Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.577.21.0102

Руководитель: Рождественский Юрий Владимирович

Должность: декан факультета

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет"(национальный исследовательский университет)

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
дизель, форсирование, рабочий процесс, теплоотдача, надежность, расчет, оптимизация, пусковые качества, испытания

Цель проекта:
Создание форсированных перспективных 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 военных гусеничных 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 процессов рабочего цикла с экспериментальным подтверждением теоретических результатов. Необходимо разработать новые подходы к методам форсирования таких дизелей на основе применения отечественных комплектующих и технологий. Цель проекта: Исследование и 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.

Основные планируемые результаты проекта:
1 Модели и методики для реализации технических решений:
I) по основным элементам системы воздухоснабжения при высоких значениях массового расхода воздуха и степени повышения давления:
- структурная модель системы воздухоснабжения;
- методика синтеза геометрии впускных каналов головки цилиндров;
- методика расчета фаз газораспределения;
- методика расчетного обоснования параметров и характеристик агрегатов наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха;
II) по основным элементам, ограничивающим внутрицилиндровое пространство:
- математическая модель термодинамических процессов и процессов теплообмена в рабочем цикле форсированных дизелей;
- методика связанного расчета основных процессов рабочего цикла (топливоподачи, смесеобразования, сгорания) и параметров теплообмена;
- методика определения конфигурации камеры сгорания в поршне;
III) по основным элементам топливоподающей аппаратуры с высоким давлением впрыска:
- методика определения основных параметров закона топливоподачи;
- методика определения основных конструктивных параметров распылителя форсунки;
- методика расчета тепловой и механической нагруженности распылителей форсунок;
IV) по основным элементам цилиндропоршневой группы, кривошипно-шатунного механизма и корпуса дизеля с высоким максимальным давлением сгорания:
- методики расчета тепловой и механической нагруженности основных деталей форсированного дизеля (поршня, шатуна, коленчатого вала, картера);
- математическая модель динамики гидродинамических трибосопряжений с поступательным и вращательным движением шипа с неньютоновской жидкостью;
- алгоритмы расчета динамики гидродинамических трибосопряжений с поступательным и вращательным движением шипа с неньютоновской жидкостью;
- методика расчета неавтономных подшипников скольжения дизеля;
- методика расчета и оптимизации автономных подшипников скольжения дизеля;
2 результаты компьютерного моделирования процессов, происходящих в:
- основных элементах системы воздухоснабжения;
- основных элементах, ограничивающих внутрицилиндровое пространство;
- основных элементахтопливоподающей аппаратуры;
- основных элементахкривошипно-шатунного механизма и корпуса дизеля.
3 Наиболее приемлемые варианты технических решений:
- основных элементов системы воздухоснабжения;
- основных элементов, ограничивающих внутрицилиндровое пространство;
- основных элементов топливоподающей аппаратуры;
- основных элементов кривошипно-шатунного механизма и корпуса дизеля.
4 Программы и методики экспериментальных исследований:
- на безмоторном стенде для исследования технических решений по топливоподающей аппаратуре;
- по проверке трибологических параметров сопряжений цилиндропоршневой группы экспериментального образца энергоэффективного форсированного дизеля специального назначения;
5 Эскизная конструкторская документация на системы и узлы экспериментального образца энергоэффективного форсированного дизеля размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л;
6 Экспериментальный образец энергоэффективного форсированного дизеля специального назначения размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л;
7 Безмоторный стенд для исследования процессов впрыска топлива и смесеобразования в камере постоянного объёма;
8 Результаты испытаний экспериментального образца дизеля на моторном стенде ЮУрГУ (HORIBA-SCHENCK DT-2100-1) ;
9 Программы:
- моделирования динамики трибосопряжений форсированного двигателя;
- расчета рабочего цикла дизеля с законом сгорания сложного типа;
10 Проект технического задания на проведение ОКР: «Создание энергоэффективного форсированного дизеля специального назначения размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л для наземных транспортных машин».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате выполнения ПНИ должны быть достигнуты следующие параметры экспериментального образца дизеля:
Состав дизеля: дизель, четырехтактный, с непосредственным впрыском топлива, с аккумуляторной системой топливоподачи, жидкостного охлаждения, многотопливный, с газотурбинным наддувом, промежуточным охлаждением наддувочного воздуха.
Требования назначения
Максимальная мощность дизеля в объектовых условиях в соответствии с ГОСТ РВ 51218 не менее 552±11 кВт [750±15 л.с.].
Удельный расход дизельного топлива:
на режиме максимальной мощности дизеля в объектовых условиях не более 238 г/кВт∙ч [175 г/л.с.ч].
Минимальный расход при работе по внешней характеристике в объектовых условиях не более 225 г/кВт∙ч [165 г/л.с.ч].
Максимальный крутящий момент в объектовых условиях, не менее 3010 Н∙м [307 кгс∙м].
Частота вращения коленчатого вала:
- при максимальной мощности 219,8±1,0 с-1 [2100±10 об/мин];
- при максимальном крутящем моменте 146,5±1,0 с-1 [1400±10 об/мин ];
минимальная на холостом ходу не более 94,2 ±3,1 с-1 [900±30 об/мин].
Максимальный крутящий момент в объектовых условиях не менее 3010 Н ∙ м [307 кгс∙м].
Максимальные температуры:
- охлаждающей жидкости (вода) основного контура, не более 398 К [125 ºС];
- моторного термостабильного масла типа М-5З/16Д2, не более 403 К [130 ºС];
- остальных моторных масел, предусмотренных химмотологической картой, не более 393 К [120 ºС];
выпускных газов: за турбиной ТК, не более 873 К [600 ºС].
Расход воздуха дизелем в объектовых условиях на режиме максимальной мощности 1,00±4% кг/с.
Теплоотдача от дизеля в охлаждающую жидкость на режиме максимальной мощности не более 266,33 кВт [229000 ккал/ч].
Указанные параметры дизеля достигаются за счет создания и комплексного использования современных технологий, направленных на существенное повышение мощности и энергоэффективности дизелей.
Новые научные, технические и технологические решения включают: методологические подходы к синтезу рабочего цикла в части математического описания особенностей выгорания топлива в процессе сгорания; разработку вариантов одно - и двух ступенчатых схем высокого газотурбинного наддува в комбинации с глубоким охлаждением наддувочного воздуха в двух вариантах структуры матриц (трубчато - и пластинчато-ребристых) охладителей; оптимизацию фаз газораспределения и конфигурации камеры сгорания при применении объединенного впускного канала падающего типа головки цилиндров в разработанной системе воздухоснабжения с высоким наддувом; замену традиционной топливоподающей аппаратуры непосредственного действия с механическим приводом на импортозамещающую аккумулирующую систему впрыскивания ACRS (Аltai Common Rail System) с электромагнитным управлением топливной форсункой.
Новизна предлагаемых методик состоит в:
• методологических подходах к повышению надежности основных элементов дизеля с учетом их термомеханического нагружения и обеспечения жидкостного режима трения в основных трибосопряжениях при высоких максимальных давлениях газов в цилиндре форсированного дизеля;
• одновременном учете наиболее значимых для работоспособности тяжелонагруженных трибосопряжений факторов, таких как: динамический характер действующих нагрузок, неньютоновские свойства современных смазочных материалов, макро- и микрогеомерия поверхностей трения, тепловые процессы, происходящие в системе «шип – смазочный слой – подшипник», использовании этих методик для расчета трибосопряжений с поступательным и вращательным движением шипа, их систем (неавтономных подшипников), а также оптимизации их гидромеханических характеристик, определяющих механические потери на трение и надежность конструкции;
• использовании современных методов расчета деталей топливной аппаратуры с учетом гидродинамического и микромеханического взаимодействия в прецизионных сопряжениях для повышения надежности топливных форсунок при высоких давлениях впрыска;
• разработке комплексной модели для оценки термомеханической нагруженности головки цилиндра, объединяющей головку цилиндра, секцию блок-картера, элементы КШМ, соответствующие части впускного и выпускного коллекторов, что позволяет оценивать напряженно-деформированное состояние (НДС) головки на основе моделирования процессов теплообмена в твердотельной, газовой и жидкостной средах рассматриваемой системы, оценивать влияние системы охлаждения на НДС головки цилиндра;
• комплексном подходе к анализу термомеханической нагруженности картера дизеля, основанном на расчетной оценке граничных условий теплообмена решением связной задачи движения газовых потоков и потоков охлаждающей жидкости с последующим определением трехмерных температурных полей головки, цилиндра, картера дизеля, и импортирование этих результатов для анализа деформированного состояния.
Предложенные в проекте методики соответствуют современным мировым стандартам, а в некоторых вопросах - превосходят их.
Уровень выполненных исследований и разработанных методик подтверждается их востребованностью в мировом научном сообществе: результаты представлены в 5 статьях в журналах, входящих в систему цитирования Scopus, и в шести докладах на двух зарубежных научных форумах.
Основные риски при выполнении проекта связаны с финансовым положением Индустриального партнера.

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 (тема "Прорыв"), создании высокофорсированных дизелей типа ЧН13/15 (темы "Армата ОД" и "Дизель Б").
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 ООО «ЧТЗ-Уралтрак», ОАО «Курганмашзавод», ОАО НПК «Уралвагонзавод».
С использованием результатов прикладных научных исследований Индустриальным партнером ООО "ЧТЗ-Уралтрак" будет освоено производство новых дизелей размерности 15/16 и мощностью 35 кВт/л. Выпуск дизелей на 2017-2020 годы планируется в объеме государственного заказа.
Конкурентными преимуществами разрабатываемых дизелей будут: существенно более высокая удельная мощность для заданной размерности; минимальные массо-габаритные параметры; уменьшенный расход топлива; повышенная надежность; минимальные значения теплоотдачи; применение отечественных комплектующих.
Результаты прикладных научных исследований могут служить основой развития конструкций и технологий серийных двигателей для перспективных наземных транспортных машин по теме «Курганец», а также для других направлений разработки двигателей в Российской Федерации. Прикладные научные исследования направлены на импортозамещение в сфере дизелестроения.
Полученные результаты окажут стимулирующее влияние на развитие научно-технических и технологических направлений в области энергетического машиностроения, включая дизелестроение, в направлении повышения технического уровня и конкурентоспособности создаваемых конструкций форсированных дизелей. Они будут способствовать расширению материально-технической и информационной инфраструктуры предприятий соответствующих отраслей промышленности.

Текущие результаты проекта:
К окончанию третьего этапа проекта разработаны модели и методики для реализации технических решений:
I) по основным элементам системы воздухоснабжения при высоких значениях массового расхода воздуха и степени повышения давления:
- структурная модель системы воздухоснабжения;
- методика синтеза геометрии впускных каналов головки цилиндров;
- методика расчета фаз газораспределения;
- методика расчетного обоснования параметров и характеристик агрегатов наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха;
II) по основным элементам, ограничивающим внутрицилиндровое пространство:
- математическая модель термодинамических процессов и процессов теплообмена в рабочем цикле форсированных дизелей;
- методика связанного расчета основных процессов рабочего цикла (топливоподачи, смесеобразования, сгорания) и параметров теплообмена;
- методика определения конфигурации камеры сгорания в поршне;
III) по основным элементам топливоподающей аппаратуры с высоким давлением впрыска:
- методика определения основных параметров закона топливоподачи;
- методика определения основных конструктивных параметров распылителя форсунки;
- методика расчета тепловой и механической нагруженности распылителей форсунок;
IV) по основным элементам цилиндропоршневой группы, кривошипно-шатунного механизма и корпуса дизеля с высоким максимальным давлением сгорания:
- методики расчета тепловой и механической нагруженности основных деталей форсированного дизеля (поршня, шатуна, коленчатого вала, картера);
- математическая модель динамики гидродинамических трибосопряжений с поступательным и вращательным движением шипа с неньютоновской жидкостью;
- алгоритмы расчета динамики гидродинамических трибосопряжений с поступательным и вращательным движением шипа с неньютоновской жидкостью;
- методика расчета неавтономных подшипников скольжения дизеля;
- методика расчета и оптимизации автономных подшипников скольжения дизеля.
Разработаны программы:
- моделирования динамики трибосопряжений форсированного двигателя;
- расчета рабочего цикла дизеля с законом сгорания сложного типа.
Выполнено компьютерное моделирования и на основе анализа его результатов предложены наиболее приемлемые варианты технических решений для:
- основных элементов системы воздухоснабжения;
- основных элементов, ограничивающих внутрицилиндровое пространство;
- основных элементов топливоподающей аппаратуры;
- основных элементов кривошипно-шатунного механизма и корпуса дизеля.
Разработана эскизная конструкторская документация на системы и узлы экспериментального образца энергоэффективного форсированного дизеля размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л.
Изготовлены основные элементы двигателя, реализующие предложенные технические решения.
Создан безмоторный стенд для исследования процессов впрыска топлива и смесеобразования в камере постоянного объёма.
Создано устройство для имитации возвратно-поступательного движения сопрягаемых образцов на машине трения для экспериментальной проверки трибологических параметров сопряжений цилиндропоршневой группы.
Разработаны программы и методики экспериментальных исследований:
- на безмоторном стенде для исследования технических решений по топливоподающей аппаратуре;
- по проверке трибологических параметров сопряжений цилиндропоршневой группы экспериментального образца энергоэффективного форсированного дизеля специального назначения.
Результаты исследований опубликованы в шести статьях (из них в 2015 году - пять) в изданиях, входящих в систему цитирования Scopus, представлены на двух зарубежных научных форумах в шести докладах (все в 2015 г.). Отдельные результаты проекта защищены в 2015 г. в диссертации на соискание степени кандидата технических наук. По результатам проекта в 2015 г. получено Свидетельство о регистрации программ для ЭВМ.