автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Конвертация автотракторных ДВС в судовые модернизацией их системы газотурбинного наддува

На правах рукописи

Курин Максим Сергеевич

КОНВЕРТАЦИЯ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВС В СУДОВЫЕ МОДЕРНИЗАЦИЕЙ ИХ СИСТЕМЫ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА

Специальность 05.08.05 — «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006 г.

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Тутаевский филиал Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьёва", на кафедре "Технология машиностроения и ДВС".

Ведущая организация — Российский Речной Регистр

Защита состоится « 20 » декабря 2006 г. в « 15 » часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций" по адресу:

198035, г. Санкт-Петербург, Двинская улица, д.5/7, ауд. 257 .

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГОУ ВПО «СПГУВК»

Автореферат разослан " 20 " ноября 2006 г.

Научный руководитель

— кандидат технических наук, доцент Жуков Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор Тузов Леонид Васильевич

— кандидат технических наук, профессор Галышев Юрий Витальевич

Учёный секретарь

Диссертационного совета Д 223.009.04 д.т.н., профессор

Ерофеев В. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На территории Российской Федерации находится большое количество судоходных рек. Общая протяжённость речных путей составляет около 84 ООО км. В связи с этим значительная часть перевозок грузов и пассажиров осуществляется по водным путям. В качестве энергетических установок судов в подавляющем большинстве использованы дизельные двигатели моделей 6ЧСП(Н)12/14; 6,12Ч(Н)15/18; 6,8ЧСП(Н) 18/22; 12ЧСПН18/20 и др.

По имеющимся данным под надзором Российского Речного Регистра находится более 30000 судов, на которых установлено несколько десятков тысяч отечественных и импортных дизелей. Необходимо отметить, что большинство этих двигателей морально устарели и не удовлетворяют современным требованиям по надёжности, экономичности и экологическим показателям. Кроме того, значительная часть парка дизелей речного флота страны (не менее 50 %) выработали установленные заводами - изготовителями ресурсы.

Поэтому исследования по расширению спектра высокооборотных дизелей, предлагаемых отечественными дизелестроительными предприятиями в качестве судовых, являются весьма актуальными как для судостроительной промышленности, так и судоходных компаний.

Цель работы. - Разработка научно обоснованных рекомендаций по совершенствованию газотурбинного наддува при конвертации автотракторных ДВС в судовые.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо обеспечить решение следующих задач:

1. Определение возможностей и перспектив применения двигателей, выпускаемых ОАО «Тутаевский моторный завод» в качестве судовых;

2. Разработка алгоритма выбора параметров наддува с целью повышения топливной экономичности дизеля автотракторного назначения, конвертируемого в судовой;

3. Выбор предпочтительных параметров наддува для дизеля, работающего по винтовой и нагрузочной характеристикам;

4. Разработка мероприятий по модернизации систем газотурбинного наддува.

5. Разработка рекомендаций по проведению теплотехнического контроля конвертированного дизеля.

Исследования предусматривают разработку и создание необходимых лабораторных установок, а также методик, программ исследований и соответствующих инструктивных материалов для проведения эксплуатационных испытаний.

Объектом исследования является двигатель автотракторного назначения 8ЧН14/14 конвертируемый в судовой.

Предметом исследования являются параметры газотурбинного наддува двигателя автотракторного назначения, конвертируемого в судовой, совместная работа агрегата наддува и поршневой части, топливная экономичность двигателя, токсичность и дымность отработавших газов.

Методы исследования. Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на положе-

ниях теории комбинированных двигателей и численного моделирования с использованием современных компьютерных пакетов (Дизель - РК, МаШСАБ 13).

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечена непротиворечивостью полученных результатов основным положениям теории ДВС, проведением моторных испытаний на сертифицированном стенде с поверенной измерительной аппаратурой по стандартным методикам. Идентификация принятой математической модели по результатам проведённых моторных испытаний даёт положительный результат.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:

— получены функциональные зависимости, количественно характеризующие комплексное влияние температуры и давления наддувочного воздуха на показатели топливной экономичности ДВС, тепловых и механических нагрузок на детали ЦПГ, токсичности и дымностнОГ;

— разработан алгоритм многофакторного выбора предпочтительных значений температуры и давления наддувочного, воздуха для различных режимов работы ДВС с учётом ограничений в виде предельно допустимых, либо желательных значений эксплуатационных показателей, который обеспечивается предложенными конструкторскими решениями по модернизации системы газотурбинного наддува двигателя автотракторного назначения при конвертации его в судовой.

Практическая значимость.

— разработанный алгоритм применён для определения наиболее предпочтительных сочетаний температуры и давления наддувочного воздуха при работе по винтовой и нагрузочной характеристикам двигателя автотракторного назначения 8ЧН14/14, конвертированного в судовой;

— комплексная многофакторная оптимизация параметров наддува автотракторного ДВС, конвертированного в судовой, проведённая в связи с изменением режимов работы, позволяет снизить удельный эффективный расход топлива на 2,5-6%.

Па защиту выносятся:

• результаты исследования возможности применения автотракторных двигателей 8ЧН14/14, выпускаемых ОАО «Тутаевский моторный завод», в качестве судовых;

• методика оптимизации параметров наддува комбинированного двигателя;

• полученные функциональные зависимости параметров характеризующих топливную экономичность, тепловые и механические нагрузки на детали образующие камеру сгорания, а также токсичность и дымность отработавших газов от температуры и давления наддувочного воздуха на впуске в цилиндры;

• алгоритм решения системы полученных функциональных зависимостей с учётом вводимых ограничений, с целью определения предпочтительных значений параметров наддува;

• результаты исследований по определению предпочтительных значений параметров наддува при работе конвертированного двигателя по винтовой и нагрузочной характеристикам;

• результаты исследований возможностей штатной системы наддува автотракторного двигателя, конвертированного в судовой, в условиях изменившихся режимов работы;

• рекомендации по модернизации системы наддува автотракторного двигателя конвертированного в судовой.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены автором и обсуждены на заседаниях кафедры "АД" РГАТА им. П.А. Соловьёва (Рыбинск) и кафедры "ТМ и ДВС" ТФ РГАТА им. П.А. Соловьёва (Тутаев) в 2002-2006 гг.; Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», посвящённой 300-летию Санкт-Петербурга. Санкт-Петербург, 2003 г; научно-технической конференций "Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды", Рыбинск, 2004 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НТМ-2004» МАТИ Москва, 2004 г. IX Международном конгрессе двига-телестроителей, Украина, 2004 г.;6-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» - Самара, 2005г.; Международном симпозиуме «Образование через науку» МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 г. и др.

Реализация работы.

— исследования выполнены по заказу ОАО «Тутаевский моторный завод» и реализованы при конвертации двигателя 8ЧН14/14 в судовой (заключение о реализации от 27 октября 2006 г.)

— разработанная программа конструирования охладителей наддувочного воздуха используется в учебном процессе ТФ РГАТА им. П.А. Соловьёва (Акт о внедрении от 10 сентября 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных раЙот.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованных источников (включающего 121 наименование), и 6 приложений. Работа содержит 192 страницы текста, 65 рисунков и диаграмм, 3 фотографии и 14 таблиц.

В первой главе выполнен анализ парка дизелей речного флота Российской Федерации. Выполнена оценка возможности применения автотракторных двигателей 8ЧН14/14, выпускаемых ОАО «Тутаевский моторный завод», на судах. Проведён обзор эксплуатационных показателей, характеризующих уровень топливной экономичности, тепловых и механических нагрузок, а также токсичности и дымности отработавших газов. Определены значения предельно допустимых либо желательных значений данных показателей. Рассмотрено влияние температуры и давления наддувочного воздуха на параметры характеризующие уровень топливной экономичности, тепловые и механические нагрузи, а также токсичность и дымность отработавших газов.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма определения предпочтительных параметров наддува для конвертированного в судовой автотракторного двигателя. Получены функциональные зависимости эксплуатационных показателей, характеризующих уровень топливной экономичности, тепловых и механических нагрузок, а также токсичности и дымности отработавших газов от температуры и давления для исследуемого конвертированного дизеля 8ЧН14/14. Сформирована система из полученных функциональных зависимо-

стей с учётом наложенных на них ограничений в виде предельно-допустимых либо желательных значений. В результате решения системы для исследуемого дизеля на режимах винтовой и нагрузочной характеристик получены предпочтительные значения температуры и давления наддувочного воздуха. Разработана программа для проектирования охладителей наддувочного воздуха.

Третья глава посвящена стендовым исследованиям автотракторного двигателя 8ЧН14/14 на режимах, характерных для судовых ДВС. Полученные результаты, использованы для идентификации математической модели численного эксперимента. Исследовано влияние глубины охлаждения наддувочного воздуха на показатели работы конвертированного двигателя, а также возможности штатной системы наддува по обеспечению предпочтительных значений температуры и давления наддувочного воздуха, в условиях изменившихся режимов работы. Установлено, что штатная система наддува не обеспечивает соответствие фактических параметров наддува предпочтительным.

Четвертая глава посвящена разработке рекомендаций по модернизации системы наддува с целью обеспечения предпочтительных значений параметров наддува. Представлена схема системы автоматического управления параметрами наддува. Разработан клапан перепуска наддувочного воздуха мимо ОНВ. Разработаны мероприятия по проведению теплотехнического контроля конвертированного двигателя.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Анализ парка судов речного флота Российской Федерации показал, что наиболее распространёнными являются дизели средней и высокой оборотистости. Значительная часть двигателей морально устарели, либо выработали ресурс» установленный заводами-изготовителями.

В качестве альтернативы им могут выступать современные автотракторные двигатели. Так, в частности, рассматривается возможность использования в качестве судовых, двигателей 8ЧН14/14 модели ЯМЗ-8481 (семейство ЯМЗ-840), выпускаемых ОАО «ТМЗ». При конвертации автотракторного двигателя в судовой необходимо, прежде всего, привести его конструкцию к требованиям Речного Регистра. В числе основных конструктивных мероприятий, необходимых для внедрения двигателей модели 8481 на флоте, можно отметить:

— Оснащение двигателя двухконтурной жидкостной системой охлаждения с заменой водо-воздушного радиатора системы охлаждения водо-водяным холодильником. Для двигателей, используемых в качестве аварийных, данная модернизация не требуется.

- Проведение модернизацию системы газотурбинного наддува путем установки термометров наддувочного воздуха и краников для спуска конденсата с целью удовлетворения требований Правил Регистра.

В условиях конвертации автотракторных двигателей в судовые значительно изменяются их эксплуатационные режимы. Наряду с параметрами топ-ливоподачи на технико-экономические показатели определяющее влияние оказывают давление и температура наддувочного воздуха. При конвертации двигателя представляют интерес предпочтительные параметры наддува, под которыми понимаются такие значения давления и температуры наддувочного воздуха на рассматриваемом режиме, которые обеспечивают наименьший из возможных расход топлива, при условии выполнения норм по токсичности и дымности

отработавших газов и приемлемый уровень тепловых и механических нагрузок на детали двигателя.

Разработка алгоритма определения предпочтительных значений параметров наддувочного воздуха для режимов работы конвертированного двигателя Для поиска предпочтительных значений давления и температуры наддувочного воздуха используется следующий алгоритм. На первом этапе определяются эксплуатационные показатели двигателя и вводятся их обоснованные ограничения. Показателем топливной экономичности является удельный эффективный расход топлива ge. Уровень механических нагрузок на детали кри-вошипно-шатунного механизма характеризуется максимальным давлением цикла р2 и максимальной скоростью нарастания давления в процессе сгорания (с1р/(1ф)тах . Для оценки теплонапряжённости деталей, образующих камеру сгорания наиболее широкое применение получил параметр qп , предложенный Костиным А.К. Параметром определяющим надёжность работы турбины турбокомпрессора является температура отработавших газов на её входе Т,. Экологические показатели работы, согласно стандартам, характеризуются удельными выбросами окиси углерода СО, окислов азота Ж)х, несгоревших углеводородов СХНУ и дымностью отработавших газов для дизелей. На втором этапе выодятся функциональные зависимости параметров характеризующих топливную экономичность, тепловые и механические нагрузки, токсичность и дымность отработавших газов и мощности двигателя от температуры и давления воздуха на входе в цилиндр. В качестве основного метода для нахождения искомых зависимостей используется численный эксперимент. На третьем этапе, для получения корректных результатов, выполняется идентификация математической модели по экспериментальным данным. Полученные функциональные зависимости объединяются в систему уравнений (1).

Г ет,=ЯРМАе»о\Доп г/кВт* чпо ГОСТ />51249-99

еСо=ЯРкТк)^со]доп г/кВт*ч по ГОСТ Р51249-99 есн=ЯРкТк)Аесн]Доп г!кВт*ч по ГОСТ />51249-99 Ы = /(ркТк)</(вв)% поГОСТ Р51250-99 = АРцТ^ЬХоп МПа

<

=ЛР>,ТМ МПа/градПКВ (О

Яп ~ /(Рк > ) - [<7л \Д0П

/{рк,тк)-^га.1пг I кВт*ч Тктт —310 из условия отсутствияконденсата \^ГкаихйГк=/(рк)

Совместное решение полученных неравенств, определяет пару предпочтительных для данного режима работы значений параметров наддува. Аналогичные операции осуществляются для всех интересующих рабочих режимов.

Математическая обработка полученных результатов для точек винтовой или нагрузочной характеристик позволяет получить функциональной зависимости значений предпочтительных параметров наддува:

Разработанный алгоритм бал применён для поиска предпочтительных параметров наддува исследуемого дизеля 8ЧН14/14. При исследовании нагрузочной характеристики рассматривались режимы, соответствующие 100%, 75%, 50% и 25% нагрузке при постоянной частоте вращения ne=!5Ö0 об/мин. На винтовой характеристики рассматривались режимы соответствующие частоте вращения 1500, 1400, 1300, 1200 и 1100 об/мин.

Основным методом для получения функциональных зависимостей показателей топливной экономичности, тепловых и механических нагрузок, а также экологических показателей от параметров наддува был принят численный эксперимент. В качестве его инструмента использовался программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК, разработанный под руководством к.т.н. A.C. Кулешова в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Исходные данные для настройки математической модели программного комплекса ДИЗЕЛЬ-РК были предоставлены заводом изготовителем, исследуемого двигателя ОАО «ТМЗ» и производителем топливной аппаратуры ОАО «Топливоподающие системы». Для получения корректных результатов численного эксперимента была проведена идентификация математической модели программного комплекса Дизель PK. Результаты идентификации математической модели, представленные в виде сопоставления результатов натурного и численного экспериментов, представлены на рис.1.

При проведении численного эксперимента на каждом из рассматриваемых режимов работы двигателя изменялись температура и давление наддувочного воздуха на входе в цилиндры, параметры топливоподачи оставались неизменными и соответствующими параметрам, обеспечиваемыми штатной топливной аппаратурой. Изменение параметров наддува осуществлялось дискретно. Шаг изменения температуры составлял 5 - 10 К, а давления наддувочного воздуха 0,1 МПа.

В качестве критериев адекватности математической модели использо-

валсь:

1. Коэффициент множественной корреляции R,

2. Коэффициент детерминации R2

3. Коэффициент вариации SE0TH,

Полученные данные свидетельствуют о хорошем соответствии расчётных значений данным моторных испытаний.

{

Тк = f(Nе, п)

(2)

Маисииапыюа давпаниа цикла (винтовая характеристика)

«■*- модалироаама • аеспершшект

Частота вращамия, об/мин Эффективная мощность (винтовая характеристика)

• ааспаршюнт ~~

Частота врачами*. об/иня

—модель • акспаримвит

090 1050 1150

1S50 1460 1950

Среднее индикаторное да ала i та (винтовая характеристика)

• аяспармсакг ——моделирование

Частота вращения коленчатого мша, об/мин

Тампаратура отработавших газов парад турбиной

Дыммоетъ отработавших гаэоа (а)

11,50 11S0 _ им 1450

Частота вращения. об/мин

|035. Í.

Расход воздуха (винтовая характеристика)

• эксперимент —— моделирование

í Í218

Удельный эффективный расход топли» (винтовая характеристика)

Частота враща» шя, об/мин

Частота вращения, об/Мин

Продолжение рис. 1

Температур* ОГ парад турбиной (нлгруюымжл клрлшвршсгнкл)

► Экс»*рммнт —Модель

20 0 400 . МО 80 0 ЮО.О

Средне» индикаторное дмлпенте (нлгрузочнвя **р*кт*р»ст»м»)

• Эксперимент —Модель

Выбросы окисло* азот» (нагрузочная характеристика)

— Модель • ЭиСП«рНМ9НТ

Дымность отработавших газов (нагрузочная характеристика)

•0 100

Расход воздуха (нагрузочная характеристика)

— Мод*л» • Эксперимент

Эффективная мощность. Ч '

Рис. 1. Результаты идентификации математической модели при работе двигателя по винтовой и нагрузочной характеристикам При проведении расчёта в каждой рассматриваемой точки характеристики на каждом из рассматриваемых значений давления наддува производился расчёт характеристики при изменяемых, с выбранным шагом значениях температуры наддувочного воздуха. После окончания расчёта фиксировались интересующие технико-экономические, экологические показатели работы, а также показатели рабочего процесса, определяющие надёжность двигателя. Полученный таким образом массив данных был обработан посредством математического пакета «МаГсЬсас! 13» . В результате обработки, за счёт применения процедуры интерполяции функции двух переменных, были получены аппроксимирующие функции влияния параметров наддува на интересующие параметры работы двигателя.

На рис. 2 представлены функциональные зависимости экологических показателей, показателей тепловых и механических нагрузок, а также показателей топливной экономичности от температуры и давления наддувочного воздуха для номинального режима, являющегося общим для винтовой, нагрузочной и внешней скоростной характеристики двигателя.

Максимальная скорость нарастания давления

Максимальное давление цикла

эффективная мощность

удельный эффективный расход

выбросы оксидов а

дымносгь отработавших газов

г •I 2

температура отработавших п

критерий теплонапряменности

Рис. 2. Функциональные зависимости показателей топливной экономичности, тепловых и механических нагрузок, а также экологических показателей от параметров наддува для номинального режима.

На параметры, характеризующие работу двигателя, были установлены ограничения в виде предельно допустимых либо желательных значений.

Максимальное предельно допустимое давлением цикла pz для дизелей с неразделёнными камерами сгорании и объёмным смесеобразованием, устанавливается на уровне 14 МПа. Допустимая максимальная скорость нарастания давления в процессе сгорания устанавливается в пределе (dp/dcp)max =0,8 МПа/°ПКВ. Температура отработавших газов перед турбиной, оказывающая определяющее влияние на её надёжность и долговечность, при длительной работе ограничивается значением 900 К. Максимально допустимые значения параметра qn , предложенного Костиным А.К., для оценки теплонапряжённости поршня устанавливаются при применении поршней из алюминиевого сплава с циркуляционным охлаждением маслом, ограничивается значением qn= 8.

Предельные значения выбросов токсичных компонентов и дымности отработавших газов для конвертируемого двигателя устанавливаются по по ГОСТ Р51249-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами» и по ГОСТ Р51250-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дымность отработавших газов» в зависимости от расхода отработавших газов. Величина удельных выбросов NOx устанавливается на уровне 10 г/кВт*ч, выбросов СО на уровне 3 г/кВт*ч, выбросов СН на уровне 1 г/кВт*ч.

Удельный эффективный расход топлива ge, должен стремиться к минимуму.

На давление и температуру наддувочного воздуха необходимо также ввести определённые ограничения. Так нижний предел температуры наддувочного воздуха устанавливается, согласно требованиям к судовым двигателям, не ниже точки росы Tk min = 308 - 315 К.

После совместного решения уравнений системы, средствами математического пакета «Matchcad 13», с учётом заданных ограничений для каждой из рассматриваемых точек характеристик были получены предпочтительные значений параметров наддува (рис.3).

0,25 ч Нагрузочная характеристика Винтовая характеристика

ф и 1 1 1 1 1 1 1 5% I . ...... ... . ._, 00

у = -0,064х2 + 0,1968х + 0,065 R2 - 0,9998 у ■ -1 E-07x2 + 0.0005X - 0,2712 R* = 0,9923

и > 0, I9B J . 0,2 • * с i s И)

I jf 1U

А f% 11Ь n S

1 i fi) 1fi'

g! с we S С

ГО +3) I—

0 Ä 25 % 50 Эффекта % вная 7S мощ % ность 10 . % В% 12 10 00 11 Частота ■ 00 12 ращения 00 13 коленчат 00 14 ого в ала 00 15 двигатеп 00 16 я, об/мин

Рис. 3. Предпочтительные значения давления наддувочного воздуха при работе двигателя по нагрузочной и винтовой характеристикам

По результатам численного эксперимента, предпочтительное значение температуры наддувочного воздуха на впуске, при работе двигателя, как по нагрузочной, так и по винтовой характеристике, составляет 310 К.

Стендовые исследования влияния глубины охлаждения наддувочного воздуха на технико-экономические и экологические параметры в условиях изменившихся режимов работы

Целью проведения стендовых испытаний было следующее:

1. Получение экспериментальных данных для проведения идентификаций математической модели.

2. Подтверждение выявленных в ходе численного эксперимента зависимостей влияния температуры наддувочного на показатели работы двигателя.

3. Проверка согласования штатного турбокомпрессора с поршневой частью в условиях изменившихся режимов работы двигателя. т

В ходе натурного эксперимента производилось снятие нагрузочных и винтовых характеристик двигателя ЯМЗ-8481.10. Снятие характеристик осуществлялось при различной глубине охлаждения наддувочного воздуха.

Для определения изменения параметров характеризующих топливную экономичность, тепловые и динамические нагрузки, экологичность, а также возможности корректировки указанных параметров путём изменения глубины охлаждения наддувочного воздуха в условиях изменившихся режимов работы, были проведены экспериментальные исследования. Нагружение двигателя осуществлялось вихревым гидротормозом 1100Д-1Е.

Натурный эксперимент подтвердил, что охлаждение наддувочного воздуха при работе двигателя, как по нагрузочной, так и винтовой характеристике приводит к снижению максимального давления цикла (рис. 4), обусловленному меньшей цикловой подачей топлива необходимой для достижения заданной мощности.__ ._

Рис. 4. Влияние охлаждения наддувочного воздуха на максимальное давление цикла Натурный эксперимент подтвердил данные о повышение жёсткости процесса сгорания (рис. 5.), обусловленное увеличением угла задержки самовоспламенения с понижением температуры в момент подачи топлива. Однако её максимальный значения не превысили, установленные для данного типа двигателей допустимые значения в 0,8-1,0 МПа/°ПКВ.

скорость нарастания давления в процессе сгорания цикла

Моторные испытания показали: во всём диапазоне нагрузок охлаждение наддувочного воздуха снижает температуру отработавших газов (рис. 6), а следовательно уровень тепловых нагрузок на детали камеры сгорания. Так, на режиме 100% мощности при снижении температуры с 368 К до 317 Ктемпература отработавших газов перед турбиной уменьшилась с793 К до 733 К (7,5 %).

Рис. 6. Влияние охлаждения наддувочного воздуха на температуру отработавших газов

При охлаждении наддувочного воздуха происходит более полное и интенсивное сгорание топлива, за счёт повышение массового наполнения цилиндра, а значит, снижается удельный эффективный расход топлива (рис. 7.).

Результаты натурного эксперимента также подтвердили (рис. 8), что охлаждение наддувочного воздуха снижает дымность отработавших газов, особенно в области нагрузок выше 50%. Это, по-видимому, объясняется сокращением локальных зон камеры сгорания с недостатком кислорода, за счёт повышения коэффициента избытка воздуха. Необходимо отметить, что ни на одном из режимов нагрузочной или винтовой характеристик не наблюдалось превышение норм установленных ГОСТ Р 51250-99.

Рис. 7. Влияние охлаждения наддувочного воздуха на удельный эффективный расход топлива

Рис. 8. Влияние охлаждения наддувочного воздуха на дымность

отработавших газов Сопоставление предпочтительных значений давления наддува, полученных в результате численного эксперимента, с действительными значениями (рис. 9.), обеспечиваемыми штатным агрегатом наддува при работе конвертированного двигателя по нагрузочной и винтовой характеристикам позволяет сделать ряд выводов.

Рвжимынагрузочно^

мсгврммнтальнм анмнм миболм аыгоднм энвч*ния

у«6Е-06хг + О.ОООЗх + ОЮ7 , = 0.9989 !

).0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 Эфвктивная мощность, %

0.22

«020 е я »0.18

§0.16 £

|о.м Ч0.12

Режимы винтовой характеристики

- нтЛолш выгодны» »

- МСШРММКШЪ>М «I

у »-1Е-07Х* ♦ 0.0005Х - 0.2712 И2 - 0 9923

у ■ ЗЕ-07^ • 0 ОООвх * 0.4068 | Я1» 0 9998 1

1050 1150 1250 1350 1450 Частота вращения, об/мин

Рис. 9. Сопоставление предпочтительных и действительных значений давления наддува, обеспечиваемых штатным агрегатом над дува.

При работе конвертированного двигателя по нагрузочной характеристике под нагрузкой более 30-35 %, агрегат наддува должен обеспечивать на впуске в двигатель (после ОНВ) давление наддува на 8 - 12 % больше, чем штатный.

При работе конвертированного двигателя по винтовой характеристике во всём диапазоне рассматриваемых частот вращения, агрегат наддува должен обеспечивать на впуске в двигатель (после ОНВ) давление наддува на 8 - 18 % больше, чем штатный.

Изменения предпочтительных значений наддува давления по нагрузочной и винтовой характеристикам достаточно хорошо описываются многочленами второй степени (рис. 9).

Таким образом, установлено, что штатная система наддува с нерегулируемым свободным турбокомпрессор не обеспечивает предпочтительных значений давления наддувочного воздуха, как при работе по нагрузочной, так и при работе по винтовой характеристикам.

Охлаждение наддувочного воздуха осуществляется в полнопоточном рекуперативном теплообменнике, включенном последовательно во внешний контур системы охлаждения. Система не содержит регулировочных элементов, поэтому глубина охлаждения определяется температурой забортной воды. Таким образом, установленное в результате исследования предпочтительное значение температуры наддувочного воздуха штатной системой охлаждение не обеспечивается как на режимах винтовой, так и нагрузочной характеристик.

Рекомендации по обеспечению предпочтительных значений параметров наддува на режимах работы конвертированного двигателя

Для обеспечения на всех режимах работы оптимальных параметров надувочного воздуха предлагается использовать систему газотурбинного наддува с регулируемым компрессором и систему охлаждения наддувочного воздуха с регулированием глубины охлаждения (рис. 10).

Основу системы составляет электронный блок управления. В его память занесены функциональные зависимости предпочтительных параметров наддува в виде функциональной зависимости от режима работы двигателя по нагрузочной или винтовой характеристике, определяемого частотой вращения и цикловой подачей топлива.

Помимо данных о режиме работы на электронный блок управления поступают аналоговые сигналы о фактическом значении температуры и давления наддувочного воздуха на входе в цилиндр (датчики 10, 11), где преобразуются в цифровые значения. Полученные значения сравниваются с расчётными, и в случае отличия выполняется регулирующее воздействие на исполнительные органы.

1 - компрессор, 2 - турбина, 3

- ОНВ, 4 - заслонка перепускного клапана, 5 - пневмоэле-мент, управляющий заслонкой, 6 - клапан перепуска наддувочного воздуха мимо ОНВ, 7

- электронный блок управления, 8 - датчик частоты вращения, 9 - датчик положения рейки топливоподачи, 10 -датчик давления наддувочного воздуха на впуске в двигатель, 10 - датчик температуры наддувочного воздуха на впуске в двигатель, 12 - байпасный канал наддувочного воздуха, 13 -канал перепуска отработавших газов

Рис. 10. Схема управления параметрами наддува Их функции выполняют перепускной клапан отработавших газов и перепускной клапан наддувочного воздуха. Перепускной клапан отработавших газов (рис. 11.) перепускает часть отработавших газов в обход рабочего колеса.

Перепускной клапан наддувочного воздуха (рис. 12.) выполняет функцию перепуска наддувочного воздуха, минуя ОНВ, когда его температура становится слишком низкой. Основное ограничение по нижнему значению связано с образование водяного конденсата во впускном коллекторе.

А - подвод ОГ к турбине, Б - отвод ОГ от турбины, В - перепуск ОГ, *

Г - подвод управляющего давления наддува,

Е - подач воздуха под давлением,

Д - подвод воздуха к компрессору

1 - сопловой аппарат турбины,

2 - управляющий пневмоэде-мент, . .

3 - перепускной канал, ' , ... 4-заслонка, . , :•»

5 - улитка компрессора,

6 - электромагнитный клапан,

7 - эластичная мембрана,

8 - тяга, 9-пружина

Рис. 11. Перепускной клапан отработавших газов: , .

1 - корпус,

2 - золотник распределительный,

3 - рычаг,

4 — тяговое реле

5 - возвратная пружина,

6 - тяга

Рис. 12. Перепускной клапан наддувочного воздуха ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫВОДЫ

1. Анализ научно-технической и патентной литературы, показал, что значительная часть парка речных судов, эксплуатируемая в настоящее время в Российской Федерации, либо морально устарела, либо выработала свой ресурс. Поэтому перед судоходными компаниями и судостроительными предприятиями достаточно остро стоит проблема выбора современных двигателей как взамен выработавших свой ресурс, так и для вновь строящихся судов.

Альтернативой морально устаревшим, либо выработавшим свой ресурс двигателям могут быть автотракторные двигатели. В рамках данной работы, проведена оценка возможности использования двигателей ЯМЗ-840 автотракторного назначения как в качестве главных, так и вспомогательных судовых двигателей. Установлено, что общее количество дизелей, которые могут быть заменены дизелями производства АО «Тутаевский моторный завод» составляет около 80% парка отечественных двигателей. Они могут быть установлены в качестве главных на судах водоизмещением от 50 до 2500 т.

2. Разработан алгоритм, обладающий научной новизной, для определения предпочтительных значений параметров наддува на режимах работы конвертируемого двигателя, под которыми понимаются такие давление и температура наддувочного воздуха, которые обеспечивают наименьший расход топлива, при условии выполнения норм по токсичности и дымности отработавших газов и приемлемый уровень тепловых и механических нагрузок на детали двигателя.

По разработанному алгоритму для исследуемого двигателя получены функциональные зависимости температуры и давления наддувочного воздуха от режима работы двигателя по нагрузочной и винтовой характеристикам.

3. В результате проведения численного эксперимента получены функциональные зависимости параметров, характеризующих топливную экономичность, показателей токсичности и дымности ОГ, а также надёжности двигателя от температуры и давления наддувочного воздуха для исследуемого двигателя. Система полученных функциональных зависимостей составляет научную новизну работы.

4. Проведён натурный эксперимент в испытательном боксе ОАО «Тутаевский моторный завод», в ходе которого производилось снятие нагрузочной и винтовой характеристики исследуемого двигателя. В результате получены данные, использованные для идентификации математической модели при проведении численного эксперимента.

В результате натурного эксперимента установлено, что штатная система наддува не обеспечивает предпочтительных значений параметров наддува как при работе конвертированного двигателя по нагрузочной, так и по винтовой характеристике. Установлено, что наибольшие расхождения между предпочтительными и фактическими значениями давления наддувочного воздуха имеют место при работе двигателя по винтовой характеристике.

Оптимизация параметров газотурбинного наддува численным моделированием по разработанному алгоритму позволяет снизить удельный эффективный расход топлива при работе конвертированного двигателя по винтовой и нагрузочной характеристикам на 2,5 — 6%.

5. Разработаны рекомендации по конструкции системы автоматического управления параметрами наддува, для обеспечения их предпочтительных значений.

Разработана оригинальная конструкция клапана перепуска наддувочного воздуха мимо ОНВ, позволяющая обеспечить более гибкое регулирование температуры наддувочного воздуха.

6. Разработана программа для расчета и проектирования охладителя наддувочного воздуха, обеспечивающего требуемую глубину охлаждения с максимальной тепловой эффективностью и минимальными гидравлическими потерями.

7. Предложены рекомендации по обеспечению теплотехнического контроля конвертируемого двигателя в процессе эксплуатации в соответствии с требованиями Речного Регистра Российской Федерации.

Таким образом, цель и задачи диссертационной работы достигнуты — определены возможности и перспективы применения двигателей, выпускаемых ОАО «Тутаевский моторный завод» в качестве судовых; разработан алгоритм выбора параметров наддува с целью улучшения топливной экономичности дизеля; произведён подбор предпочтительных значений параметров наддува для дизеля, работающего по винтовой и нагрузочной характеристикам; разработаны мероприятия по модернизации систем газотурбинного наддува.

Дальнейшие исследования по этой проблеме, на наш взгляд, должны быть посвящены разработке алгоритмов работы электронного блока управления реализующего полученные в данной диссертационной работе функциональные зависимости предпочтительных значений параметров наддува от режима работы двигателя по винтовой и нагрузочной характеристикам.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Курин М.С. Влияние глубины охлаждения наддувочного воздуха на работу систем двигателя внутреннего сгорания Проблемы современного энергомашиностроения. Тезисы докладов Всероссийской молодёжной научно-технической конференции. - Уфа: УГАТУ, 2002. с. 102.

2. Жуков В.А., Курин М.С. Оптимизация параметров рабочего цикла двигателей внутреннего сгорания. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ—2002». В 4-х т., Т.2, - М.: «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002, с. 69-70

3. Жуков В.А., Прохоров О.Г., Курин М.С. Влияние параметров наддува на рабочий процесс дизеля ЯМЗ-840. Авиационная техника и технология. — Харьков: Национальный аэрокосмический университет «ХАИ», 2003, — Выпуск 41/6. — с. 23-26

4. Опыт конвертации автотракторных двигателей в судовые. Безюков O.K., Жуков В.А., Курин М.С., Прохоров О.Г. / Безопасность водного транспорта (труды). - СПб.: СПбГУВК, 2003, - Том 3.- с. 121-125

5. Жуков В. А., Курин М.С. Применение ИПИ - технологии при проектировании теплообменных аппаратов для двигателей внутреннего сгорания. Применение ИПИ — технологии в производстве. Вторая Всероссийская научно-практическая конференция. — М.: «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2004, с. 46-47

6. Жуков В.А., Курин М.С. Методика выбора параметров газотурбинного наддува комбинированных двигателей Актуальные проблемы современной науки. Технические науки, часть 22. Транспорт. - Самара: Самарский ГТУ, 2004, с.33-35

7. Жуков В.А., Курин М.С. Влияние глубины охлаждения наддувочного воздуха на токсичность отработавших газов комбинированных двигателей. Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды. Всероссийская научно — техническая конференция. — Рыбинск: РГАТА им. П.А. Соловьёва, 2004, с. 40-41

8. Жуков В.А., Курин М.С. Исследование влияния параметров наддува на экологические показатели ДВС Международный симпозиум «Образование через науку»: Материалы докладов секции «Двигатели внутреннего сгорания». Отдельный выпуск. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — с. 117.

9. Жуков В.А., Курин М.С. Выбор параметров газотурбинного наддува автомобильного дизеля. Двигатели внутреннего сгорания // Научно-технический журнал. - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2005, №1 (6). - с. 43.

10. Жуков В.А., Курин М.С. Влияние параметров наддува на топливную экономичность и механические нагрузки на детали КШМ комбинированных двигателей. Труды 6-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки». Часть 22, Транспорт. — Самара: Самарский ГТУ, 2005. — с. 25.

11. Курин М.С., Шорохов O.E. Современные системы наддува транспортных ДВС Труды 6-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки». Часть 22, Транспорт. — Самара: Самарский ГТУ, 2005. - с. 59

12. Жуков В.А., Курин М.С. Влияние глубины охлаждения наддувочного воздуха на параметры рабочего процесса конвертированного двигателя/ РГАТА им. П.А. Соловьёва. - Рыбинск, 2006. - 8 с. - Библиогр. 3 назв.; Ил. - Рус. Деп. В ВИНИТИ 25.10.06, № 1269-В2006.

Зав. РИО МА. Салкова Подписано в печать 18.11.2006. Формат 60x84 1/16. Уч. -изд.л. 1,2. Тираж 100. Заказ 123.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П.А. Соловьёва (РГАТА) 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 Отпечатано в множительной лаборатории РГАТА 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Список сокращений и условных обозначений.

Введение.

Глава 1. Парк судовых дизелей России и перспективы его обновления.

1Л. Анализ парка судовых двигателей.

1.2. Эксплуатационные показатели ДВС.

1.2.1 Топливная экономичность дизелей и способы её повышения.

1.2.2. Надёжность транспортных дизелей.

1.2.3. Экологические нормативы для транспортных дизелей и методы их обеспечения.

1.3. Технические характеристики и конструктивные особенности автотракторных дизелей (на примере двигателей ОАО «Тутаевский моторный завод»).

1.4. Газотурбинный наддув как основное средство форсирования дизелей.

1.5. Применение двигателей ОАО «Тутаевский моторный завод» в качестве судовых.

Выводы по главе.

Глава 2. Определение предпочтительных значений температуры и давления наддувочного воздуха.

2.1. Энергетическая схема комбинированного двигателя.

2.2. Разработка алгоритма поиска наиболее выгодных значений параметров наддува.

2.3. Численное моделирование рабочего процесса комбинированного двигателя.

2.4. Идентификация математической модели.

Вводы по главе.

Глава 3. Стендовые исследования взаимодействия турбокомпрессора и поршневой части.

3.1. Экспериментальная установка и методика испытаний.

3.2. Снятие характеристик двигателя.

3.3. Обработка экспериментальных данных.

3.4. Совместная работа турбокомпрессора и поршневой части.

Выводы по главе.

Глава 4. Разработка рекомендаций по обеспечению наиболее выгодных значений параметров наддува.

4.1. Способы регулирования давления наддувочного воздуха.

4.2. Способы регулирования температуры наддувочного воздуха.

4.3. Схема управления параметрами наддува.

4.4. Теплотехнический контроль конвертированного двигателя.

Выводы по главе.

По прогнозам большинства отечественных и зарубежных специалистов [10, 57] поршневые двигатели внутреннего сгорания на ближайший период времени останутся основными энергетическими установками для транспортных средств. В подавляющем большинстве это дизельные с воспламенением от сжатия и двигатели с искровым зажиганием. Поскольку дизели имеют возможность работать с высокой степенью сжатия, в то время как у ДсИЗ она ограничена возможностью возникновения детонации, их показатели экономичности выше, чем у ДсИЗ. Многотопливность дизельных двигателей, т.е. их способность работать на различных видах топлива, также даёт им неоспоримое преимущество перед другими типами двигателей. Высокий уровень топливной экономичности (рис. 1.), низкие суммарные выбросы токсичных компонентов и высокая надежность в эксплуатации определили высокий темп развития дизелей, особенно с непосредственным впрыском топлива. Их позиции в области мощностей Nc > 150 кВт стали доминирующими [10, 98].

Однако, активный прогресс в совершенствовании рабочих процессов и конструкции этих двигателей, способствующий резкому увеличению литровой мощности (достигшей N;| > 33 кВт/л или 45 л.с./л), а также снижению удельной массы (достигшей 2,3 . 3,1 кг/кВт или 1,7 .2,3 кг/л.с.) и шумности работы, позволяет все в большей степени закрепить их позиции на транспорте [98], в том числе и водном.

Ежегодное производство дизельных двигателей в мире уже превысило 12 млн. штук [82]. В эксплуатации в то же время находится примерно в 4 раза больше. В связи с этим во всём мире уделяют огромное внимание совершенствованию этого типа двигателей, направленному на уменьшение расхода топлива, снижение токсичности отработавших газов и повышение их надёжности.

Рис. 1. Изменение удельного расхода топлива по нагрузке в области частот вращения коленчатого вала, близкой к частоте максимального крутящего момента: 1- бензиновый двигатель (цикл Отто);

2 - дизельные двигатели с предкамерным и вихрекамерным смесеобразованием;

3 - дизель с непосредственным впрыском без наддува;

4 - дизель с непосредственным впрыском и газотурбинным наддувом;

5 - дизель с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха.

Актуальность темы. На территории Российской Федерации находится большое количество судоходных рек. Общая протяжённость речных путей составляет около 84 ООО км. В связи с этим значительная часть перевозок грузов и пассажиров осуществляется по водным путям. В качестве энергетических установок судов в подавляющем большинстве использованы дизельные двигатели моделей 6ЧСП(Н)12/14; 6,12Ч(Н)15/18; 6,8ЧСП(Н) 18/22; 12ЧСПН18/20 [88].

По имеющимся данным под надзором Российского Речного Регистра находится более 30000 судов, на которых установлено несколько десятков тысяч отечественных и импортных дизелей. Средний возраст судов составляет 24 года [88]. Необходимо отметить, что большинство этих двигателей морально устарели и не удовлетворяют современным требованиям по надёжности, экономичности и экологическим показателям. Кроме того, значительная часть парка дизелей речного флота страны (не менее 50 %) выработали установленные заводами - изготовителями ресурсы. Таким образом, в настоящее время перед судоходными компаниями и судостроительными предприятиями достаточно остро стоит проблема выбора современных двигателей как взамен выработавших свой ресурс, так и для вновь строящихся судов.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:

- получены функциональные зависимости, количественно характеризующие комплексное влияние температуры и давления наддувочного воздуха на показатели топливной экономичности ДВС, тепловых и механических нагрузок на детали ЦПГ, токсичности и дымности ОГ;

- разработан алгоритм многофакторного выбора предпочтительных значений температуры и давления наддувочного воздуха для различных режимов работы ДВС с учётом ограничений в виде предельно допустимых, либо желательных значений эксплуатационных показателей, который обеспечивается предложенными конструкторскими решениями по модернизации системы газотурбинного наддува двигателя автотракторного назначения при конвертации его в судовой.

Объект исследования является двигатель автотракторного назначения конвертируемый в судовой.

Предметом исследования являются параметры газотурбинного наддува двигателя автотракторного назначения, конвертируемого в судовой, совместная работа агрегата наддува и поршневой части, топливная экономичность двигателя, токсичность и дымность отработавших газов.

Методы исследования. Поставленные задачи решены путем проведения теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на положениях теории комбинированных двигателей и численного моделирования с использованием современных компьютерных пакетов (Дизель-РК, MathCAD 13).

Цель диссертационной работы. Разработка научно обоснованных рекомендаций по совершенствованию газотурбинного наддува при конвертации автотракторных ДВС в судовые.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо обеспечить решение следующих задач:

1. Определение возможностей и перспектив применения двигателей, выпускаемых ОАО «Тутаевский моторный завод» в качестве судовых;

2. Разработка алгоритма выбора параметров наддува с целью повышения топливной экономичности дизеля автотракторного назначения, конвертируемого в судовой;

3. Выбор предпочтительных параметров наддува для дизеля, работающего по винтовой и нагрузочной характеристикам;

4. Разработка мероприятий по модернизации систем газотурбинного наддува.

5. Разработка рекомендаций по проведению теплотехнического контроля конвертированного дизеля.

Достоверность научных положений. Подтверждается адекватностью математической модели, проверка которой выполнена по результатам натурного эксперимента. Результаты численного эксперимента достаточно точно соответствуют результатам натурного эксперимента. Практическая ценность результатов;

- разработанный алгоритм применён для определения наиболее предпочтительных сочетаний температуры и давления наддувочного воздуха при работе по винтовой и нагрузочной характеристикам двигателя автотракторного назначения 8ЧН14/14, конвертированного в судовой;

- комплексная многофакторная оптимизация параметров наддува автотракторного ДВС, конвертированного в судовой, проведённая в связи с изменением режимов работы, позволяет снизить удельный эффективный расход топлива на 2,5 - 6 %.

Для достижения поставленных целей при работе над диссертацией проведён обзор научно-технической и патентной литературы, теоретически обоснован алгоритм выбора основных параметров наддува, проведены численные и моторные эксперименты.

Выводы по главе

В результате исследований было установлено, что штатная система наддува конвертируемого двигателя, состоящая из нерегулируемого турбокомпрессора и ОНВ типа «вода - воздух», не обеспечивает наиболее выгодные значения параметров наддува. Таким образом, конвертируемый двигатель необходимо оснастить системой автоматического регулирования параметров наддува, с целью обеспечения наиболее выгодных значений температуры и давления наддувочного воздуха на всех режимах винтовой или нагрузочной характеристик.

Проведён обзор существующих конструкций систем регулирования давления и температуры наддувочного воздуха. На его основе предложены рекомендации по выбору типа агрегата наддува и способа регулирования глубины охлаждения наддувочного воздуха. Для регулирования давления наддува предлагается использовать турбокомпрессор с клапаном перепуска отработавших газов мимо турбины, с пневмоэлектрическим управлением. Усилие для открытия клапана создаётся надувочным воздухом, а продолжительность и момент открытия открытием электромагнитного клапана, управляемым электронным блоком. Для регулирования температуры наддувочного воздуха предлагается использовать клапан, перепускающий при необходимости часть наддувочного воздуха мимо ОНВ. Клапан золотникового типа, имеющий оригинальную конструкцию.

Предложена схема управления параметрами наддува для конвертируемого двигателя. Её основу составляет электронный блок управления, в котором заложены полученные в результате исследований функциональные зависимости параметров наддувочного воздуха от режима работы винтовой или нагрузочной характеристики.

При конвертации двигателей автотракторного назначения в судовые возникает необходимость осуществления их теплотехнического контроля. Для исследуемого двигателя предложены рекомендации по его осуществлению.

178

Заключение

1. Анализ научно-технической и патентной литературы, показал, что значительная часть парка речных судов, эксплуатируемая в настоящее время в Российской Федерации, либо морально устарела, либо выработала свой ресурс. Поэтому перед судоходными компаниями и судостроительными предприятиями достаточно остро стоит проблема выбора современных двигателей как взамен выработавших свой ресурс, так и для вновь строящихся судов.

2. Альтернативой морально устаревшим, либо выработавшим свой ресурс двигателям могут быть автотракторные двигатели. Так, в рамках данной работы, проведена оценка возможности использования двигателей ЯМЗ-840 автотракторного назначения как в качестве главных, так и вспомогательных судовых двигателей. Установлено, что общее количество дизелей, которые могут быть заменены дизелями производства АО «Тутаевский моторный завод» составляет около 80% парка отечественных двигателей, на которые приходится 50% их установленной мощности.

3. Разработан алгоритм определения предпочтительных значений параметров наддува для режимов работы конвертируемого двигателя, под которыми понимаются такие давление и температура наддувочного воздуха, которые обеспечивают наименьший расход топлива, при условии выполнения норм по токсичности и дымности отработавших газов и приемлемый уровень тепловых и механических нагрузок на детали двигателя.

4. По разработанному алгоритму для исследуемого двигателя получены функциональные зависимости температуры и давления наддувочного воздуха от режима работы двигателя по нагрузочной и винтовой характеристикам.

5. В результате проведения численного эксперимента получены функциональные зависимости параметров, характеризующих топливную экономичность, показателей токсичности и дымности ОГ, а также надёжности двигателя от температуры и давления наддувочного воздуха для исследуемого двигателя. Инструментом численного эксперимента является программный комплекс «дизель - РК».

6. Проведён натурный эксперимент в испытательном боксе ОАО «Тутаевский моторный завод», при котором производилось снятие нагрузочной и винтовой характеристики с исследуемого двигателя. В результате получены данные, использованные для идентификации математической модели при проведении численного эксперимента.

7. В результате натурного эксперимента установлено, что штатная система наддува не обеспечивает предпочтительных значений параметров наддува как при работе конвертированного двигателя по нагрузочной, так и по винтовой характеристике. Установлено, что наибольшие расхождения между предпочтительными и фактическими значениями давления наддувочного воздуха имеют место при работе двигателя по винтовой характеристике.

8. Разработаны рекомендации по конструкции системы автоматического управления параметрами наддува, для обеспечения их предпочтительных значений.

9. Разработана оригинальная конструкция клапана перепуска наддувочного воздуха мимо ОНВ.

10.Предложены рекомендации по обеспечению теплотехнического контроля конвертируемого двигателя.

Таким образом, цель и задачи диссертационной работы достигнуты -определены возможности и перспективы применения двигателей, выпускаемых ОАО «Тутаевский моторный завод» в качестве судовых; разработан алгоритм выбора параметров наддува с целью улучшения эксплуатационных показателей дизеля; произведён подбор предпочтительных значений параметров наддува для дизеля, работающего по винтовой и нагрузочной характеристикам; разработаны мероприятия по модернизации систем газотурбинного наддува.

Дальнейшие исследования по этой проблеме, на наш взгляд, должны быть посвящены разработке алгоритмов работы электронного блока управления реализующего полученные в данной диссертационной работе функциональные зависимости предпочтительных значений параметров наддува от режима работы двигателя по винтовой и нагрузочной характеристикам.

1. Алексеев В.П., Воронин В.Ф., Грехов JI.B. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. 4-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

2. Анализ перспектив использования двигателей, выпускаемых ОАО «Тутаевский моторный завод» в качестве судовых. Отчет о научно-исследовательской работе (заключительный). Тутаев: ТФ РГАТА, 2002. - 86 с.

3. Андерсен М. Чистота воздушного бассейна над акваторией // Двигатель. -2000.-№4(10).-С. 4-6.

4. Астахов И.В., Голубков JT.H., Трусов В.И. Топливные системы и экономичность дизелей. М.: Машиностроение, - 1990. - 288 е.: ил.

5. Бочаров А.Ф. Технология эрозионностойких покрытий в системах охлаждения судовых дизелей: Автореф. дис. канд. тех. наук. СПб., 1992.- 24с.

6. Брук М.А., Рихтер А.А. Режимы работы судовых дизелей. Л.: Судпромгиз, 1963.-482 с.

7. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания (теория). JL: Судпромгиз, 1950.-490 с.

8. Возможности сокращения выброса окислов азота с отработавшими газами быстроходного форсированного дизеля при сохранении высокой топливной экономичности / Б.Н. Семёнов, В.И. Смайлис, В.Ю. Быков и др. // Двигателе-строение. 1986. - №9. - с. 3 - 6.

9. Воинов А.Н. Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях. -М.: Машиностроение, 1965. 210 с.

10. Гинцбург Б.Я. Тепловая напряжённость поршней двигателей внутреннего сгорания. / Труды НИЛД- М.: Углетехиздат, 1958. №6.

11. З.Гладков О.А., Лерман Е.Ю. Создание малотоксичных дизелей речных судов. Л.: Судостроение, 1990. - 112 с.

12. И.Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф., Богданов А.А. Судовые дизели: основы теории, устройство и эксплуатация: Учебник для речных училищ и техникумов водного транспорта: 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1988. - 439 с.

13. Гольтраф И.С. Охлаждение воздуха в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1961.-251 с.

14. Горбунов Л.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: Издательство Российского университета дружбы народов, 1998. -216 с.

15. ГОСТ 10150-88. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1988. - 60 с.

16. ГОСТ 28160 89. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Насосы для систем охлаждения. Метод расчета подачи. - М.: Изд-во стандартов, 1989. -74 с.

17. ГОСТ 4393—82. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Типы и основные параметры. М.: Изд-во стандартов, 1982. - 85 с.

18. ГОСТ Р51249-99 Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. М.: Изд-во стандартов, 1999.- 56 с.

19. ГОСТ Р51250-99 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Дым-ность отработавших газов». М.: Изд-во стандартов, 1999.- 45 с.

20. Григорьев М.А., Долецкий В.А. Обеспечение надёжности двигателей. М.: Машиностроение, 1990. - 322 с.

21. Григорьев М.А., Пономарёв Н.Н. Износ и долговечность автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.

22. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчёт на прочность поршневых и комбинированных двигателей/ Под редакцией А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1984,-384 с.

23. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н.Вырубов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. М.: Машиностроение, 1983,- 272 с.

24. Дизели. Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп./ Под общей редакцией В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, J1.K. Коллерова. - Л.: Машиностроение, 1977. -480 с.

25. Дмитриенко В.П. Пути снижения дымности и токсичности отработавших газов автомобильных дизелей. Учебн. пособие, М.: Машиностроение, 1989. - 68 с.

26. Драгунов Г.Д., Егоров А.В. О вопросах изменения характеристики ДВС // Двигателестроение.— 1991. — № 12 — с. 12-14.

27. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. -М.: Транспорт, 1985. 120 с.

28. Канарчук В.Е. Долговечность и износ двигателей при динамических режимах работы. Киев: Наукова думка, 1978. - 256 с.

29. Конаков Г.А., Васильев Б.В. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота. / Под общ. ред. Г.А. Конакова. Учебник для вузов водн. трансп. М.: Транспорт, 1980. - 423 с.

30. Конструкция и расчёт автотранспортных двигателей. / Под редакцией проф. Ю.А. Степанова. -М.: Машиностроение, 1964. 552с.

31. Костин А.К., Кадышевич Е.Х., Никитин В.В. Способ оценки ресурса дизеля до первой переборки. // Двигателестроение. — 1981. — № 1 с. 38-40

32. Костин А.К., Ларионов В.В., Михайлов Л.И. Теплонапряжённость двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие. Л.: Машиностроение, 1979. -222 с.

33. Крутов В.П., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонаддува ДВС. М.: Высш. Шк, 1978.-212 с.

34. Кулешов А.С. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-2/4т. Руководство пользователя. М., 2001. - 127с.

35. Кулешов А.С., Грехов Л.В. Математическое моделирование и компьютерная оптимизация топливоподачи и рабочих процессов ДВС. М.: МГТУ, 2000. -64с.

36. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. -Владимир: Издательство Владимирского государственного университета, 2000. -256 с.

37. Кульчицкий А.Р. К вопросу о расчётном определении эмиссии частиц с отработавшими газами дизелей // Двигателестроение 2000. - №6 - с. 20 - 23

38. Кутенёв В.Ф., Звонов В.А., Корнилов Г.С. Научно-технические проблемы улучшения экологических показателей автотранспорта. // Автомобильная промышленность. 1998. - № 11. - с. 55 - 62.

39. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов: Учеб. Для вузов. М.: Транспорт, 1990. - 328с.

40. Лиханов В. А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных дизелей. -М.: Колос, 1994.-224 с.

41. Луканин В.Н., Камфер Г.М. Тепловой двигатель как источник «энтропийного» загрязнения // Двигатели внутреннего сгорания: проблемы, перспективы развития. М.: Издательство ТУ МАДИ, 2000. - с. 51 - 67.

42. Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др.; Под ред. Луканина В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учебн.-М.: Высш. Шк., 1995.-368 е.: ил.

43. Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др.; Под ред. Луканина В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебн.-М.: Высш. Шк., 1995.-368 е.: ил.

44. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов/ Под. ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 2001. - 273 с.

45. Лямцев Б.Ф., Микеров Л.Б. Турбокомпрессоры для наддува ДВС: Теория, конструкция и расчёт. Ярославль: ЯГТУ, 1995. - с.95.

46. Макаров Е.Г. Инженерные расчёты в MathCAD. Учебный курс. СПб.: Питер, 2005.-448 с.

47. Малов Р.В. Рабочие процессы и экологические качества ДВС // Автомобильная промышленность. 1992. - №9 - с. 10 - 15.

48. Марков В.А., Баширов P.M., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 376 е., ил.

49. Марков В.А., Кислов В.Г., Хватов В.А. Характеристики топливоподачи дизелей. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 160 с.

50. Марченко А.П., Парсаданов И.В. Проблемы экологизации ДВС// Двигатели внутреннего сгорания 2005. - №2. - с. 3 - 6.

51. Марченко А.П., Петросянц В.А., Самойленко Д.Е. Улучшение технико-экономических показателей транспортного дизеля путём регулирования турбокомпрессора с безлопаточным направляющим аппаратом // Двигатели внутреннего сгорания 2004. - №1. - с. 3 - 6.

52. Махов В.З. Процессы сгорания в двигателях: Учеб. Пособие. М.: МАДИ, 1980.-76с.

53. Меныиенин Г.Г. Динамика развития дизелей Волгоградского моторного завода в первой трети 21 века / Двигателестроение. 2002. - №1. - с. 3 - 5.

54. Мизернюк Г.Н., Кулешов А.С. Методика расчета рабочего процесса КДВС на ЭВМ. // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1986. - № 6. - с.97-101.

55. Нефёдов В.И. Улучшение параметров форсированных дизелей воздушного охлаждения изменением глубины охлаждения наддувочного воздуха: Дис. канд. тех. наук. Челябинск, 1998. - 185 с.

56. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом: М.: Легион-Автодата, 2004. - 176 с.

57. Плис А.И., Сливина Н.А. MathCAD. Математический практикум для инженеров и экономистов: Учебн. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Финансы и статистика, 2003. - 656 с.

58. Подача и распыливание топлива в дизелях/ В.И. Андреев, Я.В, Горячий, К.А. Морозов, Б.Я. Черняк. М.: Машиностроение. 1976. - 175 с.

59. Портнов Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. М.: Машгиз, 1963. - 640 с.

60. Пути совершенствования направляющего аппарата турбин агрегатов наддува тракторных дизелей/ Ю.Б. Моргулис // Двигателестроение. 1983. - №11. - с. 20-23.

61. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справочник/ А.К. Костин, Б.П. Пугачёв, Ю.Ю. Кочинев. Под. общ. Per. А.К. Костина. Л.: Машиностроение. Ле-нингр. Отд-ние, 1989. - 284 с.

62. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков: Вища школа, 1980. -169с.

63. Разлейцев Н.Ф., Кулешов А.С. Математическая модель смесеобразования и сгорания в дизелях // Двигатель-97 Материалы международной научно-технической конференции -М.: МГТУ, 1997. с. 27.

64. Разработка систем охлаждения для двигателей ОАО «Тутаевский моторный завод», применяемых в качестве судовых. Отчет о научно-исследовательской работе (заключительный). Тутаев: ТФ РГАТА, 2002. - 68 с.

65. Райков И .Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1975. - 320 с.

66. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учебное пособие для вузов. / Колчин А.И., Демидов В.П. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 2002.-496 с.

67. Романов Г.И., Козлов С.И. Выбор рациональных способов регулирования воздухоснабжения турбопоршневых двигателей // Двигателестроение. 1982. -№ 6. - с.5 - 7.

68. Российский речной регистр. Правила (в 3-х т.). Т.2. М.: Изд-во «Марин инжиниринг сервис», 1995, - 395 с.

69. Руководство по теплотехническому контролю серийных теплоходов / Министерство речного флота РСФСР. М.: Транспорт, 1980. - 424 с.

70. Савельев Г.М., Зайченко Е.Н. Турбокомпрессоры и теплообменники наддувочного воздуха автомобильных двигателей: Учебное пособие для институтов повышения квалификации. Ярославль: Верх. Волж. кн. изд-во, 1983. -96 с.

71. Савельев Г.М., Лямцев Б.Ф., Аботин Э.В. Опыт доводки и производства турбокомпрессоров автомобильных дизелей. Москва, 1976. - 94 с.

72. Савельев Г.М., Лямцев Б.Ф., Слабов Е.П. Повышение эксплуатационной надёжности автомобильных дизелей ЯМЗ с наддувом. Учебное пособие для институтов повышения квалификации. Москва, 1988. - с.96 с.

73. Семёнов B.C. Теплонапряжённость и долговечность цилиндропоршневой группы судовых дизелей. М.: Транспорт, 1977. - 182с.

74. Серковская Г.С. О канцерогенное™ нефти и нефтепродуктов // Химия и технология топлив и масел. 1996. - № 1. - с.39 - 45.

75. Симеон А.Э. Турбонаддув высокооборотистых дизелей. М.: Машиностроение, 1976,-288 с.

76. Системы регулирования давления наддува тракторных и комбайновых дизелей/ Ю.Б. Моргулис. М.: ЦНИТЭИ тракторосельхозмаш, 1982 вып. 3, - с. 40.

77. Смайлис В.И. Проблемы снижения токсичности и дымности отработавших газов дизелей // Двигателестроение. 1991. - №1. - с. 19 - 21.

78. Смирнов Н.Г. Двигательные проблемы речного флота // Двигатель 2000 -№4(10)-2-4с.

79. Справочник механика и моториста теплохода. М.: Транспорт, 1981. - 352с.

80. Справочник по теории корабля / Под ред. В.Ф. Дробленкова. М.: Воениз-дат, 1984.-592 с.

81. Теория двигателей внутреннего сгорания. Дьяченко Н.Х., Костин А.К., Пугачёв Б.П. и др. /Под ред. проф. д-ра техн. наук Дьяченко Н.Х. JT., Машиностроение, 1974, - 552 с.

82. Теория рабочих процессов ДВС: Учеб. Пособие. Гурвич И.Б.; / Нижегород. политехи, ин-т. Н. Новгород, 1992. - 145 с.

83. Токсичность отработавших газов дизелей / В.А. Макаров, P.M. Баширов, И.И. Габитов и др. Уфа: Издательство Башкирского государственного аграрного университета, 2000. - 144 с.

84. Турбокомперссоры. Мн.: РА «Автостиль», 1998. - 80с.

85. Улучшение технико-экономических и экологических показателей тепловозной модификации дизеля 6ТД за счёт применения охлаждения наддувочного воздуха. // Авиационно-космическая техника и технология, Сб. Тр. /ХАИ, 2003, -Вып. 6/41.

86. Файн М.А. Анализ перспектив развития систем регулирования наддува дизелей с использованием описаний к патентам на изобретения // Двигателестроение. 1981. - №2. - с. 36-38.

87. Файн М.А. Анализ перспектив развития системы наддува дизелей «Гипер-бар» на основе исследований патентного фонда. Тр. ВНИИГПЭ. 1979. - с. 134 - 142.

88. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - JI.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1990. -352с.

89. Филипосянц Т.Р., Кратко А.П., Мазинг М.В. Пути снижения вредных выбросов отработавшими газами автомобильных двигателей. М.: НИИНавтопром, 1979.-65 с.

90. Хак Г. Турбодвигатели и компрессоры: Справ, пособие / Г.Хак, Лангка-бель. М.: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательство ACT», 2003, -351с.

91. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. Автомобильные двигатели с тур-бонаддувом М.: Машиностроение, 1991-336 с.

92. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение .1978,-263 с.

93. Экологические аспекты применения моторных топлив на транспорте / В.Ф. Кутенёв, В.А. Звонов, В.И. Черных и др. // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвуз. сб. М.: Издательство ТУ МАМИ, 1998. - Вып. 14.-е. 150 -160.

94. Энергетическая схема ДВС и резервы повышения его теплоиспользова-ния, Сб. Тр. /ХАИ, 2001, - Вып. 23.

95. Alkidas А.С. Relationship between smoke measurements and particulate measurements. SAE Techn. Pap. Ser., 1984, N 840412, 9p.

96. Berg Per-Sune, Udd Soren. Truck engine charge air cooling-experience, trends and developments. «SAE Techn. Pap. Ser.», 1983, N 831199, 11pp.

97. Franklin P.C. Performance development of the Holset variable geometry turbo-charger//SAE Techn. Pap. Ser. -1989. №890646. - P. 137 - 149.

98. Garrett. Turbocharger advancements for high speed diesels // Diesel Progr. N. Amer. 1986. - Vol. 52. № 9. - P. 13 - 14.

99. Greeves G., Khan I.M., Wang С. H. Т., Fenne I. Origins of hydrocarbon emissions from diesel engines. «SAE Preprint», 1977, № 770259, 17 pp.

100. Hunh Walter. Rubbilding bei der dieselmotorischen Verbrenung und moglich-keiten ihrer Verminderung. «MTZ», 1970, 31,N3,109-115

101. Kleine Horst. Geschwindigkeit der Stickoxidbildung im Dieselprozeb mit di-rekter Einspitzung. «MTZ», 1977, 38 ,N 9, 399 400, 403 - 404, 407 - 408.

102. Lepperhoff G., Schommers J. Einfluss des Schmierols auf die PAN Emis-sionen von Verbrenungsmotoren // MTZ. - 1986. - Jg. 47. -N9. - S. 367 - 371

103. Mam P. W. Emmenthal K. D Passenger car diesel engines charged by different systems for improved fuel economy // Int. Conf. Fuel Eff. Power Trains and Veh.: VECON 84. (London. 22-24 Oct.). 1984. P. 211 - 218 (англ.).

104. McConnell G., Howells H.E. Diesel fuel properties and exhaust gas-distant relations? «SAE Techn. Pap. Ser.», 1983, N 831199, 11 pp.

105. Moody Joseph F. Variable geometry turbocharging with electronic control /7 SAE Techn. Pap. Ser. 1986. N 860107. 11 p.

106. Rychter T.J., Neodrczyk A. Economy and NO Emission Potential of an SI Variable R/L Engine // SAE Technical Paper Series. 1985. - N 850207. - P. 14.

107. Ueyehara O.A. Factos that Affect BSFC and Tmission for Diesel Engines: Part 1 Presentation of Concepts // SAE Technical Paper Series. - 1987. - N 870343. - P. 41.

108. US Pat. № 0110768 Al/2003. Exhaust gas recirculation system with variable geometry turbine and bypass venture assembly / Gerald N. Coleman. David A. Pier-pont.

109. US Pat. № 4679398/1987. Variable capacity turbocharger control device / Fu-mio Nishiguchi, Masato Noguchi.

110. US Pat. №0079474 Al/2003. Exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine Helmut Finger.

111. Woschni G. Die Berechnung der Wandeverluste und der thermichen Belasttung der Bauteile von Dieselmotoren // MTZ.-1970.-N12. S. 491.321. Модель двигателя1. Число цилиндровio1. Раб. объем двиг. л1. Ст. сжатия