- при наличии ОНВ появляется принципиальная возможность организовать на режимах частичных нагрузок и холостого хода подогрев воздуха, поступающего в цилиндр, что является предпосылкой для дальнейшего улучшения показателей дизеля на этих режимах;
- изменение температурного уровня рабочего тела в цилиндре и характеристик сгорания топлива неизбежно приведет к изменению тепловых потоков в стенки цилиндров. Это, в свою очередь, приведет к изменению составляющих теплового баланса двигателя, изменениям в условиях работы его системы охлаждения, а также тепловой напряженности основных деталей ЦПГ.
Таким образом, простая установка охладителя наддувочного воздуха на двигатель, доведенный без ОНВ, приведет к тому, что параметры системы воздухоснабжения будут несовершенными, т.е. потенциальные возможности улучшения технико-экономических показателей дизеля будут реализованы не полностью.
Для полной реализации возможностей улучшения показателей дизеля путем применения ОНВ необходимо выполнить согласование параметров всех агрегатов и элементов газовоздушного тракта с параметрами поршневой части двигателя.
В настоящее время накоплен достаточно большой опыт применения промежуточного охлаждения наддувочного воздуха на четырехтактных двигателях со свободным турбокомпрессором [68, 74, 80, 101, 102, 135, 136, 144, 145, 163, 170].
Имеется некоторый опыт применения промежуточного охлаждения на среднеоборотных двухтактных двигателях типа Д100 (ДН 20,7/2х25,4), имеющих двухступенчатую систему наддува, а также на судовых малооборотных двухтактных двигателях с прямоточно-клапанной продувкой [21, 24, 26, 29, 44-46, 52, 55, 74-76].
Из зарубежных аналогов наиболее близок к дизелю 6ДН по размерности и схеме газообмена двухтактный дизель L-60МК8 (6ДН11,75/2х14,6) английской фирмы Leyland. Однако этот дизель имеет низкое давление наддува (0,142 МПа), исключающее необходимость применения охлаждения наддувочного воздуха. Агрегатом наддува является воздуходувка Рутса, приводимая от коленчатого вала. Турбины, утилизирующей энергию выпускных газов, этот дизель не имеет [65].
Актуальность темы.
Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что для быстроходного двухтактного двигателя малой размерности с прямоточно-щелевой продувкой, приводными компрессором и турбиной, работы по применению охлаждения наддувочного воздуха с целью улучшения технико-экономических и токсических характеристик ранее не выполнялись и какие-либо рекомендации по выбору параметров системы газообмена в литературе отсутствуют. Это положение отчасти объясняется тем, что КП ХКБД и ГП "Завод имени В.А. Малышева" являются единственными разработчиками и производителями двигателей такого типа в странах СНГ.
Некоторые резервы улучшения технико-экономических показателей двигателя 6ДН связаны с совершенствованием конструкции впускных окон. От геометрии впускных окон зависят основные показатели газообмена, такие как коэффициент наполнения, коэффициент остаточных газов, а также интенсивность движения свежего заряда в цилиндре в периоды сжатия и последующего впрыскивания топлива [12, 21, 24-26, 92-94, 107, 129]. Работы, проведенные в КП ХКБД при непосредственном участии автора, показали, что за счет внедрения новой конструкции и технологии изготовления впускных окон их пропускная способность может быть повышена примерно на 10 % [2]. В сочетании с наиболее совершенными геометрическими характеристиками окон увеличение пропускной способности должно позитивно сказаться на эффективных показателях дизеля.
Исходя из изложенного, актуальность диссертационной работы составляет разработка и внедрение научно обоснованных рекомендаций относительно выбора оптимальных параметров рабочего процесса тепловозного дизеля 6ДН в случае внедрения ОНВ и усовершенствования газовоздушного тракта с целью улучшения его технико-экономических и токсических характеристик.
Связь работы с научными програмами, планами, темами.
Работа выполнена в соответствии с Государственной программой развития производства двигателей внутреннего сгорания, утвержденной Постановлением Кабинета Министров Украины №95 от 16.06.1992 г. (раздел 1.12 "Конверсионные двигатели на основе специальных дизелей типа ТД"), Постановление Кабинета Министров Украины №364 от 04.06.1994 г. "Об организации изготовления вагонов дизель- и электропоездов". Номер государственной регистрации ОКР 0195 UO 14401.
Цель и задачи исследования.
Целью исследования является решение научно-технической задачи улучшения технико-экономических и токсических характеристик быстроходного двухтактного тепловозного дизеля 6ДН с прямоточно-щелевой продувкой при уменьшении тепловой напряженности деталей цилиндро-поршневой группы.
Объект исследования - двухтактный быстроходный тепловозный дизель 6ДН с газотурбинным наддувом, охладителем наддувочного воздуха и усовершенствованной системой воздухоснабжения.
Предмет исследования - технико-экономические и токсические характеристики тепловозного дизеля 6ДН.
Методы исследования базируются на:
- анализе работ, посвященных изучению влияния охлаждения наддувочного воздуха на рабочий цикл дизелей, в том числе двухтактных;
- использовании методов математического моделирования параметров рабочего цикла и характеристик двухтактного дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, позволяющих выполнить расчетную оптимизацию конструктивных параметров системы воздухоснабжения;
- экспериментальном определении характеристик отдельных агрегатов и процессов, необходимых для идентификации математических моделей;
- экспериментальной проверке на одноцилиндровом отсеке и развернутом двигателе 6ДН обоснованности и достоверности выводов и рекомендаций, сделанных на основе теоретического анализа.
Для достижения поставленной цели в работе решены такие основные задачи:
1. Усовершенствование математических моделей и программ, которые позволяют расчетным путем выбирать рациональные параметры системы воздухоснабжения тепловозного дизеля 6ДН.
2. Повышение качества процессов газообмена модернизацией формы выпускных окон цилиндров, что позволяет улучшить эффективные показатели дизелей.
3. Разработка конструкции, определение тепловых и гидравлических характеристик ОНВ для дизеля 6ДН.
4. Разработка рекомендаций по выбору рациональных параметров системы воздухоснабжения дизеля 6ДН с ОНВ и усовершенствованной конфигурацией впускных окон цилиндров.
5. Оценка влияния предложенных решений на технико-экономические показатели и токсичность отработанных газов.
Научная новизна полученных результатов.
При решении поставленных в диссертационной работе задач получены новые научно-технические результаты:
1.Впервые определено значение коэффициента трения вращающегося воздушного заряда о стенки цилиндра дизеля в период сжатия.
2. Получены зависимости, которые связывают показатели газообмена дизеля 6ДН 12/2х12 с параметрами газа во впускном и выпускном коллекторе, геометрическими характеристиками окон и частотой вращения коленчатого вала.
3. Впервые предложен безразмерный критерий формы прямоугольного впускного окна цилиндра и показано, что наилучшее качество процессов газообмена в двигателе с прямоточно-щелевой продувкой обеспечивается при одинаковых значениях критерия, а также определен диапазон этих значений.
4. Определено количественное влияние на показатели топливной экономичности, токсичности отработанных газов и тепловой напряженности основных деталей дизеля 6ДН как раздельного, так и совместного внедрения разработанного высокоэффективного компактного ОНВ, цилиндра с усовершенствованной конфигурацией впускных окон и соплового аппарата турбины с оптимальным минимальным проходным сечением.
Практическую ценность работы составляет:
1. Усовершенствовано программу расчета параметров рабочего цикла двухтактного дизеля, которая была разработана в УкрГАЖТ, путем дополнения ее зависимостями, что позволяет учитывать наличие ОНВ, скорость вращения заряда в цилиндре, потери мощности на трение в цилиндро-поршневой группе (ЦПГ), реальные коэффициенты расхода окон, а также определить коэффициенты наполнения и остаточных газов.
2. Разработаны рекомендации по выбору максимального угла закрутки впускных окон по высоте, фаз газораспределения, минимального проходного сечения соплового аппарата турбины дизеля 6ДН с ОНВ и цилиндрами с усовершенствованной конфигурацией впускных окон, что обеспечивает наилучшую топливную экономичность и наименьшую токсичность отработанных газов.
3. Разработана технология изготовления впускных окон цилиндра с усовершенствованной конфигурацией, что позволило увеличить их проходное сечение на 10% без изменений конструкции гильзы цилиндра.
4. Разработана оригинальная конструкция компактного высокоэффективного ОНВ, встроенного в компрессор, применение которого позволяет улучшить показатели топливной экономичности и токсичности дизеля 6ДН.
5. Разработана новая конструкция газоотборного устройства и обоснована методика его использования, что обеспечивает повышение достоверности определения состава газа в цилиндре в конце процесса расширения.
6. Показано, что при условии сохранения температуры выпускных газов на исходном уровне возможно повышение мощности модернизированного дизеля 6ДН на 9,7% в сравнении с базовым тепловозным дизелем.
Личный вклад соискателя.
При выполнении диссертационной работы соискатель принял участие в разработке следующих методов и технических решений:
1. По результатам научного анализа результатов экспериментов определен коэффициент трения воздушного заряда об стенки цилиндра дизеля в период сжатия.