Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка технических решений по созданию энергоэффективных форсированных дизелей специального назначения для наземных транспортных машин

Докладчик: Рождественский Юрий Владимирович

Должность: декан факультета, доктор технических наук, профессор

Цель проекта:
Проект направлен на решение научно-технических проблем, возникающих при создании форсированных дизелей в условиях ограничений, диктуемых размещением силовой установки на объекте. Цель проекта: разработка технических решений для производства на основе отечественных комплектующих новых энергоэффективных форсированных дизелей размерности 15/16 и мощностью не менее 35 кВт/л для перспективных наземных транспортных машин. С использованием результатов прикладных научных исследований Индустриальным партнером ООО "ЧТЗ-Уралтрак" будет освоено производство новых дизелей размерности 15/16 и мощностью 35 кВт/л. В ходе проекта на основе имеющихся и разрабатываемых методик комплексного моделирования будут разработаны ключевые технические решения по основным деталям, узлам, системам дизеля: – основным элементам системы воздухоснабжения при высоких значениях массового расхода воздуха и степени повышения давления, в том числе: элементы газовоздушного тракта, агрегатов наддува, охладителей наддувочного воздуха, механизма газораспределения – основным элементам, ограничивающим внутрицилиндровое пространство, в том числе: огневое днище поршня, головка цилиндра; – основным элементам топливоподающей аппаратуры: в том числе распылитель форсунки с высоким давлением впрыска, алгоритм топливоподачи; – основным элементам кривошипно-шатунного механизма и корпуса дизеля, в том числе: поршень с локальным охлаждением, шатун, коленчатый вал, подшипники коленчатого вала дизеля, головка цилиндра, картер дизеля. Прикладные научные исследования направлены на импортозамещение в сфере дизелестроения для наземных транспортных машин.

Основные планируемые результаты проекта:
Результаты ПНИ обеспечат улучшение эксплуатационных характеристик перспективных наземных транспортных машин и направлены на создание для них новых типов тепловых двигателей (размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л).
1 Методы и модели расчета энергоэффективных форсированных дизелей специального назначения размерности 15/16:
- системы наддува, параметров и характеристик агрегатов наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при высоких значениях массового расхода воздуха и степени повышения давления;
- термодинамических параметров и параметров теплообмена в основных процессах рабочего цикла;
- процессов впрыскивания топлива, смесеобразования и сгорания;
- геометрии газовоздушного тракта, фаз газораспределения и конфигурации камеры сгорания, с целью снижения удельного эффективного расхода топлива;
- нагруженности основных деталей форсированного ДВС с высоким максимальным давлением сгорания;
- прочностных характеристик основных элементов двигателя: поршня, шатуна, коленчатого вала, картера для повышения надежности дизеля;
- оптимизации трибологических характеристик подшипников кривошипно-шатунного механизма, турбокомпрессоров, сопряжений цилиндро-поршневой группы; с целью обеспечения преимущественно жидкостного режима трения в трибосопряжениях;
- деталей топливной аппаратуры для повышения надежности топливных форсунок при высоких давлениях впрыска;
2. Ключевые технические решения по основным деталям, узлам, системам дизеля
– основным элементам системы воздухоснабжения при высоких значениях массового расхода воздуха и степени повышения давления, в том числе: элементы газовоздушного тракта, агрегатов наддува, охладителей наддувочного воздуха, механизма газораспределения
– основным элементам, ограничивающим внутрицилиндровое пространство, в том числе: огневое днище поршня, головка цилиндра;
– основным элементам топливоподающей аппаратуры: в том числе распылитель форсунки с высоким давлением впрыска, алгоритм топливоподачи;
– основным элементам кривошипно-шатунного механизма и корпуса дизеля, в том числе: поршень с локальным охлаждением, шатун, коленчатый вал, подшипники коленчатого вала дизеля, головка цилиндра, картер дизеля.

3 Экспериментальный образец энергоэффективного форсированного дизеля специального назначения размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л для перспективных наземных транспортных машин;
4 Безмоторный стенд для исследования процессов топливоподачи и смесеобразования в цилиндре;
5 Программы и методики исследовательских испытаний процессов топливоподачи и смесеобразования в цилиндре на безмоторном стенде, а также испытаний экспериментального образца энергоэффективного форсированного дизеля специального назначения размерности 15/16 на моторном стенде ЮУрГУ (HORIBA-SCHENCK DT-2100-1);
6 Проект технического задания на проведение ОКР: «Создание энергоэффективного форсированного дизеля специального назначения размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л для перспективных наземных транспортных машин».
В результате выполнения ПНИ должны быть достигнуты и подтверждены натурными экспериментальными исследованиями на моторном стенде ЮУрГУ (HORIBA-SCHENCK DT-2100-1) следующие параметры экспериментального образца дизеля:
1 Состав дизеля
1.1 Дизель, четырехтактный, с непосредственным впрыском топлива, с аккумуляторной системой топливоподачи, жидкостного охлаждения, многотопливный, с газотурбинным наддувом, промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.
2 Требования назначения (в объектовых условиях по ГОСТ РВ 51218)
2.1 Максимальная мощность дизеля - не менее 552±11 кВт [750±15 л.с.]
2.2 Удельный расход дизельного топлива:
- на режиме максимальной мощности дизеля - не более 238 г/(кВт•ч) [175 г/(л.с.•ч)];
- минимальный при работе по скоростной характеристике - не более 225 г/(кВт•ч) [165 г/(л.с.•ч)]
2.3 Максимальный крутящий момент - не менее, 3010 Н•м [307 кГс•м]
2.4 Частота вращения коленчатого вала:
- при максимальной мощности - 219,8±1,0 с-1 [2100±10 мин-1]
- при максимальном крутящем моменте - 146,5±1,0 с-1 [1400±10 мин-1]
- минимальная на холостом ходу - не более 94,2 ±3,1 с-1 [900±30 мин-1]
2.5 Максимальный крутящий момент - не менее, 3010 Н•м [307 кГс•м]
2.6 Максимальные температуры:
- охлаждающей жидкости (вода) основного контура - не более 393 К [120 °С];
- моторного термостабильного масла типа М-5З/16Д2 - не более 403 К [130 °С];
- остальных моторных масел, предусмотренных химмотологической картой - не более 393 К [120 °С];
-выпускных газов за турбиной - не более 873 К [600 °С];
2.7 Расход воздуха дизелем на режиме максимальной мощности - 1,00±4% кг/с;
2.8 Теплоотдача от дизеля в охлаждающую жидкость на режиме максимальной мощности - не более 266,33 кВт [229000 ккал/ч].
Создание перспективных форсированных дизелей, опережающих мировой уровень, возможно только при комплексной реализации новых технологий и подходов, как к организации рабочего процесса, так и к разработке высоконагруженных деталей и узлов дизеля и применению новых конструкционных и эксплуатационных материалов, что даст толчок для развития смежных с дизелестроением отраслей.
Существующие методы решения проблемы повышения мощности и энергоэффективности дизелей ориентированы, в первую очередь, на автомобильные, тракторные и промышленные дизели, и не могут быть непосредственно использованы для форсирования дизелей быстроходных наземных транспортных машин в силу особых требований к их параметрам:
- существенно более высокая удельная мощность для заданной размерности;
- минимальные массо-габаритные параметры,
- стесненная компоновка в моторно-трансмиссионном отсеке машины;
- необходимость обеспечения высокой автономности (пробега на одной заправке) без увеличения запаса топлива;
- повышенная надежность;
- необходимость обеспечения минимальных значений теплоотдачи в охлаждающую жидкость;
- тяжелые условия эксплуатации вне дорог в широком диапазоне температур и давлений окружающей среды.
В этой связи необходимо решение комплексной научной проблемы, заключающейся в повышении энергоэффективности форсированных дизелей совершенствованием конструкции узлов и систем с использованием оригинальных методов математического моделирования и многокритериальной оптимизации с экспериментальным подтверждением теоретических результатов.
Необходимо разработать новые подходы к методам форсирования таких дизелей на основе применения отечественных комплектующих и технологий. Должны быть разработаны комплексные технологии, направленные на существенное повышение мощности и энергоэффективности дизелей:
- Технология оптимизации параметров и характеристик топливоподачи аккумуляторной системы впрыска при давлении топлива до 200 МПа и цикловой подаче до 0,4 г с учетом профилирования камеры сгорания для обеспечения оптимального смесеобразования и сгорания в условиях минимального закручивания свежего заряда на впуске, ограниченного компоновкой головки цилиндров.
- Технология профилирования впускных и выпускных каналов в головке цилиндров для обеспечения оптимального газообмена, наполнения цилиндров с учетом и оптимизацией параметров и характеристик агрегатов наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при массовом расходе воздуха до 1 кг/с и высокой степени повышения давления.
- Технология оптимизации параметров процессов впуска, сжатия, впрыскивания топлива, смесеобразования, сгорания, расширения и выпуска в условиях высокого газотурбинного наддува и аккумуляторной топливной системы при среднем эффективном давлении до 2,5 МПа и максимальном давлении сгорания до 25,0 МПа по критериям топливной экономичности и тепломеханической нагруженности основных деталей форсированного дизеля;
- Технология повышения надежности основных элементов дизеля, с учетом их термомеханического нагружения, при условии обеспечения жидкостного режима трения в основных трибосопряжениях при высоких (до 23 – 25 МПа) максимальных давлениях газов в цилиндре форсированного дизеля.
Конкурентноспособность разработок обеспечивается существенно более высокими показателями дизеля по удельной мощности, массо-габаритными показателям, показателям надежности и др. по сравнению с разработками других отечественных КБ
При выполнении работы будут реализованы следующие подходы к решению поставленных задач:
- перед началом работы выполняется обобщение и анализ мирового и отечественного опыта создания форсированных дизелей для военных машин, требований технического задания на разработку форсированного дизеля типа ЧН15/16 с удельной мощностью до 35 кВт/л, стандартов и других нормативно-технических документов, технологических возможностей потенциальных Потребителей, проводятся патентные исследования;
- расчетно-теоретические исследования в предметной области (в том числе, с использованием суперкомпьютеров и лицензионного программного обеспечения ЮУрГУ для газодинамических и прочностных расчетов), разработка рекомендаций по оптимизации конструкции форсированного дизеля типа ЧН15/16 с удельной мощностью до 35 кВт/л;
- разработка конструкторской документации (совместно с Потребителями), изготовление опытных образцов деталей и узлов дизеля (в том числе, с использованием возможностей центров "Машиностроение и металлургия", "Экспериментальная механика" ЮУрГУ);
- разработка эффективных методов экспериментальных исследований с использованием моторного стенда ЮУрГУ (HORIBA-SCHENCK DT-2100-1) и другого оборудования ЮУрГУ, метрологическое обеспечение работ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты работы будут использованы при создании моторно-трансмиссионных установок на базе дизелей типа ЧН15/16 для перспективных наземных транспортных машин.
Рекомендации по методам форсирования будут использованы при модернизации серийных дизелей типа ЧН15/18, создании высокофорсированных дизелей типа ЧН13/15. Теоретические разработки могут быть использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на улучшение мощностных, экономических и ресурсных показателей дизелей различного назначения (промышленных, тракторных, специальных и др.), а также в учебном процессе.
Потребителями продукции являются ОАО НПК "Уралвагонзавод", ООО "ЧТЗ-Уралтрак", ОАО "НИИ двигателей", ОАО «Курганмашзавод».
Конкурентными преимуществами разрабатываемых двигателей будут: существенно более высокая удельная мощность для заданной размерности; минимальные массо-габаритные параметры; уменьшенный расход топлива; повышенная надежность; минимальные значения теплоотдачи; применение отечественных комплектующих.
Производство собственных конструкций дизельных двигателей для Вооруженных Сил, в том числе для обеспечения подвижности различных видов вооружений и военной техники, мобильной энергетики, непосредственно обеспечивает обороноспособность страны, имеет стратегическое значение.

Текущие результаты проекта:
1 Выполнены аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, а также патентные исследования.
2 Выбраны и обоснованы направления исследований, разработана концепция исследований по созданию энергоэффективных форсированных дизелей специального назначения для наземных транспортных машин размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л в рамках выбранных направлений форсирования с учетом высокого турбонаддува и аккумуляторной системы топливоподачи.
3 Обоснованы и разработаны модели, методы и методики компьютерного моделирования, проведено компьютерное моделирование и параметрические исследования, на основе их результатов выбраны и обоснованы наиболее приемлемые варианты технических решений для:
– основных элементов системы воздухоснабжения при высоких значениях массового расхода воздуха и степени повышения давления, в том числе: элементы газовоздушного тракта, агрегатов наддува, охладителей наддувочного воздуха, механизма газораспределения;
– основных элементов, ограничивающих внутрицилиндровое пространство, в том числе: огневого днища поршня, головки цилиндра;
– основных элементов топливоподающей аппаратуры, в том числе алгоритм топливоподачи.
4 Разработана конструкторская документация на безмоторный стенд для исследования процессов впрыска топлива и смесеобразования в камере постоянного объёма
5. Разработана эскизная конструкторская документация:
- на основные элементы системы воздухоснабжения;
- по установке системы электронного управления подачей топлива (ЭУПТ), высоконапорной системы воздухообеспечения (ТКР) и топливной системы высокого давления впрыска аккумуляторного типа для обеспечения работоспособности разработанных технических решений на экспериментальном образце развернутого двигателя.
- элементов оснастки для изготовления и установки узлов и деталей ЭУПТ и ТКР на двигатель.