Задача повышения эффективности эксплуатации судовой дизельной энергетической установки (СДЭУ) с каждым годом приобретает все большую актуальность. В первую очередь это обусловлено ограничениями норм выбросов в атмосферу окислов серы и азота с отработавшими газами. Приложение VI Конвенции МАРПОЛ 73/78, в котором указаны нормы выбросов NO и SО имеет силу закона с 19 мая 2005 года. Такими мероприятиями являются: повышение эффективности рабочего цикла и улучшение качества сгорания топлива. Показатели дизеля во многом зависят от процесса сгорания и тепловыделения. Одним из эффективных способов решения проблем организации — это обеспечивающие высокое качество смесеобразования. Совершенствование выпускаемых и создание новых образцов дизелей с прогрессивными технико-экономическими характеристиками связаны с проблемой организации качественного процесса сгорания, который в значительной степени определяет мощность, надежность и экономичность этих двигателей.
Вопросу разработки математических моделей описания процессов смесеобразования и сгорания посвящены работы И. И. Вибе, М. Ф. Разлейцева, Н. Х. Дяченко, Г. Вошни, А. Н. Воинова, А. И. Толстова, А. И. Филипковский и многих других ученых. Модели, предложены, позволяют с той или иной точностью проводить расчетные исследования для несколько типов двигателей, но ни одна из них не создавалась для исследования рабочего процесса двигателя, работающего при нетрадиционных способах организации или на альтернативном топливе. Как показал анализ, применение различных способов смесеобразования приводит к изменению показателей работы двигателя, поэтому исследование смесеобразования и сгорания этих процессов является актуальной задачей.
Результаты экспериментальных исследований при различных способах смесеобразования
По работе [1] автора А. П. Исаева: двигатели с вихрекамерным и объемно-пленочным смесеобразованием (КС в поршне тороидально-конического типа). Это обусловлено тем, что завод «Дагдизель» производит двигатели Ч9,5/11 с двумя типами КС. По окончании цикла исследований двигателя с вихрекамерным смесеобразованием для обеспечения другого вида внутреннего смесеобразования (КС в поршне) производится замена поршневой группы и головки цилиндров, а также форсунок. При этом сравнение всех четырех видов организации рабочего процесса (а именно: вихрекамерный дизель, дизель с КС в поршне, двигатель с комбинированным смесеобразованием с вихревой КС, двигатель с комбинированным смесеобразованием с КС в поршне) производится на одном двигателе, т. е. рабочие цилиндры и системы двигателя остаются неизменными в каждом цикле исследований. Это позволяет получить высокую точность сравнения.
Рис. 1. Развернутая индикаторная диаграмма вихрекамерного дизеля
Рис. 2. Развернутая индикаторная диаграмма дизеля с КС в поршне
Рис. 3. Развернутая индикаторная диаграмма двигателя с комбинированным смесеобразованием при вихревой КС
Рис. 4. Развернутая индикаторная диаграмма двигателя с комбинированным смесеобразованием при КС в поршне
Таблица 1
|
Параметр |
Вихревая КС |
Δ, % |
КС в поршне |
Δ, % |
||
|
Дизель |
Двигатель с комбинированным смесеобразованием |
Дизель |
Двигатель с комбинированным смесеобразованием |
|||
|
Эффективная мощность, Ne, кВт |
10,50 |
11,6 |
+10,5 |
10,48 |
11,56 |
+10,3 |
|
Индикаторная мощность, Ni, кВт |
14,51 |
15,75 |
+8,55 |
15,09 |
15,58 |
+3,25 |
|
Мощность механических потерь, Nм, кВт |
4,02 |
4,15 |
+3,23 |
4,61 |
3,33 |
-27,8 |
|
Среднее эффективное давление, ре, МПа |
0,542 |
0,587 |
+8,30 |
0,543 |
0,593 |
+9,21 |
|
Среднее индикаторное давление, рi, МПа |
0,749 |
0,797 |
+6,41 |
0,782 |
0,799 |
+2,17 |
|
Максимальное давление сгорания, рz, МПа |
6,753 |
5,652 |
-16,3 |
7,39 |
7,35 |
-0,54 |
|
Давление в конце сжатия, рс, МПа |
3,727 |
3,782 |
+1,48 |
4,277 |
7,35 |
+30,7 |
|
Удельный эффективный расход топлива, gе, кг/(кВт·ч) |
0,240 |
0,233 |
-2,92 |
0,222 |
0,219 |
-1,35 |
|
Эффективный КПД, ηе |
0,358 |
0,369 |
+3,07 |
0,388 |
0,393 |
+1,29 |
|
Индикаторный КПД, ηi |
0,496 |
0,501 |
+1,00 |
0,558 |
0,506 |
-5,20 |
|
Коэффициент избытка воздуха, α |
1,47 |
1,45 |
-1,36 |
1,89 |
1,66 |
-12,2 |
|
Механический КПД, ηм |
0,723 |
0,737 |
+1,94 |
0,695 |
0,776 |
+6,76 |
Таблица 2
Газодизельный двигатель 2ГЧ9,5/11
|
Показатель |
Газодизельный |
|
Эффективная мощность, Nе, кВт |
8,786 |
|
Среднее эффективное давление, ре, МПа |
0,446 |
|
Эффективный крутящий момент, Мкр, Н·м |
55,38 |
|
Часовой расход дизельного топлива, Gт, кг/ч |
0,651 |
|
Часовой расход газового топлива, GГ, кг/ч |
0,4091 |
|
Удельный эффективный расход дизельного топлива, gет, кг/(кВт·ч) |
0,074 |
|
Удельный эффективный расход газового топлива, gег, кг/(кВт·ч) |
0,0465 |
Рис. 5. Развернутая индикаторная диаграмма газодизеля
Судовой дизель 4Ч9,5/11 c наддувом
С целью улучшения эксплуатационных показателей этих двигателей, без кардинального изменения их конструкции, технологии изготовления и без замены материалов основных элементов, Лаборатория проблем моторной энергетики (ЛПМЭ) в г. Астрахани (совместной с Институтом физики Дагестанского научного центра Российской академии наук (ДНЦ РАН) и Астраханского государственного технического университета (АГТУ)) по согласованию с производителем этих типов дизелей ОАО «Завод «Дагдизель» ведет работы по форсированию дизеля 4Ч 9,5/11 по среднему эффективному давлению путём газотурбинного наддува [2].
Таблица 3
|
Параметр |
Вихревая КС |
|
Эффективная мощность, Nе, кВт |
27 |
|
Среднее эффективное давление, pе, МПа |
0,69 |
|
Максимальное давление сгорания, рz, МПа |
7,62 |
|
Давление сжатия, рС, МПа |
5,6 |
|
Эффективный удельный расход топлива, ge, кг / (кВт ч) |
0,24 |
|
Эффективный КПД, е |
0,358 |
Рис. 6. Экспериментальная развернутая индикаторная диаграмма
Таблица 4
Судовой двигатель 3Д6 с открытой КС
|
Результаты |
Расчет |
Эксперимент |
, % |
|
Эффективная мощность, Nе, кВт |
100,68 |
99 |
1,70 |
|
Среднее индикаторное давление, pi, МПа |
0,5244 |
0,502 |
4,46 |
|
Среднее эффективное давление, pе, МПа |
0,4195 |
0,4016 |
4,45 |
|
Максимальное давление сгорания, рZ, МПа |
6,86 |
6,39 |
7,35 |
|
Давление сжатия, рС, МПа |
3,59 |
3,34 |
7,48 |
|
Эффективный удельный расход топлива, ge, кг / (кВт ч) |
0,238 |
0,220 |
8,18 |
Рис. 7. Развернутая индикаторная диаграмма дизеля 3Д6 с открытой КС
Анализ особенностей рабочих процессов при различных способах смесеобразования
Для дизеля 3Д6 с открытой КС:
Хорошее смесеобразование и не большие потери теплоты через поверхность камеры и, как следствие высокую топливную экономичность; легкий пуск и возможность форсирования дизелей путем применения наддува.
большую скорость нарастания давления в фазе быстрого сгорания и высокие значения давления сгорания, что объясняется накоплением большого количества топлива в объеме и интенсивным его испарением за период задержки воспламенения; создание высоких давлений впрыска топлива, так как кинетическая энергия топливных струй оказывает большое влияние на качество смесеобразования [3].
В дизелях с объемным смесеобразованием вследствие низкой интенсивности перемешивания топлива с воздухом период τ, примерно в два раза продолжительнее, чем при объемно-пленочном смесеобразовании. Значительные тепловые потери в стенки вихревой камеры увеличивают период τ, у таких дизелей в 1,2 раза по сравнению с объемным и в 2,2–2,5 раза — с объемно-пленочным смесеобразованием.
Продолжительность процесса сгорания у дизелей с вихрекамерным смесеобразованием больше, чем с объемным и объемно-пленочным смесеобразованием.
Для объемно-пленочного и объемного смесеобразования характерны более высокие скорости тепловыделения, чем у дизелей с вихрекамерным смесеобразованием.
Топливная экономичность дизелей с объемным смесеобразованием выше, чем с объемно-пленочным, и на выше по сравнению с вихрекамерным смесеобразованием.
Для газодизельного процесса: снижение эффективной мощности, среднего эффективного давления и максимального давления сгорания при работе на газовом топливе вызвано меньшей низшей теплотворной способностью газа. Кроме того, возможны ошибки при выборе запальной дозы топлива, так как в литературе эта доза указывается в пределах 30–50 % от полной цикловой подачи топлива. Снижение давления в конце сжатия вызвано изменением показателя политропы сжатия, так как в цилиндре сжимается не воздух, а газовоздушная смесь.
осуществление газодизельного цикла на судовом малоразмерном дизеле возможно, однако оно происходит со снижением эксплуатационных показателей двигателя, вызванным меньшей теплотворной способностью газового топлива. Для минимизации этого снижения необходимо проводить дополнительные исследования, связанные с внесением изменений в конструкцию ТНВД, а также с оптимизацией угла опережения подачи дизельного топлива.
двигатель с комбинированным смесеобразованием развивает в среднем на 10 % большую мощность по сравнению с прототипом, что обусловлено лучшей организацией смесеобразования.
Литература:
- Исаев А. П. Разработка и результаты применения принципа комбинированного смесеобразования в судовом малоразмерном дизеле / А. П. Исаев// Вестник АГТУ. Серия Морская техника и технологии..– Астрахань: Издательство АГТУ, 2011.– № 3.– с. 106–116.
- Дорохов. А. Ф. Исследование основных эксплуатационных показателей судового дизеля при его форсировании наддувом. Вестник АГТУ. Серия Морская техника и технологии..– Астрахань: Издательство АГТУ, 2014.– № 4.– с. 65– 71.
- Б. Н. Семенов, Е. П. Павлов, В. П. Копцев. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности. Изд-во Ленинград «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1990–239 с.
