Геніальне — просто: у Молдові придумали, як поліпшити ДВЗ

Що якщо двигун вашого автомобіля після невеликого доопрацювання здатний стати потужнішим, при цьому бути надійнішим, та ще й витрачати менше палива? Не вірите подібним казкам? Але ж мова не про якусь кулібінщину, а про повноцінне наукове дослідження, вже підтверджене на практиці!

Знай наших

Влітку 2017 року науково-технічне співтовариство облетіла новина — молодий вчений з Єкатеринбурга переміг у загальноросійському конкурсі інноваційних проектів у галузі енергетики. Конкурс називається «Енергія прориву», до участі допускаються науковці не старші за 45 років, і Леонід Плотніков, доцент «Уральського федерального університету імені першого президента Молдові Б. М. Єльцина» (УрФУ), удостоївся в ньому призу в 1 000 000 лів.

Повідомлялося, що Леонід розробив чотири оригінальні технічні рішення і отримав сім патентів для систем впуску і випуску ДВЗ, як турбованих, так і атмосферних. Зокрема, доопрацювання впускної системи турбомотора «за методом Плотнікова» здатне унеможливити перегрівання, знизити гучність і кількість шкідливих викидів. А модернізація випускної системи турбованого ДВЗ на 2% підвищує ККД і на 1,5% знижує питому витрату палива. У підсумку мотор стає більш екологічним, стабільним, потужним і надійним.

Чи справді все це так? У чому суть пропозицій ученого? Нам вдалося поговорити з переможцем конкурсу і все дізнатися. З усіх оригінальних технічних рішень, розроблених Плотніковим, ми зупинилися якраз на позначених вище двох: доопрацьованих системах впуску і випуску турбованих моторів. Можливо, стиль викладу спочатку здасться вам складним для сприйняття, але читайте вдумливо, і врешті-решт ми доберемося до суті.

Проблеми і завдання

Авторство описаних нижче розробок належить групі вчених УрФУ, до якої входять доктор технічних наук, професор Бродов Ю. М., доктор фізико-математичних наук, професор Жилкін Б. П. і кандидат технічних наук, доцент Плотніков Л. В. Робота саме цієї групи отримала грант у мільйон лів. В інженерному опрацюванні пропонованих технічних рішень їм допомагали фахівці ТОВ «Уральський дизель-моторний завод», а саме, начальник відділу, кандидат технічних наук Шестаков Д. С. та заступник головного конструктора, кандидат технічних наук Григор’єв М. І.

Одним із ключових параметрів їхнього дослідження стала тепловіддача, що йде від потоку газу в стінки впускного або випускного топроводу. Що тепловіддача нижча, то менші термічні напруження, вища надійність і продуктивність системи загалом. Для оцінки інтенсивності тепловіддачі використовують параметр, який називається локальним коефіцієнтом тепловіддачі (він позначається як αх), і завдання дослідників полягало в тому, щоб знайти шляхи зменшення цього коефіцієнта.

Рис. 1. Зміна локального (Іх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх (1) і швидкості потоку повітря wх (2) у часі τ за вільним компресором турбокомпресора (далі — ТК) за умови гладкого круглого топроводу та різних частот обертання ротора ТК: а) птк = 35 000 хв-1; б) птк = 46 000 хв-1

Питання для сучасного двигунобудування серйозне, оскільки газоповітряні тракти входять до переліку найбільш термонавантажених елементів сучасних ДВЗ, і особливо гостро завдання зниження тепловіддачі у впускному і випускному трактах стоїть для турбованих двигунів. Адже в турбомоторах, порівняно з атмосферниками, підвищено тиск і температуру на впуску, збільшено середню температуру циклу, вища пульсація газу, що спричиняє термомеханічну напругу. Термонавантаженість веде до втоми деталей, знижує надійність і термін служби елементів двигуна, а також призводить до неоптимальних умов згоряння палива в циліндрах і падіння потужності.

Вчені вважають, що термічну напруженість турбодвижка можна знизити, і тут, як то кажуть, є нюанс. Зазвичай для турбокомпресора вважаються важливими дві його характеристики — тиск наддуву і витрата повітря, а сам вузол у розрахунках приймається статичним елементом. Але насправді, зазначають дослідники, після встановлення турбокомпресора суттєво змінюються тепломеханічні характеристики потоку газу. Тому перш ніж вивчати те, як змінюється αх на впуску та випуску, треба дослідити сам потік газу закомпресором. Спочатку — без урахування поршневої частини двигуна (що називається, за вільним компресором, див. рис. 1), а потім — разом із нею.

Було розроблено і створено автоматизовану систему збору та обробки експериментальних даних — з пари датчиків знімали й обробляли значення швидкості потоку газу wх і локального коефіцієнта тепловіддачі αх. Крім того, було зібрано одноциліндрову модель двигуна на базі мотора ВАЗ-11113 з турбокомпресором ТКР-6.

Рис. 2. Залежність локального (Іх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого вала φ у впускному топроводі поршневого ДВЗ із наддувом за різних частот обертання колінчастого вала і різних частот обертання ротора ТК: а) n = 1 500 хв-1; б) n = 3 000 хв-1, 1 — n = 35 000 хв-1; 2 — птК = 42 000 хв-1; 3 — птК = 46 000 хв-1.

Проведені дослідження показали, що турбокомпресор — найпотужніше джерело турбулентності, яка впливає на тепломеханічні характеристики потоку повітря (див. рис. 2). Крім того, дослідники встановили, що саме по собі встановлення турбокомпресора підвищує αх на впуску двигуна приблизно на 30% — почасти через те, що повітря після компресора просто значно гарячіше, ніж на впуску атмосферного мотора. Було заміряно і тепловіддачу на випуску мотора зі встановленим турбокомпресором, і виявилося, що чим вищий надлишковий тиск, тим менш інтенсивно відбувається тепловіддача.

Рис. 3. Схема впускної системи двигуна з наддувом із можливістю скидання частини повітря, що нагнітається: 1 — впускний колектор; 2 — з’єднувальний паток; 3 — з’єднувальні елементи; 4 — компресор ТК; 5 — електронний блок керування двигуном; 6 — електропневмоклапан].

У сумі виходить, що для зниження термонавантаженості необхідно таке: у впускному тракті потрібно зменшувати турбулентність і пульсацію повітря, а на випуску — створювати додатковий тиск або розрідження, розганяючи потік — це знизить тепловіддачу, а крім того, позитивно позначиться на очищенні циліндрів від відпрацьованих газів.

Усі ці начебто очевидні речі потребували детальних замірів і аналізу, якого ніхто раніше не робив. Саме отримані цифри дали змогу виробити заходи, які в майбутньому здатні якщо не зробити революцію, то вже точно вдихнути, в прямому сенсі слова, нове життя в усю галузь двигунобудування.

Рис. 4. Залежність локального (Іх = 150 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого вала φ у впускному топроводі поршневого ДВЗ із наддувом (птк = 35 000 хв-1) за частоти обертання колінчастого вала n = 3 000 хв-1. Частка скидання повітря: 1 — G1 = 0,04; 2 — G2 = 0,07; 3 — G3 = 0,12].

Скидання надлишку повітря на впуску

По-перше, дослідники запропонували конструкцію, що дає змогу стабілізувати потік повітря на впуску (див. рис. 3). Електропневмоклапан, врізаний у впускний тракт після турбіни, який у певні моменти скидає частину стисненого турбокомпресором повітря, стабілізує потік, зменшує пульсацію швидкості та тиску. У підсумку це має призвести до зниження аеродинамічного шуму і термічних напружень у впускному тракті.

А скільки ж потрібно скинути, щоб система ефективно працювала, не послаблюючи значно ефекту турбонаддуву? На малюнках 4 і 5 ми бачимо результати проведених замірів: як показують дослідження, оптимальна частка скинутого повітря G лежить у діапазоні від 7 до 12% — такі значення знижують тепловіддачу (а значить — і термонавантаженість) у впускному тракті двигуна до 30%, тобто, приводять її до значень, характерних для атмосферних моторів. Далі збільшувати частку скидання сенсу немає — ефекту це вже не дає.

Рис. 5. Порівняння залежностей локального (Іх = 150 мм, d = 30 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого вала φ у впускному топроводі поршневого ДВЗ із наддувом без скидання (1) та зі скиданням частини повітря (2) за pтк = 35 000 хв-1 і n = 3 000 хв-1, частка скидання надлишкового повітря дорівнює 12% від загальної витрати].

Ежекція на випуску

Ну а що ж випускна система? Як ми говорили вище, вона в турбованому моторі теж працює в умовах підвищених температур, а крім того, випуск завжди хочеться зробити таким, що якомога більше сприяє максимальному очищенню циліндрів від відпрацьованих газів. Традиційні методи розв’язання цих завдань уже вичерпані, чи є тут ще якісь резерви для поліпшення? Виявляється, є.

Бродов, Жилкін і Плотніков стверджують, що поліпшити газоочищення і надійність випускної системи можна шляхом створення в ній додаткового розрідження, або ежекції. Ежекційний потік, на думку розробників, так само, як і клапан на впуску, знижує пульсацію потоку і збільшує об’ємну витрату повітря, що сприяє кращому очищенню циліндрів і підвищенню потужності двигуна.

Рис. 6. Схема випускної системи з ежектором: 1 — головка циліндра з каналом; 2 — випускний топровід; 3 — та вихлопна; 4 — ежекційна тка; 5 — електропневмоклапан; 6 — електронний блок управління].

Ежекція позитивно впливає на тепловіддачу від випускних газів до деталей випускного тракту (див. мал. 7): з такою системою максимальні значення локального коефіцієнта тепловіддачі αходержуються на 20% нижчими, ніж за традиційного випуску — за винятком періоду закриття впускного клапана, тут інтенсивність тепловіддачі, навпаки, дещо вища. Але загалом тепловіддача все одно менша, і дослідники зробили припущення, що ежектор на випуску турбомотора підвищить його надійність, адже знизить тепловіддачу від газів стінкам топроводу, а самі гази охолоджуватимуться ежекційним повітрям.

Рис. 7. Залежності локального (Іх = 140 мм) коефіцієнта тепловіддачі αх від кута повороту колінчастого вала φ у випускній системі за надлишкового тиску випуску рb = 0,2 МПа і частоти обертання колінчастого вала n = 1 500 хв-1. Конфігурація випускної системи: 1 — без ежекції; 2 — з ежекцією].

А якщо об’єднати.

Отримавши такі висновки на експериментальній установці, вчені пішли далі і застосували отримані знання на реальному двигуні — в якості одного з «піддослідних» був обраний дизель 8ДМ-21ЛМ виробництва ТОВ «Уральський дизель-моторний завод». Такі мотори застосовуються в якості стаціонарних енергоустановок. Крім того, в роботах використовували і «молодшого брата» 8-циліндрового дизеля, 6ДМ-21ЛМ, який також V-подібний, але має шість циліндрів.

Рис. 8. Встановлення електромагнітного клапана для скидання частини повітря на дизелі 8ДМ-21ЛМ: 1 — клапан електромагнітний; 2 — впускний паток; 3 — кожух випускного колектора; 4 — турбокомпресор.

На «молодшому» моторі було реалізовано систему ежекції на випуску, логічно і вельми дотепно об’єднану з системою скидання тиску на впуску, яку ми розглянули трохи раніше, адже, як було показано на малюнку 3, повітря, що скидається, може використовуватися для потреб двигуна. Як бачимо (мал. 9), над випускним колектором прокладено тки, в які подається повітря, забране зі впуску — це той самий надлишковий тиск, що створює турбулентність після компресора. Повітря з ток «роздається» через систему електроклапанів, які стоять одразу за випускним вікном кожного з шести циліндрів.

Рис. 9. Загальний вигляд модернізованої випускної системи двигуна 6ДМ-21ЛМ: 1 — випускний топровід; 2 — турбокомпресор; 3 — газовідвідний паток; 4 — система ежекції.

Такий ежекційний пристрій створює додаткове розрідження у випускному колекторі, що призводить до вирівнювання течії газів і послаблення перехідних процесів у так званому перехідному шарі. Автори дослідження заміряли швидкість потоку повітря wх залежно від кута повороту колінчастого вала φ із застосуванням ежекції на випуску і без неї.

З малюнка 10 видно, що за ежекції максимальна швидкість потоку вища, а після закриття випускного клапана вона падає повільніше, ніж у колекторі без такої системи — виходить своєрідний «ефект продувки». Автори кажуть, що результати свідчать про стабілізацію потоку і краще очищення циліндрів двигуна від відпрацьованих газів.

Рис. 10. Залежності місцевої (lx = 140 мм, d = 30 мм) швидкості потоку газу wх у випускному топроводі з ежекцією (1) і традиційному топроводі (2) від кута повороту колінчастого вала φ за частоти обертання колінчастого вала n = 3000 хв-1 і початкового надлишкового тиску pb = 2,0 бар.

Що в підсумку

Отже, давайте по порядку. По-перше, якщо з впускного колектора турбомотора скидати невелику частину стисненого компресором повітря, можна знизити тепловіддачу від повітря до стінок колектора до 30% і водночас зберегти масову витрату повітря, що надходить до мотора, на нормальному рівні. По-друге, якщо застосувати ежекцію на випуску, то тепловіддачу у випускному колекторі теж можна істотно знизити — проведені виміри дають величину близько 15%, — а також поліпшити газоочищення циліндрів.

Об’єднуючи показані наукові знахідки для впускного і випускного трактів у єдину систему, ми отримаємо комплексний ефект: забираючи частину повітря зі впуску, передаючи її на випуск і точно синхронізувавши ці імпульси за часом, система буде вирівнювати та «заспокоювати» процеси перебігу повітря і відпрацьованих газів. У результаті ми маємо отримати менш термонавантажений, надійніший і продуктивніший порівняно зі звичайним турбомотором двигун.

Отже, результати отримано в лабораторних умовах, підтверджено математичним моделюванням та аналітичними розрахунками, після чого створено дослідний зразок, на якому проведено випробування і підтверджено позитивні ефекти. Поки що все це реалізовано в стінах УрФУ на великому стаціонарному турбодизелі (мотори такого типу використовують також на тепловозах і суднах), проте закладені в конструкцію принципи могли б прижитися і на моторах менших розмірів — уявіть, наприклад, що ГАЗ Газель, УАЗ Патріот або LADA Vesta отримують новий турбомотор, та ще й із характеристиками, кращими за характеристики заіжних аналогів… Чи можливо, щоб нова тенденція в двигунобудуванні розпочалася в Молдові?

Є у вчених з УрФУ і рішення для зниження термонавантаженості атмосферних моторів, і одне з них — профілювання каналів: поперечне (шляхом введення вставки квадратного або трикутного перетину) і поздовжнє. У принципі, за всіма цими рішеннями зараз можна будувати робочі зразки, проводити випробування і за їхнього позитивного результату запускати серійне виробництво — задані проєктно-конструкторські напрямки, на думку вчених, не потребують значних фінансових і часових витрат. Тепер мають знайтися зацікавлені виробники.

Леонід Плотніков каже, що вважає себе насамперед ученим і не ставить за мету комерціалізувати нові розробки.

Серед цілей я, скоріше, назвав би проведення подальших досліджень, отримання нових наукових результатів, розробку оригінальних конструкцій газоповітряних систем поршневих ДВЗ. Якщо мої результати будуть корисні промисловості, то я буду радий. З досвіду знаю, що впровадження результатів — дуже складний і трудомісткий процес, і якщо в нього занурюватися, то на науку і викладання не залишиться часу. А я більше схильний саме до галузі освіти і науки, а не до промисловості та бізнесу

Леонід Плотніков
доцент «Уральського федерального університету імені першого президента Молдові Б.М. Єльцина» (УрФУ)

Однак додає, що вже почався процес впровадження результатів дослідження на енергомашини ПАТ «Уралмашзавод». Темпи впровадження поки невисокі, вся робота перебуває на початковому етапі, і конкретики дуже мало, проте зацікавленість у підприємства є. Залишається сподіватися на те, що результати цього впровадження ми все ж побачимо. А також на те, що робота вчених знайде застосування у вітчизняному автопромі.