Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ способов организации рабочих процессов в ДВС 9
1.1 Современные и перспективные конструкции ДВС 9
1.2 Способы смесеобразования и конструкции камер сгорания 17
1.3 Термохимия и термодинамика процессов сгорания 31
1.4 Энергетические, экономичностные и экологические показатели дизелей...39
Выводы. Цель и научно-технические задачи исследования 45
2 Теоретическое и расчетное исследование принципа комбинированного смесеобразования 48
2.1 Разработка принципа комбинированного смесеобразования 48
2.2 Выбор степени сжатия и расчет цикловых подач топлива 54
2.3 Расчет и анализ индикаторных диаграмм 61
Выводы 66
3 Экспериментальная установка, результаты экспериментальных исследований 68
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 68
3.2 Устройство для осуществления комбинированного смесеобразования и конструкция опытного двигателя 69
3.3 Состав и структура экспериментальной установки 72
3.4 Алгоритм проведения испытаний и метод индицирования 84
3.5 Результаты экспериментальных исследований и их обработка 97
Выводы ; 105
4 Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований 106
4.1 Анализ и сопоставление эффективных показателей двигателей 106
4.2 Анализ и сопоставление индикаторных показателей 113
Выводы 119
5 Расчетная модель определения показателей рабочего цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием 121
5.1 Анализ современных методов расчета показателей рабочего цикла ДВС. 121
5.2 Разработка методики расчета показателей рабочего цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием и вихревой КС 128
5.3 Расчетные значения параметров РЦ двигателя с комбинированным смесеобразованием, воспламенением от сжатия и КС в поршне 139
Выводы 154
Заключение 157
Список литературы 160
- Способы смесеобразования и конструкции камер сгорания
- Выбор степени сжатия и расчет цикловых подач топлива
- Устройство для осуществления комбинированного смесеобразования и конструкция опытного двигателя
- Анализ и сопоставление индикаторных показателей
Введение к работе
Актуальность темы. Основная проблема малоразмерных высокооборотных двигателей вообще и судовых, в частности, в направлении улучшения технико-экономических и экологических показателей заключается в сложности обеспечения высококачественного смесеобразования. Это вызвано тем, что время, отведенное на смесеобразование, очень мало (5 – 25 п.к.в.). Период задержки самовоспламенения характеризуется предпламенными процессами, предшествующими воспламенению топливного факела. Продолжительность предпламенных процессов обуславливается наличием свободных радикалов, готовых к окислению атмосферным кислородом. На образование расположенных к окислению молекул топлива оказывают влияние конструкция камеры сгорания (КС), степень сжатия, частота вращения коленчатого вала (КВ) двигателя, наличие (отсутствие) наддува, характеристики топливоподающей аппаратуры, а также химико-физические свойства применяемого топлива. Однако существуют конструктивные и эксплуатационные способы управления периодом задержки самовоспламенения.
Все существующие теории горения топлива подразумевают, что с момента впрыска топлива и до начала воспламенения должно образоваться достаточное количество свободных радикалов или их конгломератов, на разрыв межмолекулярных связей в которых затрачивается некоторое количество энергии. Однако если в процессе сжатия в цилиндре двигателя будет уже присутствовать некоторое количество топлива, подаваемое на стадии всасывания, время, отведенное на образование активных очагов сгорания, будет увеличено. В конце такта сжатия, образовавшиеся локальные зоны с избыточным количеством свободных радикалов будут инициаторами воспламенения основной порции топлива.
В этой связи основной научной идеей диссертационной работы является организация комбинированного смесеобразования в судовых ДВС.
Объект исследования – судовые малоразмерные дизели (СМД).
Предмет исследования – процессы смесеобразования и сгорания.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационного исследования – разработка и научное обоснование принципа комбинированного смесеобразования в судовых ДВС с воспламенением рабочей смеси от сжатия.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:
– теоретическое обоснование предлагаемого способа смесеобразования в ДВС;
– разработка конструкции устройства для осуществления предлагаемого способа смесеобразования;
– создание экспериментальной установки для проведения комплексных экспериментальных исследований разработанного способа смесеобразования;
– выбор метода индицирования, подбор необходимого оборудования;
– патентное исследование и защита способа работы двигателя внутреннего сгорания и устройства для осуществления комбинированного смесеобразования патентом РФ на изобретение;
– проведение комплекса экспериментальных исследований рабочего цикла (РЦ) опытного образца двигателя;
– анализ полученных в ходе экспериментов данных, сопоставление их с параметрами работы базовой модели двигателя;
– разработка поправок к методике расчета показателей РЦ двигателя, работающего по предлагаемому способу организации смесеобразования;
– выработка рекомендаций по применению и дальнейшему совершенствованию предлагаемой технологии организации рабочего процесса в СМД, схемам и режимам работы.
Методы исследования. В проведенных исследованиях применялись теоретический, экспериментальный и расчётно-аналитический методы. Методологической базой диссертационной работы являются исследования таких ученых, как Орлин А.С., Ваншейдт В.А., Круглов М.Г., Воинов А.Н., Луканин В.Н., Вырубов Д.Н., Дьяченко Н.Х., Семенов Б.Н., Иванченко Н.Н., Дорохов А.Ф., Овсянников М.К. и др.
Достоверность и обоснованность работы обеспечивались:
– использованием современных поверенных измерительно-регистрирующих приборов;
– удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными;
– корректным применением указанных методов исследования;
– определением погрешностей результатов измерений и расчетов.
Научная новизна.
– Разработан, апробирован и защищен новый способ смесеобразования для поршневых ДВС;
– Разработано новое направление снижения до минимума периода задержки самовоспламенения;
– Обоснованы и внесены поправки в методику расчета показателей РЦ двигателя с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия;
– Разработано, апробировано и защищено новое конструкционное оформление двигателя для реализации комбинированного смесеобразования.
На защиту выносятся
-
Новый способ организации смесеобразования в ДВС.
-
Устройство для осуществления комбинированного смесеобразования.
-
Эффективные и индикаторные показатели работы двигателя с комбинированным смесеобразованием.
-
Поправки в методику расчета показателей РЦ двигателя с комбинированным смесеобразованием.
Практическая значимость.
– пример конструкционного оформления поршневого ДВС для реализации в нем комбинированного смесеобразования с воспламенением от сжатия;
– пример системы индицирования внутрицилиндровых процессов для малоразмерных ДВС;
– инженерная методика расчета показателей РЦ поршневых ДВС с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия.
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования обсуждались на заседаниях кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» и ученого совета института Морских технологий, энергетики и транспорта ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» (2006 – 2011). Основные положения диссертации докладывались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Астраханского государственного технического университета (2006 – 2011 гг.), на Международной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС 2005 – 2006) на базе ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, Региональной НПК «Конструкторское и технологическое обеспечение надежности машин» на базе Дагестанского ГТУ (2006 – 2007), Международной НТК «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» 2006 г. на базе АДИ ПГУАС (г. Пенза), XVII общероссийской конференции и выставке по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ - 2008» (г. Санкт-Петербург), Международном научном семинаре «Перспективы использования результатов фундаментальных научных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России» 2007, 2009 гг. (г. Астрахань), международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» 2009 – 2010 гг. (г. Волгоград) и др.
Публикации. Материалы диссертационного исследования представлены в 30 научных публикациях, в том числе 1 патенте РФ на изобретение, 4 отчетах о НИР, 4 тезисах докладов и 21 статьях в периодических научных изданиях, из них 9 по перечню ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 26 таблиц, 57 рисунков. Работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, списка использованной литературы из 111 наименований и 7 приложений.
Способы смесеобразования и конструкции камер сгорания
Инженерная мысль не стоит на месте, и каждый год конструкторами предлагается множество моделей двигателей, порой фантастических. Например, роторно-волновой двигатель (патент России № 2155272, автор: Седу-нов И.П.) [17], шаровой двигатель Huttlin (Хюттлин) [18], Pivotal Engine ново зеландской компании Pivotal Engineering [19], бескривошипный бесшатунный двигатель [20], революционный двигатель DiesOtto фирмы Мерседес [21], совмещающий в себе особенности дизельных и бензиновых двигателей, применение бесшатунных конструкций ДВС [22], развитие роторно-поршневых ДВС [23], двигатель с разделенным процессом сгорания (патент РФ № 2066773 автор СВ. Митрофанов) [24]. Конструкторы все чаще обращаются к давно известным конструкциям двигателей Кушуля [25], имеющего бездымный выхлоп, и Ванкеля [26], осуществляют попытки развивать предложенные более чем полвека назад концепции шторкового и гильзового газораспределения [27] (в дизельных версиях таких двигателей удавалось довести расход топлива до 209 г/(кВт#ч.), что и в настоящее время является по-прежнему исключительными показателями для высокооборотных малоразмерных двигателей) и др.
Предложенный рабочий процесс роторно-волнового двигателя в адиабатном исполнении, как утверждает автор [17], имеет расчетный индикаторный КПД 51% при весьма умеренной степени сжатия равной 15 со степенью расширения 36. Соответственно расход топлива в этом случае может составить 171 г/(кВт ч), при удельном весе силовой установки 0,15 - 0,25 кг/кВт. Однако как мы видим, приведенные показатели являются расчетными, поэтому без рабочих параметров опытного образца данного типа двигателя нельзя с уверенностью судить о достоверности представленной информации.
Американская компания Scuderi Group полагает, что придумала способ радикального повышения КПД бензиновых двигателей внутреннего сгорания - она развела четыре такта в пространстве, но сблизила их во времени [28]. В двигателе рядом с рабочим цилиндром появился дополнительный. Его поршень движется почти синхронно с главным, но отстаёт от него примерно на 30 градусов поворота коленчатого вала. В дополнительном цилиндре осуществляются такты всасывания и сжатия рабочей смеси. Происходит это фактически параллельно с тактами рабочего хода и выпуском, идущими в основном цилиндре. Когда сжатие закончено, а в главном цилиндре завершён выхлоп от предыдущего цикла, свежая смесь быстро перебрасывается из вспомогателыю го цилиндра в основной (пока оба поршня движутся вблизи своих верхних мёртвых точек). Для этого в перепускном канале предусмотрены специальные клапаны. Тут же смесь воспламеняют, и происходит рабочий ход. Кроме того, Scuderi Group утверждает, что бензиновые ДВС, выполненные с её новым четырёхтактным циклом, покажут КПД до 40%, против 25-33% у современных образцов искровых двигателей.
Однако такая конструкция двигателя была предложена, испытана и защищена патентом еще в 1962 году профессором Ленинградского института авиационного приборостроения Вениамином Моисеевичем Кушулем [25, 29]. Поэтому данная концепция, даже с использованием современных технологий, не может быть представлена как впервые созданный новый тип двигателя и рабочего процесса.
Подобные разработки в большинстве своем ориентированы на автомобильный транспорт, как на самый массовый в мире. PSA Peugeot Citroen оснастил дизель-электрической силовой установкой свои модели Peugeot 307 и Citroen С4 [30]. Их средний расход топлива сократился до 3,4 литра на 100 километров. Конкуренты PSA также работают над дизельными гибридами, но в несколько иной нише: для крупных седанов (например, Jaguar Sype и Mercedes Е), а также для развозных фургонов и грузовиков, поскольку дизельная гибридная установка позволит снизить средний расход топлива (в сравнении с чисто дизельной установкой) ещё на 25%. Концерн Peugeot Citroen долго оставался в стороне от гибридизации автомобилей, полагая, что современные дизели «в одиночку» способны обеспечить экономичность, сопоставимую с экономичностью бензоэлектрических машин (а массовые гибриды сегодня сочетают электромоторы именно с бензиновыми ДВС, такие как Toyota Prius и др. [31]).
Инженеры из Массачусетского технологического института разработали бензиновый автомобильный двигатель, который может потягаться в экономичности с гибридными силовыми установками [32]. Используя компьютерное моделирование, авторы проекта показали схему, по которой должен быть построен такой двигатель. Во-первых, обязателен турбонаддув. Главное изменение кардинальное повышение степени сжатия: до уровня дизелей или даже больше.
Американцы предлагают при высокой нагрузке на двигатель (когда возникает детонация вследствие чрезмерно высокой степени сжатия) впрыскивать в его КС порции этанола [32]. Мгновенно испаряясь, он снижает температуру в камере, устраняя детонацию. Расчёты показали, что сравнительно небольшого количества спирта достаточно, чтобы исключить детонацию даже при давлении газов, втрое большем, чем внутри традиционных ДВС с искровым воспламенением. А высокая степень сжатия обуславливает больший термический КПД ДВС. Однако, как известно [23], прирост термического КПД при степенях сжатия выше 22—24 незначителен, а термические и механические нагрузки на детали двигателя существенно возрастают, снижая тем самым механический КПД. В итоге это может не привести к повышению эффективного КПД двигателя, а наоборот снизить данный показатель.
Существует аналогичная отечественная разработка, базирующаяся на значительном повышении степени сжатия (до значений 35-40, а в теории и до 80). Это так называемый «двигатель Ибадуллаева Г.А.» [33, 34]. Разработанный дагестанским ученым двигатель на базе двигателя ВАЗ 21114 имеет степень сжатия є = 21 (против 9,9 серийного образца). Макет двигателя Ибадуллаева при испытаниях показал большую мощность на всех точках замеров от 7,83% до 9,22% (частоты вращения KB при испытаниях 2200 - 4200 об/мин с шагом в 500 об/мин). Двигатель Ибадуллаева на всех режимах работы показал меньший удельный расход топлива от 29,62% до 16,54% по сравнению с серийным двигателем. Однако данная разработка подразумевает колоссальное вмешательство в конструкцию базовой модели двигателя, применение более дорогой марки топлива (переход с бензина Аи-95 на Аи-98), изменение программного обеспечения электронного блока управления двигателем, а также применение особой системы зажигания, в частности использование свечей зажигания, способных выдерживать высокие значения давления в КС.
Выбор степени сжатия и расчет цикловых подач топлива
Рассмотрим эффективные показатели отечественных и зарубежных образцов судовых малоразмерных дизелей. Важнейшая задача - изыскание более эффективных способов преобразования тепловой энергии в другие ее виды и, в частности, в механическую энергию. Для достижения этой цели применяется турбонаддув, промежуточное охлаждение воздуха и другие технические решения. Для выяснения современной ситуации в сфере достижения норм энергетической эффективности в области двигателестроения проанализируем ряд двигателей приведенных в таблице 1.
Мощностной ряд дизелей достаточно разнообразен, вследствие применения фирмами-производителями различных технических решений, направленных на повышение технического уровня двигателей. Например, сравнивая технические характеристики дизелей 6В5.9-С, 986 Р с дизелем 6ЧСП9,5/11-2, можно отметить, что при практически равных рабочих объемах цилиндров мощность американского и итальянского двигателей больше в 2 раза. Такое же соотношение мы наблюдаем при сравнений литровой мощности, что обусловлено использованием в дизелях фирм «CAMMINS ENGINE COMPANY, INC» и «CAME S.P.A.» повышенной частоты вращения KB и применением турбонаддува, следствием чего является более высокое среднее эффективное давление.
При абсолютно равных рабочих объемах цилиндров, частотах вращения, литровых мощностях, при абсолютно равном давлении дизель фирмы «CAME S.P.A.» 986 Р обладает более высокими массогабаритными показателями (почти в 2 раза) по сравнению с дизелем фирмы «CAMMINS ENGINE COMPANY, INC» 6B5.9-C, при меньшей мощности на 6,5 кВт.
Анализируя технические показатели дизелей производства различных стран, можно сделать следующие выводы: - применение газотурбинного наддува в дизелях с диаметром цилиндра Du 100 мм ограничено малыми размерами цилиндра и высокой степенью сжатия; однако, в малоразмерных дизелях применяют форсирование путем повышения частоты вращения коленчатого вала, а также умеренный наддув; - для малоразмерных дизелей без наддува ведущие мировые производители применяют простейший путь форсирования - повышение частоты оборотов KB (до 4500 об/мин), однако, в этом случае ресурс двигателя существенно снижается, что естественно является негативным фактором; - в двигателях с Du 100 мм снижение степени сжатия (до значений є=10) позволяет применять высокие степени наддува тгк = 3,5 - 4 [46].
Сопоставление экономичностных и экологических параметров СМД отечественного и зарубежного производства Повышение топливной экономичности становится наиболее актуальной проблемой в связи с постоянным ростом цен на топливо.
Проведем анализ топливной экономичности данных двигателей. По результатам обработки данных таблицы с диаметром цилиндров Du 100 мм можно отметить следующее: - удельный расход топлива в дизелях с газотурбинным наддувом ниже, чем в дизелях без наддува, причем степень наддува значительно влияет на указанные показатели. Доказательством этому служит пример двух двигате лей: 6В5.9-С фирмы «CAMMINS ENGINE COMPANY, INC» и 6ЧСП9,5/11-2 отечественного производства, имеющих одинаковые кинематические схемы. Однако наличие газотурбинного наддува у двигателя 6В5.9-С дает ему пре имущество, выраженное в уменьшении расхода топлива примерно на 12,5% по сравнению с дизелем 6ЧСП9,5/11-2.
На экономичностные характеристики малоразмерных дизелей оказывает влияние частота вращения KB, фазы газораспределения, а также характеристики топливной аппаратуры, такие как давление впрыска топлива, диаметр отверстий распылителя форсунки, продолжительность впрыска и угол опережения впрыска топлива.
Двигатель, вырабатывая механическую энергию за счет окисления топ лива воздухом, в процессе работы осуществляет непрерывный теплообмен с окружающей атмосферой. Он забирает воздух и потребляет топливо, затем выбрасывает отработавшие газы, состоящие из части воздуха и продуктов окисления топлива. Таким образом, воздух, поступающий в цилиндр дизеля, совершает определенный термодинамический цикл, претерпевая при этом химические изменения, в результате чего превращается в ОГ - сложную газовую смесь со множеством компонентов. Четыре компонента (азот, кислород, углекислый газ и вода) составляют свыше 99% объема газа, остальные 0,1% объема ОГ составляют примеси, которые не представляют интереса с технической точки зрения, но являются вредными для окружающей среды и человека.
Одним из направлений борьбы с негативным экологическим воздействием ДВС на оіфужающую среду являются их новые конструкции.
Наиболее токсичными компонентами выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания являются оксиды азота: NO, NO2, N20, N203, N205. Применяется способ уменьшения образования оксидов азота - снижение их образования в цилиндрах двигателя и последующие их раскисление, вследствие чего содержание оксидов азота снижается до сотых долей процента [74, 75].
Среди многочисленных технологий, относящихся к организации малотоксичной работы поршневых двигателей, наиболее привлекательной является технология частичной рециркуляции ОГ. Главным преимуществом этой технологии является то, что за счет рециркуляции сокращается массообмен с атмосферой и меняется количественный состав вредных выбросов.
Устройство для осуществления комбинированного смесеобразования и конструкция опытного двигателя
К смесительной камере в плоскости большой оси эллипсоида тангенциально крепится воздухоподводящий патрубок. Всасывающий патрубок, соединяющий смесительную камеру с впускным коллектором двигателя, крепится в нижней части смесительной камеры соосно малой оси эллипсоида. Испарив шееся и хорошо перемешавшееся с воздухом топливо подается в КС через всасывающий клапан. После его закрытия образовавшуюся рабочую смесь сжимают, чем ещё более улучшают качество смесеобразования. В конце такта сжатия в КС через основные форсунки (поз. 4 в соответствии с рисунком 23), связанные с основной секцией ТНВД (поз. 2 в соответствии с рисунком 23), впрыскивается основная часть топлива, объёмом 80% от общего объема цикловой подачи, соответствующей коэффициенту избытка воздуха а = 1,05-И,1. При этом происходит обогащение уже образовавшейся гомогенной смеси вследствие добавки вновь впрыснутого топлива, которое, попадая в уже возникшие очаги воспламенения, активно испаряется, смешивается с избыточным воздухом и сгорает.
Топливо из ФТО 5 попадает в блочный ТНВД 1. Основные секции 2 подают топливо к основным форсункам 4. Дополнительные секции 3 поочередно подают топливо в объединенный трубопровод высокого давления, который соединен с дополнительной форсункой, установленной на смесительной камере (в соответствии с рисунком 21). Фазы опережения подачи топлива секциями ТНВД подобраны таким образом, что дополнительные секции подают топливо на дополнительную форсунку за 6 пкв до начала открытия впускного клапана в соответствующем цилиндре. Угол опережения впрыскивания топлива основными секциями ТНВД составляет 17 поворота KB до ВМТ. Фазы газораспределения и углы впрыскивания топлива основными и дополнительными секциями ТНВД для
Закрытие быпцскного клапана 115 ±31 Закрытие бпискного клапана 137±31 обоих цилиндров представлены в соответствии с рисунком 24 [90]. Начало открытия бпискного клапана (1Г+3! Экспериментальная лабораторная установка (в соответствии с рисунком 25) предназначена для комплексных исследований показателей работы судового двигателя 249,5/11, работающего по предлагаемому способу организации рабочего процесса - с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия, а также для проведения испытаний двигателя по нагрузочной и винтовой характеристикам.
Установка смонтирована в лаборатории тепловых двигателей кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета.
Экспериментальная лабораторная установка имеет в своем составе опытный образец двигателя 249,5/11 с комбинированным смесеобразованием; генератор постоянного тока типа П-62-М; устройство для создания нагрузки двигателя с щитом управления; системы, обслуживающие дизель и генератор и контрольно-измерительные приборы [95]. Двигатель и генератор базируются на общей раме и соединяются между собой посредством втулочно-пальцевой муфты. Рама установлена на бетонном фундаменте.
Для контроля за работой дизеля на щитке управления установлены штатные приборы [95]: - манометр давления масла МТС-15У; - два дистанционных манометрических термометра ТПП 082 для контроля температур масла и охлаждающей воды внутреннего контура; - вольтамперметр магнитоэлектрический ВА-040 постоянного тока для измерения напряжения и силы тока в сети электрооборудования дизеля.
Основной запас топлива для работы установки хранится в расходной цистерне. Из цистерны топливо, пройдя запорные клапаны и штихпробер, самотеком поступает к топливоподкачивающему насосу и, далее, подается в цилиндры посредством топливной системы дизеля. В режиме измерения расхода топлива цистерна отключается клапаном и топливо расходуется из штихпробе-ра. Часовой расход топлива определяется объёмным способом при использовании штихпробера, жидкостного термометра и секундомера (свидетельство о поверке секундомера приведено в Приложении А).
Вода внешнего контура к водоводяному холодильнику поступает самотеком из напорного бака с постоянным уровнем, что позволяет поддерживать стабильный температурный режим в системе охлаждения. Расход воды внешнего контура определяется путём регистрации времени заполнения прота-рированного измерительного бачка, имеющего мерное стекло. Температура воды внешнего контура на входе и выходе холодильника контролируется по жидкостным термометрам.
Температура отработавших газов по цилиндрам контролируется с помощью стандартных хромель-копелевых термопар. МикроЭДС, вырабатываемая термопарами, фиксируется при помощи мультимера MS8264. Температура отработавших газов в газовыпускном коллекторе измеряется с помощью ртутного термометра [96 - 99].
Анализ и сопоставление индикаторных показателей
Средние эффективное и индикаторное давления увеличились: для двигателя с вихревой КС - на 8,3% и на 6,41% соответственно; для двигателя с КС в поршне - на 9,21% и на 2,17% соответственно. Однако изменение рс и pi должно быть пропорционально изменению Ne и Nj. Из таблицы 22 видно, что давления увеличились в меньшей степени, чем мощности. Это вызвано тем, что частоты вращения коленчатого вала при испытаниях двигателей несколько отличались между собой (см. таблицы 6, 8, 10, 12). Такое различие в частотах вращения непринципиально с точки зрения установленного режима, поскольку [102, 103] допускают для высокооборотных судовых дизелей Дп в пределах ± 2%, что для данного типа двигателей соответствует ± 30 об/мин. Однако любое изменение частоты вращения приводит к изменению потерь в генераторе, как механических, так и электрических, а, следовательно, к изменению эффективной мощности двигателя на данном режиме. Так как средние эффективное и индикаторное давления прямо пропорциональны соответствующим им мощностям и обратно пропорциональны п, рост частоты вращения снижает относительное увеличение давлений. Различная степень увеличения индикаторных давлений по отношению к эффективным связана с тем, что в двигателе с КС в поршне рост механического КПД более интенсивный в сравнении с двигателем при вихревой КС.
Снижение максимального давления сгорания в двигателе (в соответ 112 ствии с рисунком 45) с вихревой КС вызвано уменьшением скорости нарастания давления (более мягкой работой двигателя).
В двигателе с КС в поршне точки конца процесса сжатия и максимального давления сгорания совпадают, что говорит о том, что в данном рабочем цикле полностью исключена задержка самовоспламенения.
Удельный эффективный расход топлива двигателя с комбинированным смесеобразованием при вихревой КС уменьшился на 2,92%, а при КС в поршне - на 1,35%, что в свою очередь привело к увеличению эффективного и индикаторного КПД цикла. Также к их росту приводит увеличение механического КПД, которое связано с тем, что часовой расход топлива на двигатель расчет в меньшей степени по сравнению с ростом Ne.
Кроме того, отмечается снижение а, что является положительной тенденцией применения комбинированного смесеобразования. 4.2 Анализ и сопоставление индикаторных показателей
Свернутые индикаторные диаграммы получены на основе развернутых индикаторных диаграмм (в соответствии с рисунками 44 - 47) с применением метода обработки, изложенного в пп. 3.5.
Свернутые индикаторные диаграммы представлены в соответствии с рисунками 52 и 54. Для удобства анализа индикаторные диаграммы совмещены по типу КС: Рисунок 52 - индикаторные диаграммы вихрекамерного дизеля и двигателя с комбинированным смесеобразованием с вихревой КС; рисунок 54 -индикаторные диаграммы дизеля и двигателя с комбинированным смесеобразованием с КС в поршне.
Индикаторная диаграмма дизеля имеет характерную для современных высокооборотных дизелей форму.
Форма полученной индикаторной диаграммы двигателя с комбинированным смесеобразованием подтверждает позитивные изменения, описанные в пп. 2.3.2. При сравнении форм политроп сжатия видно, что в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием произошло изменение среднего показателя политропы по отношению к дизельному циклу. Это происходит в связи с тем, что в цилиндре двигателя с комбинированным смесеобразованием сжимается не воздушный заряд, а обедненная ТВС, которая имеет теплоемкость, отличающуюся от теплоемкости воздушного заряда.
В связи с возросшим мощностным режимом работы двигателя с комбинированным смесеобразованием по отношению к дизелю, в первой половине такта сжатия (в соответствии с рисунком 52) отмечается возрастание Пі цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием [38, 39, 92}. Объясняется это тем, что происходит увеличение температуры стенок цилиндра, и, следовательно, снижается интенсивность теплообмена между сжимаемым зарядом и стенками.
В третьей четверти процесса сжатия рост Пі более явно выражен в дизельном цикле, в связи с тем, что в двигателе с комбинированным смесеобразованием сжимается обедненная ТВС. Наличие в процессе сжатия предпламен-ных окислительных процессов замедляет процесс роста П в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием, т.к. присутствующее в сжимаемом заряде топливо отбирает от него теплоту, снижая его температуру [38, 39, 92].
Примерно за 40 + 45пкв до ВМТ в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием отмечается резкое возрастание давления, вследствие, увеличения nt. Это обстоятельство вызвано тем, что большинство капель топлива в ТВС уже испарилось, и в КС имеется парообразное состояние распыленного на стадии внешнего смесеобразования топлива. Возникающие очаги воспламенения повышают давление в КС.
Давление в конце процесса сжатия у двигателей практически одинаково. Процесс сгорания в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием имеет два ярко выраженных участка: участок c-Zi - смешанный подвод теплоты, характерный для цикла Тринклера-Сабатэ; участок Zj-Z2 - изобарный подвод теплоты, характерный для цикла Дизеля. Это вызвано тем, что применение комбинированного смесеобразования позволило уменьшить период задержки самовоспламенения (в соответствии с рисунком 53), что привело к снижению скорости нарастания давления на этапе смешанного подвода теплоты, и, следовательно, к снижению максимального давления сгорания. Также это приводит к увеличению длительности участка процесса сгорания, на котором происходит сгорание топлива по мере его поступления (р = const), что также ярко иллюстрируется рисунком 53.
Форма политропы расширения цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием позволяет предположить, что показатель политропы расширения снизился в сравнении с дизельным циклом. Снижение показателя политропы расширения в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием вызвано сокращением периода догорания на линии расширения. Как показано на рисунке 53, длительность периода догорания на линии расширения в цикле дизельного двигателя составляет 30-КЗ5пкв, в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием после процесса изобарного сгорания период
