Автопортал || Авто - статьи

Сельскохозяйственная техника
Чтение RSS

Як поліпшити ДВС: російські розробки

  1. Знай наших
  2. Проблеми і завдання
  3. Скидання надлишку повітря на впуску
  4. Ежекція на випуск
  5. А якщо об'єднати? ..
  6. Що в підсумку
  7. Деякі люблять важче: чим гарний легковий дизель, і чому вони скоро вимруть

Що якщо двигун вашого автомобіля після невеликого доопрацювання здатний стати могутніше, при цьому бути надійніше, та ще й витрачати менше палива? Не вірите подібним казкам? Але ж мова не про якийсь кулібінщіне, а про повноцінний науковому дослідженні, вже підтвердженому на практиці!

Знай наших

Л літку 2017 року науково-технічне співтовариство облетіла новина - молодий учений з Єкатеринбурга переміг в загальноукраїнському конкурсі інноваційних проектів в області енергетики. Конкурс називається «Енергія прориву», до участі допускаються вчені не старше 45 років, і Леонід Плотніков, доцент «Уральського федерального університету імені першого президента Росії Б.М. Єльцина »(УрФУ), удостоївся в ньому призу в 1 000 000 рублів.

Повідомлялося, що Леонід розробив чотири оригінальних технічних рішення і отримав сім патентів для систем впуску та випуску ДВС, як турбированних, так і атмосферних. Зокрема, доробка впускний системи турбомотора «за методом Плотникова» здатна виключити перегрів, знизити рівень шуму і кількість шкідливих викидів. А модернізація випускної системи турбированного ДВС на 2% підвищує ККД і на 1,5% знижує питома витрата палива. В результаті мотор стає більш екологічним, стабільним, потужним і надійним.

Що якщо двигун вашого автомобіля після невеликого доопрацювання здатний стати могутніше, при цьому бути надійніше, та ще й витрачати менше палива

Леонід Плотніков

Чи справді все це так? У чому суть пропозицій ученого? Нам вдалося поговорити з переможцем конкурсу та про все дізнатися. З усіх оригінальних технічних рішень, розроблених Плотніковим, ми зупинилися саме на зазначених вище двох: доопрацьованих системах впуску та випуску турбированних моторів. Можливо, стиль викладу спочатку здасться вам складним для сприйняття, але читайте вдумливо, і в кінці ми доберемося до суті.

Проблеми і завдання

Авторство описаних нижче розробок належить групі вчених УрФУ, в яку входять доктор технічних наук, професор Бродів Ю.М., доктор фізико-математичних наук, професор Жилкін Б.П. і кандидат технічних наук, доцент Плотніков Л.В. Робота саме цієї групи удостоїлася гранту в мільйон рублів. В інженерній опрацювання пропонованих технічних рішень їм допомагали фахівці ТОВ «Уральський дизель-моторний завод», а саме, начальник відділу, кандидат технічних наук Шестаков Д.С. і заступник головного конструктора, кандидат технічних наук Григор'єв Н.І.

І

Бродів Ю.М.

Одним з ключових параметрів їх дослідження стала тепловіддача, що йде від потоку газу в стінки впускного або випускного трубопроводу. Чим тепловіддача нижче, тим менше термічні напруги, вище надійність і продуктивність системи в цілому. Для оцінки інтенсивності тепловіддачі використовують параметр, який називається локальним коефіцієнтом тепловіддачі (він позначається як αх), і завдання дослідників полягала в тому, щоб знайти шляхи зменшення цього коефіцієнта.

Для оцінки інтенсивності тепловіддачі використовують параметр, який називається локальним коефіцієнтом тепловіддачі (він позначається як αх), і завдання дослідників полягала в тому, щоб знайти шляхи зменшення цього коефіцієнта

Мал. 1. Зміна локального (lх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх (1) і швидкості потоку повітря wх (2) в часі τ за вільним компресором турбокомпресора (далі - ТК) при гладкому круглому трубопроводі і різних частотах обертання ротора ТК: а) nтк = 35 000 хв-1; б) nтк = 46 000 хв-1

Питання для сучасного двигунобудування серйозний, оскільки газовоздушні тракти входять до переліку найбільш термонавантажених елементів сучасних ДВС, і особливо гостро завдання зниження тепловіддачі в впускному і випускному трактах варто для турбованих двигунів. Адже в турбомотор, в порівнянні з атмосферником, підвищені тиск і температура на впуску, збільшена середня температура циклу, вище пульсація газу, яка викликає термомеханічні напруги. Термонагруженность веде до втоми деталей, знижує надійність і термін служби елементів двигуна, а також призводить до неоптимальним умов згоряння палива в циліндрах і падіння потужності.

Вчені вважають, що термічну напруженість турбодвіжка можна знизити, і тут, як то кажуть, є нюанс. Зазвичай для турбокомпресора вважаються важливими дві його характеристики - тиск наддуву і витрата повітря, а сам вузол в розрахунках приймається статичним елементом. Але насправді, відзначають дослідники, після установки турбокомпресора істотно змінюються тепломеханічні характеристики потоку газу. Тому перш ніж вивчати те, як змінюється αх на впуску і випуску, треба досліджувати сам потік газу закомпрессором. Спочатку - без урахування поршневий частини двигуна (що називається, за вільним компресором, див. Рис. 1), а потім - разом з нею.

Була розроблена і створена автоматизована система збору і обробки експериментальних даних - з пари датчиків знімалися і оброблялися значення швидкості потоку газу wх і локального коефіцієнта тепловіддачі αх. Крім того, була зібрана одноциліндрова модель двигуна на базі мотора ВАЗ-11113 з турбокомпресором ТКР-6.

Крім того, була зібрана одноциліндрова модель двигуна на базі мотора ВАЗ-11113 з турбокомпресором ТКР-6

Мал. 2. Залежність локального (lх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого вала φ у впускному трубопроводі поршневого ДВС з наддувом при різних частотах обертання колінчастого вала і різних частотах обертання ротора ТК: а) n = 1 500 хв-1; б) n = 3 000 хв-1, 1 - n = 35 000 хв-1; 2 - nтк = 42 000 хв-1; 3 - nтк = 46 000 хв-1

Проведені дослідження показали, що турбокомпресор - потужне джерело турбулентності, яка впливає на тепломеханічні характеристики потоку повітря (див. Рис. 2). Крім того, дослідники встановили, що сама по собі установка турбокомпресора підвищує αх на впуску двигуна приблизно на 30% - частково через те, що повітря після компресора просто значно гарячіша, ніж на впуску атмосферного мотора. Була заміряна і тепловіддача на випуску мотора з встановленим турбокомпресором, і виявилося, що чим вище надлишковий тиск, тим менш інтенсивно відбувається тепловіддача.

Була заміряна і тепловіддача на випуску мотора з встановленим турбокомпресором, і виявилося, що чим вище надлишковий тиск, тим менш інтенсивно відбувається тепловіддача

Мал. 3. Схема впускної системи двигуна з наддувом з можливістю скидання частини нагнітається: 1 - впускний колектор; 2 - з'єднувальний патрубок; 3 - з'єднувальні елементи; 4 - компресор ТК; 5 - електронний блок керування двигуном; 6 - електропневмоклапан].

У сумі виходить, що для зниження термонагруженности необхожімо наступне: у впускному тракті потрібно зменшувати турбулентність і пульсацію повітря, а на випуску - створювати додатковий тиск або розрідження, розганяючи потік - це знизить тепловіддачу, а крім того, позитивно позначиться на очищенні циліндрів від відпрацьованих газів .

Всі ці начебто очевидні речі потребували детальних вимірах і в аналізі, якого ніхто раніше не робив. Саме отримані цифри дозволили виробити заходи, які в майбутньому здатні якщо не зробити революцію, то вже точно вдихнути, в прямому сенсі слова, нове життя у всю галузь двигунобудування.

Саме отримані цифри дозволили виробити заходи, які в майбутньому здатні якщо не зробити революцію, то вже точно вдихнути, в прямому сенсі слова, нове життя у всю галузь двигунобудування

Мал. 4. Залежність локального (lх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого вала φ у впускному трубопроводі поршневого ДВС з наддувом (nтк = 35 000 хв-1) при частоті обертання колінчастого вала n = 3 000 хв-1. Частка скидання повітря: 1 - G1 = 0,04; 2 - G2 = 0,07; 3 - G3 = 0,12].

Скидання надлишку повітря на впуску

По-перше, дослідники запропонували конструкцію, що дозволяє стабілізувати потік повітря на впуску (див. Рис. 3). Електропневмоклапан, врізаний у впускний тракт після турбіни і в певні моменти скидає частину стисненого турбокомпресором повітря, стабілізує поток- зменшує пульсацію швидкості і тиску. У підсумку це повинно привести до зниження аеродинамічного шуму і термічних напружень у впускному тракті.

А скільки ж потрібно скинути, щоб система ефективно працювала, не послаблюючи значно ефекту турбонаддува? На малюнках 4 і 5 ми бачимо результати проведених замірів: як показують дослідження, оптимальна частка скидається повітря G лежить в діапазоні від 7 до 12% - такі значення знижують тепловіддачу (а значить - і термонагруженность) у впускному тракті двигуна до 30%, тобто , приводять її до значень, характерних для атмосферних моторів. Далі збільшувати частку скидання сенсу немає - ефекту це вже не дає.

Далі збільшувати частку скидання сенсу немає - ефекту це вже не дає

Мал. 5. Порівняння залежностей локального (lх = 150 мм, d = 30 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого вала φ у впускному трубопроводі поршневого ДВС з наддувом без скидання (1) і зі скиданням частини повітря (2) при nтк = 35 000 хв-1 і n = 3 000 хв-1, частка скидання надлишкового повітря дорівнює 12% від загальної витрати].

Ежекція на випуск

Ну а що ж випускна система? Як ми говорили вище, вона в турбированном моторі теж працює в умовах підвищених температур, а крім того, випуск завжди хочеться зробити якомога більше сприяє максимальної очищенню циліндрів від відпрацьованих газів. Традиційні методи вирішення цих завдань вже вичерпані, чи є тут ще якісь резерви для поліпшення? Виявляється, є.

Бродів, Жилкін та Плотніков стверджують, що поліпшити газоочистку і надійність випускної системи можна шляхом створення в ній додаткового розрідження, або ежекції. Ежекційна потік, на думку розробників, так само, як і клапан на впуску, знижує пульсацію потоку і збільшує об'ємний витрата повітря, що сприяє кращому очищенню циліндрів і підвищення потужності двигуна.

Ежекційна потік, на думку розробників, так само, як і клапан на впуску, знижує пульсацію потоку і збільшує об'ємний витрата повітря, що сприяє кращому очищенню циліндрів і підвищення потужності двигуна

Мал. 6. Схема випускної системи з ежектором: 1 - головка циліндра з каналом; 2 - випускний трубопровід; 3 - труба вихлопна; 4 - ежекційних трубка; 5 - електропневмоклапан; 6 - електронний блок управління].

Ежекція позитивно впливає на тепловіддачу від випускних газів до деталей випускного тракту (див. Рис. 7): з такою системою максимальні значення локального коефіцієнта тепловіддачі αхполучаются на 20% нижче, ніж при традиційному випуску - за винятком періоду закриття впускного клапана, тут інтенсивність тепловіддачі, навпаки, трохи вище. Але в цілому тепловіддача все одно менше, і дослідники зробили припущення, що ежектор на випуску турбомотора підвищить його надійність, так як знизить тепловіддачу від газів стінок трубопроводу, а самі гази будуть охолоджуватися ежекційним повітрям.

Мал. 7.Завісімості локального (lх = 140 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого вала φ в випускний системі при надмірному тиску випуску Рb = 0,2 МПа і частоті обертання колінчастого вала n = 1 500 хв-1. Конфігурація випускної системи: 1 - без ежекції; 2 - з ежекцію.]

А якщо об'єднати? ..

Отримавши такі висновки на експериментальній установці, вчені пішли далі і застосували отримані знання на реальному двигуні - в якості одного з «піддослідних» був обраний дизель 8ДМ-21ЛМ виробництва ТОВ «Уральський дизель-моторний завод» .Такі мотори застосовуються в якості стаціонарних енергоустановок. Крім того, в роботах використовувався і «молодший брат» 8-циліндрового дизеля, 6ДМ-21ЛМ, також V-подібний, але має шість циліндрів.

Мал. 8. Встановлення електромагнітного клапана для скидання частини повітря на дизелі 8ДМ-21ЛМ: 1 - клапан електромагнітний; 2 - впускний патрубок; 3 - кожух випускного колектора; 4 - турбокомпресор.

На «молодшому» моторі була реалізована система ежекції на випуску, логічно і дуже дотепно об'єднана з системою скидання тиску на впуску, яку ми розглянули трохи раніше - адже як було показано на малюнку 3, скидається повітря може використовуватися для потреб двигуна. Як бачимо (рис. 9), над випускним колектором прокладено трубки, в які подається повітря, забраний з впуску - це те саме надлишковий тиск, що створює турбулентність після компресора. Повітря з трубок «лунає» через систему електроклапанів, які стоять відразу за випускним вікном кожного з шести циліндрів.

Повітря з трубок «лунає» через систему електроклапанів, які стоять відразу за випускним вікном кожного з шести циліндрів

Мал. 9. Загальний вигляд модернізованої випускної системи двигуна 6ДМ-21ЛМ: 1 - випускний трубопровід; 2 - турбокомпресор; 3 - газоотводящий патрубок; 4 - система ежекції.

Таке Ежекційна пристрій створює додаткове розрідження у випускному колекторі, що веде до вирівнювання течії газів і ослаблення перехідних процесів в так званому перехідному шарі. Автори дослідження заміряли швидкість потоку повітря wх в залежності від кута повороту колінчастого вала φ із застосуванням ежекції на випуск і без неї.

З малюнка 10 видно, що при ежекції максимальна швидкість потоку вище, а після закриття випускного клапана вона падає повільніше, ніж в колекторі без такої системи - виходить своєрідний «ефект продувки». Автори кажуть, що результати свідчать про стабілізацію потоку і кращому очищенню циліндрів двигуна від відпрацьованих газів.

Автори кажуть, що результати свідчать про стабілізацію потоку і кращому очищенню циліндрів двигуна від відпрацьованих газів

Мал. 10. Залежності місцевої (lx = 140 мм, d = 30 мм) швидкості потоку газу wх в випускному трубопроводі з ежекцію (1) і традиційному трубопроводі (2) від кута повороту колінчастого вала φ при частоті обертання колінчастого вала n = 3000 хв-1 і початковому надмірному тиску pb = 2,0 бар.

Що в підсумку

Отже, давайте по порядку. По-перше, якщо з впускного колектора турбомотора скидати невелику частину стисненого компресором повітря, можна знизити тепловіддачу від повітря до стінок колектора до 30% і при цьому зберегти масова витрата повітря, що надходить в мотор, на нормальному рівні. По-друге, якщо застосувати ежекцію на випуску, то тепловіддачу в випускному колекторі теж можна істотно знизити - проведені заміри дають величину близько 15%, - а також поліпшити газоочистку циліндрів.

Статті / Практика

Деякі люблять важче: чим гарний легковий дизель, і чому вони скоро вимруть

Особливості конструкції. Плюси Давайте спочатку про те, що є безперечною гідністю дизельного мотора - про економічність. Робочий процес в дизельному моторі відрізняється від такого у бензинових побратимів в першу ...

05.03.2018

Об'єднуючи показані наукові знахідки для впускного і випускного трактів в єдину систему, ми отримаємо комплексний ефект: забираючи частину повітря з впуску, передаючи її на випуск і точно синхронізувати ці імпульси за часом, система буде вирівнювати і «заспокоювати» процеси течії повітря і відпрацьованих газів. В результаті ми повинні отримати менш термонагруженность, більш надійний і продуктивний в порівнянні зі звичайним турбомотором двигун.

Отже, результати отримані в лабораторних умовах, підтверджені математичним моделюванням і аналітичними розрахунками, після чого створений дослідний зразок, на якому проведені випробування і підтверджені позитивні ефекти. Поки все це реалізовано в стінах УрФУ на великому стаціонарному турбодізеле (мотори такого типу використовують також на тепловозах і судах), однак закладені в конструкцію принципи могли б прижитися і на моторах поменше - уявіть, наприклад, що ГАЗ Газель, УАЗ Патріот або LADA Vesta отримують новий турбомотор, та ще з характеристиками краще, ніж у зарубіжних аналогів ... чи можливо, щоб нова тенденція в двигунобудування почалася в Росії?

Є у вчених з УрФУ і рішення для зниження термонагруженности атмосферних моторів, і одне з них - профілювання каналів: поперечний (шляхом введення вставки квадратного або трикутного перетину) і поздовжнє. В принципі, за всіма цими рішеннями зараз можна будувати робочі зразки, проводити випробування і при їх позитивному результаті запускати серійне виробництво - задані проектно-конструкторські напрямки, на думку вчених, не вимагають значних фінансових і тимчасових витрат. Тепер слід шукати зацікавлені виробники.

Леонід Плотніков каже, що вважає себе в першу чергу вченим і не ставить мети комерціалізувати нові розробки.

Серед цілей я, скоріше, назвав би проведення подальших досліджень, отримання нових наукових результатів, розробку оригінальних конструкцій газоповітряних систем поршневих ДВС. Якщо мої результати будуть корисні промисловості, то я буду радий. З досвіду знаю, що впровадження результатів - дуже складний і трудомісткий процес, і якщо в нього занурюватися, то на науку і викладання не залишиться часу. А я більше схильний саме до галузі освіти і науки, а не до промисловості і бізнесу

Леонід Плотніков доцент «Уральського федерального університету імені першого президента Росії Б.М. Єльцина »(УрФУ)

Плотніков Л.В.

Однак додає, що вже почався процес впровадження результатів дослідження на енергомашін ПАТ «Уралмашзавод». Темпи впровадження поки невисокі, вся робота знаходиться на початковому етапі, і конкретики дуже мало, однак зацікавленість у підприємства є. Залишається сподіватися на те, що результати цього впровадження ми все ж побачимо. А також на те, що робота вчених знайде застосування у вітчизняному автопромі.

Опитування

А як ви оцінюєте результати дослідження?

Не вірите подібним казкам?
У чому суть пропозицій ученого?
А скільки ж потрібно скинути, щоб система ефективно працювала, не послаблюючи значно ефекту турбонаддува?
Традиційні методи вирішення цих завдань вже вичерпані, чи є тут ще якісь резерви для поліпшення?
А якщо об'єднати?
И можливо, щоб нова тенденція в двигунобудування почалася в Росії?