CC BY
151
УДК 621.431.74
Нгуен Динь Хиеп, П. А. Дорохов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ СУДОВОГО ДВС
Степень сжатия является важнейшим конструктивным параметром двигателя, определяющим его экономичность и мощность. Ее выбирают в зависимости от формы камеры сгорания, способа смесеобразования, марки применяемого топлива, с учетом быстроходности двигателя, типа системы охлаждения, а также наличия или отсутствия наддува и др. Под геометрической степенью сжатия е подразумевают отношение полного объема цилиндра Уа двигателя (в момент нахождения поршня в нижней мёртвой точке) к объему пространства сгорания Ус:
е = Ка/Ус или г = (Ус + Ук)/Ус,
где Ун - рабочий объем цилиндра.
Рассмотрим влияние степени сжатия на параметры дизеля, работающего без наддува. На рис. 1 приведены диаграммы р - У и Т - Б смешанного термодинамического цикла двигателя без наддува при различных степенях сжатия и одинаковом количестве подведенной теплоты. Сравнение диаграмм показывает, что с повышением степени сжатия е возрастает КПД, увеличивается полезная работа цикла и снижаются температура и давление газа в конце расширения.
Усі
_____________Уа___________
Рис. 1. Диаграммы Р - У и Т - Б термодинамического цикла двигателя без наддува
Если предположить одинаково хорошее осуществление процесса сгорания при различных значениях степени сжатия и коэффициента избытка воздуха и провести расчёт термодинамического цикла с учётом теплопередачи и зависимости теплоёмкости от состава рабочего тела и температуры, то можно получить формулу для определения эффективного КПД двигателя в функции главных факторов, от которых он зависит как при работе на полной нагрузке, так и на частичных нагрузках.
Зависимость для эффективного КПД це в функции от степени сжатия е и воздушнотопливного соотношения а рассчитывает по известной формуле [1]:
Це = фо • [Ц - 0,024 • а • (е + 8,5) • (1 - Цт)], (1)
где ф0 - коэффициент потерь теплоты, учитывающий неполноту сгорания топлива и скругление индикаторной диаграммы; Цт - механический КПД дизеля; % - термический КПД цикла, рассчитываемый с учётом теплопередачи и зависимости теплоёмкости рабочего тела от состава газа и температуры по формуле
Ц _ (е-1)__________________151а_________ (2)
(е2-10-2 +15• е + 5) (0,09^(а-1)^е +10а + 5)'
Ниже описаны результаты теоретических исследований, выполненных на дизеле 6Ч 18/22, в котором предполагается изменять в широком диапазоне величину е. Выполняя тепловой расчет для нагрузочных характеристик, соответствующих 110, 100, 75 и 50 % от Л^ном, получаем таблицу зависимости а и цт от режима работы дизеля при постоянном значении ф0.
Показатель Ле, % от Лном
110 100 75 50
а 1,72 1,9 2,53 3,7
Пт 0,88 0,87 0,81 0,74
ф0 0,93 0,93 0,93 0,93
Ниже представлены зависимости эффективного КПД - Це (рис. 2) и термического КПД -П (рис. 3) в функции степени сжатия е и коэффициента избытка воздуха а, построенные на основании результатов расчётов по формулам (1) и (2).
е
е
Рис. 2. График зависимости п от изменения е. Режим работы дизеля, % от ^ном:
-----х - 110; —А— - 100;
-----♦ - 75;--------- 50
Рис. 3. График зависимости це от изменения е. Режим работы дизеля, % ^ном:
-----♦ - 100;---------110;
----▲ - 75; —х— - 50
Из графиков видно:
- дизель, работающий с Ые = 110 % от ^ном, достигает цетах = 0,351 при е = 13;
- дизель, работающий с Ые = 100 % Л^ном, достигает це тах = 0,379 при е = 14;
- дизель, работающий с Ые = 75 % Л^ном, достигает це тах = 0,279 при е = 11;
- дизель, работающий с Ые = 50 % Л^ном, достигает це тах = 0,2 при е = 11.
Выбор высоких значений степени сжатия обосновывается необходимостью улучшения пусковых характеристик идля расширения диапазона используемых топлив [2, 3]. Однако большие е ведут к уменьшению заряда воздуха при наполнении цилиндра и увеличению температурных и механических напряжений в деталях, образующих объём рабочего цилиндра, что является негативным фактором. На практике дизель работает с различными нагрузками. Анализ вахтенных журналов машинных отделений судов различного назначения показал, что минимум эксплуатационного времени дизели в составе вспомогательных дизель-генераторных установок работают на номинальном режиме (Ые = 100 % от Ые ном). Большую часть эксплуатационного времени дизели работают на режиме частичных нагрузок (75 и 50 % от Ые ном), и в исключительных случаях, связанных с возникновением нештатных ситуаций, работа дизелей идёт в режиме перегрузки (Ые = 110 % от Ые ном).
Сопоставляя результаты расчётов и анализа эксплуатации судовых дизелей в составе ди-зель-электрических агрегатов, можно сделать важное, с нашей точки зрения, заключение: одно из направлений повышения энергетической, экономической и экологической эффективности
судовых дизелей связано с возможностью регулирования степени их сжатия в зависимости от режима работы. Наше заключение подтверждается рядом ранее выполненных исследований [4, 5]. На каждый долевой режим рассчитывается значение е, обеспечивающее максимальное значение це, а следовательно минимум удельного часового расхода топлива для той же мощности. Для исследуемого двигателя 6Ч 18/22 установлено, что оптимальными значениями е будут 14, 13, 11 и 11 соответственно для режимов 110; 100; 75 и 50 % Л^ном. Это исследование предпринято для предварительного обоснования целесообразности создания судовых двигателей с переменной степенью сжатия, предназначенных для работы по нагрузочной характеристике. На рис. 3 приведён один из вариантов конструкции ДВС с переменной е, предложенный в [5].
4
3
2
1
Рис. 3. Быстродействующий механизм автоматического регулирования степени сжатия
с пневматическим приводом
Система относится к поршеньковым механизмам регулирования степени сжатия. Величина е определяется положением поршенька 1, который посредством шатуна 2 сочленён с эксцентриковым валом 3. На эксцентриковом валу жестко закреплен диск 4. Диск имеет профилированную канавку, в которую укладывается трос 5. Один конец троса жёстко связан с диском, а второй соединен со штоком пневматического бустера 6. Посредством штуцера 7 и трубопровода бустер соединяется с впускным патрубком двигателя. Принцип работы таков - когда двигатель работает на долевом режиме, соответственно с изменением часового расхода топлива формируется электрический сигнал. Этот сигнал подает команду на открытие клапана, и расчётное количество сжатого воздуха поступает в штуцер 7. В результате е изменяется до требуемого значения.
Следует отметить: для главных судовых дизелей, работающих по винтовой характеристике (с переменной частотой вращения коленчатого вала), способом управления рабочим процессом, помимо изменения е на различных режимах работы, будет являться ещё и автоматическое управление режимами газообмена посредством, например, изменения фаз газораспределения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кушуль В. М. Знакомьтесь - двигатель нового типа. - Л.: Судостроение, 1966. - 120 с.
2. Судовые двигатели внутреннего сгорания: учеб. / Ю. Я. Фомин, А. И. Горбань, В. В. Добровольский, А. И. Лукин и др. - Л.: Судостроение, 1989. - 344 с.
3. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А. С. Орлина, Д. Н. Вырубова. - М.: Машиностроение, 1971. - 400 с.
4. Демидов В. П. Двигатели с переменной степенью сжатия. - М.: Машиностроение, 1978. - 136 с.
5. Махалдиани В. В, Эджибия И. Ф. Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия. - Тбилиси, 1973. - 272 с.
Статья поступила в редакцию 17.02.2009
THE RESEARCH OF THE IMPACT OF COMPRESSION RATIO ON INDICATORS OF MARINE ICE
Nguen Dihn Hiep, P. A. Dorokhov
The impact of compression ratio on the basic indicators of ICE is examined. The evaluation of the impact of compression ratio on speed and load characteristics of the engine without forced aspiration is made. The effect of compression ratio on the parameters of diesel engines working with different capacity is investigated to substantiate creation of engines with variable compression ratio.
Key words: compression degree, degree of pressurization, residual gas factor, fuel rate, maximum pressure combustion, speed and load characteristics, engine with variable compression ratio.
