Исаев, Александр Павлович. Рабочий процесс судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия

Краткое описание

Исаев, Александр Павлович. Рабочий процесс судового ДВС с комбинированным смесеобразованием и воспламенением от сжатия : диссертация ... кандидата технических наук : 05.08.05 / Исаев Александр Павлович; [Место защиты: Астрахан. гос. техн. ун-т].- Астрахань, 2012.- 202 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/602

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
04201352165
ИСАЕВ Александр Павлович
РАБОЧИМ ПРОЦЕСС СУДОВОГО ДВС
С КОМБИНИРОВАННЫМ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЕМ И
ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ
Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы
(главные и вспомогательные)
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Дорохов Александр Федорович
Астрахань-2012 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
1 Анализ способов организации рабочих процессов в ДВС 9
1.1 Современные и перспективные конструкции ДВС 9
1.2 Способы смесеобразования и конструкции камер сгорания 17
1.3 Термохимия и термодинамика процессов сгорания 31
1.4 Энергетические, экономичностные и экологические показатели дизелей....39
Выводы. Цель и научно-технические задачи исследования 45
2 Теоретическое и расчетное исследование принципа комбинированного
смесеобразования 48
2.1 Разработка принципа комбинированного смесеобразования 48
2.2 Выбор степени сжатия и расчет цикловых подач топлива 54
2.3 Расчет и анализ индикаторных диаграмм 61
Выводы 66
3 Экспериментальная установка, результаты экспериментальных
исследований 68
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 68
3.2 Устройство для осуществления комбинированного смесеобразования и
конструкция опытного двигателя 69
3.3 Состав и структура экспериментальной установки 72
3.4 Алгоритм проведения испытаний и метод индицирования 84
3.5 Результаты экспериментальных исследований и их обработка 97
Выводы ; 105
4 Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований 106
4.1 Анализ и сопоставление эффективных показателей двигателей 106
4.2 Анализ и сопоставление индикаторных показателей 113
Выводы 119
5 Расчетная модель определения показателей рабочего цикла двигателя с
комбинированным смесеобразованием 121
5.1 Анализ современных методов расчета показателей рабочего цикла ДВС.. 121
5.2 Разработка методики расчета показателей рабочего цикла двигателя с
комбинированным смесеобразованием и вихревой КС 128
5.3 Расчетные значения параметров РЦ двигателя с комбинированным
смесеобразованием, воспламенением от сжатия и КС в поршне 139
Выводы 154
Заключение 157
Список литературы 160
Приложения 170
Две -двигатель внутреннего сгорания
РЦ - рабочий цикл
тнвд - топливный насос высокого давления
ФТО - фильтр тонкой очистки
кв - коленчатый вал
КС - камера сгорания
вмт - верхняя мертвая точка
емд - судовые малоразмерные дизели
тве - топливовоздушная смесь
ддд - датчики динамического давления
цпг - цилиндропоршневая группа
КТ им - кривошипно-шатунный механизм
ГРМ - газораспределительный механизм
ог - отработавшие газы
вв - вредные вещества
0 пкв - градус поворота коленчатого вала
СКЛАМТ - судовая комплексная лаборатория анализа масел и топлив
РМРС - Российский Морской Регистр Судоходства
ррр - Российский Речной Регистр

С каждым годом проблема экономии природных ресурсов (в том чис¬ле нефтепродуктов) и экологической безопасности транспортной энергетики (в частности, судовой) становится все более острой. Постоянно ужесточающиеся требования к судовым двигателям в плане экономичности, экологической безопасности и энергетической эффективности заставляют двигателестроите¬лей искать пути решения данных задач.
С ростом объемов морских грузоперевозок ведущие мировые судо-строительные компании удовлетворяют потребности мировой экономики строительством суперсухогрузов и супертанкеров. Требования к таким судам заставляют двигателестроителей мощностными и экономичностными показа¬телями производимых ими двигателей обеспечивать необходимые характери¬стики движения судна и выполнять требования безопасности плавания.
Ограниченность объема машинного отделения судов малотоннажного флота, в том числе катеров, яхт и служебно-разъездного флота, требует от главного двигателя обеспечения минимальных массо-габаритных показателей при сохранении высоких мощностных показателей двигателя и маневренных качеств судна. Ведущие зарубежные производители СМД, такие как Yanmar, Volvo Penta, Detroit Diesel, Caterpillar, достигли в своих моделях дизелей опти¬мальных технико-экономических показателей, т.е. для максимальной удельной мощности при заданном рабочем объеме цилиндра двигатель имеет наилуч¬шую топливную экономичность и экологическую безопасность.
Разработка новых конструкций двигателей - процесс трудо- и капи-талоемкий. Использование в проектируемом двигателе большинства современ¬ных тенденций двигателестроения влечет за собой удорожание выпускаемой агрегатной единицы, вследствие чего конкурентоспособность такого двигателя несколько снижается, однако, это снижение может компенсироваться снижени¬ем эксплуатационных затрат на двигатель. Для потребителя любой конкретной продукции важно соотношение «цена-качество». Качество двигателя определя¬
ется надежностью конструкции в целом и отдельных элементов и систем, адап¬тивностью двигателя к различным типам судов, а также, экономичностью и энергетической эффективностью, что во многом определяется качеством про-текающего в цилиндрах двигателя рабочего процесса.

Список литературы

Заключение
Исследования выполнялись с целью создания организации рабочего процесса СМД с высокими технико-экономическими показателями.
В результате выполненного исследования предложен способ органи¬зации рабочего процесса СМД с комбинированным смесеобразованием и раз¬работана конструкция для его осуществления.
На основании проведённых теоретических и экспериментальных ис-следований можно сделать следующие обобщающие выводы:
- несмотря на многочисленные попытки исследователей и ученых до¬биться в КС ДВС снижения периода задержки самовоспламенения, как негатив¬ного фактора для развития процессов сгорания топлива, путем использования конструктивных усовершенствований в двигателе и применения особых режимов работы топливной аппаратуры, пока не удается получить качественного про¬странственно-временного распределения ТВС внутри КС;
- увеличение цикловой подачи топлива влечет за собой также значи-тельные конструктивные изменения, в частности, применение системы газотур¬бинного наддува для обеспечения соответствующего коэффициента избытка воздуха, некоторое снижение степени сжатия и изменение параметров топливо¬подающей аппаратуры; •
- предлагаемые, в большинстве своем зарубежными, производителями конструкции ДВС не устраняют проблемы качества смесеобразования, несмотря на перспективные характеристики и, порой, высокие технико-экономические показатели работы. Все это приводит к усложнению конструкции и, в отдельных случаях, необходимости применения дорогостоящего синтетического топлива;
- невозможность создания ДВС с высокими энергетическими и техни¬ко-экономическими показателями обусловлена тем, что подавляющее большин¬ство способов организации рабочего процесса требуют для своего осуществле¬ния высоких значений а и s; •
- анализ конструкций и способов организации рабочих процессов в ДВС позволил разработать способ работы дизеля с комбинированным смесеоб¬разованием и устройство для его осуществления и защитить его патентом РФ на изобретение;
- реализация предложенного способа смесеобразования позволяет осуществлять рабочий процесс со сниженными значениями коэффициента из¬бытка воздуха за счёт предварительной организации хорошо подготовленной рабочей смеси на стадии внешнего смесеобразования, что дает возможность улучшить массогабаритные показатели двигателя и снизить максимальные значения давлений и температур рабочего цикла, чем обеспечивается повыше¬ние надёжности и работоспособности двигателя. Высококачественная рабочая смесь, полученная в цилиндре за счёт комбинированного смесеобразования, её быстрое воспламенение и эффективное сгорание обеспечивают высокую пол¬ноту сгорания топлива, что дает хорошую топливную экономичность и низкую токсичность отработавших продуктов сгорания;
- в результате проведенных экспериментальных исследований выяв¬лено, что двигатель с комбинированным смесеобразованием развивает в сред¬нем на 10% большую мощность по сравнению с прототипом, что обусловлено лучшей организацией смесеобразования. Поскольку рабочие объемы двигате¬лей не изменялись, выигрыш в удельной мощности также составляет в среднем 10%. Средние эффективное и индикаторное давления увеличились: для двига¬теля с вихревой КС - на 8,3% и на 6,41% соответственно; для двигателя с КС в поршне - на 9,21 % и на 2,17% соответственно;
- в двигателе с вихревой КС заметно снизилось максимальное давле¬ние сгорания (на 16,3 %). В двигателе с КС в поршне точки конца процесса сжатия и максимального давления сгорания совпадают, что говорит о том, что в данном рабочем цикле полностью исключена задержка самовоспламенения;
- удельный эффективный расход топлива двигателя с комбинирован¬ным смесеобразованием при вихревой КС уменьшился на 2,92%, а при КС в поршне - на 1,35%. Кроме того, отмечается снижение а, что является положи¬тельной тенденцией применения комбинированного смесеобразования;
- проведенное расчетно-аналитическое исследование показателей ра¬боты двигателей с комбинированным смесеобразованием и двумя типами КС показало, что использованная модель расчета не позволяет учесть все реалии процессов, протекающих внутри цилиндра двигателя, и особенности РЦ двига¬теля с комбинированным смесеобразованием. Необходимы' дополнительные экспериментальные исследования с целью определения эмпирических попра¬вочных коэффициентов. Однако по основным показателям работы разработан¬ная методика показала неплохую сходимость расчетных и экспериментальных данных (в пределах 10 -М 2 %);
- результаты проведенных исследований внедрены в научную работу Отдела физико-технических проблем машиноведения Института физики Даге¬станского научного центра Российской Академии Наук, Лаборатории проблем моторной энергетики Астраханского государственного технического универси¬тета по исследованию и оптимизации рабочих процессов и конструкций судо¬вых ДВС; положены в основу создания опытного образца двигателя с комби-нированным смесеобразованием; внедрены в учебный процесс при изучении специальных дисциплин студентами специальностей 180103.65 «Судовые энергетические установки» и 180403.65 «Эксплуатация судовых энергетиче¬ских установок» в АГТУ и в виде экспериментальной лабораторной установки в лаборатории тепловых двигателей АГТУ при проведении лабораторных прак¬тикумов.