Abstract and keywords
Abstract (English):
The analysis of the operating conditions of marine internal combustion diesel engines is given. There has been fixed a significant change in the basic parameters of the diesel engine in relation to the corresponding values obtained at the booth of the manufacturer or during acceptance testing. Due to the known difficulties according to the actual diagrams of wearing of cylinder-piston elements without engine dismantling to evaluate the technical condition integral methods, based, in particular, on the use of thermal parameters, are used. The necessity of applying the calculation method for the determination of these parameters for the effects of design and operational factors is stated. The enlarged algorithm of the working process is presented.

Keywords:
marine medium-speed diesel engines, calculation of working process
Text
Анализ условий эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания флота рыбной промышленности показывает, что двигатели работают в зонах с различными метеорологическими условиями, при изменяющихся сопротивлении движению судна и техническом состоянии основных узлов и деталей. Вследствие этого параметры работы дизеля (давление наддува, давление в конце процесса сжатия, максимальное давление сгорания и др.) будут существенно отличаться от соответствующих значений, полученных на стенде завода-изготовителя или в период сдаточных испытаний. Наибольший износ цилиндровых втулок происходит в верхнем поясе, в котором, наряду с высокими значениями температуры, возникают дополнительные нагрузки от перекладки поршня. Так, например, в двигателях типа 12ЧН 46/58 (фирма Wartsila) скорость изнашивания в верхнем поясе втулки (вычисленная по результатам выполненных нами измерений в условиях эксплуатации) составляет 16 мкм/1000 ч, закономерности изнашивания характеризуются следующим уравнением: Y = –0,003t3 + 0,132t2 + 3,082t + 35,47, где t – отрезок времени с момента окончания процесса приработки (в тысячах часов). В то же время в других, расположенных ниже, поясах скорость изнашивания составляет 5,8 мкм/1000 ч. Поскольку зазоры в верхней части цилиндровой втулки выше, то и воздействие на рабочий процесс будет более интенсивным, т. к. при прохождении поршнем этого пояса текущие давления рабочего тела будут наибольшими. Обычно максимальное давление рабочего тела соответствует положению поршня 10–12° поворота коленчатого вала (п. к. в.) за верхней мертвой точкой (в. м. т.) при продолжительности периода сгорания в современных дизелях 35–50° п. к. в. Такая особенность учитывается в современных измерительно-диагностических комплексах с контролем давления в цилиндре при положении поршня 36° п. к. в. (в некоторых системах 40° п. к. в.) за в. м. т. [1]. В связи с известными трудностями по определению действительной эпюры износов деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) без разборки двигателя для оценки технического состояния применяются интегральные методы, например опрессовка на неработающем дизеле или измерение давления в конце процесса сжатия в период эксплуатации. Известно применение таких показателей, как Рс/tвг [2], Рz/tвг, Рi/tвг, Рs/tвг, gц/tвг и Рs/Pi [3]. На величину давления в конце процесса сжатия, кроме потерь заряда через неплотности деталей ЦПГ, оказывают влияние и другие факторы, например изменение давления в продувочном коллекторе, увеличение сопротивления в тракте между продувочным коллектором и цилиндрами. Для их оценки могут применяться следующие показатели [4]: где , – перепад давлений на продувку соответственно при текущем и паспортном состоянии двигателя; , – расход воздуха соответственно при текущем и паспортном состоянии двигателя. , где Vc, – соответственно объем камеры сжатия и степень сжатия; Ta – температура в начале сжатия; Рк – давление в продувочном коллекторе. Так как рабочий процесс в дизеле зависит от ряда конструктивных и эксплуатационных факторов, то с целью интегрального определения технического состояния деталей ЦПГ необходимо располагать зависимостями, отражающими влияние этих факторов на интегральные показатели, которые могут определяться экспериментальным путем или методом моделирования, что более предпочтительно. В общем случае количество рабочего тела в цилиндре дизеля может изменяться как в период протекания процесса газообмена, так и после закрытия газораспределительных органов. На линии сжатия в цилиндры дизеля может подаваться дополнительное количество рабочего тела с целью снижения максимальных значений его температуры, воздуха с целью турбулизации рабочего тела (например, продуктов сгорания, паров воды или воды в распыленном состоянии) и, тем самым, уменьшения выбросов окислов азота. Кроме того, через неплотности деталей ЦПГ происходит утечка рабочего тела. С учетом сказанного выше уравнение баланса тепловой энергии для бесконечно малого i-го участка рабочего процесса дизеля, протекающего в k-м цилиндре на y-м цикле, можно представить в следующем виде [5]: , где – количество теплоты, выделившееся в результате сгорания на расчетном участке; dU, dUI – изменение внутренней энергии газовоздушной смеси и инертного тела, поступивших в цилиндр до начала данного расчётного участка; dUII, dUIII – изменение внутренней энергии соответственно инертного тела и воздуха (для турбулизации заряда), поступающих в цилиндр на данном расчётном участке; dUIV – изменение внутренней энергии рабочего тела, обусловленное утечками через неплотности ЦПГ; dUV – изменение внутренней энергии топлива, впрыскиваемого в цилиндр; – отвод теплоты в охлаждающую среду через стенки ЦПГ; – полезная работа. Для небольших расчетных участков (0,5–1° п. к. в.) с приемлемой точностью возможен переход к конечной форме уравнения. Тогда значения температуры рабочего тела в конце i-го участка [5]: где cV, cVв – теплоемкость газовоздушной смеси и турбулизирующего воздуха; cI, cтn, cII, cт – теплоемкость соответственно паров инертного тела, паров топлива, инертного тела и топлива в период испарения; cx, ∆mx – соответственно теплоемкость и масса отдельного элемента рабочего тела, теряемого через неплотности ЦПГ; l – количество теряемых через неплотности ЦПГ элементов рабочего тела; m, mI, mII, mт – количество газовоздушной смеси, паров инертного тела с температурой, равной среднемассовой температуре в рассматриваемый момент времени (I) и меньше (II), паров топлива; ΔmU, Δmт – количество инертного тела и топлива, испаряющихся на данном расчетном участке; Δmв – количество турбулизирующего воздуха, поступившего на данном расчетном участке; lU, lт – скрытая теплота парообразования инертного тела и топлива; ν = Tв/Ti – коэффициент пропорциональности между температурой турбулизирующего воздуха, поступившего в цилиндр на данном расчетном участке, и среднемассовой температурой рабочего тела; TU, Tт – температура испарения инертного тела и топлива соответственно; TUн, Ttн, Tbн – начальная температура инертного тела, топлива и турбулизирующего воздуха. При работе дизеля по обычной схеме (без подачи дополнительного рабочего тела) температура в конце расчетного участка вычисляется по формуле Относительное количество сгоревшего топлива вычисляется по следующим зависимостям: , где τi – отрезок времени от начала процесса сгорания до i-го момента, с; τz – продолжительность процесса сгорания; В, С, Д, Е – совокупность параметров, отражающих влияние конструктивных и эксплуатационных факторов в относительном виде; КV – показатель, учитывающий влияние использования объема камеры сгорания; m = 1,88 – коэффициент. где μс – коэффициент расхода; μ – динамическая вязкость топлива; σ – коэффициент поверхностного натяжения топлива; ρт – плотность топлива; dс – диаметр сопловых отверстий форсунки; γ – угол конуса топливной струи; τвпр – время впрыска топлива; Рц – среднее давление в цилиндре в период топливоподачи и сгорания (Рц = (Рсс.п + Рmах)/2); Рf – давление топлива в форсунке; Рсс – давление сжатия в момент начала сгорания; Тц – температура газов в цилиндре; Рmax – максимальное давление сгорания; Jс – число сопловых отверстий в форсунке; gц – цикловая подача; Vв – объем рабочего тела в конце процесса топливоподачи. Параметры с индексом «n» относятся к исследуемому дизелю, а с индексом «э» – к некоторому базовому (эталонному), для которого известны значения действующих параметров и динамика тепловыделения. Продолжительность процесса сгорания вычисляется по формуле Относительные потери теплоты в охлаждающую среду по углу п. к. в. приняты линейными. Суммарное значение вычисляется по формуле [5]: , где Vt – номинальный объем цилиндра; F – площадь поверхности теплообмена ЦПГ; α – коэффициент избытка воздуха при сгорании; Tw – температура охлаждающей воды, К; G – коэффициент влияния температуры охлаждающей воды (находится по экспериментальным данным). Укрупненная блок-схема алгоритма представлена на рисунке. Блок-схема алгоритма С помощью приведенного выше алгоритма можно исследовать влияние изменения технического состояния дизеля и условий эксплуатации на показатели рабочего процесса, а обратным путем – его техническое состояние.
References

1. Foka A. A. Sudovoy mehanik / A. A. Foka: spravochnik v 3 t. T. 1. Odessa: Feniks, 2008. 1036 c.

2. Karpov L. N. Vybor ob'ema kontroliruemyh parametrov sudovogo dizelya dlya bezrazbornoy diagnostiki ego tehnicheskogo sostoyaniya / L. N. Karpov, E. A. Titov // Tr. Centr. nauch.-issled. i proekt.-konstruktor. in-ta morskogo flota. 1973. Vyp. 174.

3. Gricay L. L. Diagnosticheskie parametry glavnyh sudovyh malooborotnyh dizeley / L. L. Gricay, A. F. Gorbunov, A. P. Kalugin, B. M. Levin // Tr. Centr. nauch.-issled. i proekt.-konstruktor. in-ta morskogo flota, 1973. Vyp. 174.

4. Odincov V. I. Razrabotka nekotoryh diagnosticheskih pokazateley raboty DVS / V. I. Odincov // Tr. Kaliningrad. tehn. in-ta rybnoy prom-sti i hoz-va. Proektirovanie i ekspluataciya energeticheskih ustanovok promyslovyh sudov. Kaliningrad, 1980. Vyp. 87. S. 15–19.

5. Odincov V. I. Rabochiy process sudovyh DVS / V. I. Odincov: monogr. Kaliningrad: Izd-vo BGARF, 2010. 141 s.