CC BY
13
УДК 621.436.1
ВОЗМОЖНОСТЬ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
THE OPERATING CONDITIONS OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH HIGH
TEMPERATURE COOLING
А. В. Разуваев1, Е. Н. Слободина2
'Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, Россия 2 Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. V. Razuvaev1, E. N. Slobodina2
'National Research Nuclear University MePhI, Moscow , Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Режим высокотемпературного охлаждения (температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя составляет более 373 К) по опубликованным литературным источникам способствует повышению эффективности применения энергетической установки на базе двигателя внутреннего сгорания. В данной работе представлен анализ проведенных экспериментальных данных по уровню температур втулки цилиндра и поршня двигателя размерностью 21/21, обоснована возможность перевода его работы на высокотемпературный режим охлаждения. Стендовые испытания энергетической установки подтвердили работоспособность двигателя с высокотемпературным режимом охлаждения. Результаты анализа экспериментальных данных могут быть использованы при переводе двигателей других размерностей и конструкций на высокотемпературный режим охлаждения.
Ключевые слова: энергетическая установка, двигатель внутреннего сгорания, термометрирование, высокотемпературное охлаждение.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-29-31
I. Введение
Вопросам энергоэффективности энергетических установок уделяется все большее внимание как в отечественной промышленности, так и в Европейском союзе. Там разработан документ по наиболее эффективным мероприятиям повышения энергоэффективности различного оборудования [1]. Он может использоваться различными предприятиями и организациями для информации, а также для мониторинга и реализации этих мероприятий в этой области, который соответствует статье 17(2) Директивы 2008/1/EC. В ней сказано [1], «энергетические модели, базы данных и балансы представляют собой полезные инструменты для комплексного и детального энергетического анализа, которые часто используются в рамках аналитических энергоаудитов, в том числе комплексных. Модель представляет собой схему или описание, отражающее использование энергии в рамках установки, подразделения или системы» (пункт 2.15.1.). Эти мероприятия относятся в полной мере и к энергетическим установкам, обеспечивающим тепло- и энергоснабжение объектов промышленного и бытового назначения, в том числе и в нефтегазовом секторе экономики.
Данный нефтегазовый сектор экономики может относиться к специфическим, так как имеет свою особенность. Это связано с проведением работ разведывательного характера и работ по добыче и транспортировке углеводородного топлива, особенно в небольших компактных и удаленных местах проживания, где, как правило, отсутствует центральное тепло - и энергоснабжения. Поэтому снабжение теплом и электроэнергией таких удаленных объектов должны осуществляться эффективными средствами малой энергетики. Такие комплексы энергетики, как вариант, могут быть реализованы на основе двигателей внутреннего сгорания.
Повышение эффективности комплексов малой энергетики на базе двигателей внутреннего сгорания вносит свой определенный вклад в экономию углеводородных энергоресурсов, к 2020 году планируется снизить расход топлива, по оценки экспертов на 40-48%, что эквивалентно 360-430 млн т. у. т. в год.
II. Постановка задачи
Применение режима высокотемпературного охлаждения, в которых температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя составляет более 373 К (100 оС), эти двигатели имеют ряд преимуществ перед двигателями с типовыми обычными системами охлаждения и описаны в научно-технической литературе [2]. В работе [3] представлены с проведением экспериментальных исследований системы охлаждение двигателя 6ЧН 21/21. К одному из ответственных узлов этого двигателя относится крышка цилиндра, результаты исследований по этому узлу приведены в работе [4].
В целях проведения анализа возможности перевода двигателя и обеспечения работоспособности его систем и узлов при переводе на этот режим охлаждения, необходимо провести комплекс опытно - конструкторских и научно исследовательскихработ. К ним относятся: определение величины температуры втулки цилиндра и поршня путем термометрирования этих узлов при работе двигателя при различных нагрузках и режимах его охлаждения.
III. Теория
Поршень двигателя размерностью 21/21 представляет собой сборную конструкцию. Головка поршня изготовлена из легированной стали, тронк поршня изготовлен из алюминиевого сплава, они стянуты между собой четырьмя шпильками-болтами. Эскиз продольного разреза поршня представлен на рис. 1.
Рис. 1. Эскиз поршня (продольный разрез) Эскиз продольного разреза втулки цилиндров представлен на рис. 2.
Рис. 2. Эскиз втулки цилиндра (продольный разрез)
IV. Результаты экспериментов
Проведено экспериментальное определение рабочих параметров двигателя и теплонапряженности деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) в стендовых условиях, максимально приближенных к реальным, в которых работает данная силовая установка. Изменение рабочих параметров двигателя на режимах, близких к номинальной мощности, при повышении температуры охлаждающей жидкости имеет следующие зависимости. Так, на каждые 10 К (10 оС) повышения температуры охлаждающей жидкости - ТСОО! температура отработавших газов увеличивается на 2,5 ... 3 К (2,5 ... 3 оС), незначительно повышается давление наддува вследствие роста
частоты вращения ротора турбокомпрессора. Удельный эффективный расход топлива с ростом температуры охлаждающей жидкости на каждые 10 оС снижается на 1,36 г/кВт ч и достигает своего минимального значения соответственно при увеличении температуры охлаждающей жидкости до 373...383 К (100.. .110 оС). Однако при дальнейшем росте температуры охлаждающей жидкости наблюдается ухудшение топливной экономичности. Такой характер изменения удельного расхода топлива объясняется, с одной стороны, уменьшением механических потерь на трение, а с другой - уменьшением индикаторных показателей из-за уменьшения коэффициента наполнения и расхода воздуха через дизель.
При повышении Tcooi с 333 до 288 К (с 60 до 115 оС) при условии постоянной температуры масла в двигателе коэффициент избытка воздуха коэффициент полезного действия турбокомпрессора остались практически постоянными. Наименьший удельный расход топлива зафиксирован при температуре охлаждающей жидкости 373.383 К (100.105 оС).
Повышение температуры воды на каждые 10К (10 оС) приводит к увеличению температуры поршня над первым кольцом (точка 11, рис. 1) на 3-4 градуса; у периферии на верхней кромке днища со стороны выхлопа (т 10) на 3.4 градуса, в центре днища (т 6, рис. 1) на 2,5..2,0 градуса, к увеличению температуры втулки цилиндра в зоне остановки первого компрессионного кольца (ниже на 3 мм) в точка 4 со стороны выхлопа и в точке 7 со стороны впуска соответственно на 7 градусов и на 4...7 градусов в неохлаждаемой зоне (точка 5) со стороны выхлопа и в точке 6 со стороны впуска соответственно на 7 градусов и на 4.7 градуса.
V. обсуждение результатов
При проведении стендовых длительных испытаний двигателя размерностью 21/21 с повышенным режимом охлаждения был получен результат - от незапланированного режима работы двигателя, который проработал на номинальной мощности с уровнем температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя 395 К (122 оС) в течении 45 минут. Все системы при этом работали нормально, в том числе отсутствовало вскипание жидкости в системе охлаждения, уплотнения двигателя и стенда при этой системе охлаждения выдержали необходимое давление, а также при этом отсутствовал факт задира поршня и втулки цилиндра в связи с уменьшением теплового зазора между ними. Данный незапланированный эксперимент, хотя и получился очень важным, говорит о том, что данная конструкция двигателя может работать при данном температурном режиме охлаждения. Конечно, еще требуются подтверждение этих результатов при длительных эксплуатационных испытаниях в составе энергетической установки.
VI. Выводы и заключение
На основании анализа проведенных работ можно сделать следующие основные выводы.
Минимальный удельный расход топлива двигателя зафиксирован при температуре охлаждающей жидкости 373.383 К (100.105 оС). При этом необходимо отметить, что только повышение температуры охлаждающей жидкости до 373.383 К (100.105 оС) относительно штатной по техническим условиям температуры 366 К (93 оС) снижает удельный расход топлива двигателя и дает возможность повысить эксплуатационную экономичность всей энергетической установки.
Результаты термометрирования поршня и втулки цилиндра при повышении температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя от 333 до 288 К (60 до 115 оС) показывают незначительное повышение их температур. Это говорит о том, что обеспечивается тепловой зазор по работоспособности пары поршень-втулка и экспериментально подтверждается работой двигателя при температуре охлаждающей жидкости395 К (122 оС).
На основании вышеизложенного есть основания считать, что применение режима высокотемпературного охлаждения дает возможность повысить эффективность применения двигателя внутреннего сгорания в различных энергетических установках, в том числе и в качестве двигатель-генератора для автономной выработки электрической энергии, а в составе когенерационной установки и получения очень дешевой тепловой энергии.
Список литературы
1. Reference document on best available techniques for energy efficiency URL : http://portal-energo.ru/files/articles/portal-energo_ru_dokument_es_po_e_ef.pdf (дата обращения 01.05.2018).
2. Петриченко Р. М. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания. Ленинград: Машиностроение, 1975. 225 с.
3. Разуваев А. В. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с высокотемпературным охлаждением. Саратов : СГТУ, 2001. 128 с.
4. Разуваев А. В., Соколова Е. А. Экспериментальное исследование системы охлаждение дизеля 6ЧН 21/21 // Вестник СГТУ. 2013. № 1 (69). С 222-229.
5. Razuvaev A. V., Slobodina E. N. Materials properties containing the energy grids forced internal combustion engines application // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1210. P. 1-6. D0I:10.1088/1742-6596/1210/1/012119.
4. Разуваев А. В., Мурин С. В., Костин Д. А. Повышение надежности энергоснабжения автономного объекта // Энергобезопасность и энергосбережение. 2013. № 6 (54). С. 23-25.
