КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-79-01325
НазваниеИсследование рабочих процессов в циклоидальном поршневом двигателе
Руководитель Замбалов Сергей Доржиевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Томский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл
Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-403 - Водородная энергетика
Ключевые слова циклоидальный поршневой двигатель, роторно-поршневой двигатель, расширитель пробега, беспилотный летательный аппарат, электромобиль
Код ГРНТИ44.41.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на изучение особенностей работы ЦПД наземных и воздушных силовых установок. ЦПД могут быть использованы в малой авиации, в том числе беспилотных летательных аппаратах, мобильных и портативных генераторах электрической энергии, используемых для подзарядки батарей электромобилей либо в качестве резервного источника электроэнергии для жилых домов в случае аварийного отключения. Для Российской Федерации в текущих условиях изучение новой конструкции ЦПД для выпуска конкурентоспособной продукции отечественного производства обретает особую актуальность.
В проекте будет проведено изучение рабочих процессов, происходящих в ЦПД. Основным инструментом исследования будет являться численное моделирование. Методы численного моделирования позволяют сократить цикл разработки новых устройств, снизить стоимость изделий и повысить качество продукции. Моделирование позволяет изучить механизмы формирования и сжигания топливно-воздушной смеси, а также установить оптимальные параметры протекания рабочих процессов из множества комбинаций управляющих параметров. Объектом исследования будет являться цифровая трехмерная модель четырехтактного ЦПД с системами топливоподачи, зажигания и выпуска отработавших газов. На первом году выполнения проекта в качестве топлива для двигателя будет использоваться бензин, далее будет исследовано влияние добавок водорода (0—10%) в качестве интенсифицирующей добавки. Будет рассмотрено горение топливно-воздушной смеси стехиометрического и бедного составов. Будет исследован ряд режимов работы двигателя в диапазоне 1000—10000 оборотов коленчатого вала в минуту для установления оптимального баланса между мощностью и эмиссией вредных веществ. Будет разработана методика деформирования расчетной области камеры сгорания в соответствии с кинематикой ротора. Перед выполнением моделирования будет проведен этап верификации разработанной модели с известными экспериментальными данными.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Компактные двигатели внутреннего сгорания нашли широкое применение в качестве портативных источников электроэнергии, силовых установок для электротранспорта и беспилотных летательных аппаратов. Помимо традиционных поршневых двигателей, активно исследуются двигатели с нестандартными кинематическими схемами. В частности, роторно-поршневой двигатель (РПД) может составить конкуренцию поршневым двигателям в некоторых областях промышленности, так как в таких двигателях используется только вращательное движение. Следовательно, отсутствует необходимость преобразования возвратно-поступательного движения. Активно исследуются новые конфигурации РПД, в частности циклоидально-поршневые двигатели (ЦПД). Наряду с сохранением преимуществ характерных для РПД, ЦПД имеет ряд отличий, которые направлены на минимизацию недостатков РПД. В частности, ЦПД имеет стационарные уплотнения камеры сгорания, равномерное температурное распределение, высокая степень сжатия, возможность реализации работы двигателя по циклам Дизеля, Отто и Аткинсона. В данном проекте был изучен процесс работы ЦПД по циклу Аткинсона, реализованного через одновременное изменение фаз газораспределения и повышение геометрической степени сжатия.
Было проведено численное моделирование рабочего процесса в ЦПД в двухмерной постановке с изменением степени перерасширения (ключевой параметр цикла Аткинсона) в диапазоне 1,0-1,5. Построены геометрические модели камеры сгорания с различной геометрической степенью сжатия. Были построены геометрические модели впускных и выпускных каналов в соответствии с заданными фазами газораспределения. На основе разработанных геометрических моделей были разработаны двухмерные сеточные модели камеры сгорания (деформируемая и стационарная части), впускного и выпускного каналов с четырехугольными расчетными элементами. Проведена верификация численных данных моделирования с доступными экспериментальными данными. Изучена сеточная сходимость численных результатов с целью определения оптимальных размеров расчетных ячеек.
Было проведено сравнение двух методов реализации цикла Аткинсона. Базовая версия реализации через изменение фаз газораспределения. Улучшенная версия реализации – изменение фаз газораспределения с дополнительным повышением геометрической степени сжатия. Было установлено, что улучшенная версия реализации цикла Аткинсона в ЦПД является более эффективной за счет увеличенной степени расширения. Было показано, что максимальная эффективность двигателя достигается при степенях перерасширения 1,4-1,5 несмотря на повышенные теплопотери и снижение массы топливно-воздушной смеси. Был проанализирован процесс газообмена на тактах выпуска и впуска. Установлено, что с ростом степени перерасширения увеличиваются насосные потери. Исследованы мощностные и эмиссионные характеристики ЦПД с циклом Аткинсона. Разработана методика моделирования рабочего процесса ЦПД с циклом Аткинсона при увеличении избыточного давления. Диапазон изменения давления от 0,25 до 1 атм. Был изучен процесс формирования вихревых структур в камере сгорания при увеличении давлении наддува. Установлены значения коэффициента наполнения камеры сгорания свежей топливно-воздушной смесью. Установлено, что увеличение давления наддува способствует увеличению оксидов азота, в то время как концентрация монооксида углерода снижается.
Публикации
1.
Замбалов С.Д., Касаев Д.В., Яковлев И.А., Джи Ч., Янг Д., Мазной А.С.
Effect of over-expansion in a cycloidal rotary engine
Energy, 302 (2024) 131794 (год публикации - 2024)
10.1016/j.energy.2024.131794
Возможность практического использования результатов
Апробированная в данном проекте методика численного моделирования процессов смесеподготовки, зажигания и горения может быть использована для разработки конструктивных рекомендаций и алгоритмов управления силовыми установками на базе циклоидально-поршневых двигателей.
Помимо использования подобного рода энергоустановок в распределенной энергетике, можно выделить несколько областей промышленности, для которых вопрос веса, габаритов и удельной мощности на единицу массы имеет первостепенное значение. К таким относятся малая авиация, в том числе беспилотные летательные аппараты, мобильные и портативные генераторы электрической энергии, используемые для подзарядки батарей электромобилей либо в качестве резервного источника электроэнергии для жилых домов в случае аварийного отключения.
В результате выполнения проекта было установлено, что разработка роторно-поршневых и циклоидально-поршневых двигателей активно ведется за рубежом. В Российской Федерации, вопросы создания отечественных силовых установок на базе роторно-поршневых и циклоидально-поршневых двигателей остаются открытыми.
В процессе выполнения проекта удалось установить сотрудничество с научно-производственным центром беспилотных авиационных систем Томской области (НПЦ БАС ТО). Была подана заявка на получение резиденства в НПЦ БАС ТО с проектом создания роторно-поршневого двигателя для беспилотных авиационных систем. Ведется проработка второго проекта по созданию отечественного циклоидально-поршневого двигателя, используемого для беспилотных летательных аппаратов.