Оценка интенсивности тепловыделения и уровня тепловых потерь в судовом двигателе по действительной индикаторной диаграмме Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И МАШИННО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

УДК [621.43.05.001.24:621.43.016.4]:629.5.004.18

Хоанг Куанг Лыонг, А. Ф. Дорохов

ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ И УРОВНЯ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В СУДОВОМ ДВИГАТЕЛЕ ПО ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЕ

По экспериментальной индикаторной диаграмме были определены характеристики процесса сгорания судового дизеля. Приведены схемы расчета процесса сгорания в судовом двигателе для оценки интенсивности тепловыделения и уровня тепловых потерь по экспериментальной индикаторной диаграмме. Рассмотрены результаты расчета для судового двигателя 2Ч 9,5/11 с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением. На основании расчета можно предусмотреть раскрытие влияния на важнейшие показатели рабочего цикла двух параметров процесса сгорания: условной относительной продолжительности сгорания и характера сгорания при разных углах опережения зажигания или воспламенения. По экспериментальной индикаторной диаграмме можно оценить влияние вида топлива, способа смесеобразования, типа камеры сгорания и других факторов на параметры процесса сгорания и показатели рабочего процесса в судовом двигателе.

Ключевые слова: экспериментальная индикаторная диаграмма, процесс, сгорание, угол опережения зажигания, продолжительность сгорания, характер сгорания, показатель, рабочий процесс.

Введение

Индикаторная диаграмма, снятая с работающего двигателя, дает много важных сведений. Непосредственно по индикаторной диаграмме находится максимальное давление газов рг. Если на диаграмме записано изменение давления газов р в зависимости от угла поворота коленчатого вала ф то легко определяется средняя ар/аф и максимальная юртах скорость нарастания давления газов. Оба показателя позволяют оценить механическую и динамическую напряженность основных деталей кривошипно-шатунного механизма. Зная величину давления газов рг, обусловливающую величину нормального давления поршня на стенку цилиндра, можно оценить влияние фактора трения и, следовательно, степень износа двигателя [1].

Перенос индикаторной диаграммы (р—ф) в координатную систему давление-объем (р—У) позволяет планиметрированием определить индикаторную работу, а уже по ней такие важные показатели удельной работы и экономичности рабочего цикла двигателя, как среднее индикаторное давление и индикаторный расход топлива. Зная эффективную мощность, развиваемую двигателем, можно найти величину механических потерь двигателя.

Однако это не все сведения, которые можно получить на основании анализа данных индикаторной диаграммы. Так, например, специальной обработкой выявляется так называемая характеристика тепловыделения, по которой можно судить о динамике процесса сгорания, т. е. о развертывании процесса сгорания во времени и о тепловых потерях в течение процесса сгорания. Характеристика тепловыделения является одной из существенных сторон процесса сгорания в двигателях. В полном соответствии с положением о том, что сущность процессов не выступает на поверхности, а скрыта от прямого наблюдения, характеристика тепловыделения не может быть получена непосредственно из индикаторной диаграммы. Ее можно получить только в результате математической обработки данных диаграммы с использованием основных законов термодинамики и механики, поэтому характеристика тепловыделения является трудно-

определяемым показателем работы двигателя. Зато выявление этой характеристики означает более глубокую ступень исследования и совершенно необходимо для улучшения рабочего цикла двигателя [1].

Принципы анализа процесса сгорания

Найденная нами закономерность развития процесса сгорания во времени позволила анализировать характеристики сгорания, благодаря которому выявляются важные параметры процесса: продолжительность сгорания tz и показатель т, отражающий характер изменения во времени относительной плотности эффективных центров в процессе сгорания. Этим параметром однозначно определяется характер протекания процесса сгорания и поэтому он назван показателем характера сгорания.

По формуле Вибе [1]:

t /1 =

m

6,908(m +1)

(1)

где tz - условная продолжительность процесса сгорания; tJtz - отвлеченное время сгорания.

Из уравнения (1) видно, что каждому значению т соответствует одно определенное значение tm/tz. Уравнение раскрывает физический смысл показателя характера сгорания т. Если две величины однозначно зависимы друг от друга, то они могут отражать только одни и те же свойства рассматриваемого процесса. В данном случае показатель характера сгорания т однозначно определяет величину отвлеченного времени tm/tz, при котором скорость сгорания имеет максимум или ускорение сгорания равно нулю, с повышением т это время увеличивается.

Но этим не исчерпывается характеристика параметра т. Уравнение Вибе для времени сгорания половинной доли топлива имеет вид [1]:

1

tlJtz = 1,003т+1.

Уравнение показывает, что т устанавливает также относительное время «полусгорания». Далее, для доли топлива хт, сгорающего к моменту максимума скорости сгорания, уравнение примет вид

- т

х = 1 - ет+1. (2)

т 4 '

Уравнение для наибольшей величины отвлеченной скорости сгорания [1]:

= 6,908 ( m +1)

m

6,908 ( m +1) е

(3)

Отсюда следует, что одному значению величины параметра т соответствуют определенные значения четырех величин: отвлеченного времени максимума скорости сгорания tm/tz (оно же время положительного ускорения процесса сгорания); отвлеченного времени «полусгорания» tvJtz; доли топлива хт, сгорающего к моменту максимума скорости сгорания или окончания положительного ускорения процесса сгорания и наибольшей отвлеченной скорости сгорания ю0мах.

Параметр т связан с фактом жесткой работы двигателей. Величина параметра т позволяет довольно точно оценить процесс сгорания с качественной стороны.

Параметр tz имеет также большое значение, позволяя судить одновременно о длительности и средней скорости реакции.

1 -6,908 1

1 - е 1

ю =

L t t.

из чего следует, что средняя скорость реакция обратно пропорциональна ее условной продолжительности. Можно приписать параметру tz смысл количественной кинетической константы реакции.

m

ю0мах

Накопленые данные по параметрам процесса сгорания и выявление их связи с конструктивными и эксплуатационными факторами, а также с родом и сортом топлива, позволяют направленно воздействовать на характеристику тепловыделения и, следовательно, осуществить в двигателе оптимальный рабочий цикл.

В [2, 3] рассматриваются определения параметров процесса сгорания на основе обработки экспериментальной индикаторной диаграммы судового двигателя, работающего на основе принципа комбинированного смесеобразования с принудительным воспламенением рабочей смеси.

Методика расчета процесса сгорания

По развернутой диаграмме выбираем на линии сгорания четыре точки — 1, 2, 3 и 4 (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма к методу анализа процесса сгорания: фу — угол опережения зажигания; фг — угол поворота коленчатого вала, считая от момента воспламенения до момента достижения давления максимальной величины

Средняя быстрота нарастания давления определяется по формуле

Рмах ру

Ю Р = ^ У

г

где ру — давление в момент воспламенения.

Уравнение Вибе [1] для интервала процесса сгорания точек 1, 2:

2,303 (kp - 1){Р2 [К1-2 - V (а2 ) - V (а1)] - Р1 [К1-2 - V (а1) - V (а2 )]}

2^РмахГ (ар )

ф" (т + 1)1е

В

( V

V ф у )

В

т

V ф у )

фа - ф у

В

т

V ф у )

фа - фу

(4)

т +1 т +1

фт - ф1

т +1 т +1

фт - ф2

т + 1

ф

2

где фу - угол опережения зажигания; К1-2 =

k1-2 + 1 . kl-2 -1'

фа - угол поворота коленчатого вала, считая

от момента воспламенения до момента достижения давления максимальной величины.

Если выбранная на линии сгорания точка 2 совпадает с верхней мёртвой точкой (в. м. т.), то уравнение (4) запишется как

2,303 (kp -1){Р2 [^1-2 - V(«2)- V(«1)]- Р1 [К1-2 - V («1 )- V(«2 )]} =

2^РмахУ (ap )

ФГ+1

Ф" (m +1) lg

B

( \m Фа

v Ф, у

B

m

Фа

v Ф, у

B

m

Ф±

v Ф, у

(5)

Вычислив левую часть уравнения (4), (5), методом пробных подстановок можно определить показатели характера сгорания т.

Аналогично предыдущему, напишем уравнение для интервала процесса сгорания точек 3, 4:

6,908 фт (т +1) (kp -1) {рА [Кз-4 - V (а4) - V(аз)] - Рз [^ - V(аз) - V ()]}

2kp 0 Рмах^ (а p )

ф z

Фт (m +1)

exp

6,908

"ФР"

( ^«.т+1 „т+1 \

( Фа - Фз )

exp

6, 908 / т+1 т+1

—т+г (фА - ф4

т Z

Используя последнее уравнение, программой Mathcad находим продолжительность сгорания фг.

Расчет процесса сгорания судового ДВС 2Ч 9,5/11 с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением [2-6]

Для анализа процесса сгорания была использована экспериментальная индикаторная диаграмма (рис. 2), снятая с судового дизеля 2Ч 9,5/11, который имел следующие параметры: а = 95 мм; = 110 мм; X = R / L = 0,262, угол опережения подачи искры составлял фу = 21°, частота вращения коленчатого вала п = 1 500.

60,0

52,5

45,0

37

30,0

22,5

15,0 7,5 0

Р, кг/см

5 Ö1"

700 800 V, см3

Ф1Г1 - Фт+'

фт+1 - ф^т+1

)

Рис. 2. Экспериментальная индикаторная диаграмма двигателя с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением

Из экспериментальной индикаторной диаграммы были получены следующие величины: рмах = 39,40; р4 = 35,2; рз = 30,7; рс = 19,8; р1 = 15,8; ру = 13,91; фу= 21°; ар= 29°; а1 = 7,5° = 0,131 град;

а2 = 5° = 0,087 град; аз = 5° = 0,087 град; аз = 7,5° = 0,131 град; ф1 = 13,5° = 0,236 град; ф2 = 16° = = 0,279 град; фз = 26° = 0,454 град; ф4 = 28,5° = 0,497 град; ф^ = 21° = 0,367 град; ар = 29° = 0,506 град; фа = 50° = 0,873 град.

На рис. 3 приведена развёрнутая индикаторная диаграмма ДВС с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением (2Ч 9,5/11).

Р, кг/см2

Рис. 3. Диаграмма к методу анализа процесса сгорания для судового двигателя 2Ч 9,5/11 с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением

Величина отношения теплоемкостей для большей части процесса сгорания была принята постоянной k = 1,30, таким образом

К12 = ^ = = 7,667. 1-2 к1-2 -1 1,3-1

Определим показатель характера сгорания t вторым методом. Предварительно находим функции по формулам

V (а) = 1+

8-1

(1+1)-(cosа1 +- Х2эт2ц

= 1,086.

Аналогично

V(а2)=1+

8 -1

2

(1 +1)-(соэа2 + -Х^Д -X2 эт2 а2

= 1,038:

где V - коэффициент использования теплоты; X = R /L = 0,262 шатунного механизма для 2Ч 9,5/11.

постоянная кривошипно-

По диаграмме ар = 29° = 0,506 град, получим

V (а р ) =

8 -1

2

X . „

эта р + — эт2а р

р 2 р

= 2,229.

После соответствующих подстановок находим числовое значение левой части уравнения

303 (кр - 1) {Р2 [К1-2 - V(а2 ) - V(а1 )] - Р1 [К1-2 - V(а1 ) - V(а2 )]}

2крРма^ ( ар )

= 0,08.

2

2

Вычисляем значения В, входящего в правую часть уравнения, по формуле

В =

ю

- (-1)

МмахУ ( аp )(kc - 1)

где kp, кс - отношение теплоемкостей в момент нахождения поршня в в. м. т. и в момент достижения давлением максимальной величины; рмах - максимальное давление цикла, МПа; ар - угол поворота коленчатого вала, считая от момента воспламенения до момента достижения давления максимальной величины; юРс = (ар / йф)с - быстрота нарастания давления в момент нахождения поршня в в. м. т. (тангенс угла наклона касательной в точке с), МПа/град.

Значение юРс можно определить по экспериментальной индикаторной диаграмме (тангенс угла наклона касательной в точке с):

юРс = (йр / йф)с = 5 МПа/град.

Подставляя значения в формуле, имеем

В =

ю

* (К -1)

k-РмахГ (0p )(кс - 1)

= 0,438 .

Подставляя в правую часть уравнения экспериментальной величины и значение В, получим выражение

Фт (т + 1)lg

B

i \т Фа

* у

(0,873т+' - 0,367т+')

0,873т (т + 1)lg

0,438

B

( \т Фа

v Ф * у

-B

( \т Фа

v Ф * у

0,4381 21

_0,873т+'- 0,236!? 0,873т+1- 0,367т" ( 50

-0,4381 21

Фа - Ф1

Фа - Ф

Ф

р

т

т

т

Решаем уравнение:

(0,873т+' - 0,367т+')

0,873т (т +1) lg

0,438

0,873 - 0,236т

0,4381 -Ц

0,873 - 0,367""* / 50

- 0,438[21

= 0,08,

получили т = 2,8.

По формуле определяем продолжительность сгорания ф2:

Ф z =

"1 ( ^т+1 ,Лт+1

3 (Ф р - Ф *

lg

B

( Y Фа |

vф * у

1

т+1

где ф - угол опережения воспламенения топлива; фй - угол поворота коленчатого вала, считая от момента воспламенения до момента достижения давления максимальной величины.

т

т

т

)

Тогда

Ф* =

"1 ( ,*т+1 т+1 \

3 (Ф - Фу )

lg

В

Ф^

V Ф у.

1

т+1

3(0,8732'8+1 - 0,3672'8+1)

lg

0,438

1

т+1

= 64°

t = ^ = = 0,00711 с, г 6п 6,1500

где - продолжительность сгорания.

2,8

т

и

Заключение

Анализ экспериментальной индикаторной диаграммы по предложенной методике позволил непосредственно определить параметры процесса сгорания, которые для исследованного рабочего цикла оказались равными т = 2,8 и Ф г = 64° поворота коленчатого вала.

Уравнение (1) демонстрирует физический смысл показателя характера сгорания т. Параметр т связан с фактом жесткой работы двигателей. Величина параметра т позволяет довольно точно оценить процесс сгорания с качественной стороны. Определение параметров процесса сгорания по одной индикаторной диаграмме (для одного угла опережения воспламенения), можно предвидеть расчетом изменения давления и температуры газов в процессе сгорания для других углов опережения воспламенения.

Параметры скорости процесса сгорания представляют собой константы, величины которых зависят от конкретных физико-химических условий осуществления процесса сгорания в двигателе. Поскольку параметрами скорости сгорания учитывается суммарное влияние этих физико-химических условий, они имеют сложную природу. В связи с этим одна из ближайших задач - это экспериментальное исследование рабочих циклов ДВС при самых разных условиях с целью выявления влияния отдельных физико-химических, а также конструктивных факторов на величину параметров скорости процесса сгорания.

В первую очередь необходимо исследовать влияние на кинетические константы таких факторов, как степень сжатия, наддув, число оборотов двигателя, нагрузка, впрыск воды, род и сорт топлива, коэффициент избытка воздуха, угол опережения воспламенения (впрыскивания), род зажигания, расположение и число свечей, форма камеры сгорания, способ смесеобразования в дизелях (давление распыливания, форма струи, степень и характер завихрений воздуха, предварительный кратковременный впрыск) и др.

На основании методики мы можем предусматривать раскрытие влияния на важнейшие показатели рабочего цикла двух параметров процесса сгорания: условной относительной продолжительности сгорания Фг и характера сгорания т при разных углах опережения зажигания или воспламенения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каргин С. А. Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование рабочего процесса судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением: дис. канд. техн. наук / С. А. Каргин. Астрахань, 2006. 162 с.

2. Дорохов А. Ф. Анализ показателей рабочего цикла, полученных расчетным и экспериментальным путем, при различных способах организации рабочего процесса в ДВС / А. Ф. Дорохов, С. А. Каргин, А. А. Исаев // Вестн. машиностроения. 2007. № 2. С. 11-17.

3. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей. Скорость сгорания и рабочий цикл двигателя / И. И. Вибе. М.: Машгиз, 1962. 182 с.

4. Иноземцев Н. В. Процессы сгорания в двигателях / Н. В. Иноземцев, В. К. Кошкин. М.: Машгиз. 1949. 343 с.

5. Дорохов А. Ф. Расчетный и экспериментальный анализ показателей рабочего процесса для различных способов организации рабочего процесса в ДВС / А. Ф. Дорохов, С. А. Каргин, А. П. Исаев // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2006. № 2 (31). С. 196-201.

6. Каргин С. А. Аналитическое и расчётное обоснование рабочего процесса ДВС с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением / С. А. Каргин // Сб. тез. XV юбилейной ин-тернет-конф. молодых учёных, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения. Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, 2003.

Статья поступила в редакцию 23.12.2014, в окончательном варианте - 19.02.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Хоанг Куанг Лыонг — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; hquangluong@gmail.com.

Дорохов Александр Федорович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; dorokhovaf@rambler.ru.

Hoang Quang Lyong, A. F. Dorokhov

ASSESSMENT OF THE RATE OF HEAT RELEASE AND THE LEVEL OF HEAT LOSSES IN THE MARINE ENGINE USING THE EXPERIMENTAL INDICATOR CHART

Abstract. The characteristics of the combustion process of marine diesel were determined using the experimental indicator chart. The schemes of the analysis of the combustion process in the marine engine were provided for the assessment of the rate of heat release and the level of heat losses using the experimental indicator chart. The paper considers the results of the calculations for the ship engine 2^ 9.5/11 with the combined mixing and the positive ignition. On the basis of the calculations we can provide for disclosure of the effect of the most two important parameters of the combustion process: the conventional relative combustion duration and the combustion characteristics at different ignition dwell angles. Using the experimental indicator chart it is possible to estimate the effect of the type of fuel, the way of mixing, the type of the combustion chamber and other factors on the parameters of the combustion process and the indicators of the working procedure in the marine engine.

Key words: experimental indicator chart, procedure, combustion, ignition dwell angle, combustion duration, combustion characteristics, index, working procedure.

REFERENCES

1. Kargin S. A. Teoreticheskoe obosnovanie i eksperimental'noe issledovanie rabochego protsessa sudo-vogo DVS s kombinirovannym smeseobrazovaniem i prinuditel'nym vosplameneniem: dis. kand. tekhn. nauk [Theoretical explanation and experimental study of the operation process of the marine ICE with the combined mixing and positive ignition. Dis. cand. tech. sci.]. Astrakhan, 2006. 162 p.

2. Dorokhov A. F., Kargin S. A., Isaev A. P. Analiz pokazatelei rabochego tsikla, poluchennykh raschet-nym i eksperimental'nym putem, pri razlichnykh sposobakh organizatsii rabochego protsessa v DVS [Analysis of the indicators of the working cycle obtained by computational and experimental way, using different ways of organization of the operational process in ICE]. Vestnik mashinostroeniia, 2007, no. 2, pp. 11-17.

3. Vibe I. I. Novoe o rabochem tsikle dvigatelei [New information about operational cycle of the engines]. Moscow, Mashgiz Publ., 1962. 182 p.

4. Inozemtsev N. V., Koshkin V. K. Protsessy sgoraniia v dvigateliakh [Processes of combustion in engines]. Moscow, Mashgiz Publ., 1949. 343 p.

5. Dorokhov A. F., Kargin S. A., Isaev A. P. Raschetnyi i eksperimental'nyi analiz pokazatelei rabochego protsessa dlia razlichnykh sposobov organizatsii rabochego protsessa v DVS [Computational and experimental analysis of the indicators of the operational process for different ways of organization of the working process in ICE]. VestnikAstrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2006, no. 2 (31), pp. 196-201.

6. Kargin S. A. Analiticheskoe i raschetnoe obosnovanie rabochego protsessa DVS s kombinirovannym smeseobrazovaniem i prinuditel'nym vosplameneniem [Analytical and computational explanation of the operational process of ICE with combined mixing and positive ignition]. Sbornik tezisov XV Iubileinoi internet-konferentsii molodykh uchenykh, aspirantov i studentov po sovremennym problemam mashinovedeniia. Institut mashinovedeniia imeni A. A. Blagonravova RAN, 2003.

The article submitted to the editors 23.12.2014, in the final version - 19.02.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Hoang Quang Lyong - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Engineering"; hquangluong@gmail.com.

Dorokhov Alexander Fedorovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Shipbuilding and Energy Complexes of Marine Engineering"; dorohov@astu.org.