Использование показателя политропы процесса расширения газов в цилиндре судового дизеля в качестве диагностического параметра

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.43.01

Использование показателя политропы процесса расширения газов в цилиндре судового дизеля в качестве диагностического параметра

А.А.Обозов

Энергетическое машиностроение

Аннотация

политропы газ судовой дизель

Приведены результаты исследования показателя политропы процесса расширения газов в цилиндре судового малооборотного дизеля 6S50MC-C. Предложено характеристику, отображающую зависимость показателя политропы от угла поворота коленчатого вала, использовать для решения задач контроля процесса сгорания в цилиндрах и диагностирования технического состояния топливной аппаратуры дизеля.

Ключевые слова: судовой малооборотный дизель, индикаторный процесс, показатель политропы, процесс расширения газов, техническое диагностирование.

 Из курса термодинамики известно, что показатель политропы является важнейшей характеристикой термодинамических процессов. Показатель политропы определяет соотношение между совершаемой рабочим телом механической работой и количественными характеристиками процесса теплообмена и связывает между собой параметры давления и объема рабочего тела закономерностью вида

, (1)

где p - давление рабочего тела; V - объем рабочего тела; n _pol - показатель политропы термодинамического процесса.

Уравнение вида (1) широко используется для описания термодинамических процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания. В вышедших ранее публикациях [1-3] освещались преимущественно вопросы представления в виде политропического (при n _pol= var) процесса сжатия рабочего тела в цилиндре судового малооборотного дизеля. В настоящей статье приводятся результаты исследований по описанию зависимостью вида (1) (при n _pol= var) процесса расширения рабочего тела в цилиндре судового малооборотного дизеля. При этом обращается внимание на то, что в процессе расширения происходит теплоподвод к рабочему телу, вызванный сгоранием впрыскиваемого в цилиндр топлива.

Исследуемый дизель (тип 6S50MC-C) имеет следующие характеристики:

Спецификационная максимальная длительная мощность (СМДМ) ……. 9480 кВт

Частота вращения коленчатого вала при СМДМ …………… 127 мин^-1

Число цилиндров ………………………………………………………… 6

Диаметр цилиндров ……………………………………………… 0,5 м

Ход поршня …………………………………………………………. 2,0 м

Удельный эффективный расход топлива при СМДМ (приведенный) ….. 171 г/(кВт^.ч)

Среднее индикаторное давление цикла при СМДМ ………… 20,3 бар

На рис.1 показан фрагмент индикаторного процесса, происходящего в цилиндре дизеля (приведен режим номинальной мощности - 100%СМДМ). Основными характеристиками приведенного на рисунке процесса расширения являются следующие параметры:

- давление в конце процесса сжатия p_comp = 131 бар;

- максимальное давление сгорания p _max = 151 бар;

- угол, соответствующий моменту, когда p=p_max , ц _pmax= 10,5 ^оПКВ;

- угол открытия выпускного клапана (угол начала истечения газов из цилиндра) ц_вып = 112 ^оПКВ.

Рис.1. Индикаторный процесс судового малооборотного дизеля 6S50MC-C (показан фрагмент процесса, соответствующий Фазе расширения рабочего тела)

Для исследования процесса расширения отобразим его в логарифмических координатах

lg V_ц- lg p_ц (рис.2).

Известно, что показатель политропы процесса равен тангенсу угла наклона кривой lg p_ц=f(lg V_ц), взятому с противоположным знаком. Таким образом, функцию, описывающую изменение показателя политропы, можно получить, продифференцировав функцию lg p_ц=f(lg V_ц), т.е. найти n_pol = - (lg p_ц). Наибольший интерес с точки зрения анализа процесса расширения представляет та фаза процесса (0…60 ^оПКВ), в течение которой происходит сгорание топлива (активное тепловыделение). Аппроксимируем данную фазу полиномом 6-й степени:

lg p_ц = (-2,59249E+01) lg V⁶ + (-1,77198E+02) lg V⁵ + (-4,99824E+02)lg V⁴ + (-7,43697E+02) lg V³ +(-6,15263E+02) lg V² +(- 2,69535E+02) lg V+(-4,76846E+01).

О достаточно высоком качестве аппроксимации свидетельствует оценка коэффициента детерминации (R²=0,9986). Полиномы более низких степеней дают менее качественную аппроксимацию. После дифференцирования приведенной зависимости и изменения знака получаем

n _pol = (1,55549E+02) lg V⁵ + (8,85988E+02) lg V⁴ + (1,99929E+03) lg V³ + (2,23108E+03) lg V² + (1,23052E+03) lg V + (2,69535E+02).

Следует отметить, что фаза расширения, при которой отсутствует тепловыделение (60…90^оПКВ), качественно аппроксимируется полиномом 1-й степени:

lg p_ц = -1,3062 lgV+ 0,4423 при R² = 0,9999.

Соответственно на данной фазе расширения рабочего тела имеем n_pol =1,3062=invar.

Рис.2. Отображение индикаторного процесса судового дизеля в логарифмических координатах (показан фрагмент индикаторного процесса, соответствующий фазе расширения рабочего тела)

Приведенные уравнения позволяют, выполнив дополни-тельные расчеты, определить зависимость показателя поли-тропы процесса расширения от угла поворота коленчатого вала:

n _pol = (7,3278E-11) ц⁶ + (-2,1795E-08) ц⁵ + (2,2167E-06) ц⁴ + (-7,0084E-05) ц³ + (-2,2119E-03) ц² + (1,8275E-01) ц + (-1,8142E+00)

при R² = 0,9906.

Вид полученной зависимости n _pol =f(ц) приведен на рис.3.

Рис.3. Изменение показателя политропы в процессе расширения газов в цилиндре судового малооборотного дизеля 6S50MC-C

На рис.3 рассчитанные значения показателя политропы обозначены кружками. Следует отметить, что приведенная полиномиальная зависимость с достаточной точностью описывает изменение показателя политропы в диапазоне изменения угла ПКВ 0…110^о.

Итак, рассмотрен один из способов обработки индикаторной диаграммы с целью определения показателя политропы процесса расширения газов в цилиндре судового дизеля. Необходимо отметить, что от обработки индикаторной диаграммы обычным (традиционным) способом, основанным на вычислении показателя политропы по формуле

,

не следует отказываться, так как данный способ также дает удовлетворительные результаты [2;3]. Более того, для области индикаторной диаграммы в окрестности ВМТ традиционный способ даёт, как представляется, более точные значения показателя политропы. На рис.3 приведены результаты обработки индикаторной диаграммы традиционным способом (полученные значения показателя политропы расширения обозначены символом «+»). Результаты аппроксимации данных полиномом 6-й степени показаны пунктирной линией. Получен аппроксимирующий полином вида

n _pol= (-1,18158E-10)ц⁶ + (4,35801E-08)ц ⁵ + (-6,39856E-06)ц ⁴ + (4,78900E-04)ц ³ + (-1,94895E-02)ц² + (4,24224E-01)ц + (-2,86941E+00) при R² = 0,9968 .

Вполне очевидно, что характеристику n_pol= f(ц), отображающую изменение показателя политропы в функции от угла поворота коленчатого вала, можно использовать для диагностирования процесса теплоподвода (тепловыделения) в цилиндре двигателя и, следовательно, состояния топливной аппаратуры дизеля. Любые отклонения эксплуатационной характеристики n _pol= f(ц) от эталонной, полученной на новом (исправном) двигателе, будут свидетельствовать о нарушении процесса сгорания топлива, причинами которого могут являться нарушения процессов подачи топлива в цилиндр и смесеобразования. Различные нарушения в работе топливной аппаратуры будут приводить к характерным деформациям характеристики n_pol= f(ц). На рис.4 показаны характерные отклонения характеристики n_pol= f(ц) от эталонной характеристики.

а) б)

в) г)

Рис.4. Характерные отклонения характеристики n_pol= f(ц) от эталонной характеристики

Анализ характеристик тепловыделения современных судовых малооборотных дизелей показывает, что начало активного тепловыделения наблюдается при углах поворота коленчатого вала 0…2^о. При этом на режиме номинальной мощности основная доля впрыскиваемого в цилиндр топлива (?90%) сгорает в диапазоне 0…30 ^о ПКВ, а оставшаяся доля (?10%) - в диапазоне 30…60 ^о ПКВ (рис.5). Соответственно для анализа характера тепловыделения всю зону процесса тепловыделения целесообразно разделить на две фазы (рис.4 а): фазу I (0…30 ^о ПКВ) и фазу II (30…60 ^о ПКВ). Хотя процесс сгорания топлива завершается к моменту, когда угол поворота коленчатого вала ц=60^о, участок процесса расширения 60…90 ^оПКВ также представляет интерес для решения задач контроля протекания процессов в цилиндре дизеля и диагностирования технического состояния топливной аппаратуры. Для отрегулированного и технически исправного двигателя процесс теплообмена с рабочим телом на данном участке обусловливается только теплоотводом в детали, контактирующие с рабочим телом.

Появление на этом участке активного тепловыделения будет свидетельствовать о нарушении процесса сгорания (догорании) и неисправности топливной аппаратуры (например, значительном снижении давления впрыскивания топлива). Вполне очевидно, что перераспределение подводимого тепла между фазами I и II будет свидетельствовать о нарушении процесса сгорания, которое может быть выявлено на основе анализа характеристики n_pol= f(ц).

Рис.5. Характеристика активного тепловыделения судового малооборотного дизеля

Кривая 1 (рис.4а) характеризуется пониженным значением показателя политропы на протяжении всего цикла расширения (0…90 ^о ПКВ). Такая ситуация возможна при достаточно динамичном сгорании топлива на начальной стадии расширения и одновременном увеличении тепловыделения на заключительной стадии (30…90 ^оПКВ). Данной характеристике будут свойственны повышенные уровни максимального давления сгорания и среднего индикаторного давления, повышенная температура рабочего тела в течение всей фазы расширения и повышенная температура выпускных газов после цилиндра.

Кривая 2 характеризуется пониженной скоростью тепловыделения на протяжении всего цикла расширения. Данная характеристика противоположна характеристике 1, соответственно ей будут свойственны пониженные значения перечисленных параметров.

Кривая 3 (рис.4б) характеризуется наличием выраженного участка догорания топлива в заключительной фазе расширения (60…90 ^оПКВ). Для данного процесса будут характерны несколько повышенное среднее индикаторное давление, повышенная температура газов за цилиндром. Основной причиной отклонения, свойственного кривой 3, является пониженное давление впрыскивания топлива, приводящее к ухудшению смесеобразования и увеличению периода подачи топлива. Как следствие наблюдается затягивание процесса сгорания. Одной из возможных причин затягивания процесса сгорания может являться использование топлива тяжелого фракционного состава.

Кривая 4 характеризуется нормальным (динамичным) сгоранием в начальной фазе расширения (0…30 ^оПКВ) и пониженным тепловыделением в заключительной стадии. Такой цикл будет иметь несколько пониженное среднее индикаторное давление (вследствие пониженной цикловой подачи топлива) и пониженную температуру газов за цилиндром. С термодинамической точки зрения данный цикл будет эффективным (отсутствие теплоподвода в заключительной части процесса расширения). Недостатком цикла является несколько уменьшенная величина его индикаторной работы.

Кривая 5 (рис.4в) характеризуется более динамичным тепловыделением в начальной фазе расширения (0…30 ^оПКВ). Цикл будет обладать хорошей термодинамической эффективностью, так как процесс тепловыделения приближен к ВМТ. Циклу свойственны повышенный уровень максимального давления сгорания и повышенная жесткость процесса. Температура газов за цилиндром будет пониженной.

Кривая 6 является противоположной по отношению к кривой 5. Данный цикл обусловливается низким тепловыделением в начальной фазе расширения газов, как следствие он совершает меньшую индикаторную работу. Термодинамическая эффективность цикла понижена.

Кривая 7 (рис.4г) характеризуется смещением процесса тепловыделения в сторону запаздывания, т.е. более вялым теловыделением в начальной фазе расширения рабочего тела и более интенсивным - в заключительной части процесса расширения. Такой цикл будет иметь пониженную термодинамическую эффективность.

Кривая 8 характеризуется смещением процесса тепловыделения в сторону опережения. Недостатком цикла являются повышенные уровни максимального давления сгорания и жесткости процесса. С термодинамической точки зрения данный цикл эффективен.

Приведенное описание дает общее представление об элементарных отклонениях процесса теловыделения и о том, как эти отклонения сказываются на характеристике

n_pol= f(ц).

В заключение автор хотел бы еще раз обратить внимание читателя на то, что показатель политропы характеризует процесс теплообмена между рабочим телом и окружающей средой. Процесс теплообмена при этом включает две составляющие: теплообмен вследствие активного тепловыделения (теплоподвода) в результате сгорания топлива и теплообмен вследствие теплоотвода в стенки камеры сгорания. При работе судового дизеля параметры теплоотвода в стенки камеры сгорания можно считать стабильными, так как они определяются постоянством температуры и расхода охлаждающей воды. Поэтому основной причиной наблюдаемых отклонений показателя политропы является нарушение процесса тепловыделения вследствие нарушения процесса сгорания топлива. Первопричинами данных отклонений будут нарушения закона подачи топлива и процесса смесеобразования, вызванные, в свою очередь, нарушениями технического состояния и регулировок топливной аппаратуры.

Список литературы

1. Обозов, А.А. Оценка герметичности камеры сгорания судового малооборотного дизеля для использования в системах технической диагностики / А.А.Обозов //Судостроение. - 2007. -№6. -С.48-50 .

2. Обозов, А.А. Исследование процесса сжатия в судовом малооборотном дизеле со средним индикаторным давлением 20 бар /А.А.Обозов, В.В. Рогалёв, А.В.Клочков //Двигателестроение. -2009. -№1. -С.10-14.

3. Рогалев, В.В. Исследование процесса сжатия в высокофорсированном судовом малооборотном дизеле/ В.В.Рогалев, А.А.Обозов, А.В.Клочков // Вестн. БГТУ. - 2009. -№4. -С.71-76.

Материал поступил в редколлегию 25.01.10.

Размещено на Allbest.ru