Рабочий процесс судового двс с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия 05. 08. 05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Вид материала

Содержание

Научный руководитель
Горелкин Виктор Иванович
Общая характеристика работы
Объект исследования –
Методы исследования.
Достоверность и обоснованность работы
Научная новизна.
Практическая значимость.
Апробация работы.
1 патенте РФ на изобретение, 4
Основное содержание работы
В первой главе
Во второй главе
В третьей главе
В четвертой главе
В пятой главе
Основные результаты и выводы
Основные положения диссертации

Подобный материал:

На правах рукописи

ИСАЕВ Александр Павлович

рабочий процесс судового ДВС

с комбинированным смесеобразованием

и воспламенением от сжатия

05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань–2012 г.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» на кафедре «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дорохов Александр Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Славуцкий Виктор Михайлович

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

доктор технических наук, профессор

Горелкин Виктор Иванович

ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет»

Защита диссертации состоится «30» марта 2012 года в 14 ⁰⁰ на заседании диссертационного совета Д 307.001.07 в Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414025 г. Астрахань, ул. Татищева 16, ауд. 313 главного уч. корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета.

Автореферат разослан «______» февраля 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 414025 г. Астрахань, ул. Татищева, 16, ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет», кафедра «Судостроение и энергетические комплексы морской техники».

Тел./факс: 8(8512)614166;

e-mail: a.korablin@astu.org, dorokhovaf@rambler.ru, isaevalexx@yandex.ru.

У

чёный секретарь Диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.В. Кораблин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 – 25º 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована основная научная идея диссертационной работы.

В первой главе «Анализ способов организации рабочих процессов в ДВС» приведена общая характеристика проблемы в данной области исследований, представлен обзор и анализ современных и перспективных конструкций ДВС, традиционных и перспективных к применению в СМД конструкций камер сгорания и соответствующих им способов смесеобразования. Обобщены материалы по исследованию в области мирового двигателестроения, по термохимическим и термодинамическим основам процессов смесеобразования и сгорания в дизелях.

Проблема сгорания топлива при его самовоспламенении еще не решена должным образом: не найдено радикальных путей воздействия на процесс сгорания, чтобы, сохраняя высокую экономичность двигателя, получить желаемый закон нарастания давления во времени. Дизели вынуждены работать при высоких значениях коэффициента избытка воздуха, с большим углом опережения впрыска топлива. Различные типы КС и соответствующие им способы смесеобразования, имеющие характерные достоинства и недостатки, находят применение в ограниченном диапазоне изменения размеров цилиндров двигателя.

Смесеобразование начинается практически в момент начала впрыскивания топлива. Развитие и совершенствование смесеобразования определяются характеристиками впрыскивания и распыливания, скоростями движения заряда в КС, свойствами топлива и заряда, формой, размерами и температурами поверхностей КС, расположением впрыскиваемых струй относительно поверхностей КС и взаимным направлением движения топливных струй и заряда. Качественное регулирование мощности изменением только цикловой подачи топлива при неизменном количестве воздуха делает сгорание более быстрым и полным. Соответственно сокращается фаза диффузионного догорания. Усиление с ростом частоты вращения КВ турбулизации заряда вызывает сокращение длительности задержек самовоспламенения, не пропорциональное увеличению скоростного режима двигателя. Длительности задержек (в градусах поворота коленчатого вала) существенно увеличиваются с ростом частоты вращения КВ в дизелях с открытыми КС; в дизелях с вихревыми КС это проявляется несколько слабее.

Улучшения параметров и характеристик судовых двигателей осуществлены посредством непринципиальных, с точки зрения термодинамики, конструктивных усовершенствований, таких как повышение степени наддува, электронное управление впрыском топлива и т. п., а также за счёт применения новых конструкционных материалов, повышения качества топлив и масел, совершенствования технологии механической обработки деталей и сборки двигателей.

В этой связи является актуальной необходимость поисковых работ по улучшению технико-экономических показателей судовых малоразмерных дизелей путем применения обоснованных с точки зрения термодинамики процессов сгорания топлива усовершенствований и нововведений. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Теоретическое и расчетное исследование принципа комбинированного смесеобразования» представлен детальный анализ достоинств и недостатков существующих в данной области исследований разработок. Представлено обоснование применения принципа комбинированного смесеобразования в СМД. Обосновано использование предложенного способа смесеобразования при паспортной степени сжатия ε двигателя.

Разработка принципа комбинированного смесеобразования направлена на совершенствование параметров работы двигателя без существенных конструктивных изменений базовой модели.

Для достижения поставленной цели необходимо осуществить введение во всасывающий тракт двигателя топлива перед открытием впускного клапана, с воспламенением рабочей смеси от сжатия. Причем необходимо откорректировать процентное соотношение между количеством топлива, подаваемого на стадии внешнего смесеобразования и на основной стадии.

В этой связи можно предложить следующий алгоритм осуществления принципа комбинированного смесеобразования (блок-схема на рисунке 1).

Существуют зависимости по результатам работ Кушуля В.М.:



_е = ₀[_t – 0,024( + 8,5)(1 – _м)], (1)

где h_t – термический КПД цикла, рассчитываемый для цикла Тринклера-Сабатэ;  – коэффициент избытка воздуха;  – степень сжатия; ₀ – коэффициент, учитывающий неполноту сгорания топлива и скругление индикаторной диаграммы; _м – механический КПД.

В ходе анализа выражения (1), получены графики зависимости эффективного КПД рабочего цикла от α и ε (рисунок 2). Из графиков видно, что максимальных значений η_е достигает при значении α = 1, а оптимальный диапазон значений ε при α = 1 находится в пределах 15 ÷ 20. В связи с этим рациональным представляется при проектировании новых двигателей (при стремлении обеспечить работу двигателя при α = 1) использовать нижний предел указанного диапазона. Однако при модернизации серийно выпускаемых двигателей разработка принципа комбинированного смесеобразования должна быть направлена на совершенствование параметров работы двигателя без существенных конструктивных изменений базовой модели. Рационально использовать паспортную степень сжатия.

В результате анализа была получена экстраполяционная зависимость минимально необходимого коэффициента избытка воздуха (Т), исключающего преждевременное самовоспламенение:

(2)

Произведенный анализ параметров процесса сжатия при выбранной степени сжатия показал, что необходимо обеднить топливовоздушную смесь на такте сжатия во избежание преждевременного ее самовоспламенения с обеспечением коэффициента избытка воздуха на стадии внешнего смесеобразования α = 5 (рисунок 3).

Было определено процентное соотношение цикловых подач топлива для ε = 17 на стадиях внешнего и внутреннего смесеобразования g_доп.ф. = 20 %, g_осн.ф. = 80 % (где g_{доп. ф.} – подаваемая на стадии внешнего смесеобразования доля полной цикловой подачи топлива, соответствующей коэффициенту избытка воздуха α = 1,0 ÷ 1,1; g_{осн. ф.} – подаваемая на стадии внутреннего смесеобразования доля полной цикловой подачи топлива, соответствующей коэффициенту избытка воздуха α = 1,0 ÷ 1,1.).

Рисунок 2 – Зависимость эффективного КПД от  и 

Рисунок 3 – Зависимость (Т)

При реализации предлагаемого способа смесеобразования время, отводимое на смесеобразование и физико-химическую подготовку подаваемой на стадии внешнего смесеобразования части топлива, увеличивается более чем в 20 раз. К моменту подачи основной порции топлива в цилиндре образуется гомогенная топливовоздушная смесь (ТВС). Основная порция топлива сгорает со значительно меньшим периодом задержки самовоспламенения.

Ожидается снижение максимального давления сгорания за счет снижения скорости нарастания давления при сгорании. Снижение скорости нарастания давления будет достигаться за счет того, что основная доля топлива попадает в гомогенную, хорошо подготовленную к сгоранию ТВС, обогащая образовавшуюся смесь вновь впрыснутым топливом, которое, попадая в уже возникшие очаги воспламенения, испаряется, смешивается с избыточным воздухом и сгорает по мере поступления.

Известно, что при уменьшении размеров цилиндра и, соответственно, рабочего объема цилиндра, показатель политропы сжатия снижается. При повышении частоты вращения КВ двигателя показатель политропы сжатия n₁ увеличивается. Однако в нашем случае данные две причины изменения n₁ можно исключить, т.к. размеры деталей ЦПГ и частотный режим работы двигателя с комбинированным смесеобразованием остаются неизменными по отношению к базовой модели. Эффективная мощность двигателя с комбинированным смесеобразованием ожидается большей, чем у дизельного двигателя, в связи с увеличением общей цикловой подачи топлива. Учитывая это, n₁ в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием ожидается большим, чем в дизельном цикле.

Математическую интерпретацию ожидаемых изменений представим в виде анализа формулы для определения полезной работы цикла дизельного двигателя и двигателя с комбинированным смесеобразованием, работа которого может быть описана циклом со смешанным подводом теплоты.

, (3)

где μc_v – мольная изохорная теплоемкость; Т₀ – начальная температура цикла; ε – степень сжатия; λ – степень повышения давления при сгорании; ρ – степень предварительного расширения; k – показатель адиабаты.

Анализ выражения (3) с учетом изменения основных величин при применении принципа комбинированного смесеобразования показывает, что основное влияние на полезную работу цикла оказывают величины μc_v и k. В итоге полезная работа цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием оказывается больше работы цикла дизельного двигателя.

Данный вывод можно сделать и на основании анализа циклов дизельного двигателя и двигателя с комбинированным смесеобразованием, изображенных в осях T–s (рисунок 4).

Цикл дизельного двигателя aczz'b представлен со смешанным подводом теплоты. Цикл двигателя с комбинированным смесеобразованием (ДКС) – ac₁z₁z₁'b₁. При этом соответствующие им подведенные теплоты q₁^диз и q₁^ДКС – представлены площадями 1czz'2 и 1c₁z₁z₁'3 соответственно. Увеличение q₁^ДКС по сравнению с q₁^диз обусловлено повышением цикловой подачи топлива до значения, соответствующего α = 1,1. Форма процесса ас₁ обусловлена большим показателем политропы n₁. Процесс с₁z₁ при ожидаемом снижении скорости нарастания давления по углу поворота КВ (пкв) происходит до некоторого максимального значения давления в цилиндре. При этом р_комб<р_диз. Процесс изобарного подвода теплоты z₁z₁' по углу пкв будет несколько затянут по сравнению с дизельным циклом. Рост отводимой теплоты (площадь 2bb₁3) в цикле ДКС обусловлен более высокими параметрами рабочего тела в конце процесса расширения. В связи с этим прирост полезно используемой теплоты, а, следовательно, и полезной работы, цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием обеспечивается полезной площадью 4z₁'b₁b.

Эффективная мощность двигателя с комбинированным смесеобразованием ожидается большей, чем у дизельного двигателя, т.к. увеличивается цикловая подача топлива, которая будет соответствовать α = 1,05 ÷ 1,1.

Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать ожидаемые изменения в форме индикаторной диаграммы двигателя с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия. Ожидаемые изменения представлены на рисунке 5.

Рисунок 4 – Циклы двигателей в осях Т–s

Рисунок 5 – Ожидаемые изменения в форме индикаторной диаграммы

В итоге было предложено модернизировать способ организации рабочего процесса с использованием принципа комбинированного смесеобразования, предложенный ранее.

В ходе теоретических исследований был проведен патентный поиск, который показал, что разрабатываемый способ организации смесеобразования предложен впервые, что позволило получить патент РФ на изобретение.

В третьей главе «Экспериментальная установка, результаты экспериментальных исследований» описаны разработка, изготовление и монтаж экспериментальной лабораторной установки для комплексных экспериментальных исследований ДКС на базе судового малоразмерного высокооборотного дизеля 2Ч9,5/11. Разработана методика и алгоритм проведения экспериментальных исследований ДКС при двух типах камер сгорания, в связи с тем, что завод-производитель базовой модели выпускает дизели в вихрекамерном исполнении, а также с камерой сгорания в поршне. Представлены результаты проведения испытаний, а также методика их обработки. Разработано и изготовлено устройство для осуществления комбинированного смесеобразования, представленное на рисунке 6, которое работает следующим образом.

Перед открытием впускного клапана в смесительную камеру 5 подают часть топлива, в объёме 20% от полной цикловой подачи, соответствующей α = 1,05÷1,1, посредством дополнительной штатной штифтовой или многодырчатой форсунки 6, установленной на смесительной камере таким образом, чтобы топливный факел был направлен по направлению потока всасываемого двигателем воздуха, с помощью дополнительной секции 7 ТНВД. В соответствии с алгоритмом осуществления принципа комбинированного смесеобразования (см. рисунок 1) в смесительной камере при этом образуется эмульгированная ТВС, происходит ее гомогенизация. В

процессе наполнения (наряду с продолжающимся процессом гомогенизации) происходит испарение капель топлива. В процессе сжатия происходят интенсивное испарения топлива в составе обедненной ТВС, более равномерное пространственно-временное распределение молекул топлива в камере сжатия, разрыв межмолекулярных связей, активация молекул топлива. В конце такта сжатия в камеру сгорания через форсунку 2, расположенную в головке цилиндра 1 и связанную с основной секцией 3 ТНВД, впрыскивают основную часть топлива, объёмом 80% от общего объема цикловой подачи. При этом происходит обогащение уже образовавшейся гомогенной смеси вследствие добавки вновь впрыснутого топлива, которое, попадая в уже возникшие очаги воспламенения, испаряется, смешивается с избыточным воздухом и сгорает.

Для обеспечения комбинированного смесеобразования на базовом двигателе был смонтирован четырехплунжерный ТНВД, используемый на двигателях 4Ч8,5/11 и 4Ч9,5/11. Фазы опережения подачи топлива секциями ТНВД подобраны таким образом, что дополнительные секции подают топливо на дополнительную форсунку за 6º пкв до начала открытия впускного клапана в соответствующем цилиндре.

Д

ля исследования внутрицилиндровых процессов был выбран современный метод индицирования с использованием датчиков динамического давления (ДДД). Выбрано оборудование производства компании ООО «ГлобалТест». Сигнал, вырабатываемый ДДД регистрируется в канале СН1 осциллографа PCSU1000. Сигнал, вырабатываемый отметчиком ВМТ, регистрируется в канале СН2 осциллографа. Оба сигнала синхронно отображаются в окне программного продукта PCLab2000 (рисунок 7). Для обеспечения доступа ДДД в КС двигателя разработаны способы установки ДДД в вихревую и КС в поршне.

В результате индицирования цилиндров двигателя получены развернутые индикаторные диаграммы всех четырех видов организации рабочего процесса. Моторные испытания двигателей производились по нагрузочным и винтовым характеристикам. Результаты измерений, произведенных в ходе экспериментальных исследований, отражены в протоколах испытаний, проведенных под надзором Нижне-Волжского филиала РРР.

В четвертой главе «Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований» произведены анализ и сопоставление эффективных и индикаторных показателей работы дизелей и ДКС. Обработка полученных результатов производится с целью определения статей теплового баланса, эффективных и индикаторных показателей.

Из таблицы 1 видно, что ДКС развивает в среднем на 10% большую мощность по сравнению с прототипом, что обусловлено лучшей организацией смесеобразования. Поскольку рабочие объемы двигателей не изменялись, выигрыш в удельной мощности также составляет в среднем 10%.

Основные параметры работы двигателей на номинальном режиме приведены в таблице 1.

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 р_е и р_i должно быть пропорционально изменению N_е и N_i. Из таблицы 1 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. таблицу 1). Такое различие в частотах вращения непринципиально с точки зрения установленного режима, поскольку Руководства по теплотехническому контролю серийных судов и судовых ДВС допускают для высокооборотных судовых дизелей Δn 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. Рост частоты вращения снижает относительное увеличение давлений.

Таблица 1 – Основные параметры работы двигателей

Параметр	Вихревая КС		Δ, %	КС в поршне		Δ, %
Параметр	Дизель	ДКС	Δ, %	Дизель	ДКС	Δ, %
Эффективная мощность, N_e, кВт	10,50	11,6	+10,5	10,48	11,56	+10,3
Индикаторная мощность, N_i, кВт	14,51	15,75	+8,55	15,09	15,58	+3,25
Мощность механических потерь, N_м, кВт	4,02	4,15	+3,23	4,61	3,33	-27,8
Среднее эффективное давление, р_е, МПа	0,542	0,587	+8,30	0,543	0,593	+9,21
Среднее индикаторное давление, р_i, МПа	0,749	0,797	+6,41	0,782	0,799	+2,17
Максимальное давление сгорания, р_z, МПа	6,753	5,652	-16,3	7,39	7,35	-0,54
Давление в конце сжатия, р_с, МПа	3,727	3,782	+1,48	4,277	7,35	+30,7
Удельный эффективный расход топлива, g_е, кг/(кВт·ч)	0,240	0,233	-2,92	0,222	0,219	-1,35
Эффективный КПД, η_е	0,358	0,369	+3,07	0,388	0,393	+1,29
Индикаторный КПД, η_i	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, η_м	0,723	0,737	+1,94	0,695	0,776	+6,76
Частота вращения КВ, n, об/мин	1490	1520	–	1483	1520	–

Снижение максимального давления сгорания в двигателе с вихревой камерой сгорания вызвано уменьшением скорости нарастания давления.

В двигателе с КС в поршне точки конца процесса сжатия и максимального давления сгорания совпадают по времени, что говорит о том, что в данном рабочем цикле полностью исключена задержка самовоспламенения.

Удельный эффективный расход топлива ДКС при вихревой камере сгорания уменьшился на 2,92%, а при камере сгорания в поршне – на 1,35%. Кроме того, отмечается снижение α, что является положительной тенденцией применения комбинированного смесеобразования.

Свернутые индикаторные диаграммы двигателей с вихревой КС представлены на рисунке 8, развернутые – на рисунке 9.

В связи с возросшим мощностным режимом работы ДКС при вихревой КС по отношению к дизелю, в первой половине такта сжатия отмечается возрастание n₁ цикла ДКС (см. рисунок 8). Объясняется это тем, что происходит увеличение температуры стенок цилиндра, и, следовательно, снижается интенсивность теплообмена между сжимаемым зарядом и стенками. Рост n₁ на данном участке замедляют продолжающиеся процессы испарения топлива в составе обедненной ТВС. Это различие особенно заметно в третьей четверти процесса сжатия.

Примерно за 40 ÷ 45ºпкв до ВМТ в цикле ДКС отмечается резкое возрастание давления, вследствие, увеличения n₁. Это обстоятельство вызвано тем, что большинство капель топлива в ТВС уже испарилось, и в КС имеется парообразное состояние распыленного на стадии внешнего смесеобразования топлива. И предпламенные окислительные процессы, идущие с выделением теплоты, интенсифицируют рост n₁.

Рисунок 8 – Свернутые индикаторные двигателей с вихревой КС

Рисунок 9 – Участки индикаторных диаграмм двигателей с вихревой КС

Давление в конце процесса сжатия у двигателей практически одинаково.

Процесс сгорания в цикле ДКС имеет два ярко выраженных участка:

участок c–z₁ – смешанный подвод теплоты, характерный для цикла Тринклера-Сабатэ;
участок z₁–z₂ – изобарный подвод теплоты, характерный для цикла Дизеля.

Это вызвано тем, что применение комбинированного смесеобразования позволило уменьшить период задержки самовоспламенения (см. рисунок 9), 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 9.

Форма политропы расширения цикла ДКС позволяет предположить, что показатель политропы n₂ расширения снизился в сравнении с дизельным циклом. Снижение n₂ в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием вызвано сокращением периода догорания на линии расширения. Как показано на рисунке 9, длительность периода догорания на линии расширения в цикле дизельного двигателя составляет 30÷35ºпкв, в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием после процесса изобарного сгорания период догорания практически незаметен (~ 10ºпкв).

Это вызвано тем, что практически все топливо в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием сгорело на линиях в первых трех фазах сгорания. В связи с этим уменьшается наклон линии расширения на данном участке, поэтому давления в конце процесса расширения практически одинаковы.

Индикаторная диаграмма дизеля с КС в поршне имеет характерную для высокооборотных дизелей с КС в поршне форму (рисунок 10).

Рисунок 10 – Свернутые индикаторные диаграммы двигателей с камерой сгорания в поршне

При сравнении форм политроп сжатия видно, что в цикле ДКС произошло изменение n₁ по отношению к дизельному циклу, более выраженное, чем в вихрекамерной модели двигателя.

В первой половине процесса сжатия так же, как и в вихрекамерной модели, заметно увеличение n₁ в цикле ДКС в связи с бóльшей мощностью ДКС. Замедление нарастания давления в третьей четверти политропы сжатия объясняется наличием распыленного топлива в сжимаемом заряде.

Далее рост n₁ в цикле ДКС при КС в поршне более выражен, чем в вихрекамерной модели. Это объясняется особенностями работы двигателей с КС в поршне, а также бóльшим по сравнению с вихрекамерной моделью углом опережения подачи топлива основной форсункой. Кроме того, это обстоятельство вызвано тем, что двигатель с КС в поршне имеет меньшую относительную площадь охлаждения КС по сравнению с вихревой камерой, что приводит к увеличению среднего показателя политропы сжатия.

В цикле ДКС отсутствует задержка самовоспламенения (рисунок 11), и точка c₁ совпадает с точкой z₁ по времени. Таким образом, можно предположить, что сжатие рабочей смеси происходит до момента впрыска топлива основной форсункой. С момента впрыска топлива до точки z₁ происходит подвод теплоты при уменьшающемся объеме цилиндра. Вероятно, это связано с большим углом опережения подачи топлива.

Форма политропы расширения цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием позволяет говорить о том, что показатель политропы на первой трети процесса расширения снизился в сравнении с дизельным циклом. Данное снижение вызвано сокращением периода догорания на линии расширения в цикле двигателя с комбинированным смесеобразованием (10ºпкв) по сравнению с дизельным циклом (25÷30ºпкв), что видно из рисунка 11.

Вторичное повышение давления при сгорании (см. рисунок 11) может быть объяснено особенностями работы ДКС при КС в поршне, а также погрешностью метода индицирования в связи с конструкционными особенностями индикаторного канала в головке цилиндров, т.е. в связи с превышением резонансных колебаний газовых волн в индикаторном канале.

Рисунок 11 – Участки индикаторных диаграмм двигателей с КС в поршне

Снижение показателя политропы на второй трети процесса расширения в цикле ДКС более заметно, чем в дизельном цикле. Политропа расширения в цикле ДКС смещена в сторону ВМТ относительно политропы расширения в цикле дизеля. При этом средний для этого участка индикаторной диаграммы показатель политропы в цикле ДКС меньше, чем в цикле дизельного двигателя. Давления в конце процесса расширения практически одинаковы.

Для оценки погрешности метода индицирования произведено сравнение результатов обработки свернутых индикаторных диаграмм и результатов проведения циклов экспериментальных исследований, которое показало, что расхождение результатов не превышает 5 %.

В пятой главе «Расчетная модель определения показателей рабочего цикла ДКС» произведен анализ существующих методов расчета показателей рабочего цикла ДВС, произведены расчеты для ДКС с вихревой камерой и камерой сгорания в поршне.

При сравнении расчетных и экспериментальных значений показателей работы ДКС с вихревой КС сделаны следующие выводы:

– расхождение в значениях N_е, N_i, р_е, р_i в пределах допустимой при расчетах погрешности в 10 ÷ 12 %, однако больше инженерной погрешности (5%), используемой в качестве эталона при проектировании;

– существенное расхождение в значениях удельного эффективного расхода топлива объясняется несколькими положениями: во-первых, в использованной методике расчета значение данного параметра зависит лишь от параметров процесса наполнения; во-вторых, методика не в состояние учесть условия работы и состояние топливной аппаратуры двигателя, в частности, большое влияние оказывает принцип управления топливной аппаратурой всережимного регулятора; в-третьих, на величину удельного расхода топлива в расчетной методике оказывает влияние значение α, причем при расчетах использовались два его значения α_н и α общее. Однако обе величины взяты по результатам эксперимента, кроме того значение α_н значительно завышено по сравнению с теоретически обоснованным;

– расхождение в величинах р_z вполне приемлемо, поскольку применялось значение λ, снятое с экспериментальной индикаторной диаграммы, а величины давлений в процессах наполнения и сжатия рассчитаны с минимальной долей погрешности с применением всех необходимых показателей, контролируемых при проведении эксперимента;

– расхождения в значениях η_i и η_e объясняются завышенными значениями g_i и g_e. Значение η_м принято по результатам эксперимента.

– вызывают сомнения высокие значения температурных показателей цикла Т_с и Т_z. Температура в конце сжатия в цилиндре дизеля ~ 630 ÷ 650 К. При расчете имеем значение Т_с = 906 К. В двигателе с комбинированным смесеобразованием сжимается обедненная ТВС. Наличие топлива в процессе сжатия хоть и учитывается в методике расчета в формулах для определения средней мольной изохорной теплоемкости смеси на линии сжатия, но явно недостаточно. С ростом температуры в процессе сжатия теплоемкость паров топлива непрерывно растет, и топливо отбирает энергию от сжимаемого заряда, снижая его температуру. Величина Т_z в пределах допустимых значений, и может быть объяснена увеличенной цикловой подачей топлива (соответствующим ей снижением α). В этой связи рекомендуется введение поправочных коэффициентов, учитывающих тип КС и теплоотвод от сжимаемого заряда к парам топлива и к стенкам цилиндра. Однако для определения указанных коэффициентов необходимо проведение дополнительных исследований, выпадающих за рамки представленного.

При сравнении экспериментальных и расчетных величины параметров работы ДКС с КС в поршне сделаны следующие выводы:

– расчетная мощность ДКС больше экспериментальной на 6,27 %, что дает нам возможность говорить о том, что при лучшей организации рабочего процесса данный двигатель должен иметь номинальную мощность ~ 12,5 кВт, подобный вывод можно сделать, анализируя величины среднего эффективного давления;

– расчетное значение удельного эффективного расхода топлива идеализировано (занижено) примененной методикой расчета;

– расчетные значения эффективного, индикаторного и механического КПД выше экспериментальных значений, что также говорит об идеализации РЦ примененной методикой;

– равенство (Δ = 0,64 %) значений механического КПД говорит о действенности применения метода часовых расхода топлива для определения механического КПД;

– завышенные расчетные значения индикаторного и эффективного КПД также идеализированы в связи с низким значением g_е.

Для проверки действенности принятых допущений построена расчетная индикаторная диаграмма ДКС и КС в поршне на основе проведенного теплового расчета. Расхождение в величине площадей экспериментальной и расчетной индикаторных диаграмм не превышает 5 %.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполненного исследования предложен способ организации рабочего процесса СМД с комбинированным смесеобразованием и разработана конструкция для его осуществления.

На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие обобщающие выводы:

– анализ конструкций и способов организации рабочих процессов в ДВС позволил разработать способ работы дизеля с комбинированным смесеобразованием и устройство для его осуществления и защитить его патентом РФ на изобретение;

– реализация предложенного способа смесеобразования позволяет осуществлять рабочий процесс со сниженными значениями коэффициента избытка воздуха за счёт предварительной организации хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии внешнего смесеобразования, что дает возможность улучшить массогабаритные показатели двигателя и снизить максимальные значения давлений и температур рабочего цикла, чем обеспечивается повышение надёжности и работоспособности двигателя. Высококачественная рабочая смесь, полученная в цилиндре за счёт комбинированного смесеобразования, её быстрое воспламенение и эффективное сгорание обеспечивают высокую полноту сгорания топлива, что дает хорошую топливную экономичность и низкую токсичность отработавших продуктов сгорания;

– в результате проведенных экспериментальных исследований выявлено, что ДКС развивает в среднем на 10% большую мощность по сравнению с прототипом, что обусловлено лучшей организацией смесеобразования. Поскольку рабочие объемы двигателей не изменялись, выигрыш в удельной мощности также составляет в среднем 10%. 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;

– в двигателе с вихревой КС заметно снизилось максимальное давление сгорания (на 16,3 %). 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 ДКС при вихревой КС уменьшился на 2,92%, а при КС в поршне – на 1,35%. Кроме того, отмечается снижение α, что является положительной тенденцией применения комбинированного смесеобразования;

– проведенное расчетно-аналитическое исследование показателей работы ДКС и двумя типами КС показало, что использованная модель расчета не позволяет учесть все реалии процессов, протекающих внутри цилиндра двигателя, и особенности РЦ ДКС. Необходимы дополнительные экспериментальные исследования с целью определения эмпирических поправочных коэффициентов. Однако по основным показателям работы разработанная методика показала неплохую сходимость расчетных и экспериментальных данных (в пределах 10 ÷ 12 %);

– результаты проведенных исследований внедрены в научную работу Отдела физико-технических проблем машиноведения Института физики Дагестанского научного центра Российской Академии Наук, Лаборатории проблем моторной энергетики Астраханского государственного технического университета по исследованию и оптимизации рабочих процессов и конструкций судовых ДВС; положены в основу создания опытного образца ДКС; внедрены в учебный процесс при изучении специальных дисциплин студентами специальностей 180103.65 «Судовые энергетические установки» и 180403.65 «Эксплуатация судовых энергетических установок» в АГТУ и в виде экспериментальной лабораторной установки в лаборатории тепловых двигателей АГТУ при проведении лабораторных практикумов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

По перечню изданий, рекомендуемых ВАК РФ

Дорохов А.Ф., Каргин С.А., Исаев А.П. Расчетный и экспериментальный анализ показателей рабочего процесса для различных способов организации рабочего процесса в ДВС / А.Ф. Дорохов, С.А. Каргин, А.П. Исаев // Вестник АГТУ.– Астрахань: Издательство АГТУ, 2006.– № 2 (31).– с. 196 – 201.
Дорохов А.Ф., Каргин С.А., Исаев А.П. Анализ показателей рабочего цикла, полученных расчетным и экспериментальным путем, при различных способах организации рабочего процесса в ДВС / А.Ф. Дорохов, С.А. Каргин, А.П. Исаев // Вестник машиностроения, 2007. – № 2, с. 11 – 17.
Исаев А.П., Климова Е.В., Колосов К.К. Направления повышения технического уровня судовых энергетических установок / А.П. Исаев, Е.В. Климова, К.К. Колосов // Вестник Астраханского гос. техн. ун-та. Морская техника и технология. – 2009. – № 1. – С.199–202.
Исаев А.П., Колосов К.К., Каргин С.А. Анализ методов расчета показателей рабочего цикла судовых ДВС / А.П. Исаев, К.К. Колосов, С.А. Каргин // Вестник АГТУ, серия «Морская техника и технология».– Астрахань: Издательство АГТУ, 2009.– № 1.– с. 193-198.
Т.И. Искендерли, С.А. Каргин, А.П. Исаев Разработка методики расчета показателей рабочего цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия/ Искендерли Т.И., Каргин С.А., Исаев А.П.// Научно-технический вестник Поволжья. №1 2011г. – Казань: Научно- технический вестник Поволжья, 2011. – с. 109 – 112.
Исаев А.П. Разработка и исследование принципа комбинированного смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания/ А.П. Исаев// Вестник АГТУ. Серия Морская техника и технологии..– Астрахань: Издательство АГТУ, 2011.– № 2.– с. 74 – 83.
С.А. Каргин, А.П. Исаев, Т. Искендерли Разработка методики расчета показателей рабочего цикла двигателя с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия/ Каргин С.А., Исаев А.П., Искендерли Т.// Вестник АГТУ. Серия Морская техника и технологии..– Астрахань: Издательство АГТУ, 2011.– № 2.– с. 91 – 97.
А.П. Исаев Исследование рабочего цикла судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия/ Исаев А.П. // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки». Выпуск 3. – Волгоград: Изд-во ВолГТУ, 2011. – № 8 (81). – с. 51 – 54.
С.А. Каргин, А.П. Исаев, Т.И. Искендерли Разработка методики расчета показателей рабочего цикла дизелей при различных способах смесеобразования / Каргин С.А., Исаев А.П., Искендерли Т.И.// Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки». Выпуск 3. – Волгоград: Изд-во ВолГТУ, 2011. – № 8 (81). – с. 69 – 72.

Другие работы

Дорохов А.Ф., Каргин С.А., Исаев А.П. Экспериментальный анализ показателей рабочего цикла при различных способах организации рабочего процесса судовых ДВС/А.Ф. Дорохов, С.А. Каргин, А.П. Исаев//Региональная НПК «Конструкторское и технологическое обеспечение надежности машин». Материалы научно-практической конференции./ Дагестанский гос. тех. ун-т- Махачкала: Издательство ДГТУ, 2006. – С.135-139.
Дорохов А.Ф., Каргин С.А., Исаев А.П. Расчетный и экспериментальный анализ показателей рабочего цикла при различных способах организации рабочего процесса в ДВС / А.Ф. Дорохов, С.А. Каргин, А.П. Исаев // IV Международная НТК «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств». Материалы научно-технической конференции. – Пенза: АДИ ПГУАС, 2006. с. 111 – 116.
Исаев А.П., Сатжанов Б.С. Особенности организации рабочего процесса в судовых высокооборотных дизелях / А.П. Исаев, Б.С. Сатжанов // Проблемы управления качеством в машиностроении: Материалы Всерос. научно-практической конференции. – Махачкала: Изд-во ДГТУ, 2007. – с. 148-151.
Дорохов А.Ф., Исаев А.П. Применение фундаментальных принципов теории колебаний и тепломассообмена в решении задач испарения топлива / А.Ф. Дорохов, А.П. Исаев // Международный научный семинар «Перспективы использования результатов фундаментальных научных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России», г. Астрахань, 3-5 октября 2008 г.: сб. материалов / Под ред. А.Ф. Дорохова; Астрахан. гос. техн. ун-т. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 2009. – с. 83-87.
Исаев А.П., Каргин С.А. Метод индицирования малоразмерных дизелей/А.П. Исаев, С.А Каргин//Материалы международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем», 13-15 октября 2009г., г. Волгоград. Ч. 1/ Волгоград. гос. техн. ун-т; редкол.: М.В. Ляшенко (отв. ред.) [и др.]. – Волгоград: Изд-во ВолГТУ, 2009. – с. 261-262.
Дорохов А.Ф., Каргин С.А., Исаев А.П., Колосов К.К., Климова Е.В., Шахов В.В., Дорохов П.А. Исследование, разработка и научное обоснование принципа комбинированного смесеобразования в двигателях внутреннего сгорания// Отчет о НИР (заключительный за 2010 г., грант РФФИ № 08-08-00105а), руководитель А.Ф. Дорохов. № Госрегистрации 01200906068, Инв. № 02201154666 – Астрахань, 2011. – 113 с.
Дорохов А.Ф., Исаев А.П., Колосов К.К., Малютин Е.А. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, устройство для осуществления комбинированного смесеобразования// Патент РФ № 2388916 С2; МПК F02В 19/18 Заявл. 10.06.2008 г. Опубл. 10.05.2010 г. Бюл. № 13

__________________________________________________________

Подписано в печать 21.02.2012 г. Тираж 100 экз. Заказ № 139

Типография ФГБОУ ВПО «АГТУ», тел. 61–45–23

г. Астрахань, Татищева 16ж.

Blog

Содержание