автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение экономичности судовых дизелей посредством улучшения объемного смесеобразования

Новосибирская государственная академия водного транспорта

На правах рукописи УДК 621.431.74-44

ЧАДАЕВ ПАВЕЛ КОНСТАНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПОСРЕДСТВОМ УЛУЧШЕНИЯ ОБЪЕМНОГО СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ

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

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: Заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор, академик О.Н. Лебедев; кандидат технических наук, доцент Г.С. Юр

Новосибирск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава1. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБЪЕМНОЕО СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ - МОЩНЫЙ РЕЗЕРВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ.....................................................9

1.1. Актуальность проблемы улучшения качества струйного смесеобразования в судовых дизелях..............................................................9

1.2. Обзор и анализ методов улучшения струйного смесеобразования.............................................................................................12

1.3. Выбор метода возмущения воздушного заряда в дизеле и обзор работ по изучению его влияния на процессы смесеобразования и сгорания.............................................................................................................16

1.4. Обзор и анализ работ по исследованию влияния давления впрыскивания топлива на параметры смесеобразования и рабочего процесса дизеля в целом.................................................................................21

1.5. Выводы по обзору. Постановка задач исследования..................27

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ НА ПРОЦЕССЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ.....................................................................................30

2.1 Математическая модель процессов движения и тепломассообмена капель топлива, взвешенных в возмущенной газовой среде...................................................................................................................30

2.2 Апробация численного метода исследования процессов тепломассообмена капель топлива................................................................37

2.3. Анализ результатов численного эксперимента по влиянию возмущения воздушной среды на динамику движения и процессы тепломассообмена взвешенных капель........................................................41

2.3.1. Численные исследования движения взвешенных капель без их испарения.....................................................................................................41

2.3.2. Обобщенная зависимость для средней скорости обдува капли, взвешенной в возмущенной газовой среде....................................................46

2.3.3. Влияние формы колебаний воздушной среды на скорость обдува взвешенных капель топлива..............................................................49

2.3.4. Влияние возмущения среды на процессы движения и тепломассообмена взвешенных капель........................................................55

2.4. Основные результаты исследования. Выводы...........................63

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И ДАВЛЕНИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ НА ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ...................................66

3.1. Экспериментальное исследование влияния возмущения среды на процесс испарения и горения закрепленных капель топлива..............66

3.2. Экспериментальное исследование влияния давления впрыскивания на основные показатели возмущения среды в топливно-воздушной струе...............................................................................................71

3.3. Влияние возмущения среды и давления впрыскивания топлива на параметры макросмесеобразования.........................................................80

3.4. Основные результаты исследования. Выводы...........................83

Глава 4. ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ И ДАВЛЕНИЯ ВПРЫСКИВАНИЯ

ТОПЛИВА НА ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДИЗЕЛЯ.....................86

4.1. Описание экспериментальной лабораторной установки и методики проведения эксперимента.............................................................86

4.2. Анализ результатов лабораторных исследований......................93

4.3. Оценка экономической целесообразности применения профилированных поршней в судовых вспомогательных дизелях..........98

4.4. Основные результаты исследования. Выводы.........................101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................103

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................106

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что проблема экономии топлива является одной из важнейших для нашей страны. Особенно актуальными эти вопросы стали в последнее время в связи с переходом на рыночные отношения. Данная проблема имеет большое значение и для речного транспорта, который является крупным потребителем дефицитного дизельного горючего. В данной диссертационной работе исследуется один из перспективных методов снижения расхода топлива в судовых дизелях.

На примере анализа состава дизельного парка судов Западно-Сибирского речного пароходства показано, что основным типом двигателей на теплоходах речного флота являются дизели с объемным смесеобразованием. Органическим недостатком этих машин является переобогащение топливом центральной части топливных струй, что вызывает интенсивное сажеобразование в этой области. Последнее существенно ухудшает экономические, мощностные и экологические показатели двигателей. Возникает задача найти простой в осуществлении и эффективный в действии метод устранения (или заметного ослабления) этого несовершенства.

Для решения поставленной задачи использован метод дополнительного возмущения воздушного заряда посредством специального профилирования поршня. Возмущение среды, как известно, приводит к сокращению длины топливной струи. Естественно возникает опасение, что это может нарушить соотношение между геометрией факела и формой камеры сгорания. В результате может иметь место ухудшение качества рабочего процесса. Данный недостаток предложено элиминировать посредством увеличения давления впрыскивания топлива.

В работе сделана попытка теоретическим путем изучить влияние параметров возмущения среды на динамику движения и тепломассообмен взвешенных в воздушном потоке капель. Для выполнения данной задачи были созданы математическая модель и численный метод исследования этого сложнейшего физического процесса. Данные разработки сделаны с использованием последних достижений в области фазовых превращений нефтепродуктов при высоких значениях давлений и температур газовой среды. В отличие от существующих, предлагаемые математическая модель и расчетный метод включает в себя уравнение движения капли, что позволило получить дополнительное уточненные данные о скорости обдува частиц, которая играет большую роль в процессах тепломассоомена. Расчетный метод был подвергнут апробации путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных по испарению закрепленных частиц разных топлив.

В результате анализа материалов обширного вычислительного эксперимента были установлены некоторые особенности процессов движения, прогрева и испарения капель топлив. В частности было подтверждено, что возмущение среды является действенным методом интенсификации процессов микросмесеобразования. Показано, что на динамику движения и испарения частиц, взвешенных в газовой возмущенной среде, существенное влияние оказывают их размеры, а также форма пульсаций скорости движения потока. Дано объяснение эти наблюдениям. На основе обработки расчетных данных получена новая, более точная формула для нахождения скорости обдува капель пульсирующим потоком и др.

Посредством специального эксперимента констатировано, что динамика равновесного испарения и горения капель, закрепленных в возмущенном потоке, различна. Эти опыты также подтвердили тот факт, что возмущение среды является действенным методом интенсификации процессов микросмесеобразования.

В результате экспериментов, проведенных на опытной установке, которая включает в себя лазерно-доплеровский анемометр, установлено, что с увеличением давления впрыскивания топлива параметры возмущения (частота и амплитуда пульсаций скорости движения частиц) растут. Установлены некоторые особенности этого эффекта.

На основе анализа расчетного материала показано, что посредством относительно небольшого увеличения давления впрыскивания топлива вполне можно компенсировать сокращение длины топливной струи, вызванное возмущением воздушного заряда.

Посредством испытаний, проведенных на двигателе Ч 10,5/12, установлено, что выбранный метод возмущения воздушного заряда, основанный на возбуждении в камерах сгорания газодинамических колебаний при помощи специального профилирования верхней части поршня совместно с небольшим увеличением давления впрыскивания топлива, оказался весьма эффективным. Так, существенно (на 10-12 г/кВт-ч и более) сократился удельный индикаторный расход топлива без заметного ухудшения динамических показателей двигателя. При этом наибольший экономический эффект получен на долевых нагрузках, что очень важно для вспомогательных дизелей, приводящих в действие судовые электрогенераторы.

Экономические расчеты показали, что применение выбранного метода • улучшения качества смесеобразования применительно к судовым дизель-генераторам вполне обоснован. Все затраты, связанные с практическим внедрением этого способа, окупаются в течение -1/6 продолжительности навигации.

В соответствии с вышеизложенным к защите представляются следующие материалы:

1. Поправки в математическую модель и численный метод исследования процессов тепломассообмена капель, взвешенных в возмущенной воздушной

среде. Это дало возможность проследить посредством расчетов за динамикой скоростей движения капли и газовой среды, а также за изменениями во времени скорости обдува частиц.

2. Материалы апробации и коррекции численного метода расчета процессов тепломассообмена капель топлива, взвешенных в воздушной среде.

3. Новую формулу для оценки скорости обдува капель, взвешенных в возмущенной воздушной среде.

4. Результаты массового вычислительного эксперимента, которые позволяют установить основные закономерности процессов движения, прогрева и испарения капель топлива, взвешенных в возмущенном воздушном потоке.

5. Материалы экспериментального исследования процессов испарения и горения капель в акустически возмущенной воздушной среде.

6. Результаты исследования параметров пульсационного движения капли топлива в струе в зависимости от давления впрыскивания горючего.

7. Итоги лабораторных испытаний двигателя 410,5/12 с обычными и профилированными поршнями.

8. Оценку экономической целесообразности использования профилированных поршней для вспомогательных дизелей, приводящих в действие судовые электрогенераторы.

Глава! УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБЪЕМНОГО СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ - МОЩНЫЙ РЕЗЕРВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

1.1. Актуальность проблемы улучшения качества струйного смесеобразования в судовых дизелях

На судах речного флота наибольшее распространение получили дизели с объемным смесеобразованием. Последнее хорошо иллюстрируется материалами по ОАО "Западно-Сибирское речное пароходство", которые приведены в табл. 1.1. Такой выбор объясняется тем, что двигатели с этим способом смесеобразования характеризуются:

- высокой экономичностью;

- хорошими пусковыми качествами;

- простой формой КС.

Однако этот способ смесеобразования имеет и ряд существенных недостатков, среди которых наиболее важным является то, что внутри топливных струй имеет место большая неравномерность локальных значений коэффициента избытка воздуха. Благодаря этому в центральной части струй наблюдается значительная нехватка окислителя. Именно здесь при высоких температурах, возникающих после воспламенения топлива, создаются благоприятные условия для химических реакций разложения топлива, которые сопровождаются интенсивным выделением свободного углерода - сажи.

Интенсивное сажеобразование в цилиндре дизеля крайне нежелательно, т.к. оно ухудшает экономические и экологические показатели двигателя. Для обеспечения необходимой экономичности двигателя требуется существенное увеличение суммарного коэффициента избытка воздуха, что, в свою очередь, ведет к заметному уменьшению располагаемой мощности дизеля. Таким обра-

зом улучшение качества струйного смесеобразования является существенным резервом повышения мощности двигателя при неизменных его весовых, габаритных и скоростных показателях.

Таблица!. 1

Баланс двигателей, установленных на судах ЗСРП

№ Марка двига- Заводская Количество Мощность Давление от- Способ

теля по ГОСТ марка двигателей двигателя, крытия иглы смесеоб-

в ЗСРП, шт кВт форсунки, разова-

МПа ния

1 2 3 4 5 6 7

Главные двигатели

1 4Ч12'5/9 4ФД12'5/9 4 30 25 ОС

2 6ЧСП12/]4 К-161МЗ-1 14 66 16 ОС

3 6ЧСП15/18 ЗД6 79 110 21 ОС

4 6ЧСПН15/18 ЗД6Н 9 173 21 ОС

5 12ЧСП15Л8 ЗД12 14 240 21 ОС

6 12ЧСПН15/18 7Д12 14 382 21 ОС

7 6ЧН1б/22.5 68160РЫ 1 170 21 ОС

8 6ЧН1б/22.5 6Ы60РШ 25 170 21 ОС

9 12ЧСПН18/20 М401 55 736 20 ОС

10 6ЧСП18/22 ДД105,ДД106 143 110 21 ОПС и ОС

11 6ЧСПН18/22 ДДЮ7 91 165 21 ОПС и ОС

12 6ЧСП18/2б 6НФД26 1 147 35 ОС

13 6ЧСПН18/2б 6НФД26АЗ 104 287 35 ОС

14 6Ч23/3о - 28 260 22 ОС

15 8Ч23/30 - 5 353 20 ОС

16 8ЧР24/зб 8НФД36-1У 8 441 28 ОС

17 8Ч24/Зб 8НФД36 51 300 28 ОС

18 8ЧРН24/Зб 8НФД36 АУ 2 441 28 ОС

19 6Ч25/34 - 7 284 21 ОС

20 6ЧН25/з4 - 2 345 21 ОС

21 6ЧР32/48 6НФД48У 22 485 35 ОС

22 6чнр32/48 6НФД48АУ 2 736 35 ОС

23 8ЧНР32/48 8НФД48А 4 970 35 ОС

24 6ЧРНзб/45 Г-70 48 883 20 ОС

25 4Ч12/14 СМД145 1 61 21 ОС

26 8Ч13/14 ЯМ3238 6 158 21 ОС

Итого 740

Продолжение таблицы 1.1.

1 2 3 4 5 6 7

Вспомогательные двигатели

1 2Ч8'5/п ДС-25 42 11,3 11 ВКС

2 4Ч8'5/ц 5Д4 61 19 11 ВКС

3 2Ч10<5/13 К-167 7 18 15 ВКС и ОС

4 4Ч10>5/13 К-962 194 29,4 15 ВКС и ОС

5 6Чп/1б 6Ы10 1 78 20 ОС

6 6Ч12/14 К161 128 66 16 ОС

7 ЗЧ14>5/12 ЗФД 14'5Л2 40 31 25 ОС

8 4Ч14,5/]2 4ФД14'5/12 6 43 25 ОС

9 зч15/18 ЗНФД18 31 78 30 ОС

10 6Ч15/18 ЗД6 15 110 21 ОС

11 6ЧН16/22.5 бБШРИ 1 170 21 ОС

12 4Ч17'5/24 6НФД24 2 74 30 ОС

13 6Ч18/22 ДДЮЗ 1 110 21 ОПС иОС

14 6ЧН18/22 ДДЮ7 28 165 21 ОПС иОС

15 4Ч18/2б 4НФД26 33 99 35 ОС

Итого 590

Обозначения: ОС - объемное смесеобразование; ОПС - объемно-пленочное смесеобразование; ВКС - вихрекамерное смесеобразование.

В работах [2, 60] и др. показано, что в последнее время в связи с острой нехваткой финансирования, ремонт дизельного парка речного флота производится с большими задержками, а иногда и вообще не делается. Это резко снижает техническое состояние двигателей, а вместе с ним - и их топливную экономичность. Поэтому улучшение качества смесеобразования посредством какого-либо относительно недорогого в осуществлении метода открывает возможности повышения экономичности дизелей в эксплуатационных условиях.

Наконец, улучшение струйного смесеобразования должно привести к сокращению сажеобразования в цилиндре дизеля, а следовательно, к уменьшению попадания сажи на масляную пленку, что, как показано в работе [2] приводит к сокращению угара масла.

Приведенные выше соображения позволяют сделать вывод о том, что объемное смесеобразование, широко используемое в дизелях речного флота, нуждается в усовершенствовании.

1.2. Обзор и анализ методов улучшения струйного смесеобразования

В предыдущем параграфе было показано, что недостатком объемного смесеобразования является переобогащение топливом центральной части струи. В результате в ней образуется сажа, которая плохо горит. Это ведет к затягиванию процесса горения. Динамика тепловыделения становится не оптимальной. В итоге увеличивается удельный расход топлива, ухудшаются экологические показатели двигателя (дымный выхлоп).

Имеется несколько способов улучшения качества струйного смесеобразования. Основными из них являются:

> подогрев топлива до температуры 200...300°С и выше [13, 20, 102, 107 и

др-1;

> предварительное насыщение топлива воздухом или другим газом [62, 70 и

др ];

> дробное (прерывистое) впрыскивание топлива [54, 70, 96 и др.];

> обработка топливной струи электрическим или магнитным полем [23, 105, 106, и др.];

> закрутка воздушного заряда [40, 47, 65, 75, 76, 91, 93, 108, 113 и др.];

> применение турбулизирующих струй [23, 57, 58, 72, 73 и др.];

> организация вихря на такте сжатия, посредством выжимания воздуха из зазора между поршнем и крышкой цилиндра [16, 19 и др.];

> использование особых форм распыливающих отверстий [37, 38 и др.];

> повышение давления впрыскивания [3, 4, 5, 22, 44, 53, 55, 66, 98, 101, 114 и

др];

> турбулизация воздушного заряда [42, 47, 79, 81, 84 и др].

Рассмотрим эти методы более подробно. Первый путь требует создания высокоэффективных пожаробезопасных и экономичных подогревателей топлива, которые бы не увеличивали объем топлива, нжодящегося в магистрали высокого давления. Это довольно сложная задача, которая до настоящего времени не решена и требует дополнительных серьезных исследований и разработок.

Предварительное насыщение топлива воздухом довольно эффективно, но для реализации этого метода требуется переделка топливной аппаратуры дизеля и исследование влияния данного способа на эксплуатационные характеристики всей топливоподающей аппаратуры и дизеля в целом.

При использовании дробного впрыскивания топлива возникает проблема повышенного износа иглы распылител