Двигуни внутрішнього згоряння

НАУКОВО-ТЕХНІЧНИЙ І ВИРОБНИЧИЙ ПОТЕНЦІАЛ УКРАЇНИ ЩОДО ВИГОТОВЛЕННЯ НАУКОЄМНОЇ ПРОДУКЦІЇ ДИЗЕЛЕБУДУВАННЯ

О.В. Грицюк — 2024-09-02

В даній роботі зроблена спроба надати оцінку перспектив розвитку автомобільного дизелебудування в Україні, наявності та збереження науково-технічного і виробничого потенціалу для продовження виготовлення наукоємної продукції цієї вітчизняної підгалузі в сучасних умовах. На думку авторів виробники транспортних засобів в Україні швидко знайшли підтримку Держави щодо питання включення відносно найскладніших структурних одиниць конструкції автомобіля – двигуна і шасі, до переліку імпортних комплектуючих, так як виготовлення цих деталей вимагає високотехнологічних процесів із забезпеченням виготовлення деталей з низьким квалітетом. Висловлено і інші особисті думки авторів з приводу причин відсутності у складовій сучасного вітчизняного автомобілебудування виготовлення саме джерел енергії, що забезпечують економічний розвиток країни та вважаються наукоємною продукцією. За результатами виконаного дослідження встановлено, що перелік розробок вітчизняного автомобільного дизелебудування за останні роки простягається від доведеного до впровадження у серію двоциліндрового дизеля чотириколісного мотоциклу ЗІМ-800Д і мікрокар ЗІМ-1901 та ЗІМ- 1902 до конструкторської документації сучасного шестициліндрового дизеля 6ДТНА2 з чотириклапанною головкою блоку циліндрів і електронною системою упорскування палива. Як приклад спроможності вітчизняного виробничого потенціалу відпрацьовано технологію виробництва головки циліндрів чотирициліндрового дизеля 4ЧН 8,8/8,2 з залученням наявного виробничого ресурсу та використанням імпортних комплектуючих. Такий підхід дозволяє суттєво скоротити час на виготовлення та підготовку виробництва елементів конструкції двигуна вітчизняного виробництва, що є представником потужнісного ряду «Слобожанський дизель».

ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГІЙ IIoT В СИСТЕМАХ МОНІТОРИНГУ ТА КЕРУВАННЯ ДВИГУНОМ

О.Ю. Ліньков — 2024-09-11

Визначення параметрів роботи систем двигуна є дуже важливим для забезпечення його тривалої надійності. У сучасних енергетичних установках використовується велика кількість сучасних електронних компонентів (датчиків, контролерів та інше). Всі системи генерують величезний об'єм даних, які треба відслідковувати, обробляти та аналізувати, що в свою чергу створює виклики до шлюзів та серверів. Однак сучасний стан розвитку мікроконтролерів та їх потужність дозволяють використовувати туманні обчислювання, що може привести до більш ефективного використання, як енергетичної установки, так і систем передавання даних. Також використання сучасних мікроконтролерів та туманних обчислень дозволяє модернізувати старі енергетичні установки з мінімальними зусиллями та створювати нові інформаційні вузли моніторингу стану вузлів та систем двигуна та з легкістю поєднувати їх з вже існуючими на двигуні системами. Розглянуто вибір мікроконтролера та обґрунтування його типу для модернізації паливної системи дизельного двигуна. В паливній системи високого тиску дизельних двигунів відбуваються швидкоплинні процеси, які можна визначати по зміні тиску палива. Для детального вимірювання процесів в паливній системі вимірювання треба проводити з частотою не менше ніж 24 кГц, тобто: якщо частота обертання колінчастого валу буде 4000 хв^-1, то треба проводити 24 000 вимірювань кожну секунду (при реєстрації даних через 1 градус повороту колінчастого валу). Інший показник, що накладає свої вимоги це розрядність аналого-цифрового перетворювача (АЦП), що залежить від діапазону значень що реєструють. Наприклад, АЦП, що має розрядність 8 бітів, здатний видати 256 дискретних значень (0…255). Тобто чим вище розрядність тим більш чутливий до змін сигналу перетворювач і 8 бітів може бути недостатньо. Таким чином навіть невелика кількість датчиків може створювати величезний об’єм даних. Передавання великих об’ємів даних є нераціональним і може призводити до втрати даних і «засмічення» каналів передавання, що ставить виклик до обчислювальних характеристик мікропроцесора.

АВТОМАТИЗАЦІЯ ВИМІРЮВАНЬ ТЕПЛОВИХ ВИТРАТ ДВИГУНА В СИСТЕМИ ЗМАЩЕННЯ ТА ОХОЛОДЖЕННЯ

О.В. Триньов — 2024-09-02

Представлені результати проміжного етапу дослідження процесів теплообміну в швидкохідних дизелях автотракторного типу на перехідних режимах скидання-накиду навантажень, які є характерними для дизелів цього типу. На таких режимах спостерігаються, як засвідчують результати розрахунків теплонапруженого стану деталей, що формують об’єм камери згоряння, зокрема поршнів, випускних клапанів газорозподільного механізму, значні закиди розтягувальних і стискаючих напружень у порівнянні з роботою на усталених режимах.

Саме це є причиною виникнення дефектів у вигляді тріщин на теплообмінних поверхнях зазначених деталей, обмежує моторесурс двигунів автотракторного типу. Для більш детального вивчення перехідних процесів, як основний підхід, пропонується використання загальновідомої методики теплобалансних випробувань швидкохідного дизеля, але з залученням засобів автоматизованої обробки результатів вимірювань в цифровій формі на усталених і перехідних режимах. Основну увагу пропонується зосередити на витратах теплоти – складові теплового балансу в системи змащення та охолодження. Без використання автоматизованої обробки інформації безпосередньо в моменти протікання перехідних режимів скидання-накиду навантаження отримання такої інформації по системам охолодження і змащення є неможливим. Запис перехідних теплообмінних процесів дає можливість відслідковувати вплив режимних параметрів двигуна, динаміки перехідного процесу в залежності від його тривалості, початкового і кінцевого усталеного режимів, між якими досліджується перехід. В цілому, таким чином, можна оцінювати пристосованість систем охолодження та змащення до відведення теплоти при різких змінах навантаження, уникати, або ж хоча б обмежувати зростання термічних напружень. В публікації наведено можливий варіант схемного рішення такої системи автоматизованої обробки результатів теплобалансних випробувань з максимальним залученням обладнання, яке випускається серійно і вже використовувалося раніше при проведенні теплобалансних випробувань.

ПЕРЕВАГИ ТА ОСОБЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ЦИФРОВИХ ДВІЙНИКІВ ДЛЯ СТАЦІОНАРНИХ ГАЗОВИХ ДВИГУНІВ

Д.І. Іванов — 2024-09-02

На даний момент у світі відсутня масова альтернатива енергетичним установкам основу яких складають двигуни внутрішнього згоряння. Такі енергетичні установки на цей час повністю освоєні у виробництві, вони – мобільні, не громіздкі, не залежать від погодних умов (наявність вітру і течії, як цього вимагають вітрові та гідроелектростанції). Різноманітність та доступність палива також є дуже великою перевагою використання двигунів внутрішнього згоряння. З іншого боку, двигуни є джерелом тепла, шуму та хімічного забруднення, а працюючи на викопних видах палива, вони сприяють негативним кліматичним змінам на планеті, тому питання підвищення паливної, економічної та екологічної ефективності в експлуатації двигунів на транспортних засобах є актуальним. З швидким розвитком інформаційних технологій в наш час є можливість створити досконалу систему керування стаціонарними двигунами, використовуючи технологію цифрових двійників, яка в майбутньому змогла б взяти на себе повністю задачу керування установкою з мінімальним втручанням людини, виключивши ефект людського фактору і тим самим збільшити ресурс та ефективність використання силового агрегату. Завдання полягає в тому, щоб за допомогою системи прогнозування оцінити реальний технічний стан двигуна і на основі одержаних даних встановити оптимальні терміни технічного обслуговування, а також запобігти можливим аваріям, які тягнуть за собою дорогий ремонт, або навіть повну заміну агрегату. Така система була б актуальна для великих, вартісних стаціонарних машин, задіяних в будь-яких технологічних процесах, де простій агрегату тягне за собою фінансові втрати, пов'язані з припиненням того чи іншого виробничого процесу. Представниками цього типу електростанцій є газові двигуни – приводи для дотискувальних або свердловинних газових компресорів, газогенераторів, що працюють на звалищному газі або біогазі.

ВИКОРИСТАННЯ ПЛАТФОРМИ ARDUINO ПРИ ДОСЛІДЖЕННІ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

С.С. Кравченко — 2024-09-02

Сучасна вимірювальні системи, що використовуються при дослідженні двигунів внутрішнього згоряння потребують значних інвестицій. Універсальна платформа Arduino, пропонує готові потужні апаратні модулі збору даних (шилди) та управління, які працюють у широкому діапазоні частот і амплітуд сигналів, забезпечують їх аналіз і обробку, дозволяють реалізовувати управління обладнанням, а також мають порівняно не високу вартість та безкоштовне програмне забезпечення з стандартними бібліотеками. Вказані факти свідчать за високу актуальність використання платформи Arduino при дослідженні двигунів внутрішнього згоряння. Метою даної роботи є визначення можливостей та особливостей використання програмно-апаратної платформи Arduino при дослідженні процесів, що відбуваються в енергетичних силових установок із двигунами внутрішнього згоряння, раннього прототипування їх систем керування та діагностування. В роботі розглянуто можливість апаратного та програмного підключення датчиків вимірювання основних фізичних величин до платформи Arduino: частоти обертання колінчастого валу (на основі індукційних датчиків та датчиків Холла), тиску, витрати повітря та палива, температур (датчиків опору та термопар). Крім того, наведені характеристики (залежність вимірювального параметру від вихідної величини) деяких популярних датчиків, що використовуються при дослідженні двигунів внутрішнього згоряння. Важливо враховувати, що обладнання, яке використовується для дослідження процесів в ДВЗ, повинно відповідати вимогам сертифікації. У випадку з Arduino ця сертифікація може бути відсутньою. Однак рекомендації щодо використання різних датчиків, шилдів та плат Arduino можна застосовувати, якщо вимірювальна величина не є визначальною. Важливо враховувати ці обмеження та використовувати Arduino з розумінням можливостей та обмежень платформи. Використання Arduino у навчальному процесі при підготовці фахівців в галузі енергетичного машинобудування та при дослідженнях енергетичних установок транспортних засобів дозволить надати студентам можливість застосувати знання, вміння та навички, набуті у процесі навчання, на апаратному та програмному рівнях, що створить додаткову мотивацію до подальшого вивчення пристрою та принципів роботи автоматизованих та автоматичних систем керування транспортних засобів.

УДОСКОНАЛЕННЯ ЕМПІРИЧНОЇ МОДЕЛІ ГРАНИЧНИХ УМОВ ТЕПЛООБМІНУ ПОРШНЯ ШВИДКОХІДНОГО ДИЗЕЛЯ

В. В. Пильов — 2024-09-02

Рівень притаманної поршням температури є фактором, який у значній мірі впливає на їх надійність. Тому в дослідницькій діяльності та під час проєктування існує потреба в моделюванні температурного стану поршня з достатньою точністю і мінімальними затратами ресурсів і часу. Розглянуто принципові підходи до визначення граничних умов задачі теплопровідності поршня на основі критерійних рівнянь, математичних моделей високого рівня і емпіричних моделей. Через простоту і зручність використання на практиці розповсюдження набули останні, їх придатність до використання обмежується певною сукупністю режимів роботи одного чи близьких за конструкцією двигунів. Для добре дослідженого дизеля 4ЧН12/14 на базі даних чотирьох серій експериментальних випробувань в роботі здійснено удосконалення існуючих емпіричних моделей граничних умов, придатних для ідентифікації температурного стану поршня лише в межах окремих серій. Виконано обробку сукупності даних щодо виміряних температур в контрольних зонах поршня і знайдено лінійні апроксимуючі функції, що задовільно описують вплив потужності дизеля на зазначені температури. Запропонована модель граничних умов для сукупності вісімнадцяти окремих областей на поверхнях поршня, що враховує залежність його температурного стану від ефективної потужності ДВЗ, кута випередження впорскування палива і умов охолодження поршня оливою. Вплив шару теплоізоляції на вогневому денці поршнів на умови теплообміну було враховано шляхом введення в граничні умови додаткового термічного опору. Ця модель дозволила отримати шляхом математичного моделювання температурне поля поршня, що узгоджується з результатами усіх серій експериментів в контрольних зонах периферії, кромки камери згоряння поршня, зони канавки першого поршневого кільця, на поверхні охолодження під денцем камери згоряння та на спідниці поршня. Продемонстровано роль повільної зміни температури оливи і охолоджуючої рідини при переході ДВЗ з одного режиму роботи на інший на температурний стан поршня. При аналізі впливу перехідних процесів навантаження дизеля рекомендовано враховувати температуру оливи з будь-якого попереднього режиму роботи.

ЕФЕКТИ ПРИ ДИСКРЕТНО-КОНТИНУАЛЬНОМУ ЗМІЦНЕННІ ЕЛЕМЕНТІВ МАШИН

М.М. Ткачук — 2024-09-02

У роботі описані підходи до вирішення проблеми оперативного та ефективного підвищення технічних і тактико-технічних характеристик машин військового та цивільного призначення: танків, бронемашин, тепловозів, турбодетандерних електростанцій, установок автономного живлення стратегічних об’єктів тощо. Із цією метою розвиваються принципово нові методи зміцнення контактуючих елементів машин. Ці методи поєднують переваги дискретних та континуальних методів зміцнення, які натепер значним чином вичерпали свої можливості. Якісні особливості та переваги запропонованих дискретно-континуальних методів зміцнення потребують ефективної реалізації. Мова йде про обґрунтування прогресивних технічних рішень за критеріями міцності та довговічності. Задля цього удосконалюватиметься методологія багатокритеріального синтезу у розширеному просторі проєктно-технологічних параметрів. Крім того, як базу для обґрунтування прогресивних технологічних рішень формується комплекс зв’язаних задач аналізу напружено-деформованого стану, тертя та зношування. Отже, на основі удосконаленого системного підходу досягається значно вищий рівень міцності та довговічності зміцнюваних деталей конструкцій, ніж за традиційними методиками. Проілюстровані результати розв’язання тестових задач. У кінцевому результаті узагальнені мікромакромоделі для визначення сумісного впливу конструктивних та технологічних чинників, мікроструктури, фізико-механічних властивостей матеріалів зміцнених шарів на контактну взаємодію і напружено-деформований стан представницьких фрагментів системи дискретно-континуально зміцнених тіл. Установлені результати аналізу сумісного впливу конструктивних та технологічних чинників, мікроструктури, фізико-механічних властивостей матеріалів зміцнених шарів на контактну взаємодію і напружено-деформований стан тестових представницьких фрагментів системи дискретно-континуально зміцнених тіл. При цьому установлено суттєвий вплив властивостей зміцнюваних шарів на міцність контактуючих тіл.

ВИБІР ПАРАМЕТРІВ ГАЗОВОГО ЗМІШУВАЧА ДЛЯ КОНВЕРСІЇ ДИЗЕЛЬНОГО МОТОР-ГЕНЕРАТОРА У ГАЗОДИЗЕЛЬНИЙ

А.М. Лєвтєров — 2024-09-02

За літературними джерелами проаналізовано варіанти конверсії дизелів у двопаливні двигуни для роботи на будь якому горючому, зокрема, природному газі (ПГ). Метод конверсії з зовнішнім сумішоутворенням і запальною дозою рідкого палива передбачає підготовку газоповітряної суміші необхідного складу у спеціальному пристрої. Наведено методику вибору конструктивних параметрів газового змішувача для організації робочого процесу V-подібного дизельного двигуна типу 12Ч 15/17,5, конвертованого у газодизельний, який працює у складі мотор-генераторної установки резервного енергоживлення. Проаналізовано базову конструкцію - дизельного мотор-генератора. Проведено порівняльний розрахунок робочих процесів дизельного та газодизельного варіантів виконання (з запальною дозою дизельного палива 10%). Сформовано вимоги до конструкції та місця розташування газового змішувача. В роботі, з використанням технологій 3D моделювання, сформовано геометрію газового змішувача та його проточну частину. З використанням методу кінцевих об’ємів було синтезовано розрахункову сітку та проведено її адаптацію поблизу твердих стінок. Далі у тривимірній постановці було проведено серію чисельних експериментів з оцінки пропускної здатності та якості змішування мережевого метану з повітрям (при роботі на характерних експлуатаційних режимах). Оцінено розподіл швидкостей потоку у вертикальній та горизонтальній площинах проточної частини газового змішувача, проаналізовано зміну тиску по висоті газового змішувача і розподіл масової частки метану у проточній частині впускного тракту двигуна та розроблено науково-практичні рекомендації з забезпечення ефективної роботи газодизеля у складі мотор-генераторної установки. Показано, що запропонована конструкція газового змішувача дозволяє проводити ефективне змішування метну з повітрям при роботі у всьому діапазоні потужності розглянутого двигуна. Використання технологій 3D моделювання, з використанням сучасних чисельних методів, дозволяє оцінити умови роботи змішувача по макро показникам та в локальних підобластях, що дозволяє, в подальшому, розробити рекомендації по підвищенню ефективності процесу приготування паливоповітряної суміші.

КОМБІНОВОНА СИСТЕМА НАДДУВУ ВІТЧИЗНЯНОГО ВИСОКОФОРСОВАНОГО ДВОТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

А.В. Савченко — 2024-09-02

модернізації існуючих зразків. Впровадження форсованого до 1100 кВт дизеля типу ДН дозволяє підвищити ефективність та привести техніку у відповідність сучасним вимогам за короткий час і з меншими витратами. Ключовим методом удосконалення є модернізація системи наддуву, яка підвищує потужність без збільшення габаритів та маси двигуна, а також покращує техніко-економічні характеристики. Запропоновано комбіновану систему наддуву з турбокомпресором низького тиску (КНТ) та привідним компресором високого тиску (КВТ), які працюють спільно або окремо в залежності від режиму роботи. Використання математичної моделі робочого процесу дозволило провести розрахунково-експериментальне дослідження запропонованої системи на режимах максимальної потужності та максимального крутного моменту, підтверджуючи її високу ефективність. Застосування сучасних технологій та матеріалів, а також впровадження інноваційних методів проектування і моделювання дозволяє створювати більш надійні та довговічні силові агрегати. Модернізація системи наддуву є одним з найважливіших напрямків у розвитку сучасного двигунобудування, який дає змогу досягти підвищення рівня питомої потужності, покращення паливної економічності та екологічних характеристик двигунів шляхом забезпечення оптимальних умов їх функціонування в різних умовах експлуатації та в широкому діапазоні режимів роботи. В роботі наведено результати дослідження запропонованої схеми двоступеневого наддуву дизеля типу ДН, що дає змогу досягти потужності 1100 кВт. Показано, що дана схема має переваги над традиційною, оскільки дає змогу забезпечити більш високий тиск наддуву в більш широкому діапазоні частот обертання колінчастого валу, а також зменшити витрати потужності від колінчастого валу на привід компресору на режимах, що близькі до номінальних. Вказані вище фактори в сукупності обумовлюють суттєве покращення характеристик дизеля в цілому завдяки впровадженню системи двоступеневого наддуву.

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ СУМІШОУТВОРЕННЯ В ДВОТАКТНОМУ ДИЗЕЛЬНОМУ ДВИГУНІ

А.Г. Лал — 2024-09-02

Українське двигунобудування відіграло значну роль у створенні, виробництві, підвищенні ефективності двотактних дизелів із зустрічно-протилежно рухомими поршнями і забезпеченні ними найбільш високих показників із літрової та габаритної потужності. Результати виконаних на кафедрі ДтаГЕУ НТУ «ХПІ» досліджень вказають на існуючі резерви з подальшого вдосконалення, забезпечення показників світового рівня та формування перспективних характеристик двотактних дизельних двигунів серії 6ДН12/2х12. Подальші розробки із забезпечення нового рівня потужності не можуть бути втілені виключно оновленням допоміжних агрегатів та систем. Для створення перспективної енергетичної установки проблема повинна розглядатись у комплексі із розумінням фізичних та хімічних процесів, що перебігають у циліндрі двигуна. Однак двотактний цикл і особливості конструкції, що обмежують можливості проведення експериментальних досліджень двигунів такого типу, обумовлюють необхідність визначення резервів із підвищення їх ефективності. В цьому випадку актуальною науково-практичною задачею стає поширення уявлень про перебіг процесів сумішоутворення у двотактному двигуні з бічним упорскуванням палива, вирішення якої надає можливість визначення резервів підвищення ефективності згоряння в двигунах із зустрічно-протилежно рухом поршнів. За результатами виконаних досліджень запропонована математична модель, яка дозволяє означити найбільш раціональні способи організації сумішоутворення при забезпечені умови рівномірного розподілу палива у об’ємі камері згоряння. Одержані результати виконаних розрахункових досліджень є основою для розробки елементів конструкції, подальшого проведення експериментальних досліджень та впровадження заходів із забезпечення подальшого підвищення ефективності сумішоутворення двотактних дизельних двигунів серії 6ДН12/2х12 та їх модифікацій.