Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных методов и средств организации эффективного охлаждения судовых ЛВС 13
1.1. Эксплуатационные требования и показатели технико-экономического совершенства и экологической безопасности судовых ЛВС 13
1.2. Тепловой баланс, температурное и теплонапряженное состояние деталей ДВС 21
1.3. Влияние конструктивных и режимных характеристик систем охлаждения на эксплуатационные показатели судовых ДВС 30
1.4. Теплообмен в полостях охлаждения ДВС 45
1.5. Эксплуатационные свойства охлаждающих жидкостей ДВС 49
Выводы по главе 63
2. Влияние охлаждения на рабочий цикл судового ДВС 65
2.1. Охлаждение наддувочного воздуха 67
2.2. Охлаждение деталей цилиндропоршневой группы 78
Выводы по главе 89
3. Повышение надежности судовых ДВС 90
3.1. Совершенствование параметров водно-химического режима систем охлаждения судовых ДВС 90
3.2. Совершенствование режимных параметров систем охлаждения 130
3.3. Выбор конструктивных параметров, обеспечивающих повышение надежности ДВС 134
Выводы по главе 139
4. Повышение эффективности использования энергии в судовых ДВС 141
4.1. Влияние режимных параметров систем охлаждения на энергетические и экономические показатели ДВС 143
4.2. Влияние водно-химических параметров систем охлаждения на энергетические и экономические показатели ДВС 149
4.2.1. Влияние состава охлаждающих жидкостей на теплообмен 149
4.2.2. Влияние состава охлаждающей жидкости на гидравлические потери в контуре охлаждения 199
4.3. Энергосберегающая модернизация системы охлаждения ДВС 214
Выводы по главе 218
5. Совершенствование экологических показателей судовых ДВС 219
5.1. Влияние режимов охлаждения наддувочного воздуха на экологические показатели ДВС 219
5.2. Влияние состава охлаждающей жидкости и режима охлаждения на экологические показатели ДВС 249
5.3. Конструктивные мероприятия для улучшения экологических показателей ДВС 254
Выводы по главе 261
6. Оптимизация параметров охлаждения судовых ДВС 263
6.1. Методология оптимизации параметров охлаждения ДВС 263
6.2. Жидкостная система охлаждения комбинированного двигателя как объект оптимизации 271
6.3. Энергетический эффект высокотемпературного охлаждения 286
6.4. Многофакторная оптимизация охлаждения ДВС 295
Выводы по главе 304
7. Обеспечение параметров охлаждения в процессе эксплуатации судовых ДВС 305
7.1. Регулирование режимных параметров охлаждения 305
7.2. Процессы старения теплоносителей систем охлаждения 313
7.3. Обеспечение водно-химических режимов охлаждения судовых ДВС в процессе эксплуатации 333
Выводы по главе 344
Общие выводы 346
Список литературы 349
Приложения
- Тепловой баланс, температурное и теплонапряженное состояние деталей ДВС
- Совершенствование режимных параметров систем охлаждения
- Влияние режимов охлаждения наддувочного воздуха на экологические показатели ДВС
- Регулирование режимных параметров охлаждения
Введение к работе
Актуальность работы.
Основной целью Федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы», утвержденной Распоряжением Правительства РФ от 7 ноября 2007 г. № 1571-р, является создание новых типов судов, эффективность которых в значительной мере определяется научно-техническим уровнем дизельных энергетических установок.
Поэтому модернизация флота невозможна без совершенствования конструкции и методов технической эксплуатации главных и вспомогательных судовых дизелей.
Концепция подпрограммы ФЦП «Создание и организация производства в Российской Федерации в 2011–2015 годах дизельных двигателей и их компонентов нового поколения», принятая постановлением Пр-710-р Правительства РФ от 21.04.2011 г., предусматривает разработку новых базовых модификаций и типоразмерных рядов современных судовых четырехтактных дизельных двигателей, форсированных как по частоте вращения коленчатого вала, так и по среднему эффективному давлению, с низкими массогабаритными показателями и, следовательно, высокими уровнями температур и теплонапряженности их деталей.
Для обеспечения высоких экономических, экологических и ресурсных показателей таких двигателей особое внимание необходимо уделять организации их рационального охлаждения, возможности которого в настоящее время использованы недостаточно полно.
Задача совершенствования систем охлаждения особенно актуальна для ДВС повышенной и высокой оборотности в связи с возрастанием вероятности возникновения кавитационных явлений в рубашке охлаждения цилиндровых втулок и высокими тепловыми и механическими нагрузками, действующими на детали цилиндропоршневой группы и крышки цилиндров.
В настоящее время доля таких двигателей, используемых в качестве главных и вспомогательных на судах внутреннего и смешанного река-море плавания составляет более 60 %.
В процессе модернизации флота доля форсированных высокооборотных двигателей будет неуклонно расти, что свидетельствуют об актуальности исследований, направленных на совершенствование охлаждения высокооборотных судовых дизелей.
Цель работы – улучшение ресурсных, экономических и экологических показателей судовых ДВС за счет научно обоснованного совершенствования водно-химических, режимных и конструктивных параметров их систем охлаждения.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
-
Провести анализ влияния теплового состояния на эксплуатационные показатели ДВС и определить совокупность параметров охлаждения наиболее существенно влияющих на экономические, ресурсные и экологические показатели высокооборотных судовых ДВС с газотурбинным наддувом.
-
Разработать научную концепцию совершенствования водно-химических параметров охлаждения в процессе эксплуатации, обеспечивающие повышение ресурсных показателей ДВС за счет ингибирования кавитационно-коррозионных разрушений и предотвращение накипеобразования в системе охлаждения.
-
Предложить и доказать научную гипотезу о влиянии свойств охлаждающей жидкости на экономические и экологические показатели ДВС
-
Создать экспериментальные установки и методики проведения для исследования влияния водно-химических и режимных параметров охлаждения на процессы, протекающие в системах охлаждения.
-
Разработать методику и алгоритм решения задачи оптимизации водно-химических и режимных параметров охлаждения судовых ДВС.
-
Ввести комплексный критерий совершенства охлаждения ДВС для решения задачи оптимизации параметров охлаждения.
-
Предложить конструкторские усовершенствования, обеспечивающие поддержание требуемых параметров охлаждения в процессе эксплуатации.
Объект исследований: система охлаждения судового высокооборотного дизеля, с газотурбинным наддувом, и физико-химические процессы, протекающие в системе охлаждения.
Предмет исследования: водно-химические, режимные и конструктивные параметры охлаждения, влияющие на эксплуатационные показатели судовых дизелей.
Методы исследования. Для получении результатов диссертационной работы проводились экспериментальные исследования, базирующиеся на электрохимической теории коррозионных разрушений, теории тепло- массообмена, теории механики жидкости и газа, термофлуктуационной теории разрушений. Расчетно-аналитические исследования проводились с использованием методов регрессионного анализа, математической статистики, прикладных пакетов программ, реализующих метод конечных элементов.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается
- обоснованностью исходных предположений, использованием современных теорий теплофизических, гидродинамических и электрохимических процессов, теории подобия;
- проведением испытаний по стандартным методикам на сертифицированном оборудовании, а также на специально разработанных и созданных лабораторных установках;
- согласованностью полученных зависимостей с теоретическими положениями, адекватностью результатов испытаний теоретическим гипотезам, близостью результатов расчетов и экспериментальных данных;
- применением методов корреляционного и регрессионного анализа, средств вычислительной техники, прикладных пакетов программ.
Научную новизну работы представляют следующие результаты, полученные соискателем:
1. Обоснованный выбор наиболее значимых режимных и водно-химических параметров охлаждения, выполненный на основе анализа их влияния на эксплуатационные показатели ДВС.
2. Методика выбора компонентов многофункциональных присадок к охлаждающим жидкостям и получения зависимостей физико-химических свойств охлаждающих жидкостей от концентрации компонентов присадки.
3. Доказательства влияния состава охлаждающей жидкости на тепло-гидравлические процессы в системе охлаждения.
4. Модернизация критериального уравнения конвективного теплообмена в рубашке охлаждения в присутствии присадок, содержащих поверхностно-активные вещества и полимеры.
5. Методика выбора оптимальных режимов охлаждения двигателя, обеспечивающих повышение его эксплуатационных показателей.
6. Комплексный критерий совершенства охлаждения ДВС, используемый для оценки эффективности выбора режимных, водно-химических и конструктивных параметров систем охлаждения.
7. Методика оценки качества охлаждающих жидкостей в процессе эксплуатации и восстановления их требуемых свойств
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате комплексного подхода к проблеме охлаждения судовых высокооборотных дизелей разработаны рекомендации по совершенствованию водно-химических и режимных параметров систем охлаждения, предложены конструктивные мероприятия по модернизации систем охлаждения, обеспечивающие энерго- и ресурсосбережение в процессе эксплуатации СЭУ, за счет повышения надежности и экономичности ДВС.
Реализация результатов работы. Разработанные охлаждающие жидкости прошли эксплуатационные испытания и использовались в двигателях различных типов на судах Западного, Северо-Западного, Беломорско-Онежского пароходств, пароходства «Волготанкер», ряда наземных транспортных средств.
Предложения по совершенствованию режимных параметров и конструктивной модернизации систем охлаждения использованы при разработке судовых форсированных модификаций двигателя 8ЧН 14/14 производства ОАО «Тутаевский моторный завод».
Результаты исследований используются в учебной работе кафедры теории и конструкции судовых ДВС Санкт-Петербургского университета водных коммуникаций и кафедры технологии машиностроения и ДВС Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П. А. Соловьева.
На защиту выносятся:
– результаты лабораторных и эксплуатационных испытаний, подтверждающие эффективное ингибирование разработанными присадками кавитационно-коррозионных разрушений и накипеобразования;
– регрессионные зависимости, описывающие влияние состава охлаждающих жидкостей на интенсивность теплообмена;
– результаты численных, лабораторных и стендовых экспериментов, подтверждающие влияние многофункциональных присадок к охлаждающим жидкостям на тепло-гидравлические процессы в полостях и элементах системы охлаждения;
– уточненные критериальные уравнения конвективного теплообмена в присутствии полимеров и ПАВ в охлаждающих жидкостях;
– методики и алгоритмы выбора предпочтительных водно-химических и режимных параметров охлаждения, предпочтительных сочетаний температуры и давления надувочного воздуха;
– результаты оценки эффективности усовершенствования охлаждения с использованием комплексного критерия совершенства охлаждения ДВС;
– уравнение, описывающее процессы старения охлаждающей жидкости на основании термофлуктуационной теории разрушений;
– модернизированные конструкции систем охлаждения судовых ДВС и энергетических установок.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских и международных научно-технических конференциях и конгрессах: XXII Российской школе по проблемам науки и технологий (Екатеринбург, 2002); Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта» (СПб, СПГУВК 2003); Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении» (Н. Новгород, ВГАВТ 2003); Международном симпозиуме «Образование через науку» (М., МГТУ им. Н. Э. Баумана 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов» (Рыбинск, РГАТА 2005); IV Российской национальной конференции по теплообмену (М., МЭИ 2006); Всероссийской научно-практической конференции «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы» (Киров, 2007); Международной конференции «Теория и практика повышения качества и рационального использования масел, смазочных материалов и технических жидкостей» (СПб, 2007); I, II Международных научно-технических семинарах «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» (СПб, СПГУВК 2006, 2008); Международной научно-технической конференции «Турбонаддув автомобильных и тракторных двигателей» (Протвино, 2009); VIII всероссийской научно – технической конференции «Вузовская наука – региону» (Вологда, ВоГТУ 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» (М., МАТИ (ТУ) 2006, 2008, 2010); V Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2010); III-V Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, ВоГТУ 2007 - 2010); Международных конференциях «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, СамГТУ 2005 - 2010); Научно-технических конференциях III–V «Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе» (М., МАДИ-ТУ 2007, 2009, 2011); IX – XVI Международных конгрессах двигателестроителей (Рыбачье, НТУ «ХПИ» 2004-2011); Международной научно-практической конференции «Перспективное развитие науки, техники и технологии» (Курск, Ю-З ФТУ 2011).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 монографии, 62 статьи (16 в изданиях рекомендованных ВАК), 25 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях, получено 3 положительных решения на заявки на изобретения.
Личный вклад автора. В работе обобщены результаты теоретических исследований, выполненных автором самостоятельно, а также экспериментальных исследований, которые были выполнены совместно с аспирантами и сотрудниками, возглавляемых им научных групп. При этом автору принадлежат постановка проблемы и задач теоретических и экспериментальных исследований, результаты анализа и обобщения полученных расчетных и экспериментальных данных, в частности комплексный критерий совершенства охлаждения ДВС, алгоритм оптимизации водно-химических и режимных параметров охлаждения, методика обеспечения требуемых теплофизических свойств охлаждающих жидкостей, модернизация структурных схем систем охлаждения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения с общими выводами по работе, библиографического списка из 422 наименований и приложений. Основная часть работы содержит 347 стр., в том числе 114 рисунков, 40 таблиц.
Тепловой баланс, температурное и теплонапряженное состояние деталей ДВС
Температурное и теплонапряженное состояние является объектом пристального внимания ведущих производителей двигателей и научно-исследовательских организаций [137, 138, 139, 140, 142, 143, 144, 145, 146, 166].
Это объясняется тем, что именно тепловое состояние деталей цилиндропоршневой группы определяет качество протекания рабочего цикла, условия смазывания деталей ЦПГ, величину механических потерь, расход масла на угар и интенсивность изнашивания в сопряжении втулка цилиндра -поршневой комплект, скорость газовой коррозии и ресурс клапанов, вероятность образования трещин в крышках и втулках цилиндров, донышках поршней, интенсивность эрозионно-коррозионных разрушений омываемых охлаждающей жидкостью поверхностей втулок и блоков цилиндров и накипеобразования в полостях охлаждения.
Определяющее влияние на температурное и теплонапряженное состояние деталей ДВС оказывают распределения составляющих теплового баланса, материалы деталей и интенсивность их охлаждения.
В транспортных двигателях внутреннего сгорания, в зависимости от их конструкции и степени совершенства, в эффективную работу преобразуется от 35 до 50 % теплоты [147, 148, 149], выделяющейся при сгорании топлива. Остальную теплоту составляют неизбежные тепловые потери, большую часть из которых составляет теплота, уносимая отработавшими газами. Часть теплоты непосредственно через элементы двигателя (детали ЦПГ, клапаны, выпускные коллектора) передаётся в систему охлаждения, смазки и в окружающую среду. На рисунке 1.3 представлена обобщённая схема распределения теплоты в комбинированном двигателе с газотурбинным наддувом. Итоговое распределение теплоты, выделившейся при сгорании топлива, называют внешним тепловым балансом.
Для сравнения тепловых балансов, наглядно представляющих степень совершенства и КПД различных типов двигателей, распределение теплоты по составляющим выражают в относительных единицах (%), относя абсолютное значение к теплоте QT. Тогда уравнение теплового баланса принимает вид: Ят=Че+ 4ог + 4охл + Ям + 9нп
Наиболее подробные данные по составляющим теплового баланса двигателей различных марок приведены в работе [78, 150].
Авторами работ [38, 151] проведен статистический анализ экспериментальных данных по теплобалансным испытаниям на номинальной мощности 30 двигателей. Полученные ими данные подтверждают имеющуюся тенденцию уменьшения относительных потерь теплоты при охлаждении собственно двигателя qoxn и увеличения относительных суммарных потерь теплоты при охлаждении наддувочного воздуха q0HB, масла qM, а также с выпускными газами qor, наблюдающуюся при форсировании дизелей по среднему эффективному давлению ре, средней скорости поршня и снижению удельного расхода топлива ge.
Количество теплоты qBX, отводимой при наддуве двигателей от наддувочного воздуха в систему промежуточного охлаждения, колеблется в зависимости от степени наддува и промежуточного охлаждения от 3 до 12% . Теплоотвод в водяную рубашку турбокомпрессора составляет 2...5 % от теплоты сгорания топлива.
В высокофорсированных двигателях (главным образом мало- и среднеоборотных) необходимо предусматривать специальное охлаждение форсунок и выпускных клапанов. В систему охлаждения этих деталей отводится количество теплоты от 0,2 до 0,7 % от теплоты, выделившейся при сгорании топлива в цилиндре двигателя.
Величины составляющих теплового баланса зависят от режима работы, что наглядно иллюстрируется данными полученными при работе по винтовой характеристике одного из наиболее распространенных двигателей на речном флоте - 6ЧНСП 18/22 и приведенными в табл. 1.4. Из табл. 1.4 следует, что на номинальном режиме потери теплоты в охлаждающую воду практически равны теплоте, пошедшей на совершения полезной работы, а при нагрузках менее 75 % потери в охлаждающую воду преобладают. Однако существующие системы теплового регулирования спроектированы на поддержание постоянства температуры охлаждающей жидкости (Тож = const) что и приводит к дополнительному снижению экономичности дизелей.
Температуры деталей двигателя и их теплонапряженное состояние определяется не только величиной составляющих теплового баланса, но и направлением и плотностью тепловых потоков. Основными тепловоспринимающими поверхностями являются огневое днище головки цилиндров, зеркало цилиндровой втулки и донышко поршня. Распределение тепловых потоков от рабочего тела в цилиндре по отдельным элементам тепловоспринимающей поверхности весьма неравномерно [44, 148, 154]. Наиболее интенсивный удельный тепловой поток наблюдается через огневое днище крышки цилиндра и головку поршня. Несмотря на большую тепловоспринимающую поверхность цилиндровой втулки (FBr/FKP 4 + 6 при S/D = 1.0-г 1.5) через неё отводится примерно столько же теплоты - Qm, сколько и через крышку - QKP. Следует отметить, что для четырёхтактных двигателей величина Q включает и теплоту, отводимую через патрубки выпускных клапанов, a QBT - теплоту, воспринятую от поршня, и теплоту трения деталей поршневой группы о зеркало цилиндра.
Распределение тепловых потоков по основным тепловоспринимающим поверхностям зависит не только от конструктивных особенностей деталей и систем их охлаждения, но и от характера рабочего процесса.
Особенно важное значение тепловое состояние имеет для перспективных дизелей, т.к. является одним из основных факторов, определяющих их работоспособность. Для таких двигателей необходима организация интенсивного охлаждения на номинальном и близком к нему режимах, с подогревом на холостом ходу и долевых нагрузках. Это вызвано тем, что запасы по тепловой напряженности обычно невелики по сравнению с запасами по механической прочности и быстро исчерпываются по мере форсирования дизелей повышением величины наддува без адекватного изменения конструкции теплонапряженных деталей и совершенствования методов регулирования их теплового состояния [155, 156].
Под тепловой напряжённостью детали понимают температурное состояние деталей, характеризуемое абсолютными значениями температур и температурных градиентов. Их производными являются механические свойства материала, температурные напряжения, условия смазки трущихся поверхностей и т.п., что уже непосредственно определяет надёжность и долговечность деталей и узлов двигателя [53]. Согласно источнику [6] под теплонапряжённостью понимается количество теплоты, отводимой единицей тепловоспринимающей поверхности в систему охлаждения за единицу времени. Действенность данного метода оценки ресурса проверена на основании опубликованных данных по двигателям серии Д-100, Ч и ЧН 18/22, Ч 23/20, Ч 25/34,4 36/45.
Приближённо оценить теплонапряжённость деталей ЦПГ и их работоспособность можно по критериям теплонапряжённости, предложенным B.C. Семёновым [142, 143]. Эти критерии отражают основные требования к условиям работы деталей двигателя. Зарубежные двигателестроительные фирмы, такие как MAN и другие, используют для оценки теплонапряжённости собственные критерии, которые могут быть применены только к двигателям очень близким по конструктивному исполнению и сходным параметрам рабочего процесса. Более универсальным является параметр, предложенный в работе [143] позволяющий оценивать в условных единицах теплонапряжённость поршня и, в значительной мере, других деталей в зависимости от параметров рабочего процесса и режима работы двигателя.
Анализ наиболее известных критериев теплонапряжённости и их сравнение проведены в работах [160, 161]. Следует отметить, что критерии теплонапряженности позволяют делать лишь предварительные выводы о температурном состоянии деталей двигателя и термических напряжениях в них. Более точная оценка требует рассмотрения конкретных условий работы деталей с учетом граничных условий [162, 163, 164, 165, 166].
В последние годы для определения локальных температур деталей и оценки их теплонапряженного состояния все шире применяются численные эксперименты, реализующие метод конечных элементов [65, 166, 167, 168, 169, 170] и контрольных объемов [171].
Совершенствование режимных параметров систем охлаждения
Обзор научно-технической литературы, проведенный в главе 1, позволяет сделать вывод, что режимным параметром системы охлаждения, особенно существенно влияющим на ресурсные показатели двигателя, является температура охлаждающей жидкости, которая определяет температуры деталей цилиндропоршневой группы, термические напряжения, возникающие в них и условия смазывания. Для проведения оптимизации использовались экспериментальные данные, полученные при исследованиях деталей ЦІ 11 различных типов двигателей.
Для проведения анализа использовались экспериментальные данные, полученные при исследованиях деталей ЦІ 11 различных типов двигателей (рис. 3.8). В качестве показателя интенсивности изнашивания при работе двигателя на номинальном режиме использовалась относительная скорость износа, определяемая как отношение скорости изнашивания при определенной температуре охлаждающей жидкости и к скорости изнашивания при рекомендованном изготовителями температурном уровне (80.. .90 С) - и0.
Основные технические характеристики двигателей и показатели их тепломеханической нагруженности приведены в табл. 3.8 [12, 192].
Коэффициент А и показатель степени а зависят от конструкции двигателя и находятся в пределах: А = 1,2...3,5; а =2,5...3,0.
Полученные зависимости отражают общую тенденцию снижения интенсивности износов с повышением температурного уровня в системе охлаждения, однако с ростом температуры это снижение замедляется, а при чрезмерном повышении температуры охлаждающей жидкости износы вновь возрастать из-за уменьшения вязкости масла и ухудшения условий смазывания.
Анализ результатов проведенных исследований показывает, что связь между ростом температур охлаждающей жидкости, рабочей поверхности цилиндровых втулок и их износом неоднозначна. При снижении вязкости масла, вызванной повышением температуры, уменьшаются потери на трение, но менее вязкое масло хуже удерживается на поверхностях трения. Установлено, что вязкость масла на поверхности зеркала цилиндра должна быть не менее 4 мм /с. С повышением температуры масла усиливаются термоокислительные процессы, масло быстро теряет свои смазывающие свойства, образуются и откладываются на рабочих поверхностях лаки, смолы и прочие продукты окислительной полимеризации. Поршневые кольца теряют подвижность, возрастает интенсивность изнашивания деталей ЦПГ. Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что для обеспечения надежной работы этого узла температура зеркала цилиндровой втулки и температура поршня в зоне канавок поршневых колец при существующих минеральных маслах не должна превышать 160... 180 С, а температура компрессионных поршневых колец 200...230 С. Положительный эффект от повышения температурного уровня в системе охлаждения может быть обеспечен лишь при соблюдении отмеченного условия.
Показательным является тот факт, что с увеличением степени форсированное двигателей влияние температурного режима системы охлаждения на интенсивность изнашивания становится все более существенным. Это требует научно обоснованного назначения температур охлаждающих жидкостей, в том числе и при переходе на высокотемпературное охлаждение, совершенствования конструкции систем охлаждения в целом и отдельных ее элементов, повышения гибкости регулирования теплового состояния ДВС.
Влияние режимов охлаждения наддувочного воздуха на экологические показатели ДВС
Форсирование судовых дизелей по среднему эффективному давлению обеспечивается, главным образом, за счет повышение давления наддува. Повышение степени наддува приводит к росту температуры надувочного воздуха, что отрицательно сказывается как на экономических, так и на экологических показателях работы двигателя и приводит к необходимости промежуточного охлаждения надувочного воздуха.
Для определения предпочтительных значений параметров наддувочного воздуха для каждого из режимов работы двигателя необходимо иметь функциональные зависимости экологических показателей, показателей тепловых и механических нагрузок, а также показателей топливной экономичности от температуры и давления наддувочного воздуха на впуске в цилиндры. Основным методом для их получения являлся численный эксперимент. В качестве его инструмента использовался программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК, разработанный под руководством к.т.н. А. С. Кулешова в МГТУ им. Н. Э. Баумана [403], который принадлежит к классу "термодинамических" программ, когда цилиндры и коллекторы двигателя рассматриваются как открытые термодинамические системы, обменивающиеся между собой массой и энергией. Течение газа в каналах, их соединяющих рассматривается как нестационарное. Математическая модель ДВС, заложенная в программный комплекс, основана на системе разностных уравнений сохранения энергии, массы, а также уравнения состояния, записанных для открытых термодинамических систем. В результате её пошагового решения определяются параметры газа в цилиндрах и коллекторах двигателя. При этом также учитывается зависимость свойств рабочего тела от состава и температуры. Идентификация математической модели выполнялась на основании стендовых испытаний дизеля ЯМЗ.8481.10.
При расчете газообмена течение газа в каналах рассматривается как нестационарное [147], моделируется взаимное влияние цилиндров друг на друга с учетом конструкции преобразователя импульсов. Учитывается зависимость свойств газов от состава и температуры.
Весь газовоздушный тракт комбинированного двигателя, состоящий из впускного коллектора, впускных клапанных каналов, цилиндра, выпускных клапанных каналов, выпускного коллектора и преобразователя импульсов, условно разбит на отдельные фрагменты, обменивающиеся между собой массой и энергией. Для каждого из фрагментов решается система уравнений сохранения массы, энергии, количества движения и уравнение состояния со своими, характерными для данного фрагмента допущениями. В протяженных фрагментах с высокими градиентами давления течение рассматривается как одномерное, нестационарное. Используемый метод предложен профессором Орлиным А. С. Теплообмен в цилиндре рассчитывается раздельно по различным поверхностям. Коэффициент теплоотдачи для каждой из поверхностей определяется по формуле Вошни [404]. Расчет эмиссии твердых частиц осуществляется по методике профессора Н. Ф. Разлейцева [405], в которой сделана попытка учесть влияние особенности процесса горения распыленного топлива на образование и выгорание частиц.
Использование программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК при моделировании рабочего процесса исследуемого дизеля требует для настройки математической модели значительного количества исходных данных. Их можно разделить на следующие группы:
- геометрические параметры, описывающие конструктивные элементы двигателя;
- параметры и характеристики, описывающие системы двигателя;
- физико-химические свойства применяемого топлива и параметры окружающей среды.
Объектом исследований являлся двигатель ЯМЗ 8481.10, имеющий газотурбинный наддув, объёмное смесеобразование в неразделённых камерах сгорания, серийно выпускаемый ОАО «Тутаевский моторный завод», используемый в настоящее время в составе судовых энергетических установок в качестве главных и вспомогательных двигателей
Численный эксперимент с целью получения функциональных зависимостей технико-экономических, экологических показателей и показателей надёжности от величины давления и температуры наддувочного воздуха для исследуемого двигателя, осуществлялся следующим образом. В качестве расчётных режимов были выбраны как режимы нагрузочной, так и режимы винтовой характеристики. На каждом из них изменялись температура и давление наддувочного воздуха на входе в цилиндры, при этом параметры топливоподачи оставались неизменными и соответствующими параметрам, обеспечиваемыми штатной топливной аппаратурой. Изменение параметров наддува осуществлялось дискретно. Шаг изменения температуры составлял 5... 10 К, а давления наддувочного воздуха 0,1 МПа. При каждом из рассматриваемых значений давления наддува производился расчёт характеристики при изменяемых, с выбранным шагом значениях температуры наддувочного воздуха. Исследование влияния параметров надувочного воздуха на экологические показатели работы двигателя, в качестве которых были выбраны концентрации в отработавших газах оксидов азота (NOx) и дымность, сопровождалось определением мощностных, экономических и ресурсных показателей.
Полученный массив данных был обработан математическим пакетом «MatchCAD 13». Применением процедуры интерполяции функции двух переменных были получены аппроксимирующие функции влияния параметров наддува на параметры работы двигателя.
Зависимости содержания в отработавших газах оксидов азота и твердых частиц приведены в Приложении 10.
Результаты исследований свидетельствуют, что охлаждение наддувочного воздуха значительно снижает выбросы оксидов азота. Это объясняется тем, что при снижении температуры наддувочного воздуха повышается плотность воздушного заряда и коэффициент избытка воздуха, а также снижается максимальная температура цикла, которая и оказывает определяющее влияние на эмиссию оксидов азота. Увеличение давления наддува при неизменной цикловой подаче и температуре наддувочного воздуха вызывает рост выбросов оксидов азота. Это также обусловлено ростом максимальных температур цикла.
С повышением давления наддувочного воздуха, приводящего к росту максимальной температуры цикла, происходит интенсификация процесса диссоциации диоксида углерода с образованием монооксида углерода и твердых частиц, в тоже время улучшается испарение топлива, что приводит к снижению образования твердых частиц. Это влияние наиболее существенно в области низких давлений наддува. Снижение температуры наддувочного воздуха сопровождается уменьшением дымности отработавших газов, ярко выраженной в области низких давлений наддува. Снижение дымности обусловлено повышением коэффициента избытка воздуха, а также уменьшением максимальной температуры цикла, приводящим к снижению интенсивности процесса диссоциации диоксида углерода с образованием монооксида углерода и твердых частиц.
В результате численного эксперимента были получены предпочтительные значения параметров наддува при работе двигателя по нагрузочной характеристике (рис. 5.1).
Регулирование режимных параметров охлаждения
Анализ результатов исследований влияния температуры охлаждающей жидкости на технико-экономические показатели двигателя подтверждает необходимость поддержания ее на определенном оптимальном уровне. Однако охлаждающая жидкость является промежуточным теплоносителем между охлаждаемыми поверхностями и водой внешнего контура (для судовых дизелей), ее температура определяет тепловое состояние деталей двигателя. Поэтому более целесообразно поддерживать на оптимальном уровне не температуру охлаждающей жидкости на выходе из двигателя, а температуры наиболее теплонапряженных деталей (гильзы цилиндров, головки цилиндров).
В связи с тем, что большую часть эксплуатационного времени двигатели работают на долевых нагрузках, при которых имеет место переохлаждение двигателя значительного экономического эффекта можно добиться повышением температуры охлаждающей жидкости при переходе от номинальной нагрузки к частичным. В высокотемпературных системах охлаждениях особое внимание следует уделять характеру теплообмена на охлаждаемых поверхностях деталей двигателя, исключая возможность появления пленочного кипения, которое резко снижает теплоотвод и приводит к локальным перегревам деталей, способным привести к выходу двигателя из строя. Переход к высокотемпературному охлаждению двигателей должен сопровождаться совершенствованием регулирования теплового состояния их деталей.
Принципиальная схема двухконтурной системы охлаждения, наиболее характерной для судовых ЛВС, приведена на рис. 7.1.
В подавляющем большинстве существующих систем реализуется принцип регулирования Ползунова-Уатта, суть которого заключается в том, что регулируется температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя, при этом регулирующие воздействия вырабатываются на основании измерения регулируемого параметра, т.е. этой же температуры; При этом на двигатель воздействуют три основных внешних фактора: частота вращения коленчатого вала со, нагрузка N, температура воздуха на впуске Твз.
При рассмотрении процессов автоматического регулировании принято использовать функциональные схемы объектов регулирования, на которых изображаются входные и выходные параметры и внешние воздействия.
Функциональные схемы автоматического регулирования теплового состояния в традиционной двухконтурной системе охлаждения представлены на рис. 7.2. Наиболее типична одномерная схема регулирования 7.2 а), в которой объектом регулирования является температура охлаждающей жидкости. Более предпочтительны многомерные системы регулирования 7.2 б), в которых выходными параметрами являются температуры высоконагретой детали Тдет, охлаждающей жидкости Тжи моторного масла Тм .Число регулирующих воздействий //, в таких системах должно быть не менее регулируемых температур. Поддержание оптимального теплового состояния двигателя может быть обеспечено, если регулирование температуры охлаждающей жидкости Тж дополнить регулированием температуры высоконагретой детали Тдет. В этом случае должно осуществляться два регулирующих воздействия. Одним из воздействий может быть управляемое давление в системе охлаждения. Управление давлением в системе охлаждения в зависимости от режима работы двигателя предлагается осуществлять при помощи устройства, описанного в работе [181].
Статические и динамические характеристики системы охлаждения с регулированием температуры охлаждающей жидкости подробно рассмотрены в работе [43]. Циклические изменения температуры рабочего тела приводят к изменениям температуры зеркала цилиндра в течение цикла на 7... 10 С, которые распространяются на глубину 2...4 мм [121]. Наружная температура гильзы цилиндров остается практически постоянной, и процесс теплоотдачи в зарубашечном пространстве можно рассматривать как квазистатический.
Количество теплоты, отдаваемой охлаждаемыми поверхностями жидкости, определяется уравнением Ньютона-Рихмана.
Полученное дифференциальное уравнение может быть использовано для проведения численного эксперимента с целью определения влияния изменений давления в системе охлаждения, выраженных через безразмерную координату у/ на температуру высоконагретой детали и температуру охлаждающей жидкости на выходе из двигателя, т.е. при осуществлении двухмерного регулирования теплового состояния ДВС .
Известны три способа регулирования теплового состояния двигателей: дросселирование, перепуск, обвод, которые реализуются с помощью различных технических устройств. Наиболее распространенными устройствами для регулирования теплового состояния являются термостаты. Недостатками известных методов регулирования заключается в том, что они направлены на автоматическое поддержание заданной температуры теплоносителя на выходе из двигателя, без учета температуры охлаждаемых поверхностей и характера теплообмена. Известно, что в полостях охлаждения двигателей возможно три вида теплообмена: вынужденная конвекция, в условиях пристеночного пузырькового кипения, в условиях развитого пленочного кипения.
В современных форсированных двигателях теплоотдача в воду, как правило, осуществляется в режиме пузырькового кипения недогретой жидкости. С энергетической точки зрения теплообмен в условиях пузырькового кипения является наиболее выгодным, т.к. благодаря высокому коэффициенту теплоотдачи обеспечивается интенсивный теплосъем с охлаждаемых поверхностей при малых расходах теплоносителей.
При эксплуатации ДВС с перегрузкой, а также в условиях повышенной температуры наружного воздуха и забортной воды, при применении присадок снижающих поверхностное натяжение охлаждающей жидкости, возможен переход от пузырькового к пленочному кипению с резким (на порядок) уменьшением коэффициента теплоотдачи. При этом происходит перегрев деталей цилиндропоршневой группы и образование трещин на втулках и крышках цилиндров. С целью предотвращения выхода двигателя из строя необходимо усовершенствовать систему регулирования теплового состояния двигателя таким образом, чтобы на режимах максимальных нагрузок обеспечивался теплообмен в условиях пузырькового кипения без перехода в режим пленочного кипения. Модернизированная система охлаждения, представленная на рис. 7.3, работает следующим образом.
Замкнутый контур системы охлаждения включает циркуляционный насос 1, рубашку охлаждения поршневого двигателя 2, охладитель 3, который служит для охлаждения воздуха, нагнетаемого компрессором 9 в цилиндры двигателя, водомасляный холодильник 4, водо-водяной холодильник 5 и термостат 6, который регулирует направление движения потоков охлаждающей жидкости. Для привода компрессора 9 служит турбина 8, использующая энергию отработавших газов, отводимых от поршневой части. Всасывающая магистраль насоса подключена к расширительному баку 7, который в традиционных системах охлаждения служит для хранения запаса охлаждающей жидкости и обеспечивает возможность теплового расширения жидкости при повышении ее температуры.
