Термодинамический анализ двигателя с воспламенением от сжатия по управляемому циклу Миллера

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.

1. 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. – V. 1839. – No. 2.

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.

3. 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.

4. Xin Q. Diesel Engine System Design. – Cambridge: Woodhead Publishing Ltd., 2011. – 1038 p.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа, 2002. – 496 с.

9. 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.

10. Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. Кинематика и динамика / 2-е изд. – М.: Машиностроение, 1981. – 191 с.

11. Лукшо В.А. Математическая модель термодинамического цикла газового двигателя // Транспорт на альтернативном топливе. – 2012. – № 6. – С. 54–65.

12. 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.

13. AVL BOOST. Theory. AVL List GmbH Graz, Austria, 2019. (Лицензионное соглашение между АВЛ и ПАО «КАМАЗ», 2019).

14. Майорова Н.Л., Глазков Д.В. Методы оптимизации: учебное пособие / Яросл. гос. ун-т им. П.Г. Демидова. – Ярославль: ЯрГУ, 2015. – 112 с.

15. 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.

16. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. – М.: Машиностроение, 1991. – 336 с.