Способы повышения эффективности использования дизелей, работающих по специальным циклам Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.431.74 DOI 10.24411/2078-1318-2019-14116

Канд. техн. наук А.В. ДЕРГАЧЕВ (ВМПИ ВУНЦ ВМФ ВМА, dergachew.av@rambler.ru) Адъюнкт А.С. КАЛИНИН (ВУНЦ ВМФ ВМА, kalinin2159@mail.ru)

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ ПО СПЕЦИАЛЬНЫМ ЦИКЛАМ

Перевод дизельных двигателей в режим функционирования по специальным циклам характерен тем, что для сжигания топлива в цилиндрах дизеля в качестве рабочего тела используется искусственная газовая смесь (ИГС), которая по своему составу, физическим и термодинамическим свойствам принципиально отличается от воздуха и оказывает существенное влияние на протекание процессов воспламенения и сгорания топлива, а, следовательно, на мощностные и экономические показатели дизеля [1,2,3].

Цель исследования - повышение эффективности использования дизельных двигателей, работающих по полузамкнутому циклу на искусственной газовой смеси с основным инертом-диоксидом углерода.

Материалы, методы и объекты исследования. Эксплуатационные характеристики дизеля, работающего по специальным циклам, в составе воздухонезависимой установки. Предметом исследования являются зависимости основных показателей работы дизеля от состава искусственной газовой смеси.

Результаты исследований. На основании экспериментальных данных показано влияние химического состава ИГС, выраженного коэффициентом (показателем) адиабаты сжатия ktd , на значения давлений чистого сжатия Pc, полученные в результате снятия индикаторных диаграмм с отключенной подачей топлива на цилиндр дизеля (рис. 1).

Pi.Mfla № 3.232

гт 1,616

0,808 —Ц—

-100 -80 -60 -40 -20 О 20 W 60 80 100 а, 0пк0 Рис.1. Зависимость давления чистого сжатия от химического состава ИГС

Снижение давления и температуры сжатия при уменьшении kd приводят к тому, что пропорционально увеличивается период задержки самовоспламенения Хг-, а при определенном составе ИГС самовоспламенение топлива прекращается из-за недостаточной температуры. Для обеспечения устойчивого самовоспламенения топлива, температуру смеси

перед цилиндром ^ приходится значительно повышать, что ухудшает показатели работы дизеля (рис.2). Для улучшения самовоспламенения топлива приходится также увеличивать объемную концентрацию кислорода (рис.3).

Д \ 4

ltd-- ПО С 2. td= 125 °С ltd'95°С 4. td = 68°С Вс . 4,0444x10 "г/ц Го.'"' = 29%; Kd = 13

а, "пкО

Рис. 2. Зависимость Ti от td при kd = const и Вц = const

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100

j,int

Рис. 3. Зависимость X/ от при kd = const и Вц = const

J¡30 2В 24

20

X X; щ оаниц а ист /ч /ч / ойчиЬ V/Ч У^ ого а . /ч IMOdOL тат sri м>54ос ✓ X УЧ /к /Ч г,- ls/ - 71. о/ ц-И-11

Ш ГО? - 29%, Kt 43

ш Га, 35%, Kd=1,3

я! Пг 38%, А щз

п! Г<Ь 21%. К, М4

40 SO 60 70

90 100 ПО 120 130 140

Ant

td.'c

Рис. 4. Рис. 3. Зависимость Т/ от td при различных kd = const при = var и Вц = var

Результаты исследований показали, что самовоспламенение топлива прекращается, если период задержки самовоспламенения чрезмерно возрастает и начало сгорания переходит на линию расширения в область малых температур tC1 и давлений pC1 на момент

самовоспламенения, не обеспечивающих необходимую скорость предпламенных процессов.

Для компенсации уменьшения tC1 и pC1 необходимо увеличивать td и r^ , что, как видно из

рис. 4, приводит к уменьшению периода самовоспламенения и расширению зоны устойчивого самовоспламенения.

Результаты расчетов показателей работы дизеля ЧН30/38 при изменении химического состава рабочего тела на полной мощности приведены в табл. 1 и показаны на рис. 5.

Таблица 1. Влияние химического состава ИГС на показатели работы дизеля 6ЧН30/38 при G^ = const, r02 = const, Td = const

kd GE G Тг ТГ Ч г Ne К Пв Ve §в 9s

1,392 5749 1 923 1 0,437 1 1254 1 0,341 1 0,248 1

1,37 5871 1,02 936 1,01 0,428 0,98 1192 0,95 0,332 0,967 0,255 1,033

1,348 6021 1,05 951 1,027 0,409 0,937 1130 0,901 0,314 0,907 0,27 1, 093

1,326 6491 1,13 963 1,04 0,380 0,871 994 0,793 0,283 0,788 0,299 1,212

1,304 6676 1,16 971 1,05 0,369 0,845 925 0,737 0,263 0,72 0,322 1,28

Рис. 5. Изменение основных показателей работы дизеля при работе на ИГС с основным инертом-диоксидом углерода.

Анализ экспериментальных и расчетных исследований позволил сделать следующие выводы:

1. Диоксид углерода по сравнению с азотом имеет большую молекулярную массу =39,3 (кг/кмоль), а для воздуха ц=29 (кг/кмоль), что приводит к уменьшению средних значений показателей адиабат сжатия и расширения газа ка.

2. При переходе на диоксид углерода значительно ухудшаются показатели работы дизеля, что вызвано снижением давления и температуры конца сжатия; замедлением процессов подготовки топлива к самовоспламенению; увеличением периода задержки самовоспламенения; смещением процесса сгорания на линию расширения; увеличением тепловых потерь (цикл приближается к изобарному);

3. Для обеспечения устойчивого самовоспламенения топлива ИГС перед цилиндром приходится подогревать, что дополнительно ухудшает показатели работы дизеля:

- снижается индикаторный КПД и индикаторная мощность (на 16%);

- снижается эффективный КПД и эффективная мощность (на 26%);

- растет удельный эффективный расход топлива (на 26%).

Выявленные недостатки частично можно компенсировать увеличением концентрации кислорода в смеси и углом опережения подачи топлива, но не полностью и в узком диапазоне изменения. Повышенный расход кислорода является нежелательным из-за его ограниченных запасов и небезопасности подготовки и использования ИГС с таким составом для работы дизеля.

Для ИГС кислород-диоксид углерода была определена объемная концентрация кислорода для компенсации уменьшения коэффициента избытка кислорода [4].

Таблица 2. Ориентировочные соотношения меяеду объемными и массовыми концентрациями кислорода в ИГС состава (кс1^ 1,30-1,32)

ъ мсо= Зо2 Зсог

21 672 79 3476 4148 16,2 83,8

24 768 76 3344 4112 18,7 81,3

26 832 74 3256 4088 20,4 79,6

28 896 72 3168 4064 22 78

29 928 71 3124 4052 22,9 77,1

30 960 70 3080 4040 23,8 76,2

32 1024 68 2992 4016 25,5 74,5

35 1120 65 2860 3980 28,2 71,8

38 1216 62 2728 3944 30,8 69,2

40 1280 60 2640 3920 32,7 67,3

Из табл. 2 видно, что при одинаковой объемной концентрации кислорода Т02 на воздухе и «тяжелой» ИГС, массовая концентрация кислорода в ИГС ниже на 7%, что вызывает необходимость пропорционального увеличения объемной концентрации кислорода с уменьшением показателя адиабаты сжатия, к^ («утяжелением смеси»).

Для ИГС с (кс!5^ 1,30-1,32), при поддержании коэффициента избытка кислорода в пределах 1,7-2,2 необходимо увеличение Т0 в ИГС до 29-30%, при этом массовый расход

кислорода остается практически такой же, как на воздухе.

Для улучшения показателей дизеля, функционирующего на ИГС с основным инертом-диоксидом углерода, необходимо:

- компенсировать снижение Рс и Тс (для обеспечения надежного сгорания топлива);

- уменьшить, а лучше исключить, подогрев смеси перед цилиндром.

Способы повышения эффективности использования дизельных двигателей, работающих по полузамкнутому циклу на ИГС с основным инертом-диоксидом углерода:

- увеличение давления наддува смеси (для двигателей с наддувом),

- увеличение степени сжатия;

- увеличение давления наддува.

Такой способ позволяет значительно увеличить давление конца сжатия и значительно улучшить смесеобразование в цилиндре, но не позволяет пропорционально увеличить температуру конца сжатия, что связано с охлаждением ИГС после компрессора [5]. В случае отключения охладителей воздуха, температура перед цилиндрами возрастает и потери мощности весьма значительны. Граница устойчивого самовоспламенения топлива сдвигается в сторону меньших температур, а индикаторные показатели возрастут из-за более качественного смесеобразования и сгорания топлива. Поэтому такой способ является перспективным, кроме того, уменьшаются затраты на обеспечение работы такой установки, так как увеличение температуры смеси перед цилиндрами дизеля возможно осуществить без подогревателя, что дополнительно улучшает экономичность дизеля [6].

На рис. 6. показано изменение давления конца сжатия в цилиндрах дизеля 6ЧН12/14, функционирующего на ИГС с основным инертом - диоксидом углерода, при различных постоянных степенях повышения давления в компрессоре Пк.

-т -ей -й? -Ш -Я й '¿б 33 ТВ № а лгб Рис.6. Изменение давления конца сжатия в цилиндре дизеля, работающего на ИГС (ка «1,325)

Увеличение степени сжатия

Увеличение степени сжатия до 8 « 17 при ка ~ 1,3-1,32 для двигателя 6Ч12/14 позволяет добиться значений давлений и температур конца сжатия, аналогичных при работе дизеля на воздухе, то есть полностью исключить подогрев ИГС, который значительно снижает индикаторные и эффективные показатели работы дизеля (рис.7).

Рис. 7. Зависимость давления чистого сжатия от степени сжатия для ИГС с основным инертом- диоксидом углерода

На рис. 8 и 9 изображены зависимости давления и температуры конца сжатия Рс и Тс, от степени сжатия при различных постоянных ка. В скобках приведены значения ка с учетом утечек, наличия влаги и температуры смеси, определенные по формуле:

(1)

^ = 1пРс-ЫРа

In £

где Рс - давление конца сжатия;

Ра - давление начала сжатия.

Результаты расчетов температур и давлений конца сжатия для ИГС различного химического состава показаны на рис. 8 и 9.

Как видно из полученных результатов, темп увеличения давления конца сжатия превышает темп увеличения температуры конца сжатия, и по мере уменьшения kd темп роста температуры становится меньшим (линии становятся более пологими).

Рис.8. Зависимости изменения давлений конца сжатия при различном постоянном химическом составе ИГС

Для определения возможной компенсации снижения давления и температуры конца сжатия за счет увеличения степени сжатия при функционировании дизеля на ИГС при постоянных различных ка. была проведена линия, соответствующая температуре самовоспламенения топлива на воздухе (рис.9) из точек пересечения с температурами конца сжатия ИГС различного состава.

1200

1000

воо

500

400

Kd

11 13 15 17

Степень сжатия

" 1,4 (1,376) —■—lr3S (1г342)

1,36 (1,29) -Ж-1,35 (1,274)

19

21

1,37 (1,321) 1,3 2 5(1,248)

23

Рис. 9. Зависимости изменения температур конца сжатия при различном постоянном химическом составе ИГС

Увеличение степени сжатия до 8 ~ 17 при kd~ 1,3 для двигателя 6Ч12/14 позволяет добиться значений давлений и температур конца сжатия, аналогичных при работе дизеля на воздухе, то есть полностью исключить подогрев ИГС, который значительно снижает индикаторные и эффективные показатели работы дизеля [7]. Самовоспламенение топлива при этом будет происходить в районе ВМТ при условии, что будет поддерживаться концентрация кислорода на уровне 28-29%.

Выводы:

1. Работа дизеля на ИГС с основным инертом-диоксидом углерода происходит при пониженных значениях давления и температуры конца сжатия; для обеспечения устойчивого самовоспламенения топлива смесь перед цилиндром нагревается до температуры более 1000С.

2. Повышение температуры ИГС перед цилиндрами и ухудшение смесеобразования из-за снижения давления в цилиндре приводят к значительному снижению технико-экономических показателей дизеля.

3. Повышение давления наддува позволяет увеличить давление конца сжатия и улучшить смесеобразование в цилиндре, но не позволяет также увеличить и температуру конца сжатия, что связано с охлаждением после компрессора; при снижении КПД охладителя произойдет снижение мощности дизеля из-за уменьшения плотности смеси (одновременного роста температуры и снижения давления наддува).

4. Увеличение степени сжатия до 8 ~ 17 при kd~1,3 для двигателя 6Ч12/14 позволяет добиться значений давлений и температур конца сжатия, аналогичных при работе дизеля на воздухе, то есть полностью исключить подогрев ИГС, который значительно снижает индикаторные и эффективные показатели работы дизеля.

Литература

1. Картошкин А.П., Бирюков А.Л., Зефиров И.В. Повышение плавности и точности регулирования производительности газогенератора для двигателя внутреннего сгорания мобильных энергетических средств и стационарных установок // Известия Международной академии аграрного образования. - 2018. - Вып. № 41. - Том. 1. - С. 91-94.

2. Корабельников С.К., Картошкин А.П., Чистяков А.Н. Интенсификация смесеобразования в дизеле // Известия Международной академии аграрного образования. -2018. - Вып. № 41. - Том 1. - С. 105-109.

3. Агапов Д.С., Картошкин А.П. Оптимальные режимы работы газопоршневых установок // Сельский механизатор. - 2015. - № 5. - С. 32 - 34

4. Ашкинази Л.А., Чипизубов В.В., Картошкин А.П., Аффене М.А. Использование пористых композитных материалов для фильтрации широкого спектра газовых сред // Компрессорная техника и пневматика. - 2014. - № 4. - С. 39 - 43.

5. Бирюков А.Л., Плотников С.А., Картошкин А.П. и др. Разработка газогенератора для применения на мобильных энергетических средствах// Известия Международной академии аграрного образования. - 2017. - Вып. № 35. - С. 15-19.

6. Агафонов А.Н. Работа дизелей в условиях функционирования по специальным циклам. -СПб.: Политехнический университет, 2005. - 318 с.

7. Дергачев А.В., Калинин А.С., Ляхов М.А., Раскевич. С.С. Исследование возможностей улучшения показателей работы дизелей, работающих по специальным циклам в составе воздухонезависимых установок. - СПб: ВМПИИ ВУНЦ ВМФ ВМА, 2018. - 130 с.

Literatura

1. Kartoshkin A.P., Biryukov A.L., Zefirov I.V. Povyshenie plavnosti i tochnosti regulirovaniya proizvoditel'nosti gazogeneratora dlya dvigatelya vnutrennego sgoraniya mobil'nyh energeticheskih sredstv i stacionarnyh ustanovok // Izvestiya Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazovaniya. - 2018. - Vyp. № 41. - Tom. 1. - S. 91-94.

2. Korabel'nikov S.K., Kartoshkin A.P., CHistyakov A.N. Intensifikaciya smeseobrazovaniya v dizele // Izvestiya Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazovaniya. - 2018. - Vyp. № 41. -Tom 1. - S. 105-109.

3. Agapov D.S., Kartoshkin A.P. Optimal'nye rezhimy raboty gazoporshnevyh ustanovok // Sel'skij mekhanizator. - 2015. - № 5. - S. 32 - 34

4. Ashkinazi L.A., CHipizubov V.V., Kartoshkin A.P., Affene M.A. Ispol'zovanie poristyh kompozitnyh materialov dlya fil'tracii shirokogo spektra gazovyh sred // Kompressornaya tekhnika i pnevmatika. - 2014. - № 4. - S. 39 - 43.

5. Biryukov A.L., Plotnikov S.A., Kartoshkin A.P. i dr. Razrabotka gazogeneratora dlya primeneniya na mobil'nyh energeticheskih sredstvah// Izvestiya Mezhdunarodnoj akademii agrarnogo obrazovaniya. - 2017. - Vyp. № 35. - S. 15-19.

6. Agafonov A.N. Rabota dizelej v usloviyah funkcionirovaniya po special'nym ciklam. - SPb.: Politekhnicheskij universitet, 2005. - 318 s.

7. Dergachev A.V., Kalinin A.S., Lyahov M.A., Raskevich. S.S. Issledovanie vozmozhnostej uluchsheniya pokazatelej raboty dizelej, rabotayushchih po special'nym ciklam v sostave vozduhonezavisimyh ustanovok. - SPb: VMPII VUNC VMF VMA, 2018. - 130 s.

УДК 621.436 DOI 10.24411/2078-1318-2019-14123

Доктор техн. наук А.В. НЕГОВОРА Канд. техн. наук Ш.Ф. НИГМАТУЛЛИН Канд. техн. наук М.М. РАЗЯПОВ Инженер Р.Ф. САМИКОВ

(ФГБОУ ВО «Башкирский ГАУ»)

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРА ГОРЯЧИХ ГАЗОВ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАСАДКОЙ

Вопросы улучшения эксплуатационных показателей автотракторной техники в условиях низких температур путем применения новых источников энергии в настоящее время активно исследуются [1, 5].

При организации тепловой подготовки автотранспортных средств в холодных климатических условиях [1, 3, 4] в качестве источника тепловой энергии часто используются генераторы горячих газов. Их широкое применение обусловлено высокой тепловой мощностью и безопасностью. При этом выделяющееся в зоне горения тепло расходуется на нагревание топливовоздушной смеси, часть тепловой энергии затрачивается на нагрев направляющей насадки и кожуха. Генератор горячих газов потребляет от 70 до 150 Вт мощности аккумуляторной батареи автомобиля.

Для снижения потребляемой электроэнергии генератора горячих газов (ГГГ) возможно использование термоэлектрического генератора (ТЭГ) для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. При этом необходимо определить место установки модулей на направляющую насадку генератора горячих газов, контактирующих с теплообменниками воздушной системы охлаждения [2].

Цель исследования - снижение потребляемой электроэнергии генератора горячих газов при организации тепловой подготовки автотранспортных средств в холодных климатических условиях [6].

Материалы, методы и объекты исследования. C целью выявления наиболее рациональной конструкции насадки на кафедре «Автомобили и машинно-тракторные комплексы» Башкирского ГАУ была разработана и собрана установка генератора горячих газов с рекуперацией электрической энергии (рис.1). Основной задачей было определение конструктивных параметров насадки, позволяющих реализовать максимальный коэффициент