Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Оптимизация среднеоборотного дизеля с наддувом при ограничении максимального давления цикла.

# 01, январь 2010
автор: Орехов С. Н.

УДК 621. 436. 054

 

Расчетным режимом для характеристик транспортного дизеля с наддувом является режим номинальной мощности. Оптимизация рабочего цикла на этом режиме заключается в определении параметров над­дува и в управлении рабочим процессом дизеля, в наилучшем использовании энергии его выпускных газов, при которых обеспечивается получение заданной мощности двигателя при определенных ограничениях. Для транспортных двигателей оптимальные параметры номинального режима выбирают такими, чтобы при работе на дробных режимах  двигатель обладал хорошими показателями.

Задача оптимизации рабочего цикла, принимая в качестве критерия оптимальности наименьший расход топлива, сводится к получению  оптимальных величин следующих параметров:

1)        коэффициента избытка воздуха –α;

2)        степени сжатия дизеля - ε;

3)        степени повышения давления воздуха в компрессоре -πк;

4)        температуры поступающего в дизель воздуха- Тint;

5)        отношения давления наддува к давлению на входе в турбину -      Рintg1

         За основной критерий оптимальности  на номинальном режиме принимают удельный эффективный расход топлива b. В качестве ограничения типа равенства выступает максимальное давление цикла Pmax с соблюдением  дополнительных условий: обеспечение  надежного пуска и  работы двигателя на дробных режимах.

         Тенденция развития современного двигателестроения предусматривает увеличение максимального давления сгорания Рmax [1, 2].  Оптимизация рабочего цикла  проведена для  ряда значений Pmax=15,2; 17 и 21 МПа с использованием программы VIS (разработана в МГТУ им. Н. Э. Баумана).

Программа VIS выполняет моделирование действитель­ных термодинамических процессов в цилиндре ДВС, в турбине и компрессоре, во впускной и выпускной системах. В результате моделирования определяются индикаторный и эффективный кпд, расходы топлива и воздуха, работа насосных ходов и другие показатели эффективности двигателя.

В математической модели реализован термодинамический метод, в котором пространство ци­линдра поршневого двигателя, трубопроводов и ресиверов его систем впуска и выпуска рассмат­ривают в общем случае как открытую термодинамическую систему, состав рабочей газовой смеси которой непрерывно изменяется (процессы сгорания и газообмена), и как закрытую термодинамическую систему в процес­сах сжатия и расширения.

В качестве варьируемых параметров в данной задаче используются давление во впускном коллекторе Рint. и угол опережения впрыска топлива  (УОВТ) - φовт. Степень сжатия и коэффициент избытка воздуха в такой формулировке задачи входят в перечень варьируемых параметров в виде зависимых переменных величин.

          Исследование выполнено для судового  двигателя 16 ЧН 26/26 производства ОАО «Коломенский завод», со следующими  параметрами двигателя на номинальном режиме: среднее эффективное  давление  - Рme=1,88 МПа (получено без устройств регулирования системы турбонаддува) при  частоте вращения коленчатого  вала (КВ)  n=1000 об/мин.  В перечне исходных данных использованы результаты испытаний двигателя и его агрегатов (турбокомпрессор, охладитель наддувочного воздуха и др.) на стендах завода.

В результате оптимизации рабочего цикла на номинальном режиме при ограничении Pmax=15,2 МПа в первом приближении (φовт=220 поворота КВ) получены зависимости  b и e  от давления Рint.  Оптимум b достигается при давлении Рint=0,39 МПа, этому значению соответствует степень сжатия ε =10. Далее для этих значений Рint и ε выполнялись расчеты  при изменении УОВТ.

По такой же схеме, используя  оптимальные параметры предыдущего расчета, выполнялось второе приближение, результаты которого приведены в таблице. Результаты расчета во втором  и третьем приближении оказались практически  одинаковыми. В результате безусловной оптимизации получены окончательные параметры двигателя: Рint =0,39 МПа  и ε=10,4, остальные параметры приведены в  таблице.

Из практики конструирования двигателей ЧН 26/26 известно, что для обеспечения надежного  пуска и улучшения  параметров  работы  двигателя на дробных режимах, необходима степень сжатия, превышающая полученную в результате оптимизации ε=10,4.

Pmax,

МПа

Pint,

МПа

φовт,

0п.к.в.

b,

г/кВт.ч

ηi

ε

α

Tg1,

K

15,2

0,39

5

217

0,433

13,5

2,41

844

15,2

0,36

7

215

0,424

13,5

2,27

860

15,2

0,33

12

215

0,421

13,5

2,09

890

18

0,39

20

208

0,451

12,2

2,52

793

18

0,39

12

208

0,454

13,5

2,41

844

21

0,39

20

203

0,459

14,1

2,53

775

21

0,39

15

203

0,459

15

2,54

772

21

0,39

10

204

0,456

16

2,52

780

Рк, МПа

 

Рк, МПа

 

В результате моделирования цикла получено, что зависимость удельного эффективного расхода топлива от давления наддува при постоянном  УОВТ имеет не четко выраженный экстремум. Так при давлении Рint равным 0,36 и 0,39 МПа  значения эффективного расхода топлива мало отличаются друг от друга. Далее выполнен  численный эксперимент для степени сжатия в цилиндре e=13,5 (как у двигателя-прототипа)  при различных давлениях Рint: 0,33, 0,36 и  0,39 МПа при ограничении Рmax ≤ 15,2 МПа.

          Результаты эксперимента, приведенные на рисунках 1, 2 и  в таблице,  показывают,  что для  удовлетворения условиям Pmax=15,2 и e=13,5  при Pint = 0,39 МПа  необходимо уменьшать УОВТ до значения φовт=50 поворота КВ. При этом удельный эффективный расход топлива составил b=217г/кВт.ч).

При давлении Рint=0,36 МПа необходимо увеличить УОВТ до φовт=70 поворота КВ, чтобы сохранить уровень максимального давления цикла, при этом эффективный расход топлива составит  b=214,7г/(кВт.ч). Однако, из-за снижения Рint  значение a уменьшается на 6 %, следствием этого является небольшой рост температуры газа перед турбиной.

Рис. 1. Зависимость удельного эффективного расхода топлива b и коэффициента избытка воздуха a от угла опережения впрыска топлива .

Рис. 2 Зависимость температуры газов перед турбиной Tg и максимального давления сгорания Рmax  от угла опережения впрыска топлива.

Расчет номинального режима работы двигателя с параметрами как у прототипа: Pmax = 15,2 МПа, Рint = 0,33 МПа, e=13,5 показал хорошую сходимость результатов с опытными данными (полное совпадение по УОПТ и коэффициенту избытка воздуха, отличие расхода топлива менее 0,5%, температуры газа не более 3%). Из анализа таблицы видно, что расход топлива не изменился по сравнению с предыдущим режимом, однако в связи со снижением максимального давления цикла,  появилась возможность увеличить угол опережения подачи топлива на 5°п.к.в.

Полученные зависимости показывают, что с увеличением наддува параметры двигателя улучшаются. Особенно заметен прирост топливной экономичности при изменении давления с 0,33 до 0,36 МПа. Однако,  ограничение максимального давления цикла может свести к минимуму преимущества  высокого наддува. Так при Рint =0,33 МПа  увеличение  Рmax до 17,5 МПа с оптимальным УОВТ позволит уменьшить удельный эффективный расход топлива на 6 г/кВт.ч по сравнению с режимом, имеющим ограничение Рmax=15,2 МПа.  

Таким же образом были исследованы номинальные режимы работы двигателя при ограничении максимального давления цикла Pmax=18 и 21МПа.

При исследовании номинального режима работы двигателя с ограничением максимального давления сгорания Pmax=18 МПа были получены оптимальные параметры, приведенные в таблице.  Увеличение  Pmax с 15,2 до 18 МПа при оптимальных параметрах наддува и УОВТ дает снижение расхода топлива до 5 г/кВт.ч. Расчет номинального режима со степенью сжатия ε=13,5 (условие ограничения по Pmax =18 МПа) показал, что УОВТ следует  уменьшить до 12 0, при этом расход топлива оказался практически таким же как на предыдущем номинальном режиме. В этом случае негативное влияние отклонения УОВТ от оптимального компенсируется увеличением индикаторного кпд за счет  увеличения степени сжатия.

Дальнейшее увеличение  Pmax до 21 МПа  при оптимальных значениях степени сжатия ε=14,1, УОВТ=200  и других параметров, приведенных в таблице,  приводит к снижению расхода топлива. Дополнительно были выполнены численные эксперименты с увеличенными значениями степени сжатия ε=15 и ε=16. Основные результаты расчетов, приведенные в таблице показывают, что для выполнения ограничения  Pmax=21 МПа приходится уменьшать УОВТ по сравнению с оптимальным по расходу топлива. Так  для степени сжатия ε=15 УОВТ=150, а для ε=16  УОВТ=100. Сравнение исследуемых режимов показало, что показатели  работы двигателя мало изменяются при степени сжатия ε=14,1 и 15. Малое изменение параметров работы двигателя с ε=15 МПа  по сравнению с оптимальным режимом с ε=14,1 МПа достигнуто за счет индикаторного КПД, который увеличивается с ростом степени сжатия и компенсирует ухудшение экономичности при отклонении УОВТ от номинального значения. При дальнейшем увеличении  ε до 16 МПа рост индикаторного КПД замедляется, и  он  не компенсирует в полной мере  ухудшения топливной экономичности, которая   происходит за счет отклонения (уменьшения)   УОВТ от оптимального значения.  Поскольку параметры двигателя при ε=15 мало отличаются от параметров при ε=14,1, а степень сжатия выше, то в качестве оптимального выбирается режим с ε=15.

            На рисунке 3 приведено сравнение  выбранных оптимальных режимов :

 Pmax =15,2 МПа, ε=13,5, φовт=120, Рint=0,33 МПа;

 Pmax =18 МПа, ε=13,5, φовт=120, Рint=0,39 МПа;

 Pmax =21 МПа, ε=15, φовт=150, Рint=0,39 МПа.

 Из анализа рис. 3, видно, что увеличение максимального давления сгорания позволяет повысить степень сжатия и экономичность двигателя.

Рис. 3. Зависимость степени сжатия двигателя ε и удельного эффективного расхода топлива b от угла опережения впрыска топлива.

Из проведенного анализа можно сделать некоторые выводы:

-  Повышение максимального давления цикла позволяет увеличить общую степень сжатия, а следовательно степень сжатия в цилиндре двигателя и давление наддува. Эти мероприятия, как показал численный эксперимент, позволяют улучшить эксплуатационные характеристики двигателя.

- Выбранные на заводе параметры двигателя  с ограничением Pmax=15,2 МПа, (Pint=0,33 МПа, ε=13,5 и др.) являются оптимальными.

- Для режима работы двигателя с ограничением Pmax=18 МПа рекомендуются следующие параметры: e=13,5, φовт=120, Pint.=0,39 МПа.

- Для режима двигателя с ограничением Pmax=21 МПа – рекомендуются следующие параметры  e=15, φовт=150,. Pint =0,39 МПа.

 

 

Литература.

1.                        Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания»/ Под ред. А. С. Орлина,  М. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983. 372 с.

2.                        Конкс Г. А., Лашко В. А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта. М.: Машиностроение, 2005. 512 с.

3.      Иващенко Н. А., Ивин В. И. Термодинамическая оптимизация двигателя внутреннего сгорания в курсовых и дипломных работах и проектах. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1999. 32 с.

4. Моисеев Н. М., Иванилов Ю. Л., Столярова Ю. М. Методы оптимизации: Учебное пособие. М.: Наука, 1978. 351 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)