автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Улучшение экономических и экологических показателей судовой энергетической установки за счет технологических и регулировочных показателей дизеля

Введение

1. Анализ технологических, регулировочных показателей и их влияние на рабочий процесс и экономические, экологические параметры дизеля ■

1.1 Выбор технологических и регулировочных показателей дизеля

1.2 Влияние показателей на процесс распыливания топлива

1.3 Влияние показателей на рабочий процесс и экономические, экологические параметры дизеля

Выводы и задачи исследования

2. Математическое описание рабочего процесса на основе характеристики тепловыделения и ее связь с экономическими и экологическими параметрами дизеля

2.1 Математическая модель топливной струи

2.2 Рабочий процесс и характеристика тепловыделения

2.3 Характеристика тепловыделения и эффективные параметры дизеля

2.4 Характеристика тепловыделения и токсичность газов в цилиндре дизеля

3. Влияние технологических и регулировочных показателей на экономические и экологические параметры дизеля методами векторной оптимизации

3.1 Обоснование Парето - оптимальных решений при оценке векторного критерия качества

3-2 Математическая формулировка Парето - оптимальных функций по технологическим и регулировочным показателям дизеля

3-3 Парето - оптимальные функции экономических и экологических параметров дизеля по векторному критерию качества

4. Экспериментальное исследование влияния технологических и регулировочных показателей на экономические и экологические параметры дизеля ЧН 16/

4.1 Пределы изменения технологических и регулировочных показателей дизеля

4.2 Влияние показателей на параметры струи топлива

4.3 Влияние отдельных технологических и регулировочных показателей на экономические и экологические параметры дизеля

4-4 Влияние совокупности показателей на экономические и экологические параметры дизеля

Актуальность работы. Основным направлением развития судовых энергетических установок (СЭУ) являются: снижение токсичности отработанных газов (ОГ), в соответствии с их перспективными нормами, повышение топливной экономичности, удельной мощности, надежности двигателя. Величина эффективных и экологических параметров двигателя определяется его рабочим процессом, который зависит от совокупности различных факторов: конструкторско-технологических, регулированных, режимных и эксплутационных. Соответствие выходных параметров двигателя заданным нормам определяется во время заводских испытаний дизелей, при которых подразумевается идентичность конструктивных, эксплутационных и режимных факторов, так как они оговорены конструкторской документацией. Влияние атмосферных отклонений на параметры рабочего процесса учитываются поправочными коэффициентами. Таким образом, остается группа показателей, определяющих индивидуальные особенности двигателя: технологические и регулировочные. Изменение технологических и регулировочных показателей, в допускаемых технической документацией пределах, оказывают значительное влияние на рабочий процесс, и, как следствие, определяют эффективные и экологические параметры двигателя. Поэтому, выбор совокупности технологических и регулировочных показателей, и их уточнение в пределах допусков позволяет улучшить экологические и эффективные параметры дизеля. Колебания этих показателей определяются величинами технологических отклонений при сборке двигателя и при его регулировке. Технологические и регулировочные показатели предназначены для поддержания на заданном уровне эффективной мощности, удельного расхода топлива и экологических характеристик двигателя, однако их влияние недостаточно исследуется или носит справочный характер.

В связи с этим актуальной является задача поиска путей улучшения эффективных и экологических параметров двигателя по технологическим и регулировочным показателям. Для решения этой задачи необходимо выявить перечень этих показателей, определить влияние каждого из них на выходные параметры двигателя, разработать методику поиска значений этих показателей, обеспечивающих наилучшие эффективные и экологические параметры дизеля.

Цель работы. Улучшить экономические и экологические параметры дизеля ЧН 16/17 путем выбора совокупности технологических и регулировочных показателей в пределах их допусков.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи исследования:

1. определить перечень и дать анализ технологических и регулировочных показателей двигателя, оказывающих влияние на эффективные и экологические параметры дизеля ЧН 16/17;

2. разработать методику и стенд для исследования влияния технологических и регулировочных показателей двигателя на параметры струи распыленного топлива;

3. обосновать методику векторной оптимизации совокупности технологических и регулировочных показателей для оценки эффективных и экологических параметров дизеля;

4. провести экспериментальную проверку правильности выбранных решений подтверждающих улучшение эффективных и экологических параметров дизеля ЧН 16/17 за счет технологических и регулировочных показателей двигателя.

Реализация результатов работы. Основные положения и результаты работы использованы в дизелях 56ЧН 16/17 и внедрены в производство ОАО «Звезда».

Апробация работы. Диссертационная работа заслушана и одобрена на. заседании кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания и дизельные установки» Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета (СПб ГМТУ) в сентябре 2003, основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на «V международной конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов, морской техники для освоения океана и шлейфа», Санкт - Петербург (СПб), сентябрь, 1999, на « VI международной конференции по судостроению, судоходству, оборудованию платформ и обеспечивающих их работу плавсредств, морской техники для освоения океана и шлейфа», СПб, сентябрь, 2001, на XIV научно-технической конференции Центрального конструкторского бюро по судам на подводных крыльях «Алексеевские чтения» г. Нижний Новгород, декабрь, 2001, на заседании Санкт -Петербургского Научного совета по горению и взрыву РАН (СевероЗападное отделение), СПб, март, 2003, на научно - технической конференции «Кораблестроительное образование и наука - 2003», СПб, май, 2003.

Методы исследования. Поставленная в работе цель достигается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования. При проведении теоретических исследований использованы теория рабочих процессов двигателей, методы многокритериальной оптимизации эффективных и экологических параметров дизеля. Основные уравнения разработанной математической модели характеристики тепловыделения базируются на физических законах и решаются с использованием современных численных методов. Достоверность результатов, полученных при теоретических исследованиях, проверялись при испытаниях на моторных стендах. Экспериментальные исследования проводились на двигателях 1ЧН16/17, 8ЧН 16/17 и 56ЧН16/17, которые выполнены по стандартным методикам, с применением современных метрологически аттестованных измерительных средств и приборов.

Научная новизна заключается в следующем:

- установлена математическая зависимость влияния совокупности технологических и регулировочных показателей на параметры характеристики тепловыделения;

- разработана методика и оригинальный стенд для исследования влияния технологических и регулировочных показателей на параметры струи распыленного топлива;

- обоснована методика оптимизации расчетного исследования влияния совокупности технологических и регулировочных показателей на эффективные и экологические параметры дизеля на основе векторной оптимизации.

Практическая значимость. Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают изменение рабочего процесса в цилиндре двигателя и, как' следствие, улучшение экономических и экологических параметров дизеля за счет выбора наилучшей совокупности технологических и регулировочных показателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основным результатом выполненной работы является расчетные и экспериментальные исследования, включившие отработку расчетной методики исследования применительно к конструкции дизеля ЧН16/17, параметрические исследования двигателя, с помощью которых выбраны технологические и регулировочные показатели двигателя. Выполненные исследования позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Определены технологические и регулировочные показатели и дан их анализ влияния на эффективные и экологические параметры дизеля ЧН 16/17.

2. Разработана методика и стенд для исследования влияния технологических и регулировочных показателей на параметры струи распыленного топлива.

3. Обоснована методика векторной оптимизации совокупности технологических и регулировочных показателей с целью улучшения экономических и экологических параметров дизеля.

4. Проведенные экспериментальные исследования дизеля 8ЧН 16/17 по совокупности технологических и регулировочных показателей, в допустимых техническими условиями пределах, позволили уменьшить удельный расход топлива на режимах по винтовой характеристике на 3,5 -ИОг/кВт'ч и дымность ОГ на 16%.

1. Лышевский A.C. Процесс распыливания топлива дизельными форсунками. М.: Машгиз. - 1963 - 180 с.

2. Лышевский A.C. Распыливание топлива в судовых дизелях.- Л.: Судостроение, 1971. 248 с.

3. Камфер Г.М. Процессы тепломассообмена и испарение при смесеобразовании в дизелях. М.: Высшая школа, 1974. - 144 с

4. Кутовой В.А. Впрыск топлива в дизелях.- М.: Машиностроение, 1981, 119 с.

5. Калакуцкий И.Е. Влияние дальнобойности топливной струи на процесс смесеобразования и сгорания в дизеле. — Энергомашиностроение, 1968.

6. Калужин С.А., Романов С.А., Свиридов Ю.Б. Экспериментальное исследование скоростей движения жидкости и газообразной фазы в дизельном топливном факеле. Двигателестроение, 1980, №7, с 5-8.

7. Русинов Р.В. Конструкция и расчёт дизельной топливной аппаратуры. М,-Л.: Машиностроение, 1965, 148 с.

8. Мазинг Е.К. Тепловой процесс двигателей внутреннего сгорания. М.-Л.: ОНТИ, 1937.- 124 с.

9. Чаромский А.Д. Испытание, исследование и расчет авиационного дизеля. -М.: ОНТИ, 1934.- 118 с.

10. Иноземцев Н.В. Исследование и расчет рабочего процесса авиационного дизеля. М.: Оборонгиз, 1941. - 192 с.

11. Толстов А.И. Индикаторный период задержки воспламенения и динамика цикла быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия /Исследование рабочего процесса и подачи топлива в быстроходных дизелях Труды НИЛД. — 1955. —№ 1. С.56-62.

12. Мелькумов Т.М. Теория быстроходного двигателя с самовоспламенением. — М.: Оборонгиз, 1953, 407 с.

13. Брилинг Н.Р. Исследование рабочего процесса и теплопередачи в двигателе дизеля. М.: АНТИ, 1931. - 123 с.

14. Иноземцев Н.В., Кошкин В.К. Процессы сгорания в двигателях. -М.: Машгиз, 1949. 344 с.

15. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов /Д.И. Вырубов, H.A. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова.-М.: Машиностроение. 1963.-472 с.

16. Теория двигателей внутреннего сгорания / Н.Х.Дьяченко, А.К.Костин, • Г.В. Мельников и др.- M.-JL: Машиностроение, 1965. -460 с.

17. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого дизеля /Б.С.Стечкин, К.И. Генкин, В.С.Золотаревский и др. М.: АН СССР, 1960 - 199 с.

18. Соколик A.C. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. М.: АН СССР, 1960.-427 с.

19. Воинов А.И. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. : Машиностроение, 1977. - 278 с.

20. Ванштейн В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. -JL: Судпромиздат, 1962. 544 с.

21. Автомобильные двигатели / В.М. Архангельский, М.М.Вихерт, А.Н.Воинов и др. Под ред. М.С.Ховаха. М.: Машиностроение, 1977. -591 с.

22. Иванченко H.H., Семенов Б.Н., Соколов B.C. Рабочий процесс дизелей с камерой в поршне. JL: Машиностроение, 1972. - 232 с.

23. Чернышев Г.Д., Хачиян A.C., Пикус В.И. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей / Под ред. Г.Д. Чернышева. -М.: Машиностроение, 1986. 216 с.

24. Свиридов Ю.Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. JL: Машиностроение, 1972. 224 с.

25. Свиридов Ю.Б., Малявинский Л.Б., Вихерт М.М. Топливо и топливоподача автотракторных дизелей. JL: Машиностроение, 1979.-248 с.

26. Брозе Д.Д. Сгорание в поршневых двигателях. М.: Машиностроение 1969.-552 с.

27. Теория двигателей внутреннего сгорания /Н.Х.Дьяченко, А.К.Костин, Б.П.Пугачев и др. Под ред. Н.Х.Дьяченко. JI.: Машиностроение, 1974. - 552 с.

28. Разлейцев Н.Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях. Харьков: Высшая школа. Издательство при Харьковском университете. - 1980. - 169 с.

29. Основы горения углеводородных топлив. -М.: Иностр. лит., 1960. 664с.

30. Мальцев В.М., Мальцев М И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977. - 320 с.

31. Вильяме Ф.А. Теория горения. М.: Наука, 1971. - 616 с.

32. Основы практической теории горения. Под ред. В.В. Померанцева. Л.: Энергия, 1973. - 264 с.

33. Семенов H.H. Развитие теории цепных реакций теплового воспламенения. М.: Знание, 1969. - 94 с.

34. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменский Д.А. Окисление азота при горении.- М.: Наука, 1974.- 146 с.

35. Смалис В.И. Малотоксичные дизели.- Л.: Машиностроение, 1972.128 с.

36. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания.- 2-е изд., перераб. М.: Машиностроение, 1981.- 160 с.

37. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды / Р.В. Малов,

38. B.И. Ерохов, В.А. Щетина, В.Б.Белеев. М.: Транспорт, 1982.200 с.

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

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

41. Хачиян A.C., Гальговский В.Р., Никитин С.Е. Доводка рабочего процесса автомобильных дизелей.- М.: Машиностроение, 1976.- 104 с.

42. Филипосянц Т.Р., Крятко А.П., Мазинг М.В. Методы снижения вредных выбросов с отработавшими газами автомобильных двигателей.

43. Брезовских Н.С. Состояние вопроса фильтрации отработавших газов дизелей. Харьков: Машиностроение, 1977. - 123 с.

44. Вихерт М.М., Кратко А.П., Рафалькес И.С. Влияние типа рабочего процесса и режимов быстроходных дизелей на свойства сажи отработавших газов//Автомобильная промышленность. 1977. -№ 6. - С. 12-15.

45. В.Г.Воронин. Теория оценки параметров токсичности транспортных газотурбинных двигателей//Двигателестроение. -1988. № 7.1. C. 55-58.

46. Подача и распыливание топлива в дизелях. И.В.Астахов и др. М.: Машиностроение, 1971, 359 с.

47. Моделирование развития топливной струи в открытой камере сгорания дизеля. К.Н. Коптев, В.А. Плотников, В.В. Гаврилов, Г.В. Яковлев. Тр. ЛКИ, вып. 110 1975, С. 55-61.

48. О кумулятивном механизме развития высоконапорной топливной струи.

49. B.К. Баев, A.A. Бузуков, А.Н. Бажайкин, В.П. Тимошенко. -Двигателестроение, 1981, №2, С. 8-12.

50. Портнов ДА. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. М.: Машгиз, 1963, 640 с.

51. Лебедев О.Н., Сисин В.Д. О влиянии стенок камеры сгорания на движение струи распыленного топлива. Тр. НИИВТА. вып., 121, 1976,1. C. 8-13

52. Лебедев О.Н. Численный метод расчёта некотрых параметров круглой, осесимметричной, нестационарной, изометрической струи топлива. Тр. НИИВТА, вып. 34,1975, С. 3-15.

53. Гаврилов В.В., Захаренко Б.А. Эксперементальный метод исследования структуры струи дизельной фарсунки. -Двгателестроение, 1979, №9, С. 55-81.

54. Гольфельдер О. Процесс распада струи в зависимости от формы сопла и пртиводавления, В кн.: Двигатели внутреннего сгорания, Т.1, ОНТИ 1936, С. 55-81.

55. Гриншпан А.З., Романов С.А., Свиридов Ю.Б. Аналитическая модель развития факела распылённого жидкого топлива в неподвижной газовой среде. Тр. ЦНИТА, вып. 64, Л., с.17-23

56. Калужин С.А.,Романов С.А., Свиридов С.Ю. Распыление жидкого топлива в объёме дизельного факела. Двигателестроение, 1980, №8,С.6-8.

57. Лаврентьев М.А. Кумулятивный заряд и принцип его работы. — Успехи математических наук. 1957. т.ХН, вып. 4(76), С. 41-56.

58. Драгунов Г.Д., Садовский С.С., Ершов В.В. Распределение топлива и воздуха в камере сгорания дизеля. Изб. Вузов. Машиностроение, 1979. №1, С. 88-92.

59. Исследование оптической плотности факела тепловозного дизеля. Н.Ф. Разлейцев, С.С. Жилин, M.JL Копылов, В.А. Жуланов. Двигатели внутреннего сгорания, Харьков 1980, вып.31, С.15-19.

60. Исследование динамики топливного факела при моделировании впрыска в тепловозном дизеле. Н.Ф. Разлейцев, С.С Жилин, M.JI. Копылов, В.А. Жуланов. Двигатели внутреннего сгорания, Харьков, 1980, вып. 31, С 8-15.

61. Гурлянт А.Д. Движение факела распыленного топлива в камере сгорания дизеля.-Изв. Вузов. Машиностроение, 1970, №8, С. 126-130.

62. Трусов В.И., Гальговский В.Р., Иванов JI.JI. Влияние противодавления и числа сопловых отверстий на распределение топлива в факеле дизеля. — Тр. МАДИ, вып. 49, 1972, С. 53-59.

63. Трусов В.И., Младенов М.Б. К определению коэффициентов истечения для сопловых отверстий распылителей форсунок. -В кн.: Топливная аппаратура дизелей, вып.4, 1978, С. 24-28.

64. Лукин Ю.А., Власов Н.Х., Паюсов В.И. Влияние распыливающих отверстий форсунки на развитие топливного факела в форсированном быстроходном дизеле / Совершенствование и создание форсированных двигателей. 1982, С.73-78.

65. Паюсов В.И. Вывод и анализ модельных уравнений течение топлива через сопло распылителя / Повышение уровня технической эксплуатации судовых дизелей. НИИВТ, 1987.- С. 110-114.

66. Паюсов В.И. Моделирование течения топлива в распыливающем отверстии форсунки / Повышение уровня технической эксплуатации судовых дизелей. НИИВТ. 1987, С. 60-65

67. Шаров Г.И., Паюсов В.И., Ерохин И.А. Сравнительный анализ индикаторной диаграммы и тепловыделения дизеля: С-Пб. Изд. СПбГМТУ. 2003.-С. 67-69.

68. Габасов Р.И., Кириллова Ф.К. Качественная теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1971. - 508 с.

69. Мееров М.В., Литвак Б.Л. Оптимизация систем много связанного управления электроприводами. Л.: Энергия, 1975. - 160с.

70. Подиновский В.В., Нотин В.Д. Парето оптимальные решения многокритериальных задач. - М.: Наука, 1982. - 256 с.

71. Салуквадзе М.Е. Задачи векторной оптимизации в теории управления. -Тбилиси: Мецниераба, 1975. 201 с.

72. Шаров Г.И.Основы теории управления турбопоршневыми дизельными двигателями по арето-оптимальным функциям /Вологод. политехн.ин-т. -Вологда, 1988. 14 с. - Деп. в ЦНИИТЭ Итяжмаш, № 55-ТМ 88.

73. Крутов В.И. Управление турбопоршневым двигателями по Парето оптимальным функциям. Двигателестроение. -1989.Д № 9. - С. 19-21

74. Дизели: Справочник / Б.П. Байков, В.А. Ваншейдт, И.П. Воронов и др. Под ред. Ваншейдта В.А., H.H. Иванченко, Л.К. Коллерова.- Л.: Машиностроение, 1971-480 с.

75. Испытание двигателей внутреннего сгорания / Б.С. Стефановский, Е.А. Скобцов, Е.К. Кореи и др. — М.: Машиностроение, 1972.-346 с.

76. Райков И.Я. Испытание двигателя внутреннего сгорания. Высшая школа, 1975,320 с.

77. A.c. №961705 СССР, MICH F02 17/00 Двигатели внутреннего сгорания / В.И. Паюсов , В.М. Горохов // Изобретение. 1981. - №33. - с.132

78. A.c. №1052700 СССР, МКИ Р02М65/00Стенд для исследования топливной струи / В.П. Лазурко, В.И. Паюсов//Изобретение-1982-№41.

79. Hempel W., Seidi Т. Statistische Erhelung über Dieselmotorengerausche, CIMAC-Arbeitsgruppe "Gerausch'7/Motortechn. Z.-1990;*94, -S. 153-156.

80. Garvey D.C. a digital control algorithm for engine goverting// SAE Tech. Pop/Ser/- 1995/-N 85174/-Р/12-22.

81. Titolo A. Dia variable Ventilsteurung von Fiat//MTZ. 1996. - 47.N5. - pp. 185-188.

82. Hauer AJ Zur Berechnung und Messung dez 5t romung durch Dieselmotor-Einspritzdusen.-Wiss.Z. Techn. Hochsch. O. Queriche Magdeburg 23(1979), Helf 1 S. 21-27.