Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассматриваются способы и результаты экспериментального исследования основных эксплуатационных показателей судового дизеля типа Ч 9,5/11 при его форсировании путём газотурбинного наддува. Определён комплекс внешних показателей двигателя при умеренной степени наддува. Установлены сравнительные температурные поля цилиндровой втулки и индикаторные диаграммы форсированного и дефорсированного вариантов двигателя. Приведены факторы, сдерживающие дальнейший рост уровня форсирования, намечены пути их нейтрализации. Работы выполнялись в совместной (Института физики Дагестанского научного центра РАН и Астраханского государственного технического университета) Лаборатории проблем моторной энергетики. Сотрудники Лаборатории форсировали тип серийного двигателя, который обладал наиболее низкими технико-экономическими показателями среди аналогичных машин. При этом были установлены нижние и верхние допустимые пределы форсирования, что позволит использовать существующие условия производства с минимумом конструкционных и технологических изменений.

Ключевые слова:
форсирование, газотурбинный наддув, термометрирование, индицирование, дефорсированный дизель, напряжённо-деформированное состояние, цилиндровая втулка
Текст
Введение Технический уровень современных и перспективных судовых дизелей базируется на высоких и сверхвысоких значениях показателей рабочего процесса, конструктивных и технологических решениях по элементам остова, цилиндропоршневой группы (ЦПГ), системы топливоподачи и по применяемым материалам [1, 2]. Такой подход обусловливает высокий объём затрат на исследования, проектирование и производство дизелей, является характерным для принципиально новых машин. Достигнутые показатели по существу являются предельными на значительную перспективу в силу конструктивных, технологических, материаловедческих и экономических ограничений. В этой связи весьма рациональным представляется направление улучшения эксплуатационных показателей, базирующееся на внедрении в производство серийных или модернизируемых двигателей известных или новых технических решений. Описание объекта исследований Судовые дизели типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 (в 2-х, 4-х и 6-цилиндровом исполнении) со времени своего создания в начале 50-х гг. XX в. и по настоящее время являются дефорсированными и обладают весьма низкими, по сравнению с современными машинами, эксплуатационными показателями. Тем не менее они продолжают использоваться во флоте в качестве главных двигателей малых судов (служебные и разъездные катера, рыбопромысловые боты, спасательные шлюпки), а также как вспомогательные, в качестве приводов судовых электрогенераторов и различных комбинированных агрегатов. С целью улучшения эксплуатационных показателей этих двигателей, без кардинального изменения их конструкции, технологии изготовления и без замены материалов основных элементов, Лаборатория проблем моторной энергетики (ЛПМЭ) в г. Астрахани (совместной с Институтом физики Дагестанского научного центра Российской академии наук (ДНЦ РАН) и Астраханского государственного технического университета (АГТУ)) по согласованию с производителем этих типов дизелей ОАО «Завод «Дагдизель» ведет работы по форсированию дизеля 4Ч 9,5/11 по среднему эффективному давлению путём газотурбинного наддува. Ряд попыток форсировать данные двигатели, предпринятые в 70-80-х гг. XX в., по разным причинам не увенчались успехом. В настоящее время ОАО «Завод «Дагдизель» ведёт работы по созданию нового форсированного двигателя, но эти работы продвигаются очень медленно в силу различных причин. Объект исследования в ЛПМЭ - судовой дизель 4Ч 9,5/11 с двухконтурной, водо-водяной, комбинированной системой охлаждения (принудительная циркуляция теплоносителя в головке цилиндров и термосифонная в блоке) и вихрекамерным смесеобразованием. На двигатель был установлен турбокомпрессор ТКР-6 со всеми необходимыми коммуникациями. На рис. 1 показан испытательный стенд на базе модернизированного дизеля 4ЧН 9,5/11. Рис. 1. Испытательный стенд на базе дизеля 4Ч 9,5/11 модернизированного в дизель 4ЧН 9,5/11 Тормозным устройством являлся генератор постоянного тока П-81, нагружаемый пакетом тепловых электрических нагревателей (ТЭНов). Стенд был оборудован штатным набором контрольно-измерительных приборов. Для оценки уровня температурного состояния деталей ЦПГ в цилиндровую втулку второго рабочего цилиндра были установлены 24 хромель-алюмелевые термопары. На рис. 1 показаны выводы электродов термопар во фторопластовых чехлах из блока цилиндров. На рис. 2 показана цилиндровая втулка после извлечения её из блока. Кроме втулки, термометрировался всасывающий клапан. Показания термопар регистрировались мультиметром MY62. Рис. 2. Цилиндровая втулка с установленными в ней термопарами Для исследования и анализа внутрицилиндровых процессов стенд был оборудован измерительным комплексом для снятия индикаторных диаграмм (рис. 3). Рис. 3. Разрез головки цилиндров с датчиком динамического давления На рис. 3 представлен разрез головки цилиндров с местом установки (вместо штатной свечи накаливания) датчика динамического давления производства ООО «Глобалтест» модели PS01. Результаты экспериментальных исследований Результаты экспериментальных исследований представлены в протоколах испытаний. Индикаторные диаграммы, находящиеся в файлах, созданных при помощи программного продукта Oscilloscope PCSU1000, были в соответствии с тарировочной диаграммой датчиков переведены в Microsoft Excel 2007. В результате обработки данных программой строится индикаторная диаграмма (как свернутая, так и развернутая). Экспериментальная индикаторная диаграмма представлена на рис. 4. Для сравнения на рис. 5 показана индикаторная диаграмма дизеля Ч 9,5/11. Рис. 4. Развёрнутая индикаторная диаграмма двигателя ЧН 9,5/11 Рис. 5. Индикаторная диаграмма двигателя Ч 9,5/11 В табл. 1 и 2 приведены показатели рабочего процесса дизеля 4ЧН 9,5/11 при работе на режимах нагрузочной и винтовой характеристик. Номинальная эффективная мощность серийного судового вихрекамерного дизеля 4Ч 9,5/11 - 22 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1500 мин-1 и удельном эффективном расходе топлива 0,279 кг/(кВт · ч). Эффективная мощность дизеля 4ЧН 9,5/11 составляет 27 кВт (n = 1500 мин-1) при удельном эффективном расходе топлива 0,24 кг/(кВт · ч). Мощность в 27 кВт была принята по соображениям поддержания на приемлемом уровне внешних показателей двигателя - температуры; давления воды и масла; температуры отработавших газов; температуры цилиндровой втулки и клапанов, при его исходной серийной комплектации. Фактически дизель развивал мощность 30 кВт и больше, но при этом стали проявляться дефекты, связанные с недостаточной жёсткостью элементов остова, недостаточной производительностью насосов системы охлаждения, и другие факторы. Таблица 1 Показатели двигателя на режимах нагрузочной характеристики Показатель Режим Холостой ход 25 % 50 % 75 % 100 % Эффективная мощность Ne, кВт 0 6,75 13,5 20,3 27 Среднее эффективное давление ре, МПа - 0,17 0,34 0,52 0,69 Часовой расход топлива Gт, кг/ч 1,46 2,39 3,56 4,75 6,5 Удельный эффективный расход топлива gе, кг/(кВт · ч) - 0,354 0,264 0,234 0,24 Таблица 2 Показатели двигателя на режимах винтовой характеристики Показатель Режим 50 % 75 % 100 % Частота врашения n, об/мин 1 190 1 360 1 500 Эффективная мощность Ne, кВт 17 22,4 27 Среднее эффективное давление ре, МПа 0,549 0,633 0,687 Часовой расход топлива Gт, кг/ч 3,67 4,77 6,5 Удельный эффективный расход топлива gе, кг/(кВт · ч) 0,216 0,213 0,240 Анализ результатов исследований Результаты термометрирования цилиндровой втулки исследуемого дизеля в форсированном и дефорсированном вариантах представлены на рис. 6. Рис. 6. Показания термопар 1-6 (со стороны 1-го цилиндра) Показания термопар свидетельствуют о значительном превышении температурного уровня цилиндровой втулки форсированного дизеля перед дефорсированным вариантом. Для сравнения брались результаты ранее проведённых исследований данных типоразмеров дизелей [3, 4]. При этом, как и ожидалось, температурное поле, особенно в верхних поясах термопар, представляет собой односторонне вытянутый эллипс, большая ось которого находится в плоскости качания шатуна и направлена в сторону вихревой камеры (показания термопар 7-12) (рис. 7). Рис. 7. Показания термопар 7-12 (со стороны вихревой камеры) Это должно привести к значительной деформации не только цилиндровой втулки, но и всей ЦПГ, что, в свою очередь, приведёт не только к ухудшению показателей рабочего процесса, но и к резкому возрастанию интенсивности изнашивания деталей ЦПГ, а следовательно, и к непрогнозируемому снижению ресурса двигателя (рис. 8-9). Рис. 8. Показания термопар 13-18 (со стороны 2-го цилиндра) Рис. 9. Показания термопар 19-24 (со стороны выхлопного коллектора) В то же время знание температурных полей позволит решить задачу стационарной теплопроводности посредством разработки математической модели теплопередачи через стенку цилиндровой втулки [5], а решение этой модели даст значения и распределение тепловых потоков, общих количеств теплоты и выявит скрытые источники теплоты. Эти данные позволят получить общую эпюру тепловых потоков и дадут возможность принять решение о правильной организации движения теплоносителя в системе охлаждения с целью снижения неравномерного напряжённо-деформированного состояния ЦПГ. Заключение В ходе испытаний дизеля 4ЧН 9,5/11 с повышенным уровнем форсирования (при значениях мощности 30 кВт и выше) выявлен ряд факторов, требующих внесения конструкционных изменений в элементы и системы двигателя. Было установлено нарушение плотности газового стыка головки и блока цилиндров из-за недостаточной жёсткости днища головки в виде его прогиба, а также превышение температурного уровня теплоносителя системы охлаждения и масла в системе смазки и падение давления в обеих системах. Сотрудники ЛПМЭ знают направления решения возникших проблем, но это требует согласования с производителем дизелей ОАО «Завод «Дагдизель» и с Институтом физики ДНЦ РАН как с соучредителем Лаборатории. Работы по исследованию показателей форсированного дизеля велись под научным и организационным руководством профессора А. Ф. Дорохова. Основными исполнителями работ являлись: ведущий инженер Лаборатории К. К. Колосов, инженер А. И. Чернов, инженер В. В. Шахов, заведующий лабораторией кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета Е. А. Малютин. Консультантом по отдельным вопросам исследований стал заведующий отделом физико-технических проблем машиноведения Института физики ДНЦ РАН профессор М. М. Абачараев.
Список литературы

1. Конкс Г. А. Мировое судовое дизелестроение / Г. А. Конкс, В. А. Лашко // Концепции конструирования, анализ международного опыта. М.: Машиностроение, 2005. 512 с.

2. Возницкий И. В. Судовые двигатели внутреннего сгорания / И. В. Возницкий, А. С. Пунда. М.: МОРКНИГА, 2008. Т. 1. 283 с.

3. Дорохов А. Ф. Температурное состояние деталей ЦПГ малоразмерного дизеля при различных способах смесеобразования / А. Ф. Дорохов. Двигателестроение. 1980. № 4. С. 15-18.

4. Дорохов А. Ф. Температурное состояние ЦПГ судовых малоразмерных дизелей / А. Ф. Дорохов, В. Н. Бочкарев. Двигателестроение. 1986. № 11. С. 51-52.

5. Дорохов А. Ф. Анализ теплопередачи через стенку цилиндра судового вспомогательного дизеля / А. Ф. Дорохов. Двигателестроение. 1987. № 6. С. 6-8.