CC BY
13
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СУДОВОЖДЕНИЯ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ СУДОВ
УДК 621.43
Д.К. Глазюк1, А.Н. Соболенко2
1 Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет,
690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52б
2Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, 690003, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЦИКЛА ШЕСТИТАКТНОГО ДВС
Для судовых дизелей, достигших определенного совершенства, шеститактный цикл работы обещает рост их экономичности и экологичности.
Проведение численного эксперимента с учетом сопутствующих теоретических исследований является попыткой оптимизировать параметры шеститактного цикла. Успешные направления исследований экономичности судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) связаны с утилизацией энергии сжигаемого топлива. Между тем двухтактные и четырехтактные судовые ДВС достигли наивысших показателей эффективности сжигания топлива 54,5 % за счет использования схем глубокой утилизации теплоты. Следует заметить, что особенностью шеститактного цикла является весьма высокая температура выпускных газов после окончания цикла. Это позволяет получить большую мощность турбокомпрессора и высокое давление наддува.
Исследуемый шеститактный цикл состоит из политропного сжатия, подвода теплоты по изохоре в первом процессе сгорания, политропного расширения, второго политропно-го процесса сжатия, подвода теплоты во втором процессе сгорания, политропного расширения и смешанного отвода теплоты частью по изохоре, частью по изобаре.
Ключевые слова: 6 тактов, дизель, ДВС, индикаторные показатели, теоретический цикл.
D.K. Glazuk, A.N. Sobolenko RESEARCH OF THE SIX-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE
THEORETICAL CYCLE
For marine diesels that have reached a certain level of perfection, a six-cycle operation promises to increase their efficiency and environmental friendliness.
Conducting a numerical experiment, taking into account the accompanying theoretical studies, is an attempt to optimize the parameters of a six-stroke cycle. Successful areas of research on the efficiency of marine internal combustion engines (MICE) are associated with the utilization of energy from burned fuel. Meanwhile, two-stroke and four-stroke marine internal combustion engines achieved the highest fuel combustion efficiency of 54.5 % due to the use of deep heat recovery schemes. It should be noted that a feature of the six-stroke cycle is a very high temperature of the exhaust gases after the end of the cycle. This allows you to get more turbocharger power and get a high boost pressure. The six-stroke cycle under study consists of polytrophic compression, heat transfer by isochoric in the first combustion process, polytrophic expansion, second polytrophic compression process, heat transfer in the second combustion process, polytrophic expansion and mixed heat transfer part by isochoric, part by Isobar.
Key words: 6 cycles, diesel, internal combustion engine, indicator parameters, theoretical cycle.
Введение
Вопросу исследования как шеститактного двигателя, так и его рабочего процесса уделяется мало внимания. Авторы, как правило, рассматривают концепцию развития шеститактного ДВС с использованием второго рабочего такта для впрыска воды и использования энергии образующегося пара для совершения полезной работы [1, 2, 3]. В своей работе мы не пошли по такому пути, а используем дополнительный такт сгорания с подачей топлива. Это позволяет повысить эффективность рабочего цикла.
Почти все известные публикации направлены на патентование различных конструкций или способов работы шеститактного ДВС [4, 5, 6, 7]. Работ, посвящённых исследованию теоретических аспектов шеститактного ДВС, имеются единицы [8, 9, 10, 11, 12, 13]. Отсутствуют инженерные методики расчёта рабочего процесса шеститактного рабочего цикла. Теоретический шеститактный цикл не исследован.
Индикаторная диаграмма, поясняющая принцип работы шеститактного двигателя, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Индикаторная диаграмма шеститактного цикла: 1-й такт fa - всасывание; 2-й такт ас - первое сжатие, 3-й такт cyzb - первое сгорание и расширение - 1-й рабочий ход; 4-й такт bc' - второе сжатие; 5-й такт c'zb' - второе сгорание и расширение - 2-й рабочий ход; 6-й такт b'f - выпуск Fig. 1. Six-cycle indicator diagram: 1st cycle fa - filling; 2st cycle ас - first compression, 3st cycle cyzb - first combustion and expansion - 1st working stroke; 4th cycle bc' - second compression; 5th cycle c'zb' -second combustion and expansion - 2nd working stroke; 6th cycle b'f - release
В основу нашего исследования было положено уточнение формул расчёта интегральных показателей двигателей, работающих по шеститактному циклу. Инженерная методика теплового расчёта четырёхтактного дизеля Гринивецкого-Мазинга была адаптирована для расчёта шеститактного дизеля. С этой целью были введены следующие дополнения.
Во-первых, коэффициент избытка воздуха для сгорания топлива при втором процессе сгорания определяется исходя из значения коэффициента избытка воздуха для первого сгорания за вычетом воздуха, затраченного на сгорание.
Во-вторых, коэффициент остаточных газов во втором процессе сжатия-сгорания определяется с учётом газов, полученных в первом процессе сгорания.
В-третьих, индикаторная мощность полного шеститактного цикла определяется как индикаторная мощность, полученная на основании суммарного среднего индикаторного давления от двух процессов, и при этом коэффициент тактности равен г = 2/3 [14].
Эти определения позволили провести вариантные расчёты по анализу влияния параметров рабочего процесса на индикаторные показатели шеститактного двигателя.
Объект и результаты исследования
В качестве базового в наших исследованиях был принят дизель 6 ЧН 18/22.
Было выполнено исследование влияния давления наддува (рк) в пределах 0,15^0,23 МПа. Результаты расчётов представлены на рис. 2. Как видно из рисунка, существенное влияние изменения параметра рк оказало на максимальное давление сгорания третьего и пятого тактов (в среднем изменение давления составило до 53,3 %), на среднее индикаторное давление (изменение давления составило до 53,41 %), а также давление сжатия второго и четвёртого тактов (изменение давления второго такта в пределах до 54,17 %, а четвёртого - в пределах до 53,85 %). Все индикаторные показатели работы ДВС оставались в допустимых пределах.
Рис. 2. Влияние давления наддуваpk на давление газов в цилиндре p pZ3, Pz5, Pc2,Pc4) Fig. 2. Influence of supercharger pressure pk on gas pressure in the cylinder (pi, pzs, pz5, Pc2, Pc4)
При переходе к шеститактному циклу и условии повышения давления наддува от 0,15 до 0,23 МПа наблюдаются следующие изменения параметров:
- значение рz увеличивается линейно на 5,6 % на каждые 0,01 МПа увеличения рk. Отношение рz/pk = 69,5 = const;
- изменениерс составило в пределах 53,75^54,24 %;
- изменение Tz составило 33,76 %.
Исследуя влияние такого параметра, как коэффициент избытка воздуха для сгорания а в пределах (3^4,2) удалось получить параметрические данные. Влияние данного параметра было оказано на большое число индикаторных параметров работы дизеля (рис. 3-5). В частности, это среднее индикаторное давление (изменение давления составило до 23,51 %), удельный индикаторный расход топлива (изменение расхода топлива составило до 6,6 %), индикаторный КПД (изменение КПД до 6,6 %), максимальное давление сгорания пятого такта (в среднем изменение давления составило до 13,52 %), давление сжатия четвёртого такта (в среднем изменение давления составило до 13,46 %), максимальная температура сгорания топлива третьего и пятого тактов (изменение температуры в третьем такте составило до 10,21 %, а в пятом - до 14,4 %). Все индикаторные показатели работы ДВС оставались в допустимых пределах.
При переходе к шеститактному циклу и условии увеличения избытка воздуха для сгорания наблюдаются следующие изменения параметров:
- изменение fz составило в пределах 44,77-36,14 %;
- изменение рс составило в пределах 53,85-46,67 %;
- изменение Tz составило в пределах 33,76-30,52 %.
ПI
0,467
3
3,3
3,6
3,9
а
Рис. 3. Влияние коэффициента избытка воздуха a на индикаторный КПД шеститактного дизеля п Fig. 3. Influence of excess air factor a on the indicator efficiency of six-stroke diesel n
Рис. 4. Влияние коэффициента избытка воздуха a на давление
ГаЗОВ В цилиндре (pi, pz3, Pz5, Pc2, Pc4)
Fig. 4. Influence of excess air factor a on gases pressure in cylinder (Pi, Pz3, Pz5, Pc2, Pc4)
Рис. 5. Влияние коэффициента избытка воздуха a на максимальную температуру первого Tz3 и второго Tz5 сгорания Fig. 5. Influence of excess air factor a on the maximum temperature of the first TZ3 and second combustion Tzs
Наблюдая за изменением угла опережения закрытия до НМТ впускных клапанов, мы фактически исследовали применение цикла Миллера к шеститактному рабочему циклу. Были установлены зависимости, которые приведены в работе [8].
Также варьировались степень сжатия е в пределах (12,5-13,7) и степень повышения давления при сгорании X в пределах (1,2-1,6) (рис. 6-12).
12,5 12,8 13,1 13,4 е
Рис. 6. Влияние степени сжатия s на индикаторный КПД шеститактного дизеля Fig. 6. Influence of compression ratio s on indicator efficiency of the six-stroke diesel
Рис. 7. Влияние степени сжатия s на давление газов в цилиндре (p,,pz3, Pz5, Pc2, Pc4) Fig. 7. Influence of compression ratio s on gas pressure in the cylinder (p,, pzs,pz5, Pc2, Pc4)
Рис. 8. Влияние степени сжатия s на максимальную температуру Tz первого и второго сгорания Fig. 8. Influence of compression ratio £ on maximum temperature Tz of the first and second combustion
Влияние s было оказано на наибольшее число индикаторных параметров работы дизеля. В частности, это среднее индикаторное давление (изменение давления составило до 1,99 %), удельный индикаторный расход топлива (изменение расхода топлива составило до 2,55 %), индикаторный КПД (изменение КПД в среднем составило до 2,7 %), максимальное давление сгорания третьего и пятого тактов (изменение давления в третьем такте составило до 1,75 %, а в пятом - до 0,69 %), давление сжатия второго и четвёртого тактов (изменение давления во втором такте составило до 12,5 %, а в четвёртом - до 10,58 %), максимальная температура сгорания топлива третьего и пятого тактов (изменение температуры в третьем такте составило до 1,75 %, а в пятом - до 0,69 %). Все индикаторные показатели работы ДВС оставались в допустимых пределах.
При переходе к шеститактному циклу и условии увеличения степени сжатия наблюдаются следующие изменения параметров:
- изменениеpz составило в пределах 44,77-43,59 %;
- изменениерс составило в пределах 53,85-53 %;
- изменение Tz составило в пределах 33,76-33 %.
Влияние X было оказано на большое число индикаторных параметров работы дизеля. В частности, это среднее индикаторное давление (изменение давления составило до 2,4 %), удельный индикаторный расход топлива (изменение расхода топлива составило до 2,04 %), индикаторный КПД (изменение КПД составило до 2,51 %), максимальное давление сгорания третьего и пятого тактов (изменение давления в третьем такте составило до 33,3 %, а в пятом -до 1,73 %), давление сжатия четвёртого такта (изменение давления в среднем составило до 0,96 %), максимальная температура сгорания топлива третьего и пятого тактов (изменение температуры в третьем такте составило до 5,31 %, а в пятом - до 1,15 %). Все индикаторные показатели работы ДВС оставались в допустимых пределах.
«t 0,196
gi, г/{кВт-ч) ^•чОддз
1,2 1,3 1,4 1,5 А.
Рис. 9. Влияние степени повышения давления X на удельный индикаторный расход топлива gi Fig. 9. Influence of pressure increase degree X on specific indicator fuel consumption gi
0,449
Ф JTTM4.S
jrfi,442
wo, 438
1,2 1,3 1,4 1,5 X
Рис. 10. Влияние степени повышения давления X на индикаторный КПД шеститактного дизеля Fig. 10. Influence of pressure increase degree X on indicator efficiency of six-stroke diesel engine
Рис. 11. Влияние степени повышения давления X на давление
газов в цилиндре (pi, Pz3, Pz5, Pc2, Pc4)
Fig. 11. Influence of pressure increase degree X on gases pressure
in cylinder (pi, Pz3, Pz5, Pc2, Pc4)
Рис. 12. Влияние степени повышения давления X на максимальную температуру первого Tz3 и второго Tz5 сгорания Fig. 12. Degree of pressure increase influence X on maximum temperature of the first Tz3 and the second combustion Tz5 during fuel combustion process
При переходе к шеститактному циклу и условии увеличения степени повышения давления при сгорании наблюдаются следующие изменения параметров:
- изменениерг составило в пределах 44,77-25,07 %;
- изменениерс составило в пределах 53,85-53,4 %;
- изменение Тг составило в пределах 33,76-29,44 %.
Оптимальные показатели шеститактного рабочего цикла
1. Эффективность шеститактного рабочего цикла увеличивается прямо пропорционально увеличению давления наддува. Среднее индикаторное давление р1 увеличивается прямо пропорционально давлению надувочного воздуха. Отношение рг/рг сохраняется неизменным и равным 9,39. Вместе с тем удельный индикаторный расход топлива не изменяется, т.е. экономичность цикла не меняется. Одновременно увеличивается максимальное давление сгорания первого и второго процессов. Отношение рг /рк сохраняется неизменным и равным 69,5. Известно, что то же самое имеет место и при обычном четырёхтактном рабочем цикле.
Таким образом, способ увеличения давления наддува не выявил каких-либо преимуществ шеститактного рабочего цикла перед обычным четырёхтактным циклом.
2. Повышение степени сжатия 8 является действенным способом повышения экономичности рабочего цикла. Это происходит потому, что термический КПД идеального цикла цг с ростом е увеличивается. Одновременно увеличивается незначительно среднее эффективное давление, при изменении е на 10 % р1 увеличивается на 2 %, а величина рг также увеличивается на 10 %.
Известно, что то же самое имеет место и при обычном четырёхтактном рабочем цикле.
Таким образом, способ увеличения повышения степени сжатия не выявил каких-либо преимуществ шеститактного рабочего цикла перед обычным четырёхтактным циклом.
Следует также обратить внимание на то, что Тг существенно превышает значение обычного четырёхтактного цикла и, на наш взгляд, становится неприемлемым.
3. Увеличение степени повышения давления при сгорании X способствует как увеличению среднего индикаторного давления, так и индикаторного КПД. Примечательно, что одновременно несколько снижается критичное для нас максимальное давление сгорания второго процесса. Как следует из расчётов, экономичность шеститактного цикла увеличивается на 2,6 % и прекращает свой рост при достижении X = 1,76 при его увеличении от X = 1,2, т.е. на 40 %. Одновременно увеличивается значение среднего индикаторного давления на 2,7 % Дальнейшее увеличение X свыше 2,1 можно считать нецелесообразным, поскольку величина рг первого процесса сгорания сравняется с величиной рг второго процесса сгорания. Всего за счёт увеличения X можно добиться прироста р1 на 3 %.
Следует заметить, что величина Тг существенно превышает значение обычного четырёхтактного цикла и, хотя при увеличении X несколько снижается (примерно на 30°), всё ещё остаётся неприемлемой.
4. Увеличение общего коэффициента избытка воздуха для сгорания а способствует росту экономичности рабочего цикла и снижению максимальной температуры цикла. Но одновременно снижается эффективность рабочего процесса, т.е. уменьшается среднее индикаторное давление. Приемлемой максимальной температурой для среднеоборотного двигателя можно принять Тг = 1900 К. Этому значению соответствует величина а = 4. При этом величина р1 = 1,046 МПа, удельный индикаторный расход топлива уменьшается на 9 %, величина максимального давления сгорания входит во вполне приемлемые пределы и равна рг = 8,45 МПа.
Принимая, что если наилучшее значение X = 2,1, то с учётом этого улучшение индикаторного расхода топлива будет порядка 11 %, а среднее индикаторное давление будет 1,046 МПа. При этом параметр величины рг первого процесса сгорания значительно превышает рг двигателя с обычным циклом.
Заключение
При выбранных оптимальных значениях X = 1,76 и a = 4 для шеститактного двигателя и X = 1,76 и a = 2 для базового получим таблицу.
Л. п-D2 И 3,14• 0,182 750 2 ...
NUU =--S—z • P, = —---0,22-----1046 = 48,8 кВт (1)
щ 4 60 1 4 60 3 w
Цилиндровая индикаторная мощность базового двигателя с теми же параметрами будет
Л7 п-D2 n 3,14• 0,182 __ 750 1 1Л„
N1U =--S---z • Pt = —----0,22-----1079 = 37,8 кВт (2)
щ 4 60 1 4 60 2 к J
Сравнение параметров нового и базового двигателей Comparison of parameters of new and basic engines
№ п/п Наименование параметра Единица измерения Значение
Базовый двигатель Шеститактный двигатель
1 Цилиндровая мощность кВт 37,8 48,8
2 Частота вращения мин-1 750 750
3 Удельный эффективный расход топлива г/(кВтч) 215 216
4 Степень сжатия - 12,5 12,5
5 Степень повышения давления при сгорании - 1,76 1,76 (3-й такт) 1 (5-й такт)
6 Максимальное давление сгорания МПа 8,5 8,5 (3-й такт) 8,3 (5-й такт)
7 Максимальная температура цикла К 1881 1489 (3-й такт) 1895 (5-й такт)
8 Коэффициент избытка воздуха для сгорания топлива - 2 4 (3-й такт) 3 (5-й такт)
9 Давление наддува МПа 0,15 0,15
Таким образом, при переходе с обычного цикла на шеститактный с оптимизированными параметрами, двигатель форсируется приблизительно на 30 % и все рабочие параметры остаются в допустимых пределах.
Список литературы
1. Соболенко А.Н. Обобщённый теоретический цикл шеститактного ДВС и частные случаи подвода теплоты // Науч. тр. Дальрыбвтуза. 2014. Т. 31. С . 45-54.
2. Соболенко А.Н. Расчёт давления и температуры начала сжатия в рабочем цикле при охлаждении наддувочного воздуха по способу Миллера // Науч. тр. Дальрыбвтуза. 2016. Т. 37. С. 79-82.
3. Быстров О.И. Повышение экономических и экологических показателей дизеля путём реализации комбинированного шеститактного цикла: автореф. дис. ... канд. экон. наук. Челябинск, 2008. 24 с.
4. А.с. 1617169 А1 СССР: МКИ3 F 02 В 75/02. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания / А.Ф. Косяк, В.И. Васильев и В.Н. Осипов (СССР). № 4380121/25-06; заявл. 18.02.88; опубл. 30.12.90, Бюл. № 48. 4 с.
5. Пат. 2119073 Российская Федерация, МПК7 F02B 75/00. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания / Павлюк А.С., Цехмейструк Ю.А., Павлюк С.А.; заявитель и патентообладатель Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползу-нова. № 96106551/06; заявл. 01.04.1996; опубл. 20.09.1998. 3 с. [Электронный ресурс]. Режим доступа к патенту : http://www.freepatent.ru/patents/2119073.
6. Пат. 2169850 Российская Федерация, МПК7 F 02 B 75/02. Способ работы шеститактного ДВС / Стаценко П.Н.; заявитель и патентообладатель Стаценко Петр Николаевич. № 99117614/06; заявл. 08.10.1999; опубл. 27.06.2001 [Электронный ресурс]. Режим доступа к патенту: http://www.freepatent.ru/ patents/2169850.
7. Пат. 2220309 Российская Федерация, МПК7 F02G3/02 F02B75/38. Способ работы ше-ститактного двигателя внутреннего сгорания и шеститактный двигатель внутреннего сгорания / Попов В.В., Летова С.В.; заявитель и патентообладатель Попов Владимир Викторович, Летова Светлана Владимировна. № 2000125910/062000125910/06; заявл. 02.12.2001; опубл. 27.12.2003 [Электронный ресурс]. Режим доступа к патенту: http://www.freepatent.ru/ patents/2220309.
8. Соболенко А.Н., Глазюк Д.К., Корнейчук Ю.А. Улучшение характеристик рабочего цикла шеститактного дизеля посредством оптимизации угла закрытия впускного клапана до нижней мертвой точки на такте впуска // Вестн. Инженерной школы ДВФУ. 2019. № 2(39). С. 76-81.
9. Six Stroke Engine-Velozeta's Model 2014-15 Department of Aeronautical Engineering, SCE. P. 21.
10. Соболенко А.Н. Термодинамический КПД обобщённого теоретического цикла шеститактного ДВС // Вестн. ТОГУ. Хабаровск, 2015. № 1(36). С. 141-149.
11. Соболенко А.Н., Писаренко И.В. Определение некоторых параметров шеститактного рабочего цикла при его расчёте по методу Гриневецкого-Мазинга // Вестн. ТОГУ. Хабаровск, 2016. № 4(43). С. 45-50.
12. Жуков В.А., Яманин А.И., Мельник О.В. Двигатели с шеститактным рабочим циклом: порядок работы и схемы коленчатых валов // Вестн. ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова. 2018. № 6. С. 1244-1254.
13. Соболенко А.Н. Повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания посредством перехода от четырёхтактного к шеститактному рабочему циклу // Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов Мирового океана: материалы IV Междунар. науч.-техн. конф. Владивосток, 2016. Ч. I. С. 291-293.
14. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания (теория). Л.: Судпромгиз, 1950. 391 с.
Сведения об авторах: Глазюк Дмитрий Константинович, кандидат технических наук, доцент, e-mail: Daymon3@bk.ru;
Соболенко Анатолий Николаевич, доктор технических наук, профессор, e-mail: sobolenko_a@mail.ru.
