Двигуни внутрішнього згоряння

УДОСКОНАЛЕННЯ МАТЕМАТИЧНОГО ОПИСАННЯ ТЕПЛОФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ АЛЬТЕРНАТИВНИХ МОТОРНИХ ПАЛИВ НА ОСНОВІ МОДИФІКОВАНОЇ ТЕРМОДИНАМІЧНОЇ ТЕОРІЇ ЗБУРЕНЬ. ЧАСТИНА 2

Fri, 15 Sep 2023 00:00:00 +0300

У дослідженні, метою якого було вдосконалення математичного апарату на основі модифікованої термодинамічної теорії збурень для описання теплофізичних характеристик альтернативних моторних палив зі сферичною конфігурацією взаємодіючих структурних елементів та довільного агрегатного стану, послідовно виконано побудову формальної схеми модифікованої теорії збурень, надано описання основних характеристик модельної системи, описано параметри потенціалів взаємодії компонентів альтернативного палива, отримано розрахунком теплофізичні властивості компонентів альтернативного палива, здійснено розрахунок термодинамічних властивостей компонентів альтернативного палива, проаналізовано та проілюстровано у виді ізотерм діаграм фазової рівноваги та таблиць даних із результатами розрахунку термодинамічних характеристик альтернативного палива та їх аналіз. Об`єктом дослідження є теплофізичні характеристики традиційних, альтернативних та сумішевих моторних палив, що перебувають у рідинному чи газоподібному агрегатному стані. Предметом дослідження є математичний апарат на основі модифікованої теорії збурень для описання теплофізичних характеристик моторних палив. Наукова новизна результатів дослідження полягає в тому, що вдосконалено математичний апарат на основі модифікованої термодинамічної теорії збурень для вичерпного описання всіх теплофізичних характеристик моторних палив будь-якого генезису, тобто традиційних, альтернативних та сумішевих, які перебувають як у рідинному, так і в газоподібному агрегатному стані, у частині зменшення часу розрахунку та зниження похибки отримання теплофізичних характеристик порівняно з довідниковими та експериментальними даними. Практичне значення результатів дослідження, полягає у тому, що вдосконалений математичний апарат придатний для надання точної інформації до складу набору вихідних даних у дослідженнях щодо виробництва, зберігання, перевезення, дистрибюції, використання моторних палив будь-якого генезису, які перебувають у різних агрегатних станах, а також прогнозування перебігу та результатів процесів забруднення атмосфери газоподібними продуктами повного й неповного горіння компонентів палив у камерах згоряння теплових машин різного типу.

ДЕЯКІ ПИТАННЯ ОЦІНКИ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ СУДЕН В УМОВАХ ЕНЕРГЕТИЧНОГО ПЕРЕХОДУ У ВНУТРІШНЬОМУ СУДНОПЛАВСТВІ

П.С. Суворов, Т.В. Тарасенко, В.І. Залож — Fri, 15 Sep 2023 00:00:00 +0300

Досліджується проблема оцінки енергоефективності внутрішнього судноплавства. Дослідження зосереджені на аналізі сучасного стану та досягненні цілей переходу до еконавігації. Підкреслюється важливість розробки нових стратегій та рішень для підвищення ефективності судноплавства в умовах енергетичного переходу. Аналізуються існуючі методики та підходи до вимірювання ефективності споживання палива та викидів CO₂, а також вплив енергоефективних технологій на судноплавні системи. Звертається увага на використання альтернативних палив та оптимізацію швидкості як способи зниження споживання палива та викидів. Особлива увага приділяється дунайському судноплавству, де для перевезення вантажів використовуються великотоннажні каравани. Аналізуються технологічні особливості цього виду перевезень та навігаційні умови, що можуть впливати на енергоефективність суден. Пропонуються заходи для покращення ефективності судноплавства. Автори пропонують новий підхід до формування індексу енергоефективності, який враховує специфіку судноплавства, а саме великотоннажні каравани та умови навігації. Цей підхід дозволяє визначити рівень енергоефективності суден у контексті енергетичного переходу, не обмежуючись лише вимірюванням викидів CO₂. Зазначається, що недостатня забезпеченість навігаційних умов може впливати на енергоефективність суден, зокрема шляхом збільшення опору води та необхідності використання більшої потужності для руху. Автори розглядають можливість застосування нових технологій та рішень, які допоможуть знизити споживання палива та покращити енергоефективність суден у таких умовах та пропонують нові підходи до вимірювання та оцінки енергоефективності судноплавства. У результаті проведених досліджень запропоновано підхід до трансформації форми індексу енергоефективності для суден внутрішнього плавання, який дозволяє уникати обмежень вимірювання лише викидів CO₂ і надає можливість комплексного оцінювання енергоефективності суден. Запропонований підхід сприятиме більш точній оцінці та порівнянню різних суден в контексті енергетичного переходу, дозволяючи враховувати їхню продуктивність та витрати палива в реальних умовах судноплавства. Результати дослідження можуть бути корисними для вчених та фахівців у галузі внутрішнього судноплавства для розробки ефективних стратегій та політик з питань зменшення викидів парникових газів та поліпшення енергоефективності суден.

ОСОБЛИВОСТІ МЕТОДУ ВИЗНАЧЕННЯ ВИТРАТИ ПАЛИВА ТА ВИКИДІВ ШКІДЛИВИХ РЕЧОВИН ДВИГУНІВ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ З СИСТЕМАМИ ПОДАЧІ БЕНЗИНУ І ГАЗУ (ДВИГУН З СИСТЕМАМИ ПОДАЧІ БЕНЗИНУ І ЗРІДЖЕНОГО НАФТОВОГО ГАЗУ)

Fri, 15 Sep 2023 00:00:00 +0300

Застосування системи теплової підготовки транспортного двигуна на основі теплового акумулятора фазового переходу дозволяє суттєво знизити витрати палива та викидів шкідливих речовин. В той же час використання систем теплової підготовки для транспортних засобів, працюючих на бензині і зрідженому нафтовому газі, і оцінювання витрати палива та викидів шкідливих речовин в умовах експлуатації не проводилось. В статті розглядаються особливості формування методу визначення витрати палива та викидів шкідливих речовин двигунів транспортних засобів з системами подачі бензину і газу, які оснащені системою теплової підготовки з використанням теплового акумулятора фазового переходу. Виконаний аналіз методів оцінювання витрати палива та викидів шкідливих речовин двигунів з урахуванням формування в умовах експлуатації теплової підготовки. Розроблений алгоритм визначення та оцінювання окремих критеріїв забезпечення в умовах експлуатації теплової підготовки транспортного двигуна. Удосконалено метод розрахунку витрати палива і викидів шкідливих речовин у відпрацьованих газах транспортних засобів з двигунами, переобладнаними для роботи на газовому паливі, оснащені тепловим акумулятором фазового переходу, саме в процесах передпускової і післяпускової теплової підготовки. В результаті реалізації розробленого методу визначення витрати палива та викидів шкідливих речовин двигунів транспортних засобів з системами подачі бензину і газу підтверджено можливість визначення суттєвого зниження в умовах експлуатації часових параметрів теплової підготовки (прогріву) двигуна транспортного засобу і зниження витрати палива (бензин / газ) на прогрів.

ОЦІНКА ТЕПЛОНАПРУЖЕНОГО СТАНУ ПОРШНІВ ДВЗ З УРАХУВАННЯМ ПОРОГУ ПОВЗУЧОСТІ ЇХ БІЧНОЇ ПОВЕРХНІ

А. П. Марченко, О. Ю. Ліньков, В. В. Пильов, С. В. Ликов — Fri, 15 Sep 2023 00:00:00 +0300

При створенні нових конструкцій двигунів до них висувають усе більш жорсткі вимоги щодо показників питомої потужності та надійності при забезпеченні сукупності інших експлуатаційних показників. Застосування нових конструктивних рішень або перехід на інший матеріал поршня дозволяє значно підвищити можливий рівень форсування двигуна. Це вимагає обов’язкового аналізу теплонапруженого стану конструкції. Саме такий аналіз може показати, чи буде ефективним те чи інше конкуруюче рішення. Дане дослідження показує можливу ефективність застосування певних конструктивних заходів. За об’єкт дослідження прийнято поршень дизеля 4ЧН12/14. Рівні форсування відповідали 20-30 кВт/л. Виконано моделювання температурного та теплонапруженого станів поршня у двох конструктивних виконаннях і для двох матеріалів – сплавів АЛ25 та АК4. Рівень термічних напружень конструкції встановлено в пружній постановці. Отриманні дані дозволяють проводити аналіз стану поршнів і робити висновки на основі концепції гарантованого забезпечення надійності. Проведено аналіз температурного стану у зоні кромки камери згоряння поршня та у зоні канавки під перше поршневе кільце, де можлива втрата фізичної надійності конструкції. Оцінено поріг повзучості матеріалів бічною поверхнею поршня. При аналізі були використані раніше визначені нами межі повзучості матеріалів, що досліджувались. Пояснено факти появи натирів на поршнях в початковий період їх навантажень на основі перевищення порогу повзучості незміцненого матеріалу. Показано, що перевищення порогу повзучості незміцненого матеріалу поршня може мати місце, коли за критеріями температурного стану кромки камери згоряння, зони першого компресійного кільця та порогу повзучості зміцненого матеріалу конструкція є працездатною. За результатами багатоваріантного аналізу зроблено висновки щодо працездатності конкуруючих конструкцій поршня при граничних рівнях форсування дизеля.

ОБҐРУНТУВАННЯ СКЛАДУ ПНЕВМАТИЧНОЇ СИСТЕМИ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО БАГАТОКОНТУРНОГО ОХОЛОДЖЕННЯ ДЕТАЛЕЙ АВТОТРАКТОРНОГО ДИЗЕЛЯ

О. В. Триньов, Д. Г. Сівих — Fri, 15 Sep 2023 00:00:00 +0300

Серія моторних стендових та безмоторних експериментів, проведених на кафедрі двигунів та гібридних енергетичних установок НТУ «ХПІ», показали високу ефективність локального повітряного охолодження теплонапружених деталей ДВЗ, зокрема деталей випускного клапанного вузла газорозподільного механізму в автоматизованому режимі. Однак, в проведених випробуваннях використовувався стаціонарний повітряний компресор з живленням від електромережі ~220 В з накопиченням повітря у балоні великої місткості. Реалізація системи локального охолодження на енергетичних установках, в основному потужних вантажних автомобілів, потребує включення в систему автоматичного керування охолодження автономного, встановленого на транспортному засобі пневматичного компресора з електроприводом із живленням від бортової електромережі та накопиченням повітря у ресивері з компактними розмірами.

Проведено огляд конструктивних рішень та аналіз компонентного складу пневматичних систем автотракторних транспортних засобів. Розглянуті вимоги щодо якості та безпеки пневматичних систем транспортних засобів та їх елементів. Наведені технічні характеристики повітряних компресорів. Обрано схему пневматичної системи локального багатоконтурного охолодження деталей автотракторного дизеля. На прикладі обраного повітряного компресора з електричним приводом Maximum Performance 24V компанії ARB (Австралія) виконані оціночні розрахунки часу роботи до робочого тиску у ресивері 10 бар. Визначене електричне навантаження на бортову мережу 24 В транспортного засобу у вигляді витрати струму в середньому за цикл наповнення. Визначений максимальний струм споживання компресором, дана оцінка витрати струму за годину за умови сумірного чередування циклів наповнення ресивера та його спустошення.

ПРОФІЛЮВАННЯ ЗОВНІШНЬОЇ ПОВЕРХНІ ПОРШНЯ

О.В. Білогуб — Fri, 15 Sep 2023 00:00:00 +0300

Поршень є однією з головних ресурсоємних і наукомістких частин двигуна внутрішнього згоряння. Його конструкція суттєво впливає практично на всі показники досконалості енергетичної установки з ДВЗ в цілому. Профіль, що правильно спроектовано – є основним параметром, що дозволяє двигуну дути безпечним при перших запусках. Розробка, виробництво та використання поршнів на первинному та вторинному ринках збуту неможливі без проведення відповідних наукових досліджень, які дозволять підвищити конструкторські та технологічні можливості для усіх зацікавлених осіб. Поршні для бензинових ДВЗ легкових автомобілів і надалі домінуватимуть на ринках, що пов’язане з екологізацією транспорту в цілому. Це підкреслює важливість досліджень щодо вдосконалення поршнів ДВЗ з примусовим запалюванням. Раціональне профілювання зовнішньої поверхні є важливою задачею вдосконалення конструкції поршня. Наведено схему технології створення конструкції, що була прийнята в АТ «АВТРАМАТ» (Харківський завод «Поршень») як стандарт підприємства по якому і створювалися поршні, що потім поставлялися на заводи двигунобудівної галузі і в запчастини. Проаналізовано профілі бічних поверхонь поршнів автомобільних ДВЗ, що спроектовані і втілені у виробництво. Аналіз проведено для поршнів діаметром від 72 до 100 мм і висотою від 45 до 73 мм. Показано, що наведені профілі бічних поверхонь в цих поршнях геометрично подібні як вздовж так і перпендикулярно його осі. Показано, що геометрична форма профілю може бути описана поліномами 3-го і 4-го ступеню, що дає можливість простого подальшого використання. При проектуванні профілів майбутніх конструкцій це може бути використано. Наведено формули і алгоритм, за яким можливо розрахувати зовнішній профіль поршнів автомобільних поршневих ДВЗ за 2-ма параметрами – діаметром і висотою.

ЗАСТОСУВАННЯ ЛИТТЯ ВАКУУМНИМ ВСМОКТУВАННЯМ ЗАЛІЗО-ВУГЛЕЦЕВИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ДЕТАЛЕЙ ДВИГУНІВ

Fri, 15 Sep 2023 00:00:00 +0300

Застосування технології лиття вакуумним всмоктуванням залізо-вуглецевих сплавів для виробництва деталей двигунів внутрішнього згоряння дасть підвищення їх якості та зносостійкості, збереження металу, зменшення викидів. Технологія широко використовується для кольорових сплавів. В той же час вимагає ретельної науково-практичної підготовки її впровадження для залізо-вуглецевих сплавів (включаючи чавуни) в сучасному двигунобудуванні. Проблемні задачі постають при удосконаленні пневмосистеми вакуумного всмоктування (великі обсяги газовиділення), стійкості металопроводу (термічне перенавантаження в високотемпературному розплаві чавуну), стабілізації мікроструктури виливка (високошвидкісна кристалізація). Автори пропонують для металопроводу використовувати спеціалізований титановий сплав ВТ3-1, для якого в статті обраховано теплові навантаження при циклічній роботі в режимі “заглиблення – виймання” за використання чавунів марки СЧ25 та ВЧ50-1,5. Для надійної роботи металопроводу та відсутності утворення затвердіння розплаву на його внутрішній поверхні, була розроблена методика теплового розрахунку, яка дозволяє визначити час відводу теплоти перегріву розплаву згідно з діаметром металопроводу. Пневмосистему вакуумної установки доповнено запатентованим газоструминним ежектором, який в поєднанні з потужною цеховою системою стисненого повітря забезпечує повне газовідведення. Застосовуючи розроблений закон зміни розрядження між атмосферним тиском і тиском у порожнині форми автори статті регулюють швидкість кристалізації виливків, що дозволяє формувати в мікроструктурі значно дрібніші фази перліту та зменшувати присутність фериту. На підприємстві ТДВ “Первомайськдизельмаш” за технологією вакуумного лиття отримані заготовки направляючих втулок клапанів двигуна 6ЧН25/34 з чавунів СЧ25 та ВЧ50-1,5 а також маслоти поршневих кілець з чавуну ВЧ50-1,5. Отримані деталі показали підвищений ресурс на 15-30%. Технологію вакуумного лиття рекомендовано для залізо-вуглецевих сплавів при виробництві деталей двигунів.

РОЗШИРЕНІ МЕТОДИ ДІАГНОСТИКИ ДЛЯ СУДНОВИХ ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНІВ: ДОСЯГНЕННЯ ВІДПОВІДНОСТІ IMO ЩОДО ДЕКАРБОНІЗАЦІЇ

Fri, 15 Sep 2023 00:00:00 +0300

У цій роботі розглядаються апаратно-програмні методи для моніторингу робочих параметрів морських дизельних двигунів та методи математичного моделювання в режимі он-лайн (цифрові двійники) для розрахунку викидів СО₂, NO_x, сажі та інших шкідливих забруднювачів. Демонструється, що вимірювання та аналіз вібраційних діаграм двигуна паралельно з діаграмами газового тиску у циліндрах дозволяє оцінити фактичний час подачі палива та розподіл газів. Отримані дані використовуються для уточнення математичної моделі робочого процесу двигуна, яка визначає показники двигуна та його потужність, а також викиди шкідливих речовин, що потрібно контролювати відповідно до поточних вимог Міжнародної морської організації (IМО). Автори набули досвіду використання розглянутих апаратно-програмних методів для діагностики морських двигунів під час експлуатації. Описані апаратні та програмні методи були впроваджені у систему реального часу для діагностики морських двигунів. Система розроблена на основі сучасного двохядерного контролера з високою продуктивністю та низьким споживанням енергії, що включає в себе високошвидкісний АЦП, здатний моніторити робочий процес з роздільною здатністю 0,1 градуса обертання колінчастого вала для всіх типів морських головних та допоміжних двигунів. Система також використовує бездротову технологію передачі даних. Сучасний смартфон або планшет на платформі Android/iOS є обчислювально-графічною частиною системи. Ця система реального часу дозволяє використовувати всі переваги паралельного аналізу тиску та віброакустичного аналізу, включаючи визначення ключових робочих параметрів, визначення положення верхньої мертвої точки та оцінку фаз подачі палива та розподілу газів. Крім того, вона використовує переваги використання цифрового двійника – он-лайн математичної моделі робочого процесу циліндра двигуна. Зазначені рішення покращують якість діагностики та, в кінцевому підсумку, підвищать ефективність експлуатації морських двигунів, зменшуючи витрати на їх експлуатацію та збільшуючи період безвідмовної роботи.