CC BY
10
ISSN 1992-6502 (Print)_
2018. Т. 22, № 2 (80). С. 25-33
Вестник УГАТУ
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.311.236
Снижение механической и тепловой напряженности первичного
конвертированного тракторного дизеля в составе многофункционального
энерготехнологического комплекса
А. В. Наумов1 , А. А. Малоземов2, В. С. Кукис3 , Р. Р. Гимазетдинов4
1аупаитоу@$и$и.ги, 2malozemovaa@susu.ru, 3' ^ет37@ mail.ru
ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (Национальный исследовательский университет)» (ЮУрГУ (НИУ))
Поступила в редакцию 16.05.2018
Аннотация. Для снижения механической и тепловой нагруженности деталей первичного конвертированного тракторного дизеля 4ЧН15/20,5 с камерой сгорания ЦНИДИ в составе многофункционального энерготехнологического комплекса предложено снизить степень сжатия с 14,5 до 12,5 единиц. Экспериментально установлено, что снижение степени сжатия влечет уменьшение максимального давления рабочего тела в камере сгорания на режиме пониженной частоты вращения на величину до 1,0...1,5 МПа, температуры отработавших газов перед турбиной - на 50...100°С, температуры поршня над первым поршневым кольцом - на 35...45°С. При этом, реализация алгоритма оптимального управления частотой вращения коленчатого вала дизеля позволяет снизить эксплуатационный расход топлива на 10.25% в диапазоне мощностей 20.70 кВт.
Ключевые слова: многофункциональный энерготехнологический комплекс; дизель; электроагрегат; механическая напряженность; степень сжатия; расход топлива; пусковые качества; рабочий процесс; испытания; математическое моделирование.
ВВЕДЕНИЕ
Основой малой энергетики Российской Федерации являются более 50 тысяч электростанций суммарной мощностью 17 млн кВт на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) или 8% от общей установленной мощности электростанций [1]. В качестве первичных ПДВС чаще всего используются конвертированные модификации серийных тракторных, автомобильных, тепловозных, судовых и т.п. дизелей. Конвертация обычно заключается в дефорсировании по частоте вращения до ближайшего значения из стандартного ряда (750, 1000, 1500 мин 1 и т.д.) и уста-
новке однорежимной системы автоматического регулирования (САРЧ). Такой подход не является оптимальным с точки зрения обеспечения максимальной эффективности энергоустановки, в первую очередь топливной экономичности. Другой проблемой, стоящей перед малой энергетикой, является недостаточно широкое использование местных топливно-энергетических ресурсов, в первую очередь возобновляемых источников энергии (ветра, солнца, рек и т.д.).
Одним из способов решения этих проблем является создание и внедрение многофункциональных энерготехнологических комплексов (МЭК), представляющих гибридные энергоустановки, объединяющие
Работа выполнена при методической и научной поддержке фирмы АУЬ (г. Грац, Австрия).
СО
450 400 350 300 250 200 150
-п=уаг -П-С0П51
50
100 кВт
150
200
Рис. 2. Удельный расход топлива (приведенный к электрической мощности) при работе МЭК на базе дизеля 8ЧН13/14 по оптимальной характеристике
двигатель-генератор, работающий с оптимальной, с точки зрения топливной экономичности, частотой вращения, зависящей от нагрузки (рис. 1 и 2), и возобновляемый источник энергии [2]. Снижение частоты вращения, при сохранении номинальной мощности из стандартного ряда (100, 200, 315 кВт и т.д.), влечет рост крутящего момента, средних и максимальных значений давления рабочего тела (РТ) в камере сгорания (КС), температуры деталей, что негативно отражается на надежности дизеля.
Ключевые идеи. Для снижения механической и тепловой нагруженности элементов первичного ПДВС МЭК в качестве одного из мероприятий по обеспечению надежности целесообразно уменьшить степень сжатия, что позволит снизить максимальное давление РТ в КС, но может отрицательно повлиять на топливную экономичность двигателя.
Изменение расхода топлива при снижении степени сжатия нуждается в расчетной и экспериментальной оценке, т.к. рабочий
процесс первичного конвертированного ПДВС был оптимизирован для режимов нагружения, характерных для первоначального объекта применения (например, трактора), без учета особенностей функционирования двигателя в составе МЭК.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования являлся первичный конвертированный дизель типа 4ЧН15/20,5 с КС ЦНИДИ и номинальной мощностью 132 кВт при частоте вращения 1250 мин 1, предназначенный для работы в составе энергоустановки ДГУ-100 (рис. 3).
Цель исследования - подтверждение целесообразности снижения степени сжатия ПДВС для уменьшения его механической и тепловой нагруженности без снижения топливной экономичности.
Исследование включало расчетную и экспериментальную части. В ходе эксперимента определялись показатели рабочих процессов в КС и основные параметры назначения на режимах номинальной
со
450 400 350 300 250 200 150
50
100 Мй, кВт
-п=уаг -П-С0П51
150
200
Рис. 2. Удельный расход топлива (приведенный к электрической мощности) при работе МЭК на базе дизеля 8ЧН13/14 по оптимальной характеристике
(1250 мин 1) и пониженной (950 мин 1) частот вращения при исходной (14,5) и сниженной (12,5) степени сжатия. Для обеспечения степени сжатия 12,5 на двигатель устанавливались поршни с объемом КС 0,252 дм . Топливный насос высокого давления - с корректором с нелинейной характеристикой конструкции Мороцкого и Катаева [3], позволяющим задавать любой закон изменения цикловой подачи топлива в зависимости от скоростного режима дизеля и положения рычага управления САРЧ, и кулачковым валом с измененным по типу насоса НК-12 профилем кулачков.
При испытаниях применялись стандартные датчики и аппаратура с параметрами точности согласно ГОСТ 18509 [4]. Все оборудование было поверено и откалибро-вано в установленном стандартами порядке. Расчетные исследования проводились для обобщения полученных экспериментальных данных. Механическая напряженность двигателя оценивалась по величине максимального давления сгорания в КС.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Для оценки взаимного влияния степени сжатия, топливной экономичности, механической и тепловой нагруженности деталей был использован метод энергетического и массового балансов РТ в КС [5].
Уравнение энергетического баланса РТ в КС имеет вид:
р (ЛН
I
1
Л
(ла
л
•и(т,С )]+1
(лд1Г
к Л J
+
оиХ ]
к Л J
+ Ли+= 0
ЛХ ЛХ
где р - номер порта;
йНъ
_р
- поток энталь-
пии;
- поток массы; Т - температура
газа; С - вектор концентрации компонентов; и - удельная внутренняя энергия газа; г - номер внутреннего источника/стока энергии; ] - номер внешнего источника/стока энергии;--поток энергии че-
ЛХ
рез внутренний источник/сток;
сХ
- по-
ток энергии через внешний источник/сток;
Ли
- - изменение внутренней энергии газа;
Л
Р •- работа газа; V - объем газа. Л
Поток энтальпии определяется через массовый поток и переменные состояния газа:
йЯ ЛОГ
/ (и(т,С I
где И - удельная энтальпия газа; /- функция, зависящая от направления потока параметров.
Массовый баланс газа в объеме определяется системой уравнений:
• изменение суммарной массы газа в дифференциальной форме:
ЛО +1 Л +1
( ЛОр
+1
(ЛО^ л
ж
= 0.
ЛО
где
ж
внутренние источники массы;
• суммарная масса газа в интегральной форме:
О = ±Ог ,
1
где Ог - масса г-го компонента газа;
• изменение массы компонентов газа в дифференциальной форме:
йОг йг
= £ ЫОр ■ / (С, )
йг
• концентрация компонентов газа:
С,=а.
г О
Тепловыделение при сгорании топлива описывалось уравнением И.И. Вибе [6] с коэффициентами, вычисляемыми согласно Г. Вошни и Ф. Аниситс [7], теплообмен РТ со стенками КС - уравнением Г. Вошни [8]. Подробное описание математической модели приведено в [9].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Анализ результатов испытаний дизеля показывает, что при снижении степени сжатия с 14,5 до 12,5, удельный эффективный расход топлива при номинальной частоте вращения 1250 мин 1 и мощности до 110 кВт несколько повысился (рис. 4), однако при более высоких мощностях наблюдается снижение удельного расхода топлива. При пониженной до 950 мин 1 частоте вращения коленчатого вала существенных различий в параметрах топливной экономичности дизелей со степенью сжатия 14,5 и 12,5 не наблюдается. Средний коэффициент суточной нагрузки МЭК обычно не превышает 0,8, поэтому эксплуатационный расход топлива не должен заметно измениться.
Величина максимального значения давления сгорания (рис. 5) первичного дизеля с пониженной степенью сжатия при номинальной частоте вращения коленчатого вала и номинальной мощности, на 0,5 МПа выше, чем с серийной степенью сжатия. На режиме пониженной частоты вращения уменьшение степени сжатия позволяет снизить максимальное давление РТ в КС на величину от 0,5 МПа (при номинальной мощности) до 1,0 МПа (при мощности ниже 50% от номинальной), что свидетельствует о снижении механической нагруженности деталей двигателя.
Аналогично (рис. 6 и 7) снижаются температуры отработавших газов до и после турбины на величину от 20 до 120°С в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и мощности.
Расход воздуха дизеля с пониженной степенью сжатия выше, чем дизеля с серийной степенью сжатия, соответственно выше коэффициент избытка воздуха.
Температура поршня над верхним поршневым кольцом в ходе экспериментальной части исследования определялась только для двигателя со степенью сжатия 12,5. Поэтому были использованы результаты ранее проведенных испытаний дизеля 4ЧН15/20,5 со степенью сжатия 13,5 (рис. 8).
Рис. 4. Зависимость удельного эффективного расхода топлива дизеля 4ЧН15/20,5 от мощности, частоты вращения и степени сжатия (е)
Мв, кВт
Рис. 5. Зависимость максимального давления сгорания дизеля 4ЧН15/20,5 от мощности, частоты вращения и степени сжатия
500 450 400 О 350
О
Ь 300 250 200 150
г/
Г Á
Г
,-1
п, мин
20 40 60 80 100 120 140 160 180
14.5 14.5 12.5 12.5
1250 950 1250 950
Н>, кВт
Рис. 6. Зависимость температуры отработавших газов после турбины дизеля 4ЧН15/20,5 от мощности, частоты вращения и степени сжатия
О
п, мин"1
■14.5 1250
14.5 950
■12.5 1250
12.5 950
600 550 500 450 ^ 400 350 300 250 200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Ne, кВт
Рис. 7. Зависимость температуры отработавших газов перед турбиной дизеля 4ЧН15/20,5 от мощности, частоты вращения и степени сжатия
/ 1J-
} и
J L is
/]rf w
{Г
Ш-
30
энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение
о
40 80 120 160 Ие, кВт
300 250 200
О
° . 150 1= 4—1
100 50 0
£
13.5
-0-12.5
40
80
Ие, кВт
б
120 160
Рис. 8. Зависимость температуры поршня над первым поршневым кольцом от мощности и степени сжатия дизеля 4ЧН15/20,5: а - п = 1250мин-1; б - п = 950мин-1
Как следует из рисунка, снижение степени сжатия на единицу влечет уменьшение температуры поршня над первым поршневым кольцом на 30...50°С.
Состояние поршней двигателя с пониженной до 12,5 степенью сжатия после 192 ч работы оценивалось с использованием балльного метода в соответствии с ГОСТ 21490-76 [10]. Результаты оценки состояния поршней показали, что величины средних суммарных баллов составляют:
• по подвижности поршневых колец - 0;
• по отложениям в канавках поршневых колец - 0,914;
• по отложениям на перемычках между канавками - 0,893;
• по отложениям на внутренней поверхности поршней - 0,120;
• по отложениям на юбках и в дренажных отверстиях - 0.
Общий суммарный балл по четырем поршням - 7,817, средний суммарный балл - 1,954. Полученная величина балльной оценки составляет 24% от средней допустимой величины для масел группы Г по ГОСТ 21490-76.
Снижение степени сжатия с 14,5 до 12,5 при частоте вращения 950 мин 1 влечет уменьшение температуры поршней над верхними кольцами на режимах постоянной эксплуатационной мощности 132,4 кВт с 280 до 216°С, т.е. до величины, лежащей ниже максимально допустимой температу-
ры при работе на маслах группы В. Такое значительное понижение теплонапряженно-сти деталей цилиндропоршневой группы, работоспособность которой является основным критерием для ограничения ресурса двигателя, существенно увеличивает срок его службы и дает возможность длительной работы на маслах группы В. Кроме того, снижение тепловой напряженности значительно снижает требования, предъявляемые к деталям цилиндропоршневой группы при первичной сборке двигателя.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
На рис. 9 показано сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей удельного эффективного расхода топлива дизеля 4ЧН15/20,5 от нагрузки, частоты вращения и степени сжатия. Среднее квадратичное отклонение данных составило Я = 0,97, что является достаточным для прогнозных инженерных расчетов и подтверждает адекватность математической модели.
На рис. 10 показаны расчетные зависимости удельного эффективного расхода топлива дизеля 4ЧН15/20,5 от нагрузки, степени сжатия и частоты вращения. Графики подтверждают, что со снижением частоты вращения уменьшается удельный расход топлива, однако из рисунков виден неоднозначный характер влияния степени сжатия на параметры топливной экономичности. Чувствительность параметра (определяется как отклонение от среднего значе
а
700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200
со
- -и> Ь—цу^^х.
50
100
О □
О □
Е П, МИН-1
Расчет -14.5 1250 -14.5 950 12.5 1250 12.5 950 Эксперимент 12.5 1250 12.5 950 14.5 1250 14.5 950
Ые, кВт
Рис. 9. Оценка сходимости расчетных и экспериментальных значений удельного эффективного расхода топлива дизеля 4ЧН15/20,5
ния при варьировании входных параметров) к степени сжатия - 4,1, к частоте вращения коленчатого вала - 5,4, к мощности - 8,6.
Максимальное значение давления РТ в КС при номинальной частоте вращения соответствует степени сжатия 13,5 (рис. 11). При пониженной до 950 мин 1 частоте вращения наблюдается увеличение максимального давления сгорания при повышении степени сжатия.
Суммарное прогнозируемое увеличение ресурса поршней при снижении степени сжатия с 14,5 до 12,5 (вычисленное по методике [11]) составит 35.40%. Для стальных деталей, образующих КС (гильза и головка цилиндра, клапаны), прогнозируемое увеличение ресурса, вычисленное аналогичным образом, составит 50.60%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Анализ результатов стендовых испытаний и расчетно-теоретических исследований первичного конвертированного дизеля 4ЧН15/20,5, предназначенного для работы в составе МЭК, с различной степенью сжатия выявил следующее:
• реализация алгоритма оптимального управления частотой вращения коленчатого вала дизеля 4ЧН15/20,5 позволяет существенно (на 10.25% в диапазоне мощностей 20.70 кВт) снизить эксплуатационный расход топлива МЭК;
• снижение степени сжатия с 14,5 до 12,5 влечет уменьшение тепловой и механической
нагрузки 950 мин
на детали дизеля, на режиме максимальное давление РТ в КС
уменьшается на величину до 1,0.. .1,5 МПа, температура отработавших газов перед турбиной снижается на 50...100°С, температура поршня над первым поршневым кольцом уменьшается на 35.. ,45°С;
• рост удельного расхода топлива при уменьшении степени сжатия с 14,5 до 12,5 не превышает 8 % на режиме номинальной мощности при частоте вращения коленчатого вала 1250 мин 1 и 2% при 950 мин 1, что существенно меньше, чем экономия топлива, полученная при переходе на режим переменной частоты вращения.
Результаты исследования были использованы НПЦ «Малая энергетика» (г. Москва) при создании «Концепции развития многофункциональных энерготехнологических комплексов в Российской Федерации».
Дальнейшие исследования предполагается продолжить в направлении разработки мероприятий по обеспечению пуска ПДВС с пониженной степенью сжатия в составе МЭК, их теоретическому обоснованию и экспериментальному подтверждению эффективности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильковский К. К., Редько И. Я., Малоземов А. А. Дизельные электроагрегаты - база малой энергетики // Малая энергетика. 2004. № 1. С. 15-24. [ K. K. Ilkovskiy, I. Y. Redko and A. A. Malozemov, "Diesel-generator sets - base of small energy," (in Russian), in Malaya Energetika, no. 1, pp. 15-37, 2004. ]
2. Малоземов А. А. Теоретические основы оптимизации режимов функционирования двигатель-генераторных установок в составе многофункциональных энерготехнологических комплексов // Вестник академии военных наук. 2010. № 1 (30). С. 100-109. [ A. A. Malozemov, "Theoretical bases of functioning modes optimization of engine-generator sets in multifunctional energy-technological complexes," (in Russian), in Vestnik akademii voennikh nauk, no. 1 (30), pp. 100-109, 2010. ]
3. Мороцкий Н. С., Катаев Е. М. Корректор подачи топлива для ТНВД // Патент № 2024779 Россия, МКИ5 Р 02 М 39/00. 1994. [ N. S. Morotskiy, E. M. Kataev, "Fuel supply corrector for injection pump", (in Russian), patent no. 2024779, Russia, МК15 R 02 М 39/00, 1994. ]
4. ГОСТ 18509-88. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. М.: Стандартинформ, 1988. 74 с. [ Tractor and combine diesel engines. Methods of bench tests, (in Russian), Federal standard 18509-88. Moscow: Standartinform, 1988. ]
5. Малоземов А. А. Математическая модель двигателя на основе системы дифференциальных уравнений энергетического и массового балансов // Повышение эффективности силовых установок колесных и гусеничных машин. 2006. № 18. С. 8-15. [ A. A. Malozemov, "Mathematical model of the engine based on the system of energy and mass balances differential equations", (in Russian), in Povishenie effek-tivnosti kolesnikh I gusenichnikh mashin, no. 18, pp. 8-15, 2006. ]
6. Вибе И. И. Новое о рабочем цикле двигателей. Свердловск: Машгиз, 1962. 272 с. [ I. I. Vibe, New about the working cycle of engines, (in Russian). Sverdlovsk: Mashgiz, 1962. ]
7. Woschni G., Anisits F. Eine methode zur vorausberechnung der änderung des brenn-verlaufs mittelschnellaufender dieselmotoren bei geänderten betriebsbedingungen, (in German), in MTZ, no. 34, pp. 45-58, 1973.
8. Розенблит Г. Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977. 216 с. [ G. B. Rozenblit, Heat transfer in diesel engines, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 1977. ]
9. Гимазетдинов Р. Р. Имитационное моделирование когенерационных энергетических установок с поршневым ДВС в качестве первичного двигателя // Вестник Сибирского отделения Академии Военных Наук. 2018. № 46. С. 105112. [ R. R. Gimazetdinov, "Simulation modeling of cogenera-tion power plants with a piston engine as a primary engine", (in Russian), in Vestnik Sibirskogo otdeleniya Akademii Voen-nikh Nauk, no. 46, pp. 105-112, 2018. ]
10. ГОСТ 21490-76. Масла моторные. Метод определения моющих свойств на установке УИМ-6-НАТИ. M.: Стан-дартинформ, 1987. 14 с. [ Motors oils. Method of test detergent properties by the installation UIM-6-NATI, (in Russian), Federal standard 21490-76, Moscow, Standatrinform, 1987. ]
11. Малоземов А. А., Шикин А. С. Расчетно-экспериментальная оценка влияния уровня де-форсирования на ресурс дизеля типа В-2 // Вестник ЮУрГУ, серия Машиностроение. 2009. С. 51-56. [ A. A. Malozemov, A. S. Shikin, "Calculation and experimental estimation of the deforcing level influence on the resource of a diesel engine type V-2", (in Russian), in Vestnik YUrGU, seriya Mashi-nostroenie, no. 33, pp. 51-56, 2009. ]
ОБ АВТОРАХ
НАУМОВ Алексей Владимирович, зам. нач. каф. танковых войск. Дипл. инженер (Челябинский военный автомобильный ин-т, 1999). Готовит дис. о многофункциональных энерготехнологических комплексах.
МАЛОЗЕМОВ Андрей Адиевич, проф. каф. колесных и гусеничных машин. Дипл. инженер (Курганский машиностроительный ин-т, 1992). Д-р техн. наук по тепловым двигателям (ЮУрГУ, 2011). Иссл. в обл. рабочих процессов дизелей и энергоустановок.
КУКИС Владимир Самойлович, вед. эксперт каф. колесных и гусеничных машин. Дипл. инженер (Алтайский политехнический ин-т, 1959). Д-р техн. наук по тепловым двигателям (ЛПИ, 1991). Иссл. в обл. рабочих процессов дизелей.
ГИМАЗЕТДИНОВ Руслан Раифович, соискатель. каф. колесных и гусеничных машин. Дипл. инженер (Челябинский военный автомобильный ин-т, 2001). Готовит дис. о математическом моделировании процессов в энергоустановках.
functional energy-technological complex, it was suggested to reduce compression ratio from 14,5 to 12,5 units. It has been experimentally established, that a decrease of the compression ratio results in a decrease of maximum pressure of the working fluid in the combustion chamber at a reduced speed by up to 1,0 ... 1,5 MPa, the temperature of the exhaust gases before turbine - by 50...100 °C, the piston temperature above the first piston ring - by 35...45 °C. At the same time, the implementation of the algorithm for optimal control of the engine's crankshaft rotational speed makes it possible to reduce the operating fuel consumption by 10 ... 25 % in the power range of 20 ... 70 kW.
Key words: Multifunctional energy-technological complex; diesel; generator set; mechanical stress; compression ratio; fuel consumption; starting qualities; working process; testing; mathematical modeling.
About authors:
NAUMOV, Aleksey Vladimirovich, Deputy chief of Tank forces Dept., Dipl. engineer (Chelyabinsk military automobile in-t. 1999).
MALOZEMOV, Andrey Adievich, Prof., Dept. of Wheeled and Tracked Vehicles. Dipl. engineer (Kurgan Machine-building Inst., 1992). Dr. of Tech. Sci. (SUSU, 2011).
KUKIS, Vladimir Samoylovich, Lead expert., Dept. of Wheeled and Tracked Vehicles. Dipl. engineer (Altai Polytechnic In-t, 1959). Dr. of Tech. Sci. (LPI, 1991).
GIMAZETDINOV, Ruslan Raifovich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Wheeled and Tracked Vehicles. Dipl. engineer (Chelyabinsk military automobile in-t, 2001).
METADATA
Title: Decrease of primary converted tractor diesel mechanical and thermal stress in multifunctional energy-technological complex.
Authors: A.V. Naumov 1, A.A. Malozemov 2, V.S. Kukis 3, R. R. Gimazetdinov 4
Affiliation:
South-Ural State University (SUSU), Russia.
Email: 1vnaumov@susu.ru, 2malozemovaa@susu.ru, 3 4idem37@mail.ru
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 22, no. 2 (80), pp. 25-33, 2018. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: To reduce the mechanical and thermal part loading of a primary converted 4CHN15/20,5 tractor diesel engine with the CNIDI combustion chamber, as part of a multi-
