АНАЛИЗ ИНДИКАТОРНОГО КПД И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ ДИЗЕЛЕЙ ТИПОРАЗМЕРА ЧН16,8/18,5 ПРИ ИХ ФОРСИРОВАНИИ ДО Рme=2,0 МПА

СВ. Лебедев, Д.Д. Матиевский

Развитие мощностных рядов многоцелевых дизельных двигателей и энергетических агрегатов на их базе составляет основу технической политики ведущих зарубежных и отечественных дизелестроительных фирм и предприятий. Составляющий основу унификации модульный принцип проектирования и производства моделей типоразмерного ряда содержит значительные резервы совершенствования качества, показателей технического уровня дизелей и снижения их эксплуатационных затрат. Единые принципы организации индикаторного процесса моделей дизелей типоразмерного ряда обеспечивают минимальные затраты при распространении положительного опыта совершенствования показателей дизелей одних групп на модели других назначений.
Вместе с тем, реализация преимуществ выпуска унифицированной дизельной продукции существенно повышает требования к качеству проектных работ, в том числе их начальных этапов, на которых формируются технические параметры моделей типоразмера. Выбор основных конструктивных решений, показателей и принципов организации индикаторного процесса требуют подходов, обеспечивающих достижение прогрессивного уровня технико-экономических показателей для моделей различного назначения и уровня форсирования. Поэтому и в отношении одного из важнейших технико-экономических показателей - топливной экономичности целесообразно комплексное использование экспериментальных методов и расчетного анализа индикаторного процесса, дающего возможность оценить степень совершенства и пути его улучшения.
В материале статьи освещены результаты исследования индикаторного процесса высокооборотных дизелей типоразмера ЧН16,5/18,5 при их форсировании по среднему эффективному давлению до 1,8-4-2,0 МПа. Установлены закономерности взаимосвязи характеристики тепловыделения, являющейся комплексным критерием уровня совершенства индикаторного процесса, и индикаторного кпд h i с использованием метода профессора Д.Д. Матиевского [1, 2]. Положенный в основу метода дифференцированный анализ влияния на h i несвоевременности, неполноты сгорания топлива и потерь в стенки деталей КС позволил конкретизировать содержание конструкторско-технологического цикла работ по созданию форсированных дизелей типоразмера.

8ЧН16,5/18,5 (п=1500 мин"1) по Pme на
показатели тепловыделения в цилиндре

Рис. 1,б. Изменение показателей тепловыделения по формуле И.И. Вибе при форсировании дизеля 8ЧН16,5/18,5 (n=1500 мин-1) по Рme: D,O, jon=26,24,23° п.к.в. до ВМТ

Высокая конкурентоспособность выпускаемых на ОАО “Дизельпром” (г. Чебоксары) высокооборотных дизелей 6,-8ЧН16,5/18,5 мощностью 300¸ 600 кВт в сравнении с лучшими отечественными аналогами по топливной, масляной экономичности и ресурсным показателям, а со среднеоборотными моделями - по удельным массовым и габаритным показателям [3] обосновывает актуальность работ предприятия по расширению их мощностного диапазона до 800¸ 900 кВт. Последнее связано с форсированием дизелей типоразмера по среднему эффективному давлению до Рme=1,8¸ 2,0 МПа. Исследованиями напряженного и деформированного состояния деталей цилиндро-поршневой группы, кривошипно-шатунного механизма подтверждены запасы прочности, необходимые для надежной эксплуатации при перспективном форсировании [4]. Пути реализации эффективного индикаторного процесса при одноступенчатой системе наддува дизелей типоразмера решены на примере промышленной модели дизеля 8ЧН16,5/18,5 с уровнем Рme на режимах номинальной и полной (кратковременной мощности) при n=1500 мин-1 соответственно 1,77 и 1,97 МПа [5].
Исследование характеристики тепловыделения в относительной и абсолютной формах ее представления, полученной на основе экспериментальных индикаторных диаграмм, дало следующие результаты. Увеличение Рme сопровождается интенсивным снижением кинетической составляющей тепловыделения ХI в цилиндре дизеля с 0,25 при Рme =1,0 МПа до 0,08¸ 0,04 для диапазона Рme ³ 1,5 Мпа (рис. 1а). Для высокооборотных дизелей со средним уровнем форсирования по среднему эффективному давлению Pme=1,1¸ 1,4 МПа именно начальная фаза тепловыделения, характеризующая динамику индикаторного процесса, формирует высокие показатели топливной экономичности [6]. Поэтому ее снижение по мере форсирования дизеля должно быть компенсировано повышением интенсивности последующих стадий тепловыделения. Однако интенсивность тепловыделения в основной фазе диффузионного сгорания (dXII/dj )max, определяющую уровень топливной экономичности индикаторного процесса, также характеризует устойчивая тенденция снижения с 0,045 до 0,03° п.к.в.-1. Основная причина, как показывает выполненный анализ с использованием метода И.И. Вибе [7], связана с увеличением продолжительности сгорания. Условная продолжительность сгорания j z увеличилась с 75 до 105° п.к.в. соответственно при повышении Рme с 0,9 до 2,05 МПа (угол опережения подачи топлива j оп=23° п.к.в.). Формфактор сгорания m, возрастая в диапазоне средних нагрузок, для Рme >1,5 МПа стабилизируется при всех исследованных значениях фазы (угла) опережения подачи топлива (рис. 16). Автомодельный характер тепловыделения в цилиндре дизеля при повышении Рme сверх 1,4 МПа, как в отношении изменения нагрузочного режима, так и фазы опережения подачи топлива j оп подтверждают данные рис. 2, что хорошо согласуется с результатами исследований [8]. Единая для диапазона Рme=1,4+2,0 МПа зависимость характеристики абсолютного тепловыделения Q.=f(j ) наблюдается приблизительно до 18¸ 20° п.к.в. от момента начала видимого сгорания j нвг (рис. 2а).

Различия в протекании конечной фазы тепловыделения объясняются увеличением продолжительности сгорания увеличенных цикловых порций топлива по мере роста Рme. Установленная закономерность Q=f(j ) в диапазоне Pme=1,4¸ 2,0 МПа сопровождается стабилизацией величины периода индукции воспламенения топлива, а также продолжительности периода от j нвг до достижения максимального давления сгорания (j нвг -j Pmax ) » 16° п.к.в. В результате количество теплоты Qpmax, выделяющейся к моменту достижения Рmax на форсированных режимах работы дизеля, сохраняется неизменным. Как следствие, по мере увеличения Рmе значения λ снижаются, что и зафиксировано экспериментально.
Характерно, что зависимость Q=f(j ) аналогично не претерпевает изменений в функции угла опережения подачи топлива j оп (рис. 26). Влияние изменения j оп , не нарушая закономерность Q=f(j ), выражается в фазовых смещениях характеристики тепловыделения. В графической интерпретации влияние формы Q=f(j ) на h i, согласно работам Б.С. Стечкина [9], И.В. Болдырева [10] связывается с изменением площади под кривой тепловыделения и расстоянием ее центра тяжести до ВМТ (ах). Фазовое смещение характеристики Q=f(j ) при сохранении ее формы вызывает взаимосвязанное противоположное по характеру изменение λ и ах. Поэтому возможности совершенствования индикаторного процесса при штатной комплектации топливоподающей аппаратуры практически исчерпаны.
Пути повышения ηi для форсированных моделей ЧН16,5/18,5 связаны с изменением характера тепловыделения в цилиндре. Исследованиями К. Циннера [11], Н.Н. Иванченко, Б.Н. Семенова [12] и других ученых доказано, что при условии Pmax=const форма закона тепловыделения в цилиндре форсированного дизеля практически не влияет на индикаторные показатели. Превалирующим фактором воздействия на ηi является продолжительность процесса выделения теплоты в цилиндре дизеля. Следовательно, совершенствование индикаторного процесса форсированных дизелей типоразмера ЧН 16,5/18,5 связано, главным образом, с мероприятиями по повышению интенсивности сгорания повышенных цикловых подач топлива в направлении сокращения φz.
Для подтверждения выводов качественного анализа с использованием методического подхода Д.Д. Матиевского [1, 2] выполнены количественные оценки взаимосвязи ηi и Χ=f(j ). Связь индикаторного КПД цикла дизеля с интегральными и дифференциальными характеристиками тепловыделения, отвода теплоты и местом из развития в цикле выражено в форме зависимости

h i=1-ΔΧнп-d э-d нс-d w. (1)

Соответственно, ΔΧнп выражает коэффициент неполноты ввода теплоты; d э ,d нс ,-d w , - коэффициенты неиспользования теплоты в эталонном цикле от несвоевременности ввода и по причине отвода теплоты:

Рис. 3 Взаимосвязь характеристики тепловыделения в цилиндре дизеля 8ЧН16,5/18,5 с динамикой формирования h i по методу Д. Д. Матиевского
X,D ,O Рme=2,06; 1,83; 1,70; 1,43 МПа(n= 1500 мин-1

За эталонный цикл принят цикл с мгновенным выделением теплоты 1-ΔΧнп в ВМТ при e n = e o=e max. Изменяя предел суммирования коэффициентов в выражении (2), осуществляется расчет динамики формирования h in=f(φ) во времени развития цикла. Как свидетельствуют полученные результаты, для дизеля ЧН16,5/18,5 (рис. 3) формирование интегрального значения ηi практически заканчивается к 50° п.к.в. после ВМТ, что с приемлемой для практики достоверностью позволяет ограничить анализ рассмотрением указанного диапазона развития индикаторного процесса. Сопоставление зависимостей h i=f(φ) и X=f(j ) в исследованном диапазоне Рme свидетельствует о наличии между ними устойчивой корреляции. Снижение h i , с 0,455 до 0,42 по мере форсирования дизеля пропорционально уменьшению X с 0,92 до 0,86. На данном основании при анализе статей преобразования теплоты в цикле дизеля целесообразно исключить влияние различий в долях теплоты, выделяющихся к моменту φ=50° п.к.в. после ВМТ. Результаты расчета по зависимости (1),

Рис. 4. Динамика баланса преобразования теплоты в цилиндре дизеля 8ЧН16,5/18,5 по методу Д, Д. Магиевского:
X,D ,O Рme=2,06; 1,83; 1,70; 1,43 МПа(n= 1500 мин-1)
______________e -13,5______________e -13,5
_______________e =17,3

преобразованной к виду

h i/(1 –ΔΧнп)=1 -d э/(1 - ΔΧнп)- d нс/(1 - ΔΧнп)- d w/(1- ΔΧнп) (3)

показывают, что соотношение статей баланса не претерпевает изменений при увеличении Рme (рис. 4). Следовательно, уменьшение h i, с ростом Рme объясняется снижением общей доли выделяющейся в цикле теплоты к характерному моменту цикла. Для сохранения топливной экономичности дизеля на форсированных режимах необходимо сократить продолжительность процесса тепловыделения, повысив его интенсивность. При этом дополнительный эффект повышения h i дает реализация низкой динамики индикаторного процесса. Снижение степени повышения давления при сгорании топлива λ при ограничении Pmax позволяет повысить e , тем самым снизив наиболее значительную составляющую потерь теплоты в эталонном цикле d э. При увеличении e с 13,5 ед. до 15 и 17,8 ед. величина d э снижется соответственно с 0,35 до 0,30 и 0,24.

Одним из наиболее эффективных методов воздействия на Q=f(j ) является повышение давления впрыскивания топлива в цилиндр Рвпр. Сопутствующее ему повышение интенсивности тепловыделения сокращает продолжительность сгорания, повышает динамику индикаторного процесса и h i. Смещение j нвг κ ΒΜΤ в сочетании с оптимизацией конструктивных и регулировочных параметров топливной форсунки позволяет улучшить h i , не расширяя диапазона ограничения по Рmax. На практике часто используется компромиссная реализация одновременного частичного снижения удельного эффективного расхода топлива bе и улучшения показателей эмиссии ΝΟx в ОГ дизелей. Применительно к форсированным дизелеям типоразмера ЧН16,51/18,5 данный метод позволяет улучшить bе на 4 г/(кВт-ч) при одновременном -35% снижении с 11,6 до 7,4 г/(кВтч). При этом впрыск топлива в цилиндр дизеля осуществляется за 4° п.к.в. до ВМТ, а начало видимого сгорания смещается на отметку 1,5° п.к.в. после ВМТ. В результате, для объектовых условий работы дизеля 8ЧН16,5/18,5 (сопротивление на входе воздуха в компрессор ΔΗΒΠ=3 кПа, сопротивление на выход газов из турбины D HВЫП=8 кПа), форсированного до Рme=1,8¸ 2,0 МПа при ограничении Рmax=13 МПа, достигнут удельный эффективный расход топлива 212 г/(кВтч). Приведенный по ISO/I be составил 205 г/(кВтч) при уровне удельных выбросов окислов азота =7,5 г/(кВт× ч).
Результаты выполненного комплексного экспериментально-расчетного исследования явились обоснованием для последующего решения принципиальных вопросов расширения мощностного ряда дизелей типоразмера ЧН16,5/18,5 до Рme=1,8¸ 2,0 МПа с сохранением высоких показателей экономичности индикаторного процесса и ограничения эмиссии ΝΟx в ОГ. Реализованный подход к исследованию параметров индикаторного процесса дизелей типоразмера позволил обосновать резервы и пути дальнейшего комплексного совершенствования показателей дизелей типоразмера.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Матиевский Д.Д. Использования уравнения связи индикаторного КПД с характеристиками подвода и отвода тепла при анализе и синтезе индикаторной диаграммы //Двигателестроение. - 1979.- № 11.- С. 12-14.
  2. Матиевский Д.Д. Метод анализа индикаторного КПД рабочего цикла дизеля // Двигателестроение. -1984.- № 6.- С. 7-11.
  3. Лебедев С.В., Нечаев Л.В. Совершенствование показателей высокооборотных дизелей унифицированного типоразмера / Академия транспорта РФ, АлтГТУ им. И. И. Ползунова. - Барнаул: Изд.-во АлтГТУ, 1999. - 112 с.
  4. Лебедев С.В., Родин А.Ф. Оценка запасов прочности при форсировании дизелей 6-8ЧН16,5/18,5 // Двигателестроение. - 1998.- № 3- С. 15-21.
  5. Лебедев СВ. Совершенствование показателей индикаторного процесса дизелей ЧН116,5/18,5 при форсировании до Рme = 1,8¸ 2,0 МПа // Двигателестроение. -1999.-№ 4.
  6. Портнов Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. - М.: Машиностроение, 1963. - 638 с.
  7. Вибе И.И. Новое о рабочем цикле двигателей. - Свердловск: Машгиз, 1962. -272 с.
  8. Соколов С.С, Власов Л.И. Ограничения пределов повышения ре у четырехтактного дизеля с наддувом, налагаемые процессами смесеобразования и сгорания // Труды ЦНИДИ.- 1977.- Вып. 72.-С. 49-53.
  9. Стечкин Б.С. О коэффициенте полезного действия идеального цикла быстрого сгорания при конечной скорости выделения тепла // Теория, конструкция, расчет и испытания двигателей внутреннего сгорания. - Труды лаборатории двигателей АН СССР. - М.: АН СССР- 1960.- Вып. 5.- С. 61-67.
  10. Болдырев И.В., Смирнова Т.Н. Влияние формы закона сгорания на индикаторные показатели цикла // Двигателестроение. -1981,- №1.- С. 13-15.
    11.
  11. Zinner К. Einige Ergebniss realer Keisprozessrechnungen uber die Beeinflussungsmoglichkeiten des Wirkungsgrades von Dieselmotoren // MTZ.-1970.- Bd.31.- Hi 6.- S. 243-246.
  12. Семенов Б.Η., Иванченко Η.Η. Задачи повышения топливной экономичности дизелей и пути их решения // Двигателестроение. - 1990.-№11.- С. 3-7.