Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Способы улучшения эксплуатационных показателей дизелей 8
1.1.1. Способы улучшения эффективных показателей дизелей 8
1.1.2. Способы улучшения экологических показателей дизелей 17
1.2. Анализ способов охлаждения наддувочного воздуха 26
1.3. Задачи исследований 36
2. Расчётно-теоретический анализ параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 38
2.1. Способ работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 38
2.2. Методика и математическая модель расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 40
2.3. Результаты расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 55
2.4. Расчётно-теоретический анализ'теплового баланса дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 63
2.5. Расчётно-теоретический анализ износостойкости цилиндропоршневои группы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 69
2.6. Выводы 77
3. Методика экспериментальных исследований 78
3.1. Общая методика 78
3.2. Методика безмоторных исследований по обоснованию выбора агрегатов системы подачи воды во впускной трубопровод 84
3.3. Методика исследования параметров свежего заряда 86
3.4. Методика исследования эффективных показателей 93
3.5. Методика исследования температуры и токсичности отработавших газов 96
3.6. Методика безмоторных исследований топливного насоса высокого давления 100
3.7. Методика исследования содержания воды в моторном масле 102
3.8. Обработка результатов и погрешности измерений 102
4. Результаты экспериментальных исследований ! 05
4.1. Результаты безмоторных испытаний системы подачи воды 105
4.2. Результаты безмоторных испытаний топливного насоса высокого давления 106
4.3. Результаты исследований параметров свежего заряда дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 108
4.4. Результаты исследования эффективных показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 114
4.5. Результаты исследований температуры и токсичности отработавших газов дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 119
4.6. Результаты исследования содержания воды в моторном масле 125
4.7. Выводы 125
5. Экономическая эффективность дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха 128
Общие выводы 135
Список литературы
- Способы улучшения эксплуатационных показателей дизелей
- Способ работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха
- Методика безмоторных исследований по обоснованию выбора агрегатов системы подачи воды во впускной трубопровод
- Результаты безмоторных испытаний системы подачи воды
Введение к работе
Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются одной из важнейших составных частей энергетического комплекса России, Общая мощность парка ДВС страны примерно в 5,5 раз превосходит установленную мощность всех электростанций страны, включая атомные /1/. Двигатели внутреннего сгорания влияют не только на интенсивность развития многих отраслей народного хозяйства, но и в значительной степени определяют их экономику. Это обусловлено тем, что основным источником энергии для автономных машин транспорта, сельского хозяйства, строительно-дорожной техники, передвижных электростанций, буровых и насосных установок, а также многочисленных средств малой механизации являются ДВС, потребляющие значительную долю топливно-энергетических ресурсов страны.
Материалы многочисленных исследований показывают, что поршневые и комбинированные ДВС сохранят за собой ведущую роль в качестве источника энергии для традиционных потребителей на обозримую перспективу, и в значительной мере будут определять технико-экономический уровень использующих их машин (производительность, экономичность, надёжность, стоимость эксплуатации и технического обслуживания, экологические и эргономические характеристики).
Наметившееся в 30-х годах в СССР применение дизелей на тракторах и автомобилях завершилось полной дизелизацией тракторного парка в 1965 г. 121. Такое предпочтение, отдаваемое дизелям, объясняется рядом их преимуществ перед карбюраторными двигателями. Главными из них являются: меньший, примерно на 25 %, удельный расход топлива; возможность работы на разных топливах; пожарная безопасность. Существенным недостатком дизелей является большая металлоёмкость как из-за более высоких нагрузок на детали, так и вследствие особенностей смесеобразования, требующего пока ещё больших коэффициентов избытка воздуха, что ухудшает использование рабочего объёма. Однако значительное повышение частоты вращения, улучшение рабочего про-
цесса в неразделённых камерах с объёмно-плёночным смесеобразованием, применение наддува позволили существенно снизить удельную массу дизелей.
Одними из основных направлений совершенствования автотракторных дизелей в настоящее время являются форсирование по среднему эффективному давлению путём применения газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, повышение экономичности и снижение токсичности отработавших газов.
Получившая широкое распространение рекуперативная система охлаждения наддувочного воздуха имеет ряд недостатков - повышенные потери давления на впуске и связанное с этим уменьшение наполнения цилиндров, загрязнение при эксплуатации поверхностей теплообмена, значительные габариты теплообменников, высокая металлоёмкость и стоимость /3, 4, 5, 6, 7, 8, 9/. Однако существуют и другие способы охлаждения наддувочного воздуха, которые лишены указанных недостатков, в том числе способ испарительного охлаждения наддувочного воздуха. Суть данного способа заключается в подаче мелко распыленной воды в поток нагретого в турбокомпрессоре воздуха. На нагрев и испарение воды затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего снижается его температура. Во впускной трубопровод также можно впрыскивать спирты и аммиак, имеющие большую скрытую теплоту испарения. Применение воды целесообразно с точки её дешевизны, удобства хранения и использования. Исследования по применению испарительного охлаждения наддувочного воздуха на судовых и тепловозных дизелях показали его высокую эффективность /3, 4, 8, 10, 11, 12/. Возможность применения испарительного охлаждения наддувочного воздуха на автотракторных дизелях в настоящее время изучена недостаточно.
Вместе с тем, дизели тракторов и автомобилей являются одними из основных источников загрязнения окружающей среды. Получившие широкое распространение каталитические и жидкостные нейтрализаторы, являясь эффективным средством уменьшения выбросов вредных веществ с отработавшими газами, увеличивают насосные потери на газообмен, работают в относи-
7 тельно узком интервале температур, а многие весьма недёшевы, так как содержат драгоценные и редкоземельные металлы /13, 14, 15/. На основании анализа литературных данных установлено, что применение воды в рабочем цикле дизелей улучшает их экологические показатели /13, 16, 17/. Поэтому задача улучшения эффективных и экологических показателей дизелей с наддувом путём подачи воды на впуске представляется весьма актуальной, что и является целью диссертационной работы.
Научную новизну работы представляют следующие положения, выносимые на защиту:
Математическая модель расчёта количества подаваемой на впуске воды.
Расчётно-теоретическая модель параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.
Результаты теоретических и лабораторно-стендовых исследований влияния испарительного охлаждения наддувочного воздуха на эффективные и экологические показатели дизеля.
Способы улучшения эксплуатационных показателей дизелей
Повышение экономичности и моторесурса с одновременным форсированием ДВС и снижением токсичности отработавших газов является одним из важнейших направлений технического развития двигателестроительной промышленности.
Форсированием двигателей называется повышение литровой мощности, осуществляемое при модернизации выпускаемых моделей или при создании новых двигателей. В России и других странах каждая модель тракторного двигателя находится на производстве 15-20 лет 121. При отсутствии модернизации двигатели значительно устаревают по своим параметрам и не могут обеспечить основное требование, предъявляемое к тракторам различного назначения и всех классов тяги - повышение производительности. Исходя из этого, форсирование выпускаемых двигателей является столь же необходимым, как и создание новых моделей. Форсирование двигателей, стоящих на производстве, имеет ряд положительных сторон: сохранение преемственности, позволяющей использовать накопленный опыт производства; высокий процент унификации с базовой моделью, что облегчает снабжение запасными частями двигателей находящихся в эксплуатации; использование большой части имеющегося оборудования; наличие опыта эксплуатации у трактористов; поддержание параметров двигателя на соответствующем уровне за весь период его производства, т.е. использование всех резервов, заложенных в конструкцию.
Существуют следующие способы форсирования двигателей: увеличение частоты вращения и среднего эффективного давления. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
С увеличением частоты вращения до определённого предела индикаторный КПД несколько увеличивается, что обусловлено снижением потерь теплоты в систему охлаждения и повышением полноты сгорания в связи с улучшением качества распыливания топлива и характеристики топливоподачи, повышением скорости движения заряда и более благоприятным развитием и протеканием процесса сгорания /18, 19/. Однако повышение частоты вращения ограничивается условиями создания качественного смесеобразования и сгорания, а также ростом инерционных нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма, которые пропорциональны квадрату частоты вращения, увеличением механических потерь и снижением долговечности и надёжности двигателя.
Наиболее приемлемые значения номинальной частоты вращения: для тракторных и комбайновых дизелей - 1600...2500 мин"1; для автомобильных дизелей-2600...3500 мин"1 /18/.
Среднее эффективное давление, характеризующее удельную работу па валу двигателя за цикл пропорционально цикловой подаче, индикаторному КПД, механическому КПД. Повышение Ре за счёт увеличения индикаторного КПД не может быть значительным в связи с достаточно хорошей отработкой процесса сгорания в современных автотракторных дизелях, то же относится к ограниченным возможностям уменьшения механических потерь в двигателе.
Как известно, Ре возрастает при увеличении цикловой подачи и плотности заряда, от которой зависит массовое наполнение цилиндров. Массовое наполнение цилиндров можно существенно увеличить путём применения наддува.
Повышение среднего эффективного давления путём наддува приводит к росту газовых сил, последние возрастают линейно с увеличением количества заряда, то есть с повышением мощности; при этом индикаторная диаграмма благодаря наддуву становится полнее /20/. Начиная с определённого уровня форсирования двигателя путём повышения Ре, механические нагрузки от сил давления газов на детали кривошипно-шатунного механизма становятся меньше, чем нагрузки от сил инерции при таком же форсировании путём увеличения частоты вращения /20/.
Термическая напряжённость повышается как с увеличением частоты вращения, так и с увеличением степени наддува примерно в равном соотношении с повышением мощности /2, 21/. Высокие средние скорости поршней обуславливают необходимость иметь небольшую массу деталей кривошипно-шатунного механизма, что достигается хорошо отработанной конструкцией и высококачественными материалами. Наддув же выдвигает требования усиления конструкции для восприятия повышенных давлений газов. Несмотря на то, что при наддуве удельная масса, как правило, уменьшается - мощность возрастает сильнее, чем соответственно требуемое приращение общей массы, это приводит к созданию более надёжных в эксплуатации двигателей /22/.
Увеличение мощности посредством наддува с одной стороны и посредством форсирования по частоте вращения с другой стороны может быть пояснено следующим упрощённым сравнением. Средние эффективные давления от 0,8 МПа (четырёхтактные двигатели с принудительным зажиганием без наддува) до 1,2 МПа (четырёхтактные дизели с умеренным наддувом), равно как и средние скорости поршней, от 10 м/с (дизели на грузовом автотранспорте) до 14 м/с (бензиновые двигатели легковых автомобилей) характеризуют технический уровень современных двигателей /20, 18/. А средние скорости поршней от 20 м/с и выше встречаются лишь на двигателях гоночных автомобилей, то есть на двигателях, которые отдают высокую мощность кратковременно и которые имеют небольшие межремонтные периоды. В то же время, средние эффективные давления от 1,8 до 2,0 МПа и выше при умеренных значениях средней скорости поршня применяются на четырёхтактных дизелях, имеющих наиболее высокие длительные нагрузки (в частности, на судовых дизелях) /23, 24/.
Способ работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха
Сущность предлагаемого способа организации рабочего никла дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха заключается в подаче воды в поток воздуха, перемещающийся в системе воздухоснабжения дизеля. Разработанный макетный вариант отличается от серийного дизеля тем, что оборудован дополнительной системой для подачи воды во впускной тракт.
На рис. 2.1. представлена схема предлагаемого способа организации рабочего цикла дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. Во впускной тракт перед турбокомпрессором установлена пневматическая форсунка. Подача и регулирование расхода воды производится устройством для подачи воды. Распыливание воды производится сжатым воздухом.
Предлагаемый способ охлаждения наддувочного воздуха, по сравнению с подачей воды после турбокомпрессора, имеет следующие преимущества: - большая степень охлаждения наддувочного воздуха ввиду интенсивного перемешивания воды и воздуха в турбокомпрессоре и лучшего испарения воды; - улучшение характеристик турбокомпрессора вследствие приближения процесса сжатия к изотермическому.
Предлагаемый способ подачи воды обладает следующими преимуществами: - позволяет регулировать количество подаваемой воды; - обеспечивает достаточно тонкое распыливание воды; - не ограничивает количество подаваемой воды; - не увеличивает гидравлические потери во впускном тракте.
На нагрев и испарение воды затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего происходит снижение его температуры, увеличение плотности свежего заряда и улучшение массового наполнения цилиндров. Уменьшение температуры свежего заряда вызывает снижение средней и мак симальной температур цикла, что предполагает снижение теполонапряжспно сти деталей двигателя и замедление реакций образования оксидов азота и уменьшение их содержания в ОГ. Улучшение массового наполнения цилиндров и снижение теплонапряжённости обеспечивает возможность форсирования дизеля по среднему эффективному давлению.
Целью данного этапа исследований является проведение теоретического расчёта параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля при подаче воды на впуске и их сравнение с параметрами штатного цикла и цикла с рекуперативным охлаждением наддувочного воздуха.
Для реализации поставленной цели методика предусматривает: - тепловой расчёт штатного цикла; - тепловой расчёт цикла с воздухо-воздушным рекуперативным охлаждением наддувочного воздуха; - тепловой расчёт цикла с испарительным охлаждением наддувочного воздуха при подаче воды на впуске; - расчёт и построение индикаторных диаграмм, их сравнительный анализ; - расчёт и анализ индикаторных и эффективных показателей работы дизеля. Объектом исследований является дизель 6ЧН 13/11,5 (СМД-62). Расчёт производится на номинальном режиме работы дизеля (п=2100об/мин). При расчёте приняты следующие допущения: вода, охлаждающая наддувочный воздух, не влияет на процесс сгорания.
Методика безмоторных исследований по обоснованию выбора агрегатов системы подачи воды во впускной трубопровод
Целью настоящих исследований является обоснование выбора элементов и определение характеристик системы подачи воды во впускной трубопровод.
Объектом исследований является устройство для подачи воды оригинальной конструкции. Схема устройства для подачи воды представлена на рис. 3.6, внешний вид устройства на рис. 3.7.
Принцип действия данного устройства заключается в следующем. Вода из емкости 1 забирается роторным насосом системы впрыска топлива 3 (с двигателя ЗМЗ - 406) и подается в нагнетательную магистраль. Давление в магистрали контролируется манометром 4. Количество подаваемой воды регулируется дросселем 5. Излишки воды через перепускной клапан 8 возвращаются во всасывающую магистраль. Распыливание воды производится пневматической форсункой 6 за счет сжатого воздуха, поступающего от компрессора 8. Устройство пневматической форсунки представлено на рис. 3.7.
Применение пневматических форсунок обусловлено простотой конструкции и изготовления, возможностью работы при небольшом давлении воды перед форсунками и достаточно тонким распыливанием впрыскиваемой воды. Вместе с тем их установка не увеличивает сопротивление впускного тракта.
Для определения параметров подачи воды и сравнительной оценки качества распыливания воды производится снятие характеристики подачи воды в зависимости от положения дросселя и характеристики качества распыливания и зависимости от подачи воды и давления воздуха .перед форсункой. Качество распыливания контролируется визуально. Давление воздуха перед форсункой контролируется по штатному манометру компрессора.
Для оценки влияния воды на работоспособность элементов устройства для подачи воды проводится 125-ти часовой испытательный цикл. Длительность испытаний обусловлена периодичностью технического обслуживания.
До и после испытания снимаются характеристики подачи воды и качества распыливания, производится разборка и проверка технического состояния насоса, форсунок, дросселя, перепускного клапана.
Результаты исследований в дальнейшем используются при проведении моторных испытаний дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. По результатам ресурсных испытаний оценивается работоспособность элементов устройства для подачи воды при их длительной эксплуатации и определяется периодичность техническрго обслуживания.
Целью исследований является сравнительный анализ параметров свежего заряда при работе дизеля в штатной комплектации и с испарительным охлаждением наддувочного воздуха при различных регулировочных параметрах подачи воды во впускной тракт.
Для этого проводится измерение температуры,, давления и влажное і и свежего заряда до и после турбокомпрессора (на впуске в цилиндр), расход воздуха.
Измерение температуры воздуха до турбокомпрессора производится при помощи ртутного термометра, измерение температуры на впуске в цилиндр при помощи датчика температуры (термометра сопротивления) ТСМ - 0879 - 01, включенного в неуравновешенный измерительный мост. Электрическая схема измерительного моста представлена на рис. 3.9. Внешний вид измерительного моста и установка датчика температуры представлены на рис. 3.10 и рис. 3.11. Тарировка датчика температуры производилась в масле ртутным термометром ТН 2-4 ГОСТ 400 - 64. Результаты тарировки показали, что при повышении температуры и её понижении показания амперметра различаются не более чем на 1 С, что соответствует требованиям ГОСТ 18509 - 88. Тарировочный график представлен на рис. 3.12. Давление окружающей среды измеряется барометром М ПО. Давление наддува манометром ТИП АМУ - 1 ГОСТ 13397 -67.Установка штуцера и манометра для измерения давления наддува показаны нарис 3.13 и рис 3.14.
Результаты безмоторных испытаний системы подачи воды
Для оценки работоспособности, получения количественных и качественных показателей работы были проведены безмоторные испытания устройства для подачи воды. В ходе испытаний в соответствии с методикой (раздел 3.2) сняты характеристики производительности устройства для подачи воды (рис. 4.1), а также проведена оценка работоспособности устройства после 125-ти часового цикла работы. Расхождение между кривыми подачи воды при увеличении и при уменьшении подачи составляет около 8 %. Это объясняется выбором зазоров в подвижных соединениях элементов дросселя. Данная конструкция вполне пригодна для экспериментальных исследований, так как подача воды контролируется с помощью весового устройства. Для практических целей требуется доработка конструкции дросселя, например установка компенсирующей пружины.
В ходе данных исследований определено давление воздуха перед пневматической форсункой, обеспечивающее необходимое качество распыливания воды, которое составило 0,3 МПа.
Исследование работы устройства для подачи воды до и после 125-ти часового цикла выявила отсутствие повышенного износа элементов устройства и ухудшения качества распыливания. В ходе данных исследований выявлена необходимость применения фильтров для уменьшения избыточной жёсткости воды, а также необходимость после работы на воде осуществлять прогонку устройства бензином или дизельным топливом с целью предотвращения коррозии при длительных перерывах в работе.
Результаты безмоторных испытаний разработанного устройства для подачи воды используются при проведении экспериментальных исследований работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.
Целью данных исследований является определение характеристик подачи топлива штатной дизельной топливной аппаратурой с изменёнными регулировочными параметрами ТНВД.
Испытания проведены в соответствии с методикой, изложенной в разделе 3.6. В ходе испытаний снята регуляторная характеристика ТНВД, отрегулированного в соответствии с паспортными данными (рис 4.2). Используя регуляторную характеристику, снятую при штатной регулировке ТНВД, графическим путём определено, что необходимое увеличение цикловой подачи на номиналь-ном режиме на 30% (со 114 до 150 мм /цикл) достигается при настройке частоты полного прекращения подачи топлива 1220 об/мин, что на 10 об/мин выше допустимой /58/.
По регуляторной характеристике ТНВД определено, что при частоте вращения кулачкового вала n = 1085 мин-1 цикловая подача равна 95 мм 3/цикл. При данной частоте вращения снимаем характеристику изменения цикловой подачи в зависимости от положения винта максимальных оборотов (рис. 4.4), добиваясь увеличения цикловой подачи до 120 мм3/цикл.
Как видно из приведенных характеристик, они имеют линейную зависимость, что при необходимости позволяет повести экстраполяцию.
Целью исследований является сравнительный анализ параметров свежего заряда при работе дизеля в штатной комплектации и с испарительным охлаждением наддувочного воздуха при различных регулировочных параметрах подачи воды во впускной тракт и часового расхода топлива
Для этого при всех исследуемых вариантах проведён замер температуры, давления и влажности свежего заряда до турбокомпрессора, замер температуры и давления после турбокомпрессора (на впуске в цилиндр), расхода воздуха, подачи воды.
На основании обработки результатов исследований построены зависимости изменения температуры, плотности и влажности свежего заряда, давления наддува от количества подаваемой во впускной трубопровод воды при неизменной подаче топлива (1 этап - рис. 4.5); от подачи топлива при неизменной подаче воды (2 этап - рис. 4.6 и 4.7).
Фактором, ограничивающим подачу воды на 1 этапе, является влияние подачи воды на эффективные показатели дизеля и токсичность отработавших газов.
Анализ зависимости изменения температуры свежего заряда показывает, что подача воды на впуске снижает температуру наддувочного воздуха. По мере насыщения воздуха водяным паром интенсивность снижения температуры уменьшается. Вместе с тем следует отметить, что резервы ИОНВ при проведении экспериментальных исследований не исчерпаны, так как влажность воздуха не достигает 100%, что объясняется не реализованными возможностями доводки системы подачи воды, т. е. недостаточной тонкостью распыливания. При подаче воды в количестве 25,4 кг/ч на номинальном режиме температура наддувочного воздуха составила 65 С, снижение 40 С, при п = 2170 об/мин - t[ = 62 С, снижение - 28 С. Большее снижение температуры на номинальном режиме достигается из-за большего давления и температуры наддува и вследствие этого меньшей влажности свежего заряда. Увеличение подачи воды более 25 кг/ч не приводит к заметному снижению температуры свежего заряда. Давление наддува незначительно снижается при подаче воды, что связано с уменьшением температуры и давления отработавших газов. Вследствие снижения температуры свежего заряда рост плотности составил: на номинальном режиме - 12%, на частичном режиме при n = 2170 - 7%, что приводит к соответствующему улучшению наполнения цилиндров.
