автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей путём совершенствования параметров системы наддува

003062153

На прав ' рукописи

Смирнов Сергей Викторович

УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЁМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ НАДДУВА

Специальность 05 04 02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт — Петербург - Пушкин 2007

003062153

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Тверская государственная сельскохозяйственная

академия»

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники,

доктор технических наук, профессор |Николаенко Анатолий Владимирович |

кандидат технических наук, доцент Андрощук Василий Степанович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Зуев Анатолий Алексеевич

кандидат технических наук, доцент Галышев Юрий Витальевич

Ведущая организация

Санкт - Петербургский государственный университет водных коммуникаций

Защита диссертации состоится » 2007 г. ъ//,0Рчясвъ на заседании

диссертационного совета Д 220 060 05 при ФГОУ ВПО «Санкт - Петербургский государственный аграрный университет» по адресу 189620, Санкт - Петербург - Пушкин, Академический проспект, д 23, ауд 2529

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт — Петербургского государственного аграрного университета

Автореферат разослан «■&* ч>2007 г

Учёный секретарь Диссертационного совета д т н, профессор ... ТЮ Салова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность темы Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются одной из важнейших составных частей энергетического комплекса России Общая мощность парка ДВС страны примерно в 5,5 раз превосходит установленную мощность всех электростанций страны, включая атомные Материалы многочисленных исследований показывают, что поршневые ДВС сохранят за собой ведущую роль в качестве источника энергии для традиционных потребителей на обозримую перспективу

Дизельные двигатели, обладающие рядом преимуществ перед двигателями с искровым зажиганием, в настоящее время получают все большее распространение, что объясняется рядом мероприятий, приблизивших их по удельным показателям Одним из основных направлений совершенствования автотракторных дизелей в настоящее время является форсирование по среднему эффективному давлению путём применения газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха Получившая широкое распространение рекуперативная система охлаждения наддувочного воздуха имеет ряд недостатков - повышенные потери давления на впуске, значительные габариты теплообменников, высокая металлоёмкость и стоимость При этом известны другие способы охлаждения наддувочного воздуха, которые лишены указанных недостатков, в том числе способ испарительного охлаждения наддувочного воздуха (ИОНВ), принцип действия которого основан на испарении воды, впрыскиваемой в наддувочный воздух Во впускной тракт также можно впрыскивать аммиак и спирты Использование воды целесообразно в связи с её дешевизной, удобством хранения и использования Возможность применения ИОНВ на автотракторных дизелях изучена недостаточно

Параллельным направлением совершенствования дизелей является снижение токсичности отработавших газов На основании анализа литературных данных установлено, что применение воды в рабочем цикле дизелей улучшает их экологические показатели В связи с этим задача улучшения эффективных и экологических показателей дизелей с наддувом путём подачи воды на впуске представляется весьма актуальной

Связь с планами научных исследований Диссертационная работа выполнена в соответствии с темой № 17 «Улучшение энергетических, экономических, ресурсных и экологических показателей мобильных средств в сельском хозяйстве» плана НИР Тверской ГСХА на 2000 . 2005, 2006 2010 гг (номер гос регистрации код ГРНТИ 68 85 83, 68 85 15)

Целью исследований является улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей путем совершенствования параметров системы наддува

Объект исследований. Дизель 6 ЧН 13/11,5 (СМД - 62) трактора общего назначения Т- 150К

Научную новизну работы представляют:

1 Математическая модель расчёта количества подаваемой на впуске воды

2 Расчетно-теоретическая модель параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

3 Результаты теоретических и лабораторно-стендовых исследований влияния испарительного охлаждения наддувочного воздуха на эффективные и экологические показатели дизеля

Практическая значимость:

1 Модернизированная система впуска дизеля СМД - 62 для испарительного охлаждения наддувочного воздуха.

2 Регулировочные характеристики системы испарительного охлаждения наддувочного воздуха дизеля СМД - 62

3 Рекомендации для научных исследований по согласованию работы топливопо-дающей системы и системы ИОНВ

Реализация результатов работы. Техническое описание модернизированного макетного образца системы впуска дизеля СМД - 62 передано в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» (ЗАО «НИТЦентр») с целью создания конструкторской документации

Материалы исследований используются в учебном процессе на кафедре «Трактора и автомобили» Тверской ГСХА при подготовке студентов по специальности 311300 (110301) и 150200 (190601), а также в дальнейших исследованиях по применению ИОНВ на автотракторных дизелях

Апробация результатов работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях Тверской государственной сельскохозяйственной академии 2002 2006 г, на Международных научно-практических конференциях «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» 2000, 2003, 2004, г (Санкт - Петербургский государственный аграрный университет, г Санкт - Петербург - Пушкин)

Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены в 13 печатных работах, из них одна в центральной печати

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1 Математическая модель расчёта количества подаваемой на впуске воды

2 Расчетно-теоретическая модель параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

3 Модернизированная система впуска дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха

4 Результаты теоретических и лабораторно-стендовых исследований влияния испарительного охлаждения наддувочного воздуха на эффективные и экологические показатели дизеля

5 Обоснованные регулировочные параметры системы питания дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и двух приложений Содержит 168 страниц основного текста, в том числе 43 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 97 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, цели и задачи настоящей работы, а также изложена научная новизна и практическая ценность работы

В первом разделе проведён анализ работ выполненных по тематике рассматриваемой задачи Результаты теоретических и экспериментальных исследований по развитию и совершенствованию систем охлаждения наддувочного воздуха отражены в работах Адамовича А В , Ваншейдта В А, Взорова Б А, Гольтрафа С Н, Гродзиевского В И, Иванченко Н Н , Каминского М М, Кустарёва Ю С , Моргулиса Ю Б, Мордухо-вича М М, Николаева Ю А Николаенко А В , Орлина А С., Поветкина Г М , Симеона А Э, Харчеико А И и других. Развитием систем испарительного и водоконтактного охлаждения наддувочного воздуха занимались ученые Васильев Ю Н , Гулин С.Д, Зорин Ю А, Капустин В В , Орлов А Н, Синатов С А, Шишатский В Н

Анализ результатов исследований показывает, что повышение среднего эффективного давления путём применения газотурбинного наддува с охлаждением наддувочного воздуха является одним из эффективных способов форсирования дизелей, обеспечивая прирост мощности на 20 30 % по сравнению с дизелями без наддува при сохранении теплонапряженности деталей двигателя на прежнем уровне Газотурбинный над-

дув с охлаждением наддувочного воздуха обеспечивает экономию топлива как в результате снижения удельного эффективно! о расхода топлива на номинальном режиме, так и в результате расширения зоны экономичной работы дизеля по скоростному и нагрузочному режиму Недостатки присущие турбонаддуву, во многом благодаря охлаждению наддувочного воздуха в настоящее время практически преодолены, и он получает все более широкое распространение Анализ способов охлаждения наддувочного воздуха показал, что применяемая в большинстве случаев рекуперативная воздучо-воздушная система имеет ограниченные резервы улучшения технико-экономических показателей Существенными недостатками рекуперативных охладителей являются относительно большие сложность и стоимость изготовления, значительные габариты теплообменников, затраты мощности на привод вентиляторов, загрязнение по мере эксплуатации поверхностей теплообмена и снижение, в связи с этим теплотехнических показателей, повышенное сопротивление газовоздушного тракта

Одним из эффективных средств охлаждения наддувочного воздуха может служить его внутреннее испарительное охлаждение наддувочного воздуха (ИОНВ) Суть данною способа заключается в подаче мелко распыленной воды в поток нагретого в турбокомпрессоре воздуха На нагрев и испарение воды затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего снижается его температура. Для этих целей также можно использовать аммиак, метиловый и этиловый спирт, которые имеют большую скрытую теплоту испарения Применение воды целесообразно ввиду ее дешевизны, удобства хранения и использования

Опыт применения испарительного охлаждения наддувочного воздуха на судовых и тепловозных двигателях показал его высокую эффективность Возможность применения ИОНВ на автотракторных двигателях в настоящее время изучена недостаточно

Одновременным направлением совершенствования автотракторных дизелей является снижение токсичности отработавших газов ОГ На основании анализа средств и методов снижения токсичности ОГ сделан вывод о целесообразности применения воды в рабочем цикле дизеля путем ей подачи во впускной трубопровод

Все это дает основание предполагать, что улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей с наддувом путем подачи воды во впускной трубопровод является актуальной научной задачей На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

- разработать методику расчёта количества подаваемой во впускной трубопровод воды обосновать регулировочные параметры подачи воды,

- разработать математическую модель расчёта и выполнить расчет параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха, выполнить расчбтно-теоретический анализ износостойкости цилиндропоршне-вой группы, исследовать тепловой баланс дизеля,

- разработать способ и систему подачи воды на впуске для организации рабочего процесса дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха, сформировать экспериментальную моторную установку и выполнить моторные стендовые исследования показателей работы дизеля, уточнить рациональные параметры подачи воды и дизельного топлива и определить их соотношение,

- провести экспериментальные исследования токсичности ОГ при работе дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха

- оценить технико-экономическую эффективность дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха

Во втором разделе представлен разработанный способ работы дизеля с ИОНВ, приведена методика расчета количества подаваемой во впускной тракт воды, математическая модель и результаты расчета параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с ИОНВ, изложены теоретические предпосылки по улучшению экологических показателей автотракторных дизелей путем применения ИОНВ

На рис 1 представлена схема предлагаемого способа организации рабочего процесса дизеля с ИОНВ Во впускной тракт установлена пневматическая форсунка Подачу и регулирование количества подаваемой воды обеспечивает устройство для подачи воды Распыливание воды производится сжатым воздухом При сжатии воздуха в турбокомпрессоре на нагрев и испарение воды затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего снижается его температура и увеличивается плотность свежего заряда на впуске, что обеспечивает возможность форсирования дизеля по среднему эффективному давлению и уменьшает выбросы вредных веществ с отработавшими га-

1 - устройство для подачи воды,

2 - компрессор,

3 - пневматическая форсунка, 4—двигатель,

5 - турбокомпрессор.

отработавшие газы

->- вода

паровоздушная смесь -Р- сжатый воздух

Рисунок 1 - Схема организации рабочего процесса дизеля с ИОНВ

Особенностью расчёта рабочего цикла дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха является то, что часть теплопгы наддувочного воздуха расходуется на нагрев и испарение воды

Влажный воздух, представляющий собой смесь сухого воздуха и водяного пара при невысоких давлениях без особой погрешности можно рассматривать как идеальные газы В таком случае к ним применимы закономерности, сформулированные для смеси идеальных газов Чем больше степень перегрева, тем больше по своим термодинамическим свойствам перегретый пар приближается к идеальному газу Так, водяной пар, содержащийся во влажном воздухе, с вполне приемлемой точностью следует уравнению состояния идеального газа. Это же относится к водяному пару, который образуется при сжигании топлива в камерах сгорания тепловых двигателей

При впрыскивании воды в наддувочный воздух происходит снижение его температуры вследствие потерь тепла на нагрев и испарение воды В идеальном случае эн-

тальпия воздуха, затраченная на испарение воды, полностью возвращается с парами воды в воздух, поэтому процесс можно рассматривать при условии h = const Понижение температуры воздуха при впрыске воды, а также предельное количество испарившейся воды можно определить исходя из следующих положений

Уравнение смешения воздуха с парами воды может быть выражено

8 ЦОД Ьц0Д+8и01Л = Swjl huoji+ggon ^ВОц'

где 8юд и ёюы массовая доля водяных паров и воздуха в смеси, Ьвоч и Ко t ~ энтальпия воды до и после смешения,

/, и w - энтальпия воздуха до и после смешения

"вотл "возд

Так как разность энтальпий воздуха до и после смешения

Ьвтч ~ ^воэч = СР/юл к ~ ^к )' ^^

то температура охлажденного воздуха составит

Г -т__1_ gso'' (/,' _/, V (3)

' К ~ ' К \ ВОД "вод I

Рвот 8юМ

где Срв - средняя удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Тк и т'к - температура наддувочного воздуха до и после испарения воды, К

При условии полного испарения воды и образования перегретого пара разность энтальпий пара и воды в уравнении 3 можно представить в виде

hвол ~ ^юл = Свод 0\ — TBW,)+ г + Срв п {Тк — 7\)' (4)

где тмр и температура впрыскиваемой воды, и температура насыщения водяных паров в свежем заряде,

г — теплота парообразования,

Сюд и Срв и ~ средние удельные теплоемкости воды и водяного пара при постоянном давлении

В данной формуле первое слагаемое представляет количество теплоты, затрачиваемое на нагрев впрыснутой воды, второе - количество теплоты, затрачиваемое на парообразование, третье - количество теплоты, затрачиваемое на перегрев пара

Анализ формулы 4 показывает, что поскольку сюд и Срв п <<: г, то в небольшом

интервале изменения температур первым и последним слагаемым можно пренебречь Тогда температура охлаждённого воздуха будет определяться формулой

ji _ j ___]__ Ввод г, (5)

СРиоп &вощ

Следует отметить, что теплоемкость воздуха и скрытая теплота парообразования не являются постоянными величинами, но в небольшом интервале температур их изменением также можно пренебречь

Глубина охлаждения при испарительном охлаждении наддувочного воздуха ограничивается температурой насыщения (температурой точки росы), которую можно определить по формуле

Г 2224,4 к (6)

1Р 5,9778-lg(lО Р'„к) где р* - парциальное давление водяного пара после сжатия воздуха в турбокомпрессоре и испарения воды, МПа

При испарении воды происходит вытеснение части воздуха водяными парами и изменение коэффициента наполнения который находится по формуле

„__П Р*-Р.) г - (7)

^-(г;+дт){г-\)рк

где - объемная доля сухого воздуха в смеси,

с - степень сжатия, р - давление в конце впуска, МПа,

р - давление остаточных газов, МПа,

АТ - температура подогрева свежего заряда, К,

рк - давление наддувочного воздуха, МПа

_ а х ¿а, (8)

юзл~ Л/,

где а - коэффициент избытка воздуха,

ц - количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг дизельного топлива

кмоль,

Мх - количество свежего заряда, кмоль

Температуру в конце сгорания определяем из уравнения сгорания

РЛс„ Т2 = +1] («с]Г+/?, Л)' (9)

Мс

которое после учёта присутствия водяного пара приводится к виду

г -(/? аУ + 4 О? Ь) с (Ю) 2 {РЬ)

а = ггю» 28,75+ (1-г»7) ^20,2 + ^+«, (,1)

6 = г/од 6,25 10"1 +(]-г/<эд) (15,5 + -^ Ю-4 (12)

мс

где р - расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси, ~Цсг1 ~ средняя молярная теплоёмкость продуктов сгорания в дизеле с учетом дополнительного количества водяного пара, кДж/(кгхК), Т7 - температура в конце сгорания, К,

£ - коэффициент использования теплоты, @ - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг, М - число молей газов в конце сжатия до сгорания, кмоль, а - коэффициент избытка воздуха, ТГ - температура в конце сжатия, К,

/7с,( - средняя молярная теплоемкость заряда в конце сжатия, кДж/(кгхК),

- универсальная газовая постоянная, кДж/(кгхК) Л - степень повышения давления

гю - объемная доля и сухого воздуха в свежем заряде, ' - объемная доля водяного пара в продуктах сгорания

Теплоемкость водяного пара приближённо описывается соотношением

/7с,'Г' =28,75 + 6,25 10"

, кДж/(кгхК)

(15)

Далее тепловой расчет параметров рабочего никла производится согласно стандартной методике

Результаты расчёта показывают, что при подаче воды на впуске происходит снижение температуры свежего заряда Изменение температуры свежего заряда в зависимости от количества подаваемой воды показано на рис 2 370,_

К 350 340 330 320 310 300 290 280

- область перегретого 'пара

Т

область -. блажного

пара _

0

5

10

15

20

30

кг

СЕюа —4

Рисунок 2 - Изменение температуры свежего заряда в зависимости от подачи воды

Точка пересечения графиков температуры насыщения Ттр и температуры наддувочного воздуха после подачи воды Тк определяет максимально возможное количество испарившейся воды на впуске и соответствующее ему максимальное снижение температуры наддувочного воздуха По результатам данного расчета на режиме номинальной мощности снижение температуры наддувочного воздуха составляет 46 °С при подаче воды 21,7 кг/ч Подача воды более 21,7 кг/ч не приводит к дальнейшему снижению температуры наддувочного воздуха, при этом в цилиндры дизеля поступает смесь воздуха с влажным паром С учетом испарения воды в процессе сжатия максимальная подача составила 25,2 кг/ч

Изменение параметров процесса впуска дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха в зависимости от количества подаваемой воды представлено на рис 3

Уменьшение температуры наддувочного воздуха вызывает рост плотности свежего заряда на впуске рк, которая характеризует массовое наполнение цилицдров При максимальном снижении температуры плотность заряда увеличивается на 13,4 % по сравнению со штатным циклом Однако испарение воды приводит к вытеснению воздуха водяными парами и к уменьшению объёмной доли сухого воздуха гвозд на 2,3 %, поэтому плотность сухого воздуха рв03д увеличивается лишь на 11 2 % Частичным замещением воздуха водяными парами объясняется также и снижение коэффициента наполнения на 5,8 % за счёт уменьшения объемной доли сухого воздуха Увеличение плотности свежего заряда при неизменном коэффициенте избытка воздуха увеличивает эффек-

тивную мощность на 9 %, при этом удельный эффективный расход топлива снижается на 4 г/(кВтхч)

На рис 4 показаны расчетные индикаторные диаграммы в Т - 5Х координатах для штатного цикла и цикла дизеля с ИОНВ при подаче воды 21,7 кг/ч Из диаграммы видно, что кривые температур при работе дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха лежат ниже штатного цикла При этом температура в конце впуска Та ниже на 47 °С, максимальная температура цикла на 153 °С Известно, что интенсивное образование оксидов азота наступает при 1900 °С и удваивается при повышении температуры через каждые 200 250 К Как видно из графиков, при подаче воды на впуске продолжительность периода температур интенсивного образования оксидов азота ф м0х, выраженная в градусах поворота коленчатого вала, уменьшается, и составляет в штатном цикле 280 п к в, в цикле с испарительным ОНВ 19 0 п к в Таким образом, снижение уровня максимальных температур создает условия для снижения выбросов МОх с ОГ и уменьшения теплонапряженности деталей двигателя

боза

Рисунок 3 - Изменение параметров процесса впуска в зависимости от подачи воды

Рисунок 4

ЗСО 270 грйлкв

- - - 11ГО№Ыи ЦШЛ

——— щкл с ишрте/ьньп ЕНЭ

- Расчетные индикаторные диаграммы

В третьем разделе приведены общая и частные методики экспериментальных исследований, дано описание экспериментальной установки, применяемой аппаратуры и разработанного устройства для подачи воды

Экспериментальная установка представляет собой комплекс, который включает дизель СМД - 62, обкаточно-тормозной стенд КИ - 5540М, контрольно-измерительные приборы Дизель оборудован системой подачи воды во впускной трубопровод, состоящей из емкости для хранения воды, устройства для замера расхода воды, устройства для подачи воды и регулировки его количества, пневматических форсунок, компрессора, трубопроводов воды и воздуха

Методика предусматривает проведение сравнительных лабораторно-стендовых исследований показателей работы и токсичности ОГ дизеля в два этапа

Первый этап Экспериментальные исследования влияния подачи воды на показатели работы и токсичность ОГ дизеля при штатных регулировках дизельной топливной аппарагуры и определение рациональных регулировочных параметров подачи воды Изменяемым параметром в ходе эксперимента является количество подаваемой воды при постоянной частоте вращения коленчатого вала и неизменном положении рычага управления регулятором ТНВД

Второй этап Исследование показателей работы и токсичности ОГ дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха в условиях нагрузочной характеристики с целью форсирования двигателя по среднему эффективному давлению Изменяемым параметром в ходе эксперимента является цикловая подача топлива при неизменной частоте коленчатого вала и количестве подаваемой воды Фактором, ограничивающим цикловую подачу топлива, является температура отработавших газов, характеризующая теплонапряженность дегалей цилиндропоршневой группы Исследования проводятся на номинальном режиме и на режимах частичных нагрузок

При проведении экспериментальных исследований производится замер частоты вращения, расходов топлива, воды, воздуха, температуры воздуха до и после турбокомпрессора, эффективной мощности, температуры ОГ, проводится отбор проб отработавших газов для оценки токсичности ОГ, контролируется температурный режим работы двигателя, давление в системе смазки, возможность попадания воды в моторное масло

При проведении экспериментальных исследований используется дизельное топливо Л - 0,2 - 45 ГОСТ 305 - 82 и моторное масло М - 10 Г2К ГОСТ 17479 1 - 85, рекомендованные для данного типа дизелей и взятые из одной партии Определение основных показателей дизеля проводится в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-88 Измерение токсичности ОГ производилось с помощью газоанализатора «АВТОТЕСТ -02 С0-С02-СН-02-Ж>х-Х.-Т»

В четвёртом разделе приведены результаты экспериментальных исследований Результаты исследований параметров свежего заряда дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха представлены на рис 5

Анализ полученных зависимостей (рис 5а) показывает, что подача воды на впуске снижает температуру наддувочного воздуха По мере насыщения воздуха водяным паром интенсивность снижения температуры уменьшается Вместе с тем следует отметить, что резервы ИОНВ при проведении экспериментальных исследований не исчерпаны, так как влажность воздуха не достигает 100%, что объясняется не реализованными возможностями доводки системы подачи воды, т е недостаточной тонкостью распыли-вания

При подаче воды в количестве 25,4 кг/ч на номинальном режиме температура наддувочного воздуха составила 65 °С, снижение 40 °С, при п = 2170 об/мин - 1к =62 °С, снижение — 28 °С Большее снижение температуры на номинальном режиме достигается из-за большего давления и температуры наддува и вследствие этого меньшей влажности свежего заряда Увеличение подачи воды более 25 кг/ч не приводит к дальнейшему снижению температуры свежего заряда Давление наддува рк незначительно снижается при подаче воды, что связано с уменьшением температуры и давления отработавших газов Вследствие снижения температуры рост плотности свежего заряда р„ составил на номинальном режиме - 12 %, на режиме п = 2170 - 7 %, что приводит к соответствующему улучшению наполнения цилиндров

При форсировании дизеля по среднему эффективному давлению заградительным параметром является температура отработавших газов, характеризующая теплонапряженность деталей двигателя которая не должна превышать уровень штатного цикла -660 °С

При форсировании дизеля и постоянной подаче воды наблюдается рост давления наддува вследствие увеличения температуры и давления отработавших газов При этом температура наддувочного воздуха возрастает Больший рост температуры наддувочного воздуха наблюдается при меньших подачах воды На номинальном режиме при увеличении часового расхода топлива до 35 кг/ч температура наддувочного воздуха возрастает на 20 °С при подаче воды 17,5 кг/ч, при 27,3 кг/ч - на 12 °С и составила 95 и 75 °С соответственно

Р* 01.

ч

ч 1,

у

•«

р,

А.

к.

р ч>

—'

Р. О г Л

[< У ь

и

Р,15 Н

20 кг/ч 30

308 ,

■1ъ|

рм!

305 Р

И

Рч\5

1,

4

р,

\

Р1

о- )

-

/

<р. о

зов I та | 306 305 Р,

ч><

кг/ч

24

26

28,

кг/ч

32

и!»а

-а-п = 2100 сй/мин -о-п = 2170 об/мин

■6М> = 175 кг/ч ■ Бм, = 273 кг/ч

-а-6,,,.« 13 7 кг/ч -о- С6„аа = 204 кг/ч п = 2170 об/мин В)

- в зависимости от часового

п = 2100 об/мин а) б)

а - в зависимости от количества подаваемой воды, б и в -

расхода топлива при п = 2100и2170 об/мин Рисунок 5 - Изменение параметров свежего заряда дизеля СМД - 62 с ИОНВ

Несмотря на увеличение температуры вследствие роста давления наддува плотность заряда на впуске возрастает на 0,1 кг/м3 При 17,5 кг/ч рк = 1,63 кг/м3, при 27,3 кг/ч рк = 1,7 кг/м3, большая плотность при большей подаче воды вызвана меньшей температурой свежего заряда.

Давление и температура наддува влияют на влажность воздуха по разному увеличение температуры приводит к уменьшению, увеличение давления к росту влажности Кроме того, при форсировании дизеля увеличивается скорость воздуха и происходит уменьшение времени контакта воздуха и воды, вызывая ухудшение условий испарения, но при этом увеличивается турбулизация свежего заряда, улучшая испарение воды Совместное влияние указанных факторов приводит к незначительному снижению влажности При этом большая влажность свежего заряда наблюдается при большей подаче воды

На частичном режиме работы дизеля при п = 2170 об/мин характер изменения параметров свежего заряда при форсировании дизеля аналогичный При увеличении часового расхода топлива с 23 до 28 кг/ч температура наддувочного воздуха при подачах воды 13,7 кг/ч и 20,4 кг/ч растет с 85 °С до 92 °С и 73 °С до 87 °С, давление наддува увеличивается с 0,053 МПа до 0,065 МПа и 0,052 МПа до 0,063 МПа, плотность воздуха увеличивается с 1,5 кг/м"1 до 1.54 кг/м3 и 1.58кг/м3 до 1,63 кг/м'' соответственно

Увеличение подачи топлива более 28 кг/ч при подаче воды 13,7 кг/ч приводит к резкому росту температуры отработавших газов

Результаты исследований эффективных показателей дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха представлены на рис 6

Анализ полученных зависимостей рис 6а показывает, что подача воды во впускной трубопровод изменяет эффективные показатели дизеля Так при подаче воды в количестве 25 кг/ч эффективная мощность снижается на 5 кВт при работе на номинальном режиме, чго связано с изменением температурного режима дизеля

Увеличение плотности заряда на впуске при практически неизменной подаче топлива вызывает увеличение коэффициента избытка воздуха с 1,75 до 1,9 и улучшение индикаторного КПД, благодаря чему удельный эффективный расход топлива снижается на 10 г/кВт ч Однако при подачах воды более 25 кг/ч удельный расход топлива возрастает, что вызвано уменьшением концентрации кислорода ввиду вытеснения воздуха водяным паром и ухудшением условий горения дизельного топлива

При работе дизеля на частичном режиме при п = 2170 об/мин эффективная мощность остается без изменений, коэффициент избытка воздуха возрастает на 13%, удельный эффективный расход топлива снижается на 10 г/кВт ч

Увеличение коэффициента избытка топлива и снижение температурного режима цикла при подаче воды на впуске обеспечивает возможность форсирования дизеля по среднему эффективному давлению Изменение эффективных показателей дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха при форсировании дизеля представлены на рис 66 и 6в

кг/ч

15

• п = 2100 об/мин ■ п = 2170 о5/мин

«г/ч

кг/ч

28 30 32

с.

-а- = 175 кг/ч -а- СЫи =137 кг/ч

-о- 6^. 273 кг/ч -О- = 204 кг/ч

п » 2100 ой/мш п = 2170 об/мин

а) б) в)

а - в зависимости от количества подаваемой воды, б и в - в зависимости от часового расхода топлива при п = 2100 и 2170 об/мин Рисунок 6 - Изменение эффективных показателей дизеля СМД - 62 с ИОНВ

Увеличение подачи топлива с 29 до 35 кг/ч вызывает рост эффективной мощности до 143 кВт (20%) при подаче воды 17.5 кг/ч при подаче воды 27,3 кг/ч эффективная мощность составила 147 кВт (рост 25%)

Подача воды при форсировании оказывает влияние на удельный эффективный расход топлива При подаче воды 17,5 кг/ч и увеличении подачи топлива с 29 до 35 кг/ч удельный эффективный расход топлива возрастает с 238 до 245 г/кВт ч При подаче воды 27 3 кг/ч и таком же увеличении подачи топлива удельный эффективный расход

топлива снижается с 242 до 236 г/кВт ч Изменение удельного эффективного расхода топлива при различной подаче воды объясняется различными значениями коэффициента избытка воздуха при большей подаче воды коэффициент избытка воздуха выше

Коэффициент избытка воздуха при увеличении подачи топлива снижается, при подаче 35 кг/ч достигая значений штатного цикла

На частичном режиме работы при п = 2170 об/мин эффективная мощность при увеличении подачи топлива с 23 до 28 кг/ч и подаче воды 13,7 кг/ч увеличивается с 93 до 108 кВт (16 %), при большей подаче топлива наблюдается резкий рост температуры отработавших газов При подаче воды 20,4 кг/ч увеличение подачи топлива с 23 до 29 кг/ч увеличивает эффективную мощность с 90 до 118 кВт (29 %) при этом удельный эффективный расход топлива снижается с 272 до 263 г/кВт ч

Результаты исследований токсичности отработавших газов дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха представлены на рис 7

. ял Т ррга i MO JO, i 1300 с,

1 ЗД «J 1200 1200

N0,«B 1000 N0,14)0 1000 ч ж N0,1« ,-Г

t„ S =Я1 4- Í50 1100 этп

еоо 'г 900 \ f ■r 1050 'ir ✓ г I

¡50 ' ',41 1

— \ am 1 _ _ S ü >00 f > Й»

400 а— ,50 Ir 220 ,sotTr 600

| ррш n Í 4. Л

1 300 К, ' 200 А -- ? 1 too * « L

СН„25° 200 ч? —' 11!) ,CH«o 1 160 CH 300 700 /

/

ГО mu :o v„ I ГО %

im CO -- 108 1 mí.

102 i > )06rn V lflSp

— — i г- 1П1Ш intL

5 -А- п 1С ) 15 20 KZ/ч ^Сой 2100 об/мин 30 28 30 32 кг/ч G» ~T -175 кг/ч 36 21, 26 —А— С 28 кг/ч мв> - 137 кг/ц 32

— 0- п = 2170 об/мин -o- 273 кг/ч -о- Go.su ' 20 (»кг/ч

п = 2100 о5/мин п = 2170 об/мин

а) б) в)

а — в зависимости от количества подаваемой воды, б и в - в зависимости от часового

расхода топлива при п = 2100 и 2170 об/мин Рисунок 7 - Изменение температуры и токсичности ОГ дизеля СМД - 62 с ИОНВ

При работе дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха при увеличении подачи воды выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами снижаются На номинальном режиме увеличение количества подаваемой воды до 25 кг/ч вызывает уменьшение выбросов оксидов азота с 1800 до 900 ррт (в 2 раза), что объясняется уменьшением температурного режима цикла, о чем свидетельствует снижение температуры отработавших газов на 110 °С Выбросы углеводородов уменьшаются с 300 до 220 ррш (25%), достигая минимума при подаче воды 20кг/ч, выбросы оксида углерода с 0,08 до 0,05% При подаче воды более 20 кг/ч выбросы углеводородов и оксида углерода увеличиваются, что объясняется увеличением толщины холодных пристеночных слоев в камере сгорания и уменьшением концентрации кислорода ввиду вытеснения воздуха водяными парами

На частичном режиме при подаче воды 25 кг/ч температура отработавших газов снижается на 60 °С, при этом выбросы оксидов азота снижаются с 1500 до 900 ррш Минимальный выброс углеводородов достигается при подаче воды 14 кг/ч, снижение с

370 до 260 ppm Содержание оксида углерода при подаче воды менее 15 кг в отработавших газах незначительно, при подаче воды 25 кг/ч содержание СО составило 0,04 %

На рис 76 и 7в представлены зависимости изменения содержания токсичных компонентов отработавших газов при форсировании дизеля с ИОНВ

При форсировании увеличивается температурный режим двигателя, что показывают кривые температуры отработавших газов На номинальном режиме увеличение расхода топлива с 29 до 35 кг/ч вызывает рост температуры ОГ при подаче воды 17,5 кг/ч с 550 до 640 °С(уровень штатного цикла), при подаче воды 27,5 кг/ч с 520 до 590 °С Повышение температуры цикла приводит к увеличению выбросов оксидов азота, однако их рост относительно медленный и при достигнутой степени форсирования уровень выбросов NOx ниже показателей штатного цикла при подаче воды 17,5 кг/ч он составил 1400 ррш, при 27,3 кг/ч - 1190 ррш Интенсивная турбулизация заряда при форсировании дизеля уменьшает толщину холодных пристеночных слоён в камере сгорания, при этом содержание углеводородов при форсировании снижается, достигая минимума при расходе топлива 34 кг/ч Выбросы оксида углерода при форсировании увеличиваются на 0,05%, что связано с уменьшением коэффициента избытка воздуха.

На частичном режиме характер протекания кривых токсичности и температуры отработавших газов схож с номинальным режимом Температура отработавших газов достигает уровня штатного цикла при подаче топлива 28 кг/ч и подаче воды 13,7 кг/ч, при подаче воды 20,4 кг/ч та же температура достигнута при расходе топлива 29 кг/ч Выбросы оксидов азота составили 1250 ррш при подаче воды 17,3 кг/ч и топлива 28 кг/ч, 1220 ррш при расходе 20,4 и 29 кг/ч соответственно Содержание СНХ при увеличении расхода топлива с 23 до 29 кг/ч и подаче воды 13,7 кг/ч снижается с 250 до 200 ррш, содержание СО возрастает до 0,05% При подаче воды 20,4 кг/ч увеличение расхода топлива с 23 до 29 кг/ч вызывает снижение СНХ с 550 до 380 ррш и увеличение СО с 0,05 до 0,08%

На основании комплексного анализа показателей работы и токсичности отработавших газов дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха определена зависимость рациональной подачи воды во впускной тракт от часового расхода топлива, в условиях внешней регуляторной характеристики, которая представлена на рис 8

Рисунок 8 - Зависимость рациональной подачи воды от часового расхода топлива Данная зависимость описывается уравнением у = 0,0231х2 - 0,0008х - 3,4027 в интервале 12,5< х< 35, при х < 12,5 у = 0

В пятом разделе рассчитана экономическая эффективность трактора Т - 150К, получаемая при организации рабочего цикла дизеля СМД — 62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха

При организации рабочего цикла дизеля СМД - 62 с ИОНВ происходит увеличение производительности трактора Т - 150К на 11 % и снижение стоимости условного эталонного гектара При годовой наработке 2000 условных эталонных гектаров на 1 трактор ожидаемый годовой экономический эффект составляет 11600 рублей, что на 3700 руб больше экономического эффекта от применения рекуперативного охлаждения наддувочного воздуха (в ценах 2006 г)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 На основании анализа современных исследований установлено, что основным способом форсирования дизелей является применение газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха Анализ существующих способов охлаждения наддувочного воздуха позволяет сделать вывод о целесообразности и перспективности исследовании по применению испарительного охлаждения наддувочного воздуха на автотракторных дизелях с целью улучшения эффективных и экологических показателей

2 На основании разработанной расчетной модели определены параметры наддува при подаче воды на впуске Так, при подаче воды до 21,7 кг/ч происходит полное испарение воды, при подаче воды более 21,7 кг/ч в цилиндры двигателя поступает смесь воздуха с влажным паром, который там перегревается С учётом условий перехода воды в перегречый пар в процессе сжатия максимально возможное количество подаваемой воды составило 25 кг/ч

3 С использованием уточнённой расчетно-теоретической модели, учитывающей особенности применения ИОНВ, определены параметры рабочего цикла и показатели работы дизеля Так, при рациональной подаче воды (21,7 кг/ч) определённой на основании параметров наддувочного воздуха, содержащего только насыщенный пар. получены следующие результаты температура наддувочного воздуха после испарения воды снижается на 46 °С, эффективная мощность возрастает на 9 %, удельный эффективный расход топлива уменьшается на 4 г/кВт ч , продолжительность периода образования оксидов азота уменьшается на 9 град п к в в сравнении со штатным циклом

4 В результате выполненных экспериментальных и теоретических исследований создан макетный образец дизеля СМД — 62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. При реализации рабочего цикла с испарительным охлаждением наддувочного воздуха получены следующие показатели работы дизеля и токсичности отработавших газов

- при подаче воды снижается токсичность отработавших газов Подача воды 25 кг/ч при работе дизеля на номинальном режиме снижает содержание оксидов азота в 2 раза, углеводородов на 25 % по сравнению со штатным циклом При этом температура наддувочного воздуха уменьшается на 40 °С, температура отработавших газов на 110 °С, плотность заряда на впуске увеличивается на 12 %, эффективная мощность составила 116 кВт, удельный эффективный расход топлива - 254 г/(кВтхч)

-при форсировании дизеля по среднему эффективному давлению с увеличением часового расхода топлива до 35 кг/ч на номинальном режиме и подаче воды 27 кг/ч эффективная мощность возросла на 20 %, удельный эффективный расход топлива составил 240 г/(кВтхч), при теплонапряженности дизеля на уровне штатного цикла, выбросы токсичных компонентов на номинальном режиме при форсировании дизеля ниже уровня штатного цикла по оксидам азота на 35 %, углеводородам - 40 %

5 На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований установлена зависимость соотношения дизельного топлива и воды для испари-

тельного охлаждения наддувочного воздуха в условиях внешней регуляторной характеристики

6 Результаты экспериментальных исследовании в основном подтверждают теоретические предпосылки Расхождение не превышает 7 % и объясняется необходимостью доводки системы подачи воды

7 Годовой экономический эффект от применении ИОНВ на тракторе Т - 150К при годовой наработке 2000 условных эталонных гектаров на 1 трактор составляет 11600 рублей (в ценах 2006 г)

8 Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Трактора и автомобили» Тверской ГСХА при подготовке студентов по специальности 311300 (110301) и 150200 (190601), а также в дальнейших исследованиях по применению ИОНВ на автотракторных дизелях Техническое описание модернизированного макетного образца системы впуска дизеля СМД - 62 передано в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» с целью создания конструкторской документации

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ:

1 Николаенко А В , Горбатенков А.И , Смирнов С В Испытания тракторного дизеля СМД — 62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2007, №1 - С 28-29

Статьи:

2 Андрощук В С , Горбатенков А И , Смирнов С В Анализ способов охлаждения наддувочного воздуха // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей Сборник научных трудов постоянно действующего научно-технического семинара стран СНГ - Санкт - Петербург СПбГАУ, 2000 — С 49-55

3 Андрощук В С, Горбатенков А И, Смирнов С В Расчёт параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха // Проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса тверского региона Сб науч трудов -Тверь ТГСХА, 2002 - С 172-176

4. Николаенко А В , Андрощук В С , Смирнов С В , Степанов А А Результаты расчетно-теоретического анализа параметров рабочего цикла дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей Сб науч тр междунар науч -техн конф Санкт -Петербург СПбГАУ, 2003 -С 352-356

5 Андрощук В С , Смирнов С В , Степанов А А Методика экспериментальных исследований работы дизеля СМД - 62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха // Проблемы социально-экономического развития села Тверской области Сб науч трудов -Тверь ТГСХА, 2003 -С. 176-178

6 Горбатенков А И , Смирнов С В , Степанов А А Устройство для подачи воды при организации работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха // Проблемы социально-экономического развития села Тверской области Сб. науч трудов -Тверь ТГСХА, 2003 -С 179-181

7 Панов Ю А , Смирнов А Ю , Смирнов С В Тепловой баланс дизеля СМД-62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. // Достижения сельскохозяйственной науки - развитию агропромышленного комплекса Сб науч трудов - Тверь ТГСХА, 2004 - С 269-271

8 Андрощук В С , Смирнов А Ю, Смирнов С В Влияние испарительного охлаждения надувочного воздуха на износостойкость дизеля СМД - 62 // Достижения сель-

скохозяйственной науки - развитию агропромышленного комплекса Сб науч трудов -Тверь ТГСХА, 2004 -С 271 -273

9 Горбатенков А И, Смирнов С В , Смирнов А Ю Результаты экспериментальных исследований работы дизеля СМД - 62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. // Достижения сельскохозяйственной науки - развитию агропромышленного комплекса Сб науч трудов -Тверь ТГСХА 2004 - С 273-277

10 Андрощук В С , Смирнов С В , Смирнов А Ю Снижение токсичности отработавших газов дизеля СМД-62 путем применения испарительного охлаждения наддувочного воздуха // Достижения сельскохозяйственной науки - развитию агропромышленного комплекса Сб науч трудов -Тверь ТГСХА,2004 - С 277-280

11 Николаенко А В, Смирнов С В Экспериментальные исследования влияния испарительного охлаждения наддувочного воздуха на эксплуатационные показатели дизеля СМД-62 // Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей Сб науч тр междунар науч -техн конф - Санкт - Петербург СПбГАУ, 2004 - С 425-430

12 Горбатенков А И, Смирнов С В Снижение токсичности отработавших газов автотракторных дизелей с наддувом путем подачи воды на впуске // Актуальные проблемы аграрной науки и практики Сб науч трудов - Тверь- ТГСХА, 2005 - С 214 — 217

13 Андрощук В С , Горбатенков А И, Смирнов С В Улучшение эксплуатационных показателей автотракторных дизелей путем совершенствования параметров системы наддува. // Научное обеспечение национального проекта «Развитие АПК» Материалы международной научно-практической конференции 6-8 июня 2006 г - Тверь ТГСХА 2006 - С 308-317

Введение.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА Й ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Способы улучшения эксплуатационных показателей дизелей.

1.1.1. Способы улучшения эффективных показателей дизелей.

1.1.2. Способы улучшения экологических показателей дизелей.

1.2. Анализ способов охлаждения наддувочного воздуха.

1.3. Задачи исследований.

2. РАСЧЁТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ЦИКЛА И ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ С

ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НАДДУВОЧНОГО

ВОЗДУХА.':.

2.1. Способ работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

2.2. Методика и математическая модель расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

2.3. Результаты расчётно-теоретического анализа параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

2.4. Расчётно-теоретический анализ'теплового баланса дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

2.5. Расчётно-теоретический анализ износостойкости цилиндропоршневой группы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

2.6. Выводы.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Общая методика.

3.2. Методика безмоторных исследований по обоснованию выбора агрегатов системы подачи воды во впускной трубопровод.

3.3. Методика исследования параметров свежего заряда.

3.4. Методика исследования эффективных показателей.

3.5. Методика исследования температуры и токсичности отработавших газов.

3.6. Методика безмоторных исследований топливного насоса высокого давления.

3.7. Методика исследования содержания воды в моторном масле.

3.8. Обработка результатов и погрешности измерений.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Результаты безмоторных испытаний системы подачи воды.

4.2. Результаты безмоторных испытаний топливного насоса высокого давления.

4.3. Результаты исследований параметров свежего заряда дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

4.4. Результаты исследования эффективных показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

4.5. Результаты исследований температуры и токсичности отработавших газов дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

4.6. Результаты исследования содержания воды в моторном масле.

4.7. Выводы.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДИЗЕЛЯ С

ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НАДДУВОЧНОГО

ВОЗДУХА.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются одной из важнейших составных частей энергетического комплекса России. Общая мощность парка ДВС страны примерно в 5,5 раз превосходит установленную мощность всех электростанций страны, включая атомные /1/. Двигатели внутреннего сгорания влияют не только на интенсивность развития многих отраслей народного хозяйства, но и в значительной степени определяют их экономику. Это обусловлено тем, что основным источником энергии для автономных машин транспорта, сельского хозяйства, строительно-дорожной техники, передвижных электростанций, буровых и насосных установок, а также многочисленных средств малой механизации являются ДВС, потребляющие значительную долю топливно-энергетических ресурсов страны.

Материалы многочисленных исследований показывают, что поршневые и комбинированные ДВС сохранят за собой ведущую роль в качестве источника энергии для традиционных потребителей на обозримую перспективу, и в значительной мере будут определять технико-экономический уровень использующих их машин (производительность, экономичность, надёжность, стоимость эксплуатации и технического обслуживания, экологические и эргономические характеристики).

Наметившееся в 30-х годах в СССР применение дизелей на тракторах и автомобилях завершилось полной дизелизацией тракторного парка в 1965 г. /2/. Такое предпочтение, отдаваемое дизелям, объясняется рядом их преимуществ перед карбюраторными двигателями. Главными из них являются: меньший, примерно на 25 %, удельный расход топлива; возможность работы на разных топливах; пожарная безопасность. Существенным недостатком дизелей является большая металлоёмкость как из-за более высоких нагрузок на детали, так и вследствие особенностей смесеобразования, требующего пока ещё больших коэффициентов избытка воздуха, что ухудшает использование рабочего объёма. Однако значительное повышение частоты вращения, улучшение рабочего процесса в неразделённых камерах с объёмно-плёночным смесеобразованием, применение наддува позволили существенно снизить удельную массу дизелей.

Одними из основных направлений совершенствования автотракторных дизелей в настоящее время являются форсирование по среднему эффективному давлению путём применения газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, повышение экономичности и снижение токсичности отработавших газов.

Получившая широкое распространение рекуперативная система охлаждения наддувочного воздуха имеет ряд недостатков - повышенные потери давления на впуске и связанное с этим уменьшение наполнения цилиндров, загрязнение при эксплуатации поверхностей теплообмена, значительные габариты теплообменников, высокая металлоёмкость и стоимость /3, 4, 5, 6, 7, 8, 9/. Однако существуют и другие способы охлаждения наддувочного воздуха, которые лишены указанных недостатков, в том числе способ испарительного охлаждения наддувочного воздуха. Суть данного способа заключается в подаче мелко распыленной воды в поток нагретого в турбокомпрессоре воздуха. На нагрев и испарение воды затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего снижается его температура. Во впускной трубопровод также можно впрыскивать спирты и аммиак, имеющие большую скрытую теплоту испарения. Применение воды целесообразно с точки её дешевизны, удобства хранения и использования. Исследования по применению испарительного охлаждения наддувочного воздуха на судовых и тепловозных дизелях показали его высокую эффективность /3, 4, 8, 10, 11, 12/. Возможность применения испарительного охлаждения наддувочного воздуха на автотракторных дизелях в настоящее время изучена недостаточно.

Вместе с тем, дизели тракторов и автомобилей являются одним и in основных источников загрязнения окружающей среды. Получившие широкое распространение каталитические и жидкостные нейтрализаторы, являясь эффективным средством уменьшения выбросов вредных веществ с отработавшими газами, увеличивают насосные потери на газообмен, работают в относительно узком интервале температур, а многие весьма недёшевы, так как содержат драгоценные и редкоземельные металлы /13, 14, 15/. На основании анализа литературных данных установлено, что применение воды в рабочем цикле дизелей улучшает их экологические показатели /13, 16, 17/. Поэтому задача улучшения эффективных и экологических показателей дизелей с наддувом путём подачи воды на впуске представляется весьма актуальной, что и является целью диссертационной работы.

Научную новизну работы представляют следующие положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель расчёта количества подаваемой на впуске воды.

2. Расчётно-теоретическая модель параметров рабочего цикла и показателей работы дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха.

3. Результаты теоретических и лабораторно-стендовых исследований влияния испарительного охлаждения наддувочного воздуха на эффективные и экологические показатели дизеля.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа современных исследований установлено, что основным способом форсирования дизелей является применение газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Анализ существующих способов охлаждения наддувочного воздуха позволяет сделать вывод о целесообразности и перспективности исследований по применению испарительного охлаждения наддувочного воздуха на автотракторных дизелях с целью улучшения эффективных и экологических показателей.

2. На основании разработанной расчётной модели определены парамефы наддува при подаче воды на впуске. Так, при подаче воды до 21,7 кг/ч происходит полное испарение воды, при подаче воды более 21,7 кг/ч в цилиндры двигателя поступает смесь воздуха с влажным паром, который там перегревается. С учётом условий перехода воды в перегретый пар в процессе сжатия максимально возможное количество подаваемой воды составило 25 кг/ч.

3. С использованием уточнённой расчётно-теоретической модели, учитывающей особенности применения ИОНВ, определены параметры рабочего цикла и показатели работы дизеля. Так, при рациональной подаче воды (21,7 кг/ч) определённой на основании параметров наддувочного воздуха, содержащею только насыщенный пар, получены следующие результаты: температура наддувочного воздуха после испарения воды снижается на 46 °С, эффективная мощность возрастает на 9 %, удельный эффективный расход топлива уменьшается на 4 г/кВт.ч., продолжительность периода образования оксидов азота уменьшается на 9 град, п.к.в. в сравнении со штатным циклом.

4. В результате выполненных экспериментальных и теоретических исследований создан макетный образец дизеля СМД - 62 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. При реализации рабочего цикла с испарительным охлаждением наддувочного воздуха получены следующие показатели работы дизеля и токсичности отработавших газов:

- при подаче воды снижается токсичность отработавших газов. Подача воды 25 кг/ч при работе дизеля на номинальном режиме снижает содержание оксидов азота в 2 раза, углеводородов на 25 % по сравнению со штатным циклом. При этом температура наддувочного воздуха уменьшается на 40 °С, температура отработавших газов на ПОТ, плотность заряда па впуске увеличивается на 12 %, эффективная мощность составила 116 кВт, удельный эффективный расход топлива - 254 г/(кВтхч).

-при форсировании дизеля по среднему эффективному давлению с увеличением часового расхода топлива до 35 кг/ч на номинальном режиме и подаче воды 27 кг/ч эффективная мощность возросла на 20 %, удельный эффективный расход топлива составил 240 г/(кВтхч), при теплонапряжённости дизеля на уровне штатного цикла, выбросы токсичных компонентов на номинальном режиме при форсировании дизеля ниже уровня штатного цикла по оксидам азота на 35 %, углеводородам - 40 %.

5. На основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований установлена зависимость соотношения дизельного топлива и воды для испарительного охлаждения наддувочного воздуха в условиях внешней регуляторной характеристики.

6. Результаты экспериментальных исследований в основном подтверждают теоретические предпосылки. Расхождение не превышает 7 % и объясняется необходимостью доводки системы подачи воды.

7. Годовой экономический эффект от применении ИОНВ на тракторе Т -150К при годовой наработке 2000 условных эталонных гектаров па ! чракюр составляет 11600 рублей (в ценах 2006 г).

8. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Трактора и автомобили» Тверской ГСХА при подготовке студентов по специальности 31 1300 (110301) и 150200 (190601), а также в дальнейших исследованиях по применению ИОНВ на автотракторных дизелях. Техническое описание модернизированного макетного образца системы впуска дизеля СМД - 62 передано в ЗАО «Научный инженерно-технический центр» с целью создания конструкторской документации.

1. Круглов М.Г. Основные направления развития двигателей внутреннего сгорания // Высокий наддув поршневых двигателей и роторные двигатели: Доклады Всесоюзнойнаучн.-техн. конф. г. Тбилиси, 10-13 ноября 1981 г.Тбилиси: «Мецниереба», 1984. С. 5 - 14.

2. Взоров Б.А., Мордухович М.М. Форсирование тракторных двигателей. М.: «Машиностроение», 1974. - 153 с.

3. Васильев Ю.Н. Новое в конструкции судовых дизелей. JL: «Судостроение», 1972.

4. Гольтраф И. С. Охлаждение воздуха в судовых ДВС. Л.: «Судостроение», 1966.-200 с.

5. Гольтраф С.Н. Охлаждение наддувочного воздуха. JL: «Судостроение», 1975.

6. Зорин Ю.А. Водоконтактная система охлаждения воздуха дизелей с наддувом: Автореферат на соискание учен, степени канд. техн. наук. 1970. -21 с.

7. Зорин Ю.А. К вопросу охлаждения наддувочного воздуха впрыском воды во впускной тракт // Совершенствование рабочего процесса дизелей: Тр ЦНИДИ. Вып. 58 Л., 1968, - С. 9 - 20.

8. Шишатский В.Н. Испарительное охлаждение средство предотвращения перегрева судовых дизелей // Судостроение. - 1966. - №10. - С. 37 - 39.

9. Синатов С. А., Гулин С.Д., Орлов А. Н. Использование комбинированной системы испарительного охлаждения наддувочного воздуха дизеля с тур-бонаддувом для повышения его мощности и экономичности // Двигателестрое-ние.- 1983. — №10. — С38 — 41.

10. Капустин В.В., Колодин A.M., Сорокин Н.Н. Испарительное охлаждение наддувочного воздуха // Речной транспорт. 1978. - №5. - С. 35.

11. Колодин A.M. Результаты испытаний дизеля 6ЧН 16/22, оборудованного системой испарительного охлаждения наддувочного воздуха // Тр. НИ-ИВТ, вып. 158,- 1981 -С. 76-87.

12. Тер Абрамов А. Исследование работы турбопоршневого двигателя1Д40 с испарительным охлаждением наддувочного воздуха // Судовые силовые установки: Науч.-техн. сб. Вып. 5. Л.: «Транспорт», 1967. С. 41 - 45.

13. Лиханов В.А., Сайкин A.M. Снижение токсичности автотракторных двигателей. 2-е изд., испр. и доп. - М.: «Колос», 1994. -<224 с.

14. Капустин В.В. Износ деталей судового дизеля при испарительном охлаждении наддувочного воздуха // Судовые силовые установки и механизмы. М.: «Речной транспорт», 1968'. С. 64 - 71.

15. Мордухович М.М. Усовершенствование рабочих процессов для форсированных тракторных дизелей. М.: НАТИ, 1973.

16. Горбатенков А.И. Снижение выбросов окислов азота с отработавшими газами тракторных дизелей путём организации рабочего процесса на водо-топливной смеси: Диссерт. на соискание, учён. степ. канд. техн. наук. Тверь, 1998.-211 с. ••

17. Болотов А.К., Лиханов В.А., Попов В.М., Сайкин A.M. Опыт снижения токсичности отработавших газов дизелей за счёт подачи воды // Двигателе-строение. 1982. - №7. - С. 48 - 50. ,.

18. Николаенко А.В. Теория конструкция и расчёт автотракторных двигателей. М.: «Колос», 1985. - 335 с.

19. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания. Л.: «Машиностроение», 1978.

20. Кочетов В.А. Турбонаддув высокооборотных дизелей. М.: «Машиностроение», 1976. - 288 с.

21. Иванченко Н.Н., Красовский О.Г., Соколов С.С. Высокий наддув дизелей. -Л.: «Машиностроение» Ленингр. от-ние, 1983. 198 с.

22. Ваншейд В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. JT.: Судостроение, 1977.

23. Канхе А.Б. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: «Судостроение», 1980.

24. Симеон А.Э. Газотурбинный наддув дизелей. М.: «Машиностроение», 1964.

25. Балакин В.И., Иванченко Н.Н., Круглов М.Г. Форсированные дизели. -М.: «Машиностроение», 1978.

26. Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания: Теория рабочих процессов. М.: «Высшая школа», 1995.

27. Крутов В.И., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонаддува ДВС. Учебн. пособие для вузов. М.: «Высшая, школа», 1978. - 213 с.

28. Хачиян А.С., Морозов К.А., Трусов В.И и др. Двигатели внутреннего сгорания. М.: «Высшая школа», 1978. - 280 с.

29. Симеон А.Э., Каминский В.Н., Моргулис Ю.Б. и др. Турбонаддув высокооборотных дизелей. -М.: «Машиностроение», Ленингр. отд-ние, 1983. -198 с.

30. Моргулис Ю.Б. Тенденции развития тракторных дизелей с турбонаддувом. М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш, 1975.

31. Стрелков В. Развитие двигателей с высоким средним эффективным давлением. М.: НИИинформтяжмаш, 1974.

32. Жмудяк J1.M. Причины повышения КПД ДВС при уменьшении температуры воздуха на впуске // Двигателестроение 1989. - №i.

33. Кустарёв Ю.С., Тарханов О.А., Загидуллин Р.Я. Влияние системы охлаждения наддувочного воздуха на показатели дизеля // Тракторы и сельхозмашины. 1988.-№ 12.-С. 10-14."

34. Гродзиевский В.И., Харченко А.И. Результаты испытаний тракторного дизеля с турбонаддувом и охлаждением воздуха // Тракторы и сельхозмашины. 1965.-№10.-С. 1-3.

35. Костин А.К. и др. Теплонапряжённость двигателей внутреннего сгорания: Справочное пособие / А.К. Костин, В.В. Ларионов, Л.И. Михайлов. Л.: «Машиностроение» Ленингр. от-ние, 1979. - 222 с.

36. Дьяченко Н.Х. Автотракторные двигатели с над дувом. М.: «Маш-гиз», 1953.

37. Новиков Л.А., Вольская Н.А. Проблемы и перспективы создания малотоксичных дизелей // Двигателестроение. 1993. - №1-2. - С. 49 - 53.

38. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. М.: «Машиностроение», 1981. - 160 с.

39. Влияние температуры воздуха на впуске на тепловыделение, тепловую напряжённость и токсичность дизеля / И.Г. Багдасаров,.Е.А. Лазарев, А.Г. Ставров, А.С. Хачиян, Н.М. Есауленко //Автомобильная промышленность. -1979.-№7.-С. 4-7.

40. Лебедев О.Н. Методы улучшения смесеобразования в судовых четырёхтактных дизелях. Новосибирск: «Наука», 1973.

41. Лерман Е.Ю., Гладков О.А. Высококонцентрированные топливные эмульсии эффективное средство улучшения экологических показателей лёгких быстроходных дизелей // Двигателестроение. - 1986. - №10.

42. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Сисин В.Д. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. Л.: «Судостроение», 1988. - 108 с.

43. Коропов С.И. О совершенствовании тепловозных и судовых дизелей // Вестник машиностроения. 1966. - №4. - С. 14 - 16.

44. Крохотин Ю.М. Системы питания дизелей. Воронеж, 1999.

45. Каминский М.М. Исследование систем охлаждения наддувочного воздуха // Тракторы и сельхозмашины. - 1980. - № 1. - С. 5 - 7.

46. Демьянов В.А. Система глубокого охлаждения воздуха, нагнетаемого в цилиндры ДВС. Авт. свид. СССР, кл. 46а2, № 172158;'опубл 29.07.65

47. Капустин В.В. Работа судового дизеля 6Л160ПНС с испарительным охлаждением наддувочного воздуха // Речной транспорт. 1969. - №12. - С. 37 -39.

48. Селезнёв К.П., Подобуев Ю.С., Анисимов С.А. Теория и расчёт турбокомпрессоров. Л.: «Машиностроение», 1968. - 408 с.

49. Диденко A.M. и др. Дизель СМД 60 и его модификации: техническое описание и инструкция по эксплуатации - Харьков: «Прапор», 1987. - 208 с.

50. Кустарёв Ю.С., Николаев Ю.А. Расчёты систем охлаждения наддувочного воздуха // Тракторы и сельхозмашины. 1978. - № 10. - С. 5 - 8.

51. Моргулис Ю.Б. Улучшение показателей тракторных двигателей применением охлаждения наддувочного воздуха // Тракторы и сельхозмашины. -1986.-№7.-С. 17-19.

52. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М., и др. Теплотехника: Учебник для вузов. М.: «Высшая школа», 2003. - 671 с.

53. Техническая термодинамика: Учебник для вузов / Под ред. В.И. Кру-това-2-е изд., перераб. и доп.-М.: «Высшая школа, 1981.-439 с.

54. Вукалович М.П. Термодинамические свойства воды р водяного пара. -М.: «Машгиз», 1958.

55. Гродзиевский В.И., Харченко А.И. Исследование работы водяного радиатора в качестве воздуховоздушного охладителя наддувочного воздуха // Двигатели внутреннего сгорания: Респ. межвед. науч.-техн сб. Вып. 3. Харьков, 1966.-С. 88-95.

56. Шишатский В.Н. Износ дизеля при испарительном охлаждении наддувочного воздуха. Энергомашиностроение, 1967, №3, с. 40 - 41.

57. Генбом. Б.Б. Механизм влияния серы на износ цилиндров ДВС В кн. - Борьба с коррозией ДВС и ГТУ. - М.: «Машгиз», 1962. - С. 81 - 88.

58. Костин А.К., Пугачёв В.П., Кочинев Ю.Ю. Работа дизелей в условиях эксплуатации. Справочник. JL: «Машиностроение». Ленингр. отд-ние, 1989. -284 с.

59. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменский Д.А. Окисление азота при горении. М. - Л.: Изд-во АН СССР, 1947. - 148 с.

60. Шишатский В.Н. Испарительное охлаждение наддувочного воздуха дизелей. В кн: Судовые двигатели внутреннего сгорайия. М.: «Высшая школа», 1968, с. 50-58.

61. Орлин А.С. Повышение мощности и улучшение экономичности ДВС. -М.: «Машгиз», 1959.

62. Райков, И .Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания / И.Я. Райков. М.: «Высшая школа», 1975. - 320 с.

63. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. и др. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. М.: Машиностроение, 1991. - 336 с.

64. Балакин В.И. Совершенствование рабочего процесса и наддув двухтактных дизелей. Л.: «Машиностроение», 1967.

65. Бальян С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели. Л.: Машиностроение, 1973.

66. Власов Н.С. Методика экономической оценки сельскохозяйственной техники. М.: Колос, 1979.

67. Гродзиевский В.И., Харченко А.И. Улучшение характеристики тракторного дизеля охлаждением наддувочного воздуха. Машиностроение. Ин-форм. науч.-техн. сб. (ИТИ УССР), 1965 - №6. - С. 91 - 93.

68. Евенко В.И., Самосюк П.Н. Влияние охлаждения наддувочного воздуха на мощность и экономичность тепловоза. Изв. высш.-учеб. заведений. Машиностроение, 1966. - №10. - С. 82 - 87.

69. Зайченко Е.М., Левит М.С., Фролов А.С Охлаждение воздуха в автомобильных двигателях с турбонаддувом // Автомобильная промышленность. - 1972. -№ 1.-С. 8-10.

70. Зорин Ю.А., Молодцов Н.И. Установка для охлаждения воздуха в двигателе внутреннего сгорания с наддувом. Авт. свид. СССР, Кл. 46с2, № 234051, опубл. 27. 05.69.

71. Бундин А.А. К оптимизации двухступенчатых охладителей наддувочного воздуха высокофорсированных наддувом дизелей // Двигателестроение. -1990.-№5.

72. Комплексная система технического обслуживания и ремонта машин в сельском хозяйстве. -М.: ГОСНИТИ, 1985.

73. Молодцов Н.И. Охлаждение наддувочного воздуха дизелей. М., 1966, 62 с. (НИИИНФОРМТЯЖМАШ. Двигатели внутреннего сгорания).

74. Поповиченко P.M., Ордабаев Е.К. Направления и перспективы развития автомобильных двигателей. Караганда, 1987.

75. Разлейцев Н.Ф. Влияние температуры наддувочного воздуха на основные показатели турбопоршневого двигателя. Изв. высш. учеб. заведений. «Машиностроение», 1964, №9. - С. 115 - 124.

76. Синатов С. А., Гулин С.Д., Орлов А. Н. Совершенствование системы испарительного охлаждения наддувочного воздуха в дизелях // Двигателестроение.-1984.-№10.-С 19-23. :

77. Чиркин А.П. и др. Применение промежуточного охлаждения воздуха в тракторном дизеле с турбонаддувом. В кн: Двигатели внутреннего'сгорания. Респ. межвед. науч.-техн. сб. Вып. 2. Харьков, 1966, с. 41 - 45.

78. Юренев В.Н. Теплотехнический справочник. М.: «Энергия», 1975.

79. Конкин Ю.А. Экономика ремонта сельскохозяйственной техники. -М.: «Агропромиздат», 1990.

80. Шпилько А.В. Экономическая эффективность механизации сельскохозяйственного производства. Москва, РАСХН, 2001, 346 с.

81. Хитрюк В.А., Цехов Е.С. Практикум по автотракторным дизелям: Учебн. пособие. Мн.: «Ураджай», 1989. — 143 с.