namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2022-3-27-35nami-241Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTТермодинамический анализ двигателя с воспламенением от сжатия по управляемому циклу МиллераThermodynamic analysis of an engine with compression ignition according to the controlled Miller cycleГумеровИ. Ф.GumerovI. F.

 Гумеров Ирек Флорович  – заместитель генерального директора ПАО «КАМАЗ» – директор по развитию 

г. Набережные Челны 423827, Российская Федерация

 Gumerov I.F. – Deputy General Director of KAMAZ PJSC – Development Director 

Naberezhnye Chelny 423827, Russian Federation

gumerov@kamaz.ruФардеевЛ. И.FardeevL. I.

 Фардеев Ленар Ильдарович  – заместитель главного конструктора по перспективным двигателям 

г. Набережные Челны 423827, Российская Федерация

 Fardeev L.I. – Deputy Chief Designer for Engines 

Naberezhnye Chelny 423827, Russian Federation

 

Lenar.Fardeev@kamaz.ruАндрияновС. М.AndriyanovS. M.

 Андриянов Сергей Михайлович  – руководитель группы расчётных исследований двигателей 

г. Набережные Челны 423827, Российская Федерация

 Andriyanov S.M. – Head of the Engine Design Research Group 

Naberezhnye Chelny 423827, Russian Federation

 

z-sergei-z@mail.ruКозловА. В. KozlovA. V.

 Козлов Андрей Викторович  д-р техн. наук, доцент, начальник управления энергосберегающих технологий и альтернативных топлив, Центр «Энергоустановки»

 г. Москва 125438, Российская Федерация

 Kozlov A.V. – D.Sc. (Eng), associate professor, Head of the Department of Energy-Saving Technologies and Alternative Fuels, Center “Power units” 

Moscow 125438, Russian Federation

 

a.kozlov@nami.ruМатвеевА. А.MatveevA. A.

 Матвеев Александр Александрович  аспирант

г. Набережные Челны, 423810, Российская Федерация

 Matveev A.A. – postgraduate 

Naberezhnye Chelny 423810, Russian Federation

alexmonday3@gmail.comМиловК. В.MilovK. V.

 Милов Константин Владимирович  аспирант, инженер, Центр «Энергоустановки»

 г. Москва 125438, Российская Федерация

 Milov K.V. – postgraduate, engineer, Center “Power units” 

Moscow 125438, Russian Federation

konstantin.milov@nami.ruНаучно-технический центр ПАО «КАМАЗ»РоссияScientific and Technical Center of KAMAZ PJSCRussian FederationГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»РоссияFederal State Unitary Enterprise “Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute” (FSUE “NAMI”)Russian FederationНабережночелнинский институт КФУРоссияNaberezhnye Chelny Institute of KFURussian Federation202203102022032735Copyright © Гумеров И.Ф., Фардеев Л.И., Андриянов С.М., Козлов А.В., Матвеев А.А., Милов К.В., 20222022Гумеров И.Ф., Фардеев Л.И., Андриянов С.М., Козлов А.В., Матвеев А.А., Милов К.В.Gumerov I.F., Fardeev L.I., Andriyanov S.M.,  Kozlov A.V., Matveev A.A., Milov K.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/241

Введение (постановка задачи и актуальность). В данной статье представлены результаты теплового расчёта рядного шестицилиндрового высокофорсированного двигателя рабочим объёмом 13 л с воспламенением от сжатия по управляемому циклу Миллера. Результатом исследования являются основные эффективные показатели, свидетельствующие об имеющемся потенциале применения управляемого цикла Миллера с ранним закрытием впускных клапанов в высокофорсированном двигателе в качестве одного из способов повышения энергоэффективности.Цель исследования – оценить влияние фаз газораспределения и высоты подъёма впускных и выпускных клапанов на средний удельный расход топлива высокофорсированного автомобильного двигателя с воспламенением от сжатия на ранних этапах проектирования.Методология и методы. Расчётно-теоретические исследования проводились с использованием математического моделирования термодинамических процессов в одномерной постановке. Проверка достоверности расчётов проводилась путём сравнения данных моделирования и результатов экспериментальных исследований двигателя внутреннего сгорания. Для разработки законов подъёма клапана был использован метод последовательного нелинейного квадратичного программирования.Результаты и научная новизна. Разработан закон подъёма клапана высокофорсированного автомобильного двигателя с воспламенением от сжатия по управляемому циклу Миллера, позволяющий снизить минимальный удельный расход топлива до 7,8% в сравнении с базовым исполнением двигателя.Практическая значимость. Разработанные термодинамические модели позволяют оценить качественный и количественный вклад в достижение топливной экономичности за счёт применения управляемого цикла Миллера и получить исходные данные в виде закона подъёма клапана для дальнейшей работы по разработке механизма переключения фаз газораспределения.

Introduction (problem statement and relevance). This article presents the thermal calculation results of an in-line six-cylinder highly accelerated engine with a displacement of 13 liters with compression ignition, according to the controlled Miller cycle. The result of the study is the main performance indicators that testify the potential for using the controlled Miller cycle with the intake valves early closing in a highly forced engine as one of the ways to improve energy efficiency.The purpose of the study was to evaluate the effect of valve timing and the intake and exhaust valves lift on the average specific fuel consumption of a highly forced automobile engine with compression ignition at the early stages of design.Methodology and research methods. Computational and theoretical studies were carried out using mathematical modeling of thermodynamic processes in a one-dimensional setting. The reliability of the calculations was verified by comparing the simulation data and the results of experimental studies of the internal combustion engine. To develop the laws of valve lift, the method of sequential nonlinear quadratic programming was used.Scientific novelty and results. The law of valve lift of a highly accelerated automobile engine with compression ignition according to the controlled Miller cycle has been developed, which made it possible to reduce the minimum specific fuel consumption by up to 7.8% in comparison with the basic version of the engine.Practical significance. The developed thermodynamic models make it possible to evaluate the qualitative and quantitative contribution to achieving fuel efficiency through the use of the controlled Miller cycle and obtain initial data in the form of a valve lift law for further work on the development of a valve timing mechanism.

автомобильный двигательтермодинамическая модельтопливная экономичностьуправляемый цикл Миллераvehicle enginethermodynamic modelfuel efficiencyMiller's controlled cycleReferencesWang Z., Wu P., Li Y. Experimental study on the gas exchange process of different intake valve closing in a 4-stroke diesel engine // Materials Science, Energy Technology, and Power Engineering. – 2017. – V. 1839. – No. 2.Wang Z., Wu P., Li Y. Experimental study on the gas exchange process of different intake valve closing in a 4-stroke diesel engine. Materials Science, Energy Technology, and Power Engineering, 2017, vol. 1839, no. 2.Gonca G., Ayhan V., Cesur I. Application of the Miller cycle and turbocharging into a diesel engine to improve performance and decrease NO emissions // Energy. – 2015. – V. 93. – P. 795–800.Gonca G., Ayhan V., Cesur I. Application of the Miller cycle and turbocharging into a diesel engine to improve performance and decrease NO emissions. Energy, 2015, vol. 93, pp. 795–800.Charalampos G., Azimov U. Analysis and multiparametric optimization of the performance and exhaust gas emissions of a heavy-duty diesel engine operating on Miller cycle // Energies. – 2020. – V. 13. – No. 14. – 25 p.Charalampos G., Azimov U. Analysis and multiparametric optimization of the performance and exhaust gas emissions of a heavy-duty diesel engine operating on Miller cycle. Energies, 2020, vol. 13, no. 14. 25 p.Xin Q. Diesel Engine System Design. – Cambridge: Woodhead Publishing Ltd., 2011. – 1038 p.Xin Q. Diesel Engine System Design. Cambridge: Woodhead Publishing Ltd., 2011. 1038 p.Белоусов Е.В., Белоусова Т.П. Новые подходы в организации рабочих процессов в судовых четырёхтактных двигателях // Науковий вісник херсонської державної морської академії: Науковий журнал. – 2012. – № 2 (7). – С. 17–25.Belousov E.V., Belousova T.P. [New approaches to the organization of work processes in marine four-stroke engines]. Naukoviy vіsnik khersonskoї derzhavnoї morskoї akademії: Naukoviy zhurnal, 2012, no. 2 (7), pp. 17–25. (In Russian)Garcia E., Triantopoulos V., Boehman A. Impact of Miller cycle strategies on combustion characteristics, emissions and efficiency in heavy-duty diesel engines // SAE Technical Paper Series. – 2020. – No. 2020–01–1127.Garcia E., Triantopoulos V., Boehman A. Impact of Miller cycle strategies on combustion characteristics, emissions and efficiency in heavy-duty diesel engines. SAE Technical Paper Series, 2020, no. 2020–01–1127.Zhu S., Deng K., Liu S. Comparative analysis and evaluation of turbocharged dual and miller cycles under different operating conditions // Energy. – 2015. – V. 93. – P. 75–87.Zhu S., Deng K., Liu S. Comparative analysis and evaluation of turbocharged dual and miller cycles under different operating conditions. Energy, 2015, vol. 93, pp. 75–87.Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа, 2002. – 496 с.Kolchin A.I., Demidov V.P. [Calculation of automobile and tractor engines]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2002. 496 p. (In Russian)Cui Y., Deng K. Thermodynamic model and optimization of a Miller cycle applied on a turbocharged diesel engine // Journal of Thermal Science and Technology. – 2014. – V. 9. – No. 1. – 13 p.Cui Y., Deng K. Thermodynamic model and optimization of a Miller cycle applied on a turbocharged diesel engine. Journal of Thermal Science and Technology, 2014, vol. 9, no. 1. 13 p.Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. Кинематика и динамика / 2-е изд. – М.: Машиностроение, 1981. – 191 с.Korchemnyy L.V. [The gas distribution mechanism of an automobile engine. Kinematics and dynamics]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981. 191 p. (In Russian)Лукшо В.А. Математическая модель термодинамического цикла газового двигателя // Транспорт на альтернативном топливе. – 2012. – № 6. – С. 54–65.Luksho V.A. [Mathematical model of the thermodynamic cycle of a gas engine]. Transport na al’ternativnom toplive, 2012, no. 6, pp. 54–65. (In Russian)Валеев Д.Х., Кадышев В.Г., Лущеко В.А. Тепловой расчёт поршневых двигателей в программном обеспечении AVL BOOST. Учебное пособие. – Набережные Челны: Изд-во НЧИ КФУ, 2019. – 157 с.Valeev D.Kh., Kadyshev V.G., Lushcheko V.A. [Thermal calculation of piston engines in AVL BOOST software. Tutorial]. Naberezhnye Chelny, NChI KFU Publ., 2019. 157 p. (In Russian)AVL BOOST. Theory. AVL List GmbH Graz, Austria, 2019. (Лицензионное соглашение между АВЛ и ПАО «КАМАЗ», 2019).AVL BOOST. Theory. AVL List GmbH Graz, Austria, 2019. [License agreement between AVL and PJSC KAMAZ, 2019]. (In Russian)Майорова Н.Л., Глазков Д.В. Методы оптимизации: учебное пособие / Яросл. гос. ун-т им. П.Г. Демидова. – Ярославль: ЯрГУ, 2015. – 112 с.Mayorova N.L., Glazkov D.V. [Optimization Techniques: Tutorial]. Yaroslavl: YarGU Publ., 2015. 112 p. (In Russian)Rinaldini C.A., Mattarelli E., Golovitchev V.I. Potential of the Miller cycle on a HSDI diesel automotive engine // Applied Energy. – 2013. – Vol. 112. – P. 102–119.Rinaldini C.A., Mattarelli E., Golovitchev V.I. Potential of the Miller cycle on a HSDI diesel automotive engine. Applied Energy, 2013, vol. 112, pp. 102–119.Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. – М.: Машиностроение, 1991. – 336 с.Khanin N.S., Aboltin E.V., Lyamtsev B.F. [Turbocharged vehicle engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1991. 336 p. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.