей, имеет место серьезная проблема, заключающаяся в количественном и качественном анализе эффектов влияния характеристик теплопередающей стенки на значения экспериментальных коэффициентов теплоотдачи на различных участках теплообмена, сдерживающая повышение среднего эффективного давления до уровня 1.6 МПа.

Исследования системы воздушного охлаждения, в подавляющем большинстве, носят экспериментальный характер, а результаты, как правило, - являются решением частных задач, не предусматривающих кардинального изменения конструкции или принципов ее проектирования.

Анализ современных методов и критериев оценки технического уровня систем воздушного охлаждения показывает, что к их числу следует относить:

- удельную производительность вентилятора, которая в расчете на одну

цилиндровую секцию должна составлять 425...600 м3/ч;

- удельную тепловую нагрузку на вентилятор – 14.3…16.7 (Вт(ч)/м3;

- удельную площадь поверхности охлаждения – 0.049...0.087 м2/кВт;

- величину напора в тракте - 100...200 Па;

- величину затрат мощности на привод вентилятора - (0.03...0.07)Ne.

МПа показывает, что технический уровень системы охлаждения удовлетворителен даже в условиях резко-континентального климата.

В становление теории теплопередачи от рабочего тела в камеру сжатия большой вклад внесли Белинкий Л.М., Брилинг Н.Р., Вошни Г., Костров А.В., Нуссельт В., Огури Т., Пфлаум В., Шиткей Г., Эйхельберг Г. и другие ученые. Обострение научного интереса к данной проблеме в последние десятилетия объясняется попытками адиабатизации термодинамического цикла применением теплоизоляционных покрытий и составных конструкций поршней и цилиндров.

Особое место в ряду исследований систем воздушного охлаждения двигателей занимают монографии Поспелова Д.Р., отличающиеся фундаментальностью теоретических подходов, наличием методик расчета и проектирования отдельных элементов и системы в целом. Вместе с тем, ряд теоретических положений устарел или в методологическом плане ошибочен; это стало сдерживающим фактором при проектировании форсированных ДВО или двигателей с повышенными тепловыми потоками в рабочем цикле.

К недостаткам существующей теории, на наш взгляд, относятся:

, в то время как в действительности это периодический процесс, требующий учета пульсационной составляющей;

- отсутствие критериев стационарности процесса теплопередачи, без которых невозможно вести расчеты или прогнозировать стабилизацию температурного режима на заданном уровне;

- схематизация движения в виде обтекания гладкого цилиндра безграничным потоком охлаждающего воздуха, т. е. игнорирование наличия кожуха вентилятора, дефлекторов и множества деталей, влияющих на формирование характера и режима течения газа перед цилиндрами;

- использование теории продольного обтекания безграничным потоком газа плоской пластины неприемлемо для формализации реальных процессов теплообмена между ребром и охлаждающей средой;

- не дается оценка влияния температурного пограничного слоя и изменения температуры и теплофизических свойств воздуха по мере движения и теплообмена внутри межреберных каналов;

- в существующей теории не учитывается влияние условий реальной эксплуатации на тепловое состояние дизеля, в том числе действительного состояния атмосферы и вероятности загрязнения системы охлаждения пылью и посторонними предметами, что не позволяет прогнозировать периодичность и трудоемкость ТО;

- метод конечных элементов, используемый для исследования теплонапряженного состояния деталей двигателя, хотя и весьма полезен, но не является методом оценки технического уровня систем охлаждения.

На основании выполненного обзора состояния вопроса по повышению эффективности системы воздушного охлаждения и выводов по данной главе сформулированы следующие ЗАДАЧИ исследования:

- усовершенствовать метод расчета теплопередачи от рабочего тела в стенки камеры сгорания;

- разработать метод анализа влияния кинематики и динамики движения воздушного потока на теплообмен в каналах цилиндров и их головок;


загрузка...