Исследование пусковых качеств и рабочего процесса судового малоразмерного дизеля с камерой сгорания в поршне

Судовые малоразмерные дизели (СМД) типа 48,5/11 и 49,5/11, широко используемые в качестве привода основных, резервных, аварийных, стояночных дизель-генераторов и комбинированных агрегатов типа дизель-генераторкомпрессор-насос, нашли применение также для удовлетворения нужд передвижной, сварочной, насосной и др. техники. Кроме того, на их базе созданы и создаются судовые дизельные установки, используемые в качестве главных силовых энергетических установок малых судов, в том числе используемых в качестве средств коллективного спасения (СКС) и средств экстренной помощи (СЭП).

Сокращение продолжительности ввода их в действие за счет улучшения пусковых качеств является принципиально важной задачей, актуальность которой обусловлена:

— общими тенденциями развития малоразмерных дизелей в области организации высокоэкономичного рабочего процесса путем использования камер сгорания в поршне;

— специфическими особенностями, связанными с малыми размерами камеры и цилиндра, и трудностями использования вспомогательных средств облегчения пуска для ряда модификаций дизелей 48,5/11 и 49,5/11.

— отсутствием исследований посвященных пусковым качествам судовых малоразмерных дизелей малой мощности и их модификаций с цилиндрической камерой в поршне и организацией осевого воздушного вихря на впуске.

Исследование и улучшение пусковых качеств малоразмерных дизелей 48,5/11 и 49,5/11 цилиндрической камеры сгорания в поршне и организацией осевого воздушного вихря на впуске, без ухудшения показателей рабочего процесса на нагрузочных режимах, является актуальной научно-технической задачей, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы отраслевых МГТУ им. Н. Э. Баумана, ЦНИДИ, НАТИ, НАМИ и многих других вузов и моторостроительных заводов выявили основные физические закономерности протекания процесса пуска и позволили создать комплекс различных средств, для успешного ввода в действие двигателей в составе различных энергетических установок. Так, анализ научно-исследовательских работ, выполненных И. С. Хвощевым, М. М. Вихертом, Б. Я. Гинзбургом, J1. Я. Волчком, В. В. Эфросом, В. JL Купершмидтом, Н. Н. Сметневым, Jl. М. Минкиным, В. В. Карницким, Н. М. Глаголевым, М. М. Аливагабовым, М. М. Фатаховым показывают, что они направлены на сокращение продолжительности пуска и снижение минимальной температуры пуска автотракторных и авиационных поршневых двигателей путем:

— применения различных средств, облегчающих пуск: свечи накаливания, различные подогреватели охлаждающей жидкости и моторного масла, сжатый воздух различные подогреватели впускного воздуха, легковоспламеняющиеся жидкости типа &bdquo-Арктика" или &bdquo-Холод Д-40″ и приспособления для их впрыска и различные пиротехнические средства, а также пусковые устройства в виде электро-, пневмо-, гидрои инерционного стартера или стартер-генераторного устройства;

— оптимизации различных конструктивных и регулировочных факторов на параметры заряда воздуха в конце такта сжатия и пусковые характеристики при климатических условиях от 318 К до (213^-223) К.

Вместе с тем, указанный анализ показал, что:

— только в двух работах были исследованы [4, 75] пусковые качества судового малоразмерного дизеля 48,5/11 с вихревой камерой сгорания и с камерой ЦНИДИ в поршне с целью использования его для спасательных шлюпок морских судов;

— практически не исследованы процессы, протекающие в цилиндре малоразмерного дизеля в режиме пуска;

— отсутствуют сведения о закономерности смесеобразования и о пусковых качествах малоразмерного дизеля с цилиндрической камерой сгорания в поршне и осевым воздушным вихрем, организованном на впуске.

Необходимо отметить также два обстоятельства, имеющие принципиальное значение при оценке пусковых качеств дизеля.

Во-первых, в литературе отсутствуют четко обозначенные границы между пуском: обычным, холодным и низкотемпературным, собственными пусковыми качествами дизеля и пусковыми качествами дизеля, не сформулированы определения пусковых качеств и пусковых характеристик.

Во-вторых, из литературы известно, что использование конструктивных и регулировочных факторов, средств облегчения пуска в виде: электрофакельных подогревателей и электрических спиралей, легковоспламеняющихся пусковых жидкостей и маловязких моторных масел и т. д. сопровождается появлением целого ряда отрицательных явлений в работе двигателя.

В связи с этим с первым обстоятельством, для внесения определенности в исследования, в настоящей работе было принято:

— считать пуск успешным, если при заданных условиях коленчатый вал дизеля разгоняется, с состояния покоя пусковым устройством, до появления устойчивых вспышек в цилиндрах, а затем при отключении пускового устройства на вспышках разгоняется до режима самостоятельной работы с трех последовательных попыток, реализуемых в течение 60 с;

— считать пуск обычным если дизель простоял без действия не более 17 часов, при котором на трущихся поверхностях еще сохраняется смазка и холодным если дизель простоял без действия более 17 часов, а низкотемпературный пуск в работе не рассматривался, так как судовые дизели при температурах окружающей среды ниже 258 К не эксплуатируются;

— различать собственные пусковые качества дизеля и пусковые качества, которые характеризуют пусковые качества определяемые, в первом случае, только конструкцией дизеля без использования средств облегчения пуска и во втором случае, конструкцией дизеля и наличием вспомогательных средств облегчения воспламенения топлива и проворачивания коленчатого вала в режиме пуска;

— оценивать пусковые качества дизеля определенными эксплуатационными свойствами, совокупность которых характеризует совершенство дизеля с точки зрения продолжительности пуска, минимальной пусковой средней скорости поршня и минимальной температуры пуска;

— в качестве пусковых характеристик использовать зависимости продолжительности пуска (т^ от частоты вращения коленчатого вала (nj или средней скорости поршня (Ст) типа тп = f (n, J или тп = f (CJ при использовании различных конструктивных и регулировочных параметров дизеля и средств облегчения воспламенения топлива и проворачивания коленчатого вала для снижения минимальных значений: температуры пуска, пусковой частоты вращения коленчатого вала или пусковой средней скорости поршня. Кроме того в работе использовались пусковые регулировочные характеристики, представляющие собой зависимости продолжительности пуска (т&bdquo-) от величин угла опережения впрыска топлива (в) в °ПКВ до ВМТ и цикловой подачи топлива (g4), мг/цикл типа т&bdquo- =J{0) и т. п. =f (gl ().

В связи со вторым обстоятельством в настоящей диссертационной работе целесообразности и рациональные пределы применения различных конструктивных и регулировочных факторов и средств облегчения пуска определялись теми улучшениями пусковых качеств и рабочего процесса, которые они дают для малоразмерных дизелей рассматриваемого типа. Важно не только улучшить пусковые качества, но и сделать это наиболее рациональным путем.

В связи с изложенным, целью настоящей работы явилось теоретическое и экспериментальное исследование возможности улучшения пусковых качеств малоразмерного дизеля с цилиндрической камерой сгорания в поршне путем совершенствования процессов смесеобразования и сгорания в режиме пуска.

При этом, особое внимание уделялось обеспечению собственных пусковых качеств без ухудшения показателей работы дизеля на нагрузочных режимах, что потребовало решения ряда задач, направленных на:

— теоретическое исследование закономерностей смесеобразования и сгорания топлива в режиме пуска малоразмерного дизеля, путем определения количества заряда воздуха и топлива испарившегося в объеме и со стенки камеры в поршне, а также оценки требуемой концентрации паров топлива для наибольшего теплового эффекта реакции сгорания в режиме пуска;

— экспериментальное исследование пусковых качеств и рабочего процесса дизеля с оптимальными регулировками для разработки практических рекомендаций для улучшения пусковых качеств дизеля рассматриваемого типа.

Принятая в работе методика:

— определение количества заряда воздуха в цилиндре малоразмерного дизеля базируется на разработки В. Л. Купершмидта [27, 30] и учитывают потери заряда, вследствие утечки через неплотности и обратного выброса части заряда через впускной клапан;

— расчет количества топлива испарившегося в объеме и со стенки камеры в поршне базируется на методиках, разработанных Д. Н. Вырубовым [12], Б. Н. Семеновым [24] и А. С. Ирисовым [25];

— оценки теплового эффекта реакции сгорания в режиме пуска базируется на разработки В. Е. Басевича [6], А. Н. Воинова [13] и М. М. Аливагабова [4].

Таким образом, в настоящей работе были выполнены впервые теоретические и экспериментальные исследования пусковых качеств судовых малоразмерных дизелей с цилиндрической камерой сгорания в поршне, что дало возможность:

1) определить наиболее целесообразные пути сокращения продолжительности разгона коленчатого вала как пусковым устройством до появления устойчивых вспышек в цилиндрах, так и на вспышках после отключения пускового устройства;

2) установить рациональные пределы увеличения цикловой подачи топлива и момента его впрыска, для улучшения пусковых качеств малоразмерного дизеля без ухудшения показателей работы его на нагрузочных режимах и применения, наиболее подходящих для рассматриваемых дизелей и условий их эксплуатации средств облегчения:

— воспламенения топлива в виде электрических спиралей;

— проворачивания коленчатого вала в режиме пуска в виде маловязких моторных масел.

В результате были разработаны научно обоснованные практические рекомендации, обеспечивающие улучшение, как собственных пусковых качеств, так и пусковых качеств судовых малоразмерных дизелей 48,5/11 с цилиндрической камерой сгорания в поршне и осевым воздушным вихрем на впуске.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов, библиографического списка использованной литературы из 114 источников и представлена на 134 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 6 таблиц.

Основные выводы.

1. В режиме пуска дизеля с цилиндрической камерой в поршне, наряду с повышением температуры Тс и давления рс в конце такта сжатия, весьма актуальной задачей является увеличение избыточного момента, равного разности моментов от сил вспышек и сопротивления вращению коленчатого вала. Момент от сил вспышек определяется количеством сжигаемого топлива, а следовательно, величиной доли цикловой подачи топлива, испарившегося в камере сгорания и количеством воздуха в цилиндре.

2. Методика теоретического исследования потерь заряда воздуха в процессе наполнения и сжатия, динамики испарения топлива в объеме и со стенки камеры в поршне, использованная в работе, дала возможность определить:

— оптимальную в режиме пуска величину цикловой подачи топлива;

— количество топлива, испарившегося в режиме пуска за цикл в объеме и со стенки камеры в поршне, с учетом движения капель с переменной скоростью и времени подогрева их до температуры равновесного испарения;

— суммарных потерь заряда воздуха в процессе наполнения и сжатия.

В результате было установлено, что:

— пуск малоразмерного дизеля с цилиндрической камерой в поршне осуществляется за счет части топлива, испарившегося в объеме и со стенки камеры в поршне. При этом за период задержки воспламенения г, = 24 мс испаряется 25% цикловой подачи топлива в объеме и до 7% со стенки камеры в поршне;

— одной из особенностей дизеля рассматриваемого типа является характер зависимости продолжительности пуска от величины цикловой подачи топлива, имеющий явно выраженный минимум при g4 = 60+65 мг/цикл;

— увеличение количества топлива, испарившегося в камере сгорания способствует образованию горючей смеси стехиометрического состава, что обеспечивает существенное сокращение времени разгона коленчатого вала на вспышках. Образование в камере сгорания топливовоз-душной смеси с, а = 0,9+1,1 обеспечивает сокращение продолжительности пуска с 22 до 3,3 с, т. е. в 6,6 раза;

— потери заряда воздуха вследствие закрытия впускного клапана после НМТ, утечки через неплотности в поршневых кольцах и клапанах, а также суммарные потери за процессы наполнения и сжатия, характеризуемые коэффициентами дозарядки д, сохранения заряда? и полноты заряда v в режиме пуска дизеля 448,5/11 достигают значений д = 0,91- ?=0,77 и v = 0,68.

3. Собственные пусковые качества малоразмерных дизелей зависят от величины цикловой подачи топлива и момента его впрыска, геометрической и действительной степени сжатия, потерь на трение и в охлаждающую среду.

4. Оптимальный угол опережения впрыска топлива 16+18,5° ПКВ до ВМТ обеспечивает для малоразмерных дизелей с цилиндрической камерой в поршне:

— минимальный удельный расход топлива ge = 228 г/(кВт*ч) на режиме номинальной мощности;

— наименьшую продолжительность пуска.

5. Маловязкие моторные масла дают возможность снизить потери на трение и являются эффективным средством снижения момента сопротивления вращению коленчатого вала Мс и улучшения пусковых качеств судовых малоразмерных дизелей.

6. Повышение температуры моторного масла в системе смазки Тм способствует снижению вязкости масла и Мс особенно при работе дизеля на долевых нагрузках.

7. Цилиндрическая камера в поршне с организацией осевого воздушного вихря на впуске позволяет для малоразмерных дизелей обеспечить:

— высокоэкономичный рабочий процесс на номинальных и долевых нагрузках;

— собственные пусковые качества, удовлетворяющие условиям эксплуатации как судовых вспомогательных малоразмерных дизелей, так и различных главных ДЭУ созданных на их базе для судостроения.

8. Наиболее эффективными средствами облегчения пуска малоразмерного дизеля с цилиндрической камерой в поршне при температурах до 273 К являются:

— использование электрических спиралей мощностью 400+800 Вт для подогрева впускного воздуха;

— использование маловязких масел.

9. Оптимальные для пуска конструктивные и регулировочные параметры и вспомогательные средства, использованные в работе, не ухудшают показатели работы малоразмерного дизеля на рабочих режимах.

10. Малоразмерные дизели с цилиндрической камерой в поршне и организацией осевого воздушного вихря на впуске могут успешно функционировать на долевых нагрузках, для которых остаются характерными:

— увеличение коэффициента избытка воздуха а, вследствие снижения цикловой подачи топлива;

— снижение количества мелких капель топлива и температуры стенки, обуславливающие смещение сгорания за ВМТ;

— снижение температур охлаждающей жидкости и моторного масла.

5 Заключение и основные выводы.

Собственные пусковые качества судовых малоразмерных дизелей зависят от конструктивных и регулировочных факторов, определяющих температуру Тс и давление рс в конце такта сжатия и величины избыточных моментов: (Мст — Мс), способствующий ускорению разгона коленчатого вала до появления первых вспышек и отключения пускового устройства- (ZMt — Мс), способствующий ускорению разгона коленчатого вала на вспышках до режима самостоятельной работы.

Наиболее просто вопрос улучшения пусковых качеств на практике решают путем повышения мощности системы пуска и использования вспомогательных средств облегчения воспламенения топлива и облегчения проворачивания коленчатого вала. Однако, при этом увеличивается энергоемкость, масса, стоимость и габариты системы пуска.

Анализ опубликованных работ, а также теоретические исследования показывают, что при пуске малоразмерных дизелей важно создать в камере сгорания температуру и давление, которые бы обеспечили испарение достаточного количества топлива и надежное его воспламенение.

В зависимости от количества топлива, испарившегося в объеме и со стенки камеры в поршне, потерь заряда воздуха в процессе наполнения цилиндра и сжатия, полученная в режиме пуска величина обогащения для различных дизелей может колебаться в широких пределах. В то же время, как показывают исследования, только горючая смесь стехиометрического состава позволяет резко сократить продолжительность пуска малоразмерных дизелей. Образованию горючей смеси требуемого состава способствует увеличение цикловой подачи топлива (g4). Для дизелей 48,5/11 и 49,5/11 оптимальная величина цикловой подачи топлива в режиме пуска, как показали исследования, составляет 60+65 мг/цикл.

Улучшению пусковых качеств малоразмерных дизелей способствуют: — использование оптимального для пусковых режимов угла опережения впрыска топлива;

— использование маловязких моторных масел;

— использование электрических спиралей для подогрева впускного воздуха.

На основании результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований для улучшения пусковых качеств дизелей 48,5/11 и 49,5/11 рекомендуется осуществить перевод их на камеру в поршне цилиндрической формы с расширенной горловиной и организацией осевого воздушного вихря на впуске, а также использовать оптимальные значения g4 и в, маловязких масел и подогрева воздуха на впуске.