ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРИ ДИЗЕЛЬНОМ И ГАЗОДИЗЕЛЬНОМ РАБОЧЕМ ПРОЦЕССЕ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЕ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
По экспериментальной индикаторной диаграмме были определены характеристики тепловыделения судового двигателя, работающего по дизельному и газодизельному рабочему процессу, с целью сравнения степени интенсивности использования теплоты. Приведены схемы расчета коэффициента активного тепловыделения в характерных точках индикаторных диаграмм. Рассмотрены результаты расчета для судового двигателя 2Ч 9,5/11 (2ЧГ 9,5/11) и дан сравнительный анализ. На основании расчета можно оценить влияние вида топлива, способа смесеобразования, типа камеры сгорания и также коэффициента избытка воздуха на тепловыделение и показатели рабочего процесса в судовом газодизельном двигателе.

Ключевые слова:
газодизельный рабочий процесс, судовой двигатель, коэффициент активного тепловыделения, индицирование, характерные точки, внутренняя энергия, температура, давление, газовое топливо
Текст
Введение Важным направлением развития судовых двигателей является повышение энергетической эффективности, топливной экономичности и экологической безопасности в соответствии с их перспективными нормами. Значения мощностных, экономичностных и экологических показателей двигателя обусловливаются организацией рабочего процесса и родом применяемого топлива, что, в свою очередь, определяет интенсивность процессов сгорания и тепловыделения в цилиндре. В этой связи актуальной является задача перевода некоторых типов судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на газодизельный рабочий процесс, который достаточно хорошо изучен и апробирован для транспортных и стационарных двигателей [1–3 и др.], но недостаточно исследован для судовых ДВС. Определение характеристик тепловыделения при анализе показателей судового двигателя при различных способах организации рабочего процесса Известно, что, пользуясь характеристическими уравнениями, можно достаточно точно, по данным индикаторной диаграммы и стехиометрических расчетов, определить первый член уравнения тепловыделения – изменение внутренней энергии на любом участке индикаторной диаграммы. Под характеристикой активного тепловыделения понимается отношение количества теплоты, идущей на повышение внутренней энергии и совершение работы Q, к количеству располагаемой теплоты топлива, поданного за один цикл в цилиндр двигателя Qц, т. е. Зная, по индикаторной диаграмме, зависимость изменения давления от объема цилиндра и используя уравнение первого закона термодинамики, можно определить количество теплоты, выделившейся при сгорании топлива, т. е. Принимая, с некоторой погрешностью, состав рабочего тела внутри цилиндра однородным и используя характеристическое уравнение в виде pV = GRT, определим температуру смеси. Зная р, V, T, расчетным путем можно определить изменение внутренней энергии dU и работы в тепловых единицах pdV. Для построения характеристики тепловыделения по графику определим изменение объема над поршнем в зависимости от угла поворота коленчатого вала (ПКВ) φ и затем построим совмещенные графики и [4]. Далее определяем текущую температуру в цилиндре двигателя как , где – соответственно давление и объем камеры сгорания, соответствующие расчетному углу φ; G – масса рабочего тела внутри цилиндра. Определение текущего объема камеры сгорания Для решения уравнения рассчитываем объем над поршнем в зависимости от угла ПКВ по формуле . Для судового двигателя 2Ч 9,5/11 . Результаты расчета приведены в табл. 1. Таблица 1 φкв 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Vφ, дм3 0,04873 0,07821 0,161 0,282 0,420 0,5558 0,6718 0,7583 0,8109 0,8284 Для исследования внутрицилиндровых процессов кафедрой «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета отработана методика индицирования [5]. При экспериментальном исследовании показателей необходимо проводить два цикла: испытания серийного дизеля 2Ч 9,5/11 и его газодизельного аналога. Описание экспериментальных установок для сравнительного исследования дизельного и газодизельного рабочих процессов приведёно в [6]. Результаты расчета нагрузочной характеристики двигателя 2Ч 9,5/11 с камерой сгорания в поршне при работе по дизельному рабочему процессу и газодизельному циклу представлены в табл. 2. Таблица 2 Результаты расчета показателей двигателя 2Ч 9,5/11 с камерой сгорания в поршне при работе по нагрузочной характеристике Показатель Вид цикла Газодизельный Дизельный Эффективная мощность Nе, кВт 8,786 10,479 Среднее эффективное давление ре, МПа 0,446 0,543 Эффективный крутящий момент Мкр, Н·м 55,38 67,46 Часовой расход дизельного топлива Gт, кг/ч 0,651 2,322 Часовой расход газового топлива Gг, кг/ч 0,4091 – Удельный эффективный расход дизельного топлива gет, кг/(кВт·ч) 0,074 0,222 Удельный эффективный расход газового топлива gег, кг/(кВт·ч) 0,0465 – Данные обработки результатов, полученных при исследовании внутрицилиндровых процессов, представлены на рисунке в виде развернутых совмещённых индикаторных диаграмм (рис. 2). Совмещенные индикаторные диаграммы дизеля и газодизеля: _ – диаграмма дизельного цикла, ------- – диаграмма газодизельного цикла Масса рабочего тела внутри цилиндра , где – масса воздуха, всасываемого двигателем, кг; – масса остаточных газов, кг; – масса топлива, кг. Для судового газодизельного двигателя 2ГЧ 9,5/11, согласно результатам экспериментальных исследований: – часовой расход дизельного топлива, кг/ч: – часовой расход газового топлива, кг/ч: – плотность атмосферного воздуха, кг/м3: , где pa = 760 мм рт. ст. – атмосферное давление; ta = 17 °С – температура окружающего воздуха; – часовой расход воздуха, кг/ч: ; – масса воздуха, поданного в цилиндр за один цикл, кг: ; – масса дизельного топлива, поданного в цилиндр за один цикл, кг: ; – масса газового топлива, поданного в цилиндр за один цикл, кг: ; – масса свежего заряда, кг: ; – масса остаточных газов, кг: ; – масса рабочего тела внутри цилиндра, кг: Универсальная газовая постоянная смеси определяется по формуле Riсмеси = (Ri1m1+ Ri2m2 +...+ Rinmn) / (m1 + m2 +…+ mn), где Rij – индивидуальная газовая постоянная j-й компоненты; m1, m2, ..., mn – масса каждой компоненты газовой смеси. В начале процесса горения газовая постоянная может быть принята равной газовой постоянной смеси воздуха и газового топлива. По мере протекания процесса горения значение газовой постоянной будет приближаться к значению газовой постоянной продуктов сгорания. Для упрощения расчета было принято среднее значение газовой постоянной для свежего заряда и отработавших газов. Опыт показал, что разница между значениями газовой постоянной свежего заряда и отработавших газов колеблется в пределах 4–6 %. Следовательно, среднее значение, принятое для расчета, будет отклоняться от истинного значения не более чем на 2,5 %. Газовое топливо для эксперимента – сжиженный пропан-бутан, величину газовой постоянной свежего заряда можно определить по формуле Rсвеж = (Rгаз.mгаз+ Rвозд.mвозд)/(mгаз + mвозд) = (166.0,4091+287.62,14)/(62,14+0,4091) = 286,43 Дж/(кг ∙ К). Газовую постоянную продуктов сгорания смеси из 50 % дизельного топлива + 50 % газа по [4] примем Rпр.сг = 300 Дж/(кг ∙ К). Тогда величина газовой постоянной в процессе сгорания R = (Rсвеж + Rпр.сг)/2 = 293 Дж/(кг ∙ К). Для дизеля: – масса воздуха, поданного в цилиндр за один цикл, кг: ; – масса дизельного топлива, поданного в цилиндр за один цикл, кг: ; – масса свежего заряда в цилиндр за один цикл, кг: ; – масса остаточных газов, кг: ; – масса рабочего тела внутри цилиндра, кг: . Для дизеля можно принять R = 285 Дж/(кг ∙ К). Зная указанные параметры, можно определить текущую температуру в цилиндре двигателя, К: . Результаты расчета Тφ для газодизеля приведены в табл. 3. Таблица 3 φ 350 360 370 373 (Рмах) 376 (Тмах) 380 390 400 410 420 430 440 P, МПа 2,42 3,90 6,50 6,565 6,23 4,83 3,31 2,00 1,28 0,80 0,50 0,35 Т, К 640 895 1 720 1 895 1 986 1 778 1 770 1 516 1 313 1 062 824 692 Результаты расчета Тφ для дизельного цикла приведены в табл. 4. Таблица 4 φ 350 360 370 (Рмах) 373 (Тмах) 380 390 400 410 420 430 440 P, МПа 3,08 4,277 7,39 7,09 5,12 3,39 2,22 1,48 1,02 0,73 0,50 Т, К 806 971 1 935 2 025 1 866 1 796 1 665 1 503 1 340 1 191 979 Анализ значений изменения температуры по углу ПКВ показывает, что процесс горения не заканчивается в точках, соответствующих максимальным давлению и температуре, а продолжается по линии расширения. Это особенно характерно при работе двигателя на смесях газа с дизельным топливом при пониженных нагрузках. Значения молярных теплоемкостей можно определить по формуле где ri – объемная доля компонента; – теплоемкость компонентов. ; ; ; , тогда теплоемкость смеси Формула в общем виде примет вид Опыт показал, что значения а и b для различных смесей мало различаются, т. е. теплоемкость смеси отработавших газов практически не зависит от доли газа в топливной смеси. Отклонение значений теплоемкостей при различных а для различных топливных смесей не превышает 0,5–0,6 %, что находится в пределах точности расчета. В характерных точках аппроксимируем линию сгорание – расширение индикаторной диаграммы по следующим участкам [7]: 1. – (т. е. отрыв линии сгорания от линии сжатия) до верхней мертвой точки (ВМТ); 2. От ВМТ до 3. От до 4. От до b’. Формула для расчета тепловыделения имеет вид , где – изменение внутренней энергии;– работа заряда. Для точки Тмах (т. е. конца видимого сгорания) уравнение примет вид Введем для упрощения формулы следующие обозначения: , , , , , где и – соответственно геометрическая и действительная степени сжатия; и – действительные степени расширения от до Подставляя указанные обозначения в уравнение и принимая во внимание известные термодинамические выражения, получим и , где и . После простых преобразований получим На основании полученных теоретических и экспериментальных данных определим значения, входящие в приведенную выше формулу: , или . Для газодизеля 2ГЧ 9,5/11: При Тмах = 1986 К, Для дизеля 2Г 9,5/11: При Тмах = 2025 К, Подставляя численные значения в основную формулу, получим значения коэффициента активного тепловыделения: Остальные данные расчета приведены в табл. 5. Таблица 5 Параметр Дизель Газодизель 4,450 4,05 4,277 3,826 1,04 1,06 7,39 6,565 7,09 6,23 1,042 1,053 0,82843 0,82843 0,04873 0,04873 17 17 0,0495 0,0495 16,73 16,73 0,0562 0,0613 14,74 13,51 0,0613 0,06771 13,51 12,23 Поставляя численные значения в основную формулу, получим значения коэффициента активного тепловыделения для газодизеля: и для дизеля: Для точки Рмах Для определения коэффициента активного тепловыделения в точке пользуемся формулой из [8] с условием, что в указанной точке Тогда где . Поставляя численные значения в основную формулу, получим значения коэффициента активного тепловыделения для газодизеля: и для дизеля: Для точки b’ начала выпуска Далее определяем коэффициент активного тепловыделения в конце расширения для точки b’ по формуле . Значения определяем при условии, что выпускные клапаны открывают при 40° угла ПКВ до нижней мертвой точки [9]; тогда получим значения коэффициента активного тепловыделения для газодизеля: и для дизеля: Результаты приведены в табл. 6. Таблица 6 Тип Точка отрыва Точка Рмах Точка Тмах Точка b’ Дизель ξ = 0 ξpмах = 0,69 ξTмах = 0,745 Газодизель ξ = 0 ξTмах = 0,62 ξTмах = 0,71 Заключение Важным направлением развития судовых двигателей являются повышение энергетической эффективности, топливной экономичности и экологической безопасности в соответствии с их перспективными нормами. Значения мощностных, экономичностных и экологических показателей двигателя определяется организацией рабочего процесса и родом применяемого топлива, что, в свою очередь, определяет интенсивность процессов сгорания и тепловыделения в цилиндре. В этой связи актуальной является задача перевода некоторых типов судовых ДВС на газодизельный рабочий процесс, который достаточно хорошо изучен и апробирован для транспортных и стационарных двигателей [1–3 и др.], но недостаточно исследован для судовых ДВС. Коэффициент активного тепловыделения у дизеля в характерных точках выше, чем у газодизеля. Результаты расчета показывают примерно одинаковую продолжительность горения при работе двигателя по дизельному и газодизельному циклу. Из индикаторной диаграммы и значений температуры цикла видно, что у дизеля максимальное значение давления сгорания рмах и максимальное значение температуры сгорания Тмах достигается ранее, чем у газодизеля. Решение задачи по обеспечению высокой энергетической эффективности при приемлемой топливной экономичности и пониженного уровня уровня токсичных составляющих в отработавших продуктах сгорания может быть найдено путём исследования и определения необходимых значений регулировочных параметров – цикловых величин топливоподачи, углов опережения впрыска жидкого топлива, степени гомогенизации газовоздушной смеси и др., а также возможности форсирования двигателя наддувом.
Список литературы

1. Коллеров Л. К. Газовые двигатели поршневого типа / Л. К. Коллеров. М.: Машиностроение, 1986. 248 с.

2. Генкин К. И. Газовые двигатели / К. И. Генкин. М.: Машиностроение, 1977. 196 с.

3. Епифанов B. C. Эксплуатация судовых энергетических установок на природном газе / B. C. Епифанов. М.: ТрансЛит, 2010. 212 с.

4. Мамедова М. Д. Работа дизеля на сжиженном газе / М. Д. Мамедова. М.: Машиностроение, 1980. 149 с.

5. Исаев А. П. Метод индицирования судовых малоразмерных дизелей / А. П. Исаев, К. К. Колосов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2009. № 2. С. 155–161.

6. Апкаров И. А. Газодизельный цикл как основа моторной энергетики малого и среднего производственного предпринимательства в сельском хозяйстве и рыболовстве / И. А. Апкаров, А. Ф. Дорохов, А. А. Музаев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2010. № 2. С. 47–51.

7. Стечкин Б. С. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя / Б. С. Стечкин, К. И. Генкин, B. C. Золотаревский, Скородинский И. В. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 199 с.

8. Дизели. Справочник / под общ. ред. В. А. Ваншейдта, Н. Н. Иванченко, Л. К. Коллерова. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. 480 с.

9. Дизели Ч 8,5/11, Ч 9,5/11. Руководство по эксплуатации 2452018 РЭ на рус. и англ. яз. М.: Внешторгиздат. Изд. № 8026эс. 273 с.