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.
В работе проведено численное исследование воспламенения и сгорания авиационного керосина в четырехтактном двигателе с непосредственным впрыском и пневматическим распыливанием топлива под высоким давлением и воспламенением периферийной части одной из струй искровым разрядом. Результаты моделирования показали, что горение, инициированное искровым разрядом, распространяется только на ту струю, в периферийной части которой располагается искровой промежуток. Сгорание остальных струй происходит в результате многоочагового самовоспламенения. Проанализирован процесс формирования очагов самовоспламенения в несгоревшей части топливовоздушной смеси и влияние их объемов на амплитуду ударных волн. Управление углом опережения впрыска позволяет влиять на объем очагов самовоспламенения и тем самым обеспечивает возможность бездетонационного сгорания авиационного керосина в двигателе с искровым зажиганием.
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 %
Рассмотрена возможность улучшения качества сгорания аммиака путем добавления водорода в рабочую смесь двигателя с искровым зажиганием. В качестве объекта исследования выбран двигатель размерности 7,7/8,58 со степенью сжатия 10,5. Для исследования влияния добавок водорода на характеристики воспламенения и параметры двигателя, работающего на аммиачно-водородном топливе, был предложен механизм кинетики реакций воспламенения и сгорания аммиачно-водородных смесей. Исследовано влияние состава смеси на период задержки воспламенения рабочей смеси и ее сгорание, а также на параметры двигателя. Показано, что период задержки воспламенения аммиака уменьшается с ростом содержания водорода в смеси. При неизменности общей теплотворной способности топлива и угла опережения зажигания увеличение содержания водорода в смеси приводит к повышению максимального давления сгорания, однако из-за ускоренного процесса выделения теплоты мощность двигателя снижается. В связи с этим для повышения мощности двигателя с ростом содержания водорода в смеси необходимо увеличивать угол опережения зажигания. Кроме того, увеличение концентрации водорода в смеси способствует значительному повышению температуры и давления в процессе сгорания, что приводит к увеличению концентрации оксидов азота в отработавших газах.
При разработке источников энергии для освоения Крайнего Севера Российской Федерации необходимы исследования особенностей работы тепловых двигателей в условиях низких температур в холодильных камерах. Цель исследования - создание системы автоматического регулирования температуры воздуха в камере. Разработана система автоматического регулирования температуры воздуха в климатической камере с каскадной холодильной установкой для испытаний тепловых двигателей малой и средней мощности в условиях низких температур до -60 °С. Составлена математическая модель климатической камеры, содержащая модели испытываемого двигателя и воздуха в камере. Для исследования выбран дизель ЯМЗ-5340 номинальной мощностью 140 кВт. На компьютерной модели проведено моделирование процессов охлаждения воздуха в климатической камере.
Предложены усовершенствования модели обледенения, позволяющие повысить точность расчета форм и размеров ледяных наростов, формирующихся на элементах проточного тракта компрессора авиационного двигателя при полетах в атмосфере облаков, состоящих из ледяных кристаллов и смеси фаз. Выполнено сравнение результатов расчета по усовершенствованной модели с результатами расчетов по программе IGLOO2D и с экспериментальными данными. Продемонстрирована определяющая роль эффекта эрозии при описании тепломассообменных процессов, протекающих при формировании ледяных наростов в атмосфере облаков, состоящих из ледяных кристаллов и смеси фаз. Предложен метод сокращения продолжительности вычислений путем использования время подобных расчетных шагов в промежутках между основными последовательными временными шагами. Метод позволяет скорректировать эффективность улавливания капель и кристаллов, эффективность прилипания кристаллов, а также коэффициент эрозии льда. На примере расчета формы льда на модельном цилиндре и крыльевом профиле показаны преимущества усовершенствованной модели для вычисления форм конусообразных ледяных наростов, возникающих в реальных условиях при наличии ледяных кристаллов и смеси фаз.
Описан способ сохранения требуемой степени повышения давления в центробежном компрессоре автономной малоразмерной замкнутой газотурбинной установки при переходе на более легкие рабочие тела посредством изменения геометрии лопатки рабочего колеса с сохранением меридионального обвода и основных размеров. Использование легких рабочих тел, имеющих большие значения газовой постоянной, приводит к ограничению частоты вращения рабочего колеса турбины, что в одновальной замкнутой газотурбинной установке создает проблемы в получении требуемого напора центробежного компрессора. Проведен анализ влияния конструктивного угла при выходе b2л на характеристики рабочего колеса и ступени в целом путем сопоставления характеристик, полученных математическим моделированием. Представлена методика перепрофилирования существующих рабочих колес с лопатками, загнутыми против вращения при выходе, в рабочие колеса с лопатками, загнутыми по вращению. В результате анализа нескольких рабочих колес с лопаточным углом выхода b2л = 105° определена оптимальная геометрия колес и построена ее характеристика. Выполнено сравнение течения в рабочих колесах центробежной ступени, полученных расчетным методом контрольных объемов. Представлены результаты экспериментальных и расчетных исследований течения в ступени, состоящей из рабочего колеса с углом выхода b2л = 65°, безлопаточного диффузора и выходной системы. Приведена расчетная ветвь характеристики рабочего колеса с b2л = 105°. Проанализировано влияние конструктивного угла при выходе на характеристики рабочего колеса и ступени в целом.