Исследование процесса сжатия в высокофорсированном судовом малооборотном дизеле

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.43.01

Исследование процесса сжатия в высокофорсированном судовом малооборотном дизеле

В.В. Рогалев,

А.А. Обозов,

А.В. Клочков

Представлены результаты экспериментальных исследований процесса сжатия в цилиндрах судового малооборотного дизеля 6ДКРН 50/200-14.

Ключевые слова: малооборотный дизель, процесс сжатия, показатель политропы сжатия.

В цилиндрах любого двигателя внутреннего сгорания в процессе сжатия происходит сложный теплообмен между рабочим телом и стенками деталей, образующих камеру сгорания. Рабочее тело, поступающее в цилиндр судового дизеля, должно иметь, согласно правилам Российского морского регистра судоходства, температуру не более 42є С, а стенки цилиндра нагреты до температуры в сотни градусов Цельсия. Поэтому в начальный период сжатия рабочее тело получает теплоту от стенок цилиндра. В процессе сжатия рабочее тело сильно нагревается и в конце сжатия имеет температуру порядка 1000є С, что значительно больше температуры стенок. Следовательно, в конце процесса сжатия более горячее рабочее тело отдает теплоту в стенки цилиндра. Подвод теплоты к рабочему телу увеличивает показатель политропы по сравнению с показателем адиабаты k (для воздуха k = =1,4), а отвод теплоты соответственно понижает показатель политропы. Таким образом, процесс сжатия с термодинамической точки зрения является политропическим и происходит с переменным показателем политропы. дизель сгорание двигатель теплообмен

При выполнении расчета рабочего цикла широко используется методика Гриневецкого-Мазинга [1]. Согласно этой методике, рабочий цикл дизеля представляется состоящим из ряда термодинамических процессов, причем процесс сжатия рассматривается как политропический с постоянным показателем политропы n. В литературе [1] существуют рекомендации по выбору величины n. Показатель политропы следует выбирать в диапазоне значений 1,32…1,39. Однако данные рекомендации получены на основании анализа работы двигателей со средним индикаторным давлением P_i ? 1,0 МПа, характерным для двигателей, изготовлявшихся несколько десятилетий назад. В настоящее время судовые малооборотные дизели типа ДКРН, выпускаемые на Брянском машиностроительном заводе по лицензии фирмы MAN-B&W Diesel A/S, достигли высокого уровня среднего индикаторного давления - величины 2,0 МПа. Двигатель 6ДКРН 50/200-14 в режиме спецификационной максимальной длительной мощности (СМДМ) имеет следующие параметры: эффективная мощность 9480 кВт при частоте вращения коленчатого вала 127 мин^-1; максимальное давление цикла 15,1 МПа; давление наддувочного воздуха 0,362 МПа; среднее индикаторное давление 2,03 МПа. Двигатель является крейцкопфным, сверхдлинноходовым (имеет отношение диаметра цилиндра к ходу поршня S/d = 4), характеризуется высоким значением максимального давления цикла и предельно высоким для одноступенчатых схем наддува давлением наддувочного воздуха. Расчет рабочего процесса этого дизеля с использованием методики Гриневецкого-Мазинга при выборе рекомендуемых значений показателя политропы n = 1,32…1,39 приводит к значительной погрешности в определении важнейших характеристик дизеля, сильно отличающихся от экспериментальных значений. На необходимость усовершенствования традиционной методики расчета рабочего цикла дизеля путем правильного описания процесса сжатия указывает ряд публикаций [2].

Целью настоящей работы является исследование изменения показателя политропы в процессе сжатия дизеля 6ДКРН 50/200-14, имеющего высокую величину среднего индикаторного давления: P_i = 2,0 МПа.

Исходной информацией при изучении термодинамических процессов в машинах является индикаторная диаграмма, т.е. изображение цикла в координатах р - v (давление - объем цилиндра). Известно, что небольшие отрезки любых кривых линий могут быть аналитически выражены уравнениями степенного вида [3; 4]. В частности, всегда можно выбрать такое число n, при котором уравнение достаточно близко воспроизводит разнообразные встречающиеся в практике линии индикаторных диаграмм. Если вся заданная кривая не может быть выражена единым уравнением, ее можно разбить на несколько интервалов, каждый из которых характеризуется своим показателем n.

Для нахождения показателя политропы по заданной кривой процесса в координатах р - v пользуются графическим способом. Логарифмируя почленно уравнение политропы, имеем Следовательно, в координатах y = lg p и x = lg v политропа изображается в виде прямой линии с угловым коэффициентом, равным n, причем выбор масштабов для величин р и v не играет роли. Поэтому при построении логарифмической анаморфозы для определения показателя n можно исходить из непосредственно измеряемых координат точек в р - v - диаграмме. Кривую рассматриваемого процесса на плоскости в координатах р - v разбивают на ряд участков и по значениям параметров в начале и конце каждого участка вычисляют средние значения показателя политропы по уравнению

Экспериментальные индикаторные диаграммы при испытаниях двигателя 6ДКРН 50/200-14 на стендах завода-изготовителя регистрировались с помощью комплекса испытательной аппаратуры PMI - System (MAN-B&W Diesel A/S).

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 1 показан вид индикаторной диаграммы, полученной в режиме спецификационной максимальной длительной мощности. При анализе исследуемых зависимостей экспериментальные кривые сглаживались с помощью сплайнов, построенных не менее чем по пяти точкам. Кривая сжатия разбивалась на участки через 1 градус поворота коленчатого вала. На рис. 2 показан характер изменения показателя политропы сжатия в зависимости от изменения объема цилиндра. Практически на всем протяжении процесса показатель политропы сжатия имеет значения выше 1,4. Средняя величина n составляет 1,445; максимальное значение показателя политропы n = =1,71 наблюдается в начале процесса сжатия, когда холодное рабочее тело поступает в цилиндр и наиболее интенсивно подогревается. Это свидетельствует о том, что рабочее тело на протяжении большей части процесса сжатия получает теплоту от стенок цилиндра. Только непосредственно вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) показатель политропы сжатия снижается до величины n = 1,337.

Такая тенденция изменения показателя полит-ропы сжатия наблюдается во всех режимах работы судового дизеля. Так, на рис. 3 показано изменение величины n в режиме 50% СМДМ (по винтовой характеристике). В этом случае средняя величина n составляет 1,521; максимальное значение показателя политропы n = 1,69. Следовательно, в режиме 50% СМДМ рабочее тело подогревается больше, чем в номинальном режиме работы дизеля (100% СМДМ). Это объясняется тем, что частота вращения коленчатого вала снижается (со 127 до 100,8 мин^-1), соответственно увеличивается время контакта рабочего тела с горячими деталями камеры сгорания.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 4 приведены значения показателя политропы сжатия для номинального режима работы исследуемого дизеля в логарифмических координатах.

В табл. 1 представлены параметры рабочего процесса некоторых судовых малооборотных дизелей типа ДКРН. Степень сжатия всех двигателей является невысокой (е = =11,9…12,8), а давление наддува - высокое (Pк = =0,31…0,365 МПа). Экспериментальные величины давления в конце сжатия варьируются в пределах 10,8…13,2 МПа.

Таблица 1. Параметры рабочего процесса судовых малооборотных дизелей

Значения могут быть рассчитаны по известной зависимости . Величину давления в начале сжатия рекомендуется выбирать в соответствии с конструкцией впускного коллектора двигателя. Если во впускном коллекторе имеются значительные гидравлические потери, то будет иметь меньшее значение, чем давление наддува . В случае наличия дозарядки (инерционного наддува) при большой длине впускного коллектора и высокой скорости движения воздушного столба давление в начале сжатия может превышать . В судовых двухтактных малооборотных дизелях продувка происходит через окна втулки, нижний конец которой (с продувочными окнами) расположен непосредственно во впускном коллекторе большого объема. Поэтому в двигателях данного класса инерционный наддув отсутствует, а гидравлические потери при проходе воздуха через окна относительно невелики. Можно считать, что давление в начале сжатия равно давлению наддувочного воздуха, регистрируемому во впускном коллекторе. Тогда при расчете давления конца сжатия можно использовать формулу . Однако, как показывают результаты расчета (табл. 2), расчетные значения давления в конце сжатия в этом случае значительно отличаются от экспериментальных. Так, для двигателя 6ДКРН 50/200-14 расчетное значение при рекомендуемом показателе политропы n = 1,37 составляет 10,98 МПа, а индицирование двигателя показывает, что 13,2 МПа. Таким образом, при расчете ошибка составляет более 20 %, причем расчетное значение оказывается меньше реального. Аналогичная картина наблюдается и для всех других дизелей типа ДКРН (табл. 2).

Таблица 2. Влияние показателя политропы на давление конца сжатия

Поэтому в расчетах давления конца сжатия приходится использовать поправочный коэффициент m (табл. 2): . Значения этого коэффициента составляют 1,06…1,23, т.е. расчетные значения давления без использования поправочного коэффициента m на 6…23% меньше действительных. Необходимость использования поправочного коэффициента трудно обосновать теоретически. Однако при расчете с полученной величиной n = 1,445 при степени сжатия е = 12,07 и давлении наддува МПа значение давления в конце сжатия получается равным МПа, что полностью соответствует экспериментально измеряемой величине . Для других двигателей это положение также справедливо: при задании показателя политропы в пределах n = 1,42…1,46 (больше показателя адиабаты) удается получить расчетные значения , совпадающие с измеряемыми на реальных двигателях при их стендовых испытаниях.

На частичных режимах работы по винтовой характеристике величина показателя политропы сжатия еще больше возрастает и может достигать n = 1,5…1,54.

На величину показателя политропы сжатия влияет впрыск топлива. В высокооборотных двигателях впрыск топлива осуществляется с опережением и происходит не менее чем за 10…15 градусов поворота коленчатого вала до ВМТ. После начала впрыска топлива в период задержки самовоспламенения (в процессе сжатия) имеют место затраты теплоты на его испарение, что понижает показатель политропы сжатия, и давление повышается в меньшей степени (отвод теплоты). В малооборотных дизелях типа ДКРН впрыск топлива начинается за 1…2 градуса поворота коленчатого вала до ВМТ, т.е. отвода теплоты на испарение топлива в процессе сжатия не происходит. Кроме того, высокооборотные двигатели имеют обычно 2 - 3 компрессионных поршневых кольца, а на поршни малооборотных дизелей (МОД) устанавливают 4 компрессионных кольца (боковая сила поршня воспринимается крейцкопфным механизмом), что значительно уменьшает утечки рабочего тела и способствует увеличению давления конца сжатия. Температура рабочего тела в конце сжатия ( табл. 1) у МОД значительно ниже, чем у других дизелей, из-за предельно низкой степени сжатия (е = 11,5…12,5). С увеличением давления наддува возрастает массовое количество заряда, приходящееся на единицу площади поверхности стенок камеры сгорания, относительный теплоотвод от рабочего тела снижается. Все эти факторы приводят к подводу теплоты к рабочему телу в цилиндрах МОД и способствуют увеличению показателя политропы сжатия.

Таким образом, с целью приближения результатов расчета процесса сжатия к экспериментальным данным показатель политропы сжатия n для малооборотных судовых двигателей типа ДКРН со средним индикаторным давлением 2,0 МПа целесообразно принимать в диапазоне 1,44…1,46, что соответствует реальным значениям, получаемым при обработке индикаторных диаграмм.

Список литературы

1. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин [и др.]. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

2. Коптев, К.Н. Усовершенствованная методика традиционного расчета рабочего цикла дизеля / К.Н. Коптев // Двигателестроение. - 1997. - № 4. - С. 21 - 24.

3. Вукалович, М.П. Техническая термодинамика / М.П.Вукалович, И.И.Новиков. - М.: Энергия, 1968. - 496 с.

4. Жуковский, В.С. Термодинамика / В.С. Жуковский. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru