CC BY
134
УДК 621.43
А. П. Исаев, Е. В. Климова, К. К. Колосов
НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК1
В настоящее время и перспективе дизельные двигатели судовых энергетических установок (СЭУ) остаются самыми экономичными источниками механической работы в диапазоне от 5 кВт до 70 МВт в одном агрегате. Технический уровень дизелей определяет степень совершенства и конкурентоспособность объектов, в которых они применяются. Разработка новых, современных двигателей может быть осуществлена только при условии создания мощных научнотехнических центров на базе таких институтов, как ЦНИДИ, НАМИ, НИКТИД, НИИД [1, 2].
К основным преимуществам дизельных двигателей относят более высокий эффективный КПД и относительную многотопливность. Со временем экологические требования нивелировали эти преимущества: современные дизели используют лишь дизельное топливо высшей очистки. Но высокий КПД дизельных двигателей остался, а по экологическим характеристикам дизель даже начал вырываться вперед. В настоящее время уже немало двигателей соответствует перспективным нормам Евро IV, а вот бензиновые агрегаты в эти рамки укладываются с трудом [3].
Жесткая конкуренция на рынке сбыта судового энергооборудования заставляет разработчиков судовых дизелей искать новые, нестандартные в дизельной практике пути решения возникающих проблем, улучшая потребительские свойства выпускаемой продукции.
Таким решением Брянского машиностроительного завода (ОАО «БМЗ») было создание так называемого «интеллектуального» дизеля, имеющего электронное управление, серии МС (МС-С) с диапазоном мощности 1 600...22 480 кВт [4, 5].
Электроника позволяет осуществлять гибкое управление двигателем в зависимости от преследуемой цели управления и конкретного режима работы двигателя. Отличие состоит только в конструкции и принципах управления топливной аппаратурой и системой газораспределения.
Одним из основных достоинств двигателей с электронным управлением является более низкий расход топлива на эксплуатационных режимах работы (в диапазоне мощности 50.85 % от номинальной) [5].
Сотрудники объединения «Коломенский завод», в связи с постоянным ужесточением экологических норм, провели поисковые исследования и применили комплексный подход к проектированию и доводке своих двигателей, поставляемых в Германию для тепловозов. Сформированная по результатам многочисленных исследований концепция рабочего процесса малотоксичного дизеля была реализована при создании двигателя 2-5 Д 49М (16ЧН 26/26, Ре = 2 940 кВт при п = 1 000 мин1, рте = 1,6 МПа). Данные результаты получены применением высокоэффективного охладителя наддувочного воздуха, термостата в системе смазки, осуществлением двухфазного впрыска топлива на режимах работы в диапазоне 75...100 % мощности и увеличением объемной скорости подачи топлива на 11 %. Кроме того, изменено усилие затяжки иглы форсунки, позволившее поднять давление в начале впрыска до 36,8 МПа и давление посадки иглы до 25,5 МПа. Одновременно увеличена геометрическая степень сжатия в цилиндре -с 12,5 до 13,5 единиц. Значения контрольных показателей эмиссии вредных веществ были следующими: КОх = 11,5 г/(кВт • ч), СО = 1,7 г/(кВт • ч), СН = 0,5 г/(кВт • ч). Удельный расход топлива тепловозного двигателя в диапазоне мощности 60...100 % лежит в пределах 206...208 г/(кВт • ч).
Создание комбинированных энергетических установок (КЭУ) явилось новым этапом в развитии поршневых ДВС.
Предельное упрощение и сокращение массы и габаритов дизелей достигается полным исключением поршневых пальцев, шатунов, коленчатых и распределительных валов, их приводов и опор, противовесов и маховиков; практически все межагрегатные и управляющие механические связи заменены информационными, реализуемыми микропроцессорным управляющим устройством - микроконтроллером [6].
1 Материал статьи подготовлен при поддержке РФФИ (грант № 08-08-00105).
Для реализации информационных связей управления подачей топлива предусматривается использование электроуправляемых форсунок или насос-форсунок, а управления газораспределением - электромагнитных или электрогидравлических клапанов.
К КЭУ относится «турбокомпаундный» двигатель. В последние годы все большую популярность приобретает идея создания так называемого адиабатного двигателя, у которого не было бы непроизводительных потерь тепла в систему охлаждения.
Работа идет параллельно по двум направлениям:
— увеличение энергии отработавших газов (ОГ) за счет перераспределения теплоотвода от рабочего тела при отсутствии системы охлаждения;
— использование энергии ОГ в силовой турбине низкого давления для получения дополнительной мощности на валу.
Был разработан и испытан «турбокомпаундный» двигатель с силовой турбиной на базе серийной модели «Камминс КТС-400».
Силовая турбина низкого давления с радиальным подводом газа использует энергию ОГ, выходящих из агрегата турбонаддува; вместе с корпусом подшипников она составляет отдельный модуль. Два других модуля - высокооборотный и низкооборотный редукторы (со встроенной гидромуфтой). Двигатель оборудован двухконтурной системой охлаждения для снижения температуры заряда, что повысило термический КПД и снизило содержание окислов азота в ОГ [7].
Минимальный удельный расход составляет 193 г/(кВт • ч), расход на номинальном режиме - 200 г/(кВт • ч).
Главными факторами, от которых зависят КПД и удельная мощность двигателя, являются степень сжатия е и коэффициент избытка воздуха а. Наилучшие показатели имеют место при значениях а = 1 для всех значений степени сжатия, а оптимальная степень сжатия при а = 1 составляет 13.
Способ работы рационального двигателя должен удовлетворять этим требованиям. Из двух указанных факторов (е и а) наиболее важным является степень сжатия.
В 1991 г. французский инженер Ги Негре получил патент на принципиально новый поршневой двигатель. Главным достоинством конструкции явилось полное отсутствие каких бы то ни было вредных выбросов. В 1992 г. была готова действующая модель. В предлагаемом двигателе впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск возложены на три камеры (цилиндра), разные по объему. В первой - впуск-сжатие, во второй - перемешивание, в третьей - рабочий ход и выпуск. В качестве «топлива» используется обычный воздух, находящийся в специальном баллоне под давлением 30 МПа [8, 9].
Изобретателям удалось построить стационарный экспериментальный двигатель, который сочетает в себе черты бензинового и дизельного. Более того, он переключается из одного режима работы в другой по команде управляющего модуля. На режиме максимальной мощности вспышка топливного заряда инициируется искрой от свечи зажигания. При частичных нагрузках воспламенение происходит от сжатия в момент впрыска. Для поддержания необходимой температуры в камере сгорания используют рециркуляцию выхлопных газов [10].
Экспериментальный двигатель почти не выбрасывает в атмосферу вредных окислов азота. По сравнению с обычным двигателем у прототипа на 20 % меньше удельный расход топлива, а выигрыш по КОх более чем в 100 раз [11].
Другой перспективный путь развития в энергетике - это анаэробные (воздухонезависимые) энергетические установки (АНЭУ).
Неатомные подводные лодки (ПЛ) при выполнении стоящих перед ними задач должны значительное время находиться под водой. Применяемые в настоящее время для этих целей аккумуляторные батареи вынуждают ПЛ периодически подвсплывать на перископную глубину для их подзарядки, что снижает боевую эффективность ПЛ и повышает вероятность их обнаружения. Современные мировые тенденции в развитии подводного флота свидетельствуют о необходимости оснащения ПЛ анаэробными вспомогательными энергетическими установками мощностью от 100 до 300 кВт для улучшения скрытности - одной из главных тактикотехнических характеристик ПЛ.
За рубежом первые АНЭУ для ПЛ появились в 80-90-е гг. XX в. В настоящее время в Германии, Швеции, Франции, Италии и США созданы, прошли испытания и запущены в серийное производство АНЭУ на основе дизелей, двигателей Стирлинга, парогазовых турбин
и электрохимических генераторов (ЭХГ). По мнению специалистов, в скором времени дизельная ПЛ, не оснащенная такой установкой, не сможет в полной мере выполнять стоящие перед ней боевые задачи.
Анализ возможностей создания АНЭУ в России показывает, что в ближайшей перспективе реальными могут быть АНЭУ на основе ДВС, а для среднесрочной и дальней перспективы рациональными являются варианты с электрохимическими генераторами и карнотизированными газотурбинными установками.
По совокупности технико-экономических характеристик, освоенности производства, снабжения и безопасности применения на ПЛ приоритетным из топлив для АНЭУ ПЛ ВМФ России являются композиции водород в интерметаллидном сплаве + кислород жидкий и дизельное горючее + кислород жидкий. Предлагаемые технические решения перспективных АНЭУ для ПЛ отражают современные тенденции развития этого вида морской техники.
Перспективным направлением повышения технико-экономических показателей ДВС является комбинированное смесеобразование, т. е. внешнее смесеобразование (основная доза топливного заряда, желательно газового) и внутреннее смесеобразование (непосредственный впрыск запальной дозы жидкого топлива) [12]. Таким образом, предлагается осуществить фактически двухфазную подачу топлива, однако дополнить её воспламенением от постороннего источника - свечи зажигания.
На частичных режимах работы двигателя, когда а возрастает, оптимальное значение е смещается в сторону уменьшения, и при реально наблюдаемых значениях а степень сжатия е достигает значений 9.10. При этом изменение эффективного КПД в диапазоне е = 9.13 невелико. Поэтому компромиссным будет назначение степени сжатия предполагаемого процесса е » 13, а значение а для номинального режима работы двигателя следует принять а » 1,0.
Для осуществления данного способа на кафедре «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» Астраханского государственного технического университета переоборудован судовой дизель. Доработка заключалась в увеличении объема камеры сгорания (КС) с целью заданного снижения степени сжатия, оборудовании впускного коллектора устройством для подачи топлива в период впуска и установке системы принудительного воспламенения.
Позитивные изменения в показателях рабочего процесса следующие: уменьшение нагрузки на детали двигателя, снижение потери мощности на преодоление сил трения, уменьшение уровня температур деталей двигателя в связи с уменьшением степени сжатия и коэффициента избытка воздуха. Уменьшение степени сжатия вызвало уменьшение максимального давления сгорания при незначительном снижении термического КПД цикла, снижение коэффициента избытка воздуха привело к повышению удельной мощности двигателя, позволив в том же рабочем объёме сжигать больше топлива.
Таким образом, предложен следующий способ организации рабочего процесса: необходимо осуществить ввод части цикловой подачи топлива (около 40 %) при такте впуска во всасывающий тракт ДВС через какое-либо дозирующее устройство (например, инжектор), а оставшееся топливо должно быть впрыснуто в цилиндр через форсунку в конце такта сжатия. Рабочий процесс осуществляется при термодинамически оптимальной степени сжатия е = 13, а цикловая подача топлива рассчитывается исходя из значения а = 1,05. 1,1. Через впускную систему дизеля в начале впуска подаётся 45 % дизельного топлива от общей цикловой подачи топлива, а остальные 55 % дизельного топлива вводятся через форсунку [13].
Для проведения экспериментальных исследований был создан образец двигателя на базе судового дизеля 2Ч 9,5/11. Головка цилиндров доработана удалением части неохлаждаемой вихревой вставки в головке цилиндров, что позволило увеличить объем КС и обеспечить степень сжатия 12,83. Кроме того, двигатель оснащен системами принудительного воспламенения и внешнего смесеобразования. Таким образом, после доработки двигатель удовлетворяет требованиям, необходимым для обеспечения возможности организации предлагаемого рабочего процесса [14].
В ближайшее время планируются испытания дизеля с комбинированным смесеобразованием, организованные следующим способом. Степень сжатия остается стандартной для двигателей этого типа (е = 17). Поэтому порцию топлива, подаваемого при помощи системы внешнего смесеобразования, следует уменьшить (~ 20 % от цикловой подачи) во избежание преждевременного самовоспламенения. Остальную часть цикловой подачи впрыскивают в цилиндр в конце такта сжатия.
Для осуществления данного рабочего процесса доза топлива, впрыскиваемая в специальный элемент всасывающего тракта (успокоительную камеру, служащую для снижения уровня колебаний всасываемого в цилиндр двигателя воздуха), подается дополнительной секцией топливного насоса высокого давления, плунжер которой управляется двусторонним симметричным кулачком.
Для впрыска части цикловой подачи топлива во всасывающий тракт используется штатная форсунка, установленная на успокоительной камере таким образом, чтобы топливный факел был направлен навстречу потоку всасываемого двигателем воздуха.
Исследования рабочих процессов будут проводиться на двух типах камер сгорания: вихрекамерный вариант и с камерой сгорания в поршне. Кроме того, планируется эксперимент с цилиндрической камерой в поршне и с тангенциальными каналами на донышке поршня (с целью интенсификации смесеобразования).
Вкупе с комбинированным смесеобразованием планируется применение наддува, что также позволит повысить удельную мощность двигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анохин В. И. Отечественные автомобили. - М.: Машгиз, 1962. - 760 с.
2. Толщин В. И., Якунчиков В. В., Амбросов Д. Б. Способ оценки концентрации оксидов азота в отработавших газах судовых четырехтактных дизелей в условиях эксплуатации // Двигателестроение. -2004. - № 1. - С. 25-27.
3. Белов П. М., Бурягин В. Р., Акатов Е. И. Двигатели армейских машин. Ч. 1. Теория. - М.: Воениздат, 1971. - 512 с.
4. Озимов П. Л. Основные направления развития дизелестроения в России // Двигателестроение. - 2004. -№ 1. - С. 3-5.
5. Оширов В. Об особенностях существующих систем топливоподачи в ДВС, или Приглядимся внимательнее к достоинствам инжекторных систем топливоподачи / http://www.ingenrw.narod.ru), 2002.
6. Положение об оценке воздействия намечаемой хозяйственной деятельности на окружающую среду в Российской Федерации. Утверждено приказом от 16 мая 2000 г. № 372 Государственного комитета РФ по охране окружающей среды.
7. Некрасов В. Г. Утилизация теплоты - альтернатива высокой степени сжатия и адиабатному процессу // Автомобильная промышленность. - 2005. - № 1. - С. 19-21.
8. Революция в автомобилестроении или «дутая» сенсация? / http://www.perevozchik.com.
9. Создаем новую конструкцию ДВС. Развитие двухтактного двигателя. 2002. /
http : //www. innovatory. narod. ru.
10. ООО «Интертехнология». Каталог оборудования-2007 / http://www.intertech.alt.ru.
11. Воробьев-Обухов А., Сачков М. Дизель-Отто // За рулем. - 2003. - № 2. - С. 78.
12. Пат. 3614277 США, МПК F01 С1/00, 1971.
13. Каргин С. А., Исаев А. П. Расчетные характеристики токсичности отработавших газов поршневых ДВС при комбинированных способах смесеобразования и использовании альтернативных топлив // Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов (материалы Школы молодых ученых). - Махачкала: Ин-ут проблем геотермии ДНЦ РАН, 2006. - С. 279-284.
14. Пат. РФ № 2215882, МКИ 7 F02B 3/10, 19/00. Способ работы двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления / А. Ф. Дорохов, С. А. Алимов, С. А. Каргин и др. / заявл. 08.02.2002 г., опубл. 15.10.2003 г.
Статья поступила в редакцию 11.02.2009
DIRECTIONS TO INCREASE A TECHNICAL LEVEL OF MARINE ELECTRIC POWER INSTALLATIONS
A. P. Isaev, E. V. Klimova, K. K. Kolosov
The analysis of the most perspective directions to increase technical and economic parameters (reliability, efficiency and ecological safety) of modern marine electric power installations is given in the paper. Some ways to increase the technical level of marine electric power installations are offered by the authors.
Key words: technical level, marine electric power installations, to increase technical and economic parameters.
