Содержание к диссертации
Введение
1. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКО НОМИЧНОСТИ ДИЗЕЛЯ НА ДОЛЕВЫХ РЕЖИМАХ НА ГРУЖЕНИЯ 7
1.1. Анализ условий работы судовых дизелей 7
1.2. Пути улучшения экономичности дизелей на долевых режимах нагружения 16
1.3. Анализ исследований по подогреву топлива в дизелях 20
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОДОГРЕВА ТОПЛИВА НА ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В СИСТЕМЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 30
2.1. Методика исследований 30
2.2. Результаты стендовых испытаний 45
3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОПЛИВА НА ПРОЦЕСС ТОПЛИВОПОДАЧИ 58
3.1. Обоснование исследования процесса топливоподачи 58
3.2. Исследование процессов топливоподачи с помощью математических методов
3.2.1. Методика и программа исследования 60
3.2.2. Результаты расчета
3.3. Исследование процессов топливоподачи на экспериментальной установке 85
3.4. Исследование процессов топливоподачи при изменении растворимости воздуха в топливе в результате подогрева топлива з
3.5. Обобщение результатов стендовых и расчетных исследований процесса топливоподачи 1 Об
4. ЛАБОРАТОРНАЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ПРОВЕРКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОПЛИВА НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДИЗЕЛЕЙ 109
4.1. Лабораторные испытания дизеля НО
4.1.1. Методика проведения лабораторных исследований дизеля 110
4.1.2. Результаты стендовых испытаний дизеля NVD-24 117
4.2. Эксплуатационная проверка влияния температуры маловязкого топлива на экономичность работы дизелей 120
4.2.1. Методика проведения эксплуатационных испытаний 120
4.2.2. Результаты эксплуатационной проверки 1
4.3. Анализ влияния температуры топлива на условия смесеобразования 136
4.4. Технико-экономическая эффективность применения предварительного подогрева топлива в системе низкого давления при эксплуатации дизелей 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1
- Анализ условий работы судовых дизелей
- Методика исследований
- Обоснование исследования процесса топливоподачи
- Лабораторные испытания дизеля
Введение к работе
Актуальность темы: Развитие промышленного производства, определяющее рост социальной обеспеченности населения, жестко связано с постоянный повышением потребления энергоносителей. Резкое возрастание их стоимости выдвигает на первый план необходимость разработки энергосберегающих технологий и производств.
Флот рыбной промышленности является крупным потребителем топлив. Эффективность его работы во многом определяется затратами на топливо. Одним из принятых направлений снижения этих затрат является расширение использования дешевых вязких топлив. Маловязкое топливо применяется на режимах малых нагрузок. Особенности работы судов, например, таких, как рыбообрабатывающие и транспортные, определяют необходимость продолжительной работы в диапазоне малых нагрузок - до 70-85% эксплуатационного времени в районах промысла. Малые нагрузки характерны и для многих транспортных и тяговых систем. Работа дизелей на этих нагрузках характеризуется крайне неблагоприятными условиями организации рабочего процесса и, следовательно, низкой экономичностью. Достигнутая в настоящее время днзелестрошельнымн фирмами высокая экономичность дизелей на номинальном режиме часто оказывается довольно условной характеристикой их эксплуатационной экономичности.
Отсюда следует, что решение проблемы обеспечения высокой экономичности эксплуатируемых дизелей на неспецнфикационных режи-. мах малых нагрузок является актуальным.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности топливоиспользования дизелей на базе решения следующих задач:
анализ и выбор метода повышения экономичности работы дизел на неспецификационных режимах;
исследование влияния подогрева маловязкого топлива на процеї см, протекающие в системе низкого давления;
исследования влияния температуры маловязкого топлива на орп шпацию процесса топливоподачи;
исследования влияния температуры маловязкого топлива и экономичность дизелей.
Методы исследования. Для решения поставленны задач использовались аналитические и экспериментальные методы ю следований.
Аналитические методы использовались для:
исследования процессов топливоподачи и базировались на реї» пни дифференциальных уравнений, описывающих пщродинамичесхі явления движения потока топлива в системе высокого давления;
анализа условий интенсификации процессов распыливания и см сеобразования.
Экспериментальные исследования проводились:
на модернизированном стенде испытаний топливной аппаратур с использованием двухтопливной системы;
на стенде с дизельным двигателем NVD-24 (Ч 17,5/24); . на главных судовых дизелях K6Z7O/220C (6ДКРН7О/120 K9Z60/105E (9ДКРН60Л05), 662VT2BF-140 (6ДКРН62/140), 650VTB1 110 (6ДКРН50Ш0) транспортных рефрижераторов и рыбообрабатыв: ющих плавбаз промыслового флота.
Научная новизна.
Предложен метод, позволяющий существенно повыси: экономичность дизеля при работе его в диапазоне малых нагрузо
5 Новизна предложения подтверждена авторским свндегельством па изобретение № 1560767 от 3 января 1990 года.
Исследованы факторы, определяющие организацию процесса топ-ливоподачи дизеля при повышении температуры топлива в системе низкого давления на долевых нагрузках.
Предложен и раскрыт механизм влияния подогрева топлива на изменение экономичности работы дизеля в широком диапазоне нагрузочных режимов.
Практическая значимость работы. Показана возможность и способ ее реализации по повышению экономичности работы главных дизелей транспортных рефрижераторов и рыбообрабатывающих плавбаз при эксплуатации их на промысле. Результаты исследований могут найти применение не только на судах флота рыбной промышленности, но и в любых транспортных системах с дизельным приводом, эксплуатирующихся в широком диапазоне нагрузок.
Результаты работы переданы предприятиям отрасли в виде рекомендаций по эксплуатации главных дизелей транспортных рефрижераторов и рыбообрабатывающих плавбаз при работе их на промысле. Результаты работы внедрены на транспортных рефрижераторах типа "Прибой", "Кристалл I", "Кристалл 11", рыбообрабатывающих плавбазах типа "Рыбацкая Слава", "Профессор Баранов" Управления транспортного и рефрижераторного флота (заказчик работы), Клай-педской базы транспортного и рефрижераторного флота, Кланпедской базы тралового флота.
Апробация работы. Содержание и результаты работы докладывались нч научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава вузов Минрыбхоза СССР в г. Калиннн-іраде (1987, 1989 гг), на Всесоюзном научно-техническом семинаре
"Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей" (Ленинград - Пушкин, 1990 г).
Публикации. Результаты работы опубликованы в 4-х статьях, одном отчете, получено авторское свидетельство №1560767.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х разделов, заключения, списка использованных источников. Она содержит 100 стр! машинописного текста, 22 таблицы, 40 рисунков, библиографию из 79 наименований.
Анализ условий работы судовых дизелей
Флот рыбной промышленности, объединяющий суда различного назначения: добывающие, рыбообрабатывающие, приемно-транспорт-ные и суда вспомогательного флота, - является крупнейшим потребителем топлив в отрасли. Суммарная мощность главных и вспомогательных дизелей, установленных на судах, превышает несколько миллионов киловатт /1/. Рост энерговооруженности судов, связанный с изменением условий добычи, обработки и доставки рыбопродукции, обусловил и увеличение расхода топлива на флоте.
Работа главных дизелей судов флота рыбной промышленности характеризуется широким спектром режимов нагружения, который определяется типом судна и условиями эксплуатации. Преобладающими режимами работы у судовых вспомогательных дизелей являются долевые нагрузки. Величина используемой мощности двигателя в значительной степени определяет его экономичность в эксплуатации. Ниже приведен анализ условий нагружения дизелей промысловых судов. Принимая во внимание, что весь дизельный парк промыслового флота весьма обширен и разнообразен, а главные дизели являются наиболее мощными и, следовательно, крупными потребителями топлив, на данном этапе исследования, видимо, целесообразно ограничиться анализом условий эксплуатации этой группы двигателей. По данным /2/ эксплуатационные расходы по статье "топливо" наиболее значительны у транспортных рефрижераторов и составляют 10,4-18,5% от себестоимости; у рыбообрабатывающих судов эта величина находится в пределах 8,2-18%, у крупнотоннажных траулеров-заводов - 7,5-12%, малых и средних рыболовных траулеров - 3,7-5,8%, и, наконец, у рыболовных сейнеров - 4-5,2%. Эти расходы в статье эксплуатационных затрат возросли в 90-е годы в связи с резким повышением цен на топливо. На основании приведенных данных, очевидно, наибольший интерес представляет рассмотрение режимов нагружения главных двигателей судов с наибольшими относительными затратами на топливо, а именно, крупных добывающих, рыбообрабатывающих и транспортных. В таблице 1.1 представлены основные параметры законов распределения нагрузки главных двигателей рассматриваемых типов судов. Как видно из таблицы 1.1, у крупнотоннажных добывающих и транспортных судов условия работы главных дизелей на ходовых режимах в принципе одинаковы. Несколько ниже нагрузки у двигателей рыбообрабатывающих плавбаз (табл. 1.1).
Промысловые режимы работы главных дизелей существенно отличаются друг от друга у различных групп судов. У добывающих средние нагрузки двигателей значительно выше, чем у рыбообрабатывающих и транспортных судов. Это объясняется особенностями условий работы на промысле судов каждого типа.
По данным /2/ у добывающих судов в среднем около 80% промыслового времени составляет работа с орудиями лова. У судов, предназначенных для ведения тралового лова рыбы, главные двигатели работают в режимах буксировки трала - режимах траления, для которых характерна частая смена режимов и нестабильность их даже для одного и того же судна из-за влияния условий траления, метеорологических условий, промысловой обстановки и т. д. В целом на режимах траления наблюдается относительно высокая нагрузка главных дизелей.
Методика исследований
Как показал обзор работ по влиянию температуры топлива на показатели работы топливных насосов, повышение температуры топлива обуславливает изменение его характеристик: плотности, вязкости, сжимаемости, а, следовательно, и увеличение утечек через зазоры плунжерных пар и уменьшение дросселирования в отсечных окнах, что в итоге приводит к изменению величины и степени неравномерности цикловых подач даже при закрепленной рейке топливных насосов. Неравномерность цикловых подач по данным /56/ в значительной степени (на 50-80%) определяется также процессами, происходящими в системе низкого давления. Колебания давления топлива на всасывании топливных насосов высокого давления дизелей, возникающие в результате рабочего процесса этих насосов, существенным образом влияют на условия выделения воздуха из топлива и на наполнение насосов. Очевидно, изменение физических параметров среды при повышении температуры отражается на амплитудных характеристиках колебательных процессов в топливоподводящих магистралях, что совместно с увеличением доли выделившегося в результате повышения температуры топлива воздуха оказывает влияние как на неравномерность, так и на нестабильность топливоподачи. Изменения последних в определенной степени отражаются на экономичности работы дизеля. Увеличение неравномерности и нестабильности приводит к ухудшению экономичности.
Тем не менее, по результатам проведенных исследований не ясно влияние повышения температуры топлива в системе низкого давления на неравномерность и нестабильность подач на различных режимах нагружения дизелей.
Поэтому целью экспериментальных исследований явилось изучение влияния повышения температуры топлива до 60С на процессы, происходящие в линиях высокого и низкого давлений, применительно к эксплуатационным режимам нагружения.
В основу проведения испытаний было положено получение и исследование следующих параметров при подогреве топлива и без него:
амплитуды колебаний давления топлива в подводящей
магистрали;
неравномерности цикловых подач по секциям насоса;
цикловой нестабильности топливоподачи;
максимального давления топлива перед форсункой;
продолжительности впрыска;
угла опережения впрыска.
Обоснование исследования процесса топливоподачи
Возникающие при повышении температуры изменения физических свойств топлива оказывают влияние на процессы топливоподачи. Наблюдаемое с ростом температуры уменьшение плотности, вязкости, увеличение сжимаемости и уменьшение скорости распространения волн давления определенным образом формируют процесс впрыска в зависимости от места подогрева топлива, температурных пределов, нагрузки и типа двигателя и т.д. Приводимые в литературе результаты исследования процесса впрыска при увеличении температуры топлива довольно противоречивые, что объясняется различным типом дизелей, геометрическими размерами их штатных топливных систем, а также различными условиями экспериментов. Поэтому в одних случаях преобладающим фактором при формировании топливоподачи оказывалось уменьшение скорости распространения волны давления, а в других, определяющим являлся рост остаточного давления в трубопроводе при нагревании топлива.
В рамках данной работы необходимо исследовать влияние подогрева топлива в системе низкого давления на параметры впрыска в широком диапазоне режимов нагружения, моделируя реальные условия эксплуатации.
Эти исследования могут осуществляться с помощью постановки эксперимента или математической модели процесса топливоподачи.
Математические методы позволяют изучить влияние конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов при различном их сочетании на формирование процесса впрыска. С помощью математической модели удается выдерживать требуемый уровень изменяемого фактора и исключить погрешности в результатах, вносимые измерительной аппаратурой. Расчет процесса впрыска базируется на решении системы дифференциальных уравнений, содержащих в зависимости от целей и принятых условий решаемой задачи ряд допущений. В определенной степени эти допущения могут исказить реальную картину процесса. Например, при расчетах сложно учитывать взаимовлияние секций насоса, которое, тем не менее, может сильно отражаться на формировании процесса наполнения насоса.
Поэтому, для проверки основных выводов о влиянии температуры топлива на процессы топливоподачи, полученных математическим моделированием, для реальных дизелей с учетом взаимовлияния секций насоса или отдельных насосов друг на друга, воздействия системы низкого давления и других неучтенных факторов целесообразным является проведение экспериментальных исследований при сохранении условий, аналогичных расчетным.
На основании приведенных соображений в настоящей работе реализованы следующие методы исследований.
На первом этапе проведен расчет процесса топливоподачи на холодном и горячем топливе с целью получения широкого круга характеристик впрыска на различных режимах эксплуатации дизелей и возможности выбора и анализа наиболее значимых с точки зрения организации процесса впрыска факторов, изменяющихся при подогреве топлива.
На втором этапе проведены экспериментальные исследования процесса впрыска холодного и горячего топлива с соблюдением тех же принципов моделирования реальных условий и режимов эксплуатации, как и при выполнении расчетов.
Лабораторные испытания дизеля
По материалам исследований термической обработки топлив известно, что увеличение температуры топлива сопровождается улучшением мелкости и однородности распыливания, повышением испаряемости и скорости сгорания топлив. Применение подогрева топлива на линии высокого давления приводит к повышению экономичности работы дизеля. В работах ряда авторов, приведенных в обзоре и относящихся к изучению подогрева топлива в системе низкого давления, зафиксировано снижение экономичности работы дизелей на номинальном режиме при предварительном подогреве до 60С-80С. Для мощных дизелей, работающих в широком диапазоне нагрузок, подобных исследований, охватывающих весь диапазон эксплуатационных режимов, не проводилось.
Поэтому основной целью экспериментальных исследований явилось изучение влияния предварительного подогрева топлива в системе низкого давления на экономичность работы дизеля во всем диапазоне нагрузочных режимов и, особенно, на малых нагрузках. В условиях эксплуатации выполнение данной работы экономически затруднено из-за стремления к максимально возможному использованию на судах вязких остаточных топлив на всех режимах. Маловязкое топливо применяется лишь для пуска, на режимах малых и еще реже средних ходов. Использование его на режимах полных ходов требует дополнительной регулировки топливной аппаратуры, существенного переоборудования топливной системы. Таким образом, проведение испытаний дизелей в условиях эксплуатации в широком диапазоне нагрузочных режимов является дорогостоящим и трудоемким мероприятием.
Натурные экспериментальные исследования выполнялись в два этапа.
Первым этапом явилось проведение лабораторных испытаний дизеля при возможно широком диапазоне изменения нагрузки.
Второй этап - это проверка результатов на главном судовом дизеле в условиях эксплуатации с учетом оговоренных ограничений.
