CC BY
33
Судовые энергетические установки
DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-2-9 УДК 621.431.74
А.Н. Соболенко, Д.К. Глазюк, Ю.А. Корнейчук
СОБОЛЕНКО АНАТОЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ - д.т.н., профессор, e-mail: sobolenko_a@mail.ru
ГЛАЗЮК ДМИТРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ - к.т.н., доцент, e-mail: Daymon3@bk.ru КОРНЕЙЧУК ЮРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ - к.т.н., доцент кафедры, e-mail: korneych@mail.ru Кафедра судовых энергетических установок
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет Луговая ул., 52Б, Владивосток, 690087
Улучшение характеристик рабочего цикла шеститактного дизеля посредством оптимизации угла закрытия впускного клапана до нижней мертвой точки на такте впуска
Аннотация: Обоснована оценка возможности использования способа Миллера для улучшения характеристик шеститактного дизельного двигателя. Проведен расчетный анализ термодинамических процессов в шеститактном дизеле методом Гриневецкого-Мазинга. Получены ряд важных параметров, которые были использованы в целях оптимизации работы дизеля по шеститактному циклу; регрессионные зависимости индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла шеститактного ДВС от угла закрытия впускных клапанов до нижней мертвой точки; оптимальные значения фаз закрытия впускных клапанов до нижней мертвой точки для достижения максимальных значений индикаторного КПД, среднего индикаторного давления, давления сгорания в пятом такте, максимальной температуры сгорания в пятом такте, а также минимального значения удельного эффективного и индикаторного расхода топлива.
Ключевые слова: дизель, шеститактный цикл, теоретический цикл, цикл Миллера. Введение
В результате проведенного нами анализа установлено, что вопросу изучения шеститакт-ного двигателя и его рабочего процесса уделяется недостаточно внимания. Авторы [1, 2, 6], как правило, рассматривают концепцию развития шеститактного ДВС с использованием второго рабочего такта для впрыска воды, а также энергии образующегося пара для совершения полезной работы. Такая концепция привлекательна тем, что не расходуется топливо для дополнительного рабочего хода, но по сути внутри рабочего цилиндра утилизируется теплота, которая может быть потеряна с уходящими газами и для судового двигателя может быть использована утилизационным котлом.
Почти все публикации направлены на патентование различных конструкций или способов работы шеститактного ДВС. Работ, посвященных исследованию теоретических аспектов шеститактного ДВС, за исключением [3, 4], нет. Теоретические аспекты шеститактного цикла далеко полностью не исследованы.
© Соболенко А.Н., Глазюк Д.К., Корнейчук Ю.А., 2019
О статье: поступила: 10.04.2019; финансирование: бюджет Дальневосточного государственного технического рыбо-хозяйственного университета.
Следует заметить, что особенностью щеститактного цикла является весьма высокая температура выпускных газов после окончания цикла. Это позволяет получить большую мощность турбокомпрессора и высокое давление наддува, которое, возможно, и не нужно. И здесь эффективным способом снижения давления в начале сжатия является использование охлаждения по способу Миллера [3]. Этот способ позволяет одновременно со снижением давления в начале сжатия достичь высокой плотности заряда за счет понижения его температуры, даже ниже значений температуры охлаждающей воды в воздушном охладителе.
Для шеститактного рабочего цикла это имеет большое значение, поскольку необходимо обеспечивать снижение чрезмерно высоких температур в рабочем цикле на четвертом такте при сгорании второй подачи порции топлива.
По способу Миллера при повышении давления наддува угол опережения закрытия впускного клапана до нижней мертвой точки (НМТ) увеличивается. Перед ходом сжатия, т.е. еще во время хода впуска, заряд в цилиндре расширяется (при движении поршня до НМТ) и за счет этого охлаждается. Сжатие начинается при более низкой температуре и меньшем, чем при поступлении в цилиндр заряда без опережения угла закрытия впускного клапана, давлении [3].
Цель данной статьи - оценка возможности использования способа Миллера для улучшения характеристики шеститактного дизельного двигателя.
Результаты расчетов
Для расчетов шеститактного цикла был использован метод Гриневецкого-Мазинга. При этом процессы сжатия и расширения в шеститактном цикле были приняты политропны-ми, так же как и в четырехтактном цикле. Коэффициент остаточных газов в четвертом такте шеститактного цикла рассчитывался как результат сгорания топлива в третьем такте. Начальные параметры сжатия в четвертом такте шеститактного цикла принимались как конечные параметры расширения газа в третьем такте, поскольку они подвергаются сжатию без выпуска из цилиндра и впуска свежего заряда. Поскольку газы в цилиндре при шеститактном цикле состоят из тех же компонентов, как и в четырехтактном и двухтактном циклах (продукты сгорания и чистый воздух), то использовались расчетные формулы, применяемые в четырехтактном и двухтактном циклах.
В качестве исходного цикла был принят шеститактный рабочий цикл со следующими параметрами:
- давление наддувочного воздуха рк = 0,19 МПа;
- степень сжатия 8 = 12,5;
- степень повышения давления при сгорании Х=1,78, в пятом такте 1;
- коэффициент избытка воздуха а = 3,25;
- механический КПД дизеля пм = 0,86;
- коэффициент остаточных газов первого цикла уг = 0,08;
- низшая теплота сгорания топлива Qн = 42430 кДж/кг.
Результаты расчетов представлены в таблицах 1 и 2 и отображены на рисунках 1-5.
Данные табл. 2 позволяют сделать вывод: при увеличении угла опережения закрытия впускных клапанов от НМТ происходит непрерывное уменьшение среднего индикаторного давления, причем с увеличением угла в пределах до 50° ПКВ уменьшение р1 малозаметно (около 1%), но в дальнейшем оно усиливается (на 28,9%) при 80° ПКВ. С последующим увеличением угла закрытия впускных клапанов до 70° ПКВ происходит снижение удельного индикаторного расхода топлива на 12,2%, но затем начинается его увеличение (см. рисунки 1, 2).
Данное исследование проводилось при фиксированном давлении наддува рк = 0,19 МПа, которое было выбрано из условия обеспечения баланса мощности турбины и компрессора при всех исследованных вариантах рабочего процесса. Следовательно, давление сжатия второго такта, при прочих равных условиях, зависело лишь от угла закрытия впускных клапанов. При этом отмечено интенсивное снижение рс (на 28,4%) к достижению угла закрытия в 70° ПКВ
(рис. 1). В промежутке 70-80° ПКВ рс снижается менее значительно (на 10,4%). Давление сжатия в четвертом такте равно максимальному давлению сжатия пятого такта в связи с принятием степени повышения давления при сгорании в пятом такте равной 1. Данные зависимости отражены в сводной табл. 2 и на рис. 1.
Таблица 1
Результаты расчета параметров шеститактного рабочего цикла
Угол закрытия впускных клапанов до НМТ Максимальное давление в первом сгорании Максимальное давление во втором сгорании Давление конца первого сжатия Давление конца второго сжатия Максимальная температура в первом сгорании Максимальная температура во втором сгорании
ф,° ПКВ ра МПа pz, МПа Рс, МПа Рс МПа T, K т, к
0 10,59 12,24 5,95 12,24 1536,2 2203,8
50 8,76 10,49 4,92 10,49 1490 2190
70 7,08 8,76 3,98 8,76 1445 2150
80 6,18 7,58 3,47 7,85 1415 2150
Таблица 2
Результаты расчета показателей шеститактного рабочего цикла
Угол закрытия впускных клапанов до НМТ Среднее индикаторное давление Удельный индикаторный расход топлива Удельный эффективный расход топлива Индикаторный КПД
ф,° ПКВ р, МПа gi, г/(кВт-ч) ge, г/(кВтч) ni
0 1,578 0,181 0,21 0,469
50 1,562 0,158 0,184 0,537
70 1,34 0,159 0,185 0,534
80 1,122 0,173 0,201 0,49
Рис. 1. Зависимость давлений (р, рс, рг) в рабочем цикле от угла опережения закрытия впускных клапанов до НМТ.
Особо следует обратить внимание на величину максимального давления сгорания во втором процессе (рис. 1). При угле закрытия 70° ПКВ до НМТ рг становится вполне приемлемым (давление снижается на 28,4%), приближаясь к паспортному значению рг = 8,4 МПа. Одновременно отмечается резкое ухудшение индикаторного расхода топлива при превышении этого угла свыше 70° ПКВ.
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2019. № 2(39)
Следует заключить, что для каждого двигателя существует свое оптимальное соотношение между давлением наддува и углом закрытия впускного клапана. Для данного двигателя приемлемый вариант, как с точки зрения мощности и экономичности, так и с точки зрения механической напряженности, находится в пределах до 70 °ПКВ до нижней мертвой точки.
Рис. 2. Зависимость д, от угла опережения закрытия впускных клапанов до НМТ.
Рис. 3. Зависимость Т2 от угла опережения закрытия впускных клапанов до НМТ.
Рис. 4. Зависимость п, от угла опережения за- Рис. 5. Зависимость де от угла опережения
крытия впускных клапанов до НМТ. закрытия впускных клапанов до НМТ.
Также наблюдается снижение максимальной температуры сгорания вплоть до 80° ПКВ. Относительное изменение Т составило 2,5%. Эти данные отражены в сводной табл. 1 и рис. 3.
Эффективность топливоиспользования рабочего цикла оценивается удельным расходом топлива или индикаторным КПД. Данные приведены в сводной табл. 2 и на рис. 4.
Заметен тот факт, что с уменьшением угла закрытия впускных клапанов до НМТ снижается и Пг. Относительная разница КПД между максимальными и минимальными углами составила всего 4,5%. Но при достижении 50-70° ПКВ до НМТ п становится максимальным. При этом его рост составляет 14,5%.
Анализируя данные табл. 1 и рис. 5, можно сделать вывод о существенном снижении расхода топлива на 1 кВт в час вырабатываемой энергии ДВС. Относительная разница составляет 12,4% при достижении 50° ПКВ до НМТ закрытия впускных клапанов. При дальнейшем увеличении угла ПКВ до НМТ закрытия впускных клапанов (с 50° до 80°) наблюдается рост ge.
Нами были получены регрессионные зависимости индикаторных и эффективных показателей рабочего цикла шеститактного ДВС и угла закрытия впускных клапанов. На рисунках 1-5 приведены аппроксимирующие линии трендов, отражающих зависимости соответствующих показателей. Также подобраны регрессионные модели этих зависимостей и указаны в формулах (1)-(6).
р = -2,53333 10-6 ф3+1,510-4ф 2 - 0,001487 ф+ 1,578; (1)
gi = 1,23407 10-5ф - 0,0011ф + 0,181; (2)
ge = 1,3977 10-5 ф2 - 0,00127 ф + 0,2102; (3)
ni = - 3,76682 10-5ф + 0,00338 ф + 0,46832; (4)
pz = -7,7784 10-4 ф2 + 0,00425 ф + 12,2382; (5)
T, = -0,01239 ф2 + 0,2378• ф + 2204,312. (6)
С целью установления оптимального значения угла опережения закрытия впускного клапана, при котором достигаются искомые параметры (pi, g, ge, ni, pz, Tz), продифференцируем соответствующие выражения (1)-(6) и приравниваем их к нулю. Таким образом, были получены экстремальные значения параметров в зависимости от угла опережения закрытия впускных клапанов до НМТ:
- из выражения (4) оптимальное значение ф = 44,9° ПКВ, соответствующее максимальному значению индикаторного КПД;
- из выражения (1) оптимальное значение ф = 0° ПКВ, соответствующее максимальному значению индикаторного давления;
- из выражения (2) оптимальное значение ф = 44,7° ПКВ, соответствующее минимальному значению удельного индикаторного расхода топлива;
- из выражения (3) оптимальное значение ф = 45,4° ПКВ, соответствующее минимальному значению удельного эффективного расхода топлива;
- из выражения (5) оптимальное значение ф =2,6° ПКВ, соответствующее максимальному значению максимального давления сгорания в пятом такте;
- из выражения (6) оптимальное значение ф = 9,6° ПКВ, соответствующее максимальному значению максимальной температуры сгорания в пятом такте.
Заключение
В результате анализа расчетов можно заключить, что наиболее приемлемые углы опережения закрытия впускных клапанов лежат в пределах 44-46° ПКВ до НМТ и нежелательны вблизи НМТ. Таким образом, используя идею, предложенную Миллером, нам удается определить оптимальные углы газораспределения с целью совершенствования индикаторных и эффективных показателей шеститактного дизеля. Используя способ Миллера, можно добиться улучшения экономичности шеститактного рабочего цикла на 13% по сравнению с этим же циклом, но без применения способа Миллера. При этом давление pz будет меньше на 14,5%, и, как следствие, можно ожидать снижение Tz на 3%. Индикаторный КПД двигателя п остается на уровне значений для современных двигателей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Быстров О.И. Повышение экономических и экологических показателей дизеля путем реализации комбинированного шеститактного цикла: дис. ... канд. тех. наук. Челябинск, 2008. 174 с.
2. Жуков В.А., Яманин А.И., Мельник О.В. Двигатели с шеститактным рабочим циклом: порядок работы и схемы коленчатых валов // Вестник ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова. 2018. № 6. С.1244-1254.
3. Соболенко А.Н. Расчет давления и температуры начала сжатия в рабочем цикле при охлаждении наддувочного воздуха по способу Миллера // Научные труды Дальрыбвтуза. 2016. Т. 37. С. 79-82.
4. Соболенко А.Н., Писаренко И.В. Определение некоторых параметров шеститактного рабочего цикла при его расчете по методу Гриневецкого-Мазинга // Вестник ТОГУ. 2016. № 4(43). C. 45-50.
5. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания / пер. с нем. В.И. Федышина; под ред. Н.Н. Иванченко. Л.: Машиностроение, 1978. 264 с.
6. Hshimoto Ken, Furuhata Tomokiko, Arai Masataka (Gumma University, Gumma, Japan). Nihon kikai gakkai ronbunshu. Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. B. 2006(72);721:2323-2329.
FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2019. N 2/39 Ship Power Plants www. dvfu. ru/en/vestnikis
DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-2-9
ORCID
Sobolenko A., Glazuk D., Korneichuk Y.
ANATOLY SOBOLENKO, Doctor of Engineering Sciences, Professor, e-mail: sobolenko_a@mail.ru
DMITRY GLAZUK, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, e-mail: Daymon3@bk.ru
YURY KORNEICHUK, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor,
e-mail: korneych@mail.ru
Department of Ship Power Plants
Far Eastern State Technical Fisheries University
52B Lugovaya St., Vladivostok, Russia, 690087
Improving working cycle parameters of six-stroke diesel engine by optimizing take-off angle of the intake valve to the bottom dead center at the intake stroke
Abstract: The purpose of this research was to study the effect of the Miller Mode on the performance of a six-stroke diesel engine. A theoretical analysis of thermodynamic processes in a six-stroke diesel engine was carried out using the Grinevetsky-Mazing method. It was possible to obtain a number of important parameters that were used to optimize the performance of the diesel engine on the six-stroke-cycle. The regression dependences of the indicator and effective factors of the working cycle of the six-stroke diesel engine and the angle of the inlet valves are obtained. The optimal values of the intake valve closing phases to the bottom dead center piston (BDC) have been obtained to achieve maximum values of the indicator efficiency, average indicator pressure; combustion pressure in the fifth stroke; the maximum temperature of combustion in the fifth cycle, as well as the minimum value of the specific effective and indicator fuel consumption. Keywords: diesel engine, six-stroke cycle, theoretical cycle, Miller cycle.
REFERENCES
1. Bystrov O.I. Increase of economic and ecological characteristics of a diesel engine by implementing a six-stroke cycle, diss. Kand. Techn. Sciences. Chelyabinsk, 2008, 174 p.
2. Zhukov V.A., Yanin A.I., Melnik O.V. Engines with six-stroke working cycle: work order and crankshaft diagrams. Bulletin of GUMRF named after Adm. S.O. Makarov. 2018;6:1244-1254.
3. Sobolenko A.N. Calculation of pressure and temperature of the compression beginning in the working cycle with cooling the charge air by the Miller method. Scientific proc. of Dal'rybvtuz. Vladivostok, 2016(37):79-82.
4. Sobolenko A.N., Pisarenko I.V. Determination of some parameters of the six-stroke working cycle in its calculation by the method of Grinevetsky-Mazing. Bulletin of TOGU. 2016;4:45-50.
5. Tsinner K. Supercharging of Internal combustion engines. L., Mechanical Engineering, 1978, 264 p.
6. Hshimoto Ken, Furuhata Tomokiko, Arai Masataka (Gumma University, Gumma, Japan). Nihon kikai gakkai ronbunshu. Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. B. 2006(72);721:2323-2329.
