Теоретическое исследование влияния изменения вида и плотности топлива на параметры главного судового дизеля марки 6l20 Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 621.437

И.С. Ахундов, А.Ш. Исмаилов

Азербайджанская государственная морская академия, Баку, AZ1000 e-mail: i.akhundov@caspmarine. com

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ВИДА

И ПЛОТНОСТИ ТОПЛИВА НА ПАРАМЕТРЫ ГЛАВНОГО СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ

МАРКИ 6L20

В статье рассматривается теоретическое исследование результатов вычислительных экспериментов с целью определения влияния изменения вида топлива на параметры процесса сгорания, на индикаторные и эффективные показатели главного судового дизельного двигателя марки 6L20.

Ключевые слова: дизельный двигатель, топливо, плотность, вычислительные эксперименты, индикаторные показатели, эффективные показатели, индикаторная мощность, эффективная мощность, расход топлива, продолжительность сгорания, коэффициент использования теплоты, период индукции.

I.S. Akhundov, A.Sh. Ismailov

Azerbaijan State Marine Academy,

Baku, AZ1000 e-mail: i.akhundov@caspmarine. com

THEORETICAL STUDY OF THE INFLUENCE OF CHANGE OF TYPE AND DENSITY OF FUEL ON THE PARAMETERS OF THE MAIN VESSEL ENGINE TYPE 6L20

The deals with a theoretical study of the results of a computational experiments, in order to determine the effect of various type of fuel on the parameters of the combustion process, in-cylinder indicators and effective parameters of marine main diesel engine type 6L20.

Key words: diesel engine, fuel, density, computational experiments, in-cylinder parameters, effective indicators, indicated power, effective power, fuel consumption, combustion duration, coefficient of heat utilization, induction period.

В главных судовых дизельных двигателях применяются различные виды легкого и тяжелого топлива. Плотность, вязкость, температура вспышки, цетановое число и другие параметры являются основными отличительными свойствами этих топлив. Поэтому при изменении вида топлива, используемого в двигателе, очень важно предварительное прогнозирование влияния применяемого топлива на основные показатели двигателя. Такое прогнозирование возможно двумя способами: первое - путем определения основных показателей двигателя при использовании другого вида топлива с помощью моторных испытаний, второе - путем вычислительных экспериментов с использованием расчетной методики, учитывающей основные физико-химические свойства используемого топлива. Первому способу свойственны значительные затраты времени и материальных средств. Поэтому предпочтение отдается обычно второму способу. Так как в этом случае за очень короткое время без каких-либо материальных затрат можно определить показатели двигателя в зависимости применяемого вида топлива. В связи с этим рассматриваемый вопрос можно считать актуальным.

Для исследования влияния изменения вида или плотности топлива на показатели судового главного двигателя марки 6L20 для вычисления продолжительности процесса сгорания (фг), коэффициента использования теплоты () и периода индукции (т. ), были использованы следующие эмпирические выражения:

Фоп =-104,393 + 0,6198• Рф0 -0,1719• P2 + 0,5208-1Q-2 • P? , (1)

Е = (0,891049 + 0,9062525-10-2- -0,2187509-103- )-р /р ,

¿юп у ' ' фо ' фо у ~дл Гдт '

4

- Е / (Яц-То)

т. =

V - V

'в 'с

т

-10 - В - ехр

Р

V -V

' 9 'с

'рдл / рд

(2) (3)

где фгои и Егоя - оптимальные значения продолжительности процесса сгорания и коэффициента использования теплоты для номинального режима работы двигателя;

р - плотность стандартного дизельного топлива, используемого в двигателе, кг/м ;

р - плотность других легких и тяжелых топлив, которые могут использоваться в этом двигателе, кг/м3;

Рфо - начальное давление впрыска топлива из форсунки при номинальном режиме работы двигателя, МПа;

V и 'вп - соответствующие объемы цилиндра при начале подачи топлива в цилиндр и закрытии впускного клапана;

Е - условная энергия активации, МДж/кмоль;

В = (1 -1,6-10"4и)-12-105 -коэффициент [1];

е - степень сжатия двигателя;

Р0 и То - давление и температура окружающей среды; МПа и К;

^ - универсальная газовая постоянная, МДж/(кмоль • К).

В выражениях (2) и (3) влияние изменения вида топлива учитывается отношениями плотностей (р / р или р / р ). Принято, что изменение цетанового числа (ЦЧ) в основном влияет

на энергию активации (Е), так как ЦЧ характеризует способность самовоспламенения топлива и непосредственно влияет на период индукции. Это предположение учитывается в значении энергии активации (Е), которое определяется следующей формулой [2]:

Е = Еда-(ЦЧда /ЦЧт)011028 , (4)

где Едл - энергия активации стандартного дизельного топлива;

ЦЧт и ЦЧ - цетановые числа стандартного дизельного топлива и топлива, которое используется в двигателе.

В табл. 1 показаны основные физико-химические свойства топлив, используемые в главных судовых дизелях марки 6Ь20.

Таблица 1

Основные физико-химические свойства топлив, используемых в главных судовых дизелях марки 6Ь20

Показатели Плотность, кг/м3

827 838 848 900

1. Цетановое число (ЦЧ), не менее 51 51 45 35

2. Цетановый индекс (ЦИ), не менее 50,4 50,4 - 35

3. Массовая доля серы, мг/кг, не более - 8,6 9,0 1,5 (% м/м)

4. Температура вспышки в закрытом тигеле, °С, не ниже 74 67 65 60

5. Коксуемость 10%-ного остатка разгонки, % масс, не более - 0,03 0,03 0,3

6. Зольность, % масс, не более Отсутствует Отсутствует Отсутствует 0,01 (% м/м)

7. Массовая доля воды, мг/кг, не более Отсутствует 38 0,3 (% об/об)

8. Массовая доля механических примесей, не более Отсутствует Отсутствует Отсутствует -

9. Кинематическая вязкость при температуре 40°С (мм2/с) 2,98 2,579 2,76 2-11

10. Низшая теплота сгорания (2н), МДж/кг 42,65 42,65 42,65 41,42

Низшая теплота сгорания влияет на выделенную теплоту при сгорании топлива (Онс ) :

Qнc = Е • Он - £ц- ^ Дж/кг, (5)

где О - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; gц - цикловая подача топлива, кг;

Дг - массовая доля условно сгоревшего топлива в расчетном шаге.

В табл. 2. показаны результаты проведенных математических экспериментов для исследования влияния изменения вида топлива или плотности топлива на основные показатели главного судового дизельного двигателя марки 6Ь20. При этом угол подачи топлива по мениску принят 9мен = 9,8°, а давление начала впрыска топлива - равным /'фП МПа.

Таблица 2

Основные показатели главного судового дизеля марки 6Ь20 в зависимости от плотности топлива (Рфо = 45 МПа; 0мен = 9,8°; п = 1 000 мин-1; ц» = 0,85)

Показатели Плотность (ру), кг/м3

827 838 848 860 880 900

1. Низшая теплота сгорания топлива 42,65 42,65 42,65 42,65 42,65 42,65

МДж кг

2. Цетановое число топлива (ЦЧ) 51 51 45 45 45 35

3. Максимальное давление сгорания (РД МПа 19,4 19,23 18,97 18,8 18,52 18,0

4. Максимальная температура сгорания (Тг), K 2 035 2 017 2 000 1 981 1 952 1 919

5. Индикаторный КПД (п,), % 0,553 0,546 0,539 0,532 0,520 0,507

6. Среднее индикаторное давление(Р,), МПа 2,919 2,882 2,846 2,807 2,745 2,678

7. Период индукции (т,), с 0,5304 10-3 0,5375-10-3 0,572-10-3 0,5810-3 0,594 10-3 0,673 10-3

8. Индикаторная мощность (Ы,), кВт 1 284 1 268 1 252 1 235 1 207 1 178

9. Удельный индикаторный расход 152,7 154,6 156,6 158,7 162,3 166,6

г топлива (g ), ' кВт•ч

10. Среднее эффективное давление (Ре), МПа 2,481 2,450 2,419 2,386 2,333 2,276

11. Эффективная мощность (Ые), кВт 1 091 1 078 1 064 1 050 1 026 1 001

12. Удельный эффективный расход 179,6 181,9 184,2 186,7 190,9 196

г топлива (ge), ' кВт•ч

13. Коэффициент использования теплоты (У 0,878 0,866 0,856 0,844 0,825 0,806

На рис. 1 и 2 показаны закономерности изменения значений основных параметров процесса сгорания (т. , фг, , Р, Т) , индикаторных и эффективных показателей двигателя (д., g¡, N¡ и Д, ge, N), полученных с помощью математических экспериментов в зависимости от плотности топлива.

Как видно из рис. 1, c утяжелением топлива, вернее, с увеличением плотности топлива, ухудшается испаряемость топлива и увеличивается период индукции (т.), а также в результате ухудшения качества смесеобразования и процесса сгорания уменьшается коэффициент использования теплоты (^). А это, в свою очередь, приводит к уменьшению максимального давления сгорания (р) и максимальной температуры процесса сгорания (Т). Следует отметить, что повышение плотности топлива не влияет на продолжительность сгорания (ф) и ф практически остается постоянным.

Из рис. 2 видно, что с повышением плотности топлива индикаторные и эффективные мощности двигателя (Ы, и Ые) снижаются, а удельный индикаторный и эффективный расходы топлива (£г- и ge) увеличиваются. Это объясняется, как было указано выше, ухудшением качества процесса сгорания.

При проведении математических экспериментов цикловая подача топлива и коэффициент избытка воздуха (а) принимаются постоянными, а механический КПД (пт) - равным 0,85.

Таким образом, как видно из табл. 2, при увеличении плотности топлива от 827 кг/м3 до 900 кг/м3 эффективная мощность двигателя уменьшается на 8,2%, а удельный эффективный расход топлива увеличивается на 9,1%. Поэтому для сохранения мощности и экономичности двигателя на нужном уровне оптимальные значения плотности топлива можно принять в пределах 840^850 кг/м3.

Рис. 1. Графики изменения показателей процесса сгорания в зависимости от плотности топлива главного судового двигателя марки 6Ь20 (Рфо = 45 МПа; 9мен = 9,8°; п = 1000 мин-1)

N, kVt

1300

1200

1100

1000

а

<V:Vvl4nl

190 180 170 160 150

н

Ne

тг

--

V

W

&

820

840

860

880

Л 0.6

0.5 0.4

0.3

900 Pv- kq Ш

Рис. 2. Графики изменения индикаторных и эффективных показателей главного судового двигателя марки 6Ь20 в зависимости от плотности топлива (Рфо = 45 МПа; 9мен = 9,8°; п = 1000 мин-1)

Литература

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д.Н. Вырубов, Н.А. Ивашенко, В.И. Ивин и др. / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

2. Насибов Ф.Б. Рабочий процесс дизеля с поршнем, автоматически регулируюшим степень сжатия при использовании различных жидких топлив: Дис. ... канд. тех. наук / Ф.Б. Насибов. -Баку, 1999. - С. 140.