технические науки / 4. транспорт

К.т.н. Шабалин Д.В.

Омский танковый инженерный институт имени Маршала Советского Союза П.К. Кошевого филиал Военного учебно-научного центра Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ», г. Омск

Исследование влияния температуры свежего заряда воздуха на рабочий процесс дизельного двигателя

Увеличение мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания без изменения их размеров (т. е. повышение удельных показателей) связано с необходимостью решения задачи сжигания в цилиндрах больших порций топлива за один рабочий цикл. Решение этой задачи требует наличия в цилиндрах дизеля большего количества воздуха. Увеличение количества воздуха при неизменном рабочем объеме двигателя, может быть обеспечено только за счет повышения его плотности в результате предварительного сжатия. Этот способ, известный под названием наддува, успешно применяется в современном двигателестроении.

Заметим, что сжатие атмосферного воздуха в компрессоре сопровождается не только повышением давления, но и ростом температуры наддувочного воздуха. Последнее существенно отражается на характере рабочего процесса в цилиндрах дизеля и на его надежности.

Анализ работ по исследованию влияния температуры наддувочного воздуха на параметры дизелей с газотурбинным наддувом свидетельствует о том, что повышение этой температуры на каждые 10 ⁰С уменьшают массу воздушного заряда на 3,0-3,5 % и рост удельного эффективного расхода топлива на 0,8-1,2 %. На рисунке 1 представлена зависимость параметров рабочего процесса дизеля 1 ЧВН 12/12,5 от температуры наддувочного воздуха при неизменном давлении наддува t_к [1].

Из рисунка 1 отчетливо видно, что снижение t_к приводит к такому увеличению плотности воздуха, поступающего в цилиндр, что коэффициент избытка воздуха повышается с 1,64 до 2,03 (т. е. 23,8 %). Результатом этого является более полное и быстрое сгорание (коэффициент полезного тепловыделения увеличился на 4,1 %; скорость тепловыделения в начальный период сгорания возросла тоже почти на 4 %; продолжительность сгорания по углу поворота коленчатого вала (j_z) уменьшилась на 22,5 %), что привело к существенному снижению расхода топлива (на 13, 9 % - часового, на 10,3 % - удельного эффективного и на 12,6 % - удельного индикаторного).

На графике хорошо видно уменьшение максимальной температуры рабочего тела - Т_max (практически на 10 %), что, естественно, ведет к соответствующему снижению температуры отработавших газов.

При охлаждении наддувочного воздуха, вследствие перераспределения теплового баланса удается существенно снизить затраты мощности на привод вентилятора [2].

Рисунок 1— Влияние температуры наддувочного воздуха на параметры рабочего процесса дизеля 1 ЧВН 12/12,5 (р_к=0,18 МПа=idem)

Однако увеличение плотности воздушного заряда приводит не только к благоприятным изменениям в протекании рабочего процесса и тепловом балансе двигателя. Отмечаемое при этом на индикаторных диаграммах [3] увеличение периода задержки воспламенения, приводит к увеличению количества топлива,

выгорающего в начальный период сгорания (период «взрывного» сгорания) - Х_н (практически в два раза). В результате на 42,8 % возрастают максимальная скорость нарастания давления W_{р max}, максимальное давление рабочего тела р_max (на 8,4 %), что существенно увеличивает ударные механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.

Не менее заметно, чем на параметры рабочего процесса, температура наддувочного воздуха влияет на температуру основных деталей рисунок. 2, дизеля 1 ЧВН 12/12,5 [1].

Рисунок 2— Влияние температуры наддувочного воздуха на температуру основных деталей дизеля (р_к=0,18 МПа=idem)

Как видно из рисунка, рост температуры наддувочного воздуха весьма существенно отражается на тепловом состоянии деталей двигателя. При этом наиболее заметно увеличивается температура межклапанной перемычки t_п. Изменение температуры наддувочного воздуха от 60 до 100 ⁰С вызвало ее повышение на 29,9 %. Несколько меньше (на 22,0 %) увеличилась средняя температура цилиндра t_ц (в 27 мм от газового стыка), на 17,6 % повысилась температура в зоне верхнего поршневого кольца (t_пк) и на 9,6 % средняя температура поршня (t_п).

Кроме значений температуры основных деталей дизеля при различных температурах наддувочного воздуха на рисунке 2 приведено изменение критерий тепловой нагруженности К_т [3]:

,

где С_m - средняя скорость поршня, м/с; D_ц - диаметр цилиндра, м; η_v - коэффициент наполнения; р_е - среднее эффективное давление, МПа; Т₀ - температура окружающей среды, К.

Как видно, К_т существенно (на 24,7 %) повышается при росте температуры наддувочного воздуха в пределах от 40 до 100 ⁰С.

Учитывая сказанное выше, следует иметь в виду, что уровень температуры наддувочного воздуха связан не только с величиной развиваемого компрессором давления (т. е. со степенью повышения давления в компрессоре π_к), но и с температурой окружающего воздуха t_0, рисунок 3.

Рисунок 3. Влияние температуры окружающей среды

на параметры наддувочного воздуха

Из рисунка видно, что увеличение t₀ на 100 ⁰С приводит к росту t_к более, чем на 150 ⁰С со всеми вытекающими из этого рассмотренными ранее последствиями.

Приведенные выше материалы позволяют сделать заключение о том, что на работе двигателя отрицательно сказывается и высокая и низкая температура свежего заряда.

В первом случае снижается коэффициент избытка воздуха, увеличивается продолжительность сгорания, увеличивается температура отработавших газов (а, значит, потери энергии с выбрасываемыми в атмосферу отработавшими газами), что ведет к снижению коэффициента эффективного тепловыделения, соответственно увеличивается расход топлива и снижается индикаторный КПД. Растет максимальная температура цикла, а значит, и тепловая нагруженность основных деталей двигателя.

При относительно низкой температуре наддувочного воздуха увеличиваются максимальное давление в цилиндре и жесткость, повышаются ударные механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.

В реальных условиях эксплуатации режимы работы (частота вращения коленчатого вала, крутящий момент) комбинированных двигателей практически всегда непрерывно изменяются.

На рисунке 4 и 5 показаны графики изменения крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала и ротора турбокомпрессора двигателей ЯМЗ 238Н и Д-130 с наддувом [6, 7] во время работы на различных режимах.

Как видно, частота вращения ротора турбокомпрессора при этом существенно меняется во времени, что, в свою очередь, вызывает соответствующие изменения давления и температуры наддувочного воздуха, а значит и рассмотренные выше изменения параметров рабочего процесса двигателя, тепловой и механической нагруженности его основных деталей.

Рисунок 4 — Изменение крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала и ротора турбокомпрессора компрессора дизеля ЯМЗ 238 Н при разгоне грузового автомобиля:

М_с - момент сопротивления, n - частота вращения коленчатого вала двигателя; n_к - частота вращения ротора турбокомпрессора

Рисунок 5 — Изменение крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала и ротора турбокомпрессора компрессора дизеля Д-130 за цикл работы бульдозера:

Поскольку температура свежего заряда то увеличивается до нежелательных значений, то снижается до уровня, также вызывающего негативные последствия, возникает необходимость принимать меры то к ее понижению, то к ее повышению.

Литература:

1. Нефедов В.И. Улучшение параметров форсированных дизелей воздушного охлаждения изменением глубины охлаждения наддувочного воздуха: Диссертация канд. техн. наук / В.И. Нефедов.- Челябинск, 1998.- 168 с.

2.Чернышев Г.Д. Развитие методологии конструирования автомобильных дизелей: Авторефират диссертации д-ра техн. Наук / Г.Д. Чернышев. – Москва, 1976. – 71 с.

3. Кудряш А.П. Надежность и рабочий процесс транспортного дизеля / А.П. Кудряш. – Киев: Наукова думка, 1981. – 135 с.

4. Особенности теплового баланса тракторного дизеля воздушного охлаждения / А.П. Кожевников и др. // Тр. ЧИМЭСХ – Челябинск, 1975. – Вып. 88. – С. 47-49.

5. Патрахальцев Н.Н. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом / Н.Н. Патрахальцев. – М.: Легион, 2004. – 197. С.