автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Повышение эксплуатационно-технических характеристик транспортных дизелей в условиях высокогорья

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Р ГБ ОД На правах рукописи

1 2 С".,; г: '

Мырзахметов Бенбит Абикснонич

Повышение эксплуатационно-технических характеристик транспортных дизелей в условиях высокогорья.

Специальность: 05.04.02 "Тепловые двигатели" 05.05.05 - Падъемн о-транспортные машины

Автореферат диссертация аа сояссанне ученой степени

ч

: »андмдмг» технических наук

Алматы 1994

Работа выполнена в Алматинском энергетическом институте и Казахском национальном техническом университете

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор К.Б.Ермекбаев

Научный консультант - кандидат технических наук

доцент К.Б.Досумов Ведущее предприятие - Акционерное общество " Барнаултрансмаш".

Официальные оппоненты:-

доктор технических наук,профессор А.Л.Новоселов

(АлГТУ им. И.И.Подэунова,г. Барнаул ); кандидат технических наук,доц. Ж.Н.Касымбеков, (КазНТУ.г.Алматы).

Защита состоится п<?9 " се/г/ТГяб1994г.в /У часов ^^ минут. на заседании специализированного совета К 14.13.02

• в ауд. -ЗО/ (480013, г. Алматы, уд. Сатпаева 22 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

в Казахском национальном техническом университете

Автореферат

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,доцент

ПОБШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО- ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГОРЬЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Двигатели внутреннего- сгорания, остаются основным силовым агрегатом во многих отраслях народного хозяйства благодаря их высокой экономичности,достаточной

долговечности,, значительному диапазону агрегатных мощностей и универсальности применения.

В настоящее время перед двигзтелестроителямй стоят задачи по коренному повышению качества двигателей, их технического уровня, производительности, надежности и экономичности. Особое внимание должно уделяться улучшению их экономичности и эффективности в эксплуатационных условиях,т.к.производительность машин,действительный ресурс двигателей и эксплуатационные расходы в существенной мере определяются условиями эксплуатации (климатическими условиями,степенью загрузки двигателя,частотой и интенсивностью смен режимов и т.п.).

Совместное влияние вышеперечисленных условий эксплуатации чаще всего наблюдается при работе двигателей в высокогорных районах, которые составляют значительную долю площадей Казахстана и республик Средней Азии.

Исследованиями советских и зарубежных авторов установлено, что при эксплуатации дизелей в высокогорных районах вследствие снижения, главным образом, плотности воздуха наблюдается существенное ухудшение эффективных и экономических показателей, повышение тепловой напряженности, снижение ресурса и надежности.

Однако несмотря на достаточно пристальное внимание к данной проблеме в подавляющем большинстве экспериментальных исследований объектам испытаний был собственно двигатель без штатных объектовых систем (охлаждения, смазки, газообмена и т.п.). Между тем, изменение атмосферных условий приводит и к изменению условий и характеристик систем двигателя, что,в свою очередь, ухудшает технико-экономические показатели собственно двигателя и транспортно-силовой установки в целом.

В условиях высокогорья существенно ухудшайся и пусковые качества дизелей, связанное со снижением параметров конца такта сжатия и понижением температуры окружающей среды. Исследования пусковых качеств дизелей в реальных условиях высокогорья до настоящего времени практически не проводились, тогда как обеспечение им требуемых эксплуатационно-технических показателей возможно лишь при надежном его запуске.

Рекомендуемые авторзми ограничения режимов работы двигателей в высокогорных условиях* по внешним параметрам,без учета их совместной работы со штатными системами и внутрициляндровых процессов, могут привести в эксплуатации либо к недобору мощности, либо к неоправданно высоким ее значениям.

... Однако особую опасность для двигателей с алюминиевыми поршнями и головками в высокогорных условиях, как показали результаты исследований, представляет специфический вид разрушения их огневых ..поверхностей - "эрозия" или т.н."выгорание", обусловленное длительным периодом задержки воспламенения из-за низких ■ значений коэффициента избытка воздуха и, как следствие, высокими показателями динамики цикла. Физические причины квазидетонационного сгорания и его влияние на эрозионное выгорание деталей камеры сгорания не до конца определены. Проведение же натурных экспериментальных исследований двигателей предполагает большие материальные и трудовые затраты, что, по- видимому, послужило причиной выполнения большого ряда исследований с имитацией высокогорных условий. Однако адекватность существующих методик имитаций реальным высокогорным условиям, особенно при наличии систем двигателя, до настоящего времени недостаточно подтверждена.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение эксплуатационно-технических характеристик транспортного дизеля 6 Ч 15/15 в ВГУ путем проведения теоретических и экспериментальных исследований в реальных высокогорных условиях.Поиск эффективных путей улучшения его характеристик, обеспечивающих надежную и экономичную работу.

Диссертационная работа являлась основной частью работ, проводимых Министерством оборонной промышленности СССР по теме "Исследование и совершенствование высокогорных характеристик транспортных двигателей отрасли ".приказ N 398 от 05.11.86г.

Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

1. F5C4STH0-теоретический анализ особенностей протекания рабочего процесса дизеля . и характеристик его систем в условиях высокогорья.

2. Техническая разработка и создание специальной экспериментальной базы для проведения экспериментов в натурных условиях высокогорья.

3. Комплексные экспериментальные исследования дизеля в составе штатных объектовых систем с изучением особенностей протекания рабочего процесса и определением степени влияния внешних условий на его технико-экономические показатели, эффективность работы его систем (охлаждения, смазки .пусковые качества и т.п.), исследованием причин эрозионных разрушений деталей КС и поиском эффективных путей повышения эксплуатационно-технических характеристик силовой установки.

4. Анализ и обобщение результатов исследования с уточнением математической модели рабочего процесса и методики имитации высокогорных условий для удешевления ззтрат при доводке новых перспективных двигателей.

ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.В качестве объекта исследования использован дизель б Ч 15/15 (УТД-20).широко используемый в различных транспортных,подъемно-транспортных и доро/шо-строитель-•ных машинах.Основным методом исследования принят метод экспериментальных исследований дизеля в составе штатных объектовых систем в реальных условиях высокорья на высоте 3340 м в специально созданной высокогорной испытательной станции,оснащенной современными измерительными средствами в соответствии с ГОСТ 14846-81. Для изучения закономерностей и численных опенок влияния высокогорных условий на показатели силовой установки использованы результаты параметрических испытаний в объектовых условиях при нормальных физических условиях., а также методы теоретического и расчетного анализа на математических моделях исследуемых процессов .

НАУЧНАЯ НСЕИ5НА. В результате выполненных исследований получены следующие основные теоретические и экспериментальные данные, определяющие новизну работы:

1. Впервые в реальных высокогорных условиях проведены экспериментальные исследования дизеля з составе штатных объектовых систем;получены данные о влиянии внешних условий на показатели

дизеля типа 5Д20 (6 Ч 15/15) к эффективность работы его систем. Установлено,что работу дизеля в высокогорных условиях лимитирует штатная система охлаждения,что приводит к значительному недобору мощности.

2. Показана и экспериментальна подтверждена возможность повышения эксплуатационно-технических показателей силовой установки путем снижения угла опережения подачи топлива и изменением условий смесеобразования углублением распылителей форсунок.

3. Установлено,что длительная тепловая подготовка топлива, связанная с повышением периода индукции топлива из-за низких значений oi. .приводит к существенному повышении показателей динамики цикла.Это приводит к резкому росту термических и механических нагрузок на детали камеры сгорания и снижению их работоспособности- их эрозии или т.н."выгоранию".

4.Получены экспериментальные данные по влиянию высокогорных условий и квззидетонационного сгорания на тепловое состояние деталей ЦПГ и работоспособность деталей КС.

.5. Впервые в реальных высокогорных условиях на высоте S34Q м проведены пусковые испытания от штатных систем пуска и предложены мероприятия по повышению пусковых качеств.

6. Разрзботанз математическая модель процессз газообмена, дсстовернссть которой подтверждена экспериментально, позволяющая прогнозировзть суммарный расход воздуха двигателем при изменении атмосферных условий и предложена .методика расчета расходных характеристик систем газообмена для имитации высокогорных условий.

rr°iКТЧЕ^КАР ^FA'i" 'OCT1- Дгя ^т-->,т

исследований двигателей в ЗГУ на высоте 3340 м над уровнем моря создана испытательная станция,сснаокннал всеми средствами измерения и регистрации параметров ■двигателей. Полученные результаты исследования и сравнительный анализ позволяют расширить и уточнить полученные ранее данные о работе двигателей,в условиях зысо-ксгсрья, служат исходным базовым материалам при проектировании и доводке новых перспективных дизелей, поелнагнзченных зля эксплуатации в различных климатических зонах, з талче ловсдке и соЕер-венствсзании их гнетем.

Результаты исследования знутри^-ннлреаь":-: процессов позволяют раелнеить представление о зизике процесса эрозионного рззрулення огневых поверхностей деталей камеры сгорания.

Предложены мероприятия по повышению эксплуатационно-технических характеристик силовой установки в ВГУ.

Отличительной особенностью предложенных мероприятий по повышению эксплуатационно-технических показателей силовой установки в высокогорных условиях является их доступность и простота, не требующая коренных переделок двигателя и систем.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты теоретического и экспериментального исследования использованы в НИИ двигателей ( г.Москва), заводе "Трансмзш" (г.Барнаул), машиностроительном заводе им.В.Я.Ленина (г.Курган) при выполнении комплексной программы по совершенствованию высокогорных характеристик двигателей отрасли.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались:

- На научно-технических конференциях АЗИ в 1985-1988 гг.

- На научно-техническом совете НИИД в 1988-1990гг.

- На всесоюзном научно-техническом семинаре "Теплообмен и теплснапряженность двигателей и их работа на неустановившихся режимах", ЛПИ им.М.И.Калинина, 18-19 января 1988 г.

- На Всесоюзном семинаре по ДЕС при МВТУ им.Н.Э.Баумана 1S апреля 19S0 г.

- На межотраслевой научно-технической конференции "Системы и метода стендовых испытаний транспортных турбопоршневых и газотурбинных двигателей",НИИД, 20-21 ноября 1S9C г.

- Ка Бсесоюэной отраслевой конференции молодых исследователей, г.Алма-Ата, 20-22 декабря 1989 г.

- На научно-техническом семинаре кафедры "ПТМ и Г" КазНТУ г.Алматы,17 мая 1994 г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из эведения,четырех глав и заключения,списка литературы,приложений и материалов о внедрении.Содержит {36 страниц основного текста, 37 страниц с иллюстрациями, U таблиц и 11 страниц с оглавлением и списком литературы, включающим 30 наименований литературных источников .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы основные положения диссертационной работы, . вынесенные на защиту и их научная новизна.

Первая глава посвящена обзору и анализу литературных источников, посвященных изучению влияния изменения атмосферных условий -в высокогорье на работу ДВС.

Исследованиям влияния высокогорных условий на работу дизелей посвящены работы советских и зарубежных авторов: Махалдиани В.В. ,Хантздзе Г. А. ,Джебашвили И.Я.,Гиттиса В.Ю.,Новака Д.Л. и др. в которых отмечается, что основными факторами, определяющими специфику.. работы двигателей в высокогорных условиях являются давление, температура и влажность окружающего воздуха. С повышением высоты местности и сопутствующем снижении Т,Р воздуха ( а следовательно и весового наполнения цилиндров воздухом) происходят существенные нарушения протекания рабочего процессз, которые приводят к ухудшению процессов смесеобразования и сгорания, падению мощности,росту температуры цикла и отработавших газов. В результате существенно ухудшаются технике-экономические показатели дизеля и его работоспособность.

Несмотря на столь пристальное внимание к данной проблеме до настоящего времени практически не проводились исследования двигателей в состзве штатных объектовых систем, тогда как изменение атмосферных условий приводит и к изменению условий работы и ха-оактепистик его оистеч. ?то, в пипю очепрлъ. п^лнзуэр.ет в^ян^е у.ъ эксплуатационно-технические показатели силовой установки в целом. Так, снижение теплопроизЕодительности штатной системы охлаждения в условиях высокогорья может привести к перегреву двигателя и выходу его из строя, для предотвращения чего необходимо снижать нзгрузку. Это приведет к еле большему недобору мощности.

Отсутствуют также и работы по исследованию пусковых качеств двигателей в реальных условиях Еысскогорья, тогда как снижение давления и температуры воздуха й цилиндре а момент педзчи топлива изменяет условия смесеобразования и воспламенения, ухудшая пуско-

вые качества. Обеспечение требуемых эксплуатационно-технических характеристик двигателем возможно лишь при его надежном запуске. Невозможность запуска рассматривается как его отказ. Имитация же высокогорных условий для пусковых испытаний без использования дорогостоящего оборудования (в частности-барокамер) практически невозможна.

Особую опасность в высокогорных условиях, как было установлено экспериментально, для быстроходных дизелей с алюминиевыми поршнями и головками, представляет эрозионное разрушение их огневых поверхностей,связанное с повышением показателей динамикй цикла. Механизм эрозионных разрушении и их причины при работе дизеля в высокогорных условиях до настоящего времени не определены, так как ни в одном из ранее проведенных исследований оно не отмечено. Это может быть связано с недостаточной продолжительностью испытаний, связанных с постановкой задачи, или особенностями смесеобразования и сгорания, т.е. конструктивными особенностями объектов испытаний.

Исходя из существующего состояния вопроса определены цели и задачи настоящих исследований.

ЕО ВТОРОМ РАЗДЕЛЕ приводится теоретический анализ влилни.-. параметров окружающей среды на рабочий процесс дизеля при его рч боте в объектовых условиях.

С учетом ранее проведенных исследований приводится математическая модель рабочего процесса, включающая математическую модель процессов гззсобменз,сжатия и сгорания. Отличительной особенностей поедлагнемой математической модели процесса газообмена является учет изменения инерционной способности воздуха с изменением параметров окружающей среды.

Для удобства использования система дифференциальных уравнений, списывающих этапы рабочего процесса, приведена в развернутом виде относительно изменения давления в цилиндре:

dPiCpg.Tg.dMtг , ./¿М ¿У) ОцЯц-вх , гл V . ^

Т-( с!/-т-м с^гм)+Чтг ~ТГс^т^м + [ 1 }

где (1Ч,а.Ч - соответственно, изменение массы ваадухз через впускные и газа через выпускные клапана;

дОя - теплота, подводимая (отводимая) за счет теплообмена; <30 » <3;£л<й< " теплота, подводимая б процессе сгорания;

Тв,Т - соответственно,температурз воздуха и газа;

Мв, М - соответственно,суммарная масса воздуха и газз в цилиндре;

Г (Ь ин.) - функция, учитываю|дая инерционные процессы.

Учет нестационарности (или инерционности) процесса проводился использованием уравнения Навье-Стокса для вязкого газа.

Уравнение ( 1 ) является удобным для качественного анализа и исследования различных процессов, протекающих в цилиндре, а также влияния различных физических и геометрических факторов на термодинамические параметры.

Приводится методика использования уравнения С *1 ) на основных этапах рабочего процесса.

Процесс впуска.

В процессе впуска выпускные органы закрыты (сйЛ = 0) и сгорания не происходит (с1х =0). Дифференциальное уравнение для процесса впуска примет вид:

~Р Су-Т-М ~ ^("нн) . (2)

Предпоследняя составляющая учитывает теплообмен от стенок КС. В конце такта количество и состояние рабочего тела характеризует качество наполнения. Количества воздуха и его температура определяются по известному уравнению состояния..

Процесс сжатия.

Для основной части процесса сжатия для уравнения ( 1 ) справедливы соотношения: аМв= 0, (ЗМ = 0, ах = 0 и Р(Ь ин.)=0. Следовательно, давление в цилиндр*? изменяется за счет уменьшения объема ( сЗУ < О) и теплообмена со стенками ( Т Ти ).Тогда дифференциальное уравнение процесса сжатия предстанет в виде:

р ~ К V СуМ-Т

Если известно экспериментальное значение показателя политропы П , ТО . с!Р _

—р- П'-цГ ( 4 )

В ходе процесса сжатия по рассчитанным термодинамическим параметрам з момент впрыска топлива определяется период задержки воспламенения топлива ¥ 1, что соответственно для модели определяет момент начала воспламенения рабочей смеси, т.е. начало процесса воспламенения.

Процесс сгорания.

Основное дифференциальное уравнение ( 1 ) при ¿Мв =0, йМ =0 и Р(И ин.) =0 преобразуется в уравнение

, 0н'9и-с/х {5 )

р V Су-М-Т '

Характер изменения давления, в основном, определяется характером тепловыделения, задаваемым функцией х(¥ ),определяемой формой и соответствующими коэффициентами уравнения Вибе.Справедливость использования уравнения Вибе с повышением высоты местности повышается, • так как вследствие роста периода индукции топлива и высокой температуры стенок КС увеличивается степень ее гомогенизации. Продолжительность процесса сгорания определяется показателем^ т. ПриьР/Уг = 1 скорость тепловыделения с!х = 0,а х -> 1. Процесс сгорания заканчивается.

Процесс выпуска.

В уравнении ( 1 ) ¿Мв = 0, сЗх = 0 и оно примет вид:

С/Р ^ гвм с/1/\ вд^ , ч

В начальный момент, вследствие принудительного выпуска, пер-зая составляющая играет существенную роль в изменении давления и значения термодинамических параметров изменяются резче.В завершавшей части выпускз доля инерционной составляющей выпуска начинает увеличиваться. Направление теплового потока не изменяется (Т > >!*) и псток направлен в стенки.

угтп гтст г-я

В зависимости от соотношении давлений во впускном, выпускном коллекторах и в цилиндре возможны различные ситуации, которые определяют режим истечения.

В период перекрытия клапанов уравнение ( 1 ) примет вид:

Р I СуТ-М V / ^ ин.) -

1. При Рц > Рвп. ;Рц > Рвып. —> с!Мв < 0, с!М < 0 - происходит истечение как в выпускной, так и во впускной коллектора.

2. При Рц > Рвп.; Рц < Рвып. —> ¿Мв < 0 , ¿М > 0 - происходит истечение рабочего тела из выпускного во впускной коллектор.

3. При Рц < Рвп.; Рц > Рвып. —> ЛЛв > О, <ЗМ < О происходит

продувка цилиндра.

4. При Рц < РЕП. ;Рц < Fehh. —> иМв > О, dM > 0 - происходит одновременное затекание в цилиндр из впускного и выпуск. ного коллекторов.

Для практической реализации математической модели на ЭВМ составлены алгоритм, блок-схема и программа расчета, которые позволяют с достаточной степенью точности прогнозировать в зависимости от заданных внешних условий (высоты местности над уровнем моря):

- изменение термодинамических параметров в цилиндре в процессе газообмена и весовое наполнение цилиндров воздухом в зависимости от заданных внешних условий (высоты местности над уровнем моря);

- суммарный расход воздуха двигателем на любой высоте и необходимую величину подачи топлива при способе его ограничения 'о^- const;

- расходные характеристики систем газообмена ( циклонного воздухоочистителя и эжекторного глушителя ), что позволяет более обоснованно имитировать высокогорные условия.

Результаты расчета по предлагаемой модели и экспериментальные данные, полученные в реальных высокогорных условиях имеют погрешность, не превышавшую 2-4 7, в диапазоне высот от 0 до 3500 м.

В ТРЕТЬЕМ РАЗДЕЛЕ "Экспериментальная установка и методика экспериментального исследования" представлены объект исследования, методика исследования, измерительно-регистрирующий комплекс, посгозммз исследования. яняли? погрешностей и яостовеоности результатов.

Базовые характеристики дизеля в объектоЕых условиях определены на стендах ЕЗТМ.

Экспериментальная устзнсзка в высокогорье оснадена современными средствами измерения в соответствии с ГОСТ - 14846-31, а тайке датчиками и приборами, позволяющими регистрировать и вести запись всех параметров рабочего процесса и теплового состояния в автоматическом режиме. Измерительно-регистрирующий комплекс позволяет проводить комплексные исследования при различных режимах работы дизеля и условий окружающей среды.

Испытатель кын стенд двигателей создан на базе установок для испытания мощности SAK - 250 (производства ГДР) с электромашинами динамометрами постоянного тока. Для обоснованного выбора веди-

чины ограничения подачи топлива и определения нарушений рабочего процесса проводился замер окислов азота - NOx автоматическим непрерывно действующим анализатором "Еекман-951" (проивводства США) и окиси углерода -СО хроматографом "Цвет-530".

В связи с необходимостью высокой точности, регистрация внут-.рицилиндровых процессов велась электрическими методами"при помо-.щи:

1) Аппаратуры LP 414 фирмы AVL (Австрия).В качестве регистрирующей аппаратуры использовался "FI-Метер" 6602 (AVL) с распечаткой массивов на принтере МХ-60.

2) Быстродействующим регистратором переходных процессов "Datalah" (Англия) в комплекте с пьеаокварцевыми датчиками собственной частотой 40 кГц.

3) Фотоаппаратом "Зенит-TTL" с экрана электронного' осциллографа С-8-14, снабженного тубусом и проставочным кольцом, б комплекте с пьезоусилителями заряда и пьезодатчиками ДТ-6-1 с высокой собственной частотой и сопротивлением изоляции.

4)-СЕетолучевым осциллографом Н-117 на фотобумагу - при пусковых испытаниях".

В ЧЕТВЕРТОМ РАЗДЕЛЕ "Анализ результатов экспериментальных исследований" приведены' результаты анализа протекания рабочего процесса; технико-экономических и эксплуатационно-технйческих показателей • силовой установки.

С повышением еысоты местности над уровнем моря и связанного с этим' снижения плотности воздуха происходит•снижение весового : лЗПОЛНеЛлГЛ ЦТ—И^НДрСВ ^СЗД/лСМ. Это .--1 суп^гС^—кным Hspw-

пениям условий смесеобразования и сгорания,ухудшению эксплуатационно-технических показателей силовой установки (мощности, экономичности, - теплонапряженнссти и работоспособности). - : Снижение весового наполнения цилиндров воздухом и ухудшение условий смесеобразования, при неизменной регулировке топливной аппаратуры, приводят к снижению Рс и Тс, повышению дальнобойности факелов топлива, ухудшению условий смесеобразования и росту периода индукции топлива .Начало сгорания смещается практически за EMI (0...+1,5^п.к.в.).когда подача топлива форсункой уже завершена. Столь существенное увеличение Z~¿ ( на 18-21 7.) и высокая температура сгневых поверхностей деталей камеры сгорания, вследствие низких значении oí приводит к длительной тепловой подготовке впрыснутого топлива,за время которой, образуются мощные оча-

ги воспламенения, возникновению больших скоростей реакции с интенсивным выделением теплоты в первой фазе тепловыделения.Это приводит к существенному росту практически всех показателей, характеризующих динамику цикла ( dP/df, /), dx/df ). Для исследуемого быстроходного дизеля характерно наличие высокочастотных колебаний давления на линии сгорания даже при работе в нормальных атмосферных условиях. Амплитуда колебаний давления в высокогорных .условиях, вследствие увеличения энергоемкостей очагов воспламенения и длительной тепловой подготовки топлива, существенно возрастает и процесс сгорания приобретает квазидетонационный характер (Рис.1).

Экспериментально установлено,что с повышением амплитуды высокочастотных колебаний давления на линии сгорания повышаются •-газотермические нагрузки на детали КС,вследствие разрушения ударными волнами температурного пограничного слоя и, связанного с .этим резкого роста теплового потока в стенки КС.Так, температуры в головке цилиндров при работе дизеля в ВГУ на номинальном режиме достигают 620-630 К, тогда как при нормальных условиях эти температуры не превьшают 515 К.

Средняя по объему термодинамическая температура газов, несмотря на принятое ограничение подачи топлива (В=0,3 • Вном.), достигает 2400-2500 К.При таких условиях изменяется и кинетика химических реакций,снижается значение константы равновесия много. компонентной смеси,т.е.уровень неравновесности химической системы, ее реакционноспссобнссть.Это приводит к резкому снижению скорости сгорания оставшейся доли топлива.

Анализ нагрузочных характеристик (см.Рис. 2,3 ) показывает, что диапазон экономичной работы смешается в сторону частичных нагрузск. Начиная с = 1,2 процесс сгорания резко ухудшается,что приводит к ухудшению практически всех технико-экономических показателей дизеля.

Штатная система охлаждения дизеля не обеспечивает его работу по внешней характеристике вследствие снижения ее теплопроизводи-телькссти (Rio.4 ).Тзк, на режиме п=2500 мин.1 снижение мощности двигателя вследствие снижения платности Еозду/.a на высоте 3340 м составило 16,0 кВт или 9 Ï. Недсбср мсшнссти из-за недостаточной теплспрсизводительнссти системы охлаждения составил 22,3 кВт. Суммарное же снижение мощности,оцененное по заградительным параметрам (температуре воды в системе охлаждения и температуре отра-

Индикаторная диаграмма давления газов в цилиндре двигателя 6 Ч 15/15 Н =-• 3340 м.Режим:п=2600мШ(. Ре-1Б5кВт.

Нагрузочная характеристика двигателя б Ч 15/15 ( п=1600 мин.1) • - И а О М; о—о - Н = 3340 М.

50 <Ю

Нагрузочная характеристика двигателя б Ч 15/15 ( h =■ 2600 шн:1)

Внешне скоростные и ограничительная характеристики двигателя 6 Ч 15/15

<6 00

то

2000 2200 Рис.4

2400

2600 п.мий

ботавших гэгов) составило 28,6 кЕт или почти 26 7..

Меньшее,по сравнению с данными других авторов,снижение мощности на номинальном режиме (с дополнительной стендовой системой охлаждения) связано с тем, что длительная тепловая подготовка впрыснутого топлива в ВГУ и,связанное с этим,повышение скорости сгорания и высокая турбулизация заряда оказывает влияние на индикаторный процесс. Турбулентность,создаваемая движением газа при воздействии ударных волн усиливает локальное перемешивание и тем самым увеличивает локальные скорости реакций. С повышением скорости сгорания процесс сгорания смешается в сторону ВМТ и, в пределе, стремится к наиболее экономичному процессу при постоянном объеме, так как протекает при меньших значениях теплоемкости газов (Ср > Су) и, соответственно меньших потерях теплоты на изменение внутренней энергии газов.Кроме того, в этом случае,меньшие площади контакта газов со стенками и, соответственно,меньшие потери теплоты, что также способствует незначительному снижению индикаторного КПД.

Наибольшее снижение мощности наблюдается на режиме максимального крутящего моментз п =1600 мин^-21 /..Это объясняется снижением инерционны« способностей воздуха с повышением высоты местности во впускном коллекторе,увеличением времени контакта его со стенками, что в конечном счете приводит к заметному снижению ^на -77.. Тогда как на режиме п=2500 мин. ^ снижается всего на 2-3 7,. Как показали результаты индицирования в период насосных ходов, снижение инерционной способности воздуха на частичных скоростных

части заряда из цилиндра во впускной коллектор.

Несткое,квазидетонационное сгорание в ВГУ и связанная с ней резкая интенсификация теплообмена между газом и стенками КС приводит к снижению моторесурса дизеля и эрозионному выгоранию огневых поверхностей головки цилиндроз и поршней.Наиболее подверженнз эрозии центральная часть головки цилиндров,которая является зоной куммуляции ударных волн.

Рассматриваются результаты экспериментальной проверки мероприятий, направленных на снижение эрозионных повреждений. Установлено,что незначительное (на 2-3"п.к.в.) снижение угла опережения подачи топлива приводит к заметному снижению показателей динамики цикла и теплоотдачи в стенки КС. Штатная система охлаждения не лимитирует работу дизеля по внешней скоростной характериоти-

ке.Исходя из анализа результатов испытаний рекомендовано ограничить число оборотов до 2200 иин.'.т.к. дальнейшее увеличение числа оборотов не дает заметной прибавки мощности. Б этом диапазоне частот достигаются наилучшие технико-экономические показатели дизеля, снижается теплонапряженность его деталей.

Для снижения интенсивности тепловыделения в первом периоде рекомендуется углубить распылители форсунки на 1,25 мм.Подача большей части топлива при углублении в пристеночную зону,имеющую достаточна высокую температуру при низких значениях оС , благоприятно влияет на процесс воспламенения вследствие меньшего снижения температуры заряда.Взвешенной оказывается меньшая часть топлива, являющаяся "запальной".Благодаря этому снижаются полные затраты тепла на прогрев, испарение и перегрев паров топлива до температуры воспламенения.Уменьшается интенсивность тепловыделения в первом периоде,не приводя при достаточно высоких температурах стенок к снижению полноты сгорания и увеличению его общей продолжительности. Начиная со средних нагрузок эффективный КПД возрастает на 1,5-2 £,на 8-10 г/кВТ-ч повышается экономичность,на 15-30°С снижаются температуры в головке цилиндров,на 15-20 °С снижается температура отработавших газов. На 2-3 % снижается теплоотдача в воду и масло,что позволяет двигатели работать во всем диапазоне частот и режимов без перегрева. Незначительное ухудшение экономичности (на 3-5 г/кВт*ч ) и повышение (на 10-15 °С) температуры отработавших газов при малых нагрузках связано с относительно низкой температурой стенок КС прк достаточных еще значениях ,

м пгпгтоп.тэ г-.-рппсшгда •---г-!-—** —г-*• .. .................. „ ..............

Приведены результаты пусковых испытаний от штатных систем пуска. В ЕГУ заметно ухудшаются и пусковые качества дизеля,вследствие снижения температуры окружающей среды и параметров конца такта сжатия -Тс и Рс. Установлено, что рекомендуемое снижение угла опережения псдачи топлива приводит и к улучшению пусковых качеств двигателя.Для повышения пусковых качеств дизеля предлагается разжижение масла дизельным топливом и электроподогрев воздуха на впуске от штатных аккумуляторных батарей,позволяющие обеспечить надежный пуск до температур -20°0.

Приведены результаты индицироваяия в период насосных ходов и сравнение их с результатами расчета по предлагаемой математической модели гззосбменз. Погрешность расчетов не превышает 2-4 (см.Рис.5 ).

Изменение термодинамических параметров Р,Т,М л процессе газообмена двигателя 6 ч 15/15

/•от

ИНГ

УЮ БМПЮ

120

460 бОО НМГ560 (р°пк8

Рис.5

На основании результатов экспериментальных исследовании разработана физическая модель механизма эрозионных разрушений деталей камеры сгорания при работе дизеля в ВГУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В результате выполненной работы с целью повышения эксплуатационно-технических характеристик транспортного дизеля в высокогорных условиях получены следующие результаты,представляющие практический и научный интерес:

- Для проведения экспериментальных исследований в реальных условиях высокогорья создана научно-исследовательская лаборатория, оснащенная современным автоматизированным испытательным комплексом.

- Проведены комплексные экспериментальные исследования транспортного дизеля УТД-20 (6 Ч 15/15) в составе штатных объектовых систем в реальных условиях высокогорья.

- Разработан, апробирован и рекомендован комплекс мероприятий по повышению его эксплуатационно-технических показателей.

- Выполнен анализ и теоретическое обобщение результатов экспериментальных исследований по влиянию высокогорных условий на эффективные и индикаторные показатели, параметры рабочего цикла, особенности процесса сгорания и его влияние на теплонапряжен-ность и работоспособность деталей камеры сгорания.

- Разработана к реализовала на SEM ь{а?емат:пеская ысдэл^ процесса газообмена дизеля в составе - штатных объектовых систем, позволявшая с достаточной для практического использования точностью прогнозировать в зависимости от заданных внешних условий: изменение термодинамических параметров в цилиндре в процессе газообмена и весовое наполнение цилиндров воздухом;суммарный расход воздуха двигателем на любой высоте и необходимую величину подачи топлива при способе его ограничения«/-const; расходные характеристики систем впуска и выпуска (клапана +коллектор+фильтр или глушитель).Последнее позволяет более обоснованно и точнее имитировать высотные условия.Достоверность математической модели подтверждена экспериментально в реальных условиях высот 750 и 3340 м.

На основании результатов выполненной работы сделаны следую-

щие основные выводы и рекомендации:

1.Основными факторами, влияющими на протекание рабочего процесса дизеля с изменением еысоты, являются давление Р,температура Т и влажность + окружающего воздуха.

2.Экспериментально установлено, что с увеличением высоты местности до 3340 м происходят существенные нарушения протекания рабочего процесса дизеля,сопровождавшиеся ухудшением экономичности (на 10 -15 %),повышением жесткости сгорания (в 3-5 раз),ростом температуры отработавших газов (на 80-110°С) и температур в головке (до 340-355°С) и снижением мощности на режиме максимально» мощности - на 9 7,,и на режиме максимального крутящего момента -нз 21 7.. Мощность механических потерь на высоте 3340 м снижается (на номинальной частоте -на 20 %),частично компенсируя снижение индикаторной мощности.

3.Установлено, что увеличение периода индукции топлива в ВГУ приводит к длительной тепловой подготовке топлива,за время которой образуются мощные очаги воспламенения и процесс сгорания становится квазидетонашоннкм.Повышение термомеханических нагрузок приводит к эрозионному выгоранию огневых поверхностей деталей КО.

Основной причиной нарушения рабочего процессз являются снижение весового наполнения цилиндров воздухов, параметров смеси в конце такта сжатия и снижение коэффициента избытка-воздуха при неизменней подаче топлива.

4.Для повышения эксплуатационно-технических характеристик силсвой установки в высокогорных условиях разработан и апробирован комплект: пряктических мероприятий,включающий рекомендации по регулировке топливной аппаратуры, условий смесеобразования,ограничения режимов работы дизеля,по повышению его пусковых качеств, по снижению теплонапряженности и повншению работоспособности деталей камеры сгорания.

В частности,рекомендуется снижение угла опережения ¡р0а. на 2-3 град.п.к.з. и ограничение числа оборотов до 2200 мин.при обеспечении коэффициента избытка воздуха не менее и >А,2. Для снижения показателей динамики цикла и повышения эрозионной стсй-кссти деталей КС рекомендуется углубление распылителей форсунок на 1,25 мм ,что позволяет з несколько раз повысить работоспособность огневых поверхностей поршней и головок.

Для повышения пусковых качеств дизеля в высокогорных условиях рекомендуется разжижение масла дизельным топливом и подогрев

воздуха на впуске,позволяющее обеспечить надежный запуск до -20°С.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Мырзахметов Б.А.,Мусабеков М.О. Исследование подачи воды и пероксида водорода в цилиндры дизеля Д-21 на токсичность отработавших газов.Электрофизические способы пылеулавливания: Сб.науч. тр./ Алма-Ата, КазПТИ.1987.

2. Мырзахметов Б.А..Битенов Н.Т. Особенности рабочего процесса быстроходного дизеля в высокогорных условиях//Тез. докл.отраслевой конф.- Алма-Ата, 1989.

3. Мырзахметов Б.А..Битенов Н.Т. К методике индицирования ДВС при исследовании детонационного сгорания. Процессы переноса и повышение эффективности работы теплоэнергетических установок: Сб. науч. тр./ Алма-Ата,КазПТИ-АЭЙ,1991.

4. Мырзахметов Б.А.,Ермекбаев К.Б.и др. Математическое моделирование изменения термодинамических параметров дизеля в процессе гззообмена. Процессы переноса и повышение эффективности работы теплоэнергетических установок:Сб.науч.тр./ Алма-Ата, КазП-ТК-АЭИ,1991.

5.Мырзахметов Б.А.К вопросу о механизме эрозионных разрушений деталей камеры сгорания быстроходного дизеля 6 Ч 15/15 при работе в высокогорных условиях: Сб.науч.тр./ Алматы,КазНТУ,1994.

КЭЛ1К ДИЗЕЛШН ЕИ1КТАУДА ПАЙДАЛАНУ ЖЗНЕ ТБСШКАЛЫК, К6РСЕТК1ШТЕР1Н КОРАРЛАТУ

Мырзахметов Бейбат Эбгкен-улы

АННОТАЦИЯСЫ

3340 метр IjKiKTiKTe жургчз1лгея эксперименталдык зерттеу нэ-тижесхнде ауаньщ тырыздыгы темендегещцктен коэгалткыштьщ ауа шы-гыны темендеп жумыс кубылысыныд кврсеткштер1 де буэалады.Сондык-тан онын, техникалык жзне эконсмикалык керсеткштер1 нашарлал жылу Kepneyi жсгарлайды.ал жану камерасынын белшектершщ жумыс каб1ле-Ti темендейд!.

Реттеуш сынак нэтижес1нде жылукозралткьштыц оптималдьж; ад-дын ала жанармайдъщ 5урк1ту бурышы,буркутга.штерд1 терендету мвл-шерлерг анынугалып онын жарасты пайдалану кврсеттштер1 мен жану камерасыныд бэлшектерШц жумыс (ъабзлеттШгчн едау1р жорарлатыл-ды. Зумыста келт1рхлген жылукозралткыштын, газ алмасу математика-лык, моделанщ эксперимент натижесше сэйкестйп удаартылып, сол модель аркылы жылукозралткыштьщ жумысын стенд1л1к сынак,та биактау жагдайына келт1руге болатындыры аныкталды.

RISE EXPLOITATION TECHNICAL INDICES OF THE ENGINE IN ALPINE CONDITIONS

.Mirzahmetcv Eeibit Abikenovich

E E Z U M E

Exspenmental investigations of an engine in real Alpine conditions at a height of 3340 metres above the sea level determined that deTpasmq- cf ^h^ density of air with raising of an altitude above of the sea level leads to deterioration of engihe's indices and workings prccess indices.It raises the heat tensity of the engine 3r.d it reduces the efficiency of ccmbusticn chamber's parts.

Optimum adjustments has been determined .as a result of adjusting1 cests that allows tc receive admissible indices of the engine and za increase the efficiency of combustion chamber's parts. The developed mathematical pattesn of the process of gas exchange in the engine has been verified by an experiment.

It allcws tc imitate a procedure of Alpine conditions during stand tests cf the engine and to reduce the price of works on modernizing1, improvement and creation or promising1 Diesel engines considerable.