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

Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания

# 08, август 2012
DOI: 10.7463/0812.0475919
Файл статьи: Самойленко_P.pdf (478.57Кб)
автор: Самойленко А. Ю.

УДК 621.431.74

Россия, Новороссийск, ФГБОУ ВПО "Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова"

say-nvrsk@yandex.ru

 

Введение

Известные методы теоретического и практического анализа и синтеза циклов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) базируются исключительно на термодинамических представлениях о цикле. Этим методам посвящено огромное число  работ теоретического и практического характера, перечислить которые в рамках статьи не представляется возможным. Достаточно указать на ставшую классической в данной области работу отечественных ученых [1]. 

Как известно,  в теории тепловых двигателей в качестве термодинамического эталона рассматривается цикл Карно. Менее известен в этом качестве регенеративный цикл, например, цикл Стирлинга [2]. В тоже время, когда речь идет о цикле ДВС,  и, в частности, о  судовых дизелях, эти эталоны практически не рассматриваются, поскольку они весьма далеки по составу и характеру процессов от реального цикла ДВС. B практических расчетах и  теоретических исследованиях анализ циклов ДВС ограничен, как правило,  вариациями от цикла с изохорным, до цикла с изобарным подводом тепла и их комбинацией, что подробно рассмотрено в той же работе [1] или, например, в работе [3].

Кроме этого, в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) процессы изменения объема цилиндра и давления газов протекают не ступенчато, а плавно в функции угла  φ  поворота коленчатого вала (ПКВ) двигателя. В итоге это существенно изменяет вид реальных циклов, по сравнению с рассматриваемыми в теории.

В данной работе  сделана попытка устранить эти противоречия и  предложить цикл, который мог бы использоваться в качестве эталонного цикла ДВС, как альтернативы известным эталонам. Дальнейшее изложение материала статьи базируется на  данных, полученных автором на  дизелях морских судов. Однако никаких принципиальных ограничений по применению полученных результатов к другим разновидностям  ДВС, с традиционной конструкцией КШМ, автор не усматривает.

 

Метод исследования

Для решения этой задачи, в отличие от традиционных методов, цикл дизеля анализируется автором не в функции объема, а в функции угла ПКВ, с использованием методов гармонического анализа. При рассмотрении цикла двигателя в функции угла  ПКВ, как периодически повторяющегося процесса, его развернутая индикаторная диаграмма р(φ) представлена суммой гармоник  k с амплитудами  Pimax  начальными фазами  φi, отсчитываемыми относительно положения верхней мертвой точки, и некоторой постоянной составляющей ро

,                                  (1)

где i=1, 2, 3… - номер гармоники. Частота первой гармоники равна частоте вращения коленчатого вала двигателя.

В качестве примера на рис. 1 представлена развернутая индикаторная диаграмма судового высокооборотного дизеля  4L20, с частотой вращения 900 1/мин, а также компоненты ее разложения на гармоники в соответствии с выражением (1).

 

 

Рис. 1 Исходная индикаторная диаграмма и ее компоненты разложения: 1- первая гармоника; 1, 2 – сумма первых двух гармоник; 1…6 - сумма первых 6 гармоник

 

Роль гармоник в индикаторной диаграмме

При таком представлении развиваемое в цикле дизеля среднее индикаторное давление рmi, как показано автором в работе  [4], определяется выражением

,                          (2)

где P1max и φ1 – амплитуда и начальная фаза первой гармоники;

       P2max и φ2 – амплитуда и начальная фаза второй гармоники;

       λ- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна двигателя, характеризующее КШМ.

Из выражения (2) следует, что среднее индикаторное давление, то есть полезный эффект от  работы двигателя, создается только первыми двумя гармониками. В работе [5] автором данной статьи доказано, что кроме первой гармоники в рmi теоретически вносят  вклад все четные гармоники. Однако, начиная с 4-й гармоники их суммарный вклад незначителен, не превышает 1 %, и его можно не учитывать.

Из выражения (2) напрашивается естественный вывод - поскольку гармоники, начиная с третьей,  с позиции получения рmi  бесполезны, то цикл дизеля целесообразно организовать так, чтобы он содержал только первые две гармоники.

 Третья и более высокие гармоники не просто бесполезны с точки зрения выработки pmi, но и в определенной степени вредны. Так, одним из основных параметров механической напряженности судового дизеля является максимальное давление его цикла Рmax. По данному параметру конструкции современных судовых дизелей приблизились к пределу прочности применяемых конструкционных материалов. Это является сдерживающим фактором на пути дальнейшего форсирования дизелей, в частности – повышения развиваемого в цилиндре среднего индикаторного давления pmi.   Третья и более высокие гармоники не дающие  вклада в среднее индикаторное давление, тем не менее, вносят существенный вклад в максимальное давление. Это наглядно видно на рис. 1, где максимальное давление суммы первых двух гармоник составляет примерно 92 бара, а для суммы первых шести гармоник оно возрастает уже до 128 бар.

 

Цикл ДВС из двух гармоник

Исходя из вышеизложенного, на рис. 2 приведено сравнение двух индикаторных диаграмм судового малооборотного дизеля (МОД) – исходной, полученной на реальном двигателе, и синтезированной из ее двух первых гармоник. Для упрощения реализации синтезированная диаграмма, по сравнению с диаграммой, показанной на рис. 1 обнулена в своих окончаниях.

 

 

Рис. 2. Индикаторная диаграмма МОД, исходная (а)  и синтезированная из двух гармоник (б), развернутая (1) и нормальная (2)

 

Исходная диаграмма МОД имеет показатели: рmi  = 13.6 бар,   Pmax  = 105 бар. Показатели синтезированной диаграммы:  рmi  = 14.6 бар, а  Pmax = 76 бар.

Таким образом, при примерно одинаковых средних индикаторных давлениях, у синтезированной диаграммы выигрыш по максимальному давлению цикла очевиден. Заметим также, что в  цикле с двумя гармониками работа поршнем при его движении в цилиндре совершается более равномерно. В то же время у исходной диаграммы (рис. 2, нормальная диаграмма) по мере удаления поршня от верхней мертвой точки производимая им работа на единицу пути сильно уменьшается.

 

Цикл ДВС в виде первой гармоники

Обработка многочисленных реальных индикаторных диаграмм  показывает, что произведения P1maxsinφ1 и P2maxsinφ2, входящие в выражение (2), примерно равны по величине, отличаясь не более чем на 10 %. Поэтому, относительный вклад второй гармоники в рmi фактически определяется коэффициентом λ/2 формулы (2). Для λ=0,2…0,47 этот вклад составляет соответственно 0,1…0,235, что существенно меньше  вклада первой гармоники. Большие значения соответствуют длинноходовым МОД, меньшие – средне- и высокооборотным судовым дизелям.

В этой связи возникает вопрос – насколько полезна вторая гармоника, ведь помимо вклада в среднее индикаторное давление она также повышает Pmax. Это наглядно проявляется на рис. 1 – максимальное давление суммы первых двух гармоник существенно выше максимума первой гармоники. Поэтому важно выяснить, что сильнее возрастает  при использовании второй гармоники - среднее индикаторное давление или максимальное давление.

Исследование, проведенное автором в работе [6], показало, что при условии постоянства  рmi  по сравнению с циклом из одной первой гармоники  введение второй гармоники увеличивает Pmax на 0…15 % в диапазоне изменения λ=0,5…0,2. При этом для длинноходовых судовых МОД, у которых λ приближается к теоретическому пределу 0,5, практически нет разницы в значениях Pmax, полученных для циклов, содержащих только одну первую гармонику или  первые две гармоники. Для двигателей же с более низкими значениями λ, а это судовые средне- и высокооборотные дизели, с позиции снижения Pmax теоретически более выгодным является цикл с одной первой гармоникой. В этом случае выражение (2) примет вид

.                                 (3)

Индикаторные диаграммы двухтактного дизеля для этого случая показаны на рис. 3, а развернутая индикаторная диаграмма представляется выражением

.

 

 

Рис. 3. Желаемая индикаторная диаграмма дизеля в виде первой гармоники, при отсутствии (1) и наличии (2) топливоподачи, развернутая (а) и нормальная (б)

 

В отсутствие топливоподачи (рис. 3, кривая а,1) цикл дизеля  представляет собою косинусоиду, симметричную относительно верхней мертвой точки, при этом  ее начальный фазовый сдвиг φ1=0. Вследствие этого и среднее индикаторное давление, в соответствии с выражением (3), равно нулю. При наличии топливоподачи, за счет горения топлива косинусоида смещается в сторону процесса расширения на величину фазового угла  φ1 (рис. 3, кривая а, 2). Это, а также некоторое увеличение Pmax, и обеспечивают  ненулевое значение среднего индикаторного давления. В функции объема цилиндра индикаторная диаграмма при наличии топливоподачи приобретает форму эллипса (рис. 3, б),  вырождающегося в прямую линию при отключении топливоподачи.  Обработка диаграмм,  в том числе представленной на рис. 1, показывает, что  в современных конструкциях судовых дизелей на нагрузках, близких к номинальным, фазовый сдвиг первой гармоники находится в диапазоне φ1=12…14  0ПКВ.

 

Преимущества, новизна предложенных эталонных циклов

Представленные на рис. 2 и рис. 3  диаграммы в виде двух или одной гармоник могут использоваться в качестве  эталонных циклов дизеля, являясь альтернативой традиционным эталонам. Они обеспечивают наименьшее возможное значение максимального давления в цикле при заданном среднем индикаторном давлении, более низкие максимальные температуры цикла и, как следствие, снижение вредных выбросов (оксидов азота и др.),  более благоприятные условия работы подшипников. Если цикл состоит только из  первой гармоники, давление в цилиндре дизеля изменяется плавно, по синусоиде, как  в цикле Стирлинга [2]. Это косвенно указывает на определенную  общность процессов получения рmiв ДВС и в двигателе Стирлинга.

Тенденция  к применению более сглаженной формы индикаторной диаграммы подтверждается практикой современного судового дизелестроения [7]. В качестве примера  на рис. 4 показана индикаторная диаграмма  судового малооборотного дизеля с электронным управлением типа 6SME-C фирмы MANB&W. на режиме с уменьшенным количеством выбросов оксидов азота. Ее спектральный анализ  (рис. 5) показывает существенное снижение доли высших гармоник и на этом фоне усиление первых двух гармоник.

 

 

Рис. 4. Индикаторная диаграмма МОД типа 6SME-C  на режиме с уменьшенным количеством выбросов оксидов азота,  частота вращения 91 об/мин.

 

 

Рис. 5 Спектральный состав диаграммы традиционного вида (кривая 1) и диаграммы, представленной на рис. 4 (кривая 2)

 

Заключение

Практическая  реализация предложенных эталонных циклов в виде одной или двух гармоник, безусловно, будет сопровождаться теми или иными отклонениями от желаемой формы. Важно однако отметить, что в настоящее время их реализация  принципиально возможна, в связи  с появлением нового поколения судовых дизелей - с электронным управлением. В таких двигателях электронными средствами реализуется управление подачей топлива в цилиндры, выпускными клапанами и др.  При этом возможно оперативное и гибкое формирование не только желаемого закона топливоподачи, но и процесса горения топлива, фаз газораспределения, а в конечном итоге – формы индикаторной диаграммы, как это иллюстрирует рис. 4.  Наибольшие возможности для этого имеются в мощных судовых МОД, где процессы протекают сравнительно медленно.

 

Список литературы

 

1. Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учеб. для вузов / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1983.- 372 с.

2. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: пер. с англ.- М.: Мир, 1986.- 464 с.

3.Танатар Д.Б. Судовые дизели. Теория рабочего процесса.- Л.: Морской транспорт, 1962.- 306 с.

4. Самойленко А.Ю. Определение среднего индикаторного давления на основе гармонического анализа индикаторной диаграммы дизеля // Двигателестроение.- 2004.-№ 1. - С. 17-19.

5. Самойленко А.Ю. Определение среднего индикаторного давления по параметрам гармоник развернутой индикаторной диаграммы дизеля // Сборник научных трудов НГМА.- Новороссийск: НГМА, 2005.- Вып.10.- С. 179-183.

6. Самойленко А.Ю., Шостак Н.А. Максимальное давление индикаторной диаграммы, представленной суммой гармоник // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки.- 2008.- Спец. выпуск.- С. 64-67.

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


Тематические рубрики:
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
© 2003-2020 «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)