Введение к работе
Актуальность темы. Характерной особенностью
эксплуатации речных судов является необходимость частой перегрузки их главных двигателей, что вызвано условиями судовождения (прохождение судна через перекаты, быстрины, крутые повороты реки и т.д.).
Форсировка двигателей ведет к росту их теплонапряженности. Особо уязвимыми при этом являются детали поршневых групп (прогары и трещины поршней, быстрый износ трущихся деталей, закоксовывание компрессионных колец и т.п.). В результате ресурс двигателя существенно сокращается. Поэтому выбор и исследование действенного метода снижения теплонапряженности поршневых групп главных судовых дизелей, является весьма актуальной задачей..
Цель исследования. Выбрать и исследовать эффективный и достаточно простой в осуществлении метод снижения теплонапряженности поршневых групп главных судовых дизелей.
Методы исследования. В работе использованы как методы математического моделирования, так и экспериментальные исследования. Расчет теплового состояния поршня выполнен методом конечных разностей с помощью программы «Mathcad». Основные характеристики рабочего процесса дизельного двигателя определены с помощью программы «Diagramma». Экспериментальные исследования проводились на одноцилиндровом отсеке двигателя ЗД6, получившем широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства.
Научная новизна работы.
1. Результаты по длительному (-100 часов) лабораторному
изучению надежности теплозащитного покрытия поршня, нанесенного
по выбранной технологии. После проведения испытаний повреждений
теплоизоляционного покрытия обнаружено не было.
2. Экспериментально определенные значения коэффициента
теплопроводности плазменного покрытия из диоксида циркония,
стабилизированного оксидом иттрия, нанесенного на пластину.
Согласно проведенным исследованиям его теплопроводность
изменялась в диапазоне от 0,1 до 0,6 Вт/(м*К). При этом с повышением
температуры и толщины покрытия растет и теплопроводность. Тем не
менее, эти значения ниже, чем для компактного диоксида циркония,
что может быть объяснено пористостью получаемых покрытий.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СПстегбгрг \10 ) ОЭ ПЛЧия-ГУ «
' —-*
Результаты теоретического расчета температурного состояния поршня с теплозащитным покрытием и без него. Критерием достоверности являлось соответствие результатов термометрирования и расчета поршня. Расчет был проведен при толщинах теплоизоляционного покрытия от 0,3 до 1,5 мм. Было обнаружено, что температура поверхности поршня под покрытием слабо зависит от толщины покрытия и остается на уровне ~200С. Это значение ниже температур поверхности поршня без теплоизоляции (282С - в центре донышка поршня и 255С - на его периферии). Температура поверхности покрытия со стороны камеры сгорания растет. Максимальное значение находится около 600С, причем темп роста с увеличением толщины замедляется. Снижение температуры поверхности донышка поршня составило около 80С для центра и примерно 50С на периферии: Снижение температуры поршня в районе верхнего поршневого кольца составило 20С (с 208С - без покрытия, до 183С - с покрытием).
Материалы расчетного исследования: влияния теплозащиты поршня на основные показатели рабочего процесса дизеля. Теоретический расчет рабочего процесса показал, что увеличение температуры поверхности донышка поршня приводит к сокращению эффективного удельного расхода топлива (примерно на 3 г/(кВтч) при повышении температуры на 100 К). Расчет показал, что при повышении температуры донышка поршня до 700 К максимальное давление сгорания увеличивается, при более высоких температурах его изменение незначительно.
Результаты экспериментального исследования основных показателей (в том числе и экологических) рабочего процесса дизеля при его работе со штатным поршнем и с поршнем с теплозащитным покрытием.
Было получено, что при использовании керамического
покрытия повышаются максимальные давления сгорания и
температуры газа на выходе из цилиндра, несколько сокращается
период задержки, воспламенения: По результатам эксперимента
увеличение давления составило ~ 0,25 МПа. Температура выпускных
газов выросла в среднем на 40 - 50С. Применение водо-топливной
эмульсии при работе с теплоизолированным поршнем привело к
снижению этих параметров. Это связано с затратами теплоты на
испарение воды в эмульсии.
Рост температуры выпускных газов должен был привести к
росту выбросов оксидов азота, однако, этого обнаружено не было Возможно, это связано с каталитическим действием диоксида циркония (снижение N0 составило в среднем 3 г/(кВт*ч), N02 -практически без изменений). Тем не менее, отмечено незначительное увеличение содержания окиси углерода. Применение ВТЭ вместе с теплоизолированным поршнем привело к существенному увеличению содержания данного компонента на долевых нагрузках..
Практическая» ценность работы определяется тем, что внедрение ее результатов на судах речного флота повысит ресурс главных двигателей. Особенно заметный эффект может быть получен на теплоходах, эксплуатирующихся на малых реках, где перегрузки главных дизелей происходят особенно часто.
Кроме того, применение выбранного метода теплозащиты поршней улучшает экологические показатели двигателей (снижает выброс оксидов азота).
Апробация работы. Отдельные фрагменты диссертации
докладывались и обсуждались на научных конференциях
профессорско-преподавательского состава Новосибирской
государственной академии водного транспорта.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять научных статей.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Вышеупомянутые разделы занимают 122 страниц текста с иллюстрациями.
Автор выражает свою искреннюю благодарность профессору, докт. техн. наук О.П. Солоненко за консультации и помощь в решении вопросов выбора материала и технологии нанесения теплозащитного слоя донышка поршня, а также при проведении исследований по увеличению надежности работы этих покрытий.
