автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Теоретическое обоснование и экспериментальное исследование рабочего процесса судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и принудительным воспламенением

Введение.

1 Анализ способов организации рабочих процессов в ДВС.

1Ц 1.1 Особенности процессов смесеобразования и сгорания топлива.

1.2 Проблема создания рационального двигателя внутреннего сгорания.

1.3 Принципиальные недостатки существующих двигателей.

Выводы. Цель и задачи исследования.

2 Предлагаемый способ организации рабочего процесса в ДВС и его теоретическое обоснование.

2.1 Сущность предлагаемого способа организации рабочего процесса.

2.2 Расчетно-теоретическое обоснование предлагаемого способа организации рабочего процесса.

2.3 Конструкция двигателя для осуществления предлагаемого способа организации рабочего процесса.

Выводы.

3 Экспериментальная лабораторная установка и методика проведения испытаний.

3.1 Опытный образец двигателя.

3.2 Экспериментальная лабораторная установка.

3.3 Определение степени сжатия опытного двигателя.

3.4 Настройка карбюратора на требуемую подачу топлива. ц 3.5 Настройка топливного насоса высокого давления на требуемую цикловую подачу топлива.

3.6 Методика проведения испытаний.

Выводы.

4 Экспериментальные исследования и обработка результатов.

4.1 Снятие индикаторной диаграммы.

4.2 Обработка индикаторных диаграмм.

4.3 Расчет показателей рабочего цикла двигателя, работающего по дизельному рабочему процессу.

4.4 Расчет показателей рабочего цикла двигателя, работающего по предлагаемому рабочему процессу.

4.5 Анализ результатов расчета показателей рабочих циклов.

Выводы.

На конец XX - начало XXI века в мировом двигателестроении не отмечается сколько-нибудь значительных новаций в конструкции и теории рабочего процесса двигателей внутреннего сгорания. Современные ДВС, как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием, с точки зрения теоретических термодинамических циклов, лежащих в основе организации их рабочих процессов, кардинальных изменений не претерпели, оставаясь при этом главным средством для получения механической работы на Земле. Улучшения параметров и характеристик этих двигателей, произошедшие за столетие, были осуществлены посредством непринципиальных, с точки зрения термодинамики, конструктивных усовершенствований, таких как наддув, инжектор и т. п., а также за счёт применения новых конструкционных материалов, повышения качества топлив и смазок, совершенствования технологии механической обработки деталей и сборки двигателей.

Предлагаемые нетрадиционные способы организации рабочего процесса [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8] не получают распространения ввиду того, что все они имеют принципиально одинаковые соотношения между мощностью, литражом и другими технико-экономическими показателями по сравнению с традиционными ДВС. Довольно давно отрабатывается и организация традиционных рабочих процессов в ДВС на водородном топливе [9, 10, 11] или на топливах растительного происхождения [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19], но она ещё далека от промышленного применения. Например, Каменев В. Ф. [9] утверждает: при нынешнем уровне развития техники создания запасов водорода можно говорить только о промежуточном варианте - комбинированном топливопитании ДВС. Однако более перспективна схема получения на борту водорода, предназначенного для питания топливных элементов. Однако высокая стоимость (до 3000 американских долларов за 1 кВт энергии) электрохимического генератора отодвигает их массовое производство на неопределенный срок.

При серийном производстве такой важный параметр, как степень сжатия, давали двигателю при рождении на всю жизнь. Однако с конца 60-х годов активно ведутся работы по изменению степени сжатия во время работы двигателя в соответствии с применяемым топливом и режимом работы. Так, фирма СААБ представила миру двигатель с подвижной головкой блока и, как следствие, изменяемой степенью сжатия [20]. Чтобы повысить КПД, ее увеличивали при максимальной мощности и понижали на режиме частичных нагрузок. Широкого распространения конструкция пока не получила, в первую очередь, из-за технологических проблем и дороговизны. Оригинальную схему испытывает НАМИ: головка и блок неподвижны, а степень сжатия изменяется за счет «смещения» мертвых точек [21]. Специалисты готовятся изменять еще одну константу - рабочий объем. Речь идет не об отключении цилиндров, а об изменении геометрии. Конечно, существует множество других способов изменения степени сжатия и рабочего объема цилиндра в процессе работы двигателя (в частности, [1, 2]).

Характерные для современных ДВС способы преобразования химической энергии органических или синтетических топлив в тепловую и далее — в 4 механическую работу, по видимому, сохранятся и в обозримом будущем, поэтому, с учётом постоянного расширения их количества и агрегатной мощности, всё реальней становится опасность полной выработки запасов природного углеводородного сырья. Одновременно всё большим и приближающимся к критическому становится уровень загрязнения среды обитания человека отработавшими продуктами сгорания [3].

В связи с высокими экологическими и экономическими качествами производители начинают активно применять газовое топливо. Одно из перспективных направлений — это так называемый газодизель. Суть: производится конвертация дизельного ДВС в газодизель. Конвертации доступен ДВС с неразделенной камерой сгорания и объемным смесеобразованием. Принцип конвертации довольно простой: от дизеля берется уменьшенная порция топлива (запальная) в пределах 10 -s- 45 %, остальное компенсируется газовоздушной смесью, поступающей через впускной коллектор. Уменьшается токсичность и возможна работа обычного катализатора; он не забивается сажей и смолами. Газодизель по всем параметрам превосходит дизель за исключением мощности в связи с тем, что теплота сгорания газа ниже дизельного топлива [22, 23, 24, 25]. У пропан-бутана перспектив не много, поскольку его получают при перегонке нефти, запасы которой не безграничны. Альтернативы - метан и водород. К примеру, метан (природный газ) широко используется в качестве топлива для двигателей на судах-газовозах. Однако дальше газовозов опыт использования метана на судах не идет — в отличие от пропан-бутана, более легкие газы не обеспечивают большого запаса хода, так как топливного резервуара хватает ненадолго - предлагают использовать не сжатый, а сжиженный газ. Кроме высокой пожаро- и взрывоопасности в судовых условиях, основная проблема в том, что он долго не хранится. Производители предлагают компромисс в виде двухтопливных двигателей, работающих, помимо жидкого топлива, на сжатом метане или водороде. Например, в автомобильных двигателях во впускном ' коллекторе рядом с бензиновыми установлены газовые форсунки, а системе управления поручено следить и за подачей газа. Этой темой занимаются многие фирмы, в том числе и отечественные [26, 27]. Предлагается также возобновить работы по применению в ДВС генераторного газа [28]. Перспективными считаются работы по применению водотопливных эмульсий [29, 30]. Однако, учитывая возникающие проблемы, в ближайшее время метан или водород вряд ли полностью вытеснят бензин и дизельное топливо. Значит, современные ДВС, совершенствуясь, пока сохранят свое положение [31].

В этой связи основной научной идеей диссертационной работы является необходимость поисковых работ по совершенствованию организации рабочего процесса ДВС. Эти работы должны быть направлены на увеличение степени использования химической энергии топлива и тепловой энергии рабочего тела с & целыо повышения энергетической эффективности высокооборотных малоразмерных судовых, стационарных н транспортных двигателей.

В диссертации произведен анализ существующих способов организации рабочего процесса, предложен способ" организации рабочего процесса и конструкция двигателя для его осуществления с обоснованием нового технического решения, построен опытный образец данного двигателя на базе судового дизеля 24 9,5/11 и проведено экспериментальное исследование его работы с анализом полученных результатов.

Предложенный способ организации рабочего процесса и конструкция двигателя для его осуществления запатентованы [32]. Данная разработка награждена золотой медалью IV Московского международного салона инноваций и инвестиций (см. Приложение А).

Диссертационная работа получила апробацию при ежегодных обсуждениях на заседаниях кафедры «Судовые энергетические установки» й ученого совета института морских технологий, энергетики и транспорта ФГОУ ВПО АГТУ (2001, 2002,2003,2004, 2005, 2006 гг.). Основные положения диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников АГТУ (2001, 2002, 2003, 2005, 2006 гг.), и на Межрегиональном научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы судовой энергетики и машинодвижительных комплексов» в АГТУ в 2002 г, был сделан доклад на НТК «Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса» в МАДИ (ГТУ), г. Москва (февраль 2003 г.); была представлена на «XV Юбилейной Интернет-конференции молодых учёных, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения» (2003 г.) и на «XVII Интернет-конференции молодых учёных, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения» (2005 г.), проводимых Институтом машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. Кроме того, материалы диссертации были представлены на пятой международной конференции и выставке по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех-2003» (СПб. 2003); на «International Summer School-Seminar of Students, Post-graduate Students, Young Teachers and Researchers and Secondary School Students on Renewable Energy Research and Development» (Международная летняя школа-семинар студентов, аспирантов, молодых ученых и школьников «Возобновляемые источники энергии: исследования и разработки», 16-21 августа 2004 г.).

Материалы диссертации представлены в восьми публикациях.

Диссертация выполнялась в Астраханском государственном техническом университете на кафедре «Судовые энергетические установки».

Выводы

Представлена организация проведения эксперимента. Приведен перечень контролируемых при испытании параметров и характеристика измерительных приборов, а также алгоритм проведения измерений.

Проводилось два вида испытаний: двигателя, работающего по дизельному рабочему процессу и двигателя, работающего по предлагаемому рабочему процессу.

Проведена обработка полученных индикаторных диаграмм, которая показала, что форма полученных экспериментальных диаграмм полностью совпадает с ожидаемыми изменениями. При анализе индикаторной диаграммы двигателя, работающего по предлагаемому рабочему процессу, видно, что процесс сгорания сочетает в себе подвод теплоты при постоянном объеме, характерный для двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением, и смешанный подвод теплоты, характерный для современных дизелей. Кроме того, двигатель обладает довольно длительным периодом догорания, связанным с неоптимальной формой камеры сгорания. Однако догорание заканчивается раньше прихода поршня в НМТ и хвостовая часть индикаторной диаграммы двигателя, работающего по предлагаемому рабочему процессу практически идентична индикаторной диаграмме двигателя, работающего по дизельному рабочему процессу.

Предложены дополнения и изменения в методику теплового расчета Гриневецкого-Мазинга, позволяющие получить удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных и проведен расчет показателей рабочего цикла двигателя, работающего по дизельному рабочему процессу.

Разработана методика расчета показателей рабочего цикла двигателя, работающего по предлагаемому рабочему процессу. Методика построена с использованием методики Лебедева на основе методики теплового расчета Гриневецкого-Мазинга с учетом предложенных выше изменений и дополнений. Проведенный по предложенной методике расчет показателей рабочего цикла двигателя, работающего по предлагаемому рабочему процессу дал те возможные показатели, которые можно получить, если довести форму камеры сгорания до оптимальной с целью исключения догорания на линии расширения.

Анализ результатов расчета показателей рабочих циклов показал, что двигатель, работающий по предлагаемому рабочему процессу, по сравнению с двигателем, работающим по дизельному рабочему процессу обладает лучшими мощностными показателями, имеет большее среднее индикаторное и эффективное давление, пониженные значения давления сжатия и сгорания при практически неизменных эффективном удельном расходе топлива, индикаторном и эффективном КПД цикла. Кроме того, двигатель имеет запас повышения мощности по максимальному давлению сгорания.

Заключение

Исследования выполнялись с целью повышения уровня эффективно используемой теплоты, улучшения топливной экономичности двигателей и снижения степени загрязнения окружающей среды, опасными для неё элементами в отработавших продуктах сгорания.

В результате выполненного исследования предложен способ организации рабочего процесса ДВС и разработана конструкция для осуществления предлагаемого способа работы.

На основании проведённых исследований можно сделать следующие общие выводы:

- процессы впрыска топлива, его распыливания, перемешивания с воздухом, испарения, воспламенения и сгорания, осуществляемые в дизелях, происходят в течение коротких промежутков времени, поэтому добиться полной физико-химической подготовки рабочей смеси к быстрому сгоранию не удаётся, несмотря на многочисленные и разнообразные конструктивные мероприятия по усовершенствованию камер сгорания и топливной аппаратуры;

- для обеспечения относительно полного и своевременного сгорания топлива дизели вынуждены работать со значительным избытком воздуха, следовательно, для получения требуемой мощности необходимо конструктивно обеспечить литраж (а, следовательно, размеры и массу двигателя) в среднем на 50 % больший, чем это необходимо для получения заданной мощности с позиций осуществления теоретического термодинамического цикла;

- ступенчатый впрыск топлива позволяет уменьшить период задержки воспламенения топлива, однако не решает проблем качественного смесеобразования;

- двухфазная подача топлива, положительно влияет на рабочий процесс. Однако при работе дизеля на частичных нагрузках и малых порциях вторичного топлива, в камере сгорания остаются зоны с переобеднённой смесью, неспособной к горению. В результате экономичность двигателя снижается, а в выпускных газах резко повышается количество продуктов неполного окисления" топлива, вредных для окружающей среды; предлагаемый зарубежными фирмами новый двигатель, объединяющий в себе черты двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением и двигателей с воспламенением от сжатия решает проблемы качественного смесеобразования и устранения задержки самовоспламенения, однако требует для своей работы нового синтетического топлива, которое пока значительно дороже традиционного топлива нефтяного происхождения и недостаточно распространено для повсеместного применения; все описанные способы организации рабочего процесса требуют для своего обеспечения высоких значений коэффициента а по отношению к теоретически необходимому и высоких степеней сжатия, что не позволяет создать двигатель с высокими технико-экономическими и энергетическими показателями; анализ принципиальных недостатков рабочего процесса существующих двигателей позволил разработать способ организации рабочего процесса в ДВС и получить на него патент на изобретение; при применении предложенного способа уменьшаются нагрузки на детали двигателя, снижаются потери мощности на преодоление сил трения, уменьшается уровень температур деталей двигателя в связи с уменьшением степени сжатия и коэффициента избытка воздуха. Уменьшение степени сжатия вызывает уменьшение максимального давления сгорания при незначительном снижении термического КПД цикла, в то время как снижение коэффициента избытка воздуха ведет к повышению удельной мощности двигателя, позволяя в том же рабочем объёме сжигать больше топлива; проведенные экспериментальные исследования показали, что двигатель, работающий по предлагаемому рабочему процессу, обладает лучшими мощностными показателями (Ne больше на 19,4 %), имеет большее среднее индикаторное (на 20,4 %) и эффективное давление (на 19,4 %), пониженные значения давления сжатия (на 39,7 %) и сгорания (на 33,6 %) при неизменных эффективном удельном расходе топлива, индикаторном и эффективном КПД цикла; двигатель, работающий по предлагаемому рабочему процессу, в принципе, имеет запас по повышению максимального давления сгорания (до значений дизельного рабочего цикла); снижение максимального давления сгорания привело к снижению потерь мощности на преодоление сил трения, следовательно, к увеличению механического КПД двигателя (выше на 9,3 %); внесены изменения и дополнения в методику Гриневецкого-Мазинга для расчета показателей рабочего цикла, позволяющие получить удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных; разработана методика расчета показателей рабочего цикла двигателя, работающего по предлагаемому рабочему процессу на основе откорректированной методики Гриневецкого-Мазинга, дающая удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных; результаты данных исследований внедрены в научную работу отдела физико-технических проблем машиноведения Института физики ДНЦ РАН по исследованию и оптимизации рабочих процессов судовых ДВС; положены в основу создания двигателя, работающего по предлагаемому способу организации рабочего процесса; внедрены в учебный процесс при изучении специальных дисциплин студентами специальностей 140200 «Судовые энергетические установки» и 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок» в АГТУ и в виде лабораторной экспериментальной установки для использования при проведении лабораторных практикумов; данный рабочий процесс предлагается для использования в высокооборотных малоразмерных судовых, стационарных и транспортных двигателях.

1. Антонов В. М. Двигатель с разделенными тактами // «Автомобильная промышленность». 2005. - № 2. - с. 25 - 27.

2. Абросимов В. П. Новые двигатели реальная основа кардинального снижения удельного расхода топлива // «Автомобильная промышленность». -2003.-№5.-с. 18-21.

3. Каменев В. Ф., Хрипач Н. А. Конструкции «водородных» ДВС. Поиски и решения // «Автомобильная промышленность». 2003. - № 11. - с. 20 — 22.

4. Кудымов Г. И. Студенников В. В. Электроводородный генератор (ЭВГ). Заявка № RU 98/00190 от 07.10.97 г. Москва, 1999 г.

5. Воробьев-Обухов А., Гзовский М. Полезное действие для КПД // «За рулем». 2000. - № 5. - с. 42 - 43.

6. Сачков М. Воробьев-Обухов А. С траверсами наперевес. В НАМИ изменяют степень сжатия. // «За рулем». — 2002. — № 3. — с. 76.

7. Газодизель силовая установка 21 века. // «Автомобильная промышленность». - 2002. -№ 5.

8. Балабаева И. «Зажигательная» идея: первый дизель-газовый автобус. // Автомобильный транспорт. 2005. - № 3. - с. 61 - 62.

9. Оширов В. Об особенностях существующих систем топливоподачи в ДВС или приглядимся внимательнее к достоинствам инжекторных систем топливоподачи. (http://www.ingenrw.narod.ru), 2002.

10. Журнал «За рулем», Раздел «Техника. В мире моторов», рубрика «Коротко».-2001.-№2.-с. 79-81.

11. Сачков М. Задолго до мертвой точки // «За рулем». 2003. - № 5. - с. 78 - 80.

12. Ваншейдт В. А. «Судовые двигатели внутреннего сгорания». JL: Судостроение, 1977. - 391 е., ил.

13. Ленин И. М. «Теория автомобильных и тракторных двигателей». М.: Машиностроение, 1969. - 368 е., ил.

14. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учеб. для втузов / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.: под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1983. - 372 е., ил.

15. Судовые двигатели внутреннего сгорания: Учебник / Ю. Я. Фомин, А. И. Горбань, В. В. Добровольский, А. И. Лукин и др. Л.: Судостроение, 1989. - 340 е., ил.

16. Конюхов В. А. Комбинированный способ улучшения показателей ДВС // «Автомобильная промышленность». 2003. - № 6. - с. 11-14.

17. Н. Н. Иванченко, Б. Н. Семенов Рабочий процесс дизеля с камерой сгорания в поршне. М.: Машиностроение, 1985. - 368 е., ил.40 http://www.energobaza.ru. Система питания для двигателя внутреннего сгорания.

18. А. с. №1020601. F 02 М 3/04. Устройство для отключения выпускного клапана д. в. с. / Н. Е. Рыжих. Бюл. № 20, 1983.

19. Рыжих Н. Е. Способы уменьшения выброса двигателями внутреннего сгорания токсичных газов в атмосферу. // Научный электронный журнал Куб-ГАУ. № 05(7), 2004.43