Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0102

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0102
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет(национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Исследование и разработка технических решений по созданию энергоэффективных форсированных дизелей специального назначения для наземных транспортных машин
Докладчик
Рождественский Юрий Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является разработка технических решений для производства на основе отечественных комплектующих энергоэффективных форсированных дизелей размерности 15/16 и мощностью не менее 35 кВт/л для наземных транспортных машин.
Задачи включают:
1. Адаптацию существующих и разработку новых математических моделей, методов расчета процессов и технических решений для элементов систем форсированного дизеля, включая:
- наддув с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при высоких значениях массового расхода воздуха и степени повышения давления;
- термодинамические параметры и теплообмен в основных процессах рабочего цикла;
- впрыскивание топлива с электронным управлением топливоподачей, фазы газораспределения и конфигурацию камеры сгорания;
- нагруженность и прочностные характеристики основных деталей КШМ в дизеле с высоким максимальным давлением газов в цилиндре: поршня, шатуна, коленчатого вала и картера;
- трибологические характеристики подшипников КШМ и турбокомпрессора, сопряжений ЦПГ;
- нагруженность и прочностные характеристики элементов топливной форсунки при высоких давлениях впрыскивания;
2. Создание образца энергоэффективного форсированного дизеля с использованием отечественных комплектующих и проверкой разработанных технических решений;
3. Разработку проекта технического задания на проведение ОКР: «Создание энергоэффективного форсированного дизеля специального назначения размерности 15/16 с удельной мощностью до 35 кВт/л для перспективных наземных транспортных машин»
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования определена государственной программой РФ «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 г.», программой инновационного развития ОАО «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод», включая ООО «ЧТЗ-Уралтрак», до 2020 г.
Создание форсированных перспективных дизелей, предполагает удовлетворение особых требований:
- высокая удельная мощность для заданной размерности;
- минимальные массогабаритные характеристики,
- повышенная надежность;
- минимальная теплоотдача в охлаждающую жидкость;
- эксплуатация вне дорог в широком диапазоне температур и давлений окружающей среды.
Новизна исследований заключается в разработке комплексных технологий:
- оптимизации характеристик топливоподачи аккумуляторной системы впрыска при давлении топлива до 200 МПа и цикловой подаче до 0,4 г/цикл;
- профилирования камеры сгорания, впускных и выпускных каналов для оптимального газообмена цилиндров;
- оптимизации характеристик агрегатов наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха при массовом расходе воздуха до 1 кг/с и высокой степени повышения давления, при среднем эффективном давлении до 2,5 МПа по критериям топливной экономичности и тепломеханической нагруженности дизеля;
- совершенствования систем охлаждения для снижения теплоотдачи в охлаждающую жидкость;
- повышения надежности дизеля, с учетом высокого термомеханического нагружения, при условии обеспечения жидкостного режима трения в основных трибосопряжениях.
Описание исследования

С помощью компьютерного моделирования проведены исследования:

– геометрии впускных каналов головки цилиндров, основанной на математической модели динамики нереагирующего турбулентного потока газа с высокими числами Маха в трехмерной постановке и минимизации зон с наибольшей диссипацией кинетической энергии турбулентности;

–  фаз газораспределения, основанного на математических моделях массового и энергетического балансов газа в камере сгорания, впускных и выпускных коллекторов, одномерного движения потока в каналах газовоздушного тракта, подмоделях элементов системы газотурбинного наддува и охлаждения наддувочного воздуха;

– характеристик агрегатов наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха с использованием  синтеза рабочего цикла дизеля;

–  основных процессов рабочего цикла (топливоподачи, смесеобразования, сгорания) и параметров теплообмена, основанного на математических моделях развития топливной струи, смесеобразования, химической кинетики горения топлив и нереагирующего турбулентного течения газа в камере сгорания, при  расчете рабочего цикла дизеля с определением температурных полей деталей камеры сгорания методом конечных элементов;

– конфигурации камеры сгорания, основанной на математической модели газовой динамики реагирующего турбулентного двухфазного потока в трехмерной постановке с последовательным перебором основных параметров геометрии камеры сгорания в поршне с одновременным выбором рациональных характеристик наддува, конструктивных параметров распылителя форсунки и закона топливоподачи;

– динамики и смазки сложнонагруженных трибосопряжений с поступательным и вращательным движением шипа, позволяющие получить решения краевой задачи о гидродинамическом давлении использованием многосеточных алгоритмов для подшипников со сложной геометрией смазочного слоя, учесть наличие источников смазки на поверхности трения, макро- и микроотклонения элементов трибосопряжений от правильной геометрической формы, неньютоновское поведение современных смазочных материалов, с решением многокритериальных задач оптимизации конструктивных параметров трибосопряжений на основе ЛПt– последовательностей в сочетании с поиском оптимального решения на выделенном множестве Парето;

–  коренных подшипников коленчатого вала, что  позволило учитывать взаимное влияние коренных подшипников, допусков на несоосности подшипников и шеек коленчатого вала, упругих свойств картера дизеля и коленчатого вала на характеристики подшипников.

– термомеханической нагруженности и оценки напряженно-деформированного состояние головки цилиндра и блок-картера дизеля на основе моделирования процессов теплообмена в твердотельной, газовой и жидкостной средах рассматриваемых систем.

     Проведены натурные экспериментальные исследования на безмоторном стенде для оценки технических решений по определению конструктивных и регулировочных параметров элементов топливоподающей аппаратуры на основании анализа процессов впрыска топлива и смесеобразования в камере постоянного объёма. Определены  параметры системы управления топливоподачей при высоких давлениях в аккумулирующей системе.

     Проведены экспериментальные работы по исследованию на машине трения  трибологических параметров сопряжений цилиндропоршневой группы дизеля.

      Сопоставлены возможные технические решения, выбраны и обоснованы их наиболее приемлемые варианты:

1. 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;

2. Для основных элементов, ограничивающих внутрицилиндровое пространство: огневого днища поршня и головки цилиндра:

– обосновано применение впускного канала падающего типа в головке цилиндров;

– предложена форма камеры сгорания, обеспечивающая снижение удельного расхода топлива на 4 % на номинальном режиме;

3. Для основных элементов топливоподающей аппаратуры:

– угол опережения подачи топлива – 14 град ПКВ до ВМТ,

– продолжительность впрыскивания – 33 град ПКВ,

– максимальное давление впрыскивания топлива – 158…165 МПа.

Проведены экспериментальные исследования на моторном стенде ЮУрГУ (HORIBA-SCHENCK DT-2100-1) для оценки разработанных технических решений форсированного дизеля.

Результаты исследования

В результате проведенного исследования при создании энергоэффективного форсированного дизеля разработаны методики математического моделирования, выполнено компьютерное моделирование и параметрические исследования для реализации перспективных параметров основных процессов, составляющих рабочий цикл, и использования современных технических решений в конструкции дизеля, в частности:

– определены параметры процессов впуска, сжатия, впрыскивания топлива, смесеобразования, сгорания-расширения и выпуска в условиях высокого газотурбинного наддува для оптимизации рабочего цикла высокофорсированного дизеля по критериям энергоэффективности и топливной экономичности. Реализован высокий газотурбинный наддув с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха в охладителях повышенной эффективности;

– обоснована конструкция индивидуальной головки цилиндров с пониженной тепловой нагруженностью для энергоэффективного форсированного дизеля;

– разработана компромиссная геометрия основных элементов, ограничивающих внутрицилиндровое пространство, в частности неразделенной камеры сгорания для повышении качества образования смеси заданного состава;

– оптимизирована конфигурация неразделенной камеры сгорания с аккумулирующей системой впрыскивания топлива для ограничения теплообмена между рабочими газами и поверхностями внутрицилиндрового пространства при форсировании дизеля высоким газотурбинным наддувом

– оптимизированы параметры и характеристики топливоподачи при реализации аккумулирующей системы впрыскивания с повышенным давлением топлива. Разработаны новые конструкции прецизионных сопряжений и распылителей топливных форсунок;

– натурными экспериментальными исследованиями на безмоторном стенде со скоростной видеосъёмкой процессов впрыска топлива и смесеобразования в камере постоянного объема определены параметры системы управления впрыском, исследованы технические решения по определению конструктивных и регулировочных параметров элементов топливоподающей аппаратуры;

– разработана система охлаждения повышенной эффективности с распределением потоков жидкости и элементами терморегулирования для корпусных деталей дизеля;

– использовано локальное охлаждение элементов составных биметаллических поршней цилиндро-поршневой группы;

– разработаны подшипники коленчатого вала с повышенной несущей способностью при высоких максимальных давлениях газа в цилиндре;

– сформулированы требования к физико-химическим свойствам смазочных жидкостей.

Изготовлен безмоторный стенда для исследования процессов впрыска топлива и смесеобразования в камере постоянного объёма.

         Изготовлен экспериментальный образец дизеля размерностью 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л, включающий разработанные технические решения.

Разработан 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».

Сопоставление результатов исследования с результатами аналогичных работ, определяющих мировой уровень, свидетельствует:

– исчерпывающе полный аналог проектируемого дизеля отсутствует;

– достижение заданной мощности у зарубежных аналогов обеспечивается при существенно больших габаритах дизеля;

– топливная экономичность разрабатываемого дизеля находится на уровне аналогичного показателя мировых образцов.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость исследования состоит в реализации комплексного подхода к проектированию энергоэффективного форсированного дизеля на основе дифференцированного анализа особенностей функционирования основных его механизмов и систем. Использованные известные современные и новые технические решения в конструкции дизеля могут быть рекомендованы для практики конструирования форсированных дизелей с учетом имеющихся и разработанных технологий их практической реализации.
Применительно к энергоэффективному форсированному дизелю высокой удельной мощности обоснованы новые и адаптированы известные методики:
– синтеза и анализа рабочего цикла и процессов его составляющих,
– определения параметров наддувочного воздуха и структуры агрегатов наддува,
– определения граничных условий теплообмена и силового взаимодействия в элементах кривошипно-шатунного механизма и цилиндро-поршневой группы,
– оценки теплового и напряженно-деформированного состояния элементов конструкции дизеля,
– выбора параметров и характеристик впрыскивания топлива,
– оценки несущей способности основных трибосопряжений дизеля,
– обоснования физико-химических свойств смазочных жидкостей.
Методика определения требуемых для достижения заданной мощности и топливной экономичности дизеля: давления, продолжительности и характеристики впрыскивания топлива при использовании аккумулирующей системы топливоподачи, разработанная для безмоторного стенда, а также разработанная оригинальная конструкция стенда могут быть широко использованы для исследования различных топливных систем.
Разработаны технические требования и предложения по созданию, производству и эксплуатации дизелей специального назначения размерности 15/16 с удельной мощностью не менее 35 кВт/л для наземных транспортных машин с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера ООО «ЧТЗ-УРАЛТРАК».
Перспективы использования результатов исследования заключаются в расширенном использовании апробированного комплексного подхода при проектировании и создании энергоэффективных форсированных дизелей различного назначения.
Презентация

Presentation_template_TS__OK.ppt