Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Объектом исследования являются функциональные показатели судовых малоразмерных дизелей. Внедрение новых или известных технических решений по улучшению эксплуатационных показателей дизелей при их серийном производстве или модернизации предлагается как один из вариантов решения проблемы сокращения затрат при проектировании и производстве малоразмерных дизелей. Приведены обзоры конструкций судовых малоразмерных дизелей и возможных мероприятий по улучшению их эксплуатационных показателей. Сравнительная оценка качества двигателей внутреннего сгорания по определенной совокупности их параметров относится к числу задач, с которыми дизелистам приходится часто сталкиваться. Отмечается потребность в наличии разработанной методики сравнительной оценки качества судовых дизелей, универсальной при различных обстоятельствах: аттестации качества, анализе конкурентоспособности и пр. Отсюда вытекает необходимость решения следующей частной задачи - разработки методики аналитического определения стоимости судовых дизельных двигателей на основе их известных функциональных показателей, изложенных в проспектах фирм-производителей. Обновления или усовершенствования требуют методики оценки затрат и совокупного дохода от эксплуатации изделия или полученной прибыли. В качестве одной из подзадач рассматривается необходимость разработки технологии нанесения приработочных покрытий и научного обоснования подобного способа снижения потерь мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе. Новая технология позволит рассчитать эффективную мощность главного судового двигателя на основе действительных индикаторных диаграмм.

Ключевые слова:
судовой малоразмерный дизель, эксплуатационные показатели, оценка качества, смесеобразование, мощность дизеля, приработочное покрытие, индикаторная диаграмма
Текст
Введение Достигнутые к настоящему времени значения технического уровня современных и перспективных судовых дизелей базируются на высоких и сверхвысоких значениях показателей рабочего процесса, конструктивных и технологических решениях по элементам остова, цилиндропоршневой группы, системе топливоподачи и по применяемым материалам [1, 2]. Такой подход обуславливает высокий уровень затрат на исследования, проектирование и производство дизелей и является характерным для принципиально новых машин, а 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 функциональных показателей, базирующееся на внедрении в производство серийных или модернизируемых двигателей известных или новых технических решений. Каждое такое решение может давать небольшой количественный прирост эксплуатационных показателей, но, будучи примененными в совокупности, в силу принципа суперпозиции, они могут дать ощутимый эффект. В данном материале приводится ряд примеров применения изложенного подхода к улучшению функциональных показателей судовых малоразмерных дизелей (СМД) типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11. Обзор конструкций СМД Промышленность выпускает судовые малоразмерные дизели (с диаметром цилиндра ≤ 100 мм) типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 в двух-, четырех- и шестицилиндровом рядном исполнении. Данные двигатели (четырехтактные, высокооборотные, нереверсивные) используются в качестве главных двигателей для работы на винт на рыбопромысловых ботах, рабочих шлюпках, разъездных катерах и спасательных шлюпках (рис. 1), а также в качестве вспомогательных двигателей для привода судовых и промышленных электрогенераторов, сварочных генераторов, компрессоров, насосов и различных комбинированных агрегатов (рис. 2-4) [1-3]. Рис. 1. Дизель 4ЧСП 9,5/11 с реверсивно-редукторной передачей Рис. 2. Дизель 4Ч 9,5/11 в составе промышленной дизель-генераторной установки Рис. 3. Дизель 6Ч 9,5/11, используемый в составе судовой дизель-генераторной установки Рис. 4. Дизель 4Ч 9,5/11 в составе судовой комбинированной генератор-компрессор-насосной установки Технические данные и характеристики дизелей типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 приведены в источнике [4]. Двигатели выпускаются с двумя способами смесеобразования: вихрекамерным - с вихревой камерой сгорания, расположенной в головке цилиндров, объем которой составляет 90 % объема камеры сгорания (рис. 5, 6), и объемно-пленочным, с камерой сгорания полуразделенного типа, расположенной в поршне. Рис. 5. Схема вихрекамерной конструкции дизеля Рис. 6. Разрез вихрекамерной головки цилиндров На рис. 7 и 8 показаны конструкционная схема объемно-пленочного смесеобразования и поршни с тороидально-конической камерой сгорания. Рис. 7. Схема объемно-пленочного смесеобразования с камерой сгорания тороидально-конического типа в поршне Рис. 8. Поршень с «лепестковой» камерой сгорания Данный обзор приведен по литературным источникам [5, 6], а также по материалам, приведенным в работах Н. В. Пахомовой [7], А. П. Исаева [8]. Конструкция основных элементов для обоих способов смесеобразования принципиально одинакова, за исключением головок цилиндров и поршней. Обзор возможных мероприятий по улучшению эксплуатационных показателей СМД В таблице приведены сравнительные данные основных характеристик дизелей - зарубежных аналогов рассматриваемых машин. Сравнительные характеристики российских и зарубежных дизелей, близких по назначению и размерности, на первый взгляд, демонстрируют несомненные преимущества зарубежных машин. Сравнительные характеристики и технические данные зарубежных аналогов судовых малоразмерных двигателей Двигатель фирмы Параметр Kammins (США) Detroit Diesel (США) Damler-Benz (Германия) MTU (Германия) Perkins (Англия) Trator Valmet (Финляндия) Дагдизель (Россия) Число цилиндров 4 4 4 4 4 4 4 Диаметр цилиндра, мм 102 100 98 97,5 98,4 108 95 Ход поршня, мм 120 127 133 133 127 120 110 Рабочий объем, л 3,9 4 3,97 3,97 3,86 4,4 3,12 Средняя скорость поршня, м/с 10 10,6 11 11,5 11 10,4 7 Мощность, кВт 73 82 82 88 67,5 82 22,5 Частота вращения коленчатого вала, мин-1 2 500 2 500 2 600 2 600 2 600 2 600 1 500 Максимальный крутящий момент, Нм 330 381 350 378 299 363 169 Среднее эффективное давление, МПа 1,08 0,95 1,1 1,02 1,02 0,89 0,66 Удельный расход топлива, г/(кВт·ч) 231 228 232 203 210 219 254 Литровая мощность, кВт/л 18,7 20,5 20,7 22,2 17,2 18,6 10,1 Удельная масса, кг/кВт 4,5 3,6 4,1 3,9 4,8 4,2 13,2 Сравнительная оценка качества ДВС по определенной совокупности их параметров относится к числу задач, с которыми дизелистам приходится часто сталкиваться (например, при аттестации качества, обосновании планов создания новой техники, анализе конкурентоспособности на внешнем рынке и т. д.). Независимо от конечных целей, общий алгоритм решения задачи один и тот же: для оцениваемого двигателя подбирается один или несколько аналогов, после чего производится сопоставление числовых значений их показателей. Получаемые таким образом единичные оценки или рассматриваются дифференцированно, или сводятся к суммарному показателю и служат основанием для принятия решения об уровне качества, конкурентоспособности этого двигателя. Наиболее объективная и достоверная оценка была бы получена путем проведения сравнительных испытаний двигателей-аналогов по единой методике и в одинаковых условиях, а также на основании обобщенных данных об опыте их эксплуатации. Однако на практике часто не имеется ни самих образцов двигателя, ни исчерпывающих документально подтвержденных данных о них, а основными информационными источниками выступают материалы рекламных проспектов и каталогов, выпускаемых фирмами-изготовителями. Более того, фирмы выпускают рекламные проспекты новых моделей еще на стадии проектирования, до изготовления опытных образцов. Несопоставимость имеющихся информационных материалов обуславливается не только неодинаковой степенью достоверности, но и различиями в действующих национальных стандартах и нормах. Поэтому сравнение некоторых параметров возможно после их приведения к сопоставимому виду по внешним условиям, комплектности двигателей и т. д. Таким образом, при комплексной оценке качества конкретного двигателя прежде всего следует исходить из экспертной оценки значимости (коэффициента весомости) того или иного показателя в зависимости от атмосферных и внешних условий, характерных показателей режима эксплуатации, возможности выполнения квалифицированного и своевременного технического обслуживания и затребованного потребителем ресурса безаварийной работы. Экспертный метод определения коэффициентов весомости показателей путем их ранжирования рекомендован в теории и практике квалиметрии. Самый неочевидный из оценочных критериев для дизелей - удельная масса. При существующем многообразии двигателей по типу и назначению перед конструкторами стоят совершенно различные задачи. Если для авиационных двигателей или дизелей, устанавливаемых на судах с подводными крыльями, снижение массы является важнейшим фактором, то, например, для стационарных или обычных судовых двигателей требуется, прежде всего, экономичность, надежность, низкий уровень шума и вибрации, чему способствуют более массивные конструкции. Рекламируемая мощность, как правило, указывается по условиям ИСО без указаний о затратах мощности на привод вспомогательных механизмов, навешенных на двигатель, что приводит к дополнительному «увеличению» мощности на 5-9 %. В результате рекламируемая мощность зарубежных дизелей значительно превышает фактическую длительную мощность, реализуемую потребителем, следствием чего является занижение удельной массы двигателя. Таким образом, при сравнительных оценках российских и зарубежных дизелей, приводимых на основе разнородных информационных материалов, вступает в силу большое число факторов несопоставимости, совокупное действие которых придает этим оценкам весьма приблизительный характер. Следовательно, наиболее приемлемым для оценки качества машин представляется применение гипотетического эталона, сочетающего в себе наилучшие значения по каждому из показателей. Такой эталон объективен, состоятелен, универсален и удобен в расчетах. А проблема подбора объективного аналога для сопоставления качественных показателей оцениваемой машины методически не представляет каких-либо принципиальных затруднений. Трудности связаны лишь с недостатком информации и необходимостью приведения имеющейся информации к сопоставимому виду. Таким образом, необходима методика сравнительной оценки качества судовых дизелей, которой можно было бы воспользоваться при различных обстоятельствах: при аттестации качества, обосновании планов создания новой техники, анализе конкурентоспособности и т. п. Отдельно следует остановиться на стоимостных показателях. Это самые закрытые данные, о которых фактически нельзя получить информацию даже из каталожных материалов производителей и которые часто раскрываются только на переговорах по заключению контрактов. А эти данные необходимы уже на этапе начальной проработки проекта. Отсюда вытекает необходимость решения следующей частной задачи - разработать методику аналитического определения стоимости судовых дизельных двигателей на основе их известных функциональных показателей, изложенных в проспектно-каталожных материалах фирм-производителей. Нельзя не отметить комплекс работ, проведенный ОАО «Завод «Дагдизель», по разработке и созданию опытных образцов универсального двигателя ЭДП 45, который соответствовал по показателям всем современным двигателям. Тем не менее, недостижение (на данном этапе) заявленной частоты вращения коленчатого вала в 3 000 мин-1 не позволяет использовать данную машину во вспомогательных судовых энергетических установках, особенно электрогенераторах. Кроме того, в практике нередкими являются ситуации, когда для достижения высокого технического уровня изделий и его дальнейшего поддержания необходимо бывает осуществить столь большие финансовые вложения, которые в дальнейшем не удается компенсировать, не говоря уже о получении прибыли от эксплуатации. Не новой также является оптимизационная задача по взаимоувязке объема инвестиций в проектирование, производство и финансирование эксплуатационного обслуживания с теми показателями технического уровня изделия, которые будут необходимыми и достаточными - как для обеспечения его нормальной рентабельности в эксплуатации, так и для поддержания эксплуатационных показателей на приемлемых значениях в течение установленного срока службы. Новыми, обновленными или усовершенствованными могут быть методики оценки затрат и полученного в результате осуществления этих затрат совокупного дохода от эксплуатации изделия или полученной прибыли. Совершенствование смесеобразования В работах [9-11] проанализированы методы по совершенствованию протекания внутрицилиндровых процессов, разработанные и применяемые ведущими дизелестроительными фирмами: Robert Bosch Diesel Systems, L’Orange GmbH, MAN Diesel & Turbo и др. В части организации высококачественного смесеобразования лидируют системы Common Rail (CR1, CR2). Все чаще начинают применять системы изменения фаз газораспределения, например, разработанные фирмой Hyundai Heavy Industries. Однако данные методы целесообразно применять на вновь создаваемых перспективных машинах, как это сделано на дизеле D36. Если говорить о двигателях, уже стоящих на производстве со сложившейся технической и технологической инфраструктурой, то здесь более рациональным предполагается путь использования менее кардинальных, но достаточно эффективных технических решений, которые прошли определенную апробацию. Так, исследованы и апробированы способы комбинированного (внешнее + внутреннее) смесеобразования, когда часть цикловой подачи топлива (20-25 %) впрыскивается в смесительную камеру (перед впускным коллектором), где начинается предварительное смешивание с воздухом, затем процесс смесеобразования продолжается в периоды тактов наполнения цилиндра свежим зарядом и сжатия образовавшейся обедненной рабочей смеси, находящейся по составу вне пределов самовоспламенения. За эти периоды образуется гомогенная рабочая смесь, где уже началось образование свободных радикалов при уменьшении энергии активации молекул топлива. При впрыске основной порции цикловой подачи подготовленная к сгоранию смесь быстро воспламеняется и переходит в фазу развернутого горения при минимальном значении периода задержки самовоспламенения. При этом увеличивается индикаторная работа цикла, что дает рост индикаторного и эффективного КПД. Еще одним направлением по улучшению качества смесеобразования является работа по исследованию и апробации поршня с «лепестковой» камерой сгорания (см. рис. 8). Предложенная конструкция «лепестковой» камеры сгорания предусматривает формирование отдельного объема для каждой струи топливного факела наклонно расположенной форсунки при перпендикулярно расположенном днище камеры сгорания к оси форсунки. Такая форма камеры обеспечивает одинаковую длину свободного полета каждой струи и оптимальные условия внутреннего смесеобразования. Моторные испытания двигателя с «лепестковой» камерой сгорания, проведенные в лаборатории дизельного отдела ОАО «Завод «Дагдизель», показали достаточно приемлемые для проведения дальнейших работ результаты. Так, снижение ge, по сравнению с двигателем с серийной камерой сгорания в поршне на номинальном режиме, составило 5 г/(кВт·ч). Снижение потерь мощности на преодоление сил трения Важным фактором улучшения эксплуатационных показателей поршневых ДВС является снижение потерь мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе, которые составляют (по разным оценкам) от 47 до 53 % мощности всех внутренних потерь двигателя. Наиболее простым, с точки зрения конструкции и технологии, является достаточно известный метод формирования на зеркале цилиндра регулярного микрорельефа. Дизель 4Ч 9,5/11 с вибронакатанными цилиндровыми втулками был испытан в отраслевой лаборатории по судовым дизелям малой мощности Дагестанского государственного технического университета (ДГТУ). В ходе испытаний было выявлено повышение механического КПД на 1,5 %. Альтернативой вибронакатыванию является нанесение на зеркало цилиндра приработочных антифрикционных покрытий многокомпонентного состава. Перед нанесением приработочного покрытия зеркало цилиндра подвергается плосковершинному хонингованию для получения микрорельефа с требуемыми параметрами (рис. 9), после чего хонингованная поверхность обезжиривается и на нее наносится приработочное антифрикционное покрытие. Рис. 9. Профилограмма зеркала цилиндровой втулки Покрытие наносится посредством безабразивного хонингования, где в хон устанавливаются бруски многокомпонентного приработочного состава (фторопласт-графит-медь-олово). В данной работе в качестве одной из подзадач необходимо разработать технологию нанесения приработочных покрытий и дать научное обоснование способу снижения потерь мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе данным образом. Помимо этого, необходима общая аналитическая методика расчета потерь мощности на преодоление сил трения в цилиндропоршневой группе, что даст возможность рассчитать эффективную мощность главного судового двигателя на основе действительных индикаторных диаграмм. Повышению надежности и снижению потерь мощности на преодоление сил трения в коренных и шатунных подшипниках скольжения коленчатого вала способствует нанесение винтовых маслосгонных канавок на шейках. На каждую шейку наносится по две спиральные канавки правой и левой навивки с целью возврата части стекающего из зазора масла обратно в подшипник, что увеличивает давление в зазоре и способствует росту несущей способности подшипника, повышению его надежности за счет увеличения толщины масляного слоя. На рис. 10 показан коленчатый вал с маслосгонными канавками. Рис. 10. Коленчатый вал с маслосгонными канавками В ходе моторных испытаний в отраслевой лаборатории по судовым дизелям малой мощности ДГТУ были получены следующие результаты: - снижение удельного расхода топлива - 3,3 г/(кВт·ч); - снижение потерь мощности на преодоление сил трения в подшипниках опытного коленчатого вала дизеля 4Ч 9,5/11 составило 0,461 кВт; - влияние канавки на ослабление шейки и возрастание касательных напряжений пренебрежимо мало. Модернизация элементов остова Одним из направлений усовершенствования дизелей Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 явилась разработка конструкции, технологии получения заготовки, ее механической обработки и апробирования в условиях моторных испытаний алюминиевой головки цилиндров с биметаллическим (чугунно-алюминиевым) огневым днищем при участии доктора технических наук, профессора А. Ф. Дорохова и аспиранта В. В. Шахова. Такая конструкция продемонстрировала ряд технологических и эксплуатационных преимуществ (по массе, трудоемкости обработки, температурному состоянию огневого днища, клапанов и распылителя форсунки) перед серийной чугунной головкой. На рис. 11 показаны схема и общий вид алюминиевой головки цилиндров с биметаллическим огневым днищем. а б Рис. 11. Схема (а) и общий вид (б) головки цилиндров с биметаллическим огневым днищем: 1 - алюминиевый корпус; 2 - чугунная вставка; 3 - алитированный слой, удерживающий вставку в корпусе Моторные испытания алюминиевой головки цилиндров с биметаллическим днищем, проведенные на ОАО «Завод «Дагдизель» и в лаборатории проблем моторной энергетики Института физики Дагестанского научного центра РАН при Астраханском государственном техническом университете, показали следующие результаты: - снижение удельного расхода топлива у двигателя (4Ч 9,5/11) с алюминиевой головкой цилиндров с биметаллическим огневым днищем по сравнению с серийной машиной составило 6,6 г/(кВт·ч); - различия в массе составили: 9 кг - у алюминиевой головки, 19 кг - у чугунной; трудоемкость механической обработки алюминиевой головки снижена на 40 %. Направления развития судовых малоразмерных дизелей на ближайшую и среднесрочную перспективу Основные направления совершенствования судовых дизелей подробно изложены в Концепции развития судовых дизелей до 2020 г. и базируются на необходимости увеличения скорости хода судов, мощности судовых дизель-электрических установок. При этом недопустимо значительное увеличение массы и габаритов самих двигателей и установок на их базе. Все это в полной мере относится и к исследуемым типам дизелей, хотя здесь имеет место определенное противоречие, т. к. наряду с увеличением мощности двигателей необходимо поддерживать вибрации, жесткость машин и шумность работы в ограниченных пределах, а этому способствуют более массивные конструкции. Тем не менее, тенденции к росту удельных энергетических показателей, к снижению удельных расходов энергоносителей, снижению уровня токсичных составляющих в отработавших газах неоспоримы и будут являться превалирующим фактором при создании новых машин и модернизации существующих. В этой связи требования к повышению удельных энергетических показателей, росту экономичности и безопасности для окружающей среды обязательны и неизбежны для малоразмерных судовых дизелей типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11. Выводы Для реализации приведенных задач в лаборатории проблем моторной энергетики Института физики Дагестанского научного центра РАН при Астраханском государственном техническом университете, по согласованию с предприятием-производителем этих типов дизелей ОАО «Завод «Дагдизель», был произведен цикл работ по форсированию дизеля 4Ч 9,5/11 по среднему эффективному давлению путем газотурбинного наддува. Работы велись сотрудниками лаборатории (в том числе и авторами данной работы), аспирантами и студентами под руководством научного руководителя лаборатории, доктора технических наук, профессора А. Ф. Дорохова. В результате были получены достаточно эффективные данные. Одновременно проявился ряд факторов, негативно влияющих на функциональные характеристики двигателя, в основном это связано с неблагоприятным температурным и напряженно-деформированным состоянием рабочего цилиндра и сопряженных с ним элементов цилиндропоршневой группы. Серийная система термосифонного охлаждения данных дизелей, в силу малой и, главное, ненаправленной интенсивности теплоотвода от цилиндровой втулки, не в состоянии выровнять имеющуюся неравномерность распределения температур по периметру и высоте цилиндра (и это при достаточно умеренном уровне форсирования). Очевидно, что при более высоких уровнях форсирования температурное и напряженно-деформированное состояние рабочего цилиндра примет такие значения, что требуемые функциональные характеристики дизелей не смогут быть обеспечены. В этой связи в дальнейших исследованиях будут рассмотрены расчетно-аналитические, экспериментальные, модельные методы разрешения имеющейся проблемы.
Список литературы

1. Александров A. M., Залевский В. Н. Оценка предельного состояния цилиндропоршневой группы дизелей // Энергомашиностроение. 1976. № 8. С. 8-10.

2. Александров A. M., Королевский Ю. П. Нормирование износов основных деталей двигателей рыбопромысловых судов. М.: Пищевая промышленность, 1965. 134 с.

3. Alkock J. F. Thermal loading of Diesel Engines // Transactions of the Institute of Marine Engrs. 1965. No. 77 (1). P. 279-298.

4. Дизели Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11. Конструкция и руководство по эксплуатации. М.: Внешторгиздат, 1990. 260 с.

5. Ваншейдт В. А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. Л.: Судостроение, 1969. 639 с.

6. Дизели: справ. / под ред. В. А. Ваншейдта. M.; JI.: Машиностроение, 1964. 470 с.

7. Пахомова Н. В. Оценка ресурса сопряжения «цилиндровая втулка - поршневое кольцо» судовых малоразмерных дизелей // Изв. Самар. науч. центра Рос. акад. наук. 2013. Т. 15. № 6 (2). С. 443-448.

8. Исаев А. П. Рабочий процесс судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия: дис. … канд. техн. наук. Астрахань: Изд-во Астрахан. гос. техн. ун-та, 2012. 170 с.

9. Возницкий И. В., Пунда А. С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. В 2-х т. М.: Моркнига, 2008. Т. 2. 470 с.

10. Diesel Progres North American, MTZ, The Motor Ship. Обзор основных направлений развития дизелестроения. Владимир: Изд-во Науч.-исслед. констр.-технол. ин-та двигателей, 1998. 120 с.

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