Статья: РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ (2025)

Рассмотрены свойства смесей нефтяного дизельного топлива с рапсовым маслом при его содержании в смеси от 0 до 60 % по объему. Исследованы физические свойства дизельного топлива, рапсового масла и смеси 80 % нефтяного дизельного топлива и 20 % рапсового масла при различной температуре. Предложены формулы, описывающие зависимости вязкости нефтяного дизельного топлива, рапсового масла и их смесей от температуры. Представлена методика расчета процессов впрыскивания и распыливания смеси нефтяного дизельного топлива и рапсового масла. Проведены расчетные исследования процессов впрыскивания и распыливания топлива в камере сгорания дизельного двигателя типа Д-245 при его работе в режиме максимальной мощности на смеси 80 % нефтяного дизельного топлива и 20 % рапсового масла. Исследована взаимосвязь содержания в отработавших газах оксидов азота и их дымности с основными параметрами впрыскивания и распыливания смесевого биотоплива - длиной струи и углом раскрытия конуса струи. Определены корреляционные зависимости для указанных параметров в виде квадратичных полиномов.

Рассмотрены вопросы, связанные с необходимостью улучшения экологической безопасности двигателей внутреннего сгорания и применения в них альтернативных топлив. Предложен способ, позволяющий надежно снизить содержание токсичных компонентов в отработавших газах дизельного двигателя путем замены штатного дизельного топлива метанолом и метиловым эфиром рапсового масла. Представлены результаты экспериментальных исследований экологических показателей дизельного двигателя, работающего на метаноле и метиловом эфире рапсового масла, установлены зависимости влияния на них нагрузочных и скоростных режимов его работы и определены их числовые характеристики. На основании экспериментальных данных представлены концентрации содержания токсичных компонентов в отработавших газах дизельного двигателя, подробно рассмотрен и проанализирован процесс образования в камере сгорания суммарных углеводородов CH x, диоксида углерода СО2, оксидов азота NO х, монооксида углерода СО, сажи С и рассмотрена причинно-следственная связь между образованием токсичных компонентов в цилиндре дизельного двигателя, работающего на метаноле и метиловом эфире рапсового масла, и показателями его рабочего процесса.

Выполнен краткий анализ мировой тенденции к переходу на использование в современных быстроходных поршневых двигателях сверхмаловязких моторных масел. Отмечен дефицит как научного обоснования, так и методического сопровождения этого перехода. Даны обоснование, формулировка и аналитико-расчетное доказательство гипотезы о существовании предельно малой вязкости смазочных материалов для быстроходных поршневых двигателей. Описана сущность двух новых подходов к разработке метода расчетной оценки предельно малой вязкости моторного масла для обеспечения энергосбережения поршневого двигателя. Выполнены и проанализированы результаты расчета предельно малой высокотемпературной кинематической вязкости моторных масел с использованием входных данных трех известных отечественных моделей быстроходных дизелей. Диапазон полученных значений результатов расчета составил 2,0…6,6 сСт, что позволяет отнести рекомендуемые для этих двигателей смазочные материалы к вязкостному классу SAE 0W-8 обновленного стандарта J300. На примере одного из этих дизелей сделан прогноз повышения удельной топливной экономичности на 2,5 % при переходе со смазывания рекомендованным производителем дизеля средневязким маслом (SAE 5W-30) на сверхмаловязкое (SAE 0W-8) моторное масло.

Показана целесообразность реализации в тепловозных двигателях газодизельного цикла, в котором природный газ воспламеняется от запальной дозы нефтяного дизельного топлива. В таком цикле обеспечивается стабильное воспламенение топливовоздушной смеси в широком диапазоне режимов тепловозного газодизельного двигателя. Разработаны системы электронного управления СУДМ.03, СУДМ.04, СУДМ.05, в которых подача газа осуществляется клапанами, установленными возле впускных клапанов каждого цилиндра. Подача запального дизельного топлива осуществляется с использованием топливных насосов высокого давления с быстродействующими клапанами, установленными в линиях высокого давления топливных насосов. Экспериментальные исследования системы СУДМ.03 в составе двигателя типа Д50 показали, что на режимах, соответствующих 1-7 позициям контроллера машиниста, замещение дизельного топлива газом составило от 60,3 до 93,9 %, а на режиме, соответствующем 8-й позиции контроллера, - 94,1 %. Испытания системы СУДМ.04 в составе двигателя типа GE7FDL12EFI показали, что на режимах, соответствующих 2-7 позициям контроллера, замещение дизельного топлива газом составило от 67 до 35 %, а на 8-й позиции контроллера - 36 %. Разработана система электронной системы управления СУДМ.05 для перспективного газодизельного двигателя 16ГДГ. Эта система включает подсистему регулирования частоты вращения, подсистему управления подачей природного газа и дизельного топлива, подсистему управления пуском, подсистему диагностики и аварийной защиты двигателя.

В работе использован метод пошагового численного формирования закона движения толкателя, определяющего профиль кулачка. Получаемый закон не описывается какой-либо заранее заданной аналитической зависимостью, а представляется в численном виде. При этом алгоритм его формирования позволяет максимизировать площадь под кривой перемещения толкателя при выполнении на каждом шаге заданных ограничений, связанных с кинематикой, динамикой, технологичностью и надежностью механизма. Предложено усовершенствование численного метода профилирования кулачка, связанное с введением дополнительного ограничения на скорость изнашивания профиля кулачка, и представлены некоторые результаты, получаемые при использовании этого усовершенствованного метода. Показана возможность снижения и выравнивания износа по углу поворота кулачка. Предлагаемый подход способствует сохранению в процессе изнашивания конфигурации кулачка, его кинематических и динамических характеристик и, следовательно, повышению его работоспособности и надежности.

Одноцилиндровые секции двигателей используются как ключевой инструмент фундаментальных и прикладных исследований процессов, протекающих в двигателях внутреннего сгорания. В статье проанализированы конструктивные решения, функциональные возможности и методологии применения современных одноцилиндровых секций двигателей ведущих производителей испытательного оборудования: компаний AVL, FEV, Ricardo, MAHLE и др. Выявлены преимущества модульной архитектуры, расширенные возможности оптической диагностики и проблемы корреляции данных. Доказана экономическая эффективность использования одноцилиндровых секций двигателей, обеспечивающая снижение затрат на испытания на 40…60 % по сравнению с затратами многоцилиндровых двигателей. Определены универсальные технические требования к исследовательским установкам, включая системы управления, диагностики, обеспечения режимов и безопасности, с акцентом на работу с альтернативными топливами. Перспективы развития связываются с интеграцией цифровых двойников и созданием стендов для гибридных силовых установок.