CC BY
49
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2018, №2, Том 10 / 2018, No 2, Vol 10 https://esj.today/issue-2-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/79SAVN218.pdf Статья поступила в редакцию 27.03.2018; опубликована 22.05.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:
Дискин М.Е. Высокотемпературное охлаждение двигателей внутреннего сгорания на режимах частичных нагрузок // Вестник Евразийской науки, 2018 №2, https://esj.today/PDF/79SAVN218.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
Diskin M.E. (2018). High temperature cooling the internal combustion engine in part-load mode. The Eurasian Scientific Journal, [online] 2(10). Available at: https://esj.today/PDF/79SAVN218.pdf (in Russian)
Высокотемпературное охлаждение двигателей внутреннего сгорания на режимах частичных нагрузок
Аннотация. В системе охлаждения двигателей внутреннего сгорания большое значение имеет температура охлаждающей жидкости. Она влияет на количество теплоты, передаваемой от стенки к охлаждающей жидкости. Чем выше температура охлаждающей жидкости, тем меньше теплоты передается стенке и больше теплоты передается рабочему телу. Следовательно, высокотемпературное охлаждение двигателей внутреннего сгорания является эффективным средством улучшения параметров их работы.
По данным литературных источников рассмотрены плюсы и минусы перевода двигателей внутреннего сгорания на высокотемпературное охлаждение. Накопленный опыт эксплуатации дизелей с системами высокотемпературного охлаждения показывает, что их применение способствует повышению эффективного КПД Пе и снижению нагрузок наиболее теплонапряженных деталей за счет уменьшения колебаний их температур.
Но применение высокотемпературного охлаждения двигателей внутреннего сгорания на режиме номинальной мощности ограничено температурным уровнем деталей, обеспечивающих их работоспособность.
Предварительные расчеты на основе опубликованных экспериментальных данных показывают, что применение ВТО, обеспечивающей поддержание на всех режимах работы ДВС температуры наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на уровне температуры на режиме номинальной мощности, приводит к повышению эффективного КПД на режимах частичных нагрузок и значительному повышению требуемого давления в системе охлаждения.
Предложено, что система ВТО должна обеспечивать поддержание на всех режимах работы ДВС температуры наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на оптимальном уровне, обеспечивающем повышение эффективного КПД при допустимом уровне повышения давления в системе охлаждения, за счет ограничения допустимой температуры охлаждающей жидкости на режимах малых нагрузок.
For citation:
УДК 621.1 ГРНТИ 44.31.35
Дискин Марк Евгеньевич
Кандидат технических наук E-mail: markdiskin@yandex.ru
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; высокотемпературное охлаждение; режим номинальной мощности; режим частичной нагрузки; эффективный КПД; давление в системе охлаждения
Задача повышения температуры охлаждающей среды для уменьшения отвода части теплоты сгоревшего топлива в окружающую среду известна достаточно давно. При чем, эта задача решалась использованием дополнительных устройств, обеспечивающих утилизацию части отводимой теплоты [7]. Накопленный опыт эксплуатации дизелей с системами высокотемпературного охлаждения (ВТО) [3, 4, 5, 7] показал, что их применение способствует повышению эффективного КПД Пе и снижению нагрузок наиболее теплонапряженных деталей за счет уменьшения колебаний их температур [3, 4]. При этом все рассматриваемые системы ВТО проектировались и реализовали поддержание температуры охлаждающей жидкости выше 100 °С на всех режимах работы дизеля. Получающее все большее распространение применение в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) высокооктановых газовых топлив отрывает путь применению систем турбонаддува (утилизация части отводимой теплоты) и ВТО в ДВС с искровым зажиганием.
Однако, по мере форсирования дизелей, повышения среднего эффективного давления и, как следствие, средней температуры цикла температуры деталей, ограждающих рабочий объем цилиндра, достигли значений, при которых возникают серьезные проблемы с обеспечением их надежности и долговечности. Поэтому перспективы применения ВТО связывают с применением более термостойких конструкционных, смазочных и эксплуатационных материалов. В тоже время известно, что при работе ДВС на частичных нагрузках существенно снижается температура деталей, ограждающих камеру сгорания, но увеличивается доля теплоты, отводимой в систему охлаждения и снижается Пе [2, 10]. Доля работы ДВС на частичных нагрузках в таких сферах как транспорт, сельское хозяйство, строительная техника достигают 50 % [7, 8]. Эти обстоятельства приводят к актуальности рассмотрения новой постановка задачи ВТО. В работе [1] предложено «...охлаждение с обычной температурой воды на номинальном режиме и ВТО на режиме частичных нагрузок. Причем с понижением мощности работы ДВС температуру охлаждающей жидкости необходимо увеличивать».
Сформулируем это предложение более конкретно: В ДВС с ощутимой долей времени работы на частичных нагрузках система ВТО должна обеспечивать поддержание на всех режимах работы ДВС температуру наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на уровне температуры на режиме номинальной мощности. (Термин номинальная (объявленная) мощность в соответствии с ГОСТ Р 52517-2005).
Из работ [2, 4, 10, 11] известно, что температура деталей, ограждающих камеру сгорания (охлаждаемых деталей), зависит от таких факторов, обеспечиваемых системой охлаждения, как температура охлаждающей жидкости, интенсивность циркуляции охлаждающей жидкости, режим парообразования на охлаждаемой поверхности. Можно обеспечить изменение интенсивности циркуляции охлаждающей жидкости для изменения температуры охлаждаемых деталей, однако при этом трудно обеспечить равномерное локальное изменение интенсивности циркуляции охлаждающей жидкости. При этом есть опасность возникновения местных перегревов участков с недостаточной интенсивностью циркуляции охлаждающей жидкости. Поэтому наиболее употребляемыми для рассматриваемых целей являются регулирование температуры охлаждающей жидкости и режима парообразования на охлаждаемой поверхности. Регулирование температуры охлаждающей жидкости наиболее просто осуществляется изменением мощности теплорассеивания от охлаждающей жидкости в окружающую среду в теплообменниках путем изменения расхода в них охлаждающей жидкости и внешнего охладителя. Следует учитывать, что при повышенной температуре
охлаждающей жидкости и низких температурах внешнего охладителя требуется поддержание в них очень малого расхода охлаждающей жидкости. Для этого необходимо обеспечить изменение проходного сечения регулирующего органа от полностью открытого до практически нулевого. Это в свою очередь влечет применение низкозамерзающей охлаждающей жидкости и установку в тракте охлаждающей жидкости, по меньшей мере, на ранней стадии эксплуатации, фильтров против механических примесей. Регулирование режима парообразования на охлаждаемой поверхности частично обеспечивается автоматически, т. к. зависит от плотности теплового потока на поверхности теплообмена. В современных ДВС на наиболее теплонапряженных охлаждаемых поверхностях при проектировании обеспечивается режим пузырькового кипения при номинальных и близких к ним нагрузках. Нами поставлена задача поддержания на всех режимах работы ДВС температуры охлаждаемой поверхности на уровне температуры на режиме номинальной мощности. На режимах менее 75^80 % номинальной мощности величина плотности теплового потока в деталях, ограждающих камеру сгорания, опускается нижеуказанных величин. при повышении давления в системе охлаждения несколько выше давления насыщенного пара при заданной температуре режим пузырькового кипения может быть подавлен. При этом существенно, в 1,5^2 раза, снижается теплоотдача от стенки к жидкости. Из всего сказанного следует, что для решения поставленной задачи необходимо обеспечить изменение расхода охлаждающей жидкости и внешнего охладителя во внешних теплообменниках и давления в системе охлаждения в зависимости от степени нагрузки. Величиной, характеризующей нагрузку ДВС, может быть принято положение органа задающего величину подачи топлива [9].
Определение температуры охлаждающей жидкости, при которой обеспечивается температура охлаждаемой поверхности на уровне температуры на режиме номинальной мощности, в настоящей работе осуществлялось на основании экспериментальных данных работ [2, 11]. В этих работах представлены зависимости температур деталей T от нагрузки ДВС p и температуры охлаждающей жидкости tж, которые позволили вычислить зависимость требуемой температуры охлаждающей жидкости tжвто от нагрузки ДВС. Вычисление производилось путем получения безразмерных зависимостей представленных величин и их аппроксимации в интересующих нас интервалах.
На основании зависимостей относительной доли теплоты, эквивалентной полезной работе qe и относительной доли теплоты, отводимой в систему охлаждения qw от нагрузки ДВС p и температуры охлаждающей жидкости tж [2, 11] были получены безразмерные зависимости qeo = qeвто / qe = А(р) и qwo = qw вто / qw = А(р). Здесь и далее индекс вто означает -соответствующий температуре tжвто. А индекс о - относительный. Результаты вычислений представлены на рисунках 1 и 2.
20 30 4-0 50 60 70 SO 90 100 ™ Нагрузка, %
Рисунок 1. Зависмость требуемой температуры охлаждающей жидкости
t-жвто а давления в системе охлаждения Рж от нагрузки ДВС (-1жето, ~ ~ ~ рж< / - без
ограничения 1ж, 2 - с ограничением 1ж) (разработано автором)
Рисунок 2. Изменение относительной доли теплоты, эквивалентной полезной работе qeo и относительной доли теплоты, отводимой в систему охлаждения qwo от
нагрузкиДВС (-qeo, ~ ~ qwo, 1 без ограничения 1Ж, 2-е ограничением 1Ж)
(разработано автором)
Представленные рисунки позволяют оценить уровень температуры охлаждающей жидкости 1жвто и поддерживаемого в системе охлаждения давления Рж в зависимости от степени нагрузки ДВС и снижение теплоотвода в систему охлаждения qwo = qwwo / qw и повышение эффективного кпд neo = qeo = qeвтo / qe. Термин «оценить» используется специально, чтобы подчеркнуть, что представленные данные в силу своего получения являются оценочными, позволяющими оценить необходимые усложнения ДВС для реализации системы ВТО и получаемое в результате снижение расхода топлива. Как видно из рисунков поддержание температуры, при которой обеспечивается температура наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на уровне температуры на режиме номинальной мощности, требует повышение давления и системе охлаждения до 7 МПа. Что, в свою очередь, потребует значительного упрочнения деталей жидкостного тракта, особенно уплотнений и гибких трубопроводов. Хотя эффективный КПД при этом повышается более чем в 1,4 раза, этого может оказаться недостаточно, чтобы окупить повышение капитальных и эксплуатационных затрат. Данное обстоятельство может заставить отступить от сформулированной задачи «.. .система ВТО должна обеспечивать поддержание на всех режимах работы ДВС температуры наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на уровне температуры на режиме номинальной мощности». И сформулировать более умеренно - система ВТО должна обеспечивать поддержание на всех режимах работы ДВС температуры наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на оптимальном уровне, обеспечивающем повышение эффективного КПД при допустимом уровне повышения давления в системе охлаждения.
Проектирование ДВС с ВТО в соответствии с предложенной выше постановкой задачи потребует экспериментальных работ для определения наиболее теплонапряженной зоны; зависимости требуемой температуры охлаждающей жидкости 1жвто и снижения теплоотвода в систему охлаждения qwo = f(p) и повышение эффективного кпд от нагрузки ДВС qeo = пе= f(p). Учитывая, показанное выше, противоречивое влияние повышения 1жвто на требование к упрочнению отдельных деталей и на эффективный кпд, т. е. топливную экономичность, допустимый уровень повышения 1жвто наиболее целесообразно определять, руководствуясь методологией «Совокупная стоимость владения или стоимость жизненного цикла (англ. Total Cost of Ownership, TCO). Это общая величина целевых затрат, которые вынужден нести владелец с момента начала реализации вступления в состояние владения до момента выхода из состояния владения и исполнения владельцем полного объёма обязательств, связанных с владением. Суммарные расходы за указанный период жизненного цикла принято называть
совокупными расходами за срок службы изделия ^ср). Как правило их делят на две основные группы - расходы по владению или стоимость владения ^в) и расходы на эксплуатацию (Бэ). Бср = Бв + Бэ, руб. (https://mining-media.ru/ru/article/ekonomic/3572-sovokupnaya.. Л
В случае применения ВТО приспособление ДВС к ВТО повышает стоимость владения, повышение эффективного КПД, повышение межремонтного срока эксплуатации понижает расходы на эксплуатацию.
Выводы
1. Предварительные расчеты на основе опубликованных экспериментальных данных показывают, что применение ВТО, обеспечивающей поддержание на всех режимах работы ДВС температуры наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на уровне температуры на режиме номинальной мощности, приводит к повышению эффективного КПД на режимах частичных нагрузок и значительному повышению требуемого давления в системе охлаждения.
2. Ограничение температуры охлаждающей жидкости 1жвто на режимах частичных нагрузок снижает требуемое давление в системе охлаждения и достигаемое повышение эффективного КПД.
3. Решение о применении ВТО целесообразно принимать на основании экспериментально подтвержденных данных о допустимой температуре наиболее теплонапряженной зоны; зависимостях требуемой температуры охлаждающей жидкости 1жвто = Д(р), снижения теплоотвода в систему охлаждения qwo = Д(р) и повышения эффективного КПД qeo = пе = Д(р) от нагрузки ДВС при ВТО.
4. Допустимый уровень повышения требуемой температуры охлаждающей жидкости 1жвто наиболее целесообразно определять, руководствуясь методологией «Совокупная стоимость владения или стоимость жизненного цикла».
ИТЕРАТУРА
1. Денисенко И.П., Устинов Н.А., Вандышева А.А., Губатенко М.С. О возможности применения высокотемпературного охлаждения в современных поршневых двигателях внутреннего сгорания // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №2 (2017). http://naukovedenie.ru/PDF/65TVN217.pdf.
2. Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей / М.: Машиностроение, 1985.
3. Жуков В.А. Перспективы высокотемпературного охлаждения транспортных ДВС // Автомобильная промышленность. - 2011. - № 5.
4. Жуков В.А. Расчетная оценка эффективности высокотемпературного охлаждения комбинированных ДВС // Авиационно-космическая техника и технология. 2011. №10 (87), С. 153-158.
5. Жуков В.А. Перспективы совершенствования систем охлаждения судовых дизелей / В.А. Жуков // Вестник ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова. 2015. - №4 (32), С. 131-137.
6. Ливенцев Ф.Л. Высокотемпературное охлаждение поршневых двигателей внутреннего сгорания. М.-Л., «Машиностроение» 1964.
7. Г.Д. Матиевский, С.П. Кулманаков. Анализ показателей работы ДВС по характеристике постоянной мощности // Ползуновский вестник. 2010. № 1, С. 1320.
8. Михеев В.А. Расчет времени эксплуатационной работы дизель-генераторной установки тепловоза по позициям контроллера машиниста. Вестник ИрГТУ №2 (42) 2010.
9. Патент № 2640661 Рос Фед. С1.
10. Петриченко Р.М. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания / Л.: Машиностроение, 1975.
11. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей / М.: Машиностроение, 1986.
Diskin Mark Evgenyevich
E-mail: markdiskin@yandex.ru
High temperature cooling the internal combustion engine in part-load mode
Abstract. The coolant temperature is crucial for cooling of Internal Combustion Engines (ICEs). Its value affects the amount of heat transferred from the engine housing walls to the coolant. The higher the coolant temperature, the less heat is transferred to the engine housing walls and more heat is transferred to the hot gas. Consequently, building effective High-Temperature Cooling (HTC) of ICE improves ICEs performance.
The author considers the pros and cons of HTC system of ICEs. The accumulated experience of HTC diesel engines usage shows that HTC based systems have better overall efficiency. HTC systems allow to decrease the heat stress of the engine housing walls by reducing temperature fluctuations. Provided that HTC systems of internal combustion engines have certain limits i. e. materials selection to withstand extended temperature range at nominal power rating.
The preliminary calculations based on experimental data show that maintaining the highest permissible temperature level of the most heated parts of the engine housing walls for all ICE operating modes increases the effective efficiency at partial load, yet significant pressure increase required for the cooling system. As a result, the cost of the engine increases.
The author describes enhanced HTC system, which allows to maintain optimal temperature level of the most heated parts of the engine housing walls for all ICE operating modes by limiting the coolant operating temperature at low load. The method describes how to increase efficiency of ICE and keep the cooling liquid pressure under permissible level.
Keywords: internal combustion engine; high temperature cooling; rated power mode; partial load mode; effective efficiency; pressure in the cooling system; permissible temperature
