Поршневые двигатели

Отдел ЭМ 2.1 НИИ ЭМ ("Поршневые двигатели") занимается проектированием и исследованием двигателей внутреннего сгорания. Отдел оснащен вычислительной техникой, имеет современную лабораторию, осуществляет активные связи с предприятиями, занимающимися производством двигателей и компонентов. Фундаментальный научный уровень разработок ведущих специалистов позволил приобрести высокую репутацию в своей отрасли.

Лаборатории отдела ЭМ 2.1 НИИ ЭМ

Экспериментальная и учебная лаборатория.

Лаборатория математического моделирования рабочих процессов.

Лаборатория топливной аппаратуры.

Лаборатория прочности тепловых двигателей.

Сложившиеся коллективы специалистов разработали и продолжают совершенствование специального прикладного программного обеспечения, использующегося в промышленности.

Направления научной работы отдела ЭМ 2.1 НИИ ЭМ

Моделирование рабочих процессов в ДВС

Математическое моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания может осуществляться для различных режимов работы, включая скоростную, нагрузочную, высотную и другие характеристики двух- и четырехтактных ДВС, с различными схемами подключения коллекторов, преобразователей импульсов, турбин, компрессоров и охладителей наддувочного воздуха; учет агрегатов наддува осуществляется разными способами, включая согласование их характеристик (возможен оптимальный подбор проточных частей турбин и компрессоров к поршневому ДВС).

Рассчитываются поля универсальных характеристик турбин и компрессоров по размерам их проточных частей.

Прогнозируются мощностные, экономические и экологические показатели двигателя при проведении различных конструктивных мероприятий, связанных с модернизацией топливной аппаратуры, формы камеры сгорания, организацией закрутки заряда, выбором фаз газораспределения и системы наддува.

Решаются многофакторные задачи оптимизации рабочего процесса, используя для этого как метод сканирования, так и методы нелинейного программирования.

Теплообмен в поршневых двигателях

На основе многозонной модели расчета локальных нестационарных температур рабочего тела в объеме цилиндра дизеля производится расчет теплового состояния деталей, образующих камеру сгорания в трехмерной постановке с учетом наличия тонких слоев нагара на тепловоспринимающие поверхности. Разработанная математическая модель сложного (радиационно-  конвективного) теплообмена в цилиндре дизеля, учитывает течение рабочего тела, как излучающей и поглощающей лучистую энергию турбулентной среды.

Совершенствование конструкций и прочностной анализ поршневых и комбинированных ДВС

Проблема повышения прочности базовых узлов и деталей двигателей внутреннего сгорания традиционно занимает важное место в научной работе. При этом по мере непрерывного форсирования двигателей по удельной и агрегатной мощности, повышению требований к экономичности, экологическим, массо-габаритным показателям, а также надежности значение исследований в области тепловой и механической напряженности поршневых двигателей постоянно повышается.

Снижение механических потерь и энергосбережение в поршневых двигателях

Специалисты отдела занимаются моделированием, оценкой и снижением механических потерь, макро- и микропрофилированием поверхностей трения деталей цилиндро-поршневой группы, разработкой принципов трибологической адаптации конструкций, методов трибометрии и тестирования энергосберегающих конструкционных и смазочных материалов для поршневых двигателей.

Теоретико-расчетной основой практических рекомендаций по трибологическому энергосбережению служит активно используемый пакет расчетных программ динамики, гидродинамики и трибологии основных трущихся сопряжений.

Изучение процессов газообмена, смесеобразования и сгорания в ДВС методом физического моделирования

Физическое моделирование процессов газообмена, процессов смесеобразования и сгорания в ДВС позволяет изучать сложные физические процессы, которые в эксперименте на натурном двигателе наблюдать либо невозможно, либо это настолько технически сложно, что становится мало доступным. К таким процессам относят движение газов в цилиндре двигателя, от которого зависит и качество газообмена, и условия смесеобразования и сгорания топлива.

Моделирование течений газа во впускных каналах и трубопроводах

Методом физического моделирования выполнены исследование структуры течения во впускных каналах при нестационарных и стационарных условиях, воздействие волн на наполнение цилиндра двигателя с неразветвленным впускным трубопроводом. Изучено влияние волн в разветвленном впускном трубопроводе на неравномерность наполнения цилиндров многоцилиндрового двигателя.

В математических моделях четырехтактного дизеля применяется термодинамический метод для процессов в цилиндре и метод нестационарной газовой динамики для процессов в трубопроводах в одномерной постановке. Алгоритмы реализации моделей различаются методами численного решения основных уравнений и уравнений граничных условий.

 

Газообмен и наддув двигателей

При расчетах течений в газовоздушных трактах двигателей используются самые передовые численные методы газовой динамики – метод характеристик, распада разрыва и крупных частиц.

С помощью неявных представлений для расчетных сеток методов крупных частиц и распада разрыва разработаны новые модификации этих методов. На базе создания системы нестационарных газодинамических функций, а также экспериментов на модельных установках предложены новые граничные условия у органов газораспределения, разветвлений трубопроводов и агрегатов наддува, существенно уточняющие результаты расчета нестационарного газообмена.

Создание топливных систем дизелей

Созданы образцы специализированных ТНВД для Common Rail и усовершенствованные электрогидравлические форсунки.

         Топливные насосы с электронным управлением с двумя рейками управления подачей и углом опережения были созданы и прошли успешные испытания.

Были созданы проекты насосов с быстродействующим электроуправляемым клапаном для нужд отечественных заводов. Для них также подготовлены математические модели наполнения-отсечки и процессов в линии низкого давления, а также модели быстродействующих электроприводов.

Использование альтернативных топлив в ДВС

Наряду с исследованиями газовых двигателей проведен ряд работ по газогенераторам: разработана методика расчета и выбора оборудования газогенераторных установок, созданы руководящие материалы для проектирования газогенераторов обращенного процесса и разработаны типовые проекты генераторов и очистительных устройств. Работы по генераторам были завершены расчетом и проектированием серии типовых генераторов и очистительных устройств.

Была разработана и реализована технология питания автомобильных дизелей с газообразными присадками водорода и (или) синтез-газа, подаваемыми вместе с дизельным топливом через штатную форсунку. Испытания показали эффективность таких присадок в отношении улучшения физических и химических факторов смесеобразования и сгорания и, в конечном счете, снижения всех четырех актуальных вредных выбросов с ОГ.

Был проведен цикл разноплановых работ по реализации исходной идеи Рудольфа Дизеля – осуществлении работы двигателя с воспламенением от сжатия на угле. В данном случае использовались топливоугольные и водоугольные суспензии. Были осуществлены работы по изучению и описанию физических свойств суспензий, в первую очередь вязкостных. Суспензия, будучи неньютоновкой жидкостью, имеет очень сложную и почти неизученную реологию. Новые закономерности распыливания угольных суспензий, полученные методом лазерной дифракции, обосновали необходимость резкой интенсификации впрыскивания суспензий. Была разработана и реализована топливная аппаратура, обеспечивающая работоспособность и ресурс дизеля.

Проведена работа по подготовке топливной аппаратуры и дизеля к применению альтернативного топлива – диметилового эфира. Концепцией стала технология смесевого топлива (дизельного с ДМЭ). Она обеспечила разумность экономических затрат в отношении достигаемого экологического результата (тогда ДМЭ был в 5 раз дороже дизельного топлива) и еще десяток практически важных достоинств.

Исследования в области автоматического регулирования ДВС

Одним из основных направлений научных исследований является математическое моделирование переходных процессов САР. В рамках этого направления проведены работы по созданию линейных и нелинейных математических моделей дизеля с турбонаддувом как объекта автоматического регулирования, и в целом системы автоматического регулирования такого двигателя.

Заведующий отделом ЭМ 2.1

Голосов Андрей Сергеевич

к.т.н.