Условия форсирования дизелей воздушного охлаждения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.43.052

УСЛОВИЯ ФОРСИРОВАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Б.Л. АРАВ1, Е.Г. ПОНОМАРЕВ2

1) Челябинский военный автомобильный институт Россия 454029, Челябинск, 29 2) НПП "Агродизель"

Россия 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 58

Рассмотрены возможности форсирования дизелей воздушного охлаждения путем обеспечения рациональных параметров рабочего цикла, обеспечивающих при достаточной экономичности умеренную тепломеханическую нагруженность деталей и ограничение затрат на функционирование системы воздушного охлаждения. Показана целесообразность локального масляного охлаждения деталей.

Одной из задач повышения технического уровня дизелей воздушного охлаждения (ДВО) является необходимость их дальнейшего форсирования. При этом необходимо обеспечить не только их приемлемые показатели и ограничительные параметры, но и их достаточную параметрическую надежность. Под последней понимается - способность двигателя сохранять требуемые свойства при действии возмущений, обусловленных производством, применением и эксплуатацией. Указанное является достаточно сложной, но выполнимой технической задачей. Ниже приводятся результаты исследований по форсированию дизелей типа ЧВН 15/16 и 12/12,5.

Наиболее важным параметром, влияющим на уровень и параметрическую надежность показателей и параметров ДВО, является коэффициент избытка воздуха а [1,2,3,4]. Он воздействует на характер и продолжительность процесса сгорания и формирует уровень и параметрическую надежность экономических и мощностных показателей и ограничительных параметров, характеризующих тепломеханическую нагруженность, теплоотдачу в охлаждающий воздух, его потребное количество и затраты мощности на функционирование системы воздушного охлаждения (ФСО), степень дымности и токсичности отработавших газов и т. д. Показатели и параметры ДВО также зависят от степени сжатия £ [1,2,4]. Они характеризуются областью параметрической надежности и условиями работоспособности, которые необходимо выполнить при определении рациональных параметров рабочего цикла ДВО. Выделение определяющего параметра а и установление эффективности воздействия на него позволяют задачу форсирования свести к согласованию ряда условий работоспособности, заключающихся в наличии определенного разрыва между эксплуатационными и допустимыми значениями указанных показателей функционирования и ограничительных параметров. Имеющийся опыт позволяет установить их допустимые значения. Например, по температурам межклапанной перемычки головки цилиндра 1ГСШ до 240-260°С, поршня в зоне горловины /гор, до 340°С, верхнего поршневого кольца ?пк до 240°С, критерия теплонагруженности, предложенного Костиным А.К., Кт до 5-5,5 без локального охлаждения деталей и до 7-7,5 при их охлаждении [3], затрат мощности на ФСО до 6-8% и т.д. [2,4].

Величина а, обеспечивающая приемлемую экономичность для ДВО типа ЧВН 15/16 с объемно-пленочным смесеобразованием и типа ЧВ 12/12,5 с объемным смесеобразованием, составляет а (,[=1,8-2,2. При действии возмущений, обусловленных производством, применением и эксплуатацией, необходима избыточность по обеспечению значений а^экс. Оцененная методом наихудшего случая она составляет 15-20 %, что вполне согласуется с практикой [4]. Изменение а возможно увеличением давления наддува Рк и снижением температуры наддувочного воздуха /к за счет его охлаждения. Исследованиями на указанных дизелях установлена предпочтительность охлаждения наддувочного воздуха до 60-70°С при расчетной температуре окружающей среды 40°С. В этом случае достигается наилучшее согласование показателей и параметров дизелей.

Однако необходимость снижения тепловых потоков в охлаждающий воздух и затрат на ФСО показывает важность их перераспределения путем изменения условий и способов охлаждения. Установлена целесообразность интенсификации охлаждения воздухом

только до достижения экономически целесообразного значения теплоотдачи, соответствующего допустимой величине затрат на ФСО. При наличии зон деталей, уровень теплона-груженности которых существенно превышает средний, целесообразно изменение их конструкции или применение локального масляного охлаждения.

Исследования на дизеле типа ЧВН 15/16 с локальным охлаждением маслом поршня и межклапанной перемычки головки цилиндра показали, что при целесообразном расходе масла Км= 3-4 л/мин температуры /гор и /пк снижаются на 60-65 град, (рис.1), дальнейшее увеличение расхода стабилизирует эффект снижения температуры. Происходит перераспределение тепловых потоков, и снижаются температуры головки 1Т0Л и цилиндра ?ц соответственно на 16 и 30 град. При этом наиболее теплонапряженной деталью будет уже не поршень, а головка цилиндра. Целесообразный расход охлаждающего воздуха на охлаждение будет в 1,4...1,6 раза меньше, чем при отсутствии локального масляного охлаждения деталей. Соответственно уменьшится суммарный расход охлаждающего воздуха на охлаждение деталей и масла, затраты на ФСО и величина ge. Рабочий уровень температур деталей будет обеспечен при одновременном улучшении экономичности двигателя. Еще больший эффект достигается при совместном применении локального масляного охлаждения межклапанной перемычки головки цилиндра и поршня (см. рис.1).

"с

260

| 240 ^ГоЛ 220

200

360

( зчо ^гор 320

ЗОО

280

^7

^гол

т -

т] — —

V*

"С

190

170

I;

' 170

С

240

С

240

220 , 220 ^пк 200 200

Ч Л/миН

о)

Ум-

*гол

1

V

\ "Ь ПК

\

>

°С

260

240

220

200

С

360

■*40

зго

зоо

280

-ГОЛ

-гор

Рис.1. -Влияние расхода масла через полости охлаждения поршня и головки цилиндра на теплонагруженность деталей дизеля типа ЧВН 15/16 (л=1700 мин, Рс=0,9 МПа): а - раздельное локальное масляное охлаждение поршня и головки; б- совместное локальное масляное охлаждение поршня и головки.

------ охлаждение поршня;------охлаждение головки

Установленные закономерности реализовывались при оптимизации параметров рабочего цикла исследуемых дизелей для различных уровней форсирования. Допустимые значения Р1тх обеспечивались изменением степени сжатия е или угла опережения впрыска топлива ( рис.2). Один и тот же уровень форсирования может быть обеспечен:

- при различных сочетаниях Рк и /к, формирующих величину коэффициента избытка воздуха а. При постоянном а снижение Рк должно компенсироваться увеличением глубины охлаждения наддувочного воздуха. Это позволяет обеспечить параметрическую надежность по аК|;

- при различных значениях ограничительных параметров по затратам на ФСО, тепломеханической нагруженности, дымности и токсичности отработавших газов и т.д.

Я

5,5

Кт

3.5

1,5

Р«,МПц <.2 У Рк,мпч 0,15Ь \ 1 к ч V

о -е> I ш 4,01 \ к V г0-0-г чЧ ' ЧІ ^ / . С“» . и Ре.МПч ^12 1

оаГ о.в/ Рч V4 / КГ ч>^ 1*1 к І 1 тт’-.У 1” ІІ 0

огК, 0$''» '"'"'Л 1 I ' "г-0, 23 " 6

Рк.МПоА 1 1

15

8,5

9.5 №,5

Ртах —■

И, 5 МПо

а)

?5

Г

Кт

3,5

1,2 |Ч 5 N 0,8

і і гч ч г РКмп« 0,24 ’

0,9 / / N 0,\ 1 Ч' ^ |1,2 'Г

0,15' Рк.МПч Г|> ° 0,2' /4.0 /03 ■4.8

і 1

^5 §?

_Ре МПч

9,5 10,5

Ггпвх

Б)

И,5 МПа

Рис.2. Возможности форсирования дизеля типа ЧВН 15/16 (п=1800 мин'):

а - влияние степени сжатия:-----є =14,75;------- £=12; б -влияние охлаждения

наддувочного воздуха (е=14,75 ):------с охлаждением;-------без охлаждения;

- • — граничные значения Кт и Ртт, соответствующие достаточной параметрической надежности при отсутствии локального масляного охлаждения деталей;

— о — то же при наличии локального масляного охлаждения деталей

Наблюдается рассогласование между улучшением экономичности и снижением тепло-нагруженности дизеля по мере увеличения а и увеличением при этом максимального давления цикла Ртт и тепловых потоков в охлаждающий воздух. Тем не менее, возможно определение значения а, в той или иной степени удовлетворяющее условиям обеспечения параметрической надежности по всем перечисленным показателям и ограничительным параметрам за счет некоторого снижения степени сжатия е и угла опережения впрыска топлива. Выделяются ряд областей функционирования ДВО, удовлетворяющих условиям работоспособности (рис.З). Их согласование позволяет установить оптимальные значения основных параметров рабочего цикла, обеспечивающие необходимый уровень форсирования. Изменение условий применения и эксплуатации дизеля, например, установка в моторный отсек с ограниченным воздухообменом или эксплуатация в условиях существенно отличающихся от нормальных, должны учитываться при определении оптимальных значений параметров рабочего цикла. Их значения должны отражать изменение областей функционирования при практически неизменных областях параметрической надежности.

Анализ взаимосвязи между ограничительными параметрами и допустимым уровнем показателей форсирования (рис.2) показывает, что возможность увеличения допустимых значений параметров, характеризующих теплонагруженность, например, применением более совершенной конструкции и материалов, позволяет обеспечить сочетание Рк и гк, а следовательно а, снижающее значение Ртт, которое характеризует механическую нагруженность дизеля. Наоборот, возможность увеличения допустимого значения Р^ позволяет применять сочетание Рк и /к, а следовательно а, снижающее теплонагруженность дизеля. Указанное необходимо учитывать в практике.

Таким образом выполненные исследования показали, что применением наддува с охлаждением наддувочного воздуха, локального масляного охлаждения поршня и головки цилиндров возможно форсирование двигателя типа ЧВН 15/16 до литровой мощности 18-20 кВт/л, т.е. более чем в 1,5 раза при сохранении параметрической надежности по всем основным показателям и параметрам [4]. Рекомендации реализованы при создании форсированных дизелей типа ЧВН 15/16 и опытных образцов дизелей типа ЧВН 12/12,5.

Рис.З. Параметры рабочего цикла дизеля типа ЧВН 15/16 при форсировании («=1800 мин Ре=0,9 МПа):

а - без охлаждения наддувочного воздуха; б- с охлаждением;

1 - область рациональных параметров

ЛИТЕРАТУРА

1 .Иванченко КН. и др. Высокий наддув дизелей,- Л.: Машиностроение, 1983.- 198 с.

2. Поспелов Д. Р. Конструкция двигателей внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. - М.: Машиностроение, 1973.- 352 с.

3. Костин А.К. и др. Теплонапряженность двигателей внутреннего сгорания.- Л.: Машиностроение, 1972. - 222 с.

4. Менъшенин Г.Г. Динамика развития дизелей Волгоградского моторного завода в первой трети XXI века// Двигателестроение.-2002.-№1 .-С.3-5.

UDC 621.43.052

CONDITIONS OF HEAT IMPROVMENT OF AIR-COOLED DIESEL

4

Arav B.L.1, Ponomorev E.G.2

1) Chelyabinsk military automobile institute 454029, Chelyabinsk, Russia

2) SIE “Agrodiesel”

Timiryazevsrfya St., 58, 127550, Moscow, Russia

Considered the opportunities of speeding up of diesel engines of air cooling by maintenance of rational parameters of a efficiency cycle providing at sufficient profitability moderate thermal and mechanic tension of details and restriction of expenses for functioning of system of air cooling. Shown the expediency of local oil cooling of details.