Совершенствование рабочих процессов дизелей и газовых двигателей

Уточнение теплового расчета, предложенного в 1906 г. В.И.Гриневецким, определение скорости распространения пламени в двигателе, исследование теплообмена, метод анализа рабочего процесса двигателя по индикаторным диаграммам и, наконец, разработка теории и создание конструкции быстроходных, короткоходных дизелей - таков далеко не полный перечень научного вклада Н.Р.Брилинга в теорию двигателей.

В 1942 г. Н.Р.Брилингом дал научное обоснование целесообразности и возможности практического применения быстроходных короткоходных (S/D<1) двигателей. При этом особое внимание было уделено развитию дизелей. Теоретические исследования показали, что выбор рациональных значений S/D определяется конструкцией дизеля (прежде всего его размерностью) и частотой вращения вала двигателя. Был дан подробный анализ возможности осуществления эффектного рабочего процесса в быстроходном дизеле и показаны основные преимущества применения дизелей с повышенной частотой вращения коленчатого вала и S/D<1.

Для проведения работ по развитию быстроходных короткоходных дизелей при Государственном научном автомобильном и автомоторном институте (НАМИ) было организовано особое конструкторское бюро (ОКБ) под руководством Н.Р.Брилинга. В результате работ ОКБ по доводке рабочего цикла и конструкции, оказалось возможным создать семейство быстроходных автомобильных дизелей "ДБ" размерности S/D=92/108 (i=4, i=6), S/D=110/125 (V6, оппозитный, i=8), мощностью от 60 до 250 кВт с неразделенной камерой сгорания (dкс/D=0,8-0,85) и впрыскиванием топлива насос-форсунками с механическим приводом.

Впервые в нашей стране на базе оппозитного двигателя ДКС создан вариант автомобильного дизеля с газотурбинным наддувом (1958 г.). Проводились также разработки двигателя с оптимизированным приводным нагнетателем и перепуском части воздуха на высоких частотах вращения в атмосферу. Был разработан одноцилиндровый короткоходный дизель с номинальной частотой вращения nном=4000 мин-1, верхним приводом клапанов и насос-форсунками.

Из научных разработок следует отметить теорию высокооборотных короткоходных дизелей, работы по снижению шумоизлучения, работы по оптимизации размеров камеры сгорания, числа и размера сопловых отверстий, энергии впрыскивания и интенсивности вихревого движения заряда, по моделированию процесса впрыскивания насос-форсунками. В этих работах, проведенных под руководством Н.Р.Брилинга, участвовали В.Н.Луканин, В.Е.Кузнецов, С.Е. Никитин, В.Ф. Водейко, А.С. Хачиян.

В развитие идей Н.Р.Брилинга профессором д-ром технических наук Макс Самойловичем Ховахом были проведены исследования рабочего цикла быстроходных дизелей с различными типами камер сгорания и при использовании топлив различного состава, разработаны методы анализа и расчета газообмена, смесеобразования и тепловыделения, создана научная школа в области рабочих процессов в быстроходных дизелях. Под его руководством (лично и в соавторстве) было подготовлено и защищено более 20 кандидатских диссертаций (И.К.Агеев, В.Н.Жабин, С.Е.Никитин, О.Гарадари, С.Кадыров, Г.М.Камфер, В.А.Корчагин, Г.И.Микерин, В.В.Родионов и др.). Авторским коллективом под его руководством были выпущены два издания учебника кафедры по теории автомобильных ДВС.

После М.С.Ховаха работы по дизелям и двигателям, использующим природный газ, ведутся под руководством проф. А.С.Хачияна научной группой, в состав которой в разное время входили В.Е.Кузнецов, В.Ф.Водейко, И.Г.Багдасаров, В.А.Родионов, Н.Н.Эсауленко, В.В.Линич, М.Маркос, В.В.Синявский, В.М.Федоров, В.В.Соколов и др. Получены следующие основные результаты.

Проведено исследование смесеобразования и тепловыделения в дизелях с наддувом и разработаны рекомендации по организации рабочего процесса автомобильных дизелей с наддувом до р_s=2,5 бар. Дана методика выбора основных размеров топливной системы дизелей с наддувом.

Установлено, что тепловая напряженность деталей дизеля с наддувом может быть существенно снижена путем увеличения диаметра камеры в поршне. Эта рекомендация использована заводами страны при создании дизелей с наддувом. Разработаны методика и пакет программ для прогнозирования характеристик дизелей и газовых двигателей с различными вариантами управляемой системы наддува, в частности, для вариантов дизеля с комбинированным наддувом и газового двигателя мощностью 200 кВт.

Совместно с работниками КамАЗ разработан, изготовлен и прошел испытания дизель мощностью 200 кВт с комбинированным наддувом и электронным управлением и перепуском на ряде режимов выпускных газов минуя турбину. Достигнуто улучшение экономичности, снижение дымности и токсичности ОГ.

Дан расчетно-экспериментальный анализ процессов смесеобразования и тепловыделения в дизелях с ограничением теплообмена и предложены и реализованы пути обеспечения высокого совершенства этих процессов при высоких температурах поверхностей внутрицилиндрового пространства.

Совместно с сотрудниками ряда других организаций (МГТУ, предприятие "Красная звезда", ХИИТ) разработаны принципы конструирования и методы расчета компаундных установок с утилизацией теплоты на базе дизеля с ограничением теплообмена. Показано, что в установке мощностью 310 кВт при использовании одной ступени утилизации и ограничении максимального давления в цилиндре дизеля величиной 13,5 МПа возможно снизить ge по внешней характеристике на 9-12 г/(кВт·ч). Установка рекомендована к реализации.

Дан расчетно-экспериментальный анализ возможностей повышения энергии впрыскивания при использовании разделенной топливной системы. Для повышения энергии впрыскивания при заданном ограничении контактных напряжений в паре ролик толкателя - кулачок рекомендованы длинноходные плунжерные пары. Эта рекомендация использована заводами страны при решении задачи снижения вредных выбросов за счет повышения энергии впрыскивания.

Проведено исследование процессов впрыскивания и распыливания метанола. Разработана на основе теории подобия методика выбора основных размеров топливной системы для впрыскивания метанола.

Начиная с 1983 г. проводились работы по аккумуляторной системе с электрогидравлическими форсунками и электронным управлением. Система в односекционном варианте была спроектирована, изготовлена и подвергнута расчетно-экспериментальному исследованию. За рубежом сведения о такой системе (под названием Common Rail System) стали появляться лишь в последние годы.

С 1986 г. начаты работы по аккумуляторной топливной системе с гидроприводными электроуправляемыми насос-форсунками и микропроцессорным управлением с непосредственным и предварительным (до начала впрыскивания) дозированием. При испытаниях они показали положительные результаты, в частности, обеспечили снижение дымности и газообразных выбросов.

Создан полностью автоматизированный двигатель-генераторный агрегат с двигателем питаемым природным газом (на базе дизеля 6Ч12/14). Разработан оригинальный газо-воздушный смеситель с симметричным потоком смеси и с практически полностью разгруженным от осевых усилий и поворотных моментов регулирующим органом. Разработка используется до настоящего времени при создании двигатель-генераторов с газовыми двигателями в системе РАО Газпром.

Проведен сравнительный анализ способов конвертации жидкотопливных двигателей в двигатели, питаемые природным газом. Для газовых двигателей с искровым зажиганием исследовано тепловыделение, влияние параметров искрового разряда, регулировок системы питания, нестабильности последовательных циклов и др.

Разработан, изготовлен (в МАДИ и на АО КамАЗ) и прошел стендовые испытания ряд экземпляров газовых двигателей. Один из двигателей установлен на автобус ЛиАЗ-5256 для проведения дорожных испытаний. При дефорсировании по мощности на 15% он без нейтрализатора удовлетворяет нормам EURO-2. Проводятся доводочные работы по образцу газового двигателя с управляемым наддувом, на котором можно обеспечить нормы EURO-3 (В.Н.Луканин, А.С.Хачиян, В.М.Федоров, В.Е.Кузнецов, В.Ф.Водейко, В.В.Сретенский, Н.С.Маловичко, С.А.Геков, И.Г.Шишлов, Р.Х.Хамидуллин). На этих двигателях используются микропроцессорные системы зажигания разработки МАДИ.

По рассматриваемым направлениям получено 13 авторских свидетельств, 4 патента России, опубликовано более 100 статей, 5 монографий. Успешно защищено 12 диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук. Сделано более 30 докладов на конференциях, из них 10 за рубежом, в том числе, в Канаде, Италии, Малайзии, Индии, Чехословакии, Болгарии, Польше.