TASKS OF IMPROVEMENT OF IN-CYLINDER PARAMETERS AND CONSTRUCTION ELEMENTS OF MARINE DIESEL WHILE FORCING BY THE FREQUENCY OF CRANKSHAFT ROTATION
Authors:
1.
Astrakhan Branch of Volga State Academy of Water Transport
Type:
Article
Pages:
from 57
to 65
Status:
Published
Received:
20.08.2016
Accepted:
25.08.2016
Published:
25.08.2016
Subject area:
UDK 621.436.12
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
diesel, working cycle, combustion chamber, simulation, forcing, rotating speed of crankshaft
Abstract (English):
The assessment of a level of forcing and specific indices of the Russian ship small diesels, which is carried out in the form of comparison of their technical characteristics with the characteristics of the modern foreign small (high-speed) diesels of production of different firms of Europe, America, Japan, Korea, showed that the Russian engines on the level of forcing and power lose to foreign analogs. The experience of JSC Dagdiesel Plant on increase of operational indices of the released small diesels of ship and common industrial execution by forcing, both by means of gas-turbine pressurization and on rotating speed of the crankshaft is considered. Since 1985 the engine of new generation of EDP 45 (4ChN9.5/11) has been developed and researched, however so far a number of the declared indices has not been reached. The required profitability of the working cycle in case of the given levels of forcing of the engine can be provided with a rational combination of the selected method of mixing, the form and the sizes of the combustion chamber, the accepted parameters of fuel equipment and constructional and adjusting indices. For a preliminary estimation of the level of indices of the working cycle the calculated and theoretical research on the basis of different mathematical models developed in the scientific organizations and higher education institutions, which are engaged in improvement of piston internal combustion engines, is chosen as the most rational one. Influence on indices of the working cycle of the compression ratio, the advance angle of injection of fuel and speed of combustion is considered. Simulation of several options of the working cycle is carried out, during this process it is found that in case of the given power and rotating speed of the crankshaft, the most economic working process for the engine can be achieved due to reduction of duration of fuel combustion and increase of intensity of heat release.
The assessment of a level of forcing and specific indices of the Russian ship small diesels, which is carried out in the form of comparison of their technical characteristics with the characteristics of the modern foreign small (high-speed) diesels of production of different firms of Europe, America, Japan, Korea, showed that the Russian engines on the level of forcing and power lose to foreign analogs. The experience of JSC Dagdiesel Plant on increase of operational indices of the released small diesels of ship and common industrial execution by forcing, both by means of gas-turbine pressurization and on rotating speed of the crankshaft is considered. Since 1985 the engine of new generation of EDP 45 (4ChN9.5/11) has been developed and researched, however so far a number of the declared indices has not been reached. The required profitability of the working cycle in case of the given levels of forcing of the engine can be provided with a rational combination of the selected method of mixing, the form and the sizes of the combustion chamber, the accepted parameters of fuel equipment and constructional and adjusting indices. For a preliminary estimation of the level of indices of the working cycle the calculated and theoretical research on the basis of different mathematical models developed in the scientific organizations and higher education institutions, which are engaged in improvement of piston internal combustion engines, is chosen as the most rational one. Influence on indices of the working cycle of the compression ratio, the advance angle of injection of fuel and speed of combustion is considered. Simulation of several options of the working cycle is carried out, during this process it is found that in case of the given power and rotating speed of the crankshaft, the most economic working process for the engine can be achieved due to reduction of duration of fuel combustion and increase of intensity of heat release.
Keywords:
diesel, working cycle, combustion chamber, simulation, forcing, rotating speed of crankshaft
diesel, working cycle, combustion chamber, simulation, forcing, rotating speed of crankshaft
Введение Выпускаемые в России судовые малоразмерные дизели (СМД) предназначены для использования в составе стационарных и передвижных дизель-электрических агрегатов, а также для привода гребных винтов, насосов, компрессоров и других механизмов. В зависимости от области применения дизели имеют различные уровни форсирования по частоте вращения коленчатого вала (КВ). Так, при работе на генератор переменного тока частота вращения КВ определяется промышленной частотой тока и соответствует для агрегатов, используемых в РФ, - 1500 мин-1, при изготовлении на экспорт - 1800 мин-1. Дизели других назначений могут иметь частоту вращения КВ в 750 или 3000 мин-1, что определяется числом пар полюсов генератора для обеспечения промышленной частоты тока, и имеют при этом другие внешние и внутренние удельные показатели. Сопоставление технических характеристик двигателей Для оценки степени форсирования и удельных показателей российских СМД относительно уровня, достигнутого в настоящее время в мировом дизелестроении, необходимо провести сопоставление их технических характеристик с характеристиками современных зарубежных малоразмерных (высокооборотных) дизелей производства различных фирм Европы, Америки, Японии, Кореи [1-3]. Рассматривая номенклатуру выпускаемых в РФ СМД, можно отметить, что до 35-40 % всего выпуска составляют двигатели для работы на винт в составе энергетических установок малых судов. Остальной объем выпуска приходится на судовые и промышленные дизель-электрические установки. В этой связи производить сравнение необходимо с зарубежными дизелями, предназначенными для работы в аналогичных условиях. Из рассмотрения целесообразно исключить высокооборотные модификации малоразмерных дизелей с частотой вращения КВ в 4000-4500 мин-1, предназначенные для работы в качестве привода наземных транспортных средств. Уровни форсирования зарубежных СМД соответствуют значениям их «длительной» мощности по стандартам стран-изготовителей (Германия - DIN, США - SAE, Великобритания - BS). С целью анализа дизелей по уровню форсирования целесообразно разделить все СМД на две группы. Первая группа - СМД с диаметром цилиндра до 80 мм и ходом поршня до 85 мм (соответственно с рабочим объемом цилиндра 0,40-0,45 л). Эти двигатели применяются в основном на яхтах и рыбопромысловых лодках, изготавливаются преимущественно в 2-цилиндровом исполнении в диапазоне мощностей 5-20 кВт. От этих двигателей не требуется высоких удельных показателей, и уровни их форсирования относительно невысоки (номинальная частота вращения КВ - 1000-1500 мин-1). Вторая группа - двигатели с диаметром цилиндра до 100 мм, ходом поршня до 120 мм, рабочим объемом цилиндра до 1 л. Основная область применения - прогулочные, разъездные катера, спасательные и рабочие шлюпки с достаточно большим водоизмещением. К этим двигателям предъявляются более высокие требования по удельным показателям, и они имеют достаточно высокий уровень форсирования по частоте вращения КВ - 3000-3500 мин-1. Изготавливаются от 2- до 4-цилиндрового исполнения номинальной мощностью 25-100 кВт [4]. Российские СМД типов 4ЧСП8,5/11, 4ЧСП9,5/11, 6ЧСП9,5/11 относятся ко 2-й группе. Номинальные частоты вращения КВ имеют значения 1800 и 1900 мин-1 со средней скоростью поршня 6,6 и 7,0 м/с, номинальной мощностью 20-40 кВт. Сравнение по уровню форсирования и мощности явно не в пользу российских машин. Если сравнить два близких по типоразмерам двигателя, то получим следующие результаты: - 4-цилиндровый дизель ДС32 производства ОАО «Завод «Дагдизель» (Россия): номинальная эффективная мощность 23 кВт, номинальная частота вращения КВ 1600 мин-1, масса 395 кг, удельная массовая мощность 17,17 кг/кВт; - 3-цилиндровый дизель MD2030 производства АВ «Volvo Penta» (Швеция): номинальная эффективная мощность 21 кВт, номинальная частота вращения КВ 3600 мин-1, масса 152 кг, удельная массовая мощность 7,24 кг/кВт. Из приведенного примера видно, как частота вращения КВ двигателя влияет на его показатели. Значения средних эффективных давлений ре на режиме номинальной мощности близки для дизелей различных фирм и лежат в пределах 0,6-0,8 МПа. Российские дизели имеют значения этого показателя на уровне 0,64-0,66 МПа и находятся как бы на уровне зарубежных образцов, но необходимо учитывать, что достигнутые значения ре относятся к скоростным режимам 1800, 1900 мин-1 и по мере форсирования будут неизбежно снижаться. Поэтому поддержание значений ре при росте скоростного режима является важной задачей исследований и дальнейшего производства. Так, при ре = 0,64 МПа и частоте вращения КВ 2800 мин-1 литровая мощность составит 14,2 кВт/л, что будет соответствовать показателям современных зарубежных дизелей данного класса. Расходы топлива российских малоразмерных дизелей примерно на 7-14 г/(кВт ч) выше, чем у зарубежных аналогов, при этом следует учитывать, что эти данные относятся к скоростным режимам 1800, 1900 мин-1 и по мере форсирования до 3000 мин-1 увеличение расхода топлива может составить 20-28 г/(кВт ч), что в значительной мере ухудшит конкурентоспособность российских двигателей. Следовательно, еще одной важной задачей в работах по совершенствованию российских малоразмерных дизелей является повышение топливной экономичности. Опыт российских производителей судовых малоразмерных дизелей Опыт ОАО «Завод «Дагдизель» (г. Каспийск, Республика Дагестан) по повышению топливной экономичности выпускаемых дизелей показал, что удельные расходы топлива у дизелей с разделенной камерой сгорания (КС) имеют тенденцию значительного роста при форсировании по частоте вращения КВ (форсирование по n) при n > 2000 мин-1, и ge составляет от 286 + 5 % г/(кВт ч). Работы по внедрению в конструкцию дизелей полуразделенной КС, расположенной в поршне, показали значительное повышение топливной экономичности - до 238 г/(кВт ч). Однако, в силу ряда причин (в том числе из-за недостаточной стойкости распылителя многодырчатых форсунок против закоксовывания), из 9-ти модификаций выпускаемых дизелей КС в поршне была внедрена в серийное производство только на 2-х. ОАО «Завод «Дагдизель» давно ведет работы по повышению эксплуатационных показателей выпускаемых малоразмерных дизелей - судового и общепромышленного исполнения - путем форсирования, как посредством газотурбинного наддува (по ре), так и по частоте вращения КВ (по n). С 1985 г., с участием Центрального научно-исследовательского дизельного института (ЦНИДИ), а затем Государственного научного центра «Научно-исследовательский автомоторный институт» (ГНЦ НАМИ) разрабатывается и исследуется двигатель нового поколения ЭДП 45 (4ЧН9,5/11). Предполагается, что он будет иметь следующие эксплуатационные показатели: номинальная эффективная мощность, Ne = 76 кВт; номинальная частота вращения КВ, nном = 3000 мин-1; масса, М = 280 кг [5]. Однако, по информации специалистов ОАО «Дагдизель», до настоящего времени ряд показателей не достигнут, в частности, n - не более 2300 мин-1. Тем не менее, решение научно-технической задачи повышения эксплуатационных характеристик российских малоразмерных дизелей должно быть найдено путем достижения заявленных уровней форсирования. Требуемая экономичность рабочего цикла при заданных уровнях форсирования двигателя обеспечивается рациональным сочетанием выбранного способа смесеобразования, формы и размеров КС, принятыми параметрами топливной аппаратуры и конструкционно-регулировочными показателями. Для предварительной оценки уровня показателей рабочего цикла рациональным приемом будет расчетно-теоретическое исследование на основе различных математических моделей, разработанных в научных организациях и вузах, занимающихся совершенствованием поршневых ДВС [6-9]. В нашем случае в качестве модели использовался метод определения показателей рабочего цикла, интенсивности сгорания и скорости тепловыделения на основе действительных индикаторных диаграмм, разработанный в Астраханском государственном техническом университете и зарегистрированный в Роспатенте как программа IPEC v 1.00 под № 2016612031 [10]. Рассмотрим влияние на показатели рабочего цикла степени сжатия, угла опережения впрыска топлива и скорости сгорания. Исходные данные задавались с учетом изменения степени сжатия от 17 до 22, угла начала сгорания топлива от 6 до 12º поворота КВ до «верхней мертвой точки» (ВМТ) (что с учетом периода задержки воспламенения топлива соответствует 15-25º геометрического угла опережения подачи топлива до ВМТ), скорости сгорания, характеризуемой показателем φа от 5 до 14º поворота КВ (что соответствует реальным значениям скорости сгорания для большинства дизелей подобного назначения). В ходе исследования было проведено моделирование нескольких вариантов рабочего цикла. На рис. 1 показана зависимость показателей цикла от значения степени сжатия ε. Очевидно, что увеличением ε можно улучшить (хотя и незначительно) экономичность рабочего цикла. Это связано со значительным ростом максимального давления цикла, а значит и возрастанием нагрузок на кривошипно-шатунный механизм - это стимулирует рост боковой силы, прижимающей поршень к цилиндру, что приводит к увеличению потерь мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе (ЦПГ). Рис. 1. Зависимость внутрицилиндровых показателей от степени сжатия При увеличении ε от 17 до 22 удельный индикаторный расход топлива gi уменьшается на 1,6 %, тогда как максимальное давление сгорания рz возрастает на 22 %. На рис. 2 показана зависимость показателей рабочего цикла от начала подвода теплоты к рабочему телу. При этом изменение gi незначительно и его минимум соответствует 8º поворота КВ до ВМТ (рис. 2), а далее расход топлива увеличивается, что объясняется возрастанием отрицательной работы цикла при сжатии. Проведенные расчеты и анализ влияния степени сжатия и угла опережения подвода теплоты к рабочему телу на показатели рабочего цикла демонстрируют, что увеличение степени сжатия и угла опережения подвода теплоты при форсировании двигателя по n не дает существенного эффекта для повышения экономичности двигателя [9-14]. Рис. 2. Зависимость внутрицилиндровых показателей от угла опережения подвода теплоты Следовательно, поиск путей достижения высокоэкономичного рабочего процесса следует вести в направлении увеличения полноты сгорания топлива, т. е. в направлении улучшения качества смесеобразования. Таким образом, можно уверенно говорить о том, что наиболее экономичный рабочий процесс для двигателя при заданных мощности и частоте вращения КВ можно получить за счет сокращения продолжительности сгорания топлива и повышения интенсивности тепловыделения, т. е. за счет совершенствования процессов смесеобразования и сгорания. По данным ранее проведенных исследований ОАО «Завод «Дагдизель» и ЦНИДИ [11-14], было установлено, что для форсированного по n дизеля (3000 мин-1) с диаметром цилиндра до 100 мм целесообразно применение непосредственного впрыска топлива в полуразделенную КС, расположенную в поршне. При таком способе смесеобразования удается обеспечить высокую топливную экономичность и хорошие пусковые качества. Все КС подобного типа можно разделить на две основные группы: КС с широкой горловиной и КС с узкой горловиной. Отчетливой границы между этими двумя типами нет. Основным преимуществом КС с узкой горловиной является возможность работы без предварительной закрутки заряда на всасывании. Относительно высокая интенсивность перетекания воздушного заряда или газа из надпоршневого пространства и обратно (рис. 3) обеспечивает достаточно качественное смесеобразование и достижение высокой топливной экономичности [15]. Возможность работы без предварительной закрутки заряда позволяет отказаться от специально профилированных впускных каналов, требующих тщательной проверки их качества. Рис. 3. Схема движения воздуха в камере сгорания в поршне Указанное преимущество КС с узкой горловиной, в частности КС типа ЦНИДИ, обусловило их широкое применение на ряде российских дизелей, а также на некоторых типах двигателей за рубежом. В то же время следует отметить характерные недостатки КС с узкой горловиной - повышенную теплонапряженность соплового наконечника распылителя форсунки и повышенную теплонапряженность кромок горловины. В связи с форсированием двигателей по n была несколько изменена форма КС в поршне. Эти изменения имели цель улучшить условия смесеобразования внутри КС и заключались в расширении горловины и увеличении радиуса скругления между днищем и конусообразной образующей. В результате улучшились условия образования тороидальных вихрей внутри КС и формирования слоя топливной пленки на стенках камеры. Вихреобразование в КС обеспечивается ее формой. Форсунка установлена с наклоном к плоскости огневого днища головки цилиндров в 55º, смещение точки пересечения ее оси с плоскостью огневого днища (от оси цилиндра) - 11 мм. Камера сгорания смещена от оси поршня на 3 мм в направлении расположения форсунки, что необходимо для обеспечения требуемых соотношений между свободными длинами полета топливных струй при впрыске (рис. 4) [16]. Рис. 4. Схема впрыска топлива: 1 - точка расположения носика распылителя форсунки; 2 - передние топливные струи; 3 - задние топливные струи Топливо в КС впрыскивается форсункой ФД22 посредством распылителей ВЗТА (4х0,28х120). Оптимальные регулировочные параметры дизелей типа Ч9,5/11 - угол опережения подачи топлива, выступание носика распылителя относительно огневого днища головки цилиндров, давление начала подачи топлива - были подобраны экспериментально. Сопоставляя расчетное положение поршня в соответствующие моменты с направлением топливных факелов можно видеть, что для обеспечения попадания вершин факелов на кромки КС необходимо увеличить выступание распылителя от значения 1,0-1,2 мм, как было принято для рабочего процесса при n = 1500 мин-1. Так, оптимальное значение выступания соплового наконечника распылителя составляет 1,8-1,9 мм. При таких значениях выступания наконечника распылителя характеристика рабочего процесса, по углу опережения подачи топлива, протекает полого в области 23-30о п.к.в., до ВМТ, и удельный расход топлив практически не изменяется. Давление начала впрыска, принятое с учетом его изменения в эксплуатации, составляет 17,2 МПа. Положение распылителя по высоте не может изменяться в эксплуатации при переходе с одного скоростного режима на другой, поэтому при определении значения рационального выступа распылителя выбирается значение, соответствующее наиболее часто встречающимся режимам. Увеличение опережения впрыска при повышении n и более раннее развитие факелов в КС не приводит к существенному сдвигу фаз топливоподачи. Анализ тенденций развития конструкций КС современных малоразмерных высокооборотных дизелей, базирующийся на работах ведущих двигателестроительных фирм, свидетельствует о том, что практически повсеместно осуществляется переход на непосредственный впрыск топлива с организацией объемного смесеобразования. Этому способствуют тенденции к повышению степени сжатия (до 19), максимального давления цикла (до 18 МПа), давления впрыска топлива (до 200 МПа), электронного управления процессом впрыска топлива. При этом достигаются значения удельных расходов топлива 185-190 г/(кВт ч). Такие показатели получены в результате внедрения в производство новейших технических решений фирмами Caterpillar (США), MTU, SKL (Германия), Isotta Fraschini (Италия). Заключение Для обеспечения качественного объемного смесеобразования необходимо достаточно сильное организованное движение воздушного заряда в КС. В полуразделенных КС кинетическая энергия заряда складывается в основном из энергии перетекания заряда в КС при вытеснении заряда поршнем. Эта энергия зависит от n, и при различных частотных режимах работы двигателя интенсивность движения заряда будет меняться. Применение в дизеле типа Ч9,5/11 устройства завихрения заряда при впуске (подобно конструкции Н. К. Санаева и др. [17], рис. 5) и неразделенной КС (рис. 6) позволили повысить интенсивность движения заряда, обеспечить хорошее смесеобразование и получить высокие значения показателей рабочего цикла. Рис. 5. Впускной клапан с лопастями-завихрителями: 1 - направляющая шлифованная часть стержня клапана; 2 - тарелка клапана; 3 - притирочная поверхность клапана; 4 - от а до в - необрабатываемая поверхность клапана; 5 - лопасть-завихритель Рис. 6. Неразделенная камера сгорания Несмотря на технологические трудности, хорошее завихрение заряда в процессе впуска может быть обеспечено профилированием впускного тракта двигателя при выполнении его в тангенциальной или винтовой форме. Решение может быть найдено в виде формирования направляющих канавок на буртиках КС для закрутки заряда, как в работе [18] (рис. 7). Рис. 7. Поршень с профилированным днищем для закрутки заряда воздуха Данные материалы подтверждают тенденцию о превалировании направлений на организацию объемного смесеобразования с открытыми или близкими к ним цилиндрическими КС в поршне с широкой горловиной. Это подтверждается и конструкцией КС перспективного дизеля ЭДП 45.
1. Konks G. A., Lashko V. A. Mirovoe sudovoe dizelestroenie. Koncepcii konstruirovaniya, analiz mezhdunarodnogo opyta: ucheb. posobie. M.: Mashinostroenie, 2005. 512 s.
2. Voznickiy I. V., Punda A. S. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniya. M.: «MORKNIGA», 2008. 283 s.
3. Kornilov E. V., Boyko P. V., Golofastov E. I. Tehnicheskie harakteristiki sovremennyh dizeley: spravochnik. Odessa, 2008. 272 s.
4. Bisenov A. R. Vybor osnovnyh ekspluatacionnyh pokazateley perspektivnyh forsirovannyh malorazmernyh sudovyh dizeley // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2011. № 1. S. 79-83.
5. OAO «Zavod «Dagdizel'». URL: http://www.dagdizel.ru.
6. Dizeli: spravochnik / pod red. V. A. Vansheydta, N. N. Ivanchenko, L. K. Kollerova. L.: Mashinostroenie, 1977. 480 s.
7. Gordeev P. A., Plotnikov V. A. Raschet rabochego cikla dvigatelya vnutrennego sgoraniya: metodicheskie ukazaniya. SPb.: Izdat. centr GMTU, 2004. 43 s.
8. Gavrilov V. V., Maschenko V. Yu. Avtomatizirovannyy raschet rabochego cikla sudovogo DVS: ucheb. posobie. SPb.: SPbGUVK, 2007. 58 s.
9. Gavrilov V. V. Sudovoe glavnoe energeticheskoe oborudovanie. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniya: ucheb. posobie. SPb.: SPbGUVK, 2011. 227 s.
10. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registracii programmy dlya EVM № 2016612031 IPEC v 1.00. Hoang Kuang Lyong, Dorohov A. F. № 2015662997; post. 28.12.15; GR 17.02.16.
11. Alivagabov M. M. Dvigateli spasatel'nyh shlyupok i katerov. L.: Sudostroenie, 1980. 224 s.
12. Bordukov V. V. Vybor kamery sgoraniya dlya malorazmernyh dvigateley vnutrennego sgoraniya // Trudy CNIDI. L.: CNIDI, 1979. S. 25-27.
13. Ivanchenko N. N., Semenov B. N., Sokolov V. S. Rabochiy process dizeley s kameroy v porshne. L.: Mashinostroenie, 1972. 230 s.
14. Diesel Progress International Ed. 2000. May - June. Pp. 16-53.
15. Sanaev N. K., Tynyanskiy V. P., Alimov S. A. Novaya konstrukciya vsasyvayuschego klapana gazoraspredelitel'nogo mehanizma sudovogo malorazmernogo dizelya // Vestn. mashinostroeniya. 2011. № 12. S. 44-46.
16. Stepanov V. N., Shlosser B. Eksperimental'noe podtverzhdenie celesoobraznosti vrascheniya zaryada v cilindre dizelya pri puske v usloviyah nizkih temperatur // Dvigatelestroenie, 1984, № 9. S. 5-6.
17. Pat. 2395699 Rossiyskaya Federaciya. S 1. Porshen'. Masuev M. A.; zayavl. 14.03.09; opubl. 27.07.10.
