CC BY
98
УДК 621.436 ББК 39.455.54-011
В. И. Одинцов, А. С. Зубаков, М. К. Корнев
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ УТЕЧЕК РАБОЧЕГО ТЕЛА
V. I. Odintsov, A. S. Zubakov, M. K. Kornev
ALGORITHM FOR CALCULATING THE WORKING PROCESSOF MARINE DIESEL ENGINES WITH THE WORKING FLUID LEAKS
Приведен анализ условий эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания. Отмечается значительное изменение основных параметров работы дизеля относительно соответствующих значений, полученных на стенде завода-изготовителя или в период сдаточных испытаний. В связи с известными трудностями по определению действительной эпюры из-носов деталей цилиндропоршневой группы без разборки двигателя, для оценки технического состояния применяются интегральные методы, основанные, в частности, на применении теплотехнических параметров. Отмечается необходимость применения расчетного метода для определения этих показателей с учетом влияния конструктивных и эксплуатационных факторов. Приводится укрупненный алгоритм расчета рабочего процесса.
Ключевые слова: судовые среднеоборотные дизели, расчет рабочего процесса.
The analysis of the operating conditions of marine internal combustion diesel engines is given.
There has been fixed a significant change in the basic parameters of the diesel engine in relation to the corresponding values obtained at the booth of the manufacturer or during acceptance testing.
Due to the known difficulties according to the actual diagrams of wearing of cylinder-piston elements without engine dismantling to evaluate the technical condition integral methods, based, in particular, on the use of thermal parameters, are used. The necessity of applying the calculation method for the determination of these parameters for the effects of design and operational factors is stated. The enlarged algorithm of the working process is presented.
Key words: marine medium-speed diesel engines, calculation of working process.
Анализ условий эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания флота рыбной промышленности показывает, что двигатели работают в зонах с различными метеорологическими условиями, при изменяющихся сопротивлении движению судна и техническом состоянии основных узлов и деталей. Вследствие этого параметры работы дизеля (давление наддува, давление в конце процесса сжатия, максимальное давление сгорания и др.) будут существенно отличаться от соответствующих значений, полученных на стенде завода-изготовителя или в период сдаточных испытаний.
Наибольший износ цилиндровых втулок происходит в верхнем поясе, в котором, наряду с высокими значениями температуры, возникают дополнительные нагрузки от перекладки поршня. Так, например, в двигателях типа 12ЧН 46/58 (фирма Wartsila) скорость изнашивания в верхнем поясе втулки (вычисленная по результатам выполненных нами измерений в условиях эксплуатации) составляет 16 мкм/1000 ч, закономерности изнашивания характеризуются следующим уравнением:
Y = -0,003t3 + 0,132t2 + 3,082t + 35,47,
где t - отрезок времени с момента окончания процесса приработки (в тысячах часов).
В то же время в других, расположенных ниже, поясах скорость изнашивания составляет 5,8 мкм/1000 ч. Поскольку зазоры в верхней части цилиндровой втулки выше, то и воздействие на рабочий процесс будет более интенсивным, т. к. при прохождении поршнем этого пояса текущие давления рабочего тела будут наибольшими. Обычно максимальное давление рабочего тела соответствует положению поршня 10-12° поворота коленчатого вала (п. к. в.) за верхней мертвой точкой (в. м. т.) при продолжительности периода сгорания в современных дизелях
35-50° п. к. в. Такая особенность учитывается в современных измерительно-диагностических комплексах с контролем давления в цилиндре при положении поршня 36° п. к. в. (в некоторых системах 40° п. к. в.) за в. м. т. [1].
В связи с известными трудностями по определению действительной эпюры износов деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) без разборки двигателя для оценки технического состояния применяются интегральные методы, например опрессовка на неработающем дизеле или измерение давления в конце процесса сжатия в период эксплуатации. Известно применение таких показателей, как РJtвг [2], Р2/^г, Рi/tвг, РJtвг, gц/tвг и Рs/Pi [3]. На величину давления в конце процесса сжатия, кроме потерь заряда через неплотности деталей ЦПГ, оказывают влияние и другие факторы, например изменение давления в продувочном коллекторе, увеличение сопротивления в тракте между продувочным коллектором и цилиндрами. Для их оценки могут применяться следующие показатели [4]:
В = ЛР
Г ЛРх ^вх’
где ЛРх, ЛРн - перепад давлений на продувку соответственно при текущем и паспортном состоянии двигателя; Gвх, Gвн - расход воздуха соответственно при текущем и паспортном состоянии двигателя.
Р,„ -ЛР Т V в
В„ =
кх х ан ' сх ~х
Р.-ЛРТ V в
кн н ах сн н
где V,,, в - соответственно объем камеры сжатия и степень сжатия; Та - температура в начале сжатия; Рк - давление в продувочном коллекторе.
Так как рабочий процесс в дизеле зависит от ряда конструктивных и эксплуатационных факторов, то с целью интегрального определения технического состояния деталей ЦПГ необходимо располагать зависимостями, отражающими влияние этих факторов на интегральные показатели, которые могут определяться экспериментальным путем или методом моделирования, что более предпочтительно.
В общем случае количество рабочего тела в цилиндре дизеля может изменяться как в период протекания процесса газообмена, так и после закрытия газораспределительных органов. На линии сжатия в цилиндры дизеля может подаваться дополнительное количество рабочего тела с целью снижения максимальных значений его температуры, воздуха с целью турбули-зации рабочего тела (например, продуктов сгорания, паров воды или воды в распыленном состоянии) и, тем самым, уменьшения выбросов окислов азота. Кроме того, через неплотности деталей ЦПГ происходит утечка рабочего тела.
С учетом сказанного выше уравнение баланса тепловой энергии для бесконечно малого /-го участка рабочего процесса дизеля, протекающего в к-м цилиндре нау-м цикле, можно представить в следующем виде [5]:
№ \у =[(<Ш+и + йи^ + йиш + йи1У + их \у +
+ )к у + (^4 )к,у,
где {dQn¡ )ку - количество теплоты, выделившееся в результате сгорания на расчетном участке;
йи, йи - изменение внутренней энергии газовоздушной смеси и инертного тела, поступивших в цилиндр до начала данного расчётного участка; йип, йищ - изменение внутренней энергии соответственно инертного тела и воздуха (для турбулизации заряда), поступающих в цилиндр на данном расчётном участке; йи1У - изменение внутренней энергии рабочего тела, обусловленное утечками через неплотности ЦПГ; - изменение внутренней энергии топлива, впрыскиваемого в цилиндр;
dQWi - отвод теплоты в охлаждающую среду через стенки ЦПГ; йЬ - полезная работа.
Для небольших расчетных участков (0,5-1° п. к. в.) с приемлемой точностью возможен переход к конечной форме уравнения. Тогда значения температуры рабочего тела в конце ¡-го участка [5]:
Ідй-и - в
(Т )ку =
(Д+ст),-- 0,5£схДтх
Т,
К,у
-К,у
[е, + с (щ + щ)+ ]к
В = [сіІ(Ти -Т[Н) + 1и]Дти + [Ст(Т -ТГн) + 1т -СтпТт] Х
хДщт - спТитП1-1 - сГвГвнДтв + 0,5,р,-1дК,
Д = Сут + Cтnmт,
Е, = Д + ^р,-
.1 V-.л
М-1 Т-1 V
ДК + 0,5£сДт ,
’ / X X ’
х=0
где су, сУв - теплоемкость газовоздушной смеси и турбулизирующего воздуха; с1, ст„, с11, ст - теплоемкость соответственно паров инертного тела, паров топлива, инертного тела и топлива в период испарения; сх, Атх - соответственно теплоемкость и масса отдельного элемента рабочего тела, теряемого через неплотности ЦПГ; I - количество теряемых через неплотности ЦПГ элементов рабочего тела; т, т1, тп, тт - количество газовоздушной смеси, паров инертного тела с температурой, равной среднемассовой температуре в рассматриваемый момент времени (I) и меньше (II), паров топлива; Дт№ Дтт - количество инертного тела и топлива, испаряющихся на данном расчетном участке; Дтв - количество турбулизирующего воздуха, поступившего на данном расчетном участке; 1и, 1т - скрытая теплота парообразования инертного тела и топлива;
V = Тв/Т7 - коэффициент пропорциональности между температурой турбулизирующего воздуха, поступившего в цилиндр на данном расчетном участке, и среднемассовой температурой рабочего тела; Ти, Тт - температура испарения инертного тела и топлива соответственно; Тин, Ттн, Твн -начальная температура инертного тела, топлива и турбулизирующего воздуха.
При работе дизеля по обычной схеме (без подачи дополнительного рабочего тела) температура в конце расчетного участка вычисляется по формуле
(Т )К =—(до -[с (Т - Г )+I- сТ ]Дт
V I 'К,у т-г I £-П-\,1 [ т V т ™. / т тп т ] т
-,у Е.
I
- 0,5р--1Д V
Д ,-1 - 0,5 £ Сх Д тх
К ,у
Относительное количество сгоревшего топлива вычисляется по следующим зависимостям:
х = 1 - ехр
В • С • Д • Е • К
0,2
V
где т7 - отрезок времени от начала процесса сгорания до 7-го момента, с; тг - продолжительность процесса сгорания; В, С, Д, Е - совокупность параметров, отражающих влияние конструктивных и эксплуатационных факторов в относительном виде; Ку - показатель, учитывающий влияние использования объема камеры сгорания; т = 1,88 - коэффициент.
В =
М2 ( d ^,°5 С Р - Р ^°,71 ( Р
V dсэ У
V ^ У
Ґ \0,37 / ч 0,32
Р - Р
Гїп Рц
Р - Р
V ^ «э У
Рт.
°э ^п
V °п У V ^э У
С =
Рцэ Тцп *^сп <?цэ Рцп Тцэ *^сэ <?цп
Уп (1/с^Уп + ^Уп ) tgyэ(1/с^ уэ + tgyэ)’
х = 0
Р
Д =
Т Т
1инд.п впр.э
(
ТТ
инд.э впр.п
V
впр. п
т_ - 0,5т
Е = 6,908-
Р„ + Р_
впр.э у
л0,5
р + Р
V сс.э тах.э У
У
Ку =
>03 у
(л1-
V ^сэ у
Р - Р
/п цп
ч1,065 / ч 1,5
' ' Т '
впр.п
Р - Р
V /э цэ у
Т
V впр.э у
РТп 0э Ц1п
V рТэ у V 0п у V Ц1э )
Рц р
V цп у
(Т пЛ tg2Уn уеэ
Т
V цэ у
Ш Уэ Уеп
где ц - коэффициент расхода; ц - динамическая вязкость топлива; о - коэффициент поверхностного натяжения топлива; рт - плотность топлива; йс - диаметр сопловых отверстий форсунки; у - угол конуса топливной струи; твпр - время впрыска топлива; Рц - среднее давление в цилиндре в период топливоподачи и сгорания (Рц = (Рсс.п + Ртах)/2); Р/ - давление топлива в форсунке; Рсс - давление сжатия в момент начала сгорания; Тц - температура газов в цилиндре; Ртах - максимальное давление сгорания; 1с - число сопловых отверстий в форсунке; gц - цикловая подача; Ув - объем рабочего тела в конце процесса топливоподачи.
Параметры с индексом «п» относятся к исследуемому дизелю, а с индексом «э» - к некоторому базовому (эталонному), для которого известны значения действующих параметров и динамика тепловыделения.
Продолжительность процесса сгорания вычисляется по формуле
Т7и Т7>
1,42 (а V’05 (Р. - Р Л
0,71
V Цсп у
рп - р
V № цп у
V Ртп у
0п Цэ
V °э у V Цп .у
I g (Р + Р ) Т
^сэ I \ сс шах/3 цэ
I о \ (Р + Р ) Т
сп о цэ V V сс шах/п ц
Уэ (1/шЗУэ + tg
Уэ) Тинд.э ^1:
п цп
0,2
С2.
Относительные потери теплоты в охлаждающую среду по углу п. к. в. приняты линейными. Суммарное значение вычисляется по формуле [5]:
X =х
.п w э
(F/у)э Ртеп Ц е 1п
пп
V п у
(а 1э/а 1 п)"5 • (. / Т э) а,
а
1э
1,575
0,555
0,48
X
X
X
э
где У - номинальный объем цилиндра; F - площадь поверхности теплообмена ЦПГ; а - коэффициент избытка воздуха при сгорании; Т. - температура охлаждающей воды, К; О - коэффициент влияния температуры охлаждающей воды (находится по экспериментальным данным). Укрупненная блок-схема алгоритма представлена на рисунке.
(Начало
- J
/
Ввод данных о дизеле, для которого производится расчет
Расчет характеристик процесса сгорания/
расширения, для i-го участка
Вычисление утечек для i-го расчетного участка
Блок-схема алгоритма
С помощью приведенного выше алгоритма можно исследовать влияние изменения технического состояния дизеля и условий эксплуатации на показатели рабочего процесса, а обратным путем - его техническое состояние.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фока А. А. Судовой механик / А. А. Фока: справочник в 3 т. Т. 1. Одесса: Феникс, 2008. 1036 с.
2. Карпов Л. Н. Выбор объема контролируемых параметров судового дизеля для безразборной диагностики его технического состояния / Л. Н. Карпов, Е. А. Титов // Тр. Центр. науч.-исслед. и проект.-конструктор. ин-та морского флота. 1973. Вып. 174.
3. Грицай Л. Л. Диагностические параметры главных судовых малооборотных дизелей / Л. Л. Грицай, А. Ф. Горбунов, А. П. Калугин, Б. М. Левин // Тр. Центр. науч.-исслед. и проект.-конструктор. ин-та морского флота, 1973. Вып. 174.
4. Одинцов В. И. Разработка некоторых диагностических показателей работы ДВС / В. И. Одинцов // Тр. Калининград. техн. ин-та рыбной пром-сти и хоз-ва. Проектирование и эксплуатация энергетических установок промысловых судов. Калининград, 1980. Вып. 87. С. 15-19.
5. Одинцов В. И. Рабочий процесс судовых ДВС / В. И. Одинцов: моногр. Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. 141 с.
REFERENCES
1. Foka A. A. Sudovoi mekhanik [Marine engineer]. Spravochnik v 3 t. T. 1. Odessa, Feniks Publ., 2008. 1036 p.
2. Karpov L. N., Titov E. A. Vybor ob"ema kontroliruemykh parametrov sudovogo dizelia dlia bezrazbor-noi diagnostiki ego tekhnicheskogo sostoianiia [Choice of the number of control parameters of marine diesel for CIP diagnosis of its technical condition]. Trudy Tsentral’nogo nauchno-issledovatel’skogo i proektno-konstruktorskogo instituta morskogo flota, 1973, iss. 174.
3. Gritsai L. L., Gorbunov A. F., Kalugin A. P., Levin B. M. Diagnosticheskie parametry glavnykh su-dovykh malooborotnykh dizelei [Diagnostic parameters of the main marine slow-speed diesel engines]. Trudy Tsentral’nogo nauchno-issledovatel’skogo i proektno-konstruktorskogo instituta morskogo flota, 1973, iss. 174.
4. Odintsov V. I. Razrabotka nekotorykh diagnosticheskikh pokazatelei raboty DVS [Development of some diagnostic indices of ICE work]. Trudy Kaliningradskogo tekhnicheskogo instituta rybnoipromyshlennosti i khoziaistva. Proektirovanie i ekspluatatsiia energeticheskikh ustanovokpromyslovykh sudov, 1980, iss. 87, pp. 15-19.
5. Odintsov V. I. Rabochii protsess sudovykh DVS [Operational process of marine ICE]. Kaliningrad, Izd-vo BGARF, 2010. 141 p.
Статья поступила в редакцию 2.07.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Одинцов Виктор Иванович - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Судовые энергетические установки»; Zubakovalexander@yandex.ru.
Odintsov Victor Ivanovich - Baltic State Academy of Fishing Fleet of FSBEI HPE " Kaliningrad State Technical University"; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Marine Power Installations"; Zubakovalexander@yandex.ru.
Зубаков Александр Сергеевич - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», аспирант кафедры «Судовые энергетические установки»; Zubakovalexander@yandex.ru.
Zubakov Alexander Sergeevich - Baltic State Academy of Fishing Fleet of FSBEI HPE " Kaliningrad State Technical University"; Postgraduate Student of the Department "Marine Power Installations"; Zubakovalexander@yandex.ru.
Корнев Михаил Константинович - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», аспирант кафедры «Судовые энергетические установки»; Zubakovalexander@yandex.ru.
Kornev Mikhail Konstantinovich - Baltic State Academy of Fishing Fleet of FSBEI HPE " Kaliningrad State Technical University"; Postgraduate Student of the Department "Marine Power Installations"; Zubakovalexander@yandex.ru.
