В настоящее время энергетические проблемы обостряются ввиду использования невосполнимых природных ресурсов, количество которых ограничено. Согласно статистическим данным, около 70% суммарной энергетики базируется на нефти, 20% - на природном газе, оставшиеся 10% приходятся на атомную энергию, гидроэлектростанции, энергию ветра и солнца. Величина разведанных запасов нефти приближается к величине доказанных запасов. При этом потребление нефти по данным на конец 2007 года составляет 4 млрд. тонн в год. На начало 2008 года величина доказанных запасов нефти составляет 140 млрд. тонн. Именно поэтому уделяется особое внимание вопросам оптимизации параметров силовых установок.
Важной характеристикой является удельная эффективность – количество топлива, затрачиваемое на единицу мощности [1]. В порядке убывания по этому признаку сравнение основных тепловых двигателей выглядит следующим образом: дизель, бензиновый, газотурбинный, ракетный, паровой.
Ключевым критерием является также удельная мощность – отношение мощности к массе силовой установки. Лидерами сравнения по этому признаку являются двигатели летательных аппаратов ввиду их требовательности к массе, по убыванию порядок следующий: ракетный, газотурбинный, бензиновый, дизель, паровой.
В транспортной энергетике наибольшее распространение получили бензиновые и дизельные двигатели. Ввиду того, что двигатель представляет собой чрезвычайно сложное как с конструкторской, так и с технологической точки зрения устройство, разработка самостоятельного нового двигателя является очень дорогой, длительной и трудоёмкой процедурой, по окончании требующей переналадки производства, адаптации транспортных средств под использования новой единицы и многих других мероприятий. В связи с этими обстоятельствами, в определённых условиях более рациональным представляется процедура оптимизации уже существующего и серийно-производимого двигателя. Оптимизация может проводиться по большому количеству различных параметров, основные способы увеличения эффективности двигателя:
1. Термодинамический подход – увеличение индикаторного КПД:
1.1. За счёт увеличения температуры цикла;
1.2. Повышением степени сжатия;
1.3. Улучшением дисперсности смеси;
2. Механический подход – снижение потерь:
2.1. Снижением потерь на трение;
2.2. Снижением потерь насосных ходов;
2.3. Снижением потерь на привод агрегатов.
Основными направлениями оптимизации являются:
· оптимизация по углу опережения впрыска топлива (для дизельных двигателей) и углу опережения зажигания (для бензиновых);
· оптимизация применением управляемого наддува;
· оптимизация изменением фаз газораспределения;
· оптимизация по степени сжатия;
· оптимизация по геометрическим параметрам впускных и выпускных органов;
и другие.
Целью данной работы является расчёт возможного улучшения характеристик атмосферного дизельного двигателя, разработанного более пятидесяти лет назад, с учётом современных возможностей и технологий.
Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:
1. Провести расчёт рабочего процесса двигателя;
2. Определить способ оптимизации стандартного двигателя;
3. Последовательно провести расчёты по мере каждого этапа оптимизации;
4. Сделать выводы и заключение о результатах оптимизации.
Прототипом выступает быстроходный атмосферный дизельный двигатель Д12А-525А, разработанный на базе двигателя В-2 после Великой Отечественной войны [2], получивший широкие применение на речных судах: двигатель 3Д12 — на буксирах РТ, БТМ (дефорсированный до 225 л.с.) и судне на воздушной подушке «Луч» (форсированный до 520 л.с.). По части транспортного машиностроения двигатель 4Д12 применяется на тяжёлых тракторах Т-330 и Т-500, а двигатель 1Д12 — на большегрузных автомобилях МАЗ-525 и МАЗ-530, тепловозах ТУ2, ТУ7 железных дорог узкой колеи, тепловозах ТГМ40 нормальной колеи. Модернизированный двигатель Д12А-525А серийно устанавливается на многоцелевые автомобили повышенной проходимости семейств МАЗ 537 и МАЗ 543/7310 [3]. По состоянию на 2008 год дизель Д12 продолжает выпускаться ОАО «Барнаултрансмаш».
Поставленные задачи решаются с использованием программного комплекса NKIU, позволяющего осуществить расчёт рабочего процесса, основываясь на следующих допущениях:
1. В расчётной схеме двигателя с воспламенением от сжатия теплота подводится к рабочему телу в изохорном и изобарном процессах.
2. Количество теплоты, подведённое к рабочему телу, оценивается по опытным характеристикам подведения теплоты.
3. В качестве рабочего тела принимается смесь идеальных газов. Не учитывается изменение массы газа из-за утечек. В расчёте принимается, что изменение массы и состава рабочего тела происходит также, как если бы сгорание начиналось в начале изохорного процесса и заканчивалось бы в его конце.
4. Процесс расширения описывается одной политропой.
Первичный расчёт рабочего процесса в поставленных условиях представляет собой получение характеристик двигателя на разных режимах в зависимости от угла опережения впрыска топлива. Выходными данными выступают матрицы значений эффективного расхода (рис. 1) и эффективной мощности (рис. 2). Каждый столбец матриц соответствует одному определённому значению угла опережения впрыска топлива, а каждая строка – одному режиму, то есть частоте вращения коленчатого вала.
Рис. 1. Матрица значений эффективного расхода топлива (кг/кВт*ч) стандартного двигателя в зависимости от режима и угла опережения впрыска топлива.
Рис. 2. Матрица значений эффективной мощности (кВт) стандартного двигателя в зависимости от режима и угла опережения впрыска топлива.
Графической интерпретацией полученных данных являются поверхности, сечения которых представляют собой интересующие кривые изменения мощности (расхода) в зависимости от одного параметра при фиксированном другом, в данном случае интерес представляют сечения плоскостями равного режима, отражающие кривые изменения мощности (расхода) в зависимости от угла опережения впрыска топлива (рис. 3, 4, 5, 6).
Рис. 3. Характер изменения мощности двигателя в зависимости от угла опережения впрыска топлива и режим (частоты вращения коленвала).
Рис. 4. Раскладка по сечениям равного режима (частоты вращения коленвала, об/мин). Семейство кривых изменения мощности двигателя в зависимости от угла опережения впрыска топлива (град.).
Рис. 5. Характер изменения эффективного расхода топлива двигателя в зависимости от угла опережения впрыска топлива и режим (частоты вращения коленвала).
Рис. 6. Раскладка по сечениям равного режима (частоты вращения коленвала, об/мин). Семейство кривых изменения эффективного расхода топлива в зависимости от угла опережения впрыска топлива (град.).
При этом на каждом режиме цикловая подача (рис. 7) менялась таким образом, что бы поддерживать коэффициент избытка воздуха в диапазоне 1,490..1,510 (рис. 8).
Рис. 7. Изменение коэффициента избытка воздуха стандартного двигателя в зависимости от режима (частоты вращения коленвала, об/мин).
Рис. 8. Изменение цикловой подачи (кг) стандартного двигателя в зависимости от режима (частоты вращения коленвала, об/мин).
В результате анализа полученных данных следует сравнить характеристики двигателя до и после оптимизации по углу опережения впрыска топлива (рис. 9, 10.)
Рис. 9. Изменение значений эффективного расхода топлива (кг/кВтч) стандартного (пунктирная кривая) и оптимизированного по углу опережения впрыска топлива (сплошная кривая) двигателей в зависимости от режима (частоты вращения коленвала, об/мин).
Рис. 10. Внешняя скоростная характеристика оптимизированного по углу опережения впрыска (жирные кривые) и неоптимизированного (тонкие кривые) двигателей.
Дальнейшим этапом выступает оптимизация применением управляемого наддува. Так как максимальный крутящий момент достигается при частоте 1400 об/мин, то при частоте, выше этого значения, степень повышения давления в компрессоре будет постоянной (рис. 11.).
Рис. 11. Степень повышения давления в компрессоре в зависимости от режима (частоты вращения коленвала, об/мин).
Таким образом, давление наддува (рис. 12) будет изменятся в соответствии со степенью повышения давления.
Рис. 12. Давление наддува (МПа) в зависимости от режима (частоты вращения коленвала, об/мин).
При изменении термодинамических параметров необходимо учесть и изменение температуры воздуха (рис. 14), связанной с давлением политропным законом (рис. 13).
Рис. 13. Политропный закон, где
– температура воздуха на текущем режиме, К;
– температура воздуха на режиме холостого хода, К;
– давление наддува на текущем режиме, МПа;
– давление наддува на режиме холостого хода, МПа;
– показатель политропы.
Рис. 14. Изменение температуры воздуха (К) в зависимости от режима (частоты вращения коленвала, об/мин).
Как и на предыдущем этапе, в случае применения управляемого наддува на каждом режиме цикловая подача (рис. 15) должна корректироваться таким образом, что бы поддерживать коэффициент избытка воздуха в диапазоне 1,490..1,510 (рис. 16).
Рис. 15. Изменение коэффициента избытка воздуха оптимизированного управляемым наддувом двигателя в зависимости от режима (частоты вращения коленвала, об/мин).
Рис. 16. Изменение цикловой подачи (кг) оптимизированного управляемым наддувом двигателя в зависимости от режима (частоты вращения коленвала, об/мин).
|
Оптимизированный по углу опережения впрыска топлива |
|
Стандартный двигатель |
|
Оптимизированный наддувом |
Следующим этапом выступает повторная оптимизация по углу опережения впрыска топлива полученного двигателя (с управляемым наддувом). Она необходима, так как свойства рабочего процесса поменялись после добавления управляемого наддува. Алгоритм такой оптимизации аналогичен первому этапу, полученные данные представляют собой матрицы значений эффективного расхода (рис. 17) и эффективной мощности (рис. 18). Каждый столбец матриц соответствует одному определённому значению угла опережения впрыска топлива, а каждая строка – одному режиму, то есть частоте вращения коленчатого вала.
Рис. 17. Матрица значений эффективного расхода топлива (кг/кВт*ч) оптимизированного управляемым наддувом двигателя в зависимости от режима и угла опережения впрыска топлива.
Рис. 18. Матрица значений эффективной мощности (кВт) оптимизированного управляемым наддувом двигателя в зависимости от режима и угла опережения впрыска топлива.
Данный этап оптимизации является заключительном на уровне поставленных задач, поэтому целесообразно свести результаты всех этапов в единые внешние скоростные характеристики (рис. 19, 20), а также сравнить по эффективному расходу (рис. 21).
Рис. 19. Мощность оптимизированных на каждом этапе двигателей в зависимости от режима (частоты вращения коленвала).
Рис. 20. Крутящий момент оптимизированных на каждом этапе двигателей в зависимости от режима (частоты вращения коленвала).
Рис. 21. Эффективный расход топлива оптимизированных на каждом этапе двигателей в зависимости от режима (частоты вращения коленвала).
Характер изменения оптимального угла опережения впрыска топлива для стандартного и оптимизированного наддувом двигателей наглядно позволяет сравнить совместная характеристика (рис. 22).
Рис. 22. Изменение оптимального значения угла опережения впрыска топлива на обоих этапах оптимизации по этому параметру в зависимости от режима (частоты вращения коленвала).
Выполнив все расчёты и обработав результаты, можно формировать выводы и наблюдения, как общие, так и по каждому этапу оптимизации.
Мощность промоделированного двигателя при 2000 об/мин равна мощности прототипа на том же режиме, но при 2300 об/мин мощность прототипа падает, а мощность модели - растёт. Это расхождение объясняется применением регулятора, не учитываемого в расчётной модели.
После первичной оптимизации по углу опережения впрыска топлива:
· Эффективный расход топлива снизился в среднем на 10%, преимущественно на неноминальных режимах;
· Эффективная мощность возрасла незначительно, в среднем на 2%;
· Крутящий момент увеличился практически на всём диапазоне рабочей частоты вращения коленвала, средний рост составил 12%;
· С ростом оборотов оптимальный угол опережения впрыска топлива нелинейно падает, от -10 до -16 градусов.
После оптимизации применением управляемого наддува:
· Цикловая подача оптимизированного наддувом двигателя возрасла в 1.1 - 1.4 раза в зависимости от оборотов коленвала. Рост цикловой подачи с возрастанием оборотов продолжается до номинальной частоты, после чего сменяется спадом. Это объясняется тем, что до номинального режима давление наддува растёт линейно от 1 до 1.5 (по шкале степени повышения давления), а после частоты номинального режима - не меняется. При росте давления происходит рост количества воздуха, значит для поддержания постоянного коэффициента избытка воздуха необходимо увеличивать цикловую подачу. С прекращением роста давления температура воздуха продолжает расти, значит его количество падает, и цикловая подача тоже уменьшится (так как коэффициент избытка воздуха должен поддерживаться постоянным);
· Эффективный расход топлива ощутимо уменьшился на номинальных режимах, и незначительно возрос на оборотах холостого хода. Это уменьшение объясняется тем, что мощность возрасла сильнее, чем возросла цикловая подача и расход (неэффективный). Поэтому отношение этих величин (эффективный расход) уменьшилось;
· Эффективная мощность возрасла в среднем на 20%. Характер внешней характеристики оптимизированного наддувом двигателя таков, что до достижения номинального режима рост его мощности относительно мощности неоптимизированного по наддуву двигателя увеличивается с ростом оборотов, а после номинального - разница значений мощности постоянна. Это связано с тем, что после достижения номинальной частоты наддув увеличивает давление относительно атмосферного двигателя в постоянное число раз (1,5 раза);
· Крутящий момент на частоте, соответствующей его максимуму, возрос на 56%, на остальных режимах рост момента также значителен. Наибольшее увеличение величины момента происходит по мере увеличения давления наддува до частоты, соответствующей максимуму момента неоптимизированного двигателя, а после этого значения момент падает;
· Максимальное давление в цилиндре не превышет 11 МПа, значит применение наддува не повлечёт за собой повреждения поршневой группы двигателя, клапанов и головки блока цилиндров.
После вторичной оптимизации по углу опережения впрыска топлива:
· Эффективный расход топлива снизился, но крайне незначительно;
· Эффективная мощность не изменилась на большей части диапазона частоты вращения коленвала, и только на частотах свыше 1800 об/мин увеличелась на 1,5%;
· Крутящий момент незначительно увеличился во всём рабочем диапазоне;
· Характеристика оптимального угла опережения впрыска топлива сместилась по направлению роста частоты вращения коленвала после оптимизации управляемым наддувом, что стало очевидным только после вторичной оптимизации по углу опережения впрыска топлива.
Полученная совокупность результатов может быть скомпонована в краткое отражение интересующей ситуации, являющееся заключением данного исследования.
Расчёты показали, что наиболее эффективным способом повышения силовых характеристик двигателя является применение управляемого наддува. Тем не менее, такое решение накладывает ограничения на ресурс деталей двигателя, а также требует изменения конструкции двигателя, добавления компрессора. На этом фоне оптимизация двигателя по углу опережения впрыска топлива выглядит уместно, так как не требует серьёзных изменений конструкции, незначительно увеличивает нагрузку на основные детали двигателя, но и обеспечиваемое при этом увеличение мощности двигателя крайне незначительно.
Литература
1. Конструирование двигателей внутреннего сгорания: учебник для студентов высших учебных заведений / Н.Д. Чайнов, Н.А. Иващенко, А.Н. Краснокутский, Под ред. Н.Д. Чайнова. – М.: Машиностроение, 2008 – 495 с.: ил.
2. Дизели Д6 и Д12. Технические условия на капитальный ремонт. Книга 1. – М.: Машиностроение, 1990 – 160 с.: ил.
3. Колесное шасси МАЗ-543. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. – М.: Воениздат, 1973 – 467 с.: ил.
