автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности рабочих процессов в судовом дизеле согласованным выбором параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания

МАЩЕНКО Владимир Юрьевич

на правах рукописи

ц-

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В СУДОВОМ ДИЗЕЛЕ СОГЛАСОВАННЫМ ВЫБОРОМ ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ И КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 АПР 2013

Санкт-Петербург - 2013 г.

005051766

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре судовых ДВС и дизельных установок

Научный руководитель:

Гаврилов Владимир Васильевич - доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты:

Галышев Юрий Витальевич - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», заведующий кафедрой «Двигатели, автомобили и гусеничные машины»

Дергачёв Андрей Викторович

кандидат технических наук, профессор,

ФГОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова», профессор кафедры «Теория и конструкция судовых двигателей внутреннего сгорания»

Ведущая организация

ОАО «Коломенский завод» г. Коломна, Московская область

Защита состоится «19» апреля 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, ауд. 235; тел.: (812) 490-93-08, факс: (812)251-01-14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

Автореферат разослан « » IXО 2013 г.

Ученый секретарь ., ^ ■ / 1 Ерофеев

диссертационного совета Д 223.009.04 Валентин,

доктор технических наук, профессор ¿' ' ' Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Для

решения актуальных проблем энергосбережения и охраны окружающей среды требуется совершенствование рабочих процессов, протекающих в энергетических установках, в частности, в судовых двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Качество рабочих процессов в судовом ДВС, от которого зависят технико-экономические и экологические показатели двигателя, в значительной мере определяется согласованностью параметров топливной аппаратуры (ТА) и камеры сгорания (КС). Вместе с тем, в настоящее время отсутствуют достаточно эффективные методики, позволяющие выполнить указанное согласование при проектировании нового двигателя или создании его модификации. Такое согласование выполняется путем преимущественно трудоёмких и дорогостоящих доводочных испытаний, не всегда обеспечивающих желаемый результат. Требуется создать методику, основанную на уточнённых знаниях и локальном математическом моделировании сложнейших внутрицилиндровых процессов и топливоподачи (ТП). Указанная математическая модель должна отражать влияние основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС на показатели двигателя, а также обеспечивать возможность определения наилучшего их сочетания в ходе доводочных работ.

Таким образом, тему настоящей работы, направленной на повышение эффективности рабочих процессов в судовом дизеле согласованным выбором параметров ТА и КС, следует считать актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей судовых дизелей с объёмным смесеобразованием за счёт взаимного увязывания параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания, обеспеченного путем разработки методики, программы, а также проведения численного моделирования процессов топливоподачи и внутрицилиндровых процессов.

Задачи работы. Достижение указанной цели намечено путем решения следующих задач.

I. Разработать усовершенствованную комплексную математическую модель ТП и локальных внутрицилиндровых процессов применительно к дизелям с объёмным смесеобразованием.

II. Разработать алгоритм и программу расчёта ТП и локальных внутрицилиндровых процессов, пригодные для согласования параметров ТА и КС и оценки основных технико-экономических показателей дизеля.

III. По результатам математического моделирования уточнить физическую картину внутрицилиндровых процессов в различных областях камеры сгорания дизеля.

IV. Разработать методику расчётного согласования основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС дизеля при его доводке на заводском стенде.

V. Разработать рекомендации к выбору сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС для повышения технико-экономических

показателей применительно к конкретным моделям судовых среднеоборотных дизелей.

Научная новизна. Разработана новая комплексная методика расчёта процессов топливоподачи и внутрицилиндровых процессов, позволяющая получить высокие технико-экономические показатели судового дизеля с объёмным смесеобразованием и уменьшить трудоёмкость работ по доводке дизелей на заводских стендах.

В работе получен ряд новых научных результатов.

1. Повышено качество и расширена область применения математической модели внутрицилиндровых процессов путем ее дополнения моделью процесса топливоподачи.

2. Предложены уточнённые уравнения движения топлива в трубопроводе высокого давления (ТВД), учитывающие скорости движения в сопряжённых объёмах - в штуцере топливного насоса высокого давления (ТНВД) и в нады-гольной полости форсунки.

3. Уточнены уравнения движения нагнетательного клапана в ТНВД и иглы распылителя в форсунке.

4. Применен метод контрольных объёмов (КО) для локального математического моделирования предпламенных процессов, процессов тепловыделения и образования монооксида азота (N0) по уравнениям химической кинетики с учётом переноса теплоты и массы основных компонентов рабочего тела.

5. Получено расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе, хорошо согласующееся с экспериментальными данными.

6. Обнаружено существенное различие в форме характеристик испарения и горения в дизеле; указанное различие объяснено пространственно-временной неоднородностью свойств рабочего тела в камере сгорания.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость заключается в обосновании целесообразности комплексного подхода к математическому моделированию топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов, в уточнении представлений о пространственно-временном распределении свойств рабочего тела в КС дизеля, в определении и объяснении взаимного расположения характеристик испарения и горения. Практическую значимость представляет собой методика согласования конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС дизеля с объёмным смесеобразованием, применение которой обеспечивает получение высоких показателей вновь создаваемых и модернизируемых дизелей, а также сокращение трудоёмкости доводки их конструкции. Полученные с использованием предложенной методики результаты указанного согласования применительно к ряду моделей дизелей семейств ЧН 30/38 и ЧН 26/26 рекомендованы заводу для улучшения их показателей.

Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования явилась совокупность общенаучных и специальных методов научного познания. Применены теоретико-эмпирические методы, ме-

тоды математического и физического моделирования, системный подход к изучению комплекса рабочих процессов, происходящих в судовом дизеле.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1) методика выбора сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС в судовом среднеоборотном дизеле с объёмным смесеобразованием на основе математического моделирования ТП и локальных внут-рицилиндровых процессов;

2) расширенная и уточнённая комплексная математическая модель ТП и локальных внутрицилидровых процессов, реализованная в авторской программе СуЬег01с5е1;

3) уточнённые уравнения для расчёта процесса ТП - уравнения движения топлива в ТВД, движения нагнетательного клапана в ТНВД и иглы распылителя в форсунке;

4) расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе;

5) уточнённая физическая картина локальных внутрицилиндровых процессов в части влияния пространственно-временной неоднородности свойств рабочего тела в КС дизеля на характеристики испарения и горения топлива;

6) практические рекомендации для согласования конструктивных и регулировочных параметров дизелей типа ЧН 30/38 и ЧН 26/26 с целью улучшения их показателей.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных результатов обеспечена корректным использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена, химической кинетики, современных численных методов реализации математических моделей и современных средств измерений. Достоверность теоретических выводов подтверждена экспериментальными исследованиями элементарных процессов ТП и смесеобразования в модельных установках и в судовых дизельных двигателях. Экспериментально подтверждена адекватность разработанной математической модели реальным рабочим процессам.

Материалы проведенных исследований были доложены на Всероссийских, межведомственных и вузовских научно-технических конференциях: Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (2000, 2005, 2008, 2010, 2012, 2013 гг.); Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (2005 г.); Военно-морской инженерный институт (Санкт-Петербург, 2000, 2002 и 2003 гг.); Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций (2003 г.); Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (2003 и 2004 гг.); Санкт-Петербургская государственная морская академия им. адмирала С.О.Макарова (2002 г.). Часть результатов исследований были обсуждены и одобрены на заседании НТС Коломенского завода (2002 г.).

Публикации. По теме работы опубликовано 29 научных трудов, в том числе: тезисы докладов - 12, научных статей - 16 (в том числе без соавторов - 4), одно свидетельство о регистрации программы. В ведущих рецензируемых на-

учных журналах и изданиях опубликовано 4 статьи (в том числе без соавторов - одна статья).

Личный вклад. Автор диссертации самостоятельно решил все поставленные задачи: уточнил и развил математическую модель процессов, разработал алгоритм и программу расчёта, выполнил теоретический анализ результатов и проверил их в экспериментах на дизеле.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём - 208 е., основного текста - 182 е., приложений - 26 е.; имеется 42 рисунка, 5 таблиц; список литературы включает 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность повышения качества ТП и внутрици-линдровых процессов в судовом дизеле на основе их локального математического моделирования. Дана общая характеристика работы

В первой главе проанализированы известные методики расчёта процесса ТП и внутрицилиндровых процессов, включая методики, содержащие учёт кинетики химических реакций горения топлива и образования N0.

По моделированию процесса ТП отмечается, что в настоящее время получила широкое распространение динамическая модель ТП, варианты которой разработаны И. В. Астаховым, В. Я. Натанзоном, Б. П. Пугачёвым, Б. Н. Файнлейбом, Ю. Я. Фоминым и другими исследователями. Детально рассмотрены наиболее распространённые методики расчёта Ю. Я. Фомина и Б. П. Пугачёва. Сравнительный анализ показал, что при использовании методики Ю. Я. Фомина необходимо повышенное внимание к заданию шагов расчётной сетки во избежание появления неустойчивости счёта. Поэтому в данной работе в качестве базовой принята методика Б. П. Пугачёва. Дополнительными аргументами в пользу выбора методики Пугачёва является то обстоятельство, что автор данной работы располагает отлаженным исходным текстом программы, опытом ее использования в расчётах и соответствующими экспериментальными данными.

В анализе методик расчёта внутрицилиндровых процессов рассмотрены их свойства, наиболее существенные для достижения цели настоящей работы. В частности, рассмотрены наличие или отсутствие учёта характеристики ТП, локального подхода к описанию рабочего тела в КС. Основное внимание уделено анализу методик расчёта, которые разработаны Б. П. Пугачёвым, О. Н. Лебедевым, Н. Ф. Разлейцевым. Показано, что в методиках Б. П. Пугачёва и О. Н. Лебедева достаточно подробно моделируется процесс смесеобразования (без учёта влияние на него профиля КС) и упрощенно моделируется процесс горения. Н .Ф. Разлейцев в своей методике расчёта учитывает влияние профиля КС и более подробно, чем другие авторы, моделирует горение. Однако этой методике свойственны произвольность задания значений ряда величин, а также большое количество эмпирических параметров, идентификация которых весьма сложна и трудоёмка. Тем не менее, отмечено, что рассмотренные методики

имеют важное теоретическое значение и отдельные их решения могут быть применены в настоящей работе. В наибольшей мере предлагаемая методика расчёта основана на модели внутрицилиндровых процессов В. В. Гаврилова.

Проанализированы известные работы, посвященные учёту кинетики химических реакций при моделировании внутрицилиндровых процессов. Отмечено, что в использующихся методиках расчёта, как правило, принято допущение о бесконечно больших скоростях химических реакций при горении топлива. Это делает проблематичным адекватное математическое описание процессов, в частности, процессов, протекающих в период задержки самовоспламенения, и процессов образования вредных веществ при горении.

Доступные для исследования современные кинетические модели, которые могут быть применены для локального описания изучаемых процессов, существуют преимущественно в общем виде и, как правило, не реализованы в расчётных методиках. В данной работе в качестве базовой математической модели предпламенных процессов, процессов горения и образования N0 принята модель В. В. Гаврилова. В этой модели содержится теоретическое описание предпламенных процессов в условиях неоднородной по концентрациям топливовоз-душной смеси с учётом теплового и цепного ускорений химических реакций. Здесь же предложен кинетический механизм образования основных продуктов сгорания. При этом выявлена и учтена связь между энергией активации и тепловым эффектом реакций. Анализ показал, что на основе указанной базовой математической модели целесообразно разработать соответствующую методику расчёта. При реализации методики может быть использован подход, по форме аналогичный подходу к описанию локальных процессов теплообмена в КС, предложенному Р. 3. Кавтарадзе.

Вторая глава посвящена разработке усовершенствованной комплексной математической модели ТП и локальных внутрицилиндровых процессов применительно к дизелям с объёмным смесеобразованием.

В базовую методику Б. П. Пугачева внесен ряд изменений. В частности, предложены выражения скоростей топлива в граничных сечениях ТВД, полученные на основе уравнения Навье-Стокса для одномерного потока невязкой несжимаемой жидкости, которые имеют следующий вид:

"о,у+1 =■1"о,у+ -■л > -);

Дт Дт (1)

В выражениях (1) обозначены: м» - скорость топлива; р - давление топлива; р - плотность топлива; Дт - шаг расчёта по времени; Ах - шаг расчёта по длине ТВД; индекс _/ = О, 1,... - номер узла расчётной сетки по времени, такой что т=у Дт; индекс / = О, 1,..., п - номер узла расчётной сетки по длине ТВД, такой что х=1 Ах, где х - координата по длине ТВД; индекс ш - штуцер ТНВД; индекс ф - полость форсунки. Данные выражения отличаются от соответствующих выражений базовой методики наличием дополнительных членов, учитывающих

скорости движения топлива в сопряжённых полостях штуцера и'цу и форсунки и^, которые могут существенно отличаться от нуля.

Внесены уточнения в уравнения, описывающие мгновенный баланс массы топлива в объёмах штуцера и надплунжерной полости ТНВД, а также в нады-гольной и подыгольной полостях форсунки. Уточнение объясняется необходимостью учёта неравенства площадей действия давления топлива на различные поверхности нагнетательного клапана и иглы, переменности указанных площадей в процессе топливоподачи.

Построение модели смесеобразования основано на использовании трех подмоделей составляющих его процессов - распада, движения и испарения топливной струи.

Распад сплошного жидкого столба топлива на капли происходит в канале соплового отверстия по так называемому турбулентно-кавитационному механизму. С учётом известных результатов экспериментов С. А. Скоморовского принята коническая форма поверхности разрыва сплошности с основанием конуса на входном срезе соплового отверстия.

При моделировании движения топливная струя рассматривается как совокупность изолированных друг от друга капель, движущихся в спутном турбулентном газовом потоке и обменивающихся с ним энергией. Взаимодействие капель друг с другом опосредовано движущимся газом.

Расчётная область и принятая в модели двумерная декартова система координат изображены на рис. 1. У

неподвижная поверхность крышки неподвижная поверхность втулки ось соплового отверстия - вылетевшие порции топлива подвижная поверхность поршня ось цилиндра

Рис. 1 - Расчетная область и система координат для моделирования движения топливной струи

Отсчёт времени начинается с момента начала подачи топлива форсункой. На пространство расчётной области (на рис. 1 не заштрихована) накладывается ортогональная расчётная сетка с шагами ДхиДув направлении соответствующих осей (целесообразно задавать Дх=Ду).

Каждому узлу сетки, находящемуся внутри расчётной области, соответствует ячейка, называемая контрольным объёмом (КО). Через каждый шаг расчёта по времени движущийся поршень открывает или закрывает некоторые КО. Размер КО, соответствующего некоторому узлу расчётной сетки с комплексной координатой г-х+1у, вычисляется по формуле:

_ 2^Re(zz0)AxAy

x, v ~ : '

'с

где Zo - комплексное число, такое что Re (zo)=cos у , Im (zo)=-sin у; у - угол между осью соплового отверстия и плоскостью крышки цилиндра; /с - количество сопловых отверстий.

Непрерывная характеристика впрыскивания дискретизируется с расчётным шагом по времени Дт так, что в каждый момент времени т=/Лт из соплового отверстия вылетают две условные расчётные порции топлива, векторы скоростей которых обозначены w/+ и w/ (см. рис. 1).

Проекции векторов ускорения для условных расчётных порций:

... Р" AWfi~WJ . „ Ра ._.(<-< У

ах р i ап ах р^ ап

где CDx и Coy - эмпирические коэффициенты сопротивления движению капли соответственно в направлениях х и у, w'ax и w'ay - скорости движения рабочего тела (воздуха) в центре масс /-ой расчётной порции топлива соответственно в направлениях х и у.

Спутный газовый поток считается квазистационарным потенциальным потоком несжимаемой жидкости. Возмущение потока, вызванное торможением порции /-ой порции топлива, моделируется наложением на потенциал потока потенциала диполя напряжением

где КЕ- безразмерный численный коэффициент, зависит только от свойств топлива и газовой среды; т'/, (IЛIV/- соответственно масса, средний объёмно-поверхностный диаметр капель и уменьшение скорости движения /-ой порции топлива на текущем шаге по времени.

При моделировании испарения образование паров топлива в КС дизеля рассчитывается как испарение топлива, распределенного по нормальному закону вокруг центров масс расчётных порций, и перенос паровой фазы в неравномерном нестационарном потоке газа.

Прогрев капель топлива /-ой порции и потеря ими массы (приращение массы образующейся паровой фазы) вычисляются по формулам:

} С^}^ 1 П 7 Бс-Л}

где Т/ - температура капель /-ой порции топлива; ра -плотность газового заряда; С/— удельная теплоёмкость топлива. Для вычисления чисел и БЬ используются известные соотношения Ранца-Маршалла.

Построение модели сгорания основано на трех составляющих ее подмоделях - локальных предпламенных процессов, локальных процессов горения топлива и образования N0, интегральных параметров рабочего процесса дизеля.

При построении подмодели предпламенных процессов использована зависимость локальной средней относительной скорости предпламенных реакций и'лок от локального коэффициента избытка воздуха для сгорания а.,0к, которая выражена следующей формулой:

0,005 +2,73а

лок — "

лок

1 + 0,37аЛ(ж + 1,4алок2 (2)

С учётом формулы (2) длительность текущего локального условного периода задержки самовоспламенения рассчитывается по уравнению

3,4x10-6 (е-1

Г Р)

ехр

Г 23500

К:

314Г

(3)

н>„ок V е

где р, Т - локальные давления и температуры; т=т/т,— функция относительного времени, значение которой изменяются в пределах 0...1 (т, - период задержки самовоспламенения).

Уравнение текущей локальной условной выделившейся теплоты с учётом

уравнения (3) в общем виде может быть записано: _ _ * |

= -~-(4)

ОЧ лок уел

_ Интегрируя уравнение (4) численным способом при пошаговом увеличении т, на некотором шаге достигаем значения £>]0К усл, равного единице. Соответствующий единице момент времени принимается за окончание локального периода задержки воспламенения. КО, в котором достигнуто указанное равенство, считается местом возникновения горячего пламени.

Построение подмодели локальных процессов горения топлива и образования N0 выполнено средствами химической кинетики. Кинетическое уравнение горения в КО имеет вид:

] 1Л8|> ТТ 10,25гг. 11.5 ( 15110"

---¿ = 5,110 [С„Нт] р2 ехр

А ^

Кинетическое уравнение скорости образования N0 по классическому механизму Зельдовича:

Г,, 1-..-/ ,, ,„,.г„„1. ., ( 16250Ц

Интегральные параметры рабочего тела вычисляются с момента начала ТП до момента условного окончания сгорания посредством суммирования локальных параметров (масс испаренного и выгоревшего топлива в каждом КО) по пространству КС.

Третья глава посвящена разработке алгоритма и программы расчёта ТП и локальных внутрицилиндровых процессов для оценки основных технико-экономических и экологических показателей рабочего процесса дизеля при различных конструктивных и регулировочных параметрах ТА и КС.

Исходные данные алгоритма расчёта ТП состоят из параметров топлива, ТНВД, ТВД и форсунки. Алгоритмом предусмотрен перебор по узлам

j= 0,1,2,... ,jmax, которые соответствуют каждому текущему расчётному моменту времени гу =/ Дт (где Дт - расчётный шаг по времени), а также углу поворота распредвала (вала привода ТНВД) <ррву =j Дфрв, где Д(ррв- расчётный шаг по углу поворота распредвала. Результатом выполнения алгоритма является расход топлива через сопловые отверстия для текущего момента времени g, и масса топлива Gj, поданного через форсунку от начала впрыскивания до окончания текущего расчётного интервала времени. В качестве результатов расчёта сохраняются массивы gj и Gj как дискретные функции, представляющие расчётные характеристики впрыскивания, заданные на узлахj (j = 0, \,2,...,jmax).

Алгоритм расчёта рабочего процесса дизеля представляет собой численное решение последовательности взаимосвязанных частных задач применительно к локальным элементарным внутрицилиндровым процессам. Используются конечно-разностные аппроксимации функций в пределах шага счёта по времени и в пределах КО в пространстве КС. При интегрировании конечно-разностных уравнений по каждому КО обеспечивается соблюдение законов сохранения для всего расчётного пространства. Исходные данные содержат группы: параметры расчёта топливной струи, параметры конструкции дизеля, некоторые параметры расчёта рабочего процесса, общие расчётные параметры.

Алгоритмы расчёта распада, движения топливной струи, локальных пред-пламенных процессов, локальных процессов тепловыделения и образования NO, расчёта интегральных параметров рабочего тела базируются на соответствующих подмоделях (см. выше).

Совокупность разработанных алгоритмов реализована в программе CyberDiesel. Программа написана на языке Object Pascal (среда программирования Delhi) и официально зарегистрирована.

Адекватность математического моделирования подтверждена результатами физического моделирования элементарных процессов топливоподачи и смесеобразования, а также промежуточных и завершающих стадий комплекса процессов, включая горение в дизеле. Эксперименты выполнены на кафедре Судовых ДВС и дизельных установок СПбГМТУ в период с 1972 по 2003 гг. Результаты ряда экспериментов по смесеобразованию, в частности, по пространственно-временному распределению массы топлива и скоростей его движения относительно газовой фазы струи, а также по взаимодействию двухфазной струи со стенками КС до настоящего времени остаются уникальными.

Пример результатов расчёта расходной характеристики при так называемом двухфазном (двухразовом) впрыскивании топлива применительно к дизелю ЧН 26/26 (1-26ДГМ-01) и соответствующих результатов экспериментов показан на рис. 2.

<Ррв, градус

Рис 2 - Результаты моделирования двухфазного впрыска в дизеле ЧН 26/26 (1-26Д1 М-01) на номинальном режиме (цикловая подача Оц= 1,34 г/цикл, частота вращения вала ТНВД ЙРв=500мин"')

Пример расчётного поля температур в КС дизеля типа ДН 23/30 (40 Д) в момент времени 0,25 мс от начала впрыскивания топлива в цилиндр представлен на рис. 3. Параметр АТ на рисунке - локальное снижение температуры по сравнению с ее средним уровнем в камере сгорания. Расчётный профиль относительного перепада температуры АТ/АТт (где ДТт - ее снижение на оси струи) в поперечном сечении может быть выражен функцией АТ/АТт =[1 -0,2 (у /уо.5 У'6]3 (где 0 <у /^ 2,74), которая хорошо описывает опытные точки, полученные в экспериментах ЦНИДИ. Результаты расчёта и экспериментов показаны на рис. 4.

аг 1,0

а тт

0,8 -

АТ, К

— - расчет; эксперимент ; # - дютопливо; о - бензин.

0,5

1,0

1,5

2,0 ,/„

Рис. 3 - Расчетное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе в дизеле типа ДН 23/30

Рис 4 - Распределение относительного перепада температуры в поперечном сечении испаряющейся топливной струи

Четвертая глава посвящена изучению и совершенствованию ТП и внутри-цилиндровых процессов в судовых дизелях посредством использования разработанной программы расчёта. Уточнена физическая картина внутрицшиндро-вых процессов, разработана методика выбора сочетаний параметров ТА и КС и применена указанная методика при выработке рекомендаций для конкретных моделей дизелей.

На рис. 5 представлены расчётные безразмерные характеристики испарения <т(ф), с!а/с1(р и горения (тепловыделения) х(ср), с/х/с1у, полученные для номиналь-

ного режима опытного отсека дизеля ДН 23/30. На начальной стадии процессов испарение протекает значительно интенсивнее, чем тепловыделение (см. рис. 5). На участке догорания наоборот скорость тепловыделения превосходит скорость испарения. Данное утверждение противоречит распространённому мнению о том, что кривые испарения и тепловыделения подобны и практически эквидистантны, то есть отстоят друг от друга на некоторый, почти постоянный интервал времени.

"0,6

0.4 0,3 0,2 0.1 0,0

Эксперимент XXX Расчет . . . - С

Г — ✓

* • х/ У*.

X. у /

/ Г и N.

■ ч

■ •

200 р -о

160 X 13

34 36 38 40 42 44 46 46 50 52 Фрв, градус

Рис.5 - Расчетные и экспериментальные характеристики впрыскивания в дизеле ДН23/30 штатной комплектации на номинальном режиме

>

0,9 0.8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

1

Аа1

■

1

V

/у

/у ■ /

у-. У.

1 •

0,10 9-

0,09 ■та

"Б

0,08 ■о

0,07 8-

0,06 ■а

я

0,05 ■в

0,04

0,03

0,02

0,01

0,0 0

-20 -10 0 10 20 30 40 50

Ф, градус п.к.в. Рис.6 - Безразмерные характеристики испарения и сгорания в дизеле ДН23/30 штатной комплектации на номинальном режиме

Объяснить обнаруженную «неэквидистантность» кривых испарения и тепловыделения можно, проанализировав результаты локального моделирования течения внутрицилиндровых процессов. На начальных стадиях горения интенсивность испарения существенно выше интенсивности горения ввиду того, что в значительной части КО, в которых происходит испарение топлива, пока не завершились предпламенные процессы. На завершающих стадиях процесса интенсивность горения становится выше интенсивности испарения. Главная причина - в уменьшении количества вновь поступающего топлива, что вызывает снижение интенсивности его испарения. Интенсивность процессов испарения топлива и выделения теплоты зависит от большого числа факторов. В их числе - вид расходной характеристики впрыскивания, характеристики распыливания топлива (размеров капель топлива), характеристик движения частиц топлива относительно газового заряда цилиндра и стенок КС, «заполненность» КО продуктами сгорания, локальные концентрации паров топлива и окислителя, локальные температуры.

Рассмотрен вопрос о выборе критерия качества комплекса процессов - топ-ливоподачи, смесеобразования и сгорания. Универсального критерия качества не существует. В разработанной методике использована система критериев, состоящая из ряда частных критериев и генерального критерия, в качестве которого в рамках данной работы принят удельный индикаторный расход топлива Ь, (при необходимости может быть принята другая величина). Функцией цели является минимальный Ь,. В качестве параметров состояния, участвующих в процедуре поиска наилучшего варианта, могут быть приняты, например, показатели тепломеханической напряжённости дизеля (максимальные температура,

давление ртш, жесткость процесса сгорания и токсичность продуктов сгорания (эмиссия N0). Роль параметров состояния играют также частные критерии, характеризующие качество смесеобразования. В их число входят, как традиционные критерии, так и новые, предложенные в СПбГМТУ. В состав последних входят отношение центров масс топлива в струе и воздуха в соответствующем секторе КС в конце периода т„ массовые доли топлива в зоне смешения соседних струй в момент окончания ТП и другие.

Реализация методики состоит из следующих этапов:

а) обоснование (путем сравнения результатов расчёта и экспериментов) достоверности исходных данных для базового варианта расчёта, выполняющегося с целью идентификации параметров математической модели;

б) планирование вычислительного эксперимента, при котором выделяют наиболее существенные для достижения функции цели факторы (переменные проектирования) и задают пределы их варьирования относительно значений в базовом варианте;

в) задание области допустимых значений переменных состояния;

г) выполнение расчётов вариантов рабочего процесса по плану вычислительного эксперимента и, при необходимости, составление уравнения регрессии;

д) выбор варианта наилучшего сочетания параметров ТА и КС, обеспечивающего экстремум функции цели при заданных ограничениях переменных состояния.

Разработанная методика прошла опытную проверку применительно к трём типоразмерам дизелей производства Коломенского завода. При этом проверено качество математического моделирования как комплекса процессов ТП и внут-рицилиндровых процессов, так и отдельных процессов указанного комплекса.

Выполнено сравнение расчётных и экспериментальных данных по ТП. Эксперименты с использованием тензометрирования ТА обеспечили погрешность измерения максимального давления топлива в форсунке не более 5% и погрешность определения длительности импульса давления не более 10% при 95% уровне доверительной вероятности. Расчётные характеристики впрыскивания и соответствующие опытные точки представлены на рис. 6. Как видно из рисунка, отклонение опытных точек от расчетных характеристик впрыскивания сопоставимо с погрешностью эксперимента.

При моделировании комплекса внутрицилиндровых процессов отклонения расчётных значений ртах и Ь, от их экспериментальных значений также оказались сопоставимыми со случайными погрешностями экспериментов.

На начальном этапе разработанная методика применена для совершенствования ТА дизелей типа ЧН 30/38 Коломенского завода. Выполненные расчёты проверены в экспериментах на безмоторных стендах и на дизеле 2Д42 (6ЧН 30/38) в лаборатории СПбГМТУ. По результатам этой работы заводу переданы, в частности, опытные кулаки привода насос-форсунки. Заводские испытания дизель-генератора 30ДГМ (6ЧН 30/38), укомплектованного этими кулаками, показали снижение 6, по сравнению с серийной комплектацией до 4,6

г/кВгч (2,1%) при диаметре плунжера насоса daR = 22 мм и до 8,2 г/кВт ч (3,7%) при dm = 24 мм.

1

-da/ •

<1ф L / ' ■

А •

V,

" \ *

I;/ ■ {

:/: V- J.

t

0,10 0,09 0,08 е-■в ■В •а 1 0,6 ^0,5

0,07 0,06 0,05 е- -а "й ■в 0,4 0,3

0,04 0,03 0,2

0,02 0,1

0,01 0,00 0,0 34

Эксперимент х х X Расчет ;—; ; - G

> ■X*

х . у /1 I .

: / fu

• Ч

■ ■

240 ■ü

200 И

•а

160

-о

120

80

40

0

-ю

10 20 30 40 50

Ф, градус П.К.В. Рис.5 - Безразмерные характеристики испарения и сгорания в дизеле ДН23/30 штатной комплектации на номинальном режиме

36 38 40 42 44 46 48 50 52 Фр», градус

Рис.б - Расчетные и экспериментальные характеристики впрыскивания в дизеле ДН23/30 штатной комплектации на номинальном режиме

Для дизеля 30 ДГМ (6 ЧН 30/38) было выполнено расчётное исследование влияния формы и размеров КС на параметры рабочего процесса. Сравнение расчётных и экспериментальных индикаторных диаграмм приведено на рис. 7. р, МПа т> к

гх\

V.

th ;/ X г 'х-х_

я \

У \

J \

УГ I <' / Iх

i /х х\

-X—х-

100 150 ),градус п.к.в

dx/d<s>, 1/гпадус

0,025

0,015

0,010

0,005

40 50 60 70 ф, градус п.к.в.

Рис 7 - Сравнение расчетных и экспериментальных характеристик давления, температуры и тепловыделения в дизеле ЧН30/38 штатной комплектации на номинальном режиме

Исследованы четыре варианта профиля КС, которые изображены на рис. 8. Каждому варианту КС соответствует некоторый наилучший угол 0 между осью соплового отверстия и огневой поверхностью крышки цилиндра. Анализ результатов показал, что наилучшим можно считать профиль № 4 8= 17°. Оказалось, что этот вариант обеспечивает более интенсивное тепловыделение в районе ВМТ поршня, чем и объясняется более высокая топливная экономичность дизеля. Расчётное снижение удельного индикаторного расхода топлива соста-

вило 7,0 г/(кВтч) (»3,5%) Эскиз профиля КС, предложенного заводу, показан на рис. 9.

А™5'

■ Штатная камера сгорання ' Камера сгорания №1

- Камера стараккя №4

- Капера стараиия №6

Рис 8 - Варианты профиля камеры сгорания дизеля ЧН 30/38

Р = 35°

Рис. 9 -Предлагаемый профиль камеры сгорания для дизеля ЗОДГМ (6 ЧН30/38)

Для дизеля 1-26 ДГМ (12 ЧН 26/26) было выполнено аналогичное расчётное исследование нескольких профилей КС, представленных на рис. 10. По топливной экономичности наилучшей оказалась КС № 26, поскольку согласно расчётам на номинальном режиме работы она обеспечивает уменьшение 6, до 8 г/(кВт-ч) по сравнению с другими исследованными КС. По результатам заводских экспериментов лучшей камерой с позиции обеспечения минимальных выбросов окислов азота является «мелкий Гессельман». Наш вариант профиля КС, предложенный заводу для экспериментальной проверки, изображён на рис. 11.

' Штатная кам^>а сгорания (КС) КС "истсий Гессельман" КС X« 26 КС Л» 3 КС №8

Рис 10-Варианты профиля камеры сгорания для дизеля 1-26ДПМ (12 ЧН 26/26)

В 260 У= 40°

6-15° Ч4

У у

5°

Рис.11 -Предлагаемый профиль камеры сгорания для дизеля 1-26ДГМ (12 ЧН 26/26)

Наиболее важный результат опытной проверки методики состоит в том, что разработанная математическая модель адекватно отражает качественное влияние основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС на показатели рабочего процесса дизеля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам работы сделаны следующие основные выводы.

1)Для обеспечения высокой эффективности рабочих процессов в судовом дизеле за счёт согласованного выбора параметров ТА и КС требуется применение современной методики, основанной на комплексном математическом моделировании топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов.

2) В настоящей работе предложена комплексная математическая модель, в которой модель локальных внутрицилиндровых процессов дополнена уточнённой моделью топливоподачи.

3) При разработке комплексной математической модели в исходные модели автором был внесен ряд изменений и уточнений:

а) уточнены уравнения движения топлива в трубопроводе высокого давления за счёт учёта скорости движения в сопряжённых объёмах - в штуцере топливного насоса высокого давления и в надыгольной полости форсунки;

б) уточнены уравнения движения нагнетательного клапана в топливном насосе высокого давления и иглы распылителя в форсунке за счёт учёта мгновенного баланса массы топлива в объёмах штуцера и надплунжерной полости ТНВД, а также в надыгольной и подыгольной полостях форсунки;

в) применен метод контрольных объёмов для моделирования предпламен-ных процессов, процессов испарения топлива, тепловыделения при сгорании и образования оксида азота в локальных зонах камеры сгорания.

4) Разработанная комплексная математическая модель реализована в виде алгоритма и программы расчёта СуЬег01езе1; экспериментальная проверка результатов расчёта показала адекватное реагирование математической модели на изменение основных конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратура и камеры сгорания дизеля.

5) С использованием программы получено расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе, хорошо согласующееся с экспериментальными данными.

6) Посредством выполненного математического моделирования уточнена физическая картина локальных внутрицилиндровых процессов. В частности, обнаружено существенное различие в форме характеристик испарения и горения в дизеле; указанное различие объяснено пространственно-временной неоднородностью свойств рабочего тела в камере сгорания.

7) Разработанная методика согласованного выбора основных конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания, основанная на использовании программы СуЬегО^е!, позволяет получить высокие эксплуатационные показатели судового дизеля с объёмным смесеобразованием и уменьшить трудоёмкость работ по его доводке на заводском стенде.

8) Полученные по предложенной методике результаты расчётного согласования параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания ряда моделей дизелей из семейств ЧН 30/38 (Д42) и ЧН 26/26 (Д49) позволяют повысить качество топливоподачи и внутрицилиндровых процессов в этих дизелях, что обес-

печивает снижение удельного индикаторного расхода топлива до 4%. Соответствующие рекомендации переданы заводу.

9) Результаты представленной работы в полной мере могут быть использованы для дизелей с объёмным смесеобразованием различных назначений. Эти дизели должны иметь в цилиндре одну центральную форсунку и осесиммет-ричную по форме камеру сгорания. Для дизелей, не отвечающих этим требованиям, результаты диссертации могут быть использованы частично.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Мащенко, В. Ю. Уточнённый расчёт рабочего цикла дизеля на ЭВМ / К. Н. Коптев, В .А .Плотников, В. Ю. Мащенко // Морской вестник — 2003 г., № 1.-С. 7-13.

2. Мащенко, В. Ю. Программа СуЬег01езе1 для математического моделирования топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием. / В. Ю. Мащенко // Известия Томского политехнического университета. №4, том 311 - Томск, Изд. ТПУ, 2007 г. - С.62-67.

3. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование процесса топливоподачи в дизелях семейства ЧН26/26 с использованием программы С1Ьег01езе1 / В. Ю. Мащенко // Двигателестроение, 2009 г., № 2. - С. 50-51.

4. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием с использованием программы СуЬеЮ1е8е1. / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко // Журнал университета водных коммуникаций. - СПб, 2012. - Вып. 2. - С. 9298.

Другие публикации:

5. Мащенко, В. Ю. Некоторые уточнения динамической модели процесса топливоподачи / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин, В. Ю. Мащенко // Сб. мат. науч.-техн. конф., вып. 2. - СПб.: ВМИИ, 2000 г. - С.377-378.

6. Мащенко, В. Ю. Топливная аппаратура дизеля как объект виброакустической диагностики / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин, И. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко // Сб. мат. межвуз. науч.-техн. конф. вып. 2. - СПб.: ВМИИ, 2000г - С.378-379.

7. Мащенко, В. Ю. Уточнённая методика расчёта процесса топливоподачи в дизеле / П. А. Щукин, В. Ю. Мащенко, В. В. Гаврилов // В кн. тез. докл. межот-расл. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГМТУ, 2000 г. - С. 23-24.

8. Мащенко, В. Ю. Совершенствование комплексной математической модели рабочего процесса дизеля с объёмным смесеобразованием / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин, В. Ю. Мащенко // Сб. матер, межотрасл. научн.-техн. конф. -СПб.: СПбГМТУ, 2000 г. - С. 10-11.

9. Мащенко, В. Ю. Моделирование локальных процессов смесеобразования и сгорания топлива в судовом дизеле / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин,

B. Ю. Мащенко // Сб. тез. докл. межвуз. научн. конф. — СПб.: ВМИИ, 2002 г. —

C.42-43.

10. Мащенко, В. Ю. Моделирование локальных задержек воспламенения топлива в судовом дизеле / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин, В. Ю. Мащенко // Сб. тез. докл. межвуз. научн. конф. - СПб.: ВМИИ, 2002 г. - С.44-45.

11. Мащенко, В. Ю. Расчёт локальных параметров рабочего тела в цилиндре дизеля в процессе смесеобразования и сгорания / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин,

B. Ю. Мащенко // Сб. тез. докл. научн.-техн. конф. - СПб.: ГМА им. адм.

C.О. Макарова, 2002 г. - С.39-40.

12. Мащенко, В. Ю. Кинетический расчёт предпламенных процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин,

B. Ю. Мащенко // Сб. тез. докл. научн.-техн. конф. - СПб.: ГМА им. адм.

C.О.Макарова, 2002 г. - С.41-42.

13. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование локальных процессов смесеобразования и сгорания в среднеоборотном дизеле / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин, В. Ю. Мащенко // Сб. тр. междунар. научн.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2003 г. - С.210-211.

14. Мащенко, В. Ю. Программа расчёта топивоподачи, смесеобразования и сгорания в дизеле / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин, В. Ю. Мащенко // Сб. тр. междунар. научн.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2003 г. - С.218-222.

15. Мащенко, В. Ю. Расчётное исследование предпламенных процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин, В. Ю. Мащенко // Сб. тр. междунар. научн.-техн. конф. - СПб.: СПбГАУ, 2003 г. - С.209.

16. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование индикаторного процесса судового дизеля / В. Ю. Мащенко // Тр. междунар. науч.-практ. конф. - СПб.: СПбГУВК, 2003 г. - С.54-57.

17. Мащенко, В. Ю. Методика и программа расчёта локальных параметров рабочего тела в цилиндре дизеля / В. Ю. Мащенко // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков, 2003 г. - Вып. 6(41). С.9-11.

18. Мащенко, В. Ю. Программа расчёта локальных процессов смесеобразования и сгорания в судовом дизеле / В. Ю. Мащенко // Матер, научн.-метод, конф., - часть 1 - СПб.: ВМИИ, 2003. - С.80-84.

19. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко // Тез. докл. междун. конф. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005 г. - С. 395-396.

20. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко // В кн. матер, докл. секц. ДВС междунар. симпоз. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005 г. - С. 43^14.

21. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко II Сб. научн. тр. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005 г.-С. 187-191.

22. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование топливоподачи и внутрицилиндровых процессов в судовом дизеле / В. Ю. Мащенко, В. В. Гаврилов //

Современные проблемы развития ДВС - Матер, межотр. научн.-техн. конф. 14 октября 2005 г. - СПб.: СПбГМТУ, 2005 г. - С. 18-20.

23. Мащенко, В. Ю. Математическое моделирование топливоподачи и внутрицилиндровых процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием / В. Ю. Мащенко, В. В. Гаврилов // СПбГАУ. В кн. сб. тр. междунар. науч.-техн. конф., СПб., 2006 г. - С. 183-189.

24. Мащенко, В. Ю. Программное обеспечение расчёта рабочего процесса судового среднеоборотного дизеля с учётом локальности параметров его рабочего тела в камере сгорания / В. В. Гаврилов, П. А. Щукин, В. Ю. Мащенко // ФИПС. Свидетельство об офиц. регистрац. прогр. для ЭВМ №2007612119 от 23.05.07.

25. Мащенко, В. Ю. Расчётное исследование топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов судового дизеля с объёмным смесеобразованием с использованием программы СуЬегБ1езе1. / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко // Сб. мат. межотр. научн. -техн. конф - СПб.: СПбГМТУ, 2008 г. - С.52-54.

26. Мащенко, В. Ю. Физическое и математическое моделирование топливоподачи и внутрицилиндровых процессов в судовых дизелях / В. Ю. Мащенко, В. В. Гаврилов // Мат. междунар. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГУВК, 2009 г. -6 с.

27. Мащенко, В. Ю. Исследование влияния профиля камеры сгорания на рабочий процесс дизеля с использованием программы СуЬег01еБе1. / В. Ю. Мащенко, В. В. Гаврилов // Сб. мат. межотр. научн.-техн. конф. - СПб.: СПбГМТУ, 2010 г. - С.57-59.

28. Мащенко, В. Ю. Исследование влияния диаметра сопловых отверстий на процесс топливоподачи в дизеле ЧН 30/38 с использованием программы СуЬегБ1езе1. / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко // Сб. матер, межотр. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГМТУ, 2012 г. - С.56-57.

29. Мащенко, В. Ю. Методика и программа расчёта топливоподачи и внутрицилиндровых процессов в дизеле с объёмным смесеобразованием. / В. В. Гаврилов, В. Ю. Мащенко // Сб. матер, межотр. науч.-техн. конф. - СПб.: СПбГМТУ, 2013 г. - С.20-23.

Подписано в печать 05.03.13 Сдано в производство 05.03.13

Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1.

__Тираж 90 экз._Заказ № 26_

Государственный университет морского н речного флота именн адмирала С.О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» (СПбГМТУ)

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧИХ

ПРОЦЕССОВ В СУДОВОМ ДИЗЕЛЕ СОГЛАСОВАННЫМ ВЫБОРОМ ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ И КАМЕРЫ

СГОРАНИЯ

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Мащенко Владимир Юрьеви >

04201357439

Гаврилов Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор

Санкт-Петербург - 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................5

1 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДИК РАСЧЕТА ТОПЛИВОПОДАЧИ И ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ДИЗЕЛЕ...............................10

1.1 Методики расчета топливоподачи...........................................................10

1.1.1 Математические модели процесса топливоподачи...............................10

1.1.2 Методика расчета Ю. Я. Фомина............................................................12

1.1.3 Методика расчета Б. П. Пугачева............................................................15

1.1.4 Общая оценка методик расчета топливоподачи....................................18

1.2 Методики расчета внутрицилиндровых процессов..............................22

1.2.1 Классификация моделей внутрицилиндровых процессов....................22

1.2.2 Методики расчета с интегральным описанием рабочего тела без учета характеристики топливоподачи............................................................................23

1.2.3 Методики расчета, интегрально описывающие рабочее тело с учетом характеристики топливоподачи............................................................................27

1.2.4 Методики расчета, описывающие структуру рабочего тела без учета пристенных потоков...............................................................................................30

1.2.5 Методики расчета, описывающие структуру рабочего тела с учетом пристенных потоков...............................................................................................31

1.2.6 Общая оценка методик расчета внутрицилиндровых процессов................................................................................................................33

1.3 Учет кинетики химических реакций при моделировании внутрицилиндровых процессов........................................................................34

1.3.1 Классификация кинетических моделей..................................................34

1.3.2 Кинетические модели предпламенных процессов................................36

1.3.3 Кинетические модели одностадийного процесса горения...................38

1.3.4 Кинетические модели двухстадийного процесса горения...................39

1.3.5 Моделирование образования оксидов азота.........................................42

1.3.6 Общая оценка кинетических моделей...................................................46

1.4 Выводы по разделу и задачи исследования.............................................48

2 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТОПЛИВОПОДАЧИ И ЛОКАЛЬНЫХ ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ........................................................................................................51

2.1 Модель топливоподачи...............................................................................51

2.1.1. Подмодель движения топлива в топливном насосе высокого давления..................................................................................................................51

2.1.2. Подмодель движения топлива в трубопроводе высокого давления...54

2.1.3. Подмодель движения топлива в форсунке...........................................56

2.2 Модель смесеобразования.......................................................................59

2.2.1 Подмодель распада топливной струи..................................................59

2.2.2 Подмодель движения топливной струи...............................................62

2.2.3 Подмодель испарения топливной струи..............................................72

2.3 Модель сгорания.......................................................................................75

2.3.1 Подмодель локальных предпламенных процессов.............................75

2.3.2 Подмодель локальных процессов тепловыделения и образования оксида азота.........................................................................................................79

2.3.3 Подмодель интегральных параметров рабочего процесса.................83

2.4 Выводы по разделу....................................................................................87

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ТОПЛИВОПОДАЧИ И ЛОКАЛЬНЫХ ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ......................................................................................................90

3.1 Алгоритм расчета топливоподачи..........................................................90

3.1.1 Расчет процесса в трубопроводе высокого давления...........................90

3.1.2 Расчет процесса в топливном насосе высокого давления....................93

3.1.3 Расчет процесса в форсунке....................................................................96

3.1.4 Общая характеристика алгоритма расчета топливоподачи.................99

3.2 Алгоритм расчета смесеобразования.....................................................101

3.2.1 Расчет распада топливной струи...........................................................101

3.2.2 Расчет движения топливной струи........................................................104

3.2.3 Расчет испарения топливной струи.......................................................107

3.3 Алгоритм расчета сгорания.....................................................................110

3.3.1 Расчет локальных предпламенных процессов.....................................110

3.3.2 Расчет локальных процессов тепловыделения и образования оксида азота.......................................................................................................................112

3.3.3 Расчет интегральных параметров рабочего процесса.........................116

3.4 Программа расчета...................................................................................118

3.4.1 Общая характеристика алгоритма расчета..........................................118

3.4.2 Разработка программы расчета.............................................................123

3.4.3 Анализ адекватности математического моделирования....................127

3.5 Выводы по разделу...................................................................................131

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТОПЛИВОПОДАЧИ И ВНУТРИ-ЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СУДОВЫХ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЯХ...........................................................................................................133

4.1 Методика выбора сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания дизеля..................................................................................................................133

4.1.1 Основные принципы построения методики........................................133

4.1.2 Моделирование процесса топливоподачи в дизеле ДН 23/30...........136

4.1.3 Моделирование рабочего процесса дизеля ДН 23/30.........................138

4.2 Результаты расчетно-экспериментального исследования процессов в дизелях ЧН30/38.................................................................................................143

4.2.1 Моделирование процесса топливоподачи в дизеле ЧН 30/38............143

4.2.2 Моделирование рабочего процесса дизеля ЧН 30/38.........................146

4.3 Результаты расчетно-экспериментального исследования процессов в дизелях ЧН26/26.................................................................................................150

4.3.1 Моделирование процесса топливоподачи в дизеле ЧН 26/26............150

4.3.2 Моделирование рабочего процесса дизеля ЧН 26/26..........................153

4.4 Выводы по разделу....................................................................................155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................158

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...............160

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЯ

183

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Для

решения актуальных проблем энергосбережения и охраны окружающей среды требуется совершенствование рабочих процессов, протекающих в энергетических установках, в частности, в судовых двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Качество рабочих процессов в судовом ДВС, от которого зависят технико-экономические и экологические показатели двигателя, в значительной мере определяется согласованностью параметров топливной аппаратуры (ТА) и камеры сгорания (КС). Вместе с тем, в настоящее время отсутствуют достаточно эффективные методики, позволяющие выполнить указанное согласование при проектировании нового двигателя или создании его модификации. Такое согласование выполняется путем преимущественно трудоёмких и дорогостоящих доводочных испытаний, не всегда обеспечивающих желаемый результат. Требуется создать методику, основанную на уточнённых знаниях и локальном математическом моделировании сложнейших внутрицилиндровых процессов и топливоподачи (ТП). Указанная математическая модель должна отражать влияние основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС на показатели двигателя, а также обеспечивать возможность определения наилучшего их сочетания в ходе доводочных работ.

Таким образом, тему настоящей работы, направленной на повышение эффективности рабочих процессов в судовом дизеле согласованным выбором параметров ТА и КС, следует считать актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей судовых дизелей с объемным смесеобразованием за счёт взаимного увязывания параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания, обеспеченного путем разработки методики, программы, а также проведения численного моделирования процессов топливоподачи и внутрицилиндровых процессов.

Задачи работы. Достижение указанной цели намечено путем решения следующих задач.

I. Разработать усовершенствованную комплексную математическую модель ТП и локальных внутрицилиндровых процессов применительно к дизелям с объемным смесеобразованием.

II. Разработать алгоритм и программу расчёта ТП и локальных внутрицилиндровых процессов, пригодные для согласования параметров ТА и КС и оценки основных технико-экономических показателей дизеля.

III. По результатам математического моделирования уточнить физическую картину внутрицилиндровых процессов в различных областях камеры сгорания дизеля.

IV. Разработать методику расчётного согласования основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС дизеля при его доводке на заводском стенде.

V. Разработать рекомендации к выбору сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС для повышения технико-экономических показателей применительно к конкретным моделям судовых среднеоборотных дизелей.

Научная новизна. Разработана новая комплексная методика расчёта процессов топливоподачи и внутрицилиндровых процессов, позволяющая получить высокие технико-экономические показатели судового дизеля с объемным смесеобразованием и уменьшить трудоёмкость работ по доводке дизелей на заводских стендах.

В работе получен ряд новых научных результатов.

1. Повышено качество и расширена область применения математической модели внутрицилиндровых процессов путем ее дополнения моделью процесса топливоподачи.

2. Предложены уточнённые уравнения движения топлива в трубопроводе высокого давления (ТВД), учитывающие скорости движения в сопряжённых объемах - в штуцере топливного насоса высокого давления (ТНВД) и в надыгольной полости форсунки.

3. Уточнены уравнения движения нагнетательного клапана в ТНВД и иглы распылителя в форсунке.

4. Применен метод контрольных объемов (КО) для локального математического моделирования предпламенных процессов, процессов тепловыделения и образования монооксида азота (NO) по уравнениям химической кинетики с учётом переноса теплоты и массы основных компонентов рабочего тела.

5. Получено расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе, хорошо согласующееся с экспериментальными данными.

6. Обнаружено существенное различие в форме характеристик испарения и горения в дизеле; указанное различие объяснено пространственно-временной неоднородностью свойств рабочего тела в камере сгорания.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость заключается в обосновании целесообразности ' комплексного подхода к математическому моделированию топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов, в уточнении представлений о пространственно-временном распределении свойств рабочего тела в КС дизеля, в определении и объяснении взаимного расположения характеристик испарения и горения. Практическую значимость представляет собой методика согласования конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС дизеля с объемным смесеобразованием, применение которой обеспечивает получение высоких показателей вновь создаваемых и модернизируемых дизелей, а также сокращение трудоёмкости доводки их конструкции. Полученные с использованием предложенной методики результаты указанного согласования применительно к ряду моделей дизелей семейств ЧН 30/38 и ЧН 26/26 рекомендованы заводу для улучшения их показателей.

Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования явилась совокупность общенаучных и специальных методов научного познания. Применены теоретико-эмпирические

методы, методы математического и физического моделирования, системный подход к изучению комплекса рабочих процессов, происходящих в судовом дизеле.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1) методика выбора сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС в судовом среднеоборотном дизеле с объемным смесеобразованием на основе математического моделирования ТП и локальных внутрицилиндровых процессов;

2) расширенная и уточнённая комплексная математическая модель ТП и локальных внутрицилидровых процессов, реализованная в авторской программе СуЬегВ1езе1;

3) уточнённые уравнения для расчёта процесса ТП - уравнения движения топлива в ТВД, движения нагнетательного клапана в ТНВД и иглы распылителя в форсунке;

4) расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе;

5) уточнённая физическая картина локальных внутрицилиндровых процессов в части влияния пространственно-временной неоднородности свойств рабочего тела в КС дизеля на характеристики испарения и горения топлива;

6) практические рекомендации для согласования конструктивных и регулировочных параметров дизелей типа ЧН 30/38 и ЧН 26/26 с целью улучшения их показателей.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных результатов обеспечена корректным использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена, химической кинетики, современных численных методов реализации математических моделей и современных средств измерений. Достоверность теоретических выводов подтверждена экспериментальными исследованиями элементарных процессов ТП и смесеобразования в модельных установках и в судовых дизельных двигателях.

Экспериментально подтверждена адекватность разработанной математической модели реальным рабочим процессам.

Материалы проведенных исследований были доложены на Всероссийских, межведомственных и вузовских научно-технических конференциях: Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (2000, 2005, 2008, 2010, 2012, 2013 гг.); Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (2005 г.); Военно-морской инженерный институт (Санкт-Петербург, 2000, 2002 и 2003 гг.); Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций (2003 г.); Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (2003 и 2004 гг.); Санкт-Петербургская государственная морская академия им. адмирала С.О. Макарова (2002 г.). Часть результатов исследований были обсуждены и одобрены на заседании НТС Коломенского завода (2002 г.).

Публикации. По теме работы опубликовано 29 научных трудов, в том числе: тезисы докладов — 12, научных статей - 16 (в том числе без соавторов - 4), одно свидетельство о регистрации программы. В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 4 статьи (в том числе без соавторов - одна статья).

Личный вклад. Автор диссертации самостоятельно решил все поставленные задачи: уточнил и развил математическую модель процессов, разработал алгоритм и программу расчёта, выполнил теоретический анализ результатов и проверил их в экспериментах на дизеле.

1 АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДИК РАСЧЁТА ТОПЛИВОПОДАЧИ И ВНУТРИЦИЛИНДРОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ДИЗЕЛЕ

1.1 МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ТОПЛИВОПОДАЧИ

1.1.1 Математические модели процесса топливоподачи

Большинство специалистов сходятся во мнении, что топливоподача оказывает определяющее влияние на комплекс внутрицилиндровых процессов, следовательно, на технико-экономические и экологические показатели судовых дизелей. Обобщив проблемы математического моделирования этих процессов, Ю. Б. Свиридов сделал вывод о том, что их можно сформулировать как отыскание корреляционной зависимости между интегральными характеристиками топливоподачи и тепловыделения [79]. Понятно, что приступать к поиску такой связи следует с моделирования процесса топливоподачи.

Существующие модели процесса топливоподачи принято условно разделять на статические и динамические [89]. В первом случае используется уравнение сжимаемости в трубопроводе высокого давления (ТВД) и в смежных с ним элементах системы без учёта волновых явлений. Во втором случае используются уравнения неустановившегося движения жидкости в ТВД с учётом уравнений граничных условий в конструктивных элементах системы. Статические модели соста�