Анализ методов моделирования влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на экономичность дизелей рыбопромыслового флота Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.436

АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДИЗЕЛЕЙ

РЫБОПРОМЫСЛОВОГО ФЛОТА

В. И. Одинцов

THE STRUCTURAL AND OPERATIONAL FACTORS EFFECT MODELING METHODS ANALYSIS ON THE FISHING FLEET ECONOMY OF THE DIESEL

ENGINES

V. I. Odintsov

Суда флота рыбной промышленности работают в различных зонах Мирового океана, отличающихся гидрометеорологическими условиями, влияющими на изменение технического состояния. К гидрометеорологическим условиям относятся: сила и направление ветра, уровень волнения моря, глубина под килем, барометрическое давление, температура и относительная влажность окружающего воздуха, температура и уровень солёности забортной воды. В результате их воздействия на суда ухудшается техническое состояние топливной аппаратуры, элементов системы наддува и газообмена, изнашиваются детали цилиндропоршневой группы. Совместное влияние приведенных выше факторов, ухудшает процессы распыливания и смесеобразования, а продолжительность процесса сгорания - увеличивается. Вследствие этого растут расходы топлива, увеличивается теплонапряженность. Обилие действующих факторов не позволяет экспериментальным путем оценить влияние каждого из них на увеличение расходов топлива применительно к исследуемому дизелю из-за высокой трудоёмкости, высоких затрат и невозможности зачастую провести исследование по методу одно- либо многофакторного эксперимента, поскольку все процессы в дизеле взаимосвязаны. В настоящей статье проведен анализ методов моделирования влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на экономичность работы двигателей рыбопромыслового флота. Обоснован метод моделирования и проведены расчетные исследования влияния ряда эксплуатационных факторов на расходы топлива и максимальное давление сгорания в двигателях типа 6 ЧН 40/46, установленных на судах проекта 1288.

топливная экономичность, методы анализа, эксплуатационные факторы, параметры рабочего процесса

Vessels of the fishing industry work in different zones of the World Ocean, differing in hydrometeorological conditions and technical state. Hydrometeorological conditions include: wind force and direction, sea level, depth under the keel, barometric pressure, temperature, relative air humidity, temperature and salinity of the seawater. The technical condition of the fuel equipment, the elements of the pressurization and gas exchange systems deteriorates, the details of the cylinder-piston group wear out.

The combined effect of the above factors worsens the spraying of the mixture, and the duration of the combustion process increases. As a result, fuel costs are rising, and heat stress is increasing. The abundance of operating factors does not allow us to evaluate experimentally the influence of each of them on the increase in fuel consumption, as applied to the diesel engine under investigation, because of the high laboriousness, high costs and the inability to carry out a single- or multifactor experiment frequently, since all the processes in the diesel are interrelated.

In this paper, the methods analysis is made in modeling the effect of structural and operational factors on the efficiency of the operation of the engines of the fishing fleet. The simulation method is substantiated and calculations of the effect of operational factors on fuel consumption in the six cylinder four stroke supercharged 40/46 engine installed on the vessels of the project 1288 are carried out.

fuel economy, analysis methods, operational factors, workflow parameters

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повышения топливной экономичности является одной из основных в течение всего периода развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Несмотря на это, к настоящему времени еще не использованы все потенциальные резервы совершенствования рабочего процесса. Поэтому проблема уменьшения удельного расхода топлива является актуальной и в настоящее время. Особенно в связи с тем, что расходы на топливо составляют значительную часть эксплуатационных расходов.

Применительно к судовым ДВС проблема увеличения топливной экономичности включает два аспекта: разработку и применение высокоэкономичных двигателей и ограничение роста эксплуатационных расходов топлива относительно паспортных значений.

Сокращение продолжительности и уменьшение затрат на отработку высокоэкономичных ДВС обеспечивается на стадии проектирования, когда вычисляются оптимальные значения основных конструктивных и регулировочных параметров, определяющих протекание рабочего процесса. В этом случае экспериментально проверяется и уточняется только несколько искомых параметров. К ним относятся: диаметр цилиндра и ход поршня, среднее эффективное давление, скорость двигателя (частота вращения), диаметр и количество сопловых отверстий в форсунке, количество форсунок в одном цилиндре, давление впрыскивания топлива, характеристики топлива, коэффициент расхода форсунки, конфигурация камеры сгорания, турбулентность заряда воздуха в цилиндре.

Более предпочтительным является такой способ оптимизации, при котором расчет параметров ДВС осуществляется обратным путем, исходя из заданных значений мощности и топливной экономичности.

В связи с большим разнообразием типоразмеров судовых ДВС исследование влияния эксплуатационных факторов на их топливную экономичность (с целью ограничения расхода топлива) также целесообразно проводить преимущественно расчетным путем.

Целью работы является обоснование метода анализа экономичности рабочего цикла и получение уравнений, отражающих в явном виде влияние

эксплуатационных факторов на удельные расходы топлива в двигателях типа 6ЧН 40/46.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ

В разработку методов анализа экономичности рабочего цикла дизелей значительный вклад внесли академики Н. Р. Брилинг, Б. С. Стечкин, профессора В. И. Гриневецкий, В. А. Ваншейдт, С. И. Погодин, В. И. Сороко-Новицкий, Н. М. Глоголев, К. И. Генкин, Н. Х. Дьяченко, А. И. Толстов, Д. А. Портнов и др.

Достоинством подхода, принятого в классической теории ДВС [1], является установление влияния на величину индикаторного КПД следующих факторов: коэффициента избытка воздуха при сгорании, давления и температуры воздуха в продувочном коллекторе, коэффициента наполнения, среднего индикаторного давления.

Дальнейшее развитие классического метода получено в работах академика Н.Р. Брилинга, который впервые применил характеристику тепловыделения при анализе рабочего процесса и показал, что отличие КПД действительного цикла от теоретического обусловлено потерями теплоты в стенки деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), недогоранием топлива и потерями из-за «несвоевременности сгорания» [2]. В дальнейшем профессор В.И. Сороко-Новицкий разделил индикаторную диаграмму действительного цикла на ряд элементарных циклов и показал, что КПД каждого из них определяется их положением относительно верхней мертвой точки (ВМТ).

Академик Б.С. Стечкин и профессор К.И. Генкин внесли вклад в дальнейшее развитие этого подхода [2]. Потери при теплоотводе в стенки деталей ЦПГ и от неполноты сгорания предложено учитывать с помощью КПД сгорания. Для оценки потерь от «несвоевременности сгорания» введен действительный относительный КПД. В результате индикаторный КПД представлен:

& = Ut-#сг-#отн.д , (1)

где yt - КПД теоретического цикла; усг - КПД сгорания; ^отн.д - действительный относительный КПД, показывающий степень приближения действительного термодинамического цикла к теоретическому, принятому за эталон.

Положительной особенностью этого метода является ясный физический смысл и такой подход принят в дальнейшем для его совершенствования применительно к судовым ДВС [3]. В работах Н. М. Глоголева [4] и Д. А. Портнова [5] индикаторный КПД представлен в зависимости от ряда факторов, которые определяются эмпирическим путем. В работе профессора Д. Д. Матиевского [6] предложен метод анализа индикаторного КПД с произвольными характеристиками тепловыделения и теплоотдачи, разработанный для анализа имеющихся индикаторных диаграмм. Метод профессора З. З. Маца [7-10] основан на оценке характеристик тепловыделения с помощью обобщающих параметров: степени повышения давления при сгорании и отношения части площади индикаторной диаграммы, ограниченной кривой процессов сгорания-расширения, адиабатой и изохорой, проходящими через начало и конец участка сгорания-расширения. В предложенных зависимостях превалирующим фактором является степень повышения давления при сгорании. Недостаток заключается в

замене действительной характеристики тепловыделения обобщенными параметрами.

Таким образом, рассмотренные методы могут применяться после проведения экспериментальных исследований с получением индикаторных диаграмм. Для решения задач проектирования необходимо вычислить диаметр и количество сопловых отверстий в форсунке, количество форсунок в цилиндре, давление топливоподачи, коэффициент избытка воздуха при сгорании, диаметр и ход поршня, количество цилиндров, давление наддува, частоту вращения коленчатого вала по заданной мощности и экономичности дизеля. При решении эксплуатационных задач (в случае изменения гидрометеорологических условий, технического состояния элементов дизеля и подводной части корпуса судна) необходимо определить допустимое ухудшение технического состояния элементов дизеля, переход через которое приведет к излишнему расходу топлива или повышению до критических значений тепловой напряженности. Последнее приведет к аварии отдельного цилиндра или двигателя в целом.

На основе вышесказанного были проведены дальнейшие исследования по совершенствованию подходов, предложенных академиками Н. Р. Брилингом и Б. С. Стечкиным. Они заключались в разработке модели процесса сгорания и методов его расчета, а также методов расчета теплообмена и индикаторного процесса [3]. Применение разработанных методов заключалось в синтезе индикаторной диаграммы, состоящей из суммы элементарных положительных циклов с подводом теплоты в каждом из них при постоянном объёме и элементарных отрицательных циклов с мгновенным отводом теплоты при постоянном объёме (рисунок). Дополнительно учтены: работа на линии газообмена (^г), влияние сопротивления движению поршня на участке начала сгорания - ВМТ и повышение теплоемкости рабочего тела в период сгорания (^ ).

Рис. Схема синтеза индикаторной диаграммы: I, II, III, IV - элементарные положительные циклы; d - элементарные отрицательные циклы; l - потери, обусловленные отличием характеристик реального рабочего тела от идеального Fig. The scheme of synthesis of the indicator diagram

В итоге индикаторный КПД [3]

Л , = Л Лсг Ль ■Лотн.д.у (1 + Sr< ) -

R

(k - 1)Cv ХЛв Лcn

■±Ax ,(1 -s kl) ]

i=0

X

(2)

где R, Cv - соответственно газовая постоянная и теплоемкость рабочего тела; s сж - степень сжатия (расширения) в i-м элементарном цикле; Axj - относительное количество теплоты, выделившейся при сгорании на i-м расчетном участке; цв - КПД, учитывающий влияние температуры и состава рабочего тела в цилиндре на его теплоемкость; 5г - относительное влияние работы, совершаемой на участках газообмена в двигателях с наддувом.

Действительный относительный КПД, учитывающий влияние отклонения характеристики тепловыделения в исследуемом рабочем цикле от характеристики подвода теплоты при V = const в идеальном цикле,

Л

отн.д.у

=!К 1-1 / S k;!j ]/(1-1 / s k;1), i=i

S wv = i [AXwm( 1 - 1 / s k;lm) /(1 - 1 / S ,

m=1

(3)

(4)

где S w v - снижение КПД, обусловленное отводом теплоты через стенки ЦПГ в охлаждающую среду, в случае, когда в качестве критериального, принят идеальный цикл с подводом теплоты при V = const; s pxi - степень расширения в положительном i-м цикле; spwm - степень расширения в элементарном отрицательном цикле; s^ - степень сжатия критериального цикла.

Закономерность тепловыделения вычисляется по нижеприведенным формулам:

X= 1- exp

-В-С-Д-К0*2 (п /Tz) '

(5)

где т - отрезок времени от начала процесса сгорания до /-го момента, с; т - продолжительность процесса сгорания; т & 1,88 - показатель, определенный экспериментальным путем для 12 типов судовых ДВС. В свою очередь:

B

И-

э у

i , л

d

\ d ,

V сэ У

т

\ т. - т у

V гэ лэ у

г \ а

г \ И

т Т J g

Лэ Л* —'CD Л

У у

C =

т Т J g

л* лэ — э CD л*

tgYn (1/ cos Yn + Шп ) . tgYs (1 /cos Ys + tgYs ) '

С \ Рт-

\РТэ

X

(6)

(7)

1,42

1.05

0,71

1.05

0.37

0.32

Д =

т т

синд.п вп Рэ

Г

Tzn - 0,5т

л 1,6

впР.п

Тинд.э Твпр.п V TZэ

0,5т

вп р.э

У

(8)

E = 6,908

Л

т

+ т

Л

1э V

P

+ т у

-э max э у

(9)

К =

л

цп

Т

V цэ у

/ л

Г 7 V,57Y

V ^ У

к - Р

fn цп

V ,

V f цэ У

т

V впр.э y

/

л

Ртп

V Аэ

f Л

V п у

/

V^ У

Л0,48/'р \

tg У V

о / п еэ

tg2 у ' V"

э еп

P

V цп У

X

(10)

В уравнениях (5)-(10) приняты следующие обозначения:

- цикловая подача топлива, кг; i - количество цилиндров в ДВС; K - показатель адиабаты идеального цикла; Рсс - давление сжатия при наличии сгорания, МПа; Ртах - максимальное давление цикла, МПа;

Рц - среднее давление рабочего тела в цилиндре ДВС в период сгорания, МПа; Pf - среднее давление топлива в форсунке в период впрыскивания, кПа; R - газовая постоянная; S - ход поршня, см;

Тц - средняя температура рабочего тела в цилиндре ДВС в период сгорания топлива, К;

Tc - температура рабочего тела в конце процесса сжатия, К; тинд. - период задержки воспламенения топлива, с;

T (ф) - текущее время, отсчитываемое от начала воспламенения топлива, с (о ПКВ);

тz(Pz) - продолжительность процесса сгорания, с (о ПКВ); твпр - продолжительность впрыскивания топлива, с;

Xi - относительное количество теплоты, выделившееся в цилиндре к i-му моменту времени;

Axi - относительное количество теплоты, выделившееся в цилиндре на i-м расчетном интервале;

Xw - относительные потери теплоты в стенки ЦПГ; а.1 - воздушно-топливное отношение при сгорании; /лс - коэффициент расхода форсунки; /л - динамическая вязкость топлива, Па ' с;

Jc - количество сопловых отверстий в форсунках одного цилиндра ДВС, ед.; рт - плотность топлива, кг/м3;

о - коэффициент поверхностного натяжения топлива, Н/м; Рнг - угол начала воспламенения топлива, оПКВ; Y - угол топливной струи;

0,5

1,065

1.5

1,575

0,555

т

п

n, э - соответственно индекс параметров разрабатываемого (исследуемого) двигателя и двигателя, принятого за эталон (базового).

Показатели степени в (6), (10) получены из уравнений, разработанных профессором А. С. Лышевским [11] для расчета геометрических параметров топливных струй на основе обработки экспериментальных данных своих, отечественных и зарубежных авторов. Показатели степеней в формулах (8), (9) получены путем обработки опытных данных по двенадцати типам ДВС.

На судах флота рыбной промышленности (например БМРТ 1288) применяются двигатели типа 6ЧН 40/46 мощностью 2570 кВт при частоте вращения 250 об./мин, степени сжатия 8 =14, удельном расходе топлива 212 г/кВтч. Анализ по вышеприведенным формулам показал, что действительный относительный КПД для этого двигателя равен потн.д = 0,744. В то время как в современных судовых дизелях величина потн.д. превышает 0,9 за счет сокращения продолжительности процесса сгорания до 30-45 оПКВ.

С целью исследования влияния эксплуатационных факторов были проведены соответствующие расчеты по вышеприведенным формулам. Моделировалось влияние закоксовывания части сопловых отверстий форсунки, снижение давления топливоподачи вследствие износа прецизионных элементов топливной аппаратуры, изменение угла начала сгорания из-за разрегулировки или ухудшения качества топлива, уменьшение давления в момент начала сжатия. Последнее моделирует снижение барометрического давления, загрязнение проточной части турбокомпрессора и воздушного фильтра, а также элементов системы газообмена. Результаты представлены уравнениями (11)-(18).

Влияние изменения угла опережения воспламенения топлива (5-8 оПКВ до ВМТ) на максимальное давление сгорания и удельный расход топлива аппроксимируется зависимостями с достоверностями R2 = 0,9993 и R2 = 0,9971 соответственно:

Pmax = -0,314fng + 10,951 МПа, (11)

be = -0,0005 fing2 - 0,0042 fing + 0,2073 кг/кВтч , (12)

где fing - опережение воспламенения топлива, оПКВ.

Влияние изменения количества сопловых отверстий в форсунке (7)-(10) на максимальное давление сгорания и удельный расход топлива, аппроксимируется зависимостями с достоверностями R2 = 0,9934 и R2 = 0,9984 соответственно:

Pmax = 0,4844/со+ 7,9136 МПа, (13)

be = 0,0065 Jm 2 - 0,1345 + 0,9065 кг/кВтч, (14)

где J^ - количество сопловых отверстий в распылителе, ед. Влияние изменения давления рабочего тела в момент начала сжатия в цилиндре (0,220-0,285 МПа) на максимальное давление сгорания и удельный расход топлива аппроксимируется зависимостями с достоверностями R2 = 1 и R2 = 0,9989 соответственно:

Pmax = -210 -5Pa 2 + 0,0544 Pa - 0,7902 МПа, (15)

be = 10-6 PA2 - 0,0009 PA + 0,3663 кг/кВтч, (16)

где PA - давление рабочего тела в цилиндре в момент начала сжатия, МПа. Влияние изменения среднего давления топливоподачи (50-70 МПа) на максимальное давление сгорания и удельный расход топлива аппроксимируется зависимостями с достоверностями R2 = 0,9985и R2 = 0,9737 соответственно:

Pmax = 0,0855Pт + 7,2857 МПа, (17)

be = 0,4201 схр^^^т) кг/кВт ч, (18)

где P-r - среднее давление топлива в период топливоподачи, МПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ методов моделирования влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на экономичность двигателей внутреннего сгорания показал, что наиболее приемлемыми являются подходы, разработанные академиками Н. Р. Брилингом и Б. С. Стечкиным, профессором В. И. Сороко-Новицким. Ими было установлено, что отличие в экономичности действительного цикла от идеального происходит из-за влияния продолжительности процесса сгорания, отвода теплоты в систему охлаждения и более высокой теплоемкостьи рабочего тела, увеличивающейся по мере повышения его температуры и доли продуктов сгорания.

Однако разработанные ими расчетные зависимости пригодны только для анализа индикаторных диаграмм. В то же время для сокращения продолжительности и трудоемкости создания новых дизелей или исследования влияния эксплуатационных факторов при разработке инструкций по эксплуатации необходимо, чтобы расчетные уравнения в явном виде учитывали влияние действующих факторов. Дальнейшее развитие подхода освещено в работе [3].

Применение метода [3] позволило установить влияние ухудшения технического состояния топливной аппаратуры, систем наддува и газообмена на максимальное давление сгорания и удельные расходы топлива.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ваншейдт, В. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания / В. А. Ваншейдт. - Ленинград: Судостроение, 1977. - С. 392.

2. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя / Б. С. Стечкин [и др.]. - Москва: Изд-во АН СССР, 1960. - С. 231.

3. Одинцов, В. И. Рабочий процесс судовых ДВС: монография /

B. И. Одинцов. - Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. - 141 с.

4. Глаголев, Н. М. Способы повышения КПД тепловозных двигателей / Н. М. Глаголев // Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков, 1961. - Вып. 2. - С. 5-24.

5. Портнов, Д. А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия / Д. А. Портнов. - Москва: Машиностроение, 1963. -

C. 639.

6. Матиевский, Д. Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла двигателя / Д. Д. Матиевский // Двигателестроение. - 1984. - № 6. - С. 7-11.

7. Мац, З. З. Анализ рабочего процесса ДВС с помощью общих характеристик З. З. Мац // Энергомашиностроение. - 1970. - № 1. - С. 20-23.

8. Мац, З. З. Унифицированный цикл двигателя / З. З. Мац // Энергомашиностроение. - 1974. - № 5. - С. 41-44.

9. Мац, З. З. Инженерный метод расчета процесса сгорания в дизелях / З. З. Мац // Двигателестроение. - 1982. - № 9. - С. 16-18.

10. Мац, З. З. Расчеты процесса сгорания при различных режимах работы двигателя / З. З. Мац // Двигателестроение. - 1984. - № 8. - С. 3-6.

11. Лышевский, Ф. С. Распыливание топлива в судовых ДВС / Ф. С. Лышевский. - Ленинград: Судостроение, 1971. - С. 224.

REFERENCES

1. Vansheydt V. A. Sudovye dvigateli vnutrennego sgoraniya [Ship engines of internal combustion]. L., Sudostroenie, 1977, 392 p.

2. Stechkin B. S. i dr. Indikatornaya diagramma, dinamika teplovydeleniya i rabochiy tsikl bystrokhodnogo porshnevogo dvigatelya [Indicator diagram, heat generation dynamics and duty cycle of a high-speed reciprocating engine]. Moscow, izd-vo AN SSSR, 1960, 231 p.

3.Odintsov V. I. Rabochiy protsess sudovykh DVS [Working process of ship engines]. Kaliningrad, izdatel'stvo BGARF, 2010, 141 p.

4. Glagolev N. M. Sposoby povysheniya KPD teplovoznykh dvigateley. [Methods for increasing the efficiency of diesel engines]. Dvigateli vnutrennego sgoraniya, Khar'kov, 1961, iss. 2, pp. 5-24.

5. Portnov D. A. Bystrokhodnye turboporshnevye dvigateli s vosplameneniem ot szhatiya [High-speed turbo piston engines with compression ignition]. Moscow, Mashinostroenie, 1963, 639 p.

6. Matievskiy D. D. Metod analiza indikatornogo KPD rabochego tsikla dvigatelya [Method for analyzing the indicator efficiency of the engine operating cycle]. Dvigatelestroenie, 1984, no. 6, pp. 7-11.

7. Mats Z. Z. Analiz rabochego protsessa DVS s pomoshch'yu obshchikh kharakteristik [Analysis of the ICE workflow using common characteristics]. Energomashinostroenie, 1970, no. 1, pp. 20-23.

8. Mats Z. Z. Unifitsirovannyy tsikl dvigatelya [Unified motor cycle]. Energomashinostroenie, 1974, no. 5, pp. 41-44.

9. Mats Z. Z. Inzhenernyy metod rascheta protsessa sgoraniya v dizelyakh [Engineering method for calculating the combustion process in diesel engines]. Dvigatelestroenie, 1982, no. 9, pp. 16-18.

10. Mats Z. Z. Raschety protsessa sgoraniya pri razlichnykh rezhimakh raboty dvigatelya [Calculations of the combustion process for different engine operating conditions]. Dvigatelestroenie, 1984, no. 8, pp. 3-6.

11. Lyshevskiy F. S. Raspylivanie topliva v sudovykh DVS [Atomization of fuel in marine ICE]. L., Sudostroenie, 1971, 224 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Одинцов Виктор Иванович - Балтийская государственная академия ФГБОУ ВО «Калининградский государственный технический университет»; доктор технических наук, профессор кафедры «Судовые энергетические установки»; E-mail: [email protected]

Odintsov Viktor Ivanovich - Baltic State Academy of the Kaliningrad State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Ship Power Plants; E-mail: [email protected]