АЛГОРИТМ РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ УТЕЧЕК РАБОЧЕГО ТЕЛА
Авторы:
1.
Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота Калининградского государственного технического университета
2.
Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота Калининградского государственного технического университета
3.
Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота Калининградского государственного технического университета
Тип:
Статья
Страницы:
с 131
по 136
Статус:
Опубликован
Получено:
20.10.2013
Одобрено:
25.10.2013
Опубликовано:
25.10.2013
Классификаторы:
УДК 621.436
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 39.455.54-011
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ББК 39.455.54-011
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
судовые среднеоборотные дизели, расчет рабочего процесса
Аннотация (русский):
Приведен анализ условий эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания. Отмечается значительное изменение основных параметров работы дизеля относительно соответствующих значений, полученных на стенде завода-изготовителя или в период сдаточных испытаний. В связи с известными трудностями по определению действительной эпюры износов деталей цилиндропоршневой группы без разборки двигателя, для оценки технического состояния применяются интегральные методы, основанные, в частности, на применении теплотехнических параметров. Отмечается необходимость применения расчетного метода для определения этих показателей с учетом влияния конструктивных и эксплуатационных факторов. Приводится укрупненный алгоритм расчета рабочего процесса.
Приведен анализ условий эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания. Отмечается значительное изменение основных параметров работы дизеля относительно соответствующих значений, полученных на стенде завода-изготовителя или в период сдаточных испытаний. В связи с известными трудностями по определению действительной эпюры износов деталей цилиндропоршневой группы без разборки двигателя, для оценки технического состояния применяются интегральные методы, основанные, в частности, на применении теплотехнических параметров. Отмечается необходимость применения расчетного метода для определения этих показателей с учетом влияния конструктивных и эксплуатационных факторов. Приводится укрупненный алгоритм расчета рабочего процесса.
Ключевые слова:
судовые среднеоборотные дизели, расчет рабочего процесса
судовые среднеоборотные дизели, расчет рабочего процесса
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.
1. Фока А. А. Судовой механик / А. А. Фока: справочник в 3 т. Т. 1. Одесса: Феникс, 2008. 1036 c.
2. Карпов Л. Н. Выбор объема контролируемых параметров судового дизеля для безразборной диагностики его технического состояния / Л. Н. Карпов, Е. А. Титов // Тр. Центр. науч.-исслед. и проект.-конструктор. ин-та морского флота. 1973. Вып. 174.
3. Грицай Л. Л. Диагностические параметры главных судовых малооборотных дизелей / Л. Л. Грицай, А. Ф. Горбунов, А. П. Калугин, Б. М. Левин // Тр. Центр. науч.-исслед. и проект.-конструктор. ин-та морского флота, 1973. Вып. 174.
4. Одинцов В. И. Разработка некоторых диагностических показателей работы ДВС / В. И. Одинцов // Тр. Калининград. техн. ин-та рыбной пром-сти и хоз-ва. Проектирование и эксплуатация энергетических установок промысловых судов. Калининград, 1980. Вып. 87. С. 15-19.
5. Одинцов В. И. Рабочий процесс судовых ДВС / В. И. Одинцов: моногр. Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. 141 с.
