Статья: ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ И СГОРАНИЯ АВИАЦИОННОГО КЕРОСИНА В ЧЕТЫРЕХТАКТНОМ ДВИГАТЕЛЕ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ (2026)

Рассмотрена возможность использования кунжутного масла в качестве экологической добавки к нефтяному дизельному топливу. Проанализированы состав и физико-химические свойства нефтяного дизельного топлива, кунжутного масла и их смесей. В качестве объекта исследования выбран дизельный двигатель без наддува типа Д-243 (4Ч 11/12,5) производства Минского моторного завода, входящий в состав дизель-генераторной установки, вырабатывающей переменный электрический ток. Двигатель испытан в режимах регуляторной характеристики, формируемой при частоте вращения 1500 мин-1. Исследования проведены на нагрузочных режимах с мощностью двигателя, равной 0, 12, 24 и 36 кВт, на нефтяном дизельном топливе и при добавлении в него 10, 20 и 30 % кунжутного масла. Разработана методика оптимизации указанной добавки, базирующаяся на расчете обобщенного критерия оптимальности в виде суммы частных критериев - относительных значений условного удельного эффективного расхода топлива, дымности отработавших газов и концентраций в них оксидов азота. Расчеты, проведенные для режима максимальной мощности, показали, что оптимальным является смесевое топливо, содержащее 70 % нефтяного дизельного топлива и 30 % кунжутного масла. При переводе двигателя на указанную смесь условный удельный эффективный расход топлива снизился на 0,9 %, дымность отработавших газов уменьшилась в 1,67 раза, концентрация в них оксидов азота возросла на 6,9 %.

В целях сокращения вредных выбросов с отработавшими газами дизельных двигателей в работе обоснована необходимость применения в двигателях альтернативного моторного топлива спирта и его производных. Проанализированы результаты научно-исследовательских работ по изучению показателей сгорания и тепловыделения в дизельных двигателях, работающих на спиртосодержащих топливах. Изучены вопросы замещения нефтяного моторного топлива спиртом и предельно допустимые концентрации при его замещении с учетом показателей процессов сгорания, тепловыделения и снижения токсичности отработавших газов. Представлены результаты экспериментальных исследований показателей процесса сгорания и тепловыделения дизельного двигателя, работающего на метаноле и метиловом эфире рапсового масла. По результатам проведенных исследований установлены характеристики давления сгорания, максимальной температуры газов, скорости тепловыделения по углу поворота коленчатого вала и определены их числовые значения на различных нагрузочных и скоростных режимах работы.

В настоящее время применение газовых двигателей в качестве привода электрогенераторов становится все более популярным. Жесткие нормативы по стабильности вырабатываемой электроэнергии могут быть обеспечены повышенными требованиями к качеству работы системы автоматического управления двигателем, которая включает системы автоматического регулирования частоты вращения и воздухоснабжения и служит частью единой системы управления энергетической установкой. Цель данной работы - создание динамической модели газового двигателя для использования в процессе проектирования системы автоматического управления двигателем на этапах расчетного исследования и полунатурного моделирования. Рассмотрены особенности рабочего процесса газового двигателя, представлены функциональные схемы комбинированного двигателя и систем автоматического регулирования частоты вращения и воздухоснабжения. Приведены основные уравнения, описывающие динамические свойства элементов газового двигателя на основе соотношений рабочего процесса, показатели которого в значительной степени определяются коэффициентом избытка воздуха. В качестве примера разработана динамическая модель отечественного газового двигателя Д49, на базе которой в программном комплексе MATLAB/Simulink построена компьютерная модель двигателя в составе системы управления. В результате моделирования переходных процессов рассматриваемой системы управления проанализировано влияние способов управления воздушной заслонкой на стабильность работы двигателя и качество процессов регулирования.

Представлен обзор исследований крупномасштабных вихревых структур потока в каналах распылителей и сопловых отверстиях форсунок. Наибольшее внимание уделено влиянию на распыливание соединяющих мостовых вихрей между соседними сопловыми отверстиями и двойных вращающихся в противоположных направлениях вихрей в односопловых и многосопловых распылителях. Распылители с одним сопловым отверстием более склонны к отрыву потока, чем стандартные с несколькими отверстиями. В трех независимых экспериментах при осесимметричном течении в цилиндрическом сопловом отверстии с острой входной кромкой наблюдается образование кольцевых вихрей Кельвина - Гельмгольца. В проведенном эксперименте кольцевые вихри образовывались после прохождения точки сингулярности, когда распыленная струя приобретала коническую форму с круглым поперечным сечением. С использованием для кольцевого вихря модели Рэнкина была выполнена оценка критического значения числа кавитации в выходном сечении соплового отверстия, которое соответствует точке сингулярности. Это критическое значение числа кавитации коррелируется со значениями чисел кавитации, при которых наблюдаются экстремумы дальнобойности и угла конусности распыленной струи. Обнаруженный эффект может быть использован для оценки требуемого уровня максимального давления впрыскивания топлива в зависимости от максимального давления в рабочем цилиндре дизельного двигателя.

Представлены результаты обработки и анализа экспериментальных данных о гидродинамике течения, характеристиках процесса сгорания, индикаторном КПД и токсичности отработавших газов при использовании семи видов конструкций камер сгорания (КС) ДВС. Показано, что скорость сгорания топливно-воздушной смеси (ТВС) пропорциональна средней пульсационной скорости ТВС за время горения. Максимальное отличие скоростей сгорания для испытуемых конструкций составило 78 %. Значение индикаторного КПД определяется уровнем пульсационной скорости в заключительной фазе сгорания и положением максимального значения пульсационной скорости относительно верхней мертвой точки (ВМТ) поворота коленчатого вала (ПКВ). Меньшим значениям пульсационной скорости соответствует более высокий КПД. Наименьшее количество выбросов несгоревших углеводородов (СН) соответствует сборкам, обеспечивающим наиболее высокий индикаторный КПД, при этом отмечены повышенные значения выбросов оксидов азота (NO). Отмечено, что для изготовления поршней сложных форм для высокофорсированных двигателей, работающих на скоростях 5000 об/мин и выше, потребуется применять труднообрабатываемые жаропрочные и жаростойкие материалы, а также разработать специальные инструменты.

Радиальное давление поршневого кольца на гильзу цилиндра определяется давлением газов в заколечном пространстве в совокупности с давлением, которое кольцо оказывает за счет упругих сил, возникающих при его изгибе. Последние полностью определяются формой кольца в свободном состоянии, от которой зависит не только работоспособность двигателя, но и технологичность изготовления колец. Одной из наиболее известных является методика расчета формы поршневых колец, предложенная в работах Саратовского политехнического института. В литературе описан и ряд других методик, позволяющих оценить контактное силовое взаимодействие в сопряжении «кольцо - гильза цилиндра». Однако расчеты по этим методикам проводят к погрешностям вычислений, достигающим 11 %. Причины погрешностей объясняются использованием упрощенных разностных схем и некорректным экстраполированием недостающих точек кольца на краях интервалов для вычисления производных от перемещений. В то же время, нет достоверных данных по точности предлагаемых методик. В представленной работе оценена точность расчета формы поршневых колец в свободном состоянии по методике Саратовского политехнического института. Исследования показали, что для повышения точности расчетов по этой методике необходимы корректировки, которые позволят устранить причины возникновения неприемлемых погрешностей расчетов и оптимизировать данный метод, сведя предельные погрешности к 1,0…1,5 %.

Одно из основных направлений развития двигателей с воспламенением от сжатия - повышение эффективности их работы, которая сопровождается ростом их мощностных, экономических и экологических показателей, что, в свою очередь, влияет на тепловое состояние деталей двигателя. В работе исследована зависимость температуры огневого днища, выпускных каналов, головки блока цилиндров, втулки цилиндра, блока цилиндров от расхода охлаждающей жидкости для вариантов конструкций рубашки охлаждения. Показано, что перераспределение потоков охлаждающей жидкости путем конструктивных изменений рубашки охлаждения и, как следствие, локальное увеличение скорости охлаждающей жидкости наряду с увеличением расхода на головку блока цилиндров приводит к значительному снижению температуры в зоне огневого днища. Предложенный вариант конструкции охлаждающей полости головки блока цилиндров, полученный в результате расчетных исследований, позволил обеспечить приемлемые температуры, снизив локальные значения температур в зоне огневого днища на 11 %, седел впускных клапанов - на 16 %, седел выпускных клапанов - на 3 %, колодца форсунки - на 20 %