Результаты исследования судового малоразмерного дизеля, форсированного по среднему эффективному давлению Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436-181.4-986:629.5 ББК 39.455.54

К. К. Колосов

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СУДОВОГО МАЛОРАЗМЕРНОГО ДИЗЕЛЯ, ФОРСИРОВАННОГО ПО СРЕДНЕМУ ЭФФЕКТИВНОМУ ДАВЛЕНИЮ

K. K. Kolosov

RESULTS OF RESEARCH OF MARINE LOW-SIZED DIESEL ACCELERATED BY MIDDLE EFFECTIVE PRESSURE

Показана необходимость повышения технического уровня отечественных судовых малоразмерных дизелей. Представлены результаты экспериментальных исследований дизеля 2Ч 9,5/11, работающего по нагрузочной и винтовой характеристикам при различных способах смесеобразования. Приведены результаты расчета нагрузочных и винтовых характеристик. Представлены свернутые индикаторные диаграммы.

Ключевые слова: дизель, форсирование, винтовые и нагрузочные характеристики, индикаторные диаграммы, способ смесеобразования.

The necessity of increasing of the technological level of domestic marine low-sized diesel engines is shown. The results of experimental researches of 2Ч 9.5/11 diesel engine operating on loading and screw characteristics using various methods of mixture formation presented. The results of calculation of loading and screw characteristics are given. The reductive indicator diagrams are shown.

Key words: diesel, accelerating, spiral and loading characteristics, indicator diagrams, method of mixture formation.

Судовые малоразмерные дизели (СМД) типов Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11 широко используются во многих отраслях производственной и непроизводственной деятельности в качестве главных двигателей малых судов (промысловых, рабочих, спортивных, прогулочных, спасательных); судовых вспомогательных, для привода электрогенераторов и различных комбинированных агрегатов; промышленных, для привода систем жизнеобеспечения и технологических систем (стационарных и передвижных электростанций, сварочных электрогенераторов) и др. Учитывая то, что эти двигатели являются единственными в РФ, обеспечивающими мощностный ряд в пределах 10^45 кВт, проблемы, связанные с достижением их высокого технического уровня (отвечающего мировому) и качества изготовления, соответствующего выполняемым функциям, являются перманентно актуальными, требующими необходимых и достаточных научнотехнических и технологических решений. Всё это предопределяет необходимость разработки и внедрения в практику проектирования и производства СМД научных принципов обоснования качественных показателей исходя из специфики их эксплуатации. В настоящее время технический уровень отечественных серийно выпускаемых СМД достаточно низок; литровая мощность этих дизелей составляет около 10 кВт/л, у ведущих зарубежных производителей - в среднем 19 кВт/л; удельная масса зарубежных дизелей составляет 3,6^4,8 кг/кВт, отечественных СМД - » 13,2 кг/кВт. В связи с этим очевидна необходимость повышения технического уровня отечественных СМД [1].

Основным путем повышения мощности и экономичности двигателей в настоящее время остается форсирование по среднему эффективному давлению, поэтому, после теоретических исследований и проработки конструктивных особенностей СМД на кафедре «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета, была сконструирована экспериментальная установка на базе дизеля 2Ч 9,5/11. Установка позволяет проводить комплексные испытания СМД как по винтовой, так и нагрузочной характеристикам со снятием индикаторных и теплобалансовых показателей форсированного дизеля при различных способах смесеобразования [2].

Основные показатели, полученные при экспериментальном исследовании форсированного дизеля 2ЧН 9,5/11, представлены в табл. 1-4: n - частота вращения; I - сила тока; U - напряжение; ¿м - температура масла; ¿вхвозд - температура воздуха на входе; ¿вхв - температура воды на входе; ¿выхв - температура воды на выходе; ¿К0ЛОГ - температура отработавших газов в коллекторе; ¿1цОГ - температура отработавших газов в 1-м цилиндре; ¿2цОГ - температура отработавших

газов во 2-м цилиндре; ЛGт - объем расходуемого топлива; тт - время расходования топлива; ЛGв - объем расходуемой воды; тв - время расходования воды; АН - разность давлений в дифференциальном манометре; рк - давление во впускном коллекторе.

Таблица 1

Усредненные значения показателей работы вихрекамерного дизеля 2ЧН 9,5/11 с наддувом по нагрузочной характеристике

Режим п, об/мин I, А и, В I °С *м» С лх °с 1 воздо С Гв, °С ^вых °С жол о/"'' I ОГ, С Лц ос I ОГ, С #2ц ос I ОГ, С Абт, мл Тт с АбВ, л Тв, с Ай, мм вод. ст. Рь мм вод. ст.

100 % 1 502 40,8 230 76 45 75 85 395 434,3 417 95 118,3 10 39 191 379

75 % 1 523,3 29,8 230 70,7 41 68 77,3 290 324,7 319,7 98,7 149,3 10 36 197 331,7

50 % 1 494,3 18 230 66 40 60 68 216,7 268,3 218 97,67 200,3 10 38 197,7 326,7

25 % 1 475 7 230 61,7 38 55 61,7 150 174,7 172,7 98 282,3 10 37 195 313,3

Холостой ход (х. х.) 1 493,7 - 230 55 37,3 51,7 56,7 136,7 156,7 135,3 98 356,7 10 36 205 278,3

Таблица 2

Усредненные значения показателей работы вихрекамерного дизеля 2ЧН 9,5/11 (с наддувом) по винтовой характеристике

Режим п, об/мин I, А и, В I °С С івх °с 1 воздо С Гв, °С ^вык °С ¿кол О/"'' I ОГ, С Лц ос I ОГ, С #2ц ос I ОГ, С Абт, мл Тт, с АСв, л Тв, с Ай, мм вод. ст. Рь мм вод. ст.

100 % 1 502 40,8 230 76 45 75 85 395 434,3 417 95 118,3 10 39 191 386

75 % 1 379 30,8 230 73,3 42 68 78 285 322,3 333 98,7 156,3 10 45,3 178 504

50 % 1 188 24 180 69 40 62 71,7 200 233 237 100 226,3 10 54,7 147 616

25 % 965 15,7 120 62,3 37 55 62,3 110 136 165 50 199,7 10 68,3 121 885

Таблица 3

Усредненные значения показателей работы дизеля 2ЧН 9,5/11 (с наддувом) с камерой сгорания в поршне по нагрузочной характеристике

Режим п, об/мин I, А и, В I °С *-м» С лх °с 1 воздо С 1вхв, °С ^вЫ1Х °С ¿кол О/"'' I ОГ, С /*Ц I ОГ, °С #2ц ос I ОГ, С Абт, мл с АСв, л Тв, с Ай, мм вод. ст. Рь мм вод. ст.

100 % 1 476,7 40,7 230 85 58 81,7 91,3 325 470,7 533,3 35,7 54,7 10 33,2 170 405

75 % 1 500 30 230 82 55 74,3 86,7 225 334 394,7 30 74 10 34 180 378

50 % 1 500 18 230 74 51 69,7 78 183,3 226,7 253,7 31 104,7 10 33,7 181 336,7

25 % 1 490 7 230 65,7 48,7 61,3 70 128,3 144,7 194,7 80, 7 324 10 33,3 185 320

Х. х. 1 516,7 - 230 57,7 46 57,3 64 100 108 149,3 100 378,7 10 32,7 195 276,7

Таблица 4

Усредненные значения показателей работы дизеля 2ЧН 9,5/11 (с наддувом) с камерой сгорания в поршне по винтовой характеристике

Режим п, об/мин I, А и, В I °С мС лх °с 1 воздо С Гв, °С ^вы1х °С ¿кол О/"'' I ОГ, С Лц ос I ОГ, С #2ц ос I ОГ, С Абт, мл Тт с АСв, л Тв, с Ай, мм вод. ст. Рь мм вод. ст.

100 % 1 476,7 40,7 230 85 58 81,7 91,3 325 470,7 533,3 35,7 54,7 10 33,2 170 405

75 % 1 363,3 30 230 81,7 56,3 77 83,7 243,3 319 411,7 32 77,3 10 35 170 390

50 % 1 193,3 24 190 78 56,7 68 76,3 180 221,7 301,7 37,3 118 10 45 125 643,3

25 % 956,7 18 140 74 54,7 62 70,3 121,7 140,7 222,3 51 235 10 55 95 903,3

Приведенные выше экспериментальные данные позволяют провести расчет характеристик и получить основные показатели работы форсированного двигателя. Результаты расчета представлены в табл. 5-8.

Таблица 5

Результаты расчета нагрузочной характеристики вихрекамерного дизеля 2ЧН 9,5/11 с наддувом

Показатель Режим

Х. х. 25 % 50 % 75 % 100 %

Эффективная мощность Ые, кВт 0,000 3,015 5,696 8,708 11,520

Индикаторная мощность Ы,, кВт 5,01605 8,031 10,712 13,724 16,536

Среднее эффективное давление ре, МПа - 0,157 0,293 0,440 0,590

Среднее индикаторное давление р,, МПа - 0,226 0,421 0,631 0,847

Эффективный крутящий момент Ми,, Н • м - 19,52 36,40 54,59 73,24

Часовой расход топлива От, кг/ч 0,827 1,044 1,467 1,988 2,416

Удельный эффективный расход топлива %е кг/(кВт • ч) - 0,346 0,258 0,228 0,210

Эффективный КПД це - 0,248 0,334 0,376 0,410

Индикаторный КПД п - 0,356 0,479 0,540 0,588

Часовой расход воздуха Оф, кг/ч 69,09 67,38 67,84 67,73 66,69

Коэффициент избытка воздуха а 5,83 4,50 3,23 2,38 1,93

Часовой расход охлаждающей воды Ов, кг/ч 1000,0 973,0 947,4 1000,0 923,1

Часовой расход ОГ Ог, кг/ч 69,92 68,43 69,31 69,72 69,11

Теплота сгорания израсходованного топлива рт, кВт 9,62 12,16 17,07 23,14 28,12

Теплота, эквивалентная эффективной работе <2е, кВт 3,015 5,696 8,708 11,520

Теплота, отведенная с охлаждающей водой Рв, кВт 5,819 7,553 8,821 10,859 10,744

Теплота, отведенная с ОГ Qг, кВт 2,142 2,363 3,776 5,353 7,458

Невязка теплового баланса рнб, кВт 1,66 -0,77 -1,22 -1,78 -1,60

Удельная теплота сгорания израсходованного топлива дт 1 1 1 1 1

Удельная теплота, эквивалентная эффективной работе де - 0,248 0,334 0,376 0,410

Удельная теплота, отведенная с охлаждающей водой дв 0,605 0,621 0,517 0,469 0,382

Удельная теплота, отведенная с ОГ дг 0,223 0,194 0,221 0,231 0,265

Удельная невязка теплового баланса днб 0,173 -0,064 -0,071 -0,077 -0,057

Таблица 6

Результаты расчета винтовой характеристики вихрекамерного дизеля 2ЧН 9,5/11 с наддувом

Показатель Режим

25 % 50 % 75 % 100 %

Эффективная мощность Ne, кВт 2,59425 5,43652 8,55536 11,3726

Среднее эффективное давление ре, МПа 0,207 0,352 0,477 0,582

Эффективный крутящий момент Мкр, Н • м 25,68 43,70 59,27 72,34

Часовой расход топлива От, кг/ч 0,754 1,330 1,900 2,416

Удельный эффективный расход топлива ge, кг/(кВт • ч) 0,291 0,245 0,222 0,212

Эффективный КПД г|е 0,296 0,351 0,387 0,404

Часовой расход воздуха Gai,-, кг/ч 53,01 58,44 64,44 66,69

Коэффициент избытка воздуха а 4,91 3,07 2,37 1,93

Часовой расход охлаждающей воды G„, кг/ч 526,9 658,5 794,2 923,1

Часовой расход ОГ Gr, кг/ч 53,76 59,77 66,34 69,11

Теплота сгорания израсходованного топлива Qr, кВт 8,77 15,48 22,11 28,12

Теплота, эквивалентная эффективной работе Qe, кВт 2,59425 5,43652 8,555364 11,37265

Теплота, отведенная с охлаждающей водой Q„, кВт 4,697 7,411 9,243 10,744

Теплота, отведенная с ОГ Qp, кВт 1,216 2,949 4,970 7,458

Невязка теплового баланса Q„6, кВт 0,265 -0,320 -0,660 -1,452

Удельная теплота сгорания израсходованного топлива qr 1 1 1 1

Удельная теплота, эквивалентная эффективной работе qe 0,296 0,351 0,387 0,404

Удельная теплота, отведенная с охлаждающей водой q„ 0,535 0,479 0,418 0,382

Удельная теплота, отведенная с ОГ, qr 0,139 0,191 0,225 0,265

Удельная невязка теплового баланса q^ 0,030 -0,021 -0,030 -0,052

Таблица 7

Результаты расчета нагрузочной характеристики дизеля 2ЧН 9,5/11 (с наддувом)

с камерой сгорания в поршне

Показатель Режим

х.х. 25 % 50 % 75 % 100 %

Эффективная мощность Ые, кВт 0,000 3,043 5,706 8,706 11,428

Индикаторная мощность Ы,, кВт 5,693878 8,737 11,400 14,400 17,122

Среднее эффективное давление ре, МПа - 0,157 0,293 0,446 0,595

Среднее индикаторное давление р¡, МПа - 0,235 0,438 0,669 0,892

Эффективный крутящий момент Мщ,, Н • м - 19,50 36,33 55,42 73,91

Часовой расход топлива От, кг/ч 0,795 0,749 0,891 1,220 1,963

Удельный эффективный расход топлива %е, кг/(кВт • ч) - 0,246 0,156 0,140 0,172

Эффективный КПД г|е - 0,349 0,550 0,613 0,500

Индикаторный КПД п - 0,523 0,824 0,919 0,749

Часовой расход воздуха О,*, кг/ч 67,38 65,63 64,92 64,74 62,92

Коэффициент избытка воздуха а 5,92 6,11 5,08 3,70 2,24

Часовой расход охлаждающей воды Ов, кг/ч 1 101,9 1 080,1 1 069,2 1 058,8 1 085,3

Часовой расход ОГ Ог, кг/ч 68,18 66,38 65,81 65,96 64,88

Теплота сгорания израсходованного топлива Qт, кВт 9,25 8,72 10,37 14,20 22,85

Теплота, эквивалентная эффективной работе Qе, кВт - 3,043 5,706 8,706 11,428

Теплота, отведенная с охлаждающей водой Qв, кВт 8,554 10,899 10,366 15,207 12,202

Теплота, отведенная с ОГ Qг, кВт 1,135 1,630 2,685 3,457 5,341

Невязка теплового баланса Q„б, кВт -0,44 -6,85 -8,39 -13,17 -6,12

Удельная теплота сгорания израсходованного топлива дт 1 1 1 1 1

Удельная теплота, эквивалентная эффективной работе де - 0,349 0,550 0,613 0,500

Удельная теплота, отведенная с охлаждающей водой дв 0,925 1,250 0,999 1,071 0,534

Удельная теплота, отведенная с ОГ дг 0,123 0,187 0,259 0,244 0,234

Удельная невязка теплового баланса -0,048 -0,786 -0,808 -0,928 -0,268

Таблица 8

Результаты расчета винтовой характеристики дизеля 2ЧН 9,5/11 (с наддувом) с камерой сгорания в поршне

Показатель Режим

25 % 50 % 75 % 100 %

Эффективная мощность Ne, кВт 3,23385 5,67652 8,36446 11,3358

Среднее эффективное давление ре, МПа 0,260 0,366 0,472 0,591

Эффективный крутящий момент Мщ,, Н • м 32,30 45,45 58,62 73,34

Часовой расход топлива Gx, кг/ч 0,653 0,952 1,245 1,964

Удельный эффективный расход топлива ge, кг/(кВт • ч) 0,202 0,168 0,149 0,173

Эффективный КПД це 0,425 0,512 0,577 0,496

Часовой расход воздуха G^, кг/ч 47,03 53,95 62,92 62,92

Коэффициент избытка воздуха а 5,03 3,95 3,53 2,24

Часовой расход охлаждающей воды G„, кг/ч 654,5 800,0 1 028,6 1 085,3

Часовой расход ОГ Gp, кг/ч 47,69 54,90 64,16 64,88

Теплота сгорания израсходованного топлива Qr, кВт 7,60 11,08 14,50 22,85

Теплота, эквивалентная эффективной работе Qe, кВт 3,23385 5,67652 8,364464 11,33585

Теплота, отведенная с охлаждающей водой Q„, кВт 6,346 7,756 7,985 12,202

Теплота, отведенная с ОГ Qp, кВт 0,985 2,088 3,699 5,341

Невязка теплового баланса Q^, кВт -2,963 -4,439 -5,554 -6,025

Удельная теплота сгорания израсходованного топлива qr 1 1 1 1

Удельная теплота, эквивалентная эффективной работе qe 0,425 0,512 0,577 0,496

Удельная теплота, отведенная с охлаждающей водой q„ 0,835 0,700 0,551 0,534

Удельная теплота, отведенная с ОГ qT 0,130 0,188 0,255 0,234

Удельная невязка теплового баланса q^ -0,390 -0,401 -0,383 -0,264

Для более полного исследования работы двигателя были получены экспериментальные индикаторные диаграммы (рис. 1, 2), а также проведено сравнение полученных показателей работы с расчетными (табл. 9-10).

Рис. 1. Экспериментальная индикаторная диаграмма вихрекамерного двигателя с наддувом

Таблица 9

Сравнение экспериментальных и расчетных данных для вихрекамерного двигателя с наддувом

№ Результаты Расчет Эксперимент Д %

1 Эффективная мощность N кВт 12,173 11,513 5,73

2 Среднее индикаторное давление р1, МПа 0,801 0,848 5,54

3 Среднее эффективное давление ре, МПа 0,624 0,589 5,94

4 Максимальное давление сгорания р2, МПа 7,237 7,152 1,19

5 Механический КПД 0,779 0,695 12,09

6 Эффективный удельный расход топлива %е, кг/ (кВт - ч) 0,259 0,21 23,33

7 Эффективный КПД це 0,331 0,375 11,73

8 Индикаторный КПД 0,425 0,536 20,71

р, кг/см2

Рис. 2. Экспериментальная индикаторная диаграмма двигателя 2ЧН 9,5/11 с камерой в поршне и наддувом

Таблица 10

Сравнение экспериментальных и расчетных данных двигателя 2ЧН 9,5/11 с камерой в поршне и наддувом

№ Результаты Расчет Эксперимент Д, %

1 Эффективная мощность Ые, кВт 11,68 11,523 1,3

2 Среднее индикаторное давление р,, МПа 0,832 0,859 3,1

3 Среднее эффективное давление ре, МПа 0,61 0,59 0,1

4 Максимальное давление сгорания МПа 8,12 7,32 11,1

5 Механический КПД Г|м 0,72 0,697 3,2

6 Эффективный удельный расход топлива &,, кг/(кВт ■ ч) 0,2 0,17 17,6

7 Эффективный КПД ге 0,363 0,506 28

8 Индикаторный КПД г 0,5 0,72 30

Все полученные результаты говорят о целесообразности форсирования СМД по среднему эффективному давлению, что, в свою очередь, определит возможности:

— увеличения мощности силовой установки без дорогостоящей модернизации;

— уменьшения массогабаритных показателей;

— снижения расхода топлива и, как следствие, стоимости расходов на эксплуатацию установок;

— применения более дешёвых, нетрадиционных топлив;

— уменьшения загрязнений окружающей среды вредными выбросами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колосов К. К. Форсирование малоразмерных дизелей наддувом // Прогресс транспортных средств и систем-2009: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - В 2 ч. - Ч. 1 / Волгоград. гос. техн. ун-т. -Волгоград, 2009. - 278 с.

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

Статья поступила в редакцию 25.11.2011

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Колосов Константин Константинович - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; kolosovkk@yandex.ru.

Kolosov Konstantin Konstantinovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energetic Complexes of Marine Equipment"; kolosovkk@yandex.ru.