Повышение эффективности рабочих процессов в судовом дизеле согласованным выбором параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания

Актуальность темы

исследования и степень ее разработанности. Для решения актуальных проблем энергосбережения и охраны окружающей среды требуется совершенствование рабочих процессов, протекающих в энергетических установках, в частности, в судовых двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Качество рабочих процессов в судовом ДВС, от которого зависят технико-экономические и экологические показатели двигателя, в значительной мере определяется согласованностью параметров топливной аппаратуры (ТА) и камеры сгорания (КС). Вместе с тем, в настоящее время отсутствуют достаточно эффективные методики, позволяющие выполнить указанное согласование при проектировании нового двигателя или создании его модификации. Такое согласование выполняется путем преимущественно трудоёмких и дорогостоящих доводочных испытаний, не всегда обеспечивающих желаемый результат. Требуется создать методику, основанную на уточнённых знаниях и локальном математическом моделировании сложнейших внутрицилиндровых процессов и топливоподачи (ТП). Указанная математическая модель должна отражать влияние основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС на показатели двигателя, а также обеспечивать возможность определения наилучшего их сочетания в ходе доводочных работ.

Таким образом, тему настоящей работы, направленной на повышение эффективности рабочих процессов в судовом дизеле согласованным выбором параметров ТА и КС, следует считать актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей судовых дизелей с объемным смесеобразованием за счёт взаимного увязывания параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания, обеспеченного путем разработки методики, программы, а также проведения численного моделирования процессов топливоподачи и внутрицилиндровых процессов.

Задачи работы. Достижение указанной цели намечено путем решения следующих задач.

I. Разработать усовершенствованную комплексную математическую модель ТП и локальных внутрицилиндровых процессов применительно к дизелям с объемным смесеобразованием.

II. Разработать алгоритм и программу расчёта ТП и локальных внутрицилиндровых процессов, пригодные для согласования параметров ТА и КС и оценки основных технико-экономических показателей дизеля.

III. По результатам математического моделирования уточнить физическую картину внутрицилиндровых процессов в различных областях камеры сгорания дизеля.

IV. Разработать методику расчётного согласования основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС дизеля при его доводке на заводском стенде.

V. Разработать рекомендации к выбору сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС для повышения технико-экономических показателей применительно к конкретным моделям судовых среднеоборотных дизелей.

Научная новизна. Разработана новая комплексная методика расчёта процессов топливоподачи и внутрицилиндровых процессов, позволяющая получить высокие технико-экономические показатели судового дизеля с объемным смесеобразованием и уменьшить трудоёмкость работ по доводке дизелей на заводских стендах.

В работе получен ряд новых научных результатов.

1. Повышено качество и расширена область применения математической модели внутрицилиндровых процессов путем ее дополнения моделью процесса топливоподачи.

2. Предложены уточнённые уравнения движения топлива в трубопроводе высокого давления (ТВД), учитывающие скорости движения в сопряжённых объемах — в штуцере топливного насоса высокого давления (ТНВД) и в надыгольной полости форсунки.

3. Уточнены уравнения движения нагнетательного клапана в ТНВД и иглы распылителя в форсунке.

4. Применен метод контрольных объемов (КО) для локального математического моделирования предпламенных процессов, процессов тепловыделения и образования монооксида азота (NO) по уравнениям химической кинетики с учётом переноса теплоты и массы основных компонентов рабочего тела.

5. Получено расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе, хорошо согласующееся с экспериментальными данными.

6. Обнаружено существенное различие в форме характеристик испарения и горения в дизелеуказанное различие объяснено пространственно-временной неоднородностью свойств рабочего тела в камере сгорания.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость заключается в обосновании целесообразности ' комплексного подхода к математическому моделированию топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов, в уточнении представлений о пространственно-временном распределении свойств рабочего тела в КС дизеля, в определении и объяснении взаимного расположения характеристик испарения и горения. Практическую значимость представляет собой методика согласования конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС дизеля с объемным смесеобразованием, применение которой обеспечивает получение высоких показателей вновь создаваемых и модернизируемых дизелей, а также сокращение трудоёмкости доводки их конструкции. Полученные с использованием предложенной методики результаты указанного согласования применительно к ряду моделей дизелей семейств ЧН 30/38 и ЧН 26/26 рекомендованы заводу для улучшения их показателей.

Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования явилась совокупность общенаучных и специальных методов научного познания. Применены теоретико-эмпирические методы, методы математического и физического моделирования, системный подход к изучению комплекса рабочих процессов, происходящих в судовом дизеле.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1) методика выбора сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС в судовом среднеоборотном дизеле с объемным смесеобразованием на основе математического моделирования ТП и локальных внутрицилиндровых процессов;

2) расширенная и уточнённая комплексная математическая модель ТП и локальных внутрицилидровых процессов, реализованная в авторской программе СуЬегВ1езе1;

3) уточнённые уравнения для расчёта процесса ТП — уравнения движения топлива в ТВД, движения нагнетательного клапана в ТНВД и иглы распылителя в форсунке;

4) расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе;

5) уточнённая физическая картина локальных внутрицилиндровых процессов в части влияния пространственно-временной неоднородности свойств рабочего тела в КС дизеля на характеристики испарения и горения топлива;

6) практические рекомендации для согласования конструктивных и регулировочных параметров дизелей типа ЧН 30/38 и ЧН 26/26 с целью улучшения их показателей.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных результатов обеспечена корректным использованием фундаментальных законов термодинамики, гидродинамики, тепломассообмена, химической кинетики, современных численных методов реализации математических моделей и современных средств измерений. Достоверность теоретических выводов подтверждена экспериментальными исследованиями элементарных процессов ТП и смесеобразования в модельных установках и в судовых дизельных двигателях.

Экспериментально подтверждена адекватность разработанной математической модели реальным рабочим процессам.

Материалы проведенных исследований были доложены на Всероссийских, межведомственных и вузовских научно-технических конференциях: Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (2000, 2005, 2008, 2010, 2012, 2013 гг.) — Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана (2005 г.) — Военно-морской инженерный институт (Санкт-Петербург, 2000, 2002 и 2003 гг.) — Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций (2003 г.) — Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (2003 и 2004 гг.) — Санкт-Петербургская государственная морская академия им. адмирала С. О. Макарова (2002 г.). Часть результатов исследований были обсуждены и одобрены на заседании НТС Коломенского завода (2002 г.).

Публикации. По теме работы опубликовано 29 научных трудов, в том числе: тезисы докладов — 12, научных статей — 16 (в том числе без соавторов — 4), одно свидетельство о регистрации программы. В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 4 статьи (в том числе без соавторов — одна статья).

Личный вклад. Автор диссертации самостоятельно решил все поставленные задачи: уточнил и развил математическую модель процессов, разработал алгоритм и программу расчёта, выполнил теоретический анализ результатов и проверил их в экспериментах на дизеле.

4.4 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ.

Подводя итог вышеизложенному, можно сделать следующие выводы. а) Результаты использования разработанной методики свидетельствуют о том, что при решении задач согласования параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания целесообразно применять математическое моделирование топливоподачи и внутрицилиндровых процессов, основанное на «локальном» подходе к описанию указанных процессов. б) Предложенный в работе «локальный» подход к математическому моделированию топливоподачи и внутрицилиндровых процессов в совокупности с экспериментами на дизеле позволил впервые обнаружить и объяснить существенные различия в форме характеристик испарения и сгорания топлива в дизеле. Различие формы характеристик испарения и сгорания обусловлены различием условий для протекания этих процессов в областях камеры сгорания. Условия различаются по размерам частиц жидкого топлива, по температуре, концентрациям компонентов смеси паров топлива, кислорода воздуха и продуктов сгорания, по параметрам движения фаз рабочего тела и его взаимодействия с поверхностями камеры сгорания, по степени готовности топливовоздушной смеси к воспламенению. Таким образом, третью задачу исследования можно считать выполненной. в) Методика выбора сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания, основанная на использовании программы СуЬегВ1езе1, разработана. Разработанная методика проверена по экспериментальным данным о работе дизелей семейств ЧН 30/38 (Д42) и ЧН 26/26 (Д49), а также топливной аппаратуры этих дизелей. Проверка дополнительно подтвердила адекватность разработанной математической модели и правильность теоретических выводов, изложенных в главе 2. Наиболее важный результат опытной проверки методики состоит в том, что разработанная математическая модель адекватно отражает качественное влияние основных конструктивных и регулировочных параметров ТА и КС на показатели рабочего процесса дизеля. Таким образом, четвертую задачу исследования можно считать выполненной. г) Разработаны практические рекомендации к выбору сочетаний основных конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания, которые обеспечивают повышение технико-экономических и экологических показателей судовых среднеоборотных дизелей. Для дизелей семейства ЧН 30/38 (Д42) разработаны рекомендации по выбору угла наклона соплового отверстия и формы КС. Для дизелей семейства ЧН 26/26 (Д49) разработаны рекомендации по выбору формы профиля КС. Таким образом, пятую задачу исследования можно считать выполненной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1) Для обеспечения высокой эффективности рабочих процессов в судовом дизеле за счёт согласованного выбора параметров ТА и КС требуется применение современной методики, основанной на комплексном математическом моделировании топливоподачи и локальных внутрицилиндровых процессов.

2) Главная особенность развития современной теории ДВС состоит в применении так называемого «локального подхода» при моделировании процессов в цилиндре. Известно, что неравномерность поля локальных параметров рабочего тела существенно влияет, в частности, на процессы образования продуктов горения топлива, наиболее токсичными из которых являются оксиды азота. Поэтому локальный подход необходим при исследовании влияния профиля камеры сгорания и характеристики впрыскивания топлива на рабочий процесс.

В настоящей работе предложена комплексная математическая модель, в которой модель локальных внутрицилиндровых процессов дополнена уточнённой моделью топливоподачи.

3) При разработке комплексной математической модели в исходные модели автором был внесен ряд изменений и уточнений: а) уточнены уравнения движения топлива в трубопроводе высокого давления за счёт учёта скорости движения в сопряжённых объёмах — в штуцере топливного насоса высокого давления и в надыгольной полости форсункиб) уточнены уравнения движения нагнетательного клапана в топливном насосе высокого давления и иглы распылителя в форсунке за счёт учёта мгновенного баланса массы топлива в объёмах штуцера и надплунжерной полости ТНВД, а также в надыгольной и подыгольной полостях форсункив) применен метод контрольных объёмов для моделирования предпламенных процессов, процессов испарения топлива, тепловыделения при сгорании и образования оксида азота в локальных зонах камеры сгорания.

4) Разработанная комплексная математическая модель реализована в виде алгоритма и программы расчёта СуЬег01езе1- экспериментальная проверка результатов расчёта показала адекватное реагирование математической модели на изменение основных конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратура и камеры сгорания дизеля.

5) С использованием программы получено расчётное распределение температуры газовой фазы в испаряющейся топливной струе, хорошо согласующееся с экспериментальными данными.

6) Посредством выполненного математического моделирования уточнена физическая картина локальных внутрицилиндровых процессов. В частности, обнаружено существенное различие в форме характеристик испарения и горения в дизелеуказанное различие объяснено пространственно-временной неоднородностью свойств рабочего тела в камере сгорания.

7) Разработанная методика согласованного выбора основных конструктивных и регулировочных параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания, основанная на использовании программы СуЬегВ1езе1, позволяет получить высокие эксплуатационные показатели судового дизеля с объёмным смесеобразованием и уменьшить трудоёмкость работ по его доводке на заводском стенде.

8) Полученные по предложенной методике результаты расчётного согласования параметров топливной аппаратуры и камеры сгорания ряда моделей дизелей из семейств ЧН 30/38 (Д42) и ЧН 26/26 (Д49) позволяют повысить качество топливоподачи и внутрицилиндровых процессов в этих дизелях, что обеспечивает снижение удельного индикаторного расхода топлива до 4%. Соответствующие рекомендации переданы заводу.

9) Результаты представленной работы в полной мере могут быть использованы для дизелей с объёмным смесеобразованием различных назначений. Эти дизели должны иметь в цилиндре одну центральную форсунку и осесимметричную по форме камеру сгорания. Для дизелей, не отвечающих этим требованиям, результаты диссертации могут быть использованы частично.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ДМ — динамическая модель топливоподачи.

КО — контрольный объем.

КС — камера сгорания.

КТТТМ — кривошипно-шатунный механизм.

ОГ — отработанные газы.

ТА — топливная аппаратура.

ТВД — трубопровод высокого давления системытопливоподачи.

ТНВД — топливный насос высокого давленияРТ — рабочее тело (смесь воздуха и ОГ).

СПбГМТУ — Санкт-Петербургский государственный морскойтехнический университет (бывший Ленинградский кораблестроительный институт).

СПбГПУ — Санкт-Петербургский государственныйполитехнический университет (бывший Ленинградский политехнический институт) а — скорость звука в топливе м/с л.

А] - концентрация вещества, А моль/м ,.

•5 кмоль/м.

Ье — удельный эффективный расход топлива кг/(кВт ч).

6, — удельный индикаторный расход топлива кг/(кВт ч).

— жесткость пружины клапана ТВНД Н/м.

Сф — жесткость пружины форсунки Н/м.

Са — коэффициент в формуле Танасавы.

Сдх, Сру — коэффициенты сопротивления движению каплисоответственно в направленияххиу.

Су, — изохорная теплоемкость РТ в КС кДж/(кг К).

И — диаметр цилиндра м.

4 б — диаметр иглы распылителя большой м м — диаметр иглы распылителя малый м г — внутренний диаметр ТВД м с1п — диаметр плунжера м.

4 — диаметр соплового отверстия м.

— средний объемно-поверхностный диаметр м группы капель сіп — средний объемно-поверхностный диаметр капель м.

— ой расчетной порции в начальный момент времени сі'/ - средний объемно-поверхностный диаметр капель м.

— ой расчетной порции в текущий момент времени Е — энергия активации Дж/кмоль.

Е' - напряжение диполя для г-и расчетной порции м3/с.