Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Парк судовых дизелей России и перспективы его обновления 11
1.1. Анализ парка судовык двигателей II
1.2. Эксплуатационные показатели ДВС 13
1.2.1 Топливная экономичность дизелей и способы её повышения 13
1.2.2. Надёжность транспортных дизелей 19
1.2.3. Экологические нормативы для транспортных дизелей и методы их обеспечения 27
1.3. Технические характеристики и конструктивные особенности автотракторных дизелей (на примере двигателей ОАО «Тутаевский моторный завод») 35
1.4. Газотурбинный наддув как основное средство форсирования дизелей 43
1.5. Применение двигателей ОАО «Тутаевский моторный завод» в качестве судовых 60
Глава 2. Определение предпочтительных значений температуры и давления наддувочного воздуха 75
2.1. Энергетическая схема комбинированного двигателя 75
2.2. Разработка алгоритма поиска наиболее выгодных значений параметров наддува 80
2.3. Численное моделирование рабочего процесса комбинированного двигателя 86
2.4. Идентификация математической модели 116
Глава 3. Стендовые исследования взаимодействия турбокомпрессора и поршневой части 126
3.1. Экспериментальная установка и методика исгытаний 126
3.2. Снятие характеристик двигателя 140
3.3. Обработка экспериментальных данных 146
3.4. Совместная работа турбокомпрессора и поршневой части 151
Глава 4. Разработка рекомендаций по обеспечению наиболее выгодных значений параметров наддува 157
4.1. Способы регулирования давления наддувочного воздуха 157
4.2. Способы регулирования температуры наддувочного воздуха 164
4.3. Схема управления параметрами наддува 167
4.4. Теплотехнический контроль конвертнрованнсго двигателя 172
Заключениг 178
Библиографический список использованной литературы 181
Приложения 191
- Эксплуатационные показатели ДВС
- Разработка алгоритма поиска наиболее выгодных значений параметров наддува
- Снятие характеристик двигателя
- Способы регулирования температуры наддувочного воздуха
Введение к работе
По прогнозам большинства отечественных и зарубежных специалистов [10, 57] поршневые двигатели внутреннего сгорания на ближайший период времени останутся основными энергетическими установками для транспортных средств. В подавляющем большинстве это дизельные с воспламенением от сжатия и двигатели с искровым зажиганием. Поскольку дизели имеют возможность работать с высокой степенью сжатия, в то время как у ДсИЗ она ограничена возможностью возникновения детонации, их показатели экономичности выше, чем у ДсИЗ. Многотопливность дизельных двигателей, т.е. их способность работать на различных видах топлива, также даёт им неоспоримое преимущество перед другими типами двигателей. Высокий уровень топливной экономичности (рис. ].), низкие суммарные выбросы токсичных компонентов и высокая надежность в эксплуатации определили высокий темп развития дизелей, особенно с непосредственным впрыском топлива. Их позиции в области мощностей Nc > 150 кВт стали доминирующими [10, 98].
Однако, активный прогресс в совершенствовании рабочих процессов и конструкции этих двигателей, способствующий резкому увеличению литровой мощности (достигшей Nji > 33 кВт/л или 45 л.с/л), а также снижению удельной массы (достигшей 2,3 ... 3,1 кг/кВт или 1,7 ...2,3 кгУл.с.)и шумности работы, позволяет все в большей степени закрепить их позиции на транспорте [98], в том числе и водном.
Ежегодное производство дизельных двигателей в мире уже превысило 12 млн. штук [82]. В эксплуатации в то же время находится примерно в 4 раза больше. В связи с этим во всём мире уделяют огромное внимание совершенствованию этого типа двигателей, направленному на уменьшение расхода топлива, снижение токсичности отработавших газов и повышение их надёжности.
л lit
і' кВт"ч
:,чіі
241»
ІЦІ
!'u ''.i|i
м 4 к і: і.. м :-((:
Рис.!. Изменение удельного расхода топлива по нагрузке в области частот вращения коленчатого вала, близкой к частоте максимального крутящего момента: I- бензиновый двигатель (цикл Отто);
- дизельные двигатели с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием;
- дизель с непосредственным впрыском без наддува;
- дизель с непосредственным впрыском и газотурбинным наддувом;
- дизель с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха.
Актуальность темы. На территории Российской Федерации находится большое количество судоходных рек. Общая протяжённость речных путей составляет около 84 000 км. В связи с этим значительная часть перевозок грузов и пассажиров осуществляется по водным путям. В качестве энергетических установок судов в подавляющем большинстве использованы дизельные двигатели моделей 6ЧСП(Н)12/14;6,12Ч(Н)15/18;6,8ЧСП(Н)18/22;12ЧСПН18/20 [88].
По имеющимся данным под надзором Российского Речного Регистра находится бопее 30000 судов, на которых установлено несколько десятков тысяч отечественных и импортных дизелей. Средний возраст судов составляет 24 года [88]. Необходимо отметить, что большинство этих двигателей морально устарели и не удовлетворяют современным требованиям по надёжности, экономичности и экологическим показателям. Кроме того, значительная часть парка ди-
9 зелей речного флота страны (не менее 50 %) выработали установленные заводами - изготовителями ресурсы. Таким образом, в настоящее время перед судоходными компаниями и судостроительными предприятиями достаточно остро стоит проблема выбора современных двигателей как взамен выработавших свой ресурс, так и для вновь строящихся судов.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:
получены функциональные зависимости, количественно характеризующие комплексное влияние температуры и давления наддувочного воздуха на показатели топливной экономичности ДВС, тепловых и механических нагрузок на детали ЦПГ, токсичности и дьшности ОГ;
разработан алгоритм многофакторного выбора предпочтительных значений температуры и давления наддувочного воздуха для различных режимов работы ДВС с учётом ограничений в виде предельно допустимых, либо желательных значений эксплуатационных показателей, который обеспечивается предложенными конструкторскими решениями по модернизации системы газотурбинного наддува двигателя автотракторного назначения при конвертации его в судовой.
()6ъекг_ исследования является двигатель автотракторного назначения конвертируемый в судовой.
Предметом исследования являются параметры газотурбинного наддува двигателя автотракторного назначения, конвертируемого в судовой, совместная работа агрегата наддува и поршнезой части, топливная экономичность двигателя, токсичность и дымность отработавших газов.
Методы исследования. Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на положениях теории комбинированных двигателей и численного моделирования с использованием современных компьютерных пакетов (Дизель-РК, Math С AD 13).
Цель диссертационной работы, Разработка научно обоснованных рекомендаций по совершенствованию газотурбинного наддува при конвертации автотракторных ДВС в судовые.
10 Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо обеспечить решение следующих задач:
Определение возможностей и перспектив применения двигателей, выпускаемых ОАО «Тутаевский моторный завод» в качестве судовых;
Разработка алгоритма выбора параметров наддува с целью повышения топливной экономичности дизеля автотракторного назначения, конвертируемого в судовой;
Выбор предпочтительных параметров наддува для дизеля, работающего по винтовой и нагрузочной характеристикам;
Разработка мероприятий по модернизации систем газотурбинного наддува.
Разработка рекомендаций по проведению теплотехнического контроля конвертированного дизеля.
Достоверность научных положении. Подтверждается адекватностью математической модели, проверка которой выполнена по результатам натурного эксперимента. Результаты численного эксперимента достаточно точно соответствуют результатам натурного эксперимента.
Практическая ценность реїультатов:
- разработанный алгоритм применён для определения наиболее предпоч
тительных сочетаний температуры и давления наддувочного воздуха при рабо
те го винтовой и нагрузочной характеристикам двигателя автотракторного на
значения 8ЧН14/14, конвертированного в судовой;
— комплексная многофакторная оптимизация параметров наддува автотрак
торного ДВС, конвертированного в судовой, проведённая в связи с изменением
режимов работы, позволяет снизить удельный эффективный расход топлива на
2,5 - 6 %.
Для достижения поставленных целей при работе над диссертацией проведён обзор научно-технической и патентной литературы, теоретически обоснован алгоритм выбора основных параметров наддува, проведены численные и моторные эксперименты.
Эксплуатационные показатели ДВС
Для обеспечения конкурентоспособности двигателей необходимо, чтобы их основные эксплуатационные показатели не уступали аналогам и превосходили конкурентов. К основным эксплуатационным показателям относят: топливную экономичность, надёжность и экологичность. Перспектива применения двигателей ЯМЗ 8481 на речном флоте непосредственно связанны с возможностью улучшения этих показателей. Общепринятыми показателями экономичности работы двигателя являются эффективный КПД г\с и удельный эффективный расход топлива &. Под эффективный КПД двигателя понимают долю от всей подведённой с топливом теплоты превращенную в полезную работу [64,49,91]: где Ц - доля теплоты превращенная в полезную работу, Дж; Н„ -теплота подведённая с топливом, Дж. Удельный эффективный расход топлива представляет собой массу топлива, израсходованного двигателем для выработки единицы мощности за один час работы: где Нп - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; тс - удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч). Перечисленные показатели позволяют оценивать экономичность различных типов двигателей, вне зависимости от их рабочего объёма, тактности, частоты вращгния коленчатого вала и организации рабочего процесса. Значения удельного эффективного расхода топлива и эффективного КПД для современ ных поршневых и комбинированных двигателей приведены в источниках [49, 92]: Абсолютное значение количества топлива, необходимое двигателю для совершения полезной работы принято выражать часовым расходом топлива G,, показывающим массу топлива, потреблённую двигателем за час работы [49, 64]. Возможные пути повышения экономичности можно условно разделить на несколько групп: 1. Совершенствование рабочего процесса двигателя; 2. Уменьшение механических потерь в двигателе; 3. Более полное использование энергетического потенциала топлива, то есть осуществление более полной утилизации теплоты в двигателе. Под совершенствованием рабочего процесса понимают все мероприятия, направленные на улучшения качества процессов газообмена, смесеобразования и сгорания, поскольку именно они определяют большей частью уровень топливной экономичности двигателя. Так для обеспечения качественного смесеобразования необходимо стремится к более мелкому раслыливанию топлива, что может быть достигнуто повышением давления впрыска, которое для дизелей с неразделёнными камерами сгорания может юстигать 150 MI 1а и более [4]. Форма камеры сгорания строго согласовывается с формой топливных факелов и количеством сопловых отверстий форсунки. Закон топливоподачи должен соответствовать режиму работ) двигателя. Для этого необходима система гибкого управления законом топливоподачи, основой которой является управляющий микропроцессор, а исполнительными органами индивидуальные для каждого цилиндра насос форсунки с электронным управлением [55]. Дгя более равномерного распределения топлива по объёму камеры сгорания необходимо организовывать вихревое движение воздушного заряда в цилиндрах. При использовании в двигателе камеры сгорания в поршне вихревое движение воздуха возникает в цилиндре к концу сжатия, когда при движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) возду : вытесняется из цилиндра в КС с меньшим поперечным сечением [II]. Однако интенсивность такого вихря не всегда бывает достаточной. В этом случае для организации дополнительного вращательного движения воздушного заряда в цилиндре (осевого вихря) либо устанавливают на впускном клапане ширму, либо профилируют соответствующим образом впускной канал. При этом образуется «двойной» воздушный вихрь. Для улучшения очистки цилиндра от продуктов сгорания и заполнения его свежим зарядом, а также сокращения затрат энергии на газообмен, фазы газораспределения должны иметь свою оптимальную величину для каждого скоростного режима двигателя [24, 29]. Таким образом, необходимо создание двигателей с изменяемыми фазами газораспределения, в зависимости от режима работы. Для улучшения уровня топливной экономичности целесообразно корректирование степени сжатия, в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля, параметров окружающего воздуха, свойств, применяемого топлива [69]. Это достигается применением поршней с автоматическим регулированием степени сжатия (ПАРСС), автоматическим изменением отношения радиуса кривошипа R к длине шатуна L, использованием ряда других систем автоматического регулирования, обеспечивающих регулирование е в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы дизеля [II, 116]. Работа, снимаемая с выходного вала двигателя и полезно используемая, значительно меньше работы совершаемой рабочим телом в цилиндрах двигателя. Это отличие обусловлено механическими или внутренними потерями. Под механическими потерями понимают потери на все виды механического трения, осуществление газообмена, привод вспомогательных механизмов, вентиляционные потери, связанные с движением деталей двигателя при больших скоростях в среде воздушно-масляной эмульсии и воздуха, а также на привод компрессора [49]. В дизелях с разделенными камерами сгорания к механическим потерям относят обычно также газодинамические потери на перетекание заряда между полостями камеры сгорания. Величину механических потерь характери 16зуют средним давлением механических потерь - удегьную работу механических потерь при осуществлении одного цикла, т. е. цикловой работой потерь, приходящейся на единицу рабочего объема цилиндра. Среднее эффективное давление р,. отличается от среднего индикаторного давления на величину среднего давления механических потерь рмп [49, 76] Основная часть - потери на трение (до 80%). Большая часть потерь на трение приходится на пары поршень - гильза и поршневые кольца - гильза (около 45...55% всех механических потерь). Потери нг трение в подшипниках составляют до 20% от всех механических потерь [64,49, 76,91]. На величину механических потерь существенное влияние оказывают следующие факторы: -тепловой режим двигателя в связи с его влиянием на вязкость смазки, от которой существенно зависят силы жидкостного трения; - частота вращения, поскольку её увеличение приводит к росту сил инерции и относительной скорости перемещения деталей. Одновременно несколько возрастает температура и падает вязкость смазочного масла. Силы жидкостного трения увеличиваются в основном из-за повышения относительной скорости перемещения деталей; силы граничного трения - из-за роста нагрузок на трущиеся пары; - увеличение нагрузки ведет к росту газовых сил и повышению температуры деталей. Силы жидкостного трения при этом уменьшаются из-за снижения вязкости смазки, а силы граничного трения растут из-за увеличения газовых сил. Опыт свидетельствует о том, что потери на трение в дизеле сравнительно мало зависят от нагрузки. Потери на газообмен тем больше, чем выше сопротивление впускной и выпускной систем и больше скорость движения газов. С ростом частоты вращения потери на газообмен во всех типах двигателей растут в результате уменьшения работы впуска и увеличения работы выталкивания. Связано это с увеличением перепадов давлений во впускной и выпускной системах. В дизе лях с газотурбинным наддувом, потери на газообмен в зависимости от типа системь: наддува, характеристик турбонагнетателей и их согласования с характеристиками двигателя, конструкции и размеров органов и фаз газообмена могут, как увеличиваться, так и уменьшаться при увеличении нагрузки. Вентиляционные потери РВЕНТ малы, они пропорциональны частоте вращения [49].
Разработка алгоритма поиска наиболее выгодных значений параметров наддува
Как было показано в обзоре научно-технической литературы общепринятым показателем топливной экономичности является удельный эффективный расход топлива &. Уровень механических нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма характеризуется максимальным давлением цикла р, и максимальной скоростью нарастания давления в процессе сгорания (dp/d) . Для оценки теплонапряжё нности деталей, образующих камеру сгорания, различными авторами предложено ряд критериев: критерий Гинцбурга, критерий Ваншейдта и др., однако наиболее широкое применение получил параметр qn , предложенный Костиным Л.К., позволяющий оценить теплонапряженпость поршня в зависимости от параметров рабочего процесса и режима работы двигателя. Параметром, в значительной степени определяющим надежность работы турбины турбокомпрессора является температура отработавших газов на сё входе Т(. Экологические показатели работы, согласно стандартам, характеризуются удельными выбросами угарного газа СО, окислов азота NO„ несгорев-ших углеводородов СЧНУ, а для автомобильных дизельных двигателей выбросы «твёрдых 1:астиц», кроме того для дизелей нормируется дымность отработавших газов.
Для большинства из перечисленных параметров возможно введение вполне конкретных ограничений либо желательных значений. Так для параметров, определяющих механические и тепловые нагрузки на детали двигателя, а следователзно в значительной степени определяющих его надёжность, устанавливаются их максимально допустимые значения. Для максимального давлением цикла р2 в работах А.С. Орлина, М.Г. Круглова и ряда других авторов [25, 64, 92], для дизелей с неразделенными камерами сгорании и объёмным смесеобразованием, устанавливается предельно допустимое значение в 14-J 5 MI la. Для данной категории двигателей, к которой и относится рассматриваемый для конвертации двигатель семейства ЯМЗ - 840, допустимая максималь ная скорость нарастания давления в процессе сгорания авторами [25, 50, 92] устанавливается в пределе (dp/d(p)max =0,8 - 1,2 МПаЛіКВ. Однако, согласно работам [22, 91] работа дизелей с (dp/do)m34 0,6 МПа/ ПКВ является жёсткой и с целью ограничения шумности работы двигателя желательно не превышать это значение. Температура отработавших газов перед турбиной, оказывающая определяющее влияние на её надёжность и долговечность, при длительной работе ограничивается значением 900-925 К [46]. Максимально допустимые значения параметра qi , предложенного Костиным А.К., для оценки теплонапряжёниости поршня устанавливаются в зависимости от конструктивных особенностей поршня и ткпа его охлаждения. Поскольку в конвертируемом двигателе семейства ЯМЗ - 840 применяются поршни из алюминиевого сплава с циркуляционным охлаждением маслом, то предельное значение параметра qn, согласно данным А.К. Костина [91], ограничивается значением qn = 8. Предельные значения выбросов токсичных компонентов и дымности отработавших газов устанавливаются различными международными и национальными стандартами в зависимости от типа, назначения и мощности двигателя. При конвертации автотракторных двигателей в судовые, на них начинают распространятся нормы, действующие на судовые двигатели. Предельные значения выбросов токсичных компонентов (СО, СИ, N0.0 определяются в этом случаи по ГОСТ Р51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами» [20]. Величина удельных выбросов МОч устанавливается на уровне 10 г/кВт ч, выбросов СО на уровне 3 г/кВт ч, выбросов СН на уровне 1 г/кВт ч.
Предельные значения дымности определяются при этом по ГОСТ Р51250-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отраоо-тавших газов» [211 в зависимости от расхода отработавших газов. Уровень топливной экономичности, оцениваемый удельным эффективным расходом топлива &, как для потребителя двигателей, так и для их произ водителей должен быть наилучший, т.е. удельный эффективный расход топлива желателен минимальный.
Параметры наддува, а именно давление и температура наддувочного воздуха, наряду с характеристиками топливоподачи оказывают определяющее влияние на протекание рабочего процесса, а значит и на параметры, характеризующие топливную экономичность, тепловые и механические нагрузки, а также токсичность и дымность отработавших газов (рис. 2.5).
При конвертации изменяются рабочие режимы двигателя: если автотракторный двигатель работает по скоростной характеристике, то главный судовой двигатель, при работе в составе дизель - генератора, и вспомогательные двигатели работают по нагрузочной. В случае работы главного судового двигателя на винт через реверсивно-редукторную передачу рабочими режимами являются режимы винтовой характеристики.
При изменившихся режимах работы двигателя штатная система наддува не обеспечивает предпочтительные значения параметров наддува. Под которыми, в данном случаи, следует понимать такие значения давления и температуры наддувочного воздуха, которые обеспечивают наилучший из возможных уровень топливной экономичности, при условии выполнения норм по токсичности и дымности отработавших газов и приемлемый уровень тепловых и механических нагрузок на детали двигателя. Необходимо отметить, что на давление и температуру наддувочного воздуха необходимо ввести определённые ограничения. Так нижний предел температуры наддувочного воздуха устанавливается, согласно требованиям к судовым двигателям, не ниже точки росы Тк тп = 308 - 315 К, когда возможно выпадение конденсата. Поскольку, как показал обзор литературы, использование подогрева воздуха на впуске в двигатель приводит к ухудшению технико-экономических показателей наибольшее значение температуры наддувочного воздуха может быть задано в зависимости от давления наддувочного воздуха по формуле Показатель политропы сжатия в компрессоре, можно определить по экспериментальным данным для штатной системы наддува.
Снятие характеристик двигателя
Целью проведения стендовых испытаний было следующее: 1. Получение экспериментальных данных для проведения идентификации математической модели. 2. Подтверждение выявленных в ходе численного эксперимента зависимостей влияния температуры наддувочного на показатели работы двигателя. 3. Проверка согласования штатного турбокомпрессора с поршневой частью в условиях изменившихся режимов работы двигателя.
В ходе натурного эксперимента производилось снятие нагрузочных и винтовых характеристик двигателя ЯМЗ-8481.10, установленного в испытательном боксе экспериментального цеха ОАО кТутаевский моторный завод». В замен штатного ОНВ к двигателю был подключен имитатор ОНВ, представляющий собой рекуперативный водовоздушный теплообменник. При помоши регулировочного крана была обеспечена возможность регулирования расхода воды через него. Таким образом, снятие характеристик осуществлялось при различных расходах охлаждающей воды через имитатор ОНВ, а следовательно, различной глубине охлаждения наддувочного воздуха.
Испытания проводились на дизельном топливе марки Л-0,2-62 по ГОСТ 305-82. В качестве смазочного масла использовалось моторное масло марки М-10ДМ по ГОСТ 8581. При проведении натурного эксперимента по подтверждению закономерностей ЕЛИЯНИЯ охлаждения наддувочного воздуха на параметры работы конвертируемого дизеля, полученных при численном эксперименте, проводилось снятие нагрузочных и винтовых характеристик.
Нагрузочными, называют характеристики, выявляющие закономерность изменения ряда параметров двигателя в зависимости от изменения нагрузки при заданном постоянном числе оборотов вала [75]. Они имитируют работу конвертируемого двигателя в качестве вспомогательного в составе судовой электростанции, либо главного, в составе дизель-генераторной установки.
При снятии нагрузочных характеристик двигатель был прогрет до нормального теплового состояния, определяемый температурой охлаждающей жидкости на выходе. Согласно ТУ её температура на выходе из двигателя должна находиться в пределах от 345 К до 363 К {от 70С до 90С). Затем его вывели на заданный скоростной режим 1500 об/мин и постепенно перемешали рейку топливного насоса от положения, соответствующего холостому ходу, до предельного положения, сохраняя заданный скоростной режим путем нагруже-иия (разіружения) двигателя с помощью гидротормоза. В качестве независимого переменного параметра в этом случае принималась мощность, развиваемая двигателем. Каждая из характеристик содержала 6-8 точек, соответствующих долевым нагрузкам. За первую точку характеристики принималась точка, соответствующая номинальной мощности. После перехода к следующей точке характеристики, перед осуществлением измерений параметров, двигатель работал на этом режиме в течение 5 - 10 мин. Па каждом режиме проводились однократные измерения параметров работы двигателя. Снятие последующих характеристик, осуществлялось после уменьшения расхода охлаждающей воды через имитатор, вплоть до отключения подачи воды в имитатор ОНВ, т.е. отсутствия охлаждения наддувочного воздуха. Поддержание заданных уровней мощности в 100, 75, 50, и 25% достигалось корректированием цикловой подачи топлива. За уровень 100% мощности была принята номинальная мощность, достигнутая при максимальном расходе охлаждающей воды через имитатор ОНВ.
При проведении натурного эксперимента снимались также и винтовые характеристики при различных расходах охлаждающей воды через имитатор ОНВ. Под винтовой характеристикой понимается зависимость параметров работы дизеля от частоты вращения при работе на гребной винт [6]. Она имитирует работу конвертируемого двигателя в качестве главного судового при Работе его на гребпой винт.
Из теории гребного винта известно, что мощность, потребляемая гребным винтом, пропорциональна частоте его вращения в кубе. Мощность при номинальной частоте вращения определяется выражением где С - постоянная- зависящая от условий работы судна, размеров винта и его взаимодействия с корпусом судна. Тогда мощность на другом режиме:
Почленно разделив эти выражения одно на другое, можно получит мощность на любом интересующем режиме: Таким образом при снятии винтовых характеристик с различными глубинами охлаждения наддувочного воздуха, необходимые для формирования характеристики мощности при частотах вращения коленчатого вала 1000, 1100, 1200, 1300, 1400 и 1500 об/мин, обеспечивались корректировкой цикловой подачи и нагрузки со стороны тормоза. Результаты натурных испытаний по винтовой и наїрузочной характеристикам представлены на (рис. 3.6. -ЗЛО.) и в (прил. 5 и 6).
Натурный эксперимент показал, что охлаждение наддувочного воздуха при работе двигателя, как по нагрузочной, так и винтовой характеристике приводит к снижению максимального давления цикла (рис. 3.6.), обусловленному меньшей цикловой подачей топлива необходимой для достижения заданной мощности. Натурный эксперимент подтвердил данные о повышение жёсткости процесса сгорания (рис. 3.7.), обусловленное увеличением угла задержки самовоспламенения с понижением температуры в момент подачи топлива. Однако её максимальный значения не превысили, установленные для данного типа двигателей допустимые значения в 0,8-1,0 МПаЛіКВ [3]. отработавших плов, важный показатель теппочапряжённость турбины и камеры сгорания. Натурный эксперименг показал, что во всём диапазоне нагрузок охлаждение наддувочного воздуха снижает температуру отработавших газов (рис. 3.8), а следовательно уровень тепловых нагрузок на детали камеры сгора ния. Гак, на режиме 100% мощности при снижении температуры с 368 К, соответствующих расходу воды через ОНВ в 0 кг/мин (без охлаждения), до 317 К, соответствующих расходу воды через ОНВ в 156,9 кг/мин, температура отработавших газов перед турбиной уменьшилась с793 К до 733 К то есть на 7,5 %.воздуха происходит более полное и интенсивное сгорание топлива, за счёт повышение массового наполнения цилиндра, а значит, снижается удельный эффективный расход топлива (рис. 3.9.). Установлено также, что при снижении нагрузки, особенно в области малых нагрузок, происходи? значительный рост удельного эффективного расхода топлива.
Результаты натурного эксперимента также подтвердили (рис. 3.10), что охлаждение наддувочного воздуха снижает дымность отработавших газов, особенно в области нагрузок выше 50%. Это, по-видимому, объясняется сокращением локальных зон камеры сгорания с недостатком кислорода, за счёт повышения коэффициента избытка воздуха. Необходимо отметить, что не на одном из режимов нагрузочной или винтовой характеристик не наблюдалось превышение норм установленных ГОСТ Р 51250-99.
Способы регулирования температуры наддувочного воздуха
Наиболее широкое применение для охлаждения наддувочного воздуха получили рекуперативные теплообменники типа «вода - воздух» и «воздух -воздух». a) регулируется расход и температура охлаждающего воздуха через ОНВ в зависимости от температуры наддувочного воздуха; b) регулируется расход наддувочного воздуха через ОНВ в зависимости от динамического давления; a) регулируется расход охлаждающего воздуха через ОНВ в зависимости от температуры отработавших газов; a) регулируется расход охлаждающего воздуха через ОНВ в зависимости от нагрузки на двигатель В созданных отечественными и зарубежными конструкторами устройствах для реіулирования глубины охлаждения наддувочного воздуха на основе рекуперативных теплообменников, схемы которых приведены на (рис. 4.8.), используются следующие принципы работы [62, 80]: 1. Принцип изменения расхода и температуры охлаждающего воздуха подводимого к охладителю. Охлаждающий воздух от кондиционера салона автомобиля подводится к охладителю в зависимости от температуры наддувочного воздуха и стабилизирует его температуру на необходимом уровне (рис. 4.8.,а). 2. Принцип перепуска части воздуха минуя охладитель. В зависимости от величины динамического давления наддувочного воздуха, воздействующего на распределительное устройство, изменяется количественное соотношение наддувочного воздуха проходящего через охладитель и обводной канал (рис. 4.8.,6) 3. Принцип изменения количества охлаждающего воздуха. a. В зависимости от температуры отработавших газов, под действием термосилового элемента открывается их доступ к газовой турбине вращающий вспомогательный вентилятор, прокачивающий охлаждающий воздух через ох ладитель (рис. 4.8.,в). b. В зависимости от нагрузки, при изменении положения педали управления подачей топлива, изменяется положение створок жалюзи, создаю щих сопротивление воздушного тракта двигателя, что увеличивает расход ох лаждающего воздуха через охладитель (рис. 4.8.,г). Другим видом охлаждения, применяемым главным образом на судовых ДВС, является испарительное. Этот вид охлаждения осуществляете вводом какой-либо распылённой жидкости в поток воздуха, направляемый в цилиндры дизеля. Капли жидкости испаряются, отнимая необходимую для этого теплоту от воздуха, в результате температура последнего снижается. Испарительная система охлаждения проста в изготовлении и эксплуатации; имеет небольшие размеры, массу и стоимость; не создаёт дополнительных аэродинамических сопротивлений, легко поддаете регулированию и автоматизации [15, 46]. Глубокого охлаждения можно достичь, применяя детандерное охлаждение (рис.4.9.), разработаное фирмой «Купер - Бессемер» (США). Воздух из окружающей среды поступает в компрессор, приводимый в действие газовой турбиной, которая работает за счет энергии отработавших газов двигателя. Далее воздух направляется в компрессор детандера, где сжимается вторично. После этого он, имея достаточно высокую температуру, проходит через рекулетивиый ОНВ. Затем охлажденный воздух повешенного давления направляется в детандер - воздушную турбину, здесь он адиабатно расширяется до давления наддувочного воздуха и направляется в цилиндры двигателя. Температура воздуха при этом может быть ниже температуры окружающей среды [15,104]. Другим решением детаидерного охлаждения является метод Миллера. Воздух из атмосферы поступает в компрессор и сжимается там до высокого давления. Затем он направляется в теплообменник, где охлаждается при примерно постоянном давлении, и далее поступает в цилиндр дизеля. Однако здесь, в отличие от обычных двигателей процесс впуска осуществляется не на всем протяжении хода поршня, а прекращается примерно за 45 ПКВ до его прихода в ИМТ. Далее впускные клапаны закрываются, и с этого момента вплоть до лрихода поршня в НМТ происходит расширение воздуха, в результате чего его давление и температура снижаются. Таким образом, роль детандера здесь исполняет цилиндр двигателя. [46]. П рамках работы над диссертацией разработана программа для проектирования охладителей надувочного воздуха с заданной глубиной охлаждения надувочного воздуха. Аналіз, проведённый в главе З, показал, что штанная система наддува со свободным нерегулируемым турбокомпрессором и охлаждением наддувочного воздуха не обеспечивает предпочтительных значений параметров наддува. Для их обеспечения на всех режимах винтовой и нагрузочной характеристик на конвертируемом двигателе предлагается использовать систему газотурбинного наддува с регулируемым компрессором и систему охлаждения наддувочного воздуха с регулированием глубины охлаждения. Для конвертируемого двигателя разработана система системы управления параметрами наддува на вход в двигатель, представленная на (рис. 4.10.). Основу системы составляет электронный блок управления. В его память занесены значения предпочтительных параметров наддува в виде функциональной зависимости от режима работы двигателя по нагрузочной или винтовой характеристике, определяемого частотой вращении и цикловой подачей. Таким образом, значения предпочтительных параметров наддува для произвольного режима рассчитывается программно. Система работает следующим образом. Перед пуском двигателя заслонка 4 перепускного канала 13 под действием возвратной пружины управляющего пневмоэлемента находится в закрытом положении, когда все отработавшие газы направляются на рабочее колесо пружины. Клапан перепуска наддувочного воздуха 6 под действием возвратной пружины находится в положении, когда весь надувочный воздух направляется в ОНВ 3. После запуска двигателя на электронный блок управления начинают поступать сигналы с датчиков режима работа двигателя. К ним относятся индуктивный датчик частоты вращения 8 и датчик положения рейки топливного насоса 9, определяющий цикловую подачу топлива. На основе их сигналов электронный блок рассчитывает предпочтительные значения параметров наддувочного воздуха для данного режима работы.
