НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

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 -π_к;

4)        температуры поступающего в дизель воздуха- Т_int;

5)        отношения давления наддува к давлению на входе в турбину -      Р_int/Р_g1

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

         Тенденция развития современного двигателестроения предусматривает увеличение максимального давления сгорания Р_max [1, 2].  Оптимизация рабочего цикла  проведена для  ряда значений P_max=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 Р_int. и угол опережения впрыска топлива  (УОВТ) - φ_овт. 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  - Р_me=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 P_max=15,2 МПа в первом приближении (φ_овт=22⁰ поворота КВ) получены зависимости  b и e  от давления Р_int.  Оптимум b достигается при давлении Р_int=0,39 МПа, этому значению соответствует степень сжатия ε =10. Далее для этих значений Р_int 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: Р_int =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.

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 Р_int 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 Р_int: 0,33, 0,36 и  0,39 МПа при ограничении Р_max ≤ 15,2 МПа.

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

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

Расчет номинального режима работы двигателя с параметрами как у прототипа: P_max = 15,2 МПа, Р_int = 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 Р_int =0,33 МПа  увеличение  Р_max до 17,5 МПа с оптимальным УОВТ позволит уменьшить удельный эффективный расход топлива на 6 г/кВт^.ч по сравнению с режимом, имеющим ограничение Р_max=15,2 МПа.  

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

При исследовании номинального режима работы двигателя с ограничением максимального давления сгорания P_max=18 МПа были получены оптимальные параметры, приведенные в таблице.  Увеличение  P_max 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 P_max =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  P_max 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  P_max=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 :

 P_max =15,2 МПа, ε=13,5, φовт=12⁰, Р_int=0,33 МПа;

 P_max =18 МПа, ε=13,5, φовт=12⁰, Р_int=0,39 МПа;

 P_max =21 МПа, ε=15, φовт=15⁰, Р_int=0,39 МПа.

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

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 P_max=15,2 МПа, (P_int=0,33 МПа, ε=13,5 и др.) являются оптимальными.

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

- Для режима двигателя с ограничением P_max=21 МПа – рекомендуются следующие параметры  e=15, φовт=15⁰,_. P_int =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.