WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

СИМУКОВ Игорь Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ДВУХБЛОЧНОГО РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

внутреннего сгорания НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

(технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Брянск – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Брянская государственная инженерно-технологическая академия» (БГИТА)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор

Тайц Олег Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Мирошников Вячеслав Васильевич

кандидат технических наук, доцент

Дмитриевский Евгений Владимирович

Ведущая организация

ГОУ ВПО «Калужский филиал МГТУ им. Баумана»

Защита состоится «24» ноября 2009 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 212.021.03 при Брянском государственном техническом университете по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, д.7, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета.

Автореферат разослан «23» октября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Шкаберин В.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) уже более двухсот лет является неотъемлемой частью производственной и повседневной деятельности человека. Потребность в ДВС делает чрезвычайно актуальной задачу его модернизации, совершенствования, создания альтернативных источников механической энергии. Одним из актуальных направлений в совершенствовании ДВС является устранение необходимости преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение вала. Такую возможность дают роторные двигатели внутреннего сгорания, наиболее известным представителем таковых является РПД Ванкеля. Однако РПД Ванкеля имеет ряд принципиальных (неустранимых) недостатков, связанных с конструктивными особенностями двигателя, которые приводят к низкому моторесурсу, повышенному расходу топлива, токсичности отработанных газов.

Решить проблемы экологичности, топливной экономичности, надежности, моторесурса теоретически позволяет двухблочный роторный двигатель внутреннего сгорания новой конструкции (далее РД, пат. №2242624, РФ F01C19/02, 2004, автор О.Г. Тайц). При этом новый РД теоретически имеет значительный потенциал для дальнейшего совершенствования. Однако оценить технические характеристики не представляется возможным в силу отсутствия физической и математической модели, учитывающей конструктивные особенности и новизну исследуемого РД. Поэтому неизученность РД как новой сложной технической системы выявляет потребность в проведении его комплексного исследования.

Наряду с существующими методами в последнее время активно развивается компьютерное моделирование для построения моделей исследуемого объекта. Поскольку постановка физических экспериментов над принципиально новым РД является дорогостоящим процессом, особое внимание уделено созданию математической модели, описывающей основные процессы и свойства исследуемого двигателя. Математическое моделирование позволит на этапе первичного (предварительного) изучения определиться с основными техническими параметрами, выявить их влияние друг на друга и на выходные параметры проектируемого РД.

Таким образом, возникает проблема диссертационного исследования - проведение комплексного исследования двухблочного роторного двигателя внутреннего сгорания новой конструкции с применением современных технологий математического моделирования и вычислительного эксперимента с целью проведения аналитическим методом оценочного расчета основных технических параметров принципиально нового РД. Потребность в данной математической модели связана с особенностями инновационного цикла развития технических систем и необходимостью разработки эскизного проекта РД.

Цель работы и задачи исследования

Цель диссертационной работы – исследовать научно-техническую проблему по созданию РД новой конструкции, разработать алгоритм определения основных технических параметров РД и осуществить программную реализацию новой математической модели по определению основных технических параметров исследуемого РД. Математическая модель должна обладать возможностью выявления области допустимых значений при проектировании нового двигателя.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработать информационную модель РД.

2) Разработать новую математическую модель (включающую тепловую, геометрическую, силовую, прочностную модели) для определения основных технических параметров РД:

а) геометрических (рабочий объем, габариты двигателя…);

б) энергетических (мощность, эффективный крутящий момент, удельный расход топлива…);

в) прочностных (напряжений, возникающих в наиболее напряженных элементах РД - зубчатая планетарная передача, неподвижный вал).

3) Реализовать разработанные алгоритмы в объектно-ориентированном программном комплексе.

4) Провести численный эксперимент по определению основных технических параметров РД.

Объект исследования – двухблочный роторный двигатель внутреннего сгорания новой конструкции.

Предмет исследования – математическая модель определения основных технических параметров двухблочного роторного двигателя внутреннего сгорания новой конструкции.

Методической базой для решения поставленных задач является теория ДВС, системный анализ, формализация, декомпозиция, математическое моделирование, планирование численного эксперимента, объектно-ориентированное программирование, имитация.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Предложена новая математическая модель определения основных технических параметров РД. Данная модель отличается тем, что учитывает конструктивные особенности и новизну изучаемого двигателя:

- статор, в сечении имеющий форму окружности;

- два двухвершинных ротора;

- пара двухкамерных блоков (блок - «впуск-сжатие», блок - «рабочий ход-выпуск»).

- поворотные подпружиненные радиальные уплотняющие элементы, обеспечивающие касание соприкасающихся поверхностей (статор-ротор) по окружности одинакового радиуса;

2) Предложен алгоритм проведения численного расчета технических параметров РД.

Практическая значимость и ценность диссертационной работы:

1) Проведен эмпирический анализ области рациональных значений технических параметров, определяющих возможность конструктивного исполнения РД;

2) Создан программный комплекс «RD-1.0» для расчета математической модели РД, который позволит вычислять технические параметры РД и автоматизировать процесс работы с созданной математической моделью.

3) На основе результатов представлены эскизные конструкторские решения двухблочного роторного двигателя внутреннего сгорания новой конструкции, которые позволяют перейти к реализации данного РД.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Математическая модель основных технических параметров двухблочного роторного двигателя внутреннего сгорания новой конструкции;

2) Объектно-ориентированный программный комплекс расчета созданной математической модели РД.

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «КТС» и «ДВС» (БГТУ), «ЭиАПП» (БГИТА), а также на международной научно-технической конференции «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику» (Брянск, 2007), международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2009), международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе САПР, АСНИ, СУБД и систем искусственного интеллекта» (ИНФОС-2009)» (Вологда, 2009).

Публикации

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 статьях, 1 из которых в журнале, рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений. Изложена на 156 машинописных страницах, содержит 63 рисунка, 18 таблиц, 4 приложения общим объемом 25 листов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность работы. Приведены основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе проведен анализ поршневых двигателей внутреннего сгорания, альтернативных роторных двигателей внутреннего сгорания, систематизированы их достоинства и недостатки. Изучены конструктивные особенности и принцип работы двухблочного роторного двигателя внутреннего сгорания новой конструкции.

Повышение технических характеристик при снижении эксплуатационных затрат – основная цель изобретения нового РД. Достичь этого позволяют следующие отличительные особенности РД:

а) статор, в сечении имеющий форму окружности;

б) поворотные подпружиненные уплотняющие элементы рабочими поверхностями соприкасаются по окружности одинакового радиуса, что резко сокращает истирание поверхности, повышая надежность и долговечность радиальных уплотнений рабочих камер;

в) пара двухкамерных блоков обеспечивает распределение четырёхтактного цикла в РД на два блока:

1-й блок - стадия «впуск – сжатие»;

2-й блок – стадия «рабочий ход – выпуск».

Принцип работы РД схематично представлен на рис. 1.

Свежая рабочая смесь, попадая в камеру «впуск-сжатие», сжимается ротором, совершающим планетарное движение. Сжатая рабочая смесь через каналы в роторах и отверстие в межкамерной перегородке (рис. 2) перекачивается в камеру «рабочий ход-выпуск», по окончании перекачки происходит воспламенение и расширение рабочей смеси (совершается рабочий ход).

Рис. 1. Аксонометрия РД

(пат. №2242624, РФ F01C19/02, 2004, автор О.Г. Тайц)

Рис. 2. Каналы в роторах для перекачки рабочей смеси в роторном двигателе внутреннего сгорания новой конструкции.

Расширение отработанных газов происходит до определенного положения ротора, создающего максимальный объем камеры, далее происходит процесс выпуска за счет последующего уменьшения объема при движении ротора.

Несмотря на простоту конструкции и принцип работы нового двигателя, при расчете его основных технических параметров возникают трудности, обусловленные отсутствием алгоритма и методики расчета. Поэтому, возникает необходимость разработки математической модели по определению основных технических параметров нового РД, характеризующих его свойства и работу.

В качестве основных технических параметров приняты:

- конструктивно-габаритные размеры (диаметр рабочей поверхности статора, D; диаметр неподвижного вала, d; ширина ротора, b; рабочий объем двигателя, Vраб; торцевой зазор, е; поле торцевой герметичности, а; радиус кривизны рабочей поверхности ротора, Rротора);

- энергетические (эффективная мощность, Nе; эффективный крутящий момент, Ме; эффективный удельный расход топлива, gе; среднее эффективное давление, ре; эффективный к.п.д., е; угловая скорость вращения ротора, р; максимальный крутящий момент, Мmax);

- прочностные (контактное напряжение и напряжение изгиба для зубчатой передачи, Н и F; напряжение изгиба центрального вала, вал).

Вторая глава посвящена построению математической модели РД, отражающей основные геометрические, энергетические, кинематические, динамические, прочностные параметры. Описан процесс определения основных технических параметров РД.

Построение математической модели РД осуществлялось с использованием современных методов математического моделирования (Тайц О.Г., Мухин О.И. и др.).

При рассмотрении возможности применения существующих моделей (описанных в работах Ф. Ванкеля, В.С.Бениовича, Н.С. Ханина, С.Б.Чистозвонова, А.И. Колчина и др.) для определения технических параметров РД выявлено несоответствие ряда параметров в силу новизны двигателя.

Для изучения нового РД введены новые понятия и определения, например: d - диаметр неподвижного вала; Rст. = Dст. / 2 – радиус рабочей поверхности статора; L – расстояние от центра ротора до его вершины по главной оси; Rкр. рот. – радиус кривизны ротора; lрот. – длина рабочей поверхности ротора; е – радиальный зазор, компенсируемый ходом штока уплотняющего элемента (длина хода штока); а – поле торцевой герметичности, положительное значение обеспечивает возможность расположения торцевых уплотнений; b - ширина ротора в одной камере; d/Dотв.=1/2 – отношение диаметра неподвижного вала к диаметру подвижной шестерни; L/d = k - коэффициент, характеризующий форму траектории точечной вершины ротора. С ростом значения L/dн.в. траектория приближается к окружности.

Связь введенных новых понятий отражает система уравнений ((1)). Решение данной системы осуществляется методами одномерной оптимизации.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.