Исследование переходных режимов тепловых двигателей

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА


В.И. Толшин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Для студентов специальности
180103 - судовые энергетические установки




Альтаир - МГА ВТ
Москва, 2007

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТ А







В,И. Толшин

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Для студентов специальности 180103 - судовые энергетические установки

Учебное пособие


Альтаир - МГА ВТ
Москва, 2007

УДК 62721; 656.615

В.И. Толшия
Исследование переходных режимов тепловых двигателей. Учебное пособие. - М ; Альтаир МГАВТ, 2007 - 88 с., ил. 40, табл. 2.

      Является руководством по закреплению знаний теоретического курса по учебной дисциплине «Исследование переходных режимов тепловых двигателей».
      Основная задача учебного пособия - детальное знакомство с методами исследований судовых дизелей, с особенностями протекания переходных режимов в эксплуатации.
      Пособие предназначено для студентов специальности 180103 - «Судовые энергетические установки».

Рецензент - доктор технических наук, профессор В. А. Марков

Издается по решению учебно-методического совета МГАВТ

Ответственности за оформление и содержание передаваемых в печати материалов несут авторы и кафедры академы. выпускающие учебно-методические материалы

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебном пособии описаны системы автоматического регулирования дизелей, переходные режимы, способы улучшения показателей дизелей с турбонаддувом с помощью систем регулирования и управления.
Для инженерно-технических работников, занимающихся двигателестроением, а также может быть полезна студентам высших учебных заведений.
Существующая тенденция в дизелестроении - снижение массогабаритных показателей дизелей путем форсирования их по наддуву приводит к усложнению функций систем регулирования параметров этих дизелей и усложнению законов регулирования. Это связано с необходимостью улучшения экономических и экологических показателей форсированных дизелей и их моторесурса, зачастую ухудшающихся в эксплуатационных режимах.
Такое ухудшение имеет место прежде всего в переходных режимах, в которых значительную долю времени работают энергоустановки автомобильного и железнодорожного транспорта, тракторов и судов некоторых типов
В связи с изложенным, на основании систематизации данных исследований в ряде отраслей, автор книги поставил задачей;
провести анализ процессов в цилиндрах дизелей, агрегатах наддува и топливной аппаратуре в переходных режимах, а так же инженерных методов расчета этих процессов;
сформулировать законы автоматического регулирования в переходных режимах ряда параметров форсированных дизелей для снижения расхода топлива, вредных выбросов отработавших газов, износов и теплонапряженности;
обобщить имеющиеся для этих целей способы улучшения показателей форсированных дизелей различных типов в режимах наброса нагрузки и разгона.
Учебное пособие основывается в основном на книге «Форсированные дизели. Переходные режимы. Регулирование.» Автор Толшин В.И. изд .Машиностроение 1994г
Автор приносит благодарность рецензенту и всем, кто оказывал помощь в издании книги.

О МГАВТ, 2007
С Толшнн В.И., 2007

ГЛАВА 1. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ДИЗЕЛЕЙ НА ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ


1.1. Общие понятия
Виды неустановившихся режимов. Выделим три характерных вида неустановнвшнхся режимов.
      1.       Наброс и сброс нагрузки (увеличение или уменьшение момента сопротивления дизеля) при относительно малом изменении частоты вращения вала, диапазон которого определяется настройкой регулятора скорости или управления подачей топлива. Набросы и сбросы нагрузок могут происходить как при частоте вращения вала, близкой к номинальному значению (дизель-генераторы переменного тока), так и при частичных ее значениях (например, при разгоне и переключении передач).
      Наиболее тяжелые условия для дизеля с турбокомпрессором возникают при мгновенном набросе нагрузки с холостого хода. В частности, требование обеспечения дизелем необходимого крутящего момента в этих условиях предъявляется к дизель-генераторам.
      Для сравнительной оценки эффективности дизелей различных типов при набросах нагрузки целесообразно воспользоваться одинаковыми для всех дизелей характерами наброса и сброса нагрузки, в качестве которых выбираются мгновенные наброс и сброс 100% нагрузки, причем для дизелей с турбо-наддувом мгновенный рост нагрузки зависит от степени наддува, уменьшаясь по отношению к номинальному значению с увеличением степени наддува. Мгновенное изменение нагрузки одновременно является проверкой исправности системы автоматического регулирования скорости, соответствие которой заданному классу точности определяется по забросу частоты вращения вала, длительности переходного процесса до вхождения изменения величины п в зону статической точности. Уменьшение относительной величины набрасываемой нагрузки при увеличении среднего эффективного давления ре определено реальными возможностями обеспечения рабочего процесса дизеля воздухом
      2.      Разгон, сопровождающийся одновременно ростом частоты вращения вала лизеля и его крутящего момента. Разгон может происходить по различным законам изменения частоты вращения вала и его крутящего момента. Режим разгона возможен:

      при увеличении нагрузки, соответствующей режиму холостого хода, до полной нагрузки при минимальной частоте вращения вала;
      при максимальном значении п;
при повышении частоты вращения вала и высоком крутящем моменте; нагрузки*^* Раэгона следует режим уменьшения частоты вращения вала и
      Во время разгона крутящий момент дизеля расходуется на преодоление сил Кп^ГИНаСН,и Авижению н на приращение кинетической знершн машины огоакмчмт МОМ!НТ ДНЗ€ЛЯ может стать больше момента, соответствующего токенчее^^¹⁰ ха₽ахгеРистике- что приводит к ухудшению экономических и ^ческих показателей и надежности дизелей.

     3.       Циклический режим - режим с периодической закономерностью изменения момента сопротивления и, как следствие, частоты вращения вала и цикловой подачи топлива, изменения которых зависят не только от нагрузочной диаграммы, но и от параметров дизеля и машины.
     Как правило, нагрузочные режимы большинства тракторных средств и машин имеют циклический нагрузочный режим, который может быть разложен на несколько гармоник с амплитудами и фазами, повторяющимися от цикла к циклу. Например, в случае работы дизеля на корабле при волнении моря или тракторе, при работе на поле с определенной структурой почвы.
     Перечисленные типовые неустановившиеся режимы, называемые в дальнейшем переходными, приводят к ухудшению экономических и мощностных показателей дизелей. Важной оценкой перечисленных переходных режимов являются скорость изменения мощности дизеля и доля времени неустановившихся режимов в общем времени работы дизеля.
     При анализе приспособленности дизелей к неустановившимся режимам работы необходимо учитывать характеристики транспортного средства.
     Оценка экономичности дизеля в переходных режимах. Оцен ка экономичности работы дизеля в переходном режиме может быть выполнена с помощью показателя, который рассчитывается как отношение среднего удельного расхода Ь^р топлива за переходный режим к удельному расходу Ь, р топлива за сходственный установившийся режим. Для расчета или экспериментального определения Ьир необходимо располагать данными по расходу bM.ₚ топлива за период неустановившегося режима и по выработанной дизелем энергии Ец.р. В каждой точке неустановившегося режима необходимо регистрировать положение hₚ рейки топливных насосов или крутящий момент Тч и частоту п вращения вала.
     Если известны значения Вир иЕнр , то определяется
     Ьц.р ⁼ BMₜ/E„ о (1)
     Зная^‘ч и п и п)‘по нагрузочным характеристикам
находят В и Еу в сходственных режимах. Если измеряется Тч, то в установившемся сходственном режиме, который сравнивается с неустановившимся, расход топлива находится из выражения
     тмр
В = Jb.T^oxir ,
       »           (2)
   b„ - Ь,(Тц,<|>); о> = яи/30.
где
     Количество энергии за т₁М₽ в обоих способах

Ен.₽ = Еу.₽ = Ro>dt
                ⁰ О)
тпер
Средний удельный расход топлива на установившемся режиме за

ЬЫ> = Ч'®»» ■ (4Х

Показатель неэкономичности неустановившегося режима


К„р • Ь.р/Ъу.р

    В натурных условиях, например, измерить крутящий момент затруднительно, в то время как регистрировать ход рейки топливных насосов, частоту вращения вала и расход топлива сравнительно проще. Поэтому предпочтительнее способ, когда значение Ьур определяется по сходственным режимам нагрузочных характеристик при тех же значениях hₚ и п, что и при неустановившемся режиме. Поскольку величина hₚ и цикловая подача функционально зависимы, то этот способ удобно использовать при расчете. Величину Е„р определяют косвенными методами, например по работе, совершенной машиной.
    В качестве показателя эффективности работы дизеля при набросе нагрузки является отношение развиваемой дизелем эффективной мощности Рс (крутящего момента T₍q) при мгновенном изменении хода рейки топливных насосов к эффективной мощности (крутящему моменту) в сходственном установившемся режиме:
       Р»)
       P.(hₚ,n)'
к ад.п)
       Tₖ(hₚ,n)'
    Символ * означает, что параметр относится к моменту мгновенного изменения хода рейки топливных насосов.


     1.2.      Процессы смесеобразования и сгорания Особенности процессов смесеобразовании и сгорания.
Процессы на переходных режимах отличаются от процессов на установившихся режимах следующим:
     период задержки самовоспламенения при той же цикловой подаче топлива увеличивается в результате более низких температур стенок камеры сгорания и низкого давления сжатия;

     струя топлива интенсивнее проникает в объем камеры сгорания и часть топлива попадав! на холодную стенку цилиндра в результате меньшей, чем на соответствующем установившемся режиме, плотности воздуха в цилиндре;
КПД              ИЗб“ТКа В°ЗДуХа аГ Уменьшается, ухудшается индикаторный
количествае^н<>мичность' увеличивается дымность в результате меньшего равной 110% н\минй₽И даалении наддува и цикловой подачи топлива, влотаощ^р'’"^^' ““'ночных расчето₈ можно утверждать, что с уменьшением . воиуха в цилиндре и увеличением ратности др давление в

топливопроводе и цилиндре дизеля растет длина струи за каждый отрезок времени. Если величина т, остается неизменной, то часть струи с относительной длиной по центральной оси конуса

        дЕ*|а,^р'

        \ АРисх Ра /
                    ' окажется на стенке камеры сгорания, точнее, в пристеночной зоне. При увеличении периода задержки самовоспламенения на величину от, дополнительная часть капель, содержащихся в струе с высотой конуса, пропорциональной величине дЬфь окажется в этой же зоне.





ДЦ, = [и(лч/ъ-.)]*-1

где ^>аясх * *нсх плотность заряда и период задержки

самовоспламенения на установившемся режиме.
      Дальнейший экспериментальный анализ показывает, что далеко не все топливо, оказавшееся в пристеночной зоне, может сгореть не полностью. Увеличивающаяся жесткость приводит к более интенсивному движению воздуха, подтверждающемуся увеличением локальных коэффициентов теплоотдачи. В результате часть топлива выносится из пристеночной зоны к основной массе топлива и сгорает с запаздыванием. В пристеночной зоне путем непосредственной полимеризации происходит интенсивное образование сажи. Топливо, испарившееся с поверхности камеры сгорания и распыленное в ее

                            а1 объеме при малом значении , имеет существенное значение в образовании сажи в результате пиролитических реакций. Вследствие низкой концентрации кислорода в процессе расширения газа сажа окисляется не полностью.
      При пиковом набросе нагрузки на дизель коэффициент ослабления светового потока в отработавших газах изменяется от 10 до =100%. Крутящий момент дизеля после наброса нагрузки и увеличения цикловой подачи топлива до максимального значения составляет приблизительно 60...70% максимального

значения, соответствующего установившемуся режиму.
      Моделирование процессов смесеобразования и сгорания. При проведении исследовательских и проектных работ, направленных на создание модификации дизелей с турбонаддувом, приспособленных к неустановившимся режимам работы, может возникнуть задача моделирования рабочего процесса дизеля. В отличие от расчетов на установившихся режимах предполагается вести расчет последовательности рабочих циклов с изменяющимися параметрами воздуха во впускном трубопроводе, газов в выпускных трубопроводах и измеаяюшахся

цикловой подачей топлива.
      Поскольку пока еще нет всеобъемлющей математической .модели рабочего цикла учитывающей взаимное влияние гоплнэоподачи, смесеобразования и сгорания, а существующие методики весьма сложны и их использование нереально при моделировании рабочего процесса и послеаоватетьио изменяющихся циклах, го во мнит их практических случаях приходится